室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸模擬

陳卓， 李敬法， 宇波

(1.中核控制系統(tǒng)工程有限公司， 北京 102401； 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院并氫能研究中心， 北京 102617)

氫能具有來源廣、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的清潔能源。國家“十四五”規(guī)劃已將發(fā)展氫能作為重要的能源戰(zhàn)略，而氫的輸送是氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的重要方向[1]。將氫氣摻入天然氣管道或管網(wǎng)中與天然氣混輸，是實(shí)現(xiàn)氫氣高效輸送的一種可行方式[2]。目前已開展的摻氫天然氣輸送示范項(xiàng)目多采用現(xiàn)有的天然氣管道或管網(wǎng)輸送，輸送過程中管道腐蝕、材料老化、外力破壞等因素可能導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴庑孤?。此外，氫氣和天然氣均為易燃易爆氣體，其泄漏后與空氣混合形成可燃?xì)怏w，遇明火極易發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重事故后果。因此，開展摻氫天然氣泄漏爆炸事故特征和演化規(guī)律研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前氫氣和天然氣爆炸事故的研究手段主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬。Li等[3]研究了氫氣-空氣混合物和氫氣-甲烷-空氣混合物的無限制管道通風(fēng)爆炸，通過實(shí)驗(yàn)獲得了爆炸室內(nèi)的爆炸壓力，結(jié)果表明對于無限制氫氣-甲烷爆炸，隨著甲烷量的增加，最大爆炸壓力和最大壓力增長速率均逐漸減小。Zhang等[4]為了探討摻氫天然氣輸送的可行性，分別以100% CH4、90% CH4+10% H2、80% CH4+20% H2(均為體積分?jǐn)?shù))為燃料對綜合管廊氣室內(nèi)的爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增加，相同體積的氣云超壓增大，10%H2和20%H2的超壓分別增大16%和32%。田莉[5]實(shí)驗(yàn)研究了受限空間內(nèi)不同氫氣含量下預(yù)混氣體的爆炸特性，結(jié)果表明氫氣含量越高，預(yù)混氣體爆炸的威力也越大。Kim等[6]模擬了不同壓力和泄漏口尺寸條件下，加氫站發(fā)生氫氣泄漏時(shí)的爆炸情況，分析了爆炸壓力分布特征和爆炸方向性。Zhang等[7]分析了不同體積分?jǐn)?shù)的氫氣、丙烷、甲烷與空氣混合后在有內(nèi)置障礙物約束的空間內(nèi)的爆炸特性，結(jié)果表明在其他條件相同時(shí)氫氣和空氣的混合氣體爆炸具有較高的峰值壓力，但3種氣體爆炸時(shí)不同位置的爆炸溫度幾乎無差異。姜楠等[8]模擬了氫氣管道發(fā)生泄漏后的爆炸事故，發(fā)現(xiàn)爆炸火焰?zhèn)鞑ピ斐傻臍怏w流動(dòng)是產(chǎn)生爆炸超壓的根本原因。劉自亮等[9]利用FLACS軟件研究了埋地輸氫管道泄漏爆炸事故后果，分析了不同泄漏孔徑、泄漏時(shí)長、輸氫壓力以及環(huán)境風(fēng)速對爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑和輸氫壓力越大，爆炸產(chǎn)生的最大超壓和危險(xiǎn)區(qū)域也越大。Zhang等[10]對氫氣爆炸過程進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)爆炸壓力和壓力增長速率在1.01×105Pa時(shí)達(dá)到最大值，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，爆炸壓力和壓力增長速率逐漸增大。

目前單獨(dú)針對氫氣或天然氣爆炸的研究較多[11-15]，但針對摻氫天然氣混合氣體爆炸的研究很少。盡管摻氫天然氣爆炸與天然氣爆炸有著相似之處，但受摻入氫氣的影響，摻氫天然氣爆炸事故規(guī)律與天然氣存在一定差異，需進(jìn)一步開展更深入的研究?，F(xiàn)針對室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸進(jìn)行模擬研究，以期為室內(nèi)摻氫天然氣安全利用提供理論指導(dǎo)。

