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高一氧化碳含量管道安全間距的研究

文檔作者：孫永康鐘怡文檔來源：上海燃氣工程設計研究有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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第33卷第4期
2013年4月
煤氣與熱力
GAS ＆ HEAT
V()1．33 No．4
Apr．2013
高一氧化碳含量管道安全間距的研究
孫永康， 鐘怡
(上海燃氣工程設計研究有限公司，上海200070)
摘要： 浦鋼CRG管道工程的CO平均體積分數(shù)達45．2％ ，大大超過GB 50028-2006《城
鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》對CO體積分數(shù)的規(guī)定。采用FLUENT軟件模擬，以GB 50028_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GB 50028-2006對中毒和防火危害的防范。
關鍵詞： 一氧化碳含量； 燃氣管道； 安全間距； 計算流體動力學
中圖分類號：TU996 文獻標識碼：B 文章編號：1000—4416(2013)04—0A34—05
作者筒介：孫永康(1973一)，男，江蘇宜興人，高級工程
師，博士，主要從事城市燃氣工程的設計研究
及相關管理工作。
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的可
靠性，寶鋼集團規(guī)劃建設一個貫穿浦鋼、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。
1．2 氣體參數(shù)
CRG是在COREX非高爐煉鐵反應時產(chǎn)生的氣
體，屬于人工煤氣，設計輸送壓力為0．2 MPa，標準
狀態(tài)下的低熱值為8．231 MJ／In ，其一氧化碳含量
較高，氣體組成見表1。
表1 CRG氣體組成
組分 體積分數(shù)范圍／％ 平均體積分數(shù)／％
C0 43．0～53．8 45．2
CO2 26．9～37．6 33．2
H2 16．1～26．9 17．7
N2、Ar 2．2
CH4 1．7
H2S ≤ 120×10一。 ≤ 100 ×10一
1．3 存在問題
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GB 50028—
2006(城鎮(zhèn)燃氣設計規(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／T 13612-2006
《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GB
50251—2o03《輸氣管道工程設計規(guī)范》，其對CO體
· A 34 ·
孫永康，等：高一氧化碳含量管道安全間距的研究 第33卷第4期
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，仍應嚴格參照GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計
規(guī)范》。但本工程CRG中的CO體積分數(shù)遠高于
GB 50028-2006的規(guī)定，故按照GB 50028-2006
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GB 50028-2006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CO、H S濃度有關；可燃氣
體的防火(爆)影響，與CO、H 濃度有關；管道對周
邊建構筑物的沉降影響及電塔設施對管道的雜散電
流等影響，與輸氣各組分的濃度無關。
從以上3種危害因素看，與輸氣組分濃度無關
的第3類因素可直接參照GB 50028-2006規(guī)定的
安全間距，而與輸氣組分濃度有關的前兩類因素需
進一步研究。
2．1 中毒危害因素
H2S是CRG的致毒組分之一，GB 8789—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。。以下屬建議暴露濃度，體積分
數(shù)為(20—50)×10 屬允許暴露濃度，而體積分數(shù)
為100×10 屬立即危害人健康濃度，體積分數(shù)為
(500～700)×10 為立即致死濃度。本工程CRG
中H：s體積分數(shù)為100×10～，脫硫處理后可降至
20×10～，基本消除H：s的中毒危害，故不予考慮。
CO是CRG的主要組分，也是主要的致毒組分。
CO對人體毒性極大，一旦泄漏人空氣中，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，在相當長時間內(nèi)吸入的空氣中CO體積分數(shù)不
能達到0．1％ ，但這一含量是理論極限，根據(jù)GB
50028-2006的推薦，CO 體積分數(shù)不宜大于
0．02％，因此研究考慮的CO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
H 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H 體積分數(shù)相對較小，故不予
考慮。
CO是CRG 的主要可燃組分，在12．5％ 一
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CO防火控制體積分數(shù)
取其爆炸下限12．5％ ，即低于該含量均屬安全。
綜上兩類危害因素，CO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4．0×10 m。／h及最大流量
為26．6×10 m ／h。當管道遭受不可預計的外力影
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(設計時應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(爆炸)兩種不同
的危害，故將CO的控制體積分數(shù)按0．02％ 和
12．5％分別計算，前者是人員CO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
全問距判斷依據(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2 m(考慮地
面人員高度)至24 m(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)生火災將由地
面擴散，故防火影響的濃度擴散高程取地上1 in。
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CO控制體積分數(shù)上限20％與本工程CRG
中CO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CO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CO體積分數(shù)提高后所應達到的安全距
· A 35 ·
第33卷 第4期 煤氣與熱力
離。
由于CO為主要危害源且GB 50028-2006并
未對其他氣體組分的安全間距加以限制，故僅改變
CO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CO的密度的和仍與CRG一致。另外，
由于本工程設計管徑為DN 1 420 mm，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
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)域設定為2 m×2 m的平面。
3．2 研究手段
采用FLUENT數(shù)值計算軟件來模擬CO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，在該領域占據(jù)世界領先地位。
FLUENT采用先建立空間模型，后設置計算參
數(shù)的方法。建模可采用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1)長200 m、寬200 m、高100
