高壓管道氫氣泄漏擴(kuò)散行為及影響因素分析*

張文康, 趙廣慧, 張 杰，2

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備技術(shù)四川省科技資源共享服務(wù)平臺(tái)，四川 成都 610500)

與石油和天然氣等常規(guī)能源相比，氫能具有綠色環(huán)保和清潔高效等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為全球能源綠色轉(zhuǎn)型的重要方向。輸氫管道易發(fā)生氫脆失效，造成氫氣泄漏擴(kuò)散事故。高壓管道中氫氣泄漏速率約為天然氣的2.83倍[1]。由于空氣密度約為氫氣密度的14倍，氫氣泄漏后會(huì)在空氣中迅速上浮并向周圍擴(kuò)散，在受限空間中，泄漏的氫氣易在局部積聚形成危險(xiǎn)的可燃性混合物，當(dāng)空氣中氫氣體積占比為4.0%～75.6%時(shí)，遇火易爆炸。因而，研究氫氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

目前，關(guān)于氫氣泄漏方面的研究相對(duì)較少，如王春琪等[2]對(duì)氫氣云團(tuán)的擴(kuò)散行為進(jìn)行了數(shù)值模擬；王雅文等[3]研究了不同泄漏時(shí)間下氫氣云團(tuán)的擴(kuò)散規(guī)律，分析了可燃范圍內(nèi)的最大擴(kuò)散距離；沈曉波等[4]預(yù)測(cè)了不同場(chǎng)景下的氫氣泄漏演化過程；Kobayashi等[5]研究了低溫壓縮氫氣的泄漏特性，認(rèn)為低溫對(duì)氫氣泄漏量影響較大；Statharas等[6]研究發(fā)現(xiàn)，建筑物間的氫氣擴(kuò)散受自然風(fēng)及建筑物附近的風(fēng)回流影響，并且地面與氫氣的熱交換會(huì)顯著影響氫氣云團(tuán)擴(kuò)散。氫氣泄漏過程復(fù)雜多變，影響因素較多，氣流速率、空氣溫度和濕度對(duì)氫氣泄漏均有影響。因此，該文研究了管輸氫氣的泄漏過程，探究了影響氣體擴(kuò)散的關(guān)鍵因素及影響機(jī)制，為輸氫管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及事故應(yīng)急處置提供了參考依據(jù)。

1 管輸氫氣泄漏擴(kuò)散模型

1.1 基本假設(shè)

輸氫管道失效后，氫氣在泄漏點(diǎn)擴(kuò)散并與外部空氣混合，對(duì)管輸氫氣泄漏擴(kuò)散模型做如下假設(shè)：

(1)氫氣與空氣均為理想氣體，不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，均滿足理想氣體狀態(tài)方程。

(2)管道泄漏點(diǎn)為圓形孔，氫氣為連續(xù)性泄漏狀態(tài)，暫不考慮管道內(nèi)氣體流動(dòng)情況。

(3)在氫氣連續(xù)性泄漏情況下，泄漏點(diǎn)的氫氣質(zhì)量流量與速度大小恒定。

(4)在氫氣擴(kuò)散到大氣環(huán)境過程中，暫不考慮溫度變化。

1.2 氣體流動(dòng)控制方程

氫氣在泄漏擴(kuò)散過程中遵循流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，由此推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、氣體狀態(tài)方程和組分運(yùn)輸方程[7]。

連續(xù)性方程：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為x,y方向上的速度，m/s。

動(dòng)量方程：

(2)

式中：f為單位質(zhì)量力矢量，m/s2；u為速度，m/s；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；p為流體微元上的壓力，Pa。

能量方程：

(3)

式中：E為流體微團(tuán)總能，J；keff為有效傳導(dǎo)系數(shù)，cm2/kg；cP為定壓比熱容；μt為湍流黏度；Prt為湍流普朗特?cái)?shù)；T為溫度，K；(Tij)eff為有效偏應(yīng)力張量。

氣體狀態(tài)方程：

PV=ZRT

(4)

式中：P為絕對(duì)壓力，Pa；V為氣體體積，m3；R為理想氣體常數(shù)，J/(kmol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；Z為氣體壓縮因子。

組分運(yùn)輸方程：

(5)

式中：Yi為第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無量綱；ν為速度矢量，m/s；Ji為湍流中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散速率，m/s。