1 摻氫天然氣爆炸數(shù)理模型

摻氫天然氣混合氣體爆炸的完整數(shù)學(xué)描述包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流方程、組分輸運(yùn)方程和燃燒方程。

(1)連續(xù)性方程：

(1)

式(1)中：ρ為摻氫天然氣混合氣體的密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度，m/s。

(2)動(dòng)量方程：

(2)

式(2)中：p為壓力，Pa；τeff為有效張量應(yīng)力；g為重力加速度，m/s2。

(3)能量方程：

(3)

式(3)中：E為氣體微團(tuán)總能；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；hj為組分j的焓；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；j為摻氫天然氣中組分的數(shù)目。

(4)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型：

(4)

(5)

式中：k為湍動(dòng)能；ε湍動(dòng)能耗散率；v為運(yùn)動(dòng)黏度；μ為動(dòng)力黏度；μt為湍流黏度，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；C1、C2、C1ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε為湍流普朗特?cái)?shù)。

(5)組分輸運(yùn)模型：

(6)

式(6)中：Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ji為組分i的質(zhì)量擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)。

(6)通用燃燒方程:

CaHbOcSd+3.76yO2+yN2=n1CO+n2CO2+

n3H2O(g)+n4N2+n5O2+n6SO2+

n7CaHbOcSd+Qf

(7)

式(7)中：a、b、c、d分別為燃料氣體分子式中所含有的碳、氫、氧、硫原子個(gè)數(shù)；n1、n2、n3、n4、n5、n6分別為氣體燃燒后生成物中CO、CO2、H2O、N2、O2、SO2物質(zhì)的量；n7為剩余可燃?xì)怏w物質(zhì)的量；Qf為熱量。

2 摻氫天然氣爆炸事故模擬

2.1 物理模型簡介

摻氫天然氣爆炸事故按照發(fā)生場景可簡單分為室內(nèi)摻氫天然氣爆炸和室外摻氫天然氣爆炸。由于一般情況下室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故對人員的生命威脅更嚴(yán)重，因此僅針對室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進(jìn)行模擬研究。如圖1所示，選取的室內(nèi)受限空間物理模型為長4 m、寬3 m、高3 m且?guī)чT窗的長方體空間。為簡化模擬計(jì)算，假設(shè)初始時(shí)刻空間內(nèi)各處均勻分布著摻氫天然氣。

圖1 摻氫天然氣爆炸事故物理模型Fig.1 Physical model of explosion accident of hydrogen-enriched natural gas

2.2 算例條件設(shè)置

采用爆炸模擬軟件FLACS對摻氫天然氣爆炸進(jìn)行研究。采用六面體網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)為36 000，單個(gè)網(wǎng)格為邊長0.1 m的六面體。模擬中考慮摻氫比、打火點(diǎn)位置、計(jì)算區(qū)域是否開放和燃燒程度4種因素的影響，算例條件詳細(xì)設(shè)置如表1所示。其中，算例0～算例4主要考察摻氫比的影響，算例2、算例5、算例6主要考察打火點(diǎn)位置的影響，算例2、算例7主要考察計(jì)算區(qū)域是否開放的影響，算例2、算例8～算例10主要考察燃燒程度的影響。本文研究中燃燒程度在軟件中通過當(dāng)量比(equivalence ratio, ER)表征，ER>1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂啃∮诶碚撋先紵枰难鯕夂浚囱鯕饬坎蛔?；ER=1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂康扔诶碚撋先紵枰难鯕夂浚藭r(shí)燃燒最為劇烈；ER<1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂看笥诶碚撋先紵枰难鯕夂?，即氧氣量過剩。

