摘　要：浦钢CRG管道3-程的CO均体积分数达45.2％，大大超过GB50028-2006((城

镇燃气设计规范》对CO体积分数的规定。采用FLUENT软件模拟，以GB50028-2006规定的安全间距(即原安全间距)为参照，采取安全间距倍数修正的方法实现原安全间距的适用延续性。将原安全间距分别提高到2倍和4倍能满足GB50028-2006对中毒和防火危害的防范。

关键词：一氧化碳含量  燃气管道  安全间距  计算流体动力学

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　浦钢CRG管道背景

1.1  项目概况

作为上海市2010年世博会配套搬迁项目，宝钢集团上海浦东钢铁有限公司(以下简称浦钢)将从浦东区搬迁至罗泾地区。为了最大限度利用能源，产生尽可能高的效益，提高集团整体能源供应的可靠性，宝钢集团规划建设一个贯穿浦钢、宝钢分公司、不锈钢分公司、特殊钢分公司及集团内其他企业的能源通廊。通过这一能源通廊，在集团内实现氧气、氮气、氩气、煤气、蒸汽、氢气等能源的资源共享、统一管理、统一调配。在该能源通廊中，浦钢至宝钢分公司的一条COREX(一种无焦炼铁的熔融还原炼铁工艺，原名KR法)煤气管道(简称CRG管道)非常重要，将浦钢多余的燃气输送至宝钢分公司，其中厂区外的管道将沿市政道路进行埋地敷设。

1.2　气体参数

CRG是在COREX非高炉炼铁反应时产生的气体，属于人工煤气，没计输送压力为0.2 MPa，标准状态下的低热值为8.231MJ／m³，其一氧化碳含量较高，气体组成见表1。

目前，我国对非城镇及城镇的燃气输送有不同规范要求，其中城镇燃气输送需符合GB50028-2006《城镇燃气设计规范》的要求，其对燃气的质量有明确规定，要求人工煤气符合GB／Tl3612-2006《人工煤气》对CO体积分数的限定，即CO体积分数必须低于20％；而非城镇燃气输送则需参照GB50251-2003《输气管道工程设计规范》，其对CO体积分数虽无限制，但其不适用城镇规划区。

本工程中的CRG属工业气体，非城镇居民生活使用，但厂区外的管道敷设必须途经市政道路，该段管道虽处远郊且周边规划属工业区，但毕竟涉及到市政及城镇范畴，故本工程包含城镇及非城镇双重属性。城镇燃气规范对管道的安全间距有严格规定，而非城镇燃气规范无明确限定，考虑到输气安全性，仍应严格参照GB50028-2006《城镇燃气设计规范》。但本工程CRG中的C0体积分数远高于GB50028-2006的规定，故按照GB50028-2006规定的安全间距不能达到安全防护要求，因此本文对CRG管道的安全间距进行研究，以实现CRG的输送仍能达到GB50028-2006规定的安全防护要求。

2　安全间距涉及的危害因素

笔者认为，本工程CRG埋地管道与周边建构筑物及其他管道安全间距的确定主要控制3类危害：有毒气体的中毒影响，与C0、H₂S浓度有关；可燃气体的防火(爆)影响，与C0、H₂浓度有关；管道对周边建构筑物的沉降影响及电塔设施对管道的杂散电流等影响，与输气各组分的浓度无关。

从以上3种危害因素看，与输气组分浓度无关的第3类因素可直接参照GB50028-2006规定的安全间距，而与输气组分浓度有关的前两类因素需进一步研究。

2.1  中毒危害因素

H₂S是CRG的致毒组分之一，GB8789-88《职业性急性硫化氢中毒诊断标准及处理原则》规定，体积分数为10×10^-6以下属建议暴露浓度，体积分数为(20～50)×10^-6属允许暴露浓度，而体积分数为100×10^-6属立即危害人健康浓度，体积分数为(500～700)×10^-6为立即致死浓度。本工程CRG中H₂S体积分数为100×10^-6，脱硫处理后可降至20×10^-6，基本消除H₂S的中毒危害，故不予考虑。

