俞進(jìn)，張皓，賈文龍 ，謝萍，李長(zhǎng)俊

1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司，北京東城100010

2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500

3.成都華潤(rùn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司，四川成都610000

4.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司，新疆烏魯木齊830001

引言

氫能作為二次能源發(fā)展的重要方向，有助于解決能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題[1]。全球主要國(guó)家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家將其上升到了國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。隨著氫能的發(fā)展，氫能的儲(chǔ)運(yùn)是目前亟需結(jié)解決的關(guān)鍵一環(huán)。而未來能源的發(fā)展中，能源互聯(lián)網(wǎng)是能源儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)，油氣管網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要參與者[2]，因此，將氫氣混入天然氣管網(wǎng)輸送是大規(guī)模輸氫的最佳選擇[3-6]，也是國(guó)外氫氣輸送的通用做法。各國(guó)針對(duì)天然氣混氫量開展了大量研究。其中，瑞典研究的混氫量在0～1%，澳大利亞與瑞士混氫量為4%，德國(guó)混氫量為5%與10%，法國(guó)混氫量為6%，荷蘭混氫量為12%。由于氫氣與天然氣的物理性質(zhì)存在較大差異，如氫氣分子直徑僅為0.289 nm，比甲烷小25%，相同條件下在管道接頭處氫的體積滲漏速率為天然氣的3 倍[7]，同時(shí)，金屬材料在一定氫氣環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生氫脆，從而加速管道上微小裂縫破裂[8-9]，導(dǎo)致天然氣管道混氫輸送的泄漏風(fēng)險(xiǎn)增大[10-11]。目前，對(duì)于混氫天然氣泄漏后氣泄漏擴(kuò)散特征規(guī)律尚不明確。

針對(duì)上述問題，劉延雷[12]基于有限體積法，對(duì)氫氣與天然氣管道泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬，表明氫氣擴(kuò)散危險(xiǎn)云團(tuán)集中于高空，天然氣泄漏后危險(xiǎn)云團(tuán)更靠近地面。楊燦劍等[13]利用CFD 對(duì)加氫站氫氣泄漏進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，無風(fēng)條件下氫氣在水平和垂直方向擴(kuò)散速度很快，容易富集并形成爆炸氣團(tuán)。Hector[14]等對(duì)建筑物內(nèi)氫氣泄漏進(jìn)行模擬，研究表明，氫氣在建筑物內(nèi)泄漏對(duì)建筑物及周圍環(huán)境的危險(xiǎn)要大于天然氣。上述研究主要針對(duì)純氫氣和純天然氣的泄漏擴(kuò)散，未考慮氫氣與甲烷的混合氣體在泄漏擴(kuò)散過程中各分子之間的相互作用。

針對(duì)西氣東輸一線某輸送站場(chǎng)，基于修正的Fick 擴(kuò)散矩陣計(jì)算方法，建立了混氫天然氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型，得到了混氫天然氣三物系擴(kuò)散系數(shù)矩陣；結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究了站場(chǎng)內(nèi)管道發(fā)生泄漏后混氫天然氣泄漏擴(kuò)散特性，分析了混氫天然氣泄漏出的氣體在站場(chǎng)擴(kuò)散后的危險(xiǎn)距離，研究結(jié)果可為天然氣混氫輸送泄漏安全事故應(yīng)急措施提供理論和技術(shù)依據(jù)，為混氫天然氣輸送安全運(yùn)行日常管理提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 控制方程

站場(chǎng)內(nèi)混氫天然氣的泄漏擴(kuò)散具有不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，符合氣體湍流流動(dòng)的特征。目前，針對(duì)湍流數(shù)值模擬一般使用直接模擬、大渦模擬（LES）以及Reynolds 時(shí)均方程模擬[15]等方法。Reynolds 時(shí)均方程模擬是現(xiàn)在解決工程湍流問題的基本方法。其中，標(biāo)準(zhǔn)k?ε 雙方程湍流流動(dòng)傳輸模型[16]包括k方程和ε 方程，k方程為湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程，ε 方程為湍流耗散方程，綜合k方程和ε 方程，可確定出湍流黏性系數(shù)，最終求得湍流應(yīng)力。

利用k?ε 方程求解混氫天然氣泄漏擴(kuò)散問題時(shí)，控制方程包括了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及k?ε 方程和黏性系數(shù)方程。

