一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法

摘要

本发明公开了燃气管道安全防控技术领域的一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法，旨在解决现有技术中由于缺乏对管道天然气不同泄漏角度射流火焰的研究，经典预测模型在进行危害分析时将各种角度的射流火焰一概而论，导致计算误差较大，无法为应对复杂情况下的安全防控工作提供准确参考的技术问题。所述方法包括如下步骤：采集管道设计参数和周围环境资料；确定预设伤害程度所对应的热通量；根据管道设计参数、周围环境资料、热通量，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围。

权利要求

1.一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，包括如下步骤：采集管道设计参数和周围环境资料；

确定预设伤害程度所对应的热通量；

根据管道设计参数、周围环境资料、热通量，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围；

根据管道设计参数、周围环境资料、热通量，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，包括：

根据管道设计参数和周围环境资料，计算获取管道泄漏燃气的质量流速及其对应的射流火焰长度；

将管道泄漏燃气的质量流速、射流火焰长度、热通量代入预设模型，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围；

将管道泄漏燃气的质量流速、射流火焰长度、热通量代入预设模型，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，还包括：将管道泄漏燃气的质量流速、热通量代入经典预测模型，计算获取预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围；

所述经典预测模型，其表达式如下：其中，

式中，r为预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围，r'为预设伤害程度所对应的目标与火焰中心之间的距离，Q为管道泄漏燃气的质量流速，η为效率因子，Hc为燃气燃烧热，Tjet为辐射率系数，I(r')为预设伤害程度所对应的热通量；

如果r不大于预设阈值，所述预设模型，其表达式如下：如果r大于预设阈值，所述预设模型，其表达式如下：式中，ra为预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，θ为管道裂孔轴线与水平面之间的夹角，Lb为有风条件下射流火焰的长度。

2.根据权利要求1所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，确定预设伤害程度所对应的热通量，包括：参照热通量伤害准则，确定预设伤害程度所对应的热通量；

所述伤害程度包括对人的影响程度，所述对人的影响程度包括安全、重伤、死亡中的至少任一项。

3.根据权利要求1所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，所述管道设计参数包括管内燃气压力、管内燃气温度，所述周围环境资料包括管外大气压力、管外环境温度、管外环境风速。

4.根据权利要求3所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，如果泄漏燃气为声速流动，所述质量流速的计算公式如下：如果泄漏燃气为亚声速流动，所述质量流速的计算公式如下：式中，Q为管道泄漏燃气的质量流速，Cd为燃气泄漏系数，A为管道裂孔面积，P为管内气体压力，M为燃气摩尔质量，K为燃气绝热指数，R为燃气常数，T为管内燃气温度，P0为管外大气压力。

5.根据权利要求4所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，泄漏燃气为声速流动的判定条件为：

泄漏燃气为亚声速流动的判定条件为：

6.根据权利要求4所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，所述射流火焰长度，其表达式如下：

Lbo＝Y×DS，

其中，

ρ0＝P0×W0/(8.314×T0)，式中，Lbo为无风条件下射流火焰的长度，Lb为有风条件下射流火焰的长度，uw为管外环境风速，e为自然常数，θ为管道裂孔轴线与水平面之间的夹角，Y为过程函数，DS为燃烧等效直径，ρ0为空气密度，uj为管道裂孔处燃气泄漏流速，W0为空气摩尔质量，T0为管外环境温度，Cb为常数，Ca和Cc为系数，g为重力加速度，F为泄漏燃气与空气的混合气体中燃气质量所占比例。

7.根据权利要求1所述的燃气管道射流火焰作用范围预测方法，其特征是，所述预设阈值为Lb×tanθ，所述燃气包括天然气。

说明书

一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法，属于燃气管道安全防控技术领域。

背景技术

[0002] 石油天然气管道运输凭借其效率高、连续性强等特点，已经成为我国五大运输产业之一。目前，我国使用年限25年以上的输送管道已超过六成，大量管道进入故障多发期。
因管道故障而泄漏的天然气，遇到火源极易引发火灾和爆炸事故，如果不能采取切实有效
的预防措施，势必造成严重的人身伤害和财产损失。

