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.北京石油化工學院機械工程學院并氫能研究中心， 北京 102617)

氫能具有來源廣、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點，被譽為21世紀最有發(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氣體，遇明火極易發(fā)生爆炸，造成嚴重事故后果。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)實意義。

目前氫氣和天然氣爆炸事故的研究手段主要有實驗方法和數(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爆炸，通過實驗獲得了爆炸室內(nèi)的爆炸壓力，結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(均為體積分數(shù))為燃料對綜合管廊氣室內(nèi)的爆炸進行了實驗研究，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]實驗研究了受限空間內(nèi)不同氫氣含量下預混氣體的爆炸特性，結果表明氫氣含量越高，預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]分析了不同體積分數(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，結果表明在其他條件相同時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、泄漏時長、輸氫壓力以及環(huán)境風速對爆炸的影響，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區(qū)域也越大。Zhang等[10]對氫氣爆炸過程進行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)當氫氣體積分數(shù)為30%時爆炸壓力和壓力增長速率在1.01×105Pa時達到最大值，隨著初始壓力的增大，爆炸壓力和壓力增長速率逐漸增大。

目前單獨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。

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)學描述包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流方程、組分輸運方程和燃燒方程。

(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為時間，s；u為速度，m/s。

(2)動量方程：

(2)

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

(3)能量方程：

(3)

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

(4)標準k-ε模型：

(4)

(5)

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

(5)組分輸運模型：

(6)

式(6)中：Yi為組分i的質量分數(shù)，%；Ji為組分i的質量擴散通量，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物質的量；n7為剩余可燃氣體物質的量；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重，因此僅針對室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進行模擬研究。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。為簡化模擬計算，假設初始時刻空間內(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 算例條件設置

采用爆炸模擬軟件FLACS對摻氫天然氣爆炸進行研究。采用六面體網(wǎng)格劃分計算區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)為36 000，單個網(wǎng)格為邊長0.1 m的六面體。模擬中考慮摻氫比、打火點位置、計算區(qū)域是否開放和燃燒程度4種因素的影響，算例條件詳細設置如表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主要考察打火點位置的影響，算例2、算例7主要考察計算區(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量比(equivalence ratio, ER)表征，ER>1時表示可燃氣云中氧氣含量小于理論上燃燒所需要的氧氣含量，即氧氣量不足；ER=1時表示可燃氣云中氧氣含量等于理論上燃燒所需要的氧氣含量，此時燃燒最為劇烈；ER<1時表示可燃氣云中氧氣含量大于理論上燃燒所需要的氧氣含量，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)設置

以算例2為例，簡要介紹FLACS軟件中的模擬參數(shù)設置。模擬過程中設置初始溫度為293 K，初始壓力為0.1 MPa，摻氫天然氣均勻充滿整個計算區(qū)域，氣體成分中設置甲烷為9，氫氣為1，即摻氫比初始值為10%，設置ER初始值為1.0，即此時為完全燃燒情況。同時設置打火初始位置位于氣云中心，其坐標為(2, 1.5, 1.5)，打火開始時間為0 s，具體參數(shù)設置如表2所示。為定量分析爆炸的模擬結果，便于揭示摻氫天然氣爆炸規(guī)律，在計算區(qū)域中添加三個監(jiān)測點(M1、M2、M3)，坐標分別為(2, 1.5, 1.5)、(2, 1.5, 0)、(0, 0, 0)，各監(jiān)測點位置如圖2所示。

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

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

3 結果分析

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不同爆炸時刻1.5 m高度(中心截面)處的X-Y二維溫度云圖?？梢钥吹剑? s時(爆炸還未發(fā)生)整個計算區(qū)域內(nèi)的溫度為初始溫度293 K，而0.05 s時(爆炸初期階段)在計算區(qū)域中心，即打火點附近溫度明顯升高，此時溫度云圖為規(guī)則對稱的近似圓形。由此可推斷出0.05 s時刻在一個以打火點為球心的近似球狀空間內(nèi)溫度明顯升高。隨著爆炸的進行，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時內(nèi)部的溫度已達到近2 500 K。在球形升溫區(qū)域Y方向的直徑快達到計算區(qū)域的寬度時，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時二維平面溫度云圖為橢圓形，可推斷此時三維空間內(nèi)的溫度云圖近似橢球形。隨著爆炸的進行，計算區(qū)域內(nèi)的溫度都大幅度上升，最高溫度可達到約2 902 K。綜上可知，整個爆炸過程短暫且急促，并且釋放出大量能量使得計算區(qū)域內(nèi)的溫度急劇升高，在不到1 s時間內(nèi)計算區(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重要參數(shù)，對比算例0～算例4的結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2處的溫度在爆炸過程中的變化。可以看出，對于監(jiān)測點2，隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時間逐漸提前。這是因為氫氣在空氣中的最小點火能量為0.017 mJ，遠小于甲烷在空氣中的最小點火能量0.274 mJ。隨著摻氫比的增加，摻氫天然氣混合氣體的最小點火能量逐漸減小，導致爆炸發(fā)生時間提前。但在這5種摻氫比情況下，爆炸溫度隨爆炸時間的變化趨勢基本一致。