1.3 管輸氫氣泄漏擴(kuò)散模型

建立管輸氫氣泄漏擴(kuò)散模型，模型如圖1所示，其空間區(qū)域范圍為30 m×30 m，泄漏點(diǎn)右側(cè)為樓房障礙物，管道直徑610 mm，設(shè)計(jì)壓力為 2.5～6.0 MPa，泄漏點(diǎn)為圓形孔，孔徑分別為20 mm，40 mm，60 mm和80 mm。

圖1 管輸氫氣泄漏擴(kuò)散模型

1.4 氫氣泄漏速率

氫氣泄漏為臨界流氣體泄漏，其泄漏速率計(jì)算公式為：

(6)

式中：Q為氣體泄漏速率，kg/s；p為管內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；k為氣體絕熱系數(shù)，對(duì)于氫氣k=1.41；M為氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；Z為壓縮因子，取值為1；R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 J/(kmol·K)；T為氣體溫度，K；Cd為流量參數(shù)，圓形泄漏孔取1.0；A為泄漏孔面積，m2。

當(dāng)管道壓力為4 MPa和6 MPa時(shí)，計(jì)算不同泄漏點(diǎn)孔徑下對(duì)應(yīng)的氫氣泄漏速率，其結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著泄漏點(diǎn)孔徑的增加，氫氣泄漏速率逐漸增大；管道壓力越高，氫氣泄漏速率增大的幅度越大[8]。

圖2 不同孔徑下氫氣泄漏速率

2 氫氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律

2.1 泄漏點(diǎn)孔徑對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

管道壓力為4 MPa，泄漏點(diǎn)距離樓房障礙物 2 m，當(dāng)氫氣泄漏擴(kuò)散10 s后的氫氣擴(kuò)散云圖見圖3。擴(kuò)散時(shí)氣流具有不同的初始動(dòng)能，泄漏點(diǎn)孔徑越大，豎直方向擴(kuò)散趨勢(shì)越明顯。當(dāng)氫氣擴(kuò)散至障礙物時(shí)，一部分氫氣由于壁面的阻礙作用形成渦流區(qū)，存在明顯積聚現(xiàn)象；另一部分氫氣沿著墻體豎直上升，形成尖端射流區(qū)，泄漏點(diǎn)孔徑越大，射流區(qū)域氫氣擴(kuò)散濃度峰值越高。障礙物壁面的阻礙作用導(dǎo)致氫氣在豎直方向上的擴(kuò)散速度明顯比水平方向快，泄漏點(diǎn)孔徑越大，底部積聚區(qū)的氫氣濃度越大，在豎直方向上氫氣擴(kuò)散濃度峰值越高，擴(kuò)散范圍越廣，遇到明火發(fā)生爆炸時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域倍增。

圖3 不同泄漏點(diǎn)孔徑氫氣擴(kuò)散云圖

在不同孔徑下，泄漏點(diǎn)至正上方5 m距離的氫氣濃度分布狀況見圖4。由圖4可知：在障礙物高度相同情況下，泄漏點(diǎn)孔徑越大，氫氣濃度越高。

圖4 不同泄漏點(diǎn)孔徑氫氣濃度分布

2.2 管輸壓力對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

管輸壓力為4 MPa和6 MPa，當(dāng)氫氣泄漏擴(kuò)散10 s后的氫氣擴(kuò)散云圖見圖5。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，管輸壓力越高，氫氣擴(kuò)散濃度越高，氫氣在空氣中分布越密集；相同泄漏時(shí)間內(nèi)，管輸壓力升高，使氣流泄漏初始動(dòng)能加大，氫氣擴(kuò)散速度加快。

圖5 不同管輸壓力氫氣擴(kuò)散云圖

在不同管輸壓力下，泄漏點(diǎn)至正上方5 m距離的氫氣濃度分布狀況見圖6。從圖6來看，管輸壓力不同導(dǎo)致相同范圍內(nèi)氫氣濃度存在差異，壓力越高，氫氣擴(kuò)散濃度越高。

圖6 不同壓力下氫氣擴(kuò)散濃度

2.3 風(fēng)速對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

圖7為不同風(fēng)速下氫氣泄漏擴(kuò)散10 s后的氫氣擴(kuò)散云圖。由于氫氣密度比空氣密度小，風(fēng)的升力作用影響了氫氣擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，水平方向的氫氣擴(kuò)散速度較快；當(dāng)風(fēng)速由 3 m/s 增大至5 m/s時(shí)，在風(fēng)力影響下，水平方向的氫氣擴(kuò)散受到阻礙，其擴(kuò)散速度小于豎直方向；泄漏事故發(fā)生時(shí)，風(fēng)速大小影響氫氣擴(kuò)散方向。

