劉自亮，熊思江，花爭立,3，張銀廣，徐 平，顧超華,3

(1.浙江大學(xué) 化工機械研究所，浙江 杭州 310027; 2.國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司，北京 102209;3.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，浙江 杭州 310027; 4.浙江大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

氫能源具有來源多樣、潔凈環(huán)保的突出優(yōu)點，是21世紀(jì)新能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。許多國家均把發(fā)展氫能源作為重要的能源戰(zhàn)略[1]。氫的輸送是氫能源利用的重要環(huán)節(jié)，按照氫在輸運時所處狀態(tài)的不同，可分為氣態(tài)輸氫、液態(tài)輸氫和固態(tài)輸氫，其中，高壓氣態(tài)輸氫是現(xiàn)階段最為成熟的氫能源輸運方式[2]。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求以及用戶的分布情況不同，高壓氫氣輸送方式可分為輸氫管道和長管拖車。對于輸送量大且距離較遠的場合，利用管道輸送是最為高效的方式[3]。

氫無色無味，擴散系數(shù)大，燃燒范圍寬，泄漏后很難被發(fā)現(xiàn)，若泄漏后立即被點燃，會產(chǎn)生噴射火焰，若泄漏后發(fā)生延遲點燃，則會產(chǎn)生氣云爆炸。國內(nèi)外已有學(xué)者針對管道內(nèi)高壓氫泄漏規(guī)律及事故后果做了相應(yīng)研究：Wilkening等[4-5]對比研究了氫氣管道與天然氣管道在開放環(huán)境下的泄漏規(guī)律，結(jié)果表明高壓氫氣泄漏擴散形成的危險氣云較大且集中，擴散高度增加較快，在近地面區(qū)產(chǎn)生的危險后果較天然氣?。悔w博鑫等[6]研究了不同泄漏孔徑下的氫氣、天然氣擴散規(guī)律，同時給出了氫氣、天然氣在噴射火情形下的熱輻射危險距離；Elizabeth等[7]開展了管道內(nèi)高壓氫噴射火試驗研究，利用噴射火焰長度和熱輻射值等試驗數(shù)據(jù)對PHAST軟件中噴射火模型進行了驗證。現(xiàn)階段管道內(nèi)氫泄漏事故后果研究主要集中在開放空間內(nèi)氫泄漏形成的噴射火焰及熱輻射危害。但由于輸氫管道鋪設(shè)范圍廣，不可避免地要經(jīng)過工業(yè)園區(qū)、居民村莊等區(qū)域，且輸送距離長，存在一定程度的壓降，在輸送過程中需要不斷進行加壓處理以維持穩(wěn)定的輸氫壓力，故輸氫管道在工業(yè)園區(qū)、居民村莊、加壓站等半受限空間內(nèi)泄漏后延遲點燃產(chǎn)生的爆炸超壓危害不容忽視，但相應(yīng)的事故后果分析較少。

FLACS是基于計算流體力學(xué)技術(shù)的專業(yè)模擬氣體擴散、燃燒和爆炸的軟件，國內(nèi)外許多學(xué)者利用該軟件開展了氫泄漏、擴散、爆炸等數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果已得到眾多試驗的驗證，證實了該軟件可用于氫安全的研究[8-10]。本文利用FLACS軟件，建立了半受限空間內(nèi)埋地輸氫管道的三維模型，定量模擬研究管道內(nèi)高壓氫泄漏爆炸事故后果，考察了泄漏孔徑、泄漏時長、輸氫壓力和環(huán)境風(fēng)速對最大爆炸超壓和危險區(qū)域的影響規(guī)律，對國內(nèi)輸氫管道工程建設(shè)具有一定的參考意義。