m，在200 m×200 m的平面中心設置1個2 m×2 m
×2 m的小立方體作為泄漏源，小立方體上表面與
200 m×200 m的平面平齊。泄漏氣體從小立方體
的下表面向 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1 m。
1oo
100 m
圖1 空間模型及網(wǎng)格劃分
② 邊界條件
模擬的泄漏量分別對應微量、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，設置
流速邊界條件。正常及最大流量的對應流速分別為
3 m／s和20 m／s，微量泄漏較難定義，將泄漏口的出
口流速設為0．2 m／s。泄漏氣體的溫度為2O℃ ，環(huán)
境大氣壓力為101．325 kPa。
③ 模擬結果及分析
圖1中Y=0的平面的模擬結果見圖2～7。各
圖中，左側圖對應的CO初始體積分數(shù)為20％ ，右側
圖對應的CO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CO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(CO初始體積分數(shù)為20％對應的安全間距)至少
提高1．65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危害的要求?？梢?，CO初始體
積分數(shù)提高對防火安全間距的影響更大。
CO體積分數(shù)
ii5．40e一01
—4．99e一0t
4．57e—O1
4．16e-01
3．74e—O1
m3．33e—O1
愛 ‘9k_0
2．50e-01
2．08e-01
L
圖2 微量泄漏時C0中毒防范的濃度場對比
CO體積分數(shù)
簍
3．78e一01
=
]L
圖3 正常泄漏時C0中毒防范的濃度場對比
FLUENT軟件雖具有很高的權威性，但該空間
模型還較簡單，危害源氣體僅考慮CO，忽略其他氣
體(如H )的影響?？赏ㄟ^理論擴散計算對微量泄
· A 36 ·
www．watergasheat．com 孫永康，等：高一氧化碳含量管道安全間距的研究 第33卷第4期
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，2 in高程處，CO體積分數(shù)
達到0．02％時，CO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2 m高程時的模擬安全間距對比倍數(shù)1．65
極為接近，故可充分表明軟件模擬的置信性。
C0體積分數(shù)
群遴3．24 e一01
L 叭
1．08e一01
-●5．40e一02
2．ooe—o5
]L
圖4 最大泄漏時C0中毒防范的濃度場對比
畔蘭
I
圖5 微量泄漏時C0火災防范的濃度場對比
i．
圖6 正常泄漏時C0火災防范的濃度場對比
2．08e-0
圖7 最大泄漏時C0火災防范的濃度場對比
表2 防火安全間距(高程取1 m)的對比
CO初始體 CO初始體
積分數(shù)為 積分數(shù)為 安全間距
項目 20％條件下 54％條件下 對比倍數(shù)
的安全間距 的安全間距
／m ／m
泄漏速度為0．2 m／s時 0．47 1．85 3．94
泄漏速度為3．0 m／s時 0．44 1．46 3．31
泄漏速度為20．0 m／s時 0．43 1．37 3．18
表3 中毒安全間距的對比
CO初始 CO初始
體積分數(shù) 體積分數(shù) 安全間
項目 為20％ 為54％ 距對比
條件下的 條件下的 倍數(shù)
安全間 安全間
距／m 距／m
泄漏速度為0．2 m／s時 10．5O 17．29 1．65
高程
為2 m 泄漏速度為3．0 m／s時 6．O1 6．11 1．02
泄漏速度為20．0 m／s時 5．52 5．55 1．01
高程 泄漏速度為0．2 m／s時 15．66 21．79 1．39
為 泄漏速度為3．0 m／s時 10．38 11．23 1．08
24 m 泄漏速度為20． 0 m／s時 10．30 1O．88 1．O6
④ 研究結論
綜合模擬結果可知，對于本工程中的CRG，建
議將GB 50028-2006規(guī)定的安全間距提高到2倍
以滿足GB 50028-2006對CO的中毒防范要求，將
GB 50028-2006規(guī)定的安全間距提高到4倍以滿
足GB 50028-2006對CO的火災防范要求。
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。
· A 37 ·
0 O O O
∞ 跖
5— —4■ 4 3
第33卷第4期 煤氣與熱力
表4 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
安全間距
項目 規(guī)范要求 研究推薦
防火 中毒
建筑物 基礎 1．oo 4．0 2．O
外墻面
電力電纜 直埋 0．50 2．O
(含電車電纜) 在導管內(nèi) 1．0o 4．O
直埋 0．5O 2．0
通信電纜 在導管內(nèi)
1．00 4．0
其他燃氣管道 0．40 1．6
熱力管 直埋 1．0O 4．0
管溝(至外壁) 1．5O 6．0
通信照明電桿(至中心) 1．00 4．0
≤35 kV 1．00 4．0
電桿基礎
>35 kV 2．00 8．0
街樹(至中心) 0．75 3．0
鐵路路堤坡腳 5．00 20．0
有軌電車鋼軌 2．00 8．0
5 展望
5．1 適用規(guī)范的修定與編制
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。
5．2 安全間距的深入研究
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，但有關專家對原安全間距防范中毒
與火災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
計安全也是針對特殊氣體的后續(xù)研究課題。本工程
擬在管道沿線設置若干組CO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合也值得深入研
究。
5．3 軟件模擬的不足與改進
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，如摻入惰性氣體、設定泄漏口幾何尺寸等，100 m
高程內(nèi)未設置風力梯度，因而實際的事故工況異于
軟件模擬工況，如風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，CO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)設定的復雜性和計算過
程冗時l生，這是工程計算力求避免的，但應是理論研
究的改進方向。
Study on Safety Distance of Pipeline
Carrying Gas with High Content of CO
SUN Yongkang，ZHONG Yi
Abstract： The average volume fraction of CO in
CRG pipeline project of Pudong Steel Company is up to
45．2％ ．which is much higher than the requirement for
volume fraction of CO specified in the C0de如r Design
ofCity Gas Engineering(GB 50028—2006)．Using
FLUENT software as simulation tool，referred 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 0一
riginal 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 eontent； gas pipeline； safety
distance；computational fluid dynamics
收稿日期：2012—06—12； 修回日期：2012—07—10
· A 38 ·

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