[0003] 目前，已经有不少专家和学者开始对天然气管道泄漏所导致射流火焰的危害进行研究，但其研究重点主要针对天然气管道在竖直方向发生射流火焰，对于天然气不同泄漏
角度的射流火焰研究较少，对不同方向射流火焰危害范围的评估所做的探索非常有限，无
法为应对复杂情况下的安全防控工作提供准确参考。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法，以解决现有技术中由于缺乏对管道天然气不同泄漏角度射流火焰的研究，经典预
测模型在进行危害分析时将各种角度的射流火焰一概而论，导致计算误差较大，无法为应
对复杂情况下的安全防控工作提供准确参考的技术问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法，包括如下步骤：

[0007] 采集管道设计参数和周围环境资料；

[0008] 确定预设伤害程度所对应的热通量；

[0009] 根据管道设计参数、周围环境资料、热通量，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围。

[0010] 优选地，确定预设伤害程度所对应的热通量，包括：参照热通量伤害准则，确定预设伤害程度所对应的热通量；所述伤害程度包括对人的影响程度，所述对人的影响程度包
括安全、重伤、死亡中的至少任一项。

[0011] 优选地，根据管道设计参数、周围环境资料、热通量，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，包括：

[0012] 根据管道设计参数和周围环境资料，计算获取管道泄漏燃气的质量流速及其对应的射流火焰长度；

[0013] 将管道泄漏燃气的质量流速、射流火焰长度、热通量代入预设模型，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围。

[0014] 优选地，所述管道设计参数包括管内燃气压力、管内燃气温度，所述周围环境资料包括管外大气压力、管外环境温度、管外环境风速。

[0015] 优选地，如果泄漏燃气为声速流动，所述质量流速，其计算公式如下：

[0016]

[0017] 如果泄漏燃气为亚声速流动，所述质量流速，其计算公式如下：

[0018]

[0019] 式中，Q为管道泄漏燃气的质量流速，Cd为燃气泄漏系数，A为管道裂孔面积，P为管内气体压力，M为燃气摩尔质量，K为燃气绝热指数，R为燃气常数，T为管内燃气温度，P0为管
外大气压力。

[0020] 优选地，泄漏燃气为声速流动的判定条件为：

[0021]

[0022] 泄漏燃气为亚声速流动的判定条件为：

[0023]

[0024] 优选地，所述射流火焰长度，其表达式如下：

[0025] Lbo＝Y×DS，

[0026]

[0027] 其中，

[0028] ρ0＝P0×W0/(8.314×T0)，

[0029]

[0030]

[0031]

[0032]

[0033] 式中，Lbo为无风条件下射流火焰的长度，Lb为有风条件下射流火焰的长度，uw为管外环境风速，e为自然常数，θ为管道裂孔轴线与水平面之间的夹角，Y为过程函数，DS为燃烧
等效直径，ρ0为空气密度，uj为管道裂孔处燃气泄漏流速，W0为空气摩尔质量，T0为管外环境
温度，Cb为常数，Ca和Cc为系数，g为重力加速度，F为泄漏燃气与空气的混合气体中燃气质量
所占比例。

[0034] 优选地，将管道泄漏燃气的质量流速、射流火焰长度、热通量代入预设模型，计算获取预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，还包括：

[0035] 将管道泄漏燃气的质量流速、热通量代入经典预测模型，计算获取预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围；

[0036] 所述经典预测模型，其表达式如下：

[0037]

[0038] 其中，

[0039] 式中，r为预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围，r'为预设伤害程度所对应的目标与火焰中心之间的距离，Q为管道泄漏燃气的质量流速，η为效率因子，Hc为燃气燃烧
热，Tjet为辐射率系数，I(r')为预设伤害程度所对应的热通量。

[0040] 优选地，如果r不大于预设阈值，所述预设模型，其表达式如下：

[0041]

[0042] 如果r大于预设阈值，所述预设模型，其表达式如下：

[0043]

[0044] 式中，ra为预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围，θ为管道裂孔轴线与水平面之间的夹角，Lb为有风条件下射流火焰的长度。

