摘　要：浦鋼CRG管道3-程的CO均體積分數(shù)達45.2％，大大超過GB50028-2006((城

鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》對CO體積分數(shù)的規(guī)定。采用FLUENT軟件模擬，以GB50028-2006規(guī)定的安全間距(即原安全間距)為參照，采取安全間距倍數(shù)修正的方法實現(xiàn)原安全間距的適用延續(xù)性。將原安全間距分別提高到2倍和4倍能滿足GB50028-2006對中毒和防火危害的防范。

關(guān)鍵詞：一氧化碳含量  燃氣管道  安全間距  計算流體動力學(xué)

Study on Safety Distance of Pipeline Carrying Gas wity High Content of CO

Abstract: The average V01UIne fraction of CO in CRG pipeline project of Pudong Steel Company is up to 452％．which is much higher than the requirement for volume fraction of CO specified in the Code扣r Design of City Gas Engineering(GB 50028—2006)．Using FLUENT software as simulation tool，refefred to the safety distance specified in the GB 50028-2006(hereafter referred to as original safety distance)，the expansion of applicability of the original safety distance is achieved by modifying its multiple．Increasing the original safety distance by two times or four times could meet the requirements for poisoning and fire prevention in the GB 50028-2006．

Key words: CO content；gas pipeline；safety distance；computational fluid dynamics

1　浦鋼CRG管道背景

1.1  項目概況

作為上海市2010年世博會配套搬遷項目，寶鋼集團上海浦東鋼鐵有限公司(以下簡稱浦鋼)將從浦東區(qū)搬遷至羅涇地區(qū)。為了最大限度利用能源，產(chǎn)生盡可能高的效益，提高集團整體能源供應(yīng)的可靠性，寶鋼集團規(guī)劃建設(shè)一個貫穿浦鋼、寶鋼分公司、不銹鋼分公司、特殊鋼分公司及集團內(nèi)其他企業(yè)的能源通廊。通過這一能源通廊，在集團內(nèi)實現(xiàn)氧氣、氮氣、氬氣、煤氣、蒸汽、氫氣等能源的資源共享、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配。在該能源通廊中，浦鋼至寶鋼分公司的一條COREX(一種無焦煉鐵的熔融還原煉鐵工藝，原名KR法)煤氣管道(簡稱CRG管道)非常重要，將浦鋼多余的燃氣輸送至寶鋼分公司，其中廠區(qū)外的管道將沿市政道路進行埋地敷設(shè)。

1.2　氣體參數(shù)

CRG是在COREX非高爐煉鐵反應(yīng)時產(chǎn)生的氣體，屬于人工煤氣，沒計輸送壓力為0.2 MPa，標準狀態(tài)下的低熱值為8.231MJ／m³，其一氧化碳含量較高，氣體組成見表1。

目前，我國對非城鎮(zhèn)及城鎮(zhèn)的燃氣輸送有不同規(guī)范要求，其中城鎮(zhèn)燃氣輸送需符合GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》的要求，其對燃氣的質(zhì)量有明確規(guī)定，要求人工煤氣符合GB／Tl3612-2006《人工煤氣》對CO體積分數(shù)的限定，即CO體積分數(shù)必須低于20％；而非城鎮(zhèn)燃氣輸送則需參照GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，其對CO體積分數(shù)雖無限制，但其不適用城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)。

本工程中的CRG屬工業(yè)氣體，非城鎮(zhèn)居民生活使用，但廠區(qū)外的管道敷設(shè)必須途經(jīng)市政道路，該段管道雖處遠郊且周邊規(guī)劃屬工業(yè)區(qū)，但畢竟涉及到市政及城鎮(zhèn)范疇，故本工程包含城鎮(zhèn)及非城鎮(zhèn)雙重屬性。城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范對管道的安全間距有嚴格規(guī)定，而非城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范無明確限定，考慮到輸氣安全性，仍應(yīng)嚴格參照GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》。但本工程CRG中的C0體積分數(shù)遠高于GB50028-2006的規(guī)定，故按照GB50028-2006規(guī)定的安全間距不能達到安全防護要求，因此本文對CRG管道的安全間距進行研究，以實現(xiàn)CRG的輸送仍能達到GB50028-2006規(guī)定的安全防護要求。

2　安全間距涉及的危害因素

筆者認為，本工程CRG埋地管道與周邊建構(gòu)筑物及其他管道安全間距的確定主要控制3類危害：有毒氣體的中毒影響，與C0、H₂S濃度有關(guān)；可燃氣體的防火(爆)影響，與C0、H₂濃度有關(guān)；管道對周邊建構(gòu)筑物的沉降影響及電塔設(shè)施對管道的雜散電流等影響，與輸氣各組分的濃度無關(guān)。

從以上3種危害因素看，與輸氣組分濃度無關(guān)的第3類因素可直接參照GB50028-2006規(guī)定的安全間距，而與輸氣組分濃度有關(guān)的前兩類因素需進一步研究。