C0是CRG的主要组分，也是主要的致毒组分。C0对人体毒性极大，一旦泄漏入空气中，尚未达到爆炸下限时，人体早已中毒。为防止中毒致死，必须保证人体血液中碳氧血红蛋白浓度在65％以下，因此，在相当长时间内吸入的空气中C0体积分数不能达到0.1％，但这一含量是理论极限，根据GB50028-2006的推荐，C0体积分数不宜大于0.02％，因此研究考虑的C0中毒控制体积分数为0.02％，即低于该含量均属安全。，

2.2　防火(爆)危害因素

H₂是CRG的可燃组分之一，在4.0％～75.6％的爆炸极限范围内均可燃，但H，密度极小，一旦泄漏将快速上升，不会在工程的管廊周边横向蔓延，且CRG的可燃组分中H₂体积分数相对较小，故不予考虑。

C0是CRG的主要叮燃组分，在12.5％～74.0％的爆炸极限范围内均可燃，且其密度与空气相近，泄漏后较难快速散失，会混入地面空气中产生横向蔓延，因此研究考虑的C0防火控制体积分数取其爆炸下限l2.5％，即低于该含量均属安全。

综上两类危害因素，C0体积分数是研究CRG管道安全间距的核心要素。

3　研究方法与手段

3.1  研究方法

以CRG泄漏为背景，并以CRG的泄漏量为依据进行安全间距的研究。本工程CRG主要有两种输气工况：正常流量为4.0×10⁴m³／h及最大流量为26.6×10⁴m³／h。当管道遭受不可预计的外力影响时(如开挖破坏)，事故泄漏量将等于输气量(不计吹扫放散量)，管道也可能因局部腐蚀造成微量泄漏(设计时应采取安全措施严格杜绝)。因此，本研究将事故规模按泄漏量分为3个等级：微量泄漏、正常泄漏和最大泄漏。

由于泄漏将产生中毒及火灾(爆炸)两种不同的危害，故将C0的控制体积分数按0.02％和12.5％分别计算，前者是人员C0中毒控制浓度，作为管道与居民建筑的安全间距判断依据，后者为CO混合空气的爆炸下限，作为管道与非居民建筑的安全间距判断依据。因为本工程周边无较高的建筑物，故中毒影响的浓度扩散高程取地上2m(考虑地面人员高度)至24m(考虑多层建筑)；管廊周边为平地及低矮灌木(非深根植物)，如发生火灾将由地面扩散，故防火影响的浓度扩散高程取地上1m。因此浓度控制的安全距离分别取上述3个高程处的

水平间距。

将C0控制体积分数上限20％与本工程CRG中C0的最大体积分数54％(从提高安全考虑不取平均体积分数)分别作为管道输送气体的C0体积分数，对比两者分别达到控制浓度高程时的水平间距，以确定C0体积分数提高后所应达到的安全距离。

由于C0为主要危害源且GB50028-2006并未对其他气体组分的安全间距加以限制，故仅改变C0体积分数，其余气体均视为惰性气体，但需保证惰性气体与C0的密度的和仍与CRG一致。另外，由于本工程设计管径为DNl420mm，故破坏后的局部泄漏面积也较大(考虑土壤渗透阻力影响，应大于管道截面)，且多数情况下泄漏将沿地表纵向渗出，故泄漏区域设定为2m×2m的平面。

3.2　研究手段

采用FLUENT数值计算软件来模拟C0体积分数变化对安全间距的影响。FLUENT是美国FLU-ENT公司开发的基于有限元的CFD流场计算分析软件，可模拟有重力条件下各种气体组成的三维立体流场，在该领域占据世界领先地位。

FLUENT采用先建立空间模型，后设置计算参数的方法。建模可采用FLUENT附带的GAMBIT建模子程序实现，再调用至FLUENT主程序实现参数赋值，并模拟计算。

4　软件模拟

①空间模型

空间模型(见图l)长200m、宽200m、高l00m，在200m×200m的平面中心设置1个2m×2m

×2m的小立方体作为泄漏源，小立方体上二表面与200m×200m的平面平齐。泄漏气体从小立方体的下表面向z方向散发，以模拟埋地管道的泄漏。由于此空间模型存在坐标系的对称性，故为减少FLUENT的计算量，取模型的1／4进行计算，其有限元网格致密度取1m。