（1）連續(xù)性方程

（6）組分輸運(yùn)模型

混氫天然氣由管道泄漏到外界屬于多組分氣體擴(kuò)散，需使用組分傳輸模型描述其在泄漏擴(kuò)散過程中的濃度分布。

Ji擴(kuò)散通量是描述物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象的物理量，表示單位時(shí)間垂直通過擴(kuò)散方向單位面積的物質(zhì)的流量。擴(kuò)散通量值的準(zhǔn)確性是確定混氫天然氣泄漏后擴(kuò)散情況的關(guān)鍵，其大小受到不同物質(zhì)自身擴(kuò)散系數(shù)與濃度梯度的影響。因此，需要優(yōu)先確定物質(zhì)擴(kuò)散過程中的擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 多組分非理想氣體擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

擴(kuò)散系數(shù)是用于描述分子遷移的一個(gè)重要參數(shù)，表示了該物質(zhì)在某介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，一般通過Fick定律確定?；鞖涮烊粴庑孤U(kuò)散過程屬于多組分物系間的擴(kuò)散，因此，需要建立多組分?jǐn)U散系數(shù)模型對(duì)混氫天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行描述。而多組分?jǐn)U散系數(shù)需要以二元擴(kuò)散系數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算得到。在進(jìn)行氣體擴(kuò)散模擬研究時(shí)，采用了李長(zhǎng)俊等[17]提出的多組分非理想氣體擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法改進(jìn)模型，該模型考慮氣體實(shí)際情況與理想狀態(tài)的偏差，能夠更加準(zhǔn)確地描述氣體泄漏后的擴(kuò)散情況。利用該模型計(jì)算混合氣體的泄漏擴(kuò)散系數(shù)后，利用計(jì)算結(jié)果在FLUENT 中自行定義氣體實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)。

（1）二元物系非理想狀態(tài)擴(kuò)散系數(shù)

Fuller 模型是對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的二元?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行擬合得到的，是目前常用的二元?dú)怏w擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型。其表達(dá)式為

需要注意的是，F(xiàn)uller 模型假設(shè)氣體是理想氣體，因此，引入了壓縮因子Z來對(duì)Fuller 模型進(jìn)行修正，使其計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際氣體，修正后氣體擴(kuò)散系數(shù)為

（2）多組分理想氣體擴(kuò)散系數(shù)

多組分物系傳質(zhì)過程比二元物系傳質(zhì)更加復(fù)雜，其中，某一組分的擴(kuò)散系數(shù)除了與自身質(zhì)量濃度梯度有關(guān)，還與其他組分有關(guān)，故多組分物系氣體中要求具備所有可能的二元物系擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于n組分的物質(zhì)，其傳質(zhì)過程的擴(kuò)散通量可用式（11）進(jìn)行計(jì)算

為表征多組分物系傳質(zhì)過程存在不同組分之間的相互作用，采用Fick 擴(kuò)散系數(shù)矩陣來描述多組分物系不同分子間的擴(kuò)散系數(shù)。Fick 擴(kuò)散系數(shù)矩陣由Maxwell-Stefan 擴(kuò)散系數(shù)矩陣和熱力學(xué)因子矩陣的乘積計(jì)算得到。n組分物系的Fick 擴(kuò)散矩陣D為

（3）混氫天然氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

混氫天然氣的主要組分為甲烷和氫氣，假設(shè)空氣為單一組分，那么混氫天然氣在空氣中泄漏擴(kuò)散組成CH4/H2/空氣三組分物系。對(duì)不同壓力下、不同摩爾分?jǐn)?shù)的三組分物系擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到Fick 擴(kuò)散系數(shù)矩陣如表1 所示，其中，空氣為參考組分[19]。Fick 擴(kuò)散系數(shù)矩陣計(jì)算值為后續(xù)CFD 模擬提供各組分間擴(kuò)散系數(shù)。

表1 9 MPa、300 K 不同含氫量混氫天然氣Fick 擴(kuò)散矩陣Tab.1 Fick diffusion matrix of natural gas with different hydrogen content

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

選取西氣東輸一線某一輸氣站，建立混氫天然氣輸氣站場(chǎng)室外泄漏三維模型，詳見圖1 和圖2。模型計(jì)算域?yàn)?23 m×120 m×20 m 的空氣計(jì)算域，網(wǎng)格數(shù)為2 167 829，站場(chǎng)內(nèi)各區(qū)域及建筑尺寸見表2。

表2 輸氣站各區(qū)塊大小Tab.2 Size of each block of gas transmission station

圖1 輸氣站的幾何模型Fig.1 Geometric model of gas transmission station

圖2 輸氣站模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Gridof gas transmission station model