[0045] 优选地，所述预设阈值为Lb×tanθ，所述燃气包括天然气。

[0046] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：将燃气泄漏角度引入到射流火焰作用范围的计算中，减小了经典预测模型在进行危害分析时将各种角度的射流火焰一概而论
而造成的误差，提高了危害半径计算的精确度，增强了安全评估的合理性，可为安全区域划
分、疏散方案制定、救援工作实施提供更加准确的决策依据。

附图说明

[0047] 图1是本发明具体实施方式提供的一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法的流程图；

[0048] 图2是本发明具体实施方式提供的一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法效果验证图。

具体实施方式

[0049] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0050] 如图1所示，是本发明具体实施方式提供的一种燃气管道射流火焰作用范围预测方法的流程图，所述方法包括如下步骤：

[0051] 步骤一，收集管道设计参数及周围环境资料。

[0052] 管道设计参数包括管内燃气压力P(单位：Pa)、管内燃气温度T(单位：℃)，周围环境资料包括管外大气压力P0(单位：Pa)、管外环境温度T0(单位：℃)、管外环境风速uw(单位：
m/s)。上述管道设计参数及周围环境资料，在很大程度上决定了因燃气泄漏所产生的射流
火焰的烈度和形态。

[0053] 为方便对实验结果进行验证，本实施例选取下述设定工况，并利用火灾模拟软件(FDS)对同样工况的泄漏管道进行数值模拟。设定管道内径为150mm，管道壁厚为4.5mm，管
内燃气压力为4.0MPa，管道材质为镀锌钢材，离地高度为3m，管内燃气温度为30℃，管外环
境温度为20℃，管外环境风速为1m/s，方向为X轴正向，外界压力为标准大气压。由于管道泄
漏模式一般为小孔泄漏，因而本实施例中模拟管道泄漏裂孔的孔径为20mm，泄漏方向与X轴
正方向成30°夹角。

[0054] 步骤二，根据管道设计参数和周围环境资料，计算获取管道泄漏燃气的质量流速及其对应的射流火焰长度。

[0055] 首先，根据下式确定管道泄漏的质量流速：

[0056] 当管道内外压力比符合 时，泄漏燃气为声速流动，质量流速的计算公式为：

[0057]

[0058] 当管道内外压力比符合 时，泄漏燃气为亚声速流动，质量流速的计算公式为：

[0059]

[0060] 式中，Q为管道泄漏燃气的质量流速(单位：kg/s)；k为燃气绝热指数，本实施例中的燃气为天然气，取1.306；Cd为燃气泄漏系数，圆形泄漏孔取1.00，三角形泄漏孔取0.95，
2
矩形泄漏孔取0.90；A为管道裂孔面积(单位：m)；M为燃气摩尔质量(单位：kg/mol)；R为燃
气常数，单位：J/(mol·K)，天然气取8.314。

[0061] 然后，计算该泄漏情况下的射流火焰长度，设定射流火焰在风中的长度为Lb，则相关计算公式如下：

[0062] Lbo＝Y×DS                        (3)

[0063]

[0064] ρ0＝P0×W0/(8.314×T0)               (5)

[0065]

[0066] 式中，Lbo为无风条件下射流火焰的长度(单位：m)；Lb为有风条件下射流火焰的长度(单位：m)；e为自然常数，θ为管道裂孔轴线与水平面之间的夹角，Y为过程函数，DS为燃烧
2
等效直径(单位：m)；ρ0为空气密度(单位：kg/m )；uj为管道裂孔处燃气泄漏流速(单位：m/
s)；W0为空气摩尔质量(单位：kg/mol)；

[0067] 式(3)中的过程函数Y通过以下各式求得：

[0068]

[0069] 式中，Cb为常数，取0.2；

[0070] Ca、Cc为系数，由如下公式求得：

[0071]

[0072]

[0073] 其中，

[0074] 式中，g为重力加速度，F为泄漏燃气与空气的混合气体中燃气质量所占比例。

[0075] 将步骤一种设定的工况数据代入到公式(1)至(10)中，经计算可知，本实施例中，k/(k‑1)
P0/P＝0.025<(2/k+1) ＝0.545，故此次泄漏为声速流动。采用声速流动的质量流速计
算公式计算得出该工况下的质量流速Q为3.195kg/s，同时计算得出射流火焰的长度约为
23.2m。

