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2023-11-20 09:55:04宋玉彩滕衛(wèi)明陳強峰帥健李云濤王西明張小斌梅苑
油氣與新能源 2023年5期
宋玉彩，滕衛(wèi)明，陳強峰，帥健，李云濤，王西明，張小斌，梅苑
1.浙江浙能富興燃料有限公司；2.浙江省白馬湖實驗室有限公司；3.中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院；4.浙江大學能源工程學院
0 引言
氫能作為一種清潔替代能源，可以有效緩解化石資源消耗帶來的不利影響［1-3］。近年來，各國加大氫能開發(fā)規(guī)模，氫能的應用領域不斷擴展。天然氣摻氫運輸是推廣清潔能源和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一［4-5］，可在一定程度上緩解天然氣供應緊張的問題［6-7］。更為重要的是，相較于純天然氣，摻氫天然氣是一種更為清潔低碳的燃料，可降低終端用能的碳排放水平。天然氣站場是氫氣與天然氣混合的最佳場所［8-9］。然而，相較于天然氣，氫氣燃燒范圍較寬（4% ～ 75%），點火能更低（0.02 mJ）。天然氣摻氫后，泄漏發(fā)生爆炸的事故概率會顯著提升［10-11］。天然氣站場是一個設備復雜密集的場所，在混合運輸氫氣后，其安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)［12-14］。
天然氣站場的設備和管道若發(fā)生故障會導致泄漏事故，當氣云積聚到一定量時，在點火源的作用下會發(fā)生爆炸。預測摻氫氣體事故后果演化規(guī)律對摻氫天然氣站場的事故應急救援具有重要意義［15］。目前學者多采用場景構(gòu)建的方式來完成對事故后果的研究［16-17］。2022年，Mei等［18］模擬了風速條件下封閉式建筑區(qū)內(nèi)氣體的泄漏擴散過程，發(fā)現(xiàn)風場與建筑物間相互影響會導致泄漏氣云發(fā)生積聚；張文康等［19］對多因素條件下高壓氫氣管道的失效后果進行分析，發(fā)現(xiàn)風速會顯著影響泄漏氣體的擴散方向，繼而影響事故的危害程度；成誠等［20］對夏季和冬季環(huán)氧乙烷儲罐泄漏擴散后果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)冬季環(huán)氧乙烷儲罐泄漏所造成的池火災事故熱輻射危害范圍大于夏季；梅苑等［21］建立了包含考慮泄漏孔徑、泄漏時間的輸油管道失效后果評價模型，發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑、泄漏時間與事故后果影響范圍保持正相關(guān)性，但最終會達到平衡點。從目前研究來看，學者更關(guān)注泄漏或爆炸其中一種的后果，而天然氣泄漏與天然氣爆炸密切相關(guān)。在摻氫天然氣站場中，摻氫氣體會積聚在部分空間中，泄漏和擴散的邊界濃度值可用來判斷氣體云是否達到爆炸水平，但無法預測氣體云爆炸的破壞程度。因此，本文基于可燃氣體爆炸模擬的仿真軟件FLACS對摻氫天然氣站場的泄漏及爆炸事故進行場景構(gòu)建，重點量化分析不同風速場景中泄漏氣云的爆炸后果影響。研究結(jié)果可為摻氫天然氣站場在特定條件下的事故應急救援資源配備提供一定參考。
1 天然氣站場場景構(gòu)建
1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分