過濾分離區(qū)、壓縮機(jī)區(qū)、干線清管區(qū)和排污池為爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所I 類2 區(qū)，壓縮機(jī)廠房為I 類1 區(qū)。對(duì)站場(chǎng)室外易發(fā)生泄漏且危險(xiǎn)程度較高的區(qū)域進(jìn)行分析，確定了兩個(gè)泄漏位置，即在壓縮機(jī)區(qū)發(fā)生泄漏、過濾分離區(qū)發(fā)生泄漏。

2.2 參數(shù)條件

站場(chǎng)進(jìn)氣壓力與外輸壓力分別為5.00 MPa 和9.32 MPa。天然氣管道中混氫量設(shè)定為0，3%，5%和15%。依據(jù)《蒲福氏風(fēng)級(jí)表》以及站場(chǎng)氣象條件確定風(fēng)速V為0，3，5，8 和12 m/s。泄漏口孔徑為150 mm，約為15%D，屬于小孔泄漏。管內(nèi)泄漏壓力為9.32 MPa 時(shí)，大氣環(huán)境壓力為0.101 MPa，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34346——2017，判斷得到泄漏速度達(dá)到音速，基于氣體泄漏模型計(jì)算得出泄漏速度為435 m/s?；鞖涮烊粴獾妮斔蛯儆诟邏狠斔?，流體應(yīng)視為可壓縮，因此，泄漏口采用質(zhì)量流量入口，并設(shè)置為可壓縮氣體進(jìn)行模擬。大氣環(huán)境壓力屬于低壓條件，故風(fēng)速入口采用速度入口。壓力出口較質(zhì)量出口具有更好的收斂性，出口采用壓力出口。壓力和速度耦合計(jì)算方法采用PISO 算法。擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置選擇質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)Fick擴(kuò)散系數(shù)矩陣計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩組分的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 結(jié)果分析

圖3 為含氫量15%混氫天然氣泄漏后甲烷和氫氣無風(fēng)條件下的擴(kuò)散云圖。圖4 為站場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域發(fā)生泄漏后有風(fēng)條件下的擴(kuò)散云圖。通過圖3、圖4 可以看出，當(dāng)含氫量小于等于15%時(shí)，由于混氫天然氣中氫氣組分較少，泄漏后氫氣主要在泄漏口附近積聚；有風(fēng)時(shí)，氣體泄漏后受到風(fēng)力作用向下風(fēng)向擴(kuò)散，若存在障礙物，受到障礙物的影響，氣體向下風(fēng)向擴(kuò)散的速度與距離均遠(yuǎn)小于沒有障礙物阻擋的情況?；鞖涮烊粴庑孤┖螅湓诖髿庵械臄U(kuò)散會(huì)受到泄漏位置及泄漏源外部環(huán)境狀況等因素的影響。

圖3 無風(fēng)時(shí)混氫天然氣不同組分?jǐn)U散云圖Fig.3 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage under no wind condition

圖4 不同區(qū)域有風(fēng)時(shí)混氫天然氣泄漏擴(kuò)散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage in different regions with wind

混氫天然氣中主要成分為甲烷和氫氣，甲烷的爆炸極限為5.0%～15.0%，氫氣爆炸極限為4.0%～75.6%。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，以甲烷、氫氣的爆炸下限擴(kuò)散半徑作為氣體危險(xiǎn)范圍的評(píng)價(jià)尺度?？紤]到氫氣爆炸下限為4.0%，因此，僅對(duì)含氫量超過爆炸下限的混氫天然氣進(jìn)行氫氣組分危險(xiǎn)半徑分析，即含氫量超過4.0%的混氫天然氣。圖5、圖6 分別為風(fēng)速0、3 m/s 條件下含氫量15.0%的混氫天然氣泄漏后甲烷和氫氣爆炸極限等值線圖。

從圖5，圖6 可以看出：混氫天然氣泄漏首先以射流的形式向外噴射，而后因?yàn)樾孤怏w與大氣環(huán)境間的壓力差及濃度差，混氫天然氣開始向周圍大氣擴(kuò)散，并伴隨著對(duì)周圍空氣的卷席作用，體積有了很大程度的膨脹。由于混氫天然氣中氫氣含量遠(yuǎn)低于甲烷，泄漏后甲烷的擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)大于氫氣；甲烷氣體云團(tuán)爆炸極限范圍內(nèi)的氣體分布于較外圍區(qū)域，而氫氣云團(tuán)爆炸極限區(qū)域僅限于泄漏口附近，處于云團(tuán)的中心區(qū)域。