表1 摻氫天然氣爆炸事故不同算例參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting for different explosion accident cases of hydrogen-enriched natural gas

2.3 軟件初始參數(shù)設(shè)置

以算例2為例，簡要介紹FLACS軟件中的模擬參數(shù)設(shè)置。模擬過程中設(shè)置初始溫度為293 K，初始?jí)毫?.1 MPa，摻氫天然氣均勻充滿整個(gè)計(jì)算區(qū)域，氣體成分中設(shè)置甲烷為9，氫氣為1，即摻氫比初始值為10%，設(shè)置ER初始值為1.0，即此時(shí)為完全燃燒情況。同時(shí)設(shè)置打火初始位置位于氣云中心，其坐標(biāo)為(2, 1.5, 1.5)，打火開始時(shí)間為0 s，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。為定量分析爆炸的模擬結(jié)果，便于揭示摻氫天然氣爆炸規(guī)律，在計(jì)算區(qū)域中添加三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(M1、M2、M3)，坐標(biāo)分別為(2, 1.5, 1.5)、(2, 1.5, 0)、(0, 0, 0)，各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2所示。

表2 FLACS軟件中的模擬參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter setting in FLACS software

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖Fig.2 The location of monitoring points

3 結(jié)果分析

3.1 摻氫天然氣爆炸事故非穩(wěn)態(tài)過程分析

圖3 算例2不同爆炸時(shí)刻的溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of case 2 at different explosion time

首先以算例2為例，分析室內(nèi)摻氫天然氣爆炸事故過程中的溫度變化過程。圖3給出了算例2不同爆炸時(shí)刻1.5 m高度(中心截面)處的X-Y二維溫度云圖?？梢钥吹?，0 s時(shí)(爆炸還未發(fā)生)整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度為初始溫度293 K，而0.05 s時(shí)(爆炸初期階段)在計(jì)算區(qū)域中心，即打火點(diǎn)附近溫度明顯升高，此時(shí)溫度云圖為規(guī)則對稱的近似圓形。由此可推斷出0.05 s時(shí)刻在一個(gè)以打火點(diǎn)為球心的近似球狀空間內(nèi)溫度明顯升高。隨著爆炸的進(jìn)行，該近似球形升溫區(qū)域的半徑越來越大，球形內(nèi)部的爆炸溫度也越來越高，到0.2 s時(shí)內(nèi)部的溫度已達(dá)到近2 500 K。在球形升溫區(qū)域Y方向的直徑快達(dá)到計(jì)算區(qū)域的寬度時(shí)，由于受到壁面的阻礙，不再繼續(xù)增長。而球形升溫區(qū)域X方向上并沒有受到壁面的阻礙，于是0.3 s時(shí)二維平面溫度云圖為橢圓形，可推斷此時(shí)三維空間內(nèi)的溫度云圖近似橢球形。隨著爆炸的進(jìn)行，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度都大幅度上升，最高溫度可達(dá)到約2 902 K。綜上可知，整個(gè)爆炸過程短暫且急促，并且釋放出大量能量使得計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度急劇升高，在不到1 s時(shí)間內(nèi)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的平均溫度由293 K升高到2 863 K，增加了2 570 K。

3.2 摻氫比對摻氫天然氣爆炸事故的影響

摻氫比是摻氫天然氣的一項(xiàng)重要參數(shù)，對比算例0～算例4的結(jié)果可分析出摻氫比對摻氫天然氣爆炸過程中溫度和壓力的影響。圖4(a)給出了算例0～算例4不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的溫度在爆炸過程中的變化。可以看出，對于監(jiān)測點(diǎn)2，隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時(shí)間逐漸提前。這是因?yàn)闅錃庠诳諝庵械淖钚↑c(diǎn)火能量為0.017 mJ，遠(yuǎn)小于甲烷在空氣中的最小點(diǎn)火能量0.274 mJ。隨著摻氫比的增加，摻氫天然氣混合氣體的最小點(diǎn)火能量逐漸減小，導(dǎo)致爆炸發(fā)生時(shí)間提前。但在這5種摻氫比情況下，爆炸溫度隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致。