以某天然氣站場為原型，按等比例建立摻氫天然氣站場的幾何模型（見圖1）。該站場來氣壓力屬于中等壓力，站內(nèi)管道直徑為100 ～ 500 mm，主要包括作業(yè)區(qū)、工作區(qū)和休息區(qū)3個部分。其中，作業(yè)區(qū)包括過濾分離器、管道、閥門和其他相關(guān)設備，主要實現(xiàn)天然氣的接收、過濾、計量、減壓和加臭的功能；工作區(qū)內(nèi)有兩棟建筑：建筑1和建筑2，工作區(qū)與作業(yè)區(qū)用圍欄隔開；此外，休息區(qū)的建筑遠離作業(yè)區(qū)和工作區(qū)，發(fā)生事故時危險性最小。作業(yè)區(qū)是事故的主要影響區(qū)域，被視為核心區(qū)域，其相應的計算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格劃分；其他區(qū)域為非核心區(qū)域，相應的計算區(qū)域采用漸變網(wǎng)格劃分。計算域的大小為162 m×70 m×70 m。
圖1 摻氫天然氣站場幾何模型和網(wǎng)格劃分示意
1.2 事故場景設計
本文主要研究風速對摻氫天然氣站場泄漏后事故危害的影響，通過設定4種風速，構(gòu)建了4個事故場景，風速值分別取2 m/s（場景1）、4 m/s（場景2）、6 m/s（場景3）、8 m/s（場景4），風力等級分別屬于輕風、和風、強風、大風。每個場景分別模擬氣體泄漏和氣云爆炸兩種事故后果，共計8種情景。站場環(huán)境溫度設為293 K（20 ℃），壓力為1個大氣壓。由于摻氫體積比為20%時可導致最高的爆炸壓力［16］，因此為了模擬最嚴重的事故后果，選擇摻氫體積比為20%。
事故發(fā)生點位于作業(yè)區(qū)。泄漏量可根據(jù)泄漏孔尺寸由孔泄漏公式計算得出。臨界壓力比用于判斷管道中的流動狀態(tài)。對于中壓管道的大孔泄漏事故，盡管事故發(fā)生概率較低，但事故風險較高，會對周圍環(huán)境造成嚴重破壞，因此，本文中所有事故場景中失效管道的壓力均采用6 MPa。泄漏孔設為150 mm，屬于中壓管道大孔泄漏。泄漏點處的氣流屬于聲波流，泄漏量通過公式（1）計算［22］。經(jīng)計算，泄漏量為69.70 kg/s。
式中：q——泄漏量，kg/s；C0——泄漏系數(shù)；d——泄漏孔直徑，m；P——管道壓力（相對），Pa；Z——壓縮系數(shù)，Z=1；R——氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T——天然氣溫度，K；M——泄漏氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；κ——氣體的絕熱指數(shù)。
泄漏量在泄漏模擬過程中保持恒定，此時場景也相當于處于最壞的事故條件。事故場景模擬分為3個步驟：首先，需要預先計算計算域中的風場，以獲得穩(wěn)定的風場數(shù)據(jù)；其次，激活泄漏源以進行摻氫氣體泄漏模擬；最后，收集計算域中摻氫氣體的泄漏氣體云量，并給出了點火條件，以模擬摻氫氣體云的爆炸過程。其中，點火源和爆炸壓力的數(shù)據(jù)監(jiān)測點位于摻氫氣云的中心，通過設定高溫區(qū)域來啟動點火源。可燃氣云在高溫條件的作用下迅速發(fā)生反應，形成氣云爆炸。使用FLACS軟件建立可燃氣云累積量計算模型，可以在減少計算成本的基礎上獲得場景的氣云量變化，是一種高效的風險分析模型［23］。將泄漏氣體量轉(zhuǎn)化為可燃氣云累積量Q9，它可以在計算域中直接用于爆炸的模擬計算，計算公式如下：