圖5 無風(fēng)含氫15%天然氣爆炸極限等值線Fig.5 Explosion limit contour of 15%natural gas containing hydrogen without wind

圖6 風(fēng)速3 m/s 含氫15.0%混氫天然氣爆炸極限等值線圖Fig.6 Contour map of explosion limit of natural gas containing 15%hydrogen at 3 m/s wind speed

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理后得到無風(fēng)條件下，4 種含氫量天然氣泄漏30 s 后爆炸下限擴(kuò)散半徑如表3所示。

表3 氣體爆炸下限擴(kuò)散半徑Tab.3 Gas explosion lower limit diffusion radius

圖7 為含氫量0、3.0%、5.0% 和15.0% 的混氫天然氣在無風(fēng)條件下泄漏5～30 s 后甲烷、氫氣爆炸下限擴(kuò)散半徑范圍；圖8 為不同風(fēng)速下4 種不同含氫量的混氫天然氣泄漏甲烷和氫氣爆炸下限擴(kuò)散半徑。從圖7，圖8 可以看出，相同泄漏條件下，隨著混氫天然氣中氫氣含量的提高，甲烷組分的爆炸下限擴(kuò)散半徑是逐漸減小的；而氫氣組分的爆炸下限擴(kuò)散半徑逐漸增大，該結(jié)果與歐盟NaturalHy 項(xiàng)目[20]研究結(jié)果相符。氫氣的爆炸極限下限為4.0%，即當(dāng)含氫量較低時(shí)，圖8b 中5.0%含氫量的天然氣，其泄漏后即使在有風(fēng)條件下，氫氣的爆炸下限擴(kuò)散半徑也幾乎不增加，擴(kuò)散范圍僅限泄漏口且不超過1 m。

圖7 無風(fēng)時(shí)不同含氫量混氫天然氣泄漏Fig.7 Leakage of natural gas with different hydrogen content without wind

圖8 不同風(fēng)速下不同含氫量混氫天然氣泄漏Fig.8 Leakage of natural gas with different hydrogen

Fick 擴(kuò)散矩陣中熱力學(xué)因子能夠反映出多組分混合物系的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，與壓縮因子有相同的趨勢(shì)。因此，利用壓縮因子修正后的Fick 擴(kuò)散矩陣能夠反映混氫天然氣中甲烷分子和氫氣分子間相互作用力和熱力學(xué)的實(shí)際狀態(tài)。通過在FLUENT 中設(shè)置多組分物系擴(kuò)散系數(shù)，能夠得到更符合實(shí)際的擴(kuò)散情況。模擬結(jié)果表明，天然氣中混入氫氣會(huì)導(dǎo)致泄漏口附近燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)升高，但是會(huì)減小泄漏后氣體擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域范圍。

在站場(chǎng)日常管理過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注密封處、閥門以及存在明顯減薄的部位、焊縫等位置，增加定期檢查的次數(shù)，站場(chǎng)泄漏處理過程需要針對(duì)泄漏口氫氣采取相應(yīng)的措施，及時(shí)對(duì)泄漏事故進(jìn)行應(yīng)急處理。

4 結(jié)論

（1）基于修正后的多組分非理想氣體擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算得到不同混氫量下混氫天然氣Fick擴(kuò)散系數(shù)矩陣，結(jié)合Fick 擴(kuò)散系數(shù)矩陣建立了三維輸氣站場(chǎng)泄漏擴(kuò)散模擬CFD 模型，對(duì)混氫天然氣輸氣站場(chǎng)泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，分析了障礙物、風(fēng)速及混氫量等因素對(duì)混氫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響。

（2）站場(chǎng)內(nèi)混氫天然氣泄漏處存在障礙物時(shí)，障礙物對(duì)氣體的擴(kuò)散有很好的阻擋作用，因此，站場(chǎng)針對(duì)氣體泄漏可考慮在重要設(shè)備或建筑前合理的位置設(shè)置擋墻以減少泄漏事故損害。

（3）隨著氫氣含量的提高會(huì)降低甲烷爆炸下限擴(kuò)散半徑，增大氫氣爆炸下限擴(kuò)散半徑，每增加1%氫氣，甲烷組分的爆炸下限擴(kuò)散半徑減小0.04 m。同時(shí)，氫氣使泄漏口高于甲烷爆炸極限的區(qū)域存在爆炸的可能，增大泄漏氣體的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，需增強(qiáng)站場(chǎng)日常巡檢力度，做好泄漏事故應(yīng)急預(yù)案。