圖4 不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的溫度和超壓變化Fig.4 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 2 under different hydrogen blending ratios

圖4(b)給出了不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的超壓在爆炸過程中的變化?？梢杂^察到，與溫度變化趨勢類似，不同摻氫比情況下超壓隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致，區(qū)別在于爆炸發(fā)生時(shí)間不同。隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時(shí)間逐漸提前，同時(shí)爆炸過程中所達(dá)到的最大超壓基本不變，并且都達(dá)到了7.6×105Pa以上。表3和表4分別給出了不同爆炸沖擊波超壓對人體的傷害情況和對建筑物的破壞情況。對比表可以發(fā)現(xiàn)，5種摻氫比情況下的爆炸威力都很大，能夠造成嚴(yán)重的破壞。對人體能夠達(dá)到嚴(yán)重傷害程度，可能會(huì)導(dǎo)致心肌、脫臼撕裂的情況，同時(shí)能使建筑物的磚墻倒塌。

表3 爆炸沖擊波對人體的傷害Table 3 Damage of blast wave to human body

表4 爆炸沖擊波對建筑物的破壞Table 4 Damage of blast wave to buildings

3.3 打火點(diǎn)位置對摻氫天然氣爆炸事故的影響

通過算例2、算例5、算例6的模擬結(jié)果分析打火點(diǎn)位置對摻氫天然氣爆炸事故的影響。圖5(a)給出了3種不同打火點(diǎn)高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度變化。從中可以看到，三條溫度變化曲線相似，不同之處在于溫度開始劇烈上升的時(shí)間。打火點(diǎn)高度距離監(jiān)測點(diǎn)1越近，監(jiān)測點(diǎn)1處溫度劇烈上升的時(shí)間越早。按照監(jiān)測點(diǎn)1處溫度開始劇烈上升的時(shí)間順序排列，依次是算例2、算例6、算例5。

圖5(b)給出了3種不同打火點(diǎn)高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化。同溫度變化曲線一樣，三條超壓曲線隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致，區(qū)別主要在于超壓開始劇烈上升的時(shí)間。打火點(diǎn)位置距離監(jiān)測點(diǎn)1越近，超壓開始劇烈上升的時(shí)間越早，在監(jiān)測點(diǎn)1處，算例5比算例2溫度開始變化的時(shí)間早0.2 s左右。這是因?yàn)楸ㄊ且圆ǖ男问絺鞑サ?，距離爆炸中心(打火點(diǎn))越近，爆炸波到達(dá)此處所需要的時(shí)間越小，因此此處的溫度和超壓開始劇烈上升的時(shí)間越早。

圖5 不同打火點(diǎn)高度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和 超壓變化Fig.5 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different ignition point heights

3.4 計(jì)算區(qū)域是否開放對摻氫天然氣爆炸事故的影響

算例7中物理模型的門窗處于開啟狀態(tài)，物理模型從封閉空間變成與大氣連通的開放空間。門窗狀態(tài)對摻氫天然氣爆炸事故后果的影響很大。圖6(a)給出了門窗處于開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度隨爆炸時(shí)間的變化?？梢钥闯?，打開門窗之后爆炸發(fā)生時(shí)間要晚于門窗封閉的情況，并且爆炸初期溫度上升趨勢也比門窗封閉的情況平緩，爆炸結(jié)束后溫度趨于平衡的時(shí)間也比門窗封閉情況要早，打開門窗后爆炸用時(shí)遠(yuǎn)小于門窗封閉情況下的摻氫天然氣爆炸事故。同時(shí)門窗關(guān)閉情況下監(jiān)測點(diǎn)1處爆炸過程中所達(dá)到的最大溫度為2 777.6 K，而打開門窗后監(jiān)測點(diǎn)1處在爆炸過程中所達(dá)到的最大溫度為2 234.2 K，比前者降低了543.4 K，這是因?yàn)殚T窗打開后，爆炸波開始向外界大氣傳播，熱量被傳遞到外界大氣中。