1 模型的建立

1.1 泄漏模型

高壓氫氣從輸氫管道泄漏后，氣流在泄漏出口處達到當(dāng)?shù)芈曀伲珘毫Ω哂诃h(huán)境壓力，形成欠膨脹射流。由于欠膨脹射流真實濃度場的復(fù)雜性，數(shù)值模擬研究通常采用“虛噴管”的方法進行簡化，即假設(shè)所有氣流均由1個等效于實際泄漏出口的虛擬管出口流出，出口壓力與環(huán)境壓力相等[11]。Brich等[12-13]假設(shè)氣體從管道內(nèi)部到真實泄漏口處滿足等熵膨脹，從真實泄漏口處到假想泄漏口處滿足絕熱膨脹，并結(jié)合理想氣體方程，得出氣體泄漏率的計算方法?？紤]到管道內(nèi)輸氫壓力較高，理想氣體方程不能完全適用，本文基于Brich泄漏模型，以Abel-Noble狀態(tài)方程[14]代替理想氣體方程，得出管道內(nèi)高壓氫氣泄漏率的計算方法：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρ1為管道內(nèi)氫氣密度,kg/m3；P1為管道輸氫壓力,MPa；b為Abel-Nobel余容系數(shù)，為7.69×10-3；RH2為氫氣氣體常數(shù)，為4124 J·(kg·K)-1；T1為管道內(nèi)氫氣溫度，為293 K；γ為絕熱系數(shù)，為1.4；ρ2為泄漏口處氫氣密度，kg/m3；T2為泄漏口處氫氣溫度,K；P2為泄漏口處氫氣壓力,MPa；V2為泄漏口處氫氣速度，m/s；c2為泄漏口處當(dāng)?shù)芈曀?m/s；Qm為氫氣泄漏率,kg/s；d2為泄漏口直徑,m；Cd為流量系數(shù)，取0.85。

1.2 幾何模型

埋地輸氫管道三維幾何模型如圖1所示。埋地管道周圍被建筑物環(huán)繞，高壓氫氣發(fā)生泄漏爆炸事故時，其燃燒波與沖擊波的傳播均會受到建筑物的影響，管道與周邊建筑物構(gòu)成典型的半受限空間。依據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗，選取管道直徑為1 m，埋地深度為1 m，泄漏點位于應(yīng)力集中較大的彎管處，泄漏方向垂直向上。欠膨脹射流計算公式見式(7)：

(7)

式中：Pc為臨界壓力，MPa；Pa為大氣壓力，取0.1 MPa；k為氣體常數(shù)，氫氣取1.4。

圖1 埋地輸氫管道三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of buried hydrogen pipeline

當(dāng)管道內(nèi)輸氫壓力大于氫氣臨界壓力0.189 MPa時，管道內(nèi)氫泄漏則屬于欠膨脹射流，氫氣泄漏速度達到當(dāng)?shù)芈曀伲叵录s為1 300 m/s。鑒于管道內(nèi)氫氣壓力較高，一般高于2 MPa，故可忽略埋地管道內(nèi)氫氣泄漏過程中土層的影響，認(rèn)為氫氣泄漏動量可以沖破上層土體到達地面。泄漏模擬過程中設(shè)置氫燃料監(jiān)測區(qū)域為75 m×55 m×40 m。

1.3 有限元模型

總體計算區(qū)域大小為230 m×170 m×40 m，為保證計算精度的同時節(jié)省計算時間，在氫泄漏發(fā)生的主要區(qū)域采用立方體網(wǎng)格，外部區(qū)域進行網(wǎng)格延伸處理。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，設(shè)置擴散模型立方體網(wǎng)格尺寸為1 m，爆炸模型立方體網(wǎng)格尺寸為0.5 m，并在可燃氫存在區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理。氫擴散、爆炸模擬有限元模型如圖2所示，其中擴散模型約34萬個單元，爆炸模型約252萬個單元。

圖2 氫擴散及爆炸模擬有限元模型Fig.2 Finite element models of hydrogen diffusion and explosion simulation

2 事故模擬場景

現(xiàn)階段，我國輸氫管道的常用輸氫壓力為2.5 MPa，最大輸氫壓力為4 MPa[15]，美國輸氫管道最大輸氫壓力為7 MPa，歐盟最大輸氫壓力可達10 MPa。若采用纖維增強聚合物材料，輸送壓力最高可達17 MPa[2]。本文輸氫壓力分別選取2.5，4，10，15 MPa進行研究。

長距離輸氫管道直徑一般為0.3 ～ 1.0 m，考慮管道未來大口徑發(fā)展的趨勢，取輸氫管道直徑為1 m，泄漏孔徑分別為0.02，0.04，0.06 m，均符合小孔泄漏的標(biāo)準(zhǔn)[16]，即可認(rèn)為管道內(nèi)氫氣壓力保持不變，高壓氫氣以恒定泄漏率進行泄漏；氫氣無色無味，泄漏后很難被發(fā)掘，依據(jù)管道在線監(jiān)測和泄漏檢測裝置的反應(yīng)時間，取泄漏時長分別為10，20 s進行研究；風(fēng)向設(shè)置為由X正方向吹往X負(fù)方向，風(fēng)速分別為0(無風(fēng)條件)，2，5，8，10，15 m/s。具體模擬場景見表1。