式中：Q9——可燃氣云累積量，m3；R——當量比；Ri——i組分燃料的當量比；RLFL——達到爆炸下限時的當量比；RUFL——達到爆炸上限時的當量比；Vi——燃料空氣區(qū)域內(nèi)數(shù)值網(wǎng)格的第i個控制體積，m3；Vi,e——第i個控制體積中恒定壓力下的體積膨脹比，其值取決于Ri；SL(Ri)——層流火焰速度，m/s。
在氣體云擴散規(guī)律的研究中，需要確定混合氣體的爆炸極限，可根據(jù)勒夏特列原理進行計算。當摻氫體積比為20%時，混合氣體的爆炸上限和下限分別為7.02%和15.96%。在摻氫天然氣泄漏和擴散分析中，爆炸下限被作為可燃氣云顯示的最低閾值。
2 結(jié)果分析
2.1 風速對摻氫天然氣泄漏擴散的影響
圖2顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中摻氫天然氣的泄漏擴散過程。可以發(fā)現(xiàn)，隨著泄漏的持續(xù)（泄漏時間t從0 s到15 s），每種情況下的事故影響區(qū)域都會不斷擴大，最終從作業(yè)區(qū)發(fā)展到工作區(qū)的建筑物。但各場景的事故覆蓋區(qū)域存在明顯的區(qū)別。另外，在管道壓力的影響下，泄漏氣體主要以射流的形式擴散。因此，配合各場景的泄漏氣體射流矢量變化（見圖3），對泄漏氣體分3個階段進行分析。
圖2 不同風速場景中摻氫天然氣的泄漏擴散過程
圖3 不同風速場景中射流矢量變化
在泄漏初期（泄漏時間t=0 ～ 3 s），當風速較小時，泄漏氣體的初始射流速度較高且集中，其邊界濃度保持在較高水平。隨著風速增大，泄漏氣體將更快與空氣混合形成可燃氣云。在場景1中，當t=2 s時，泄漏氣體仍以集中擴散形式存在，此時泄漏氣體的邊界濃度值保持在較高水平，未形成明顯的可燃氣云。然而，在場景2、場景3和場景4中，當t=2 s時，泄漏氣體開始呈發(fā)散擴散形式，泄漏氣體的邊界濃度值降低，形成可燃氣云。這是因為在高風速的場景中，空氣流動更快，因此它可以更快地與泄漏的氣體相互作用。相應的矢量變化也證明了上述分析?？梢钥闯?，隨著風速的增加，泄漏氣體射流運動與空氣之間的相互作用矢量逐漸變得密集。
在泄漏中期（t=4 ～ 7 s），低風速場景中可燃氣云的擴散規(guī)模會更大。在場景1中，當t=6 s時，可燃氣云已到達工作區(qū)，并接觸到建筑1和建筑2。在場景4中，當t=6 s時，可燃氣云剛好接觸到建筑1。這是因為在這一階段，可燃氣云的邊界濃度較低，在高風速氣流的驅(qū)動下會更快消散，對應的射流矢量分布范圍也較小。
在泄漏后期（t=8 ～ 15 s），低風速場景中可燃氣云發(fā)展的優(yōu)勢將進一步擴大。在場景1和場景2中，可燃氣云會影響整個工作區(qū)域。而在場景3和場景4中，雖然可燃氣云可以到達工作區(qū)域，但對工作區(qū)域內(nèi)建筑物的影響很小。泄漏氣體射流矢量的變化也是同步的。
基于上述分析，風速對泄漏氣體在空間中的物質(zhì)傳輸?shù)挠绊懸?guī)律：在泄漏初期，泄漏氣體濃度較高，風可以促進泄漏氣體和空氣的混合，形成可燃氣云；在泄漏中后期，泄漏氣云將在風的進一步稀釋下擴散?？偟膩碚f，在高風速下，可燃氣云將更難積聚，泄漏事故的風險將降低。
2.2 風速對摻氫氣云累積量的影響
可燃氣云的累積量是判斷事故后果嚴重程度的重要參數(shù)。一般來說，可燃氣云累積量越高，造成的傷害越嚴重。圖4顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中可燃氣云累積量的變化。
圖4 不同風速場景中可燃氣云累積量的變化