圖6(b)給出了門窗開啟和關(guān)閉兩種情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化。從中可看到，與門窗關(guān)閉情況相比，門窗開啟時(shí)超壓變化很小。這是因?yàn)殚_啟門窗后，爆炸區(qū)域與大氣連通，發(fā)生爆炸時(shí)壓力波從門窗瞬間傳到大氣中，因此監(jiān)測點(diǎn)1處所測得的超壓變化很小。

3.5 燃燒程度對摻氫天然氣爆炸事故的影響

可燃?xì)庠迫紵欠癯浞謱Ρㄍ哂休^大影響。下面通過算例2、算例8～算例10的模擬結(jié)果分析燃燒程度對摻氫天然氣爆炸事故的影響。圖7(a)給出了4種不同燃燒程度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度變化。可發(fā)現(xiàn)4種情況下的溫度變化趨勢基本一致，但爆炸所產(chǎn)生的最大溫度隨ER的增大逐漸增大，ER=0.8時(shí)最大爆炸溫度為2 501.5 K，而ER=1.1時(shí)最大爆炸溫度達(dá)到了2 810.2 K，比前者上升了308.7 K。還可發(fā)現(xiàn)，隨著ER的增大，爆炸發(fā)生的時(shí)間逐漸縮短，ER=1.1時(shí)的爆炸時(shí)間比ER=0.8時(shí)的爆炸時(shí)間縮短約0.4 s。

圖6 門窗狀態(tài)不同情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和 超壓變化Fig.6 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different conditions of doors and windows

圖7 不同燃燒程度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和超壓變化Fig.7 Variations of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different combustion degrees

圖7(b)給出了算例2、算例8～算例10共4種ER值情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化。可以看到，不同燃燒程度情況下的超壓變化同溫度變化趨勢基本相同。隨著ER值的增大，超壓上升時(shí)間逐漸提前，并且出現(xiàn)最大超壓值的時(shí)間也逐漸提前，整個(gè)爆炸過程持續(xù)的時(shí)間縮短。ER=0.8時(shí)最大超壓為7.16×105Pa，而ER=1.1時(shí)最大超壓為8.06×105Pa，比前者提高0.89×105Pa。

4 結(jié)論

對室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進(jìn)行了模擬研究，分析了摻氫比、打火點(diǎn)位置、計(jì)算區(qū)域是否開放和燃燒程度對摻氫天然氣爆炸事故特征和演化規(guī)律的影響，得出如下結(jié)論。

(1)不同摻氫比下?lián)綒涮烊粴獗囟群统瑝呵€隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致；摻氫比越大，爆炸發(fā)生時(shí)間越早。

(2)距離打火點(diǎn)位置越近的地方爆炸溫度和超壓越先劇烈上升。算例2和算例5中監(jiān)測點(diǎn)1處溫度開始變化的時(shí)間相差0.2 s左右。

(3)開放空間內(nèi)摻氫天然氣爆炸事故的威力遠(yuǎn)小于受限空間。在同樣條件下，門窗開啟狀態(tài)下爆炸所達(dá)到的最大溫度較門窗關(guān)閉狀態(tài)下降低543.4 K，而此時(shí)超壓基本無變化。

(4)燃燒程度對摻氫天然氣爆炸威力影響較大。本文當(dāng)量比為0.8時(shí)最大爆炸溫度為2 501.5 K，最大超壓為7.16×105Pa；而當(dāng)量比為1.1時(shí)最大爆炸溫度為2 810.2 K，最大超壓為8.06×105Pa，分別比前者升高308.7 K和0.89×105Pa。此外，當(dāng)量比越高，爆炸時(shí)間越短。