表1 輸氫管道泄漏爆炸事故模擬場景

3 影響因素分析

將泄漏形成的可燃氫氣云導(dǎo)入爆炸模塊進行后果量化分析，分別研究泄漏孔徑、泄漏時長、輸氫壓力和環(huán)境風(fēng)速對爆炸事故后果的影響。關(guān)于氫爆炸過程中產(chǎn)生的超壓傷害限值，目前國際上仍存在一定的爭議[17]，本文采納的超壓傷害限值見表2，其中最大爆炸超壓超過7 kPa的區(qū)域稱為危險區(qū)域，超過50 kPa的區(qū)域稱為重傷區(qū)域。

表2 超壓傷害限值

3.1 泄漏孔徑及時長

不同泄漏孔徑、時長下燃料監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可燃氫含量隨泄漏時間的變化如圖3所示。為保證氫泄漏時風(fēng)速達到穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置10 s后氫氣開始泄漏。在泄漏發(fā)生約2 s后，大氣環(huán)境中可燃氫質(zhì)量M、可燃氫體積V達到動態(tài)平衡，之后隨著泄漏時間的增大，M,V幾乎保持不變，當(dāng)停止泄漏后，M,V在2 s內(nèi)全部消失；M,V隨著泄漏孔直徑的增大顯著增大，當(dāng)泄漏孔直徑d2從0.02 m增大到0.06 m時，M,V分別增大了28倍和16倍左右。

圖3 不同泄漏孔徑及時長下可燃氫含量Fig.3 Contents of flammable hydrogen under different leakage hole diameters and durations

對人員安全而言，認(rèn)為距地面高度1.5 m的XY平面(Z=3.5 m)為最危險平面，故重點考察爆炸事故在該平面內(nèi)產(chǎn)生的危險區(qū)域。由不同泄漏時長下爆炸事故后果量化分析得到，T=20 s與T=10 s具有相同的最大爆炸超壓和危險區(qū)域，這是由于氫氣擴散速度快，在泄漏發(fā)生后不久，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)氫擴散率與泄漏率便近似相等，可燃氫含量達到動態(tài)平衡，故當(dāng)泄漏率一定時，泄漏時長的改變不會影響爆炸事故后果。

當(dāng)泄漏孔直徑d2=0.02 m時，平面內(nèi)不存在危險區(qū)域。當(dāng)d2為0.04，0.06 m時，XY平面(Z=3.5 m)內(nèi)的危險區(qū)域如圖4所示，其中的長方形區(qū)域為建筑物。危險區(qū)域隨泄漏孔徑的增大顯著增大，當(dāng)d2=0.04 m時，危險區(qū)域分布在泄漏點附近，形狀近似于圓形，半徑約3.0 m；當(dāng)d2=0.06 m時，危險區(qū)域幾乎覆蓋整個建筑物，其中X方向最大危險距離為49.2 m，Y方向最大危險距離為65.2 m。2種泄漏孔徑下平面最大爆炸超壓均低于20 kPa，不存在重傷區(qū)域。建筑物附近最大爆炸超壓低于30 kPa，不會造成建筑物的倒塌。

圖4 不同泄漏孔徑下XY平面(Z=3.5 m)內(nèi)的危險區(qū)域Fig.4 Hazardous areas in XY plate (Z=3.5 m) under different leakage hole diameters

3.2 輸氫壓力

不同輸氫壓力條件下燃料監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可燃氫含量隨泄漏時間的變化如圖5所示。隨著輸氫壓力的增大，M,V均有所增大，這是由于輸氫壓力的增大直接導(dǎo)致泄漏率的增大。當(dāng)輸氫壓力較小時，M,V隨著輸氫壓力的增大近似同比例增大，表明輸氫壓力的增大主要造成可燃氫體積的增大，而可燃氫濃度變化較??；當(dāng)輸氫壓力較大(P>10 MPa)時，V變化幅度較小，而M增幅較為明顯，表明輸氫壓力的增大主要造成可燃氫濃度的增大，對可燃氫體積影響較小。