在泄漏的初始階段，由于高噴射速度，泄漏的摻氫氣體無法快速與空氣有效混合形成可燃氣云，因此，可燃氣云累積量在該階段變化幅度較小。而當風速較高時，可燃氣云累積量會增加得更快，這與風的物質(zhì)輸送能力密切相關(guān)。
在泄漏中期，可燃氣云累積量的增加速度將隨著風速的增加而降低。這是因為泄漏中期，泄漏氣體主要以可燃氣云的形式擴散，邊界濃度較低。此時，風速越大，物質(zhì)傳輸速度越快，這將加速泄漏氣體在空氣中的彌散消耗。
在泄漏后期，當可燃氣云彌散速度等于氣體泄漏速度時，可燃氣云的發(fā)展可以形成動態(tài)平衡。因此，可燃氣云累積量的增加速度在泄漏后期逐漸降低，最終達到平衡點。在每個場景的泄漏達到動態(tài)平衡后，可燃氣云累量積排序如下：場景1>場景2>場景3>場景4。
2.3 風速對可燃氣云爆炸后果的影響
圖5顯示了在場景1、場景2、場景3和場景4中達到平衡時可燃氣云的爆炸壓力值?？梢钥闯?，在風速較高的情況下，爆炸強度會變?nèi)酢＿@是因為在高風速的場景中，可燃氣云無法有效積聚，且總體積聚較小。點火后，小云團釋放的能量較少，爆炸沖擊波的強度大大降低。在場景1中，爆炸壓力峰值最大達19.23 kPa；在場景2和場景3中，爆炸壓力峰值最大分別為12.94 kPa和9.37 kPa，較場景1低48.60%和105.22%；在場景4中，與場景1相比，最大爆炸壓力峰值進一步降低了190.92%。
圖5 不同風速場景中可燃氣云的爆炸壓力值
在GB/T 37243—2019《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》中，不同的爆炸壓力值對應建筑物的不同傷害程度（見表1）。
表1 爆炸沖擊波的傷害程度
圖6顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中爆炸沖擊波的傳播過程?？梢钥闯觯褐挥性趫鼍?下，事故爆炸才能達到嚴重破壞的程度，此時，建筑1受到爆炸沖擊波影響達到重度，而建筑2也將受到輕度破壞級別的沖擊波影響；在場景2和場景3中，事故爆炸只能達到中等程度的破壞，建筑1是事故的主要災區(qū)，將受到中等破壞程度的爆炸沖擊波的影響，而建筑2不會受到影響；在場景4中，事故爆炸的破壞能力進一步降低，僅達到輕度的破壞程度，受影響區(qū)域仍位于建筑物1附近。摻氫體積比10%、20%、30%、40%下的輕微傷害半徑分別達73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。
圖6 不同風速場景中爆炸沖擊波的傳播過程
3 結(jié)論
風速條件加快空間內(nèi)物質(zhì)傳輸速度，影響氣體泄漏的整個過程。在泄漏初期，泄漏氣體保持在較高濃度水平，風的存在有利于促進泄漏氣體與空氣混合形成可燃氣云。風速越大，可燃氣云形成更快；在泄漏中后期，泄漏氣體主要以可燃氣云的形式擴散，邊界濃度較低，風的存在會促進可燃氣云發(fā)生彌散。
泄漏氣體云累積量的變化與可燃氣云的發(fā)展之間存在明顯的一致性。在泄漏初始階段，風的物質(zhì)傳輸作用使得可燃氣云累積量在高風速場景中會增加得更快；在泄漏中后期，風將加快可燃氣云的彌散速度，可燃氣云累積量的增加速度將隨著風速的增加而降低。在每個場景的泄漏達到動態(tài)平衡后，可燃氣云累積量排序如下：場景1>場景2>場景3>場景4。