圖4 不同摻氫比下監(jiān)測點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間的變化趨勢基本一致，區(qū)別在于爆炸發(fā)生時間不同。隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時間逐漸提前，同時爆炸過程中所達到的最大超壓基本不變，并且都達到了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，能夠造成嚴重的破壞。對人體能夠達到嚴重傷害程度，可能會導致心肌、脫臼撕裂的情況，同時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的模擬結果分析打火點位置對摻氫天然氣爆炸事故的影響。圖5(a)給出了3種不同打火點高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點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間。打火點高度距離監(jiān)測點1越近，監(jiān)測點1處溫度劇烈上升的時間越早。按照監(jiān)測點1處溫度開始劇烈上升的時間順序排列，依次是算例2、算例6、算例5。

圖5(b)給出了3種不同打火點高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點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間。打火點位置距離監(jiān)測點1越近，超壓開始劇烈上升的時間越早，在監(jiān)測點1處，算例5比算例2溫度開始變化的時間早0.2 s左右。這是因為爆炸是以波的形式傳播的，距離爆炸中心(打火點)越近，爆炸波到達此處所需要的時間越小，因此此處的溫度和超壓開始劇烈上升的時間越早。

圖5 不同打火點高度情況下監(jiān)測點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閉兩種狀態(tài)下監(jiān)測點1處的溫度隨爆炸時間的變化。可以看出，打開門窗之后爆炸發(fā)生時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，爆炸結束后溫度趨于平衡的時間也比門窗封閉情況要早，打開門窗后爆炸用時遠小于門窗封閉情況下的摻氫天然氣爆炸事故。同時門窗關閉情況下監(jiān)測點1處爆炸過程中所達到的最大溫度為2 777.6 K，而打開門窗后監(jiān)測點1處在爆炸過程中所達到的最大溫度為2 234.2 K，比前者降低了543.4 K，這是因為門窗打開后，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閉兩種情況下監(jiān)測點1處的超壓變化。從中可看到，與門窗關閉情況相比，門窗開啟時超壓變化很小。這是因為開啟門窗后，爆炸區(qū)域與大氣連通，發(fā)生爆炸時壓力波從門窗瞬間傳到大氣中，因此監(jiān)測點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

可燃氣云燃燒是否充分對爆炸威力具有較大影響。下面通過算例2、算例8～算例10的模擬結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時最大爆炸溫度為2 501.5 K，而ER=1.1時最大爆炸溫度達到了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)生的時間逐漸縮短，ER=1.1時的爆炸時間比ER=0.8時的爆炸時間縮短約0.4 s。

圖6 門窗狀態(tài)不同情況下監(jiān)測點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，超壓上升時間逐漸提前，并且出現(xiàn)最大超壓值的時間也逐漸提前，整個爆炸過程持續(xù)的時間縮短。ER=0.8時最大超壓為7.16×105Pa，而ER=1.1時最大超壓為8.06×105Pa，比前者提高0.89×105Pa。

4 結論

對室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進行了模擬研究，分析了摻氫比、打火點位置、計算區(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，得出如下結論。

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

(2)距離打火點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1處溫度開始變化的時間相差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小于受限空間。在同樣條件下，門窗開啟狀態(tài)下爆炸所達到的最大溫度較門窗關閉狀態(tài)下降低543.4 K，而此時超壓基本無變化。

(4)燃燒程度對摻氫天然氣爆炸威力影響較大。本文當量比為0.8時最大爆炸溫度為2 501.5 K，最大超壓為7.16×105Pa；而當量比為1.1時最大爆炸溫度為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，當量比越高，爆炸時間越短。