不同輸氫壓力下XY平面(Z=3.5 m)的危險區(qū)域分布如圖6所示。當(dāng)輸氫壓力P=2.5 MPa時，最大爆炸超壓為6.91 kPa，不存在危險區(qū)域；P=4 MPa時，最大爆炸超壓為10.08 kPa，危險區(qū)域分布在泄漏點附近，形狀近似于圓形，X向最大危險距離約2.6 m，Y向最大危險距離約3.0 m；P=10 MPa時，最大爆炸超壓為16.62 kPa，X向最大危險距離為21.4 m，Y向最大危險距離為21.6 m，除了在泄漏點附近形成圓形危險區(qū)域外，由于建筑物的存在，其附近可燃氫湍流程度增大，燃燒程度明顯加強，產(chǎn)生較高的爆炸超壓，故在建筑物附近形成了狹長的危險區(qū)域帶；P=15 MPa時，最大爆炸超壓為16.96 kPa，同時具有最大的危險區(qū)域面積，其中X向最大危險距離為35.6 m，Y向最大危險距離為50.2 m。當(dāng)輸氫壓力較高時，建筑物的存在明顯加劇了爆炸事故后果，使得危險區(qū)域顯著增大。各個輸氫壓力下平面內(nèi)均不存在重傷區(qū)域，建筑物附近最大爆炸超壓低于30 kPa，不會造成建筑物的倒塌。

圖5 不同輸氫壓力下可燃氫含量Fig.5 Contents of flammable hydrogen under different hydrogen transport pressures

圖6 不同輸氫壓力下XY平面(Z=3.5m)內(nèi)的危險區(qū)域Fig.6 Hazardous areas in XY plate (Z=3.5 m) under different hydrogen transport pressures

3.3 環(huán)境風(fēng)速

不同環(huán)境風(fēng)速條件下，燃料監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可燃氫含量隨泄漏時間的變化如圖7所示。當(dāng)風(fēng)速較小時(W<5 m/s)，M,V隨著風(fēng)速的增大變化幅度較??；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時，M,V開始逐漸減小，其中W=15 m/s時的M,V較無風(fēng)條件下降低60%左右。

對不同風(fēng)速條件下XY平面(Z=3.5 m)進行危險區(qū)域分析如圖8所示。危險區(qū)域形狀均近似于圓形，隨著風(fēng)速的增大，最大爆炸超壓和危險區(qū)域半徑都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)風(fēng)速較小時，風(fēng)速的增大加強了可燃氫的燃燒程度，使最大爆炸超壓值略有增加，但隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大，風(fēng)速開始對可燃氫起到稀釋的作用，使得可燃氫含量明顯減少，降低了最大爆炸超壓值。當(dāng)風(fēng)速W<8 m/s時，風(fēng)速的改變對危險區(qū)域半徑的影響較小，危險區(qū)域半徑均為1.5 m左右；當(dāng)風(fēng)速W>8 m/s時，危險區(qū)域半徑隨著風(fēng)速的增大顯著降低，當(dāng)W=15 m/s時，危險區(qū)域接近于消失。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下可燃氫含量Fig.7 Contents of flammable hydrogen under different ambient wind speeds

圖8 不同環(huán)境風(fēng)速下XY平面內(nèi)(Z=3.5m)的危險區(qū)域 Fig.8 Hazardous areas in XY plate (Z=3.5 m) under different ambient wind speeds

4 結(jié)論

1)當(dāng)埋地管道內(nèi)高壓氫發(fā)生泄漏時，大氣中可燃氫含量迅速(時間約2 s)達到動態(tài)平衡，人們難以及時做出反應(yīng)，泄漏停止后可燃氫又很快消散，其存在的時間與泄漏時長保持嚴(yán)格的一致性；泄漏量隨泄漏孔徑的增大呈指數(shù)增加，造成危險區(qū)域顯著增大，而泄漏時長的增加對爆炸事故后果幾乎無影響。

2)可燃氫含量、最大爆炸超壓和危險區(qū)域隨著輸氫壓力的增大均顯著增大，在較高的輸氫壓力下，危險區(qū)域受建筑物的影響更為明顯，造成危險區(qū)域顯著增大，同時在建筑物附近形成狹長的危險區(qū)域帶；隨著輸氫管道朝著高壓化方向不斷發(fā)展，管道與建筑物之間的安全間距研究具有重要意義。

3)最大爆炸超壓和危險區(qū)域隨風(fēng)速的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢，當(dāng)風(fēng)速較小時，風(fēng)速的增大加強了可燃氫的燃燒程度，使得最大爆炸超壓和危險區(qū)域增大；隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大，風(fēng)速開始對可燃氫起到稀釋的作用，使得大氣中可燃氫含量不斷減少，最大爆炸超壓和危險區(qū)域也相應(yīng)減小。