風速越大，可燃氣云將越難積聚，事故影響的范圍也相對減小。當可燃氣云在達到爆炸條件時，小風速場景中會產(chǎn)生更大的爆炸壓力值。摻氫比10%、20%、30%、40%下的輕微傷害半徑分別達73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。根據(jù)站內(nèi)對應的摻氫比例工況確定合適的安全距離，可有效減少事故的傷害性。
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0 引言
氫能作為一種清潔替代能源，可以有效緩解化石資源消耗帶來的不利影響［1-3］。近年來，各國加大氫能開發(fā)規(guī)模，氫能的應用領域不斷擴展。天然氣摻氫運輸是推廣清潔能源和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一［4-5］，可在一定程度上緩解天然氣供應緊張的問題［6-7］。更為重要的是，相較于純天然氣，摻氫天然氣是一種更為清潔低碳的燃料，可降低終端用能的碳排放水平。天然氣站場是氫氣與天然氣混合的最佳場所［8-9］。然而，相較于天然氣，氫氣燃燒范圍較寬（4% ～ 75%），點火能更低（0.02 mJ）。天然氣摻氫后，泄漏發(fā)生爆炸的事故概率會顯著提升［10-11］。天然氣站場是一個設備復雜密集的場所，在混合運輸氫氣后，其安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)［12-14］。
天然氣站場的設備和管道若發(fā)生故障會導致泄漏事故，當氣云積聚到一定量時，在點火源的作用下會發(fā)生爆炸。預測摻氫氣體事故后果演化規(guī)律對摻氫天然氣站場的事故應急救援具有重要意義［15］。目前學者多采用場景構(gòu)建的方式來完成對事故后果的研究［16-17］。2022年，Mei等［18］模擬了風速條件下封閉式建筑區(qū)內(nèi)氣體的泄漏擴散過程，發(fā)現(xiàn)風場與建筑物間相互影響會導致泄漏氣云發(fā)生積聚；張文康等［19］對多因素條件下高壓氫氣管道的失效后果進行分析，發(fā)現(xiàn)風速會顯著影響泄漏氣體的擴散方向，繼而影響事故的危害程度；成誠等［20］對夏季和冬季環(huán)氧乙烷儲罐泄漏擴散后果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)冬季環(huán)氧乙烷儲罐泄漏所造成的池火災事故熱輻射危害范圍大于夏季；梅苑等［21］建立了包含考慮泄漏孔徑、泄漏時間的輸油管道失效后果評價模型，發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑、泄漏時間與事故后果影響范圍保持正相關(guān)性，但最終會達到平衡點。從目前研究來看，學者更關(guān)注泄漏或爆炸其中一種的后果，而天然氣泄漏與天然氣爆炸密切相關(guān)。在摻氫天然氣站場中，摻氫氣體會積聚在部分空間中，泄漏和擴散的邊界濃度值可用來判斷氣體云是否達到爆炸水平，但無法預測氣體云爆炸的破壞程度。因此，本文基于可燃氣體爆炸模擬的仿真軟件FLACS對摻氫天然氣站場的泄漏及爆炸事故進行場景構(gòu)建，重點量化分析不同風速場景中泄漏氣云的爆炸后果影響。研究結(jié)果可為摻氫天然氣站場在特定條件下的事故應急救援資源配備提供一定參考。
1 天然氣站場場景構(gòu)建
1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分