[0076] 步骤三，参照热通量伤害准则，确定各伤害程度所对应的热通量。

[0077] 热通量准则是以热通量值作为指标，来衡量目标是否被伤害的常用准则。当目标物受到的热通量值大于或等于引起目标伤害的临界值时，目标被伤害；因而可以根据热通
量伤害准则确定各伤害程度对应的热通量。依据热通量伤害准则确定的天然气工艺装置设
施的火灾热辐射破坏标准值，详见表1。

[0078] 表1：天然气工艺装置设施的火灾热辐射破坏标准值

[0079]

[0080]

[0081] 由表1可知，当人处于安全状态时，对应的热通量为1.6kw/m2；当人受到重伤时，对2 2
应的热通量为6.4kw/m；当人伤害致死时，对应的热通量为25.0kw/m。

[0082] 步骤四，将管道泄漏燃气的质量流速、热通量代入经典预测模型，计算获取预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围。

[0083] 所述经典预测模型，其表达式如下：

[0084]

[0085]

[0086] 式中，r为预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围(单位：m)；r'为预设伤害程度所对应的目标与火焰中心之间的距离(单位：m)；I(r')为预设伤害程度所对应的热通量(单
2 4
位：kw/m)；η为效率因子，取0.2；Hc为燃气燃烧热(单位：kJ/kg)，天然气取5.56×10 ；Tjet为
辐射率系数，射流火焰取1。

[0087] 由式(11)、(12)可知，经典预测模型根据预设预设伤害程度所对应的热通量I(r')和管道泄漏燃气的质量流速Q，计算获取预设伤害程度所对应的射流火焰作用范围r，该计
算过程中并未考虑到射流火焰角度θ的问题。

[0088] 本发明对经典预测模型提出改进，将泄漏角度引入射流火焰作用范围的计算，使其能够应用于不同角度的射流火焰，改进后的预测模型如下：

[0089] 当r≤Lb×tanθ时，

[0090]

[0091] 当r＞Lb×tanθ时，

[0092]

[0093] 式中，ra为预设伤害程度所对应的各角度射流火焰作用范围(单位：m)。

[0094] 本实施例中，分别以人伤害致死时的热通量25.0kW/m2、人受到重伤时的热通量2 2
6.4kW/m和人处于安全状态是的热通量1.6kW/m为关键值，首先代入经典预测模型，计算获
取上述三种伤害程度所对应的r分别为19.21m、29.62m、50.63m，均满足r＞Lb×tanθ，因而
分别代入式(14)，计算得出死亡、重伤和安全条件下射流火焰作用范围分别为35.45m、
47.41m和69.45m，即在本实施例中，理论上的死亡半径为35.45m、重伤半径为47.41m、安全
半径为69.45m。

[0095] 步骤五，进行射流火焰模拟，收集火焰数据验证计算结果。

[0096] 使用FDS软件，同比构建天然气管道模型，将管内燃气压力P、管道裂孔轴线与水平面之间的夹角θ等参数设置为与实际情况相同，实物模拟出角度不同的射流火焰。将热通量
准则中各伤害程度对应的热通量阈值，与各点处监测装置收集到的温度、热辐射等数据进
行对比，选取最接近阈值的监测点，测取死亡、重伤和安全条件下射流火焰作用范围，并将
步骤四中的理论计算值与本步骤中的模拟计算结果进行对比，结果如图2所示。

[0097] 可以看出，改进后的预测模型所计算的危害范围与模拟数据吻合度较好，且该改进模型能够应用于不同角度的射流火焰的危害半径预测，经数值模拟验证了其合理性。

[0098] 本发明将燃气泄漏角度引入到射流火焰作用范围的计算中，减小了经典预测模型在进行危害分析时将各种角度的射流火焰一概而论而造成的误差，提高了危害半径计算的
精确度，增强了安全评估的合理性，可为安全区域划分、疏散方案制定、救援工作实施提供
更加准确的决策依据。

[0099] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。