2.1  中毒危害因素

H₂S是CRG的致毒組分之一，GB8789-88《職業(yè)性急性硫化氫中毒診斷標準及處理原則》規(guī)定，體積分數(shù)為10×10^-6以下屬建議暴露濃度，體積分數(shù)為(20～50)×10^-6屬允許暴露濃度，而體積分數(shù)為100×10^-6屬立即危害人健康濃度，體積分數(shù)為(500～700)×10^-6為立即致死濃度。本工程CRG中H₂S體積分數(shù)為100×10^-6，脫硫處理后可降至20×10^-6，基本消除H₂S的中毒危害，故不予考慮。

C0是CRG的主要組分，也是主要的致毒組分。C0對人體毒性極大，一旦泄漏入空氣中，尚未達到爆炸下限時，人體早已中毒。為防止中毒致死，必須保證人體血液中碳氧血紅蛋白濃度在65％以下，因此，在相當(dāng)長時間內(nèi)吸入的空氣中C0體積分數(shù)不能達到0.1％，但這一含量是理論極限，根據(jù)GB50028-2006的推薦，C0體積分數(shù)不宜大于0.02％，因此研究考慮的C0中毒控制體積分數(shù)為0.02％，即低于該含量均屬安全。，

2.2　防火(爆)危害因素

H₂是CRG的可燃組分之一，在4.0％～75.6％的爆炸極限范圍內(nèi)均可燃，但H，密度極小，一旦泄漏將快速上升，不會在工程的管廊周邊橫向蔓延，且CRG的可燃組分中H₂體積分數(shù)相對較小，故不予考慮。

C0是CRG的主要叮燃組分，在12.5％～74.0％的爆炸極限范圍內(nèi)均可燃，且其密度與空氣相近，泄漏后較難快速散失，會混入地面空氣中產(chǎn)生橫向蔓延，因此研究考慮的C0防火控制體積分數(shù)取其爆炸下限l2.5％，即低于該含量均屬安全。

綜上兩類危害因素，C0體積分數(shù)是研究CRG管道安全間距的核心要素。

3　研究方法與手段

3.1  研究方法

以CRG泄漏為背景，并以CRG的泄漏量為依據(jù)進行安全間距的研究。本工程CRG主要有兩種輸氣工況：正常流量為4.0×10⁴m³／h及最大流量為26.6×10⁴m³／h。當(dāng)管道遭受不可預(yù)計的外力影響時(如開挖破壞)，事故泄漏量將等于輸氣量(不計吹掃放散量)，管道也可能因局部腐蝕造成微量泄漏(設(shè)計時應(yīng)采取安全措施嚴格杜絕)。因此，本研究將事故規(guī)模按泄漏量分為3個等級：微量泄漏、正常泄漏和最大泄漏。

由于泄漏將產(chǎn)生中毒及火災(zāi)(爆炸)兩種不同的危害，故將C0的控制體積分數(shù)按0.02％和12.5％分別計算，前者是人員C0中毒控制濃度，作為管道與居民建筑的安全間距判斷依據(jù)，后者為CO混合空氣的爆炸下限，作為管道與非居民建筑的安全間距判斷依據(jù)。因為本工程周邊無較高的建筑物，故中毒影響的濃度擴散高程取地上2m(考慮地面人員高度)至24m(考慮多層建筑)；管廊周邊為平地及低矮灌木(非深根植物)，如發(fā)生火災(zāi)將由地面擴散，故防火影響的濃度擴散高程取地上1m。因此濃度控制的安全距離分別取上述3個高程處的

水平間距。

將C0控制體積分數(shù)上限20％與本工程CRG中C0的最大體積分數(shù)54％(從提高安全考慮不取平均體積分數(shù))分別作為管道輸送氣體的C0體積分數(shù)，對比兩者分別達到控制濃度高程時的水平間距，以確定C0體積分數(shù)提高后所應(yīng)達到的安全距離。

由于C0為主要危害源且GB50028-2006并未對其他氣體組分的安全間距加以限制，故僅改變C0體積分數(shù)，其余氣體均視為惰性氣體，但需保證惰性氣體與C0的密度的和仍與CRG一致。另外，由于本工程設(shè)計管徑為DNl420mm，故破壞后的局部泄漏面積也較大(考慮土壤滲透阻力影響，應(yīng)大于管道截面)，且多數(shù)情況下泄漏將沿地表縱向滲出，故泄漏區(qū)域設(shè)定為2m×2m的平面。

3.2　研究手段

采用FLUENT數(shù)值計算軟件來模擬C0體積分數(shù)變化對安全間距的影響。FLUENT是美國FLU-ENT公司開發(fā)的基于有限元的CFD流場計算分析軟件，可模擬有重力條件下各種氣體組成的三維立體流場，在該領(lǐng)域占據(jù)世界領(lǐng)先地位。

FLUENT采用先建立空間模型，后設(shè)置計算參數(shù)的方法。建?？刹捎?span lang="EN-US">FLUENT附帶的GAMBIT建模子程序?qū)崿F(xiàn)，再調(diào)用至FLUENT主程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)賦值，并模擬計算。