以某天然氣站場為原型，按等比例建立摻氫天然氣站場的幾何模型（見圖1）。該站場來氣壓力屬于中等壓力，站內(nèi)管道直徑為100 ～ 500 mm，主要包括作業(yè)區(qū)、工作區(qū)和休息區(qū)3個部分。其中，作業(yè)區(qū)包括過濾分離器、管道、閥門和其他相關(guān)設備，主要實現(xiàn)天然氣的接收、過濾、計量、減壓和加臭的功能；工作區(qū)內(nèi)有兩棟建筑：建筑1和建筑2，工作區(qū)與作業(yè)區(qū)用圍欄隔開；此外，休息區(qū)的建筑遠離作業(yè)區(qū)和工作區(qū)，發(fā)生事故時危險性最小。作業(yè)區(qū)是事故的主要影響區(qū)域，被視為核心區(qū)域，其相應的計算區(qū)域采用均勻網(wǎng)格劃分；其他區(qū)域為非核心區(qū)域，相應的計算區(qū)域采用漸變網(wǎng)格劃分。計算域的大小為162 m×70 m×70 m。
圖1 摻氫天然氣站場幾何模型和網(wǎng)格劃分示意
1.2 事故場景設計
本文主要研究風速對摻氫天然氣站場泄漏后事故危害的影響，通過設定4種風速，構(gòu)建了4個事故場景，風速值分別取2 m/s（場景1）、4 m/s（場景2）、6 m/s（場景3）、8 m/s（場景4），風力等級分別屬于輕風、和風、強風、大風。每個場景分別模擬氣體泄漏和氣云爆炸兩種事故后果，共計8種情景。站場環(huán)境溫度設為293 K（20 ℃），壓力為1個大氣壓。由于摻氫體積比為20%時可導致最高的爆炸壓力［16］，因此為了模擬最嚴重的事故后果，選擇摻氫體積比為20%。
事故發(fā)生點位于作業(yè)區(qū)。泄漏量可根據(jù)泄漏孔尺寸由孔泄漏公式計算得出。臨界壓力比用于判斷管道中的流動狀態(tài)。對于中壓管道的大孔泄漏事故，盡管事故發(fā)生概率較低，但事故風險較高，會對周圍環(huán)境造成嚴重破壞，因此，本文中所有事故場景中失效管道的壓力均采用6 MPa。泄漏孔設為150 mm，屬于中壓管道大孔泄漏。泄漏點處的氣流屬于聲波流，泄漏量通過公式（1）計算［22］。經(jīng)計算，泄漏量為69.70 kg/s。
式中：q——泄漏量，kg/s；C0——泄漏系數(shù)；d——泄漏孔直徑，m；P——管道壓力（相對），Pa；Z——壓縮系數(shù)，Z=1；R——氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T——天然氣溫度，K；M——泄漏氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；κ——氣體的絕熱指數(shù)。
泄漏量在泄漏模擬過程中保持恒定，此時場景也相當于處于最壞的事故條件。事故場景模擬分為3個步驟：首先，需要預先計算計算域中的風場，以獲得穩(wěn)定的風場數(shù)據(jù)；其次，激活泄漏源以進行摻氫氣體泄漏模擬；最后，收集計算域中摻氫氣體的泄漏氣體云量，并給出了點火條件，以模擬摻氫氣體云的爆炸過程。其中，點火源和爆炸壓力的數(shù)據(jù)監(jiān)測點位于摻氫氣云的中心，通過設定高溫區(qū)域來啟動點火源。可燃氣云在高溫條件的作用下迅速發(fā)生反應，形成氣云爆炸。使用FLACS軟件建立可燃氣云累積量計算模型，可以在減少計算成本的基礎上獲得場景的氣云量變化，是一種高效的風險分析模型［23］。將泄漏氣體量轉(zhuǎn)化為可燃氣云累積量Q9，它可以在計算域中直接用于爆炸的模擬計算，計算公式如下：
式中：Q9——可燃氣云累積量，m3；R——當量比；Ri——i組分燃料的當量比；RLFL——達到爆炸下限時的當量比；RUFL——達到爆炸上限時的當量比；Vi——燃料空氣區(qū)域內(nèi)數(shù)值網(wǎng)格的第i個控制體積，m3；Vi,e——第i個控制體積中恒定壓力下的體積膨脹比，其值取決于Ri；SL(Ri)——層流火焰速度，m/s。