圖7 不同風(fēng)速下氫氣擴(kuò)散云圖

圖8為氫氣在不同風(fēng)速下的濃度分布。從圖8來看，水平方向的風(fēng)速越小，對(duì)氫氣橫向擴(kuò)散影響越大，風(fēng)的升力作用促進(jìn)了氫氣橫向擴(kuò)散。

圖8 不同風(fēng)速下氫氣擴(kuò)散濃度分布

2.4 障礙物間距對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

圖9為不同障礙物間距下氫氣泄漏擴(kuò)散10 s后的氫氣擴(kuò)散云圖。由圖9可知，噴射出的氣流沿障礙物表面向上擴(kuò)散，部分氫氣受到墻壁阻擋，開始反向擴(kuò)散，積聚并產(chǎn)生渦流區(qū)；泄漏點(diǎn)與障礙物距離越大，渦流區(qū)面積越大，氫氣濃度越低；當(dāng)間距為2 m時(shí)，氫氣受墻壁阻擋形成渦流；當(dāng)間距為3 m時(shí)渦流區(qū)域面積明顯增大；當(dāng)間距為 5 m 時(shí)，由于擴(kuò)散作用造成能量損失及空間變化，渦流現(xiàn)象減弱，積聚區(qū)面積增大，導(dǎo)致氫氣擴(kuò)散范圍隨之增大。因此，在管道建設(shè)規(guī)劃時(shí)，必須確保管道與附近建筑物保持合理的安全距離，保證積聚區(qū)濃度低于爆炸極限。

圖9 不同障礙物間距下氫氣擴(kuò)散云圖

圖10為氫氣在泄漏點(diǎn)至障礙物墻壁水平方向濃度分布。從圖10來看，隨著間距增加，積聚區(qū)域濃度減小，危險(xiǎn)區(qū)域面積增大。

圖10 不同間距下氫氣擴(kuò)散濃度分布

2.5 障礙物高度對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

當(dāng)障礙物距離泄漏點(diǎn)2 m時(shí)，不同高度障礙物附近氫氣擴(kuò)散云圖見圖11。當(dāng)泄漏點(diǎn)附近存在障礙物時(shí)，一部分氫氣由于阻擋作用而反向擴(kuò)散，而另一部分氫氣則沿障礙物向高空擴(kuò)散。氫氣泄漏發(fā)生后，氫氣沿障礙物豎直上升，形成尖端射流區(qū)，其初始動(dòng)能逐步衰減。障礙物兩側(cè)存在濃度差，近泄漏點(diǎn)側(cè)濃度較高，易發(fā)生危險(xiǎn)事故。管道泄漏疏散時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離建筑物兩側(cè)，避免發(fā)生爆炸事故。建筑物阻擋泄漏的氫氣正常擴(kuò)散，在浮力和風(fēng)力推動(dòng)下，氫氣的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。障礙物高度決定了氫氣擴(kuò)散高度峰值，在豎直方向，氫氣擴(kuò)散高度峰值與建筑物高度成正比關(guān)系。

圖11 不同障礙物高度下的氫氣擴(kuò)散云圖

圖12為不同高度障礙物附近氫氣擴(kuò)散高度峰值。從圖12來看，障礙物越高，氫氣擴(kuò)散高度峰值越大。

圖12 不同高度下氫氣擴(kuò)散高度峰值

2.6 雙側(cè)障礙物對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響

當(dāng)泄漏點(diǎn)兩側(cè)均存在障礙物，間距均為5 m時(shí)，其氫氣擴(kuò)散云圖見圖13。雙側(cè)障礙物高度直接影響泄漏氣體的擴(kuò)散速度和面積；當(dāng)障礙物高度為10 m時(shí)，中間渦流區(qū)域氫氣濃度較大；當(dāng)障礙物高度為15 m時(shí)，渦流區(qū)域面積進(jìn)一步增大，此時(shí)危險(xiǎn)程度較之前明顯增大；當(dāng)障礙物高度為20 m時(shí)，泄漏氣體將中間區(qū)域全部填滿，污染程度極其嚴(yán)重，極易發(fā)生窒息和爆炸等事故。