②边界条件

模拟的泄漏分别对应微量、正常和最大3种情况，并将泄漏流量换算为泄漏口的出口流速，设置流速边界条件。正常及最大流量的对应流速分别为3m／s和20m／s，微量泄漏较难定义，将泄漏口的出口流速设为0.2m／s。泄漏气体的温度为20℃，环境大气压力为l01.325kPa。

③模拟结果及分析

图1中y=0的平面的模拟结果见图2～7。各图中，左侧图对应的CO初始体积分数为20％，右侧图对应的C0初始体积分数为54％。

对不同高程的安全间距进行数据整理，得到表2、3。由表2、3可知，提高C0初始体积分数后，安全防护范围也增大了。从中毒危害看，将原安全间距(C0初始体积分数为20％对应的安全间距)至少提高l.65倍后，能达到原安全间距防范中毒危害的要求，而将原安全间距至少提高3.94倍后，能达到原安全间距防范火灾危害的要求。可见，C0初始体积分数提高对防火安全间距的影响更大。

FLUENT软件虽具有很高的权威性，但该空间模型还较简单。危害气体源仅考虑CO，忽略其他气体（如H₂）的影响。可通过理论扩散计算对微量泄漏工况进行验证(无初速度和重力影响)。理论扩散计算得知，对微量泄漏，2m高程处，C0体积分数达到0.02％时7C0初始体积分数为54％的安全间距是初始体积分数为20％的安全间距的1.64倍，该值与其2m高程时的模拟安全间距对比倍数l.65极为接近，故可充分表明软件模拟的置信性。

④研究结论

综合模拟结果可知，对于本工程中的CRG，建议将GB50028-2006规定的安全间距提高到2倍以满足GB50028-2006对C0的中毒防范要求，将GB50028-2006规定的安全间距提高到4倍以满足GB50028-2006对C0的火灾防范要求。

GB 50028--2006规定的安全间距(中压B)与本工程CRG管道研究推荐的安全间距对比见表4。

5　展望

本工程揭示了输送特殊气体时的规范滞后性。随着循环经济发展，越来越多的工业副产能源将得到开发利用，可能还将拓展至民用领域，但工业气体不满足城镇燃气规范的适用条件，因此工程的实施推进很难。今后可能还会暴露出规范不适用与优化用能间的矛盾，因此急待修定甚至编制新规范，在确保安全的前提下，促进城市燃气与社会的和谐发展。

软件模拟虽实现了将原安全间距修正后用于本工程CRG管道，但有关专家对原安全间距防范中毒与火灾危害的有效性提出质疑，因此本文仅仅是实现了标准的套用，并未验证原安全间距的有效性，故此方面值得深入研究。

此外，确保安全间距后如何提高管道自身的设计安全也是针对特殊气体的后续研究课题。本工程拟在管道沿线设置若干组C0检测报警探头及人员在线检测巡护，以实时监控管道的运行安全，因此安全间距与其他防范措施如何有效结合也值得深入研究。

本研究虽采用重力场、三维模型且将事故流量及高程分类细化，但为提高运算效率，仍引入较多假设，如掺人隋性气体、设定泄漏口几何尺寸等，100m高程内未设置风力梯度，因而实际的事故工况异于软件模拟工况，如风力较强时空间坐标系出现不对称性，管道泄漏的气体在地层内横向渗透将影响泄漏范围及出口流速等。

值得一提的是，火灾防范时只将爆炸极限列为危害区间，这符合不发生明火时的气体冷态扩散情况，但一旦发生燃烧，C0的浓度场将发生极大变化，还将产生对人员窒息的烟气。FLUENT作为一款功能强大的软件，也能模拟燃烧情况(俗称热态研究)，但这将大大增加参数设定的复杂性和计算过程冗时性，这是工程计算力求避免的，但应是理论研究的改进方向。

本文作者：孙永康，钟怡

作者单位：上海燃气工程设计研究有限公司，上海200070