在氣體云擴散規(guī)律的研究中，需要確定混合氣體的爆炸極限，可根據(jù)勒夏特列原理進行計算。當摻氫體積比為20%時，混合氣體的爆炸上限和下限分別為7.02%和15.96%。在摻氫天然氣泄漏和擴散分析中，爆炸下限被作為可燃氣云顯示的最低閾值。
2 結(jié)果分析
2.1 風速對摻氫天然氣泄漏擴散的影響
圖2顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中摻氫天然氣的泄漏擴散過程。可以發(fā)現(xiàn)，隨著泄漏的持續(xù)（泄漏時間t從0 s到15 s），每種情況下的事故影響區(qū)域都會不斷擴大，最終從作業(yè)區(qū)發(fā)展到工作區(qū)的建筑物。但各場景的事故覆蓋區(qū)域存在明顯的區(qū)別。另外，在管道壓力的影響下，泄漏氣體主要以射流的形式擴散。因此，配合各場景的泄漏氣體射流矢量變化（見圖3），對泄漏氣體分3個階段進行分析。
圖2 不同風速場景中摻氫天然氣的泄漏擴散過程
圖3 不同風速場景中射流矢量變化
在泄漏初期（泄漏時間t=0 ～ 3 s），當風速較小時，泄漏氣體的初始射流速度較高且集中，其邊界濃度保持在較高水平。隨著風速增大，泄漏氣體將更快與空氣混合形成可燃氣云。在場景1中，當t=2 s時，泄漏氣體仍以集中擴散形式存在，此時泄漏氣體的邊界濃度值保持在較高水平，未形成明顯的可燃氣云。然而，在場景2、場景3和場景4中，當t=2 s時，泄漏氣體開始呈發(fā)散擴散形式，泄漏氣體的邊界濃度值降低，形成可燃氣云。這是因為在高風速的場景中，空氣流動更快，因此它可以更快地與泄漏的氣體相互作用。相應的矢量變化也證明了上述分析?？梢钥闯?，隨著風速的增加，泄漏氣體射流運動與空氣之間的相互作用矢量逐漸變得密集。
在泄漏中期（t=4 ～ 7 s），低風速場景中可燃氣云的擴散規(guī)模會更大。在場景1中，當t=6 s時，可燃氣云已到達工作區(qū)，并接觸到建筑1和建筑2。在場景4中，當t=6 s時，可燃氣云剛好接觸到建筑1。這是因為在這一階段，可燃氣云的邊界濃度較低，在高風速氣流的驅(qū)動下會更快消散，對應的射流矢量分布范圍也較小。
在泄漏后期（t=8 ～ 15 s），低風速場景中可燃氣云發(fā)展的優(yōu)勢將進一步擴大。在場景1和場景2中，可燃氣云會影響整個工作區(qū)域。而在場景3和場景4中，雖然可燃氣云可以到達工作區(qū)域，但對工作區(qū)域內(nèi)建筑物的影響很小。泄漏氣體射流矢量的變化也是同步的。
基于上述分析，風速對泄漏氣體在空間中的物質(zhì)傳輸?shù)挠绊懸?guī)律：在泄漏初期，泄漏氣體濃度較高，風可以促進泄漏氣體和空氣的混合，形成可燃氣云；在泄漏中后期，泄漏氣云將在風的進一步稀釋下擴散?？偟膩碚f，在高風速下，可燃氣云將更難積聚，泄漏事故的風險將降低。
2.2 風速對摻氫氣云累積量的影響
可燃氣云的累積量是判斷事故后果嚴重程度的重要參數(shù)。一般來說，可燃氣云累積量越高，造成的傷害越嚴重。圖4顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中可燃氣云累積量的變化。
圖4 不同風速場景中可燃氣云累積量的變化
在泄漏的初始階段，由于高噴射速度，泄漏的摻氫氣體無法快速與空氣有效混合形成可燃氣云，因此，可燃氣云累積量在該階段變化幅度較小。而當風速較高時，可燃氣云累積量會增加得更快，這與風的物質(zhì)輸送能力密切相關(guān)。