4　軟件模擬

①空間模型

空間模型(見圖l)長200m、寬200m、高l00m，在200m×200m的平面中心設(shè)置1個2m×2m

×2m的小立方體作為泄漏源，小立方體上二表面與200m×200m的平面平齊。泄漏氣體從小立方體的下表面向z方向散發(fā)，以模擬埋地管道的泄漏。由于此空間模型存在坐標系的對稱性，故為減少FLUENT的計算量，取模型的1／4進行計算，其有限元網(wǎng)格致密度取1m。

②邊界條件

模擬的泄漏分別對應(yīng)微量、正常和最大3種情況，并將泄漏流量換算為泄漏口的出口流速，設(shè)置流速邊界條件。正常及最大流量的對應(yīng)流速分別為3m／s和20m／s，微量泄漏較難定義，將泄漏口的出口流速設(shè)為0.2m／s。泄漏氣體的溫度為20℃，環(huán)境大氣壓力為l01.325kPa。

③模擬結(jié)果及分析

圖1中y=0的平面的模擬結(jié)果見圖2～7。各圖中，左側(cè)圖對應(yīng)的CO初始體積分數(shù)為20％，右側(cè)圖對應(yīng)的C0初始體積分數(shù)為54％。

對不同高程的安全間距進行數(shù)據(jù)整理，得到表2、3。由表2、3可知，提高C0初始體積分數(shù)后，安全防護范圍也增大了。從中毒危害看，將原安全間距(C0初始體積分數(shù)為20％對應(yīng)的安全間距)至少提高l.65倍后，能達到原安全間距防范中毒危害的要求，而將原安全間距至少提高3.94倍后，能達到原安全間距防范火災(zāi)危害的要求?？梢?，C0初始體積分數(shù)提高對防火安全間距的影響更大。

FLUENT軟件雖具有很高的權(quán)威性，但該空間模型還較簡單。危害氣體源僅考慮CO，忽略其他氣體（如H₂）的影響?？赏ㄟ^理論擴散計算對微量泄漏工況進行驗證(無初速度和重力影響)。理論擴散計算得知，對微量泄漏，2m高程處，C0體積分數(shù)達到0.02％時7C0初始體積分數(shù)為54％的安全間距是初始體積分數(shù)為20％的安全間距的1.64倍，該值與其2m高程時的模擬安全間距對比倍數(shù)l.65極為接近，故可充分表明軟件模擬的置信性。

④研究結(jié)論

綜合模擬結(jié)果可知，對于本工程中的CRG，建議將GB50028-2006規(guī)定的安全間距提高到2倍以滿足GB50028-2006對C0的中毒防范要求，將GB50028-2006規(guī)定的安全間距提高到4倍以滿足GB50028-2006對C0的火災(zāi)防范要求。

GB 50028--2006規(guī)定的安全間距(中壓B)與本工程CRG管道研究推薦的安全間距對比見表4。

5　展望

本工程揭示了輸送特殊氣體時的規(guī)范滯后性。隨著循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，越來越多的工業(yè)副產(chǎn)能源將得到開發(fā)利用，可能還將拓展至民用領(lǐng)域，但工業(yè)氣體不滿足城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范的適用條件，因此工程的實施推進很難。今后可能還會暴露出規(guī)范不適用與優(yōu)化用能間的矛盾，因此急待修定甚至編制新規(guī)范，在確保安全的前提下，促進城市燃氣與社會的和諧發(fā)展。

軟件模擬雖實現(xiàn)了將原安全間距修正后用于本工程CRG管道，但有關(guān)專家對原安全間距防范中毒與火災(zāi)危害的有效性提出質(zhì)疑，因此本文僅僅是實現(xiàn)了標準的套用，并未驗證原安全間距的有效性，故此方面值得深入研究。

此外，確保安全間距后如何提高管道自身的設(shè)計安全也是針對特殊氣體的后續(xù)研究課題。本工程擬在管道沿線設(shè)置若干組C0檢測報警探頭及人員在線檢測巡護，以實時監(jiān)控管道的運行安全，因此安全間距與其他防范措施如何有效結(jié)合也值得深入研究。

本研究雖采用重力場、三維模型且將事故流量及高程分類細化，但為提高運算效率，仍引入較多假設(shè)，如摻人隋性氣體、設(shè)定泄漏口幾何尺寸等，100m高程內(nèi)未設(shè)置風(fēng)力梯度，因而實際的事故工況異于軟件模擬工況，如風(fēng)力較強時空間坐標系出現(xiàn)不對稱性，管道泄漏的氣體在地層內(nèi)橫向滲透將影響泄漏范圍及出口流速等。

值得一提的是，火災(zāi)防范時只將爆炸極限列為危害區(qū)間，這符合不發(fā)生明火時的氣體冷態(tài)擴散情況，但一旦發(fā)生燃燒，C0的濃度場將發(fā)生極大變化，還將產(chǎn)生對人員窒息的煙氣。FLUENT作為一款功能強大的軟件，也能模擬燃燒情況(俗稱熱態(tài)研究)，但這將大大增加參數(shù)設(shè)定的復(fù)雜性和計算過程冗時性，這是工程計算力求避免的，但應(yīng)是理論研究的改進方向。

本文作者：孫永康，鐘怡

作者單位：上海燃氣工程設(shè)計研究有限公司，上海200070