圖13 不同高度下氫氣擴(kuò)散云圖

圖14為雙側(cè)障礙物中泄漏點(diǎn)至正上方10 m處氫氣濃度分布，障礙物阻礙了氣體水平方向的擴(kuò)散，加重了泄漏氣體危害程度，隨著障礙物高度的增加，氣體只能在有限空間內(nèi)向上擴(kuò)散，導(dǎo)致有限空間內(nèi)氫氣濃度增加，人在這種情況下非常容易發(fā)生窒息，并且一旦發(fā)生爆炸其危害程度將成倍增加。

圖14 雙側(cè)不同高度障礙物氫氣濃度分布

當(dāng)泄漏點(diǎn)兩側(cè)均存在障礙物，且在障礙物高度不同以及風(fēng)速不同的情況下，其氫氣擴(kuò)散云圖與氫氣濃度分布分別見圖15和圖16。從圖15可以看出，當(dāng)障礙物高度為10 m時(shí)，低空區(qū)水平方向擴(kuò)散速度小于豎直方向；由于障礙物的遮擋作用，風(fēng)速對(duì)左側(cè)區(qū)域影響較??；風(fēng)的升力作用和水平方向的推力作用改變氫氣擴(kuò)散趨勢(shì)，左側(cè)障礙物相對(duì)于右側(cè)障礙物較為安全。當(dāng)障礙物高度為15 m時(shí)，低風(fēng)速對(duì)氫氣初始射流段影響較小，初始噴射速度衰減時(shí)，風(fēng)的水平推力作用開始影響氣體擴(kuò)散趨勢(shì)，加快氫氣擴(kuò)散，使周圍氫氣濃度降低，風(fēng)速越大，現(xiàn)象越顯著。當(dāng)障礙物高度為20 m時(shí)，風(fēng)力較小時(shí)，風(fēng)的升力作用有限，尖端射流區(qū)接觸到左側(cè)墻面，部分氣流水平向左擴(kuò)散，其他氣流豎直向下擴(kuò)散，從而發(fā)生倒灌現(xiàn)象，使得障礙物中間區(qū)域氫氣濃度增大；風(fēng)力較大時(shí)，射流區(qū)偏離程度有所緩和，此時(shí)擴(kuò)散方向主要為豎直方向。為了減小倒灌事故的危害程度，必須將這種特殊工況納入考慮范圍。

圖15 不同高度與風(fēng)速下氫氣擴(kuò)散云圖

圖16 不同高度與風(fēng)速下氫氣濃度分布

從圖16來看，當(dāng)障礙物高度為10 m時(shí)，受障礙物高度所限，豎直方向擴(kuò)散速度大于水平方向；當(dāng)障礙物高度為15 m時(shí)，隨著風(fēng)速的減小，氫氣濃度直線下降，風(fēng)力作用影響氫氣擴(kuò)散趨勢(shì)；當(dāng)障礙物高度為20 m時(shí)，氫氣在小范圍內(nèi)的擴(kuò)散達(dá)到平衡，濃度值較高。高風(fēng)速下空氣稀釋了氫氣濃度，加快氫氣泄漏。在障礙物較高的情況下，氫氣持續(xù)泄漏，無法及時(shí)擴(kuò)散排出。

3 結(jié) 論

(1)輸氫管道泄漏點(diǎn)孔徑越大，氫氣泄漏量越多，其擴(kuò)散濃度峰值越高，在豎直方向擴(kuò)散范圍越廣。

(2)氫氣管輸壓力越高，氣流泄漏初始動(dòng)能越大，導(dǎo)致其擴(kuò)散濃度越高，且在豎直方向快速擴(kuò)散。

(3)風(fēng)速作為氫氣泄漏過程中不穩(wěn)定的外部條件，會(huì)改變氫氣擴(kuò)散方向。

(4)氫氣泄漏初始動(dòng)能較大時(shí)，在泄漏點(diǎn)與障礙物壁面之間產(chǎn)生渦流積聚區(qū)。

(5)增大泄漏點(diǎn)與障礙物之間的水平間距后，渦流區(qū)面積增大，氫氣濃度降低。

(6)障礙物的高度決定了豎直方向氫氣擴(kuò)散高度峰值，受阻礙時(shí)部分氫氣沿障礙物豎直方向朝頂端擴(kuò)散。

(7)在雙側(cè)障礙物工況下，氫氣水平擴(kuò)散受到阻礙，導(dǎo)致狹窄空間中氫氣濃度明顯增大，且隨著障礙物高度增加，高空區(qū)濃度逐漸下降，低空區(qū)濃度相對(duì)上升，隨著風(fēng)速增大，氫氣擴(kuò)散速度明顯加快。