在泄漏中期，可燃氣云累積量的增加速度將隨著風速的增加而降低。這是因為泄漏中期，泄漏氣體主要以可燃氣云的形式擴散，邊界濃度較低。此時，風速越大，物質(zhì)傳輸速度越快，這將加速泄漏氣體在空氣中的彌散消耗。
在泄漏后期，當可燃氣云彌散速度等于氣體泄漏速度時，可燃氣云的發(fā)展可以形成動態(tài)平衡。因此，可燃氣云累積量的增加速度在泄漏后期逐漸降低，最終達到平衡點。在每個場景的泄漏達到動態(tài)平衡后，可燃氣云累量積排序如下：場景1>場景2>場景3>場景4。
2.3 風速對可燃氣云爆炸后果的影響
圖5顯示了在場景1、場景2、場景3和場景4中達到平衡時可燃氣云的爆炸壓力值?？梢钥闯?，在風速較高的情況下，爆炸強度會變?nèi)酢＿@是因為在高風速的場景中，可燃氣云無法有效積聚，且總體積聚較小。點火后，小云團釋放的能量較少，爆炸沖擊波的強度大大降低。在場景1中，爆炸壓力峰值最大達19.23 kPa；在場景2和場景3中，爆炸壓力峰值最大分別為12.94 kPa和9.37 kPa，較場景1低48.60%和105.22%；在場景4中，與場景1相比，最大爆炸壓力峰值進一步降低了190.92%。
圖5 不同風速場景中可燃氣云的爆炸壓力值
在GB/T 37243—2019《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》中，不同的爆炸壓力值對應建筑物的不同傷害程度（見表1）。
表1 爆炸沖擊波的傷害程度
圖6顯示了場景1、場景2、場景3和場景4中爆炸沖擊波的傳播過程?？梢钥闯觯褐挥性趫鼍?下，事故爆炸才能達到嚴重破壞的程度，此時，建筑1受到爆炸沖擊波影響達到重度，而建筑2也將受到輕度破壞級別的沖擊波影響；在場景2和場景3中，事故爆炸只能達到中等程度的破壞，建筑1是事故的主要災區(qū)，將受到中等破壞程度的爆炸沖擊波的影響，而建筑2不會受到影響；在場景4中，事故爆炸的破壞能力進一步降低，僅達到輕度的破壞程度，受影響區(qū)域仍位于建筑物1附近。摻氫體積比10%、20%、30%、40%下的輕微傷害半徑分別達73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。
圖6 不同風速場景中爆炸沖擊波的傳播過程
3 結(jié)論
風速條件加快空間內(nèi)物質(zhì)傳輸速度，影響氣體泄漏的整個過程。在泄漏初期，泄漏氣體保持在較高濃度水平，風的存在有利于促進泄漏氣體與空氣混合形成可燃氣云。風速越大，可燃氣云形成更快；在泄漏中后期，泄漏氣體主要以可燃氣云的形式擴散，邊界濃度較低，風的存在會促進可燃氣云發(fā)生彌散。
泄漏氣體云累積量的變化與可燃氣云的發(fā)展之間存在明顯的一致性。在泄漏初始階段，風的物質(zhì)傳輸作用使得可燃氣云累積量在高風速場景中會增加得更快；在泄漏中后期，風將加快可燃氣云的彌散速度，可燃氣云累積量的增加速度將隨著風速的增加而降低。在每個場景的泄漏達到動態(tài)平衡后，可燃氣云累積量排序如下：場景1>場景2>場景3>場景4。
風速越大，可燃氣云將越難積聚，事故影響的范圍也相對減小。當可燃氣云在達到爆炸條件時，小風速場景中會產(chǎn)生更大的爆炸壓力值。摻氫比10%、20%、30%、40%下的輕微傷害半徑分別達73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。根據(jù)站內(nèi)對應的摻氫比例工況確定合適的安全距離，可有效減少事故的傷害性。
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