彭善碧 羅雪 楊林

1.西南石油大學(xué)土木工程學(xué)院 2.四川省燃?xì)獍踩c高效利用工程技術(shù)研究中心 3.中國石油西南油氣田公司

氫能作為二次能源,具有來源廣、終端零排放、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)[1],被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉碵2]。將氫氣以一定比例摻入天然氣中,然后利用在役的天然氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行輸送,在節(jié)省巨大管道建設(shè)成本的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送氫氣[3-4]。但是在管道輸送過程中,受管道腐蝕、材料老化、第三方破壞等因素的影響,難免會(huì)發(fā)生泄漏[5]。而管道泄漏造成的危害極大[6],因此,探究摻氫天然氣(hydrogen,blended natural gas,HBNG)長(zhǎng)輸管道的泄漏擴(kuò)散規(guī)律,從而為摻氫天然氣管道的安全運(yùn)營和維護(hù)提供支撐是非常必要的。

圍繞摻氫管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律特性以及摻氫管道泄漏擴(kuò)散造成災(zāi)害后果,國內(nèi)外的研究學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。在摻氫管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律特性方面,Su等[7]對(duì)家用廚房?jī)?nèi)摻氫天然氣的泄漏和擴(kuò)散特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了摻氫比(體積分?jǐn)?shù),下同)、泄漏速率、通風(fēng)條件和管道尺寸對(duì)泄漏和擴(kuò)散過程的影響。孫齊等[8]研究了在不同風(fēng)速以及不同摻氫體積分?jǐn)?shù)的情況下,半敞開式廠房?jī)?nèi)摻氫天然氣的擴(kuò)散規(guī)律,并提出了在半封閉場(chǎng)所內(nèi)傳感器的布置方案。Zhou等[9]建立了城市街道半封閉空間的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)三維模型,研究了摻氫天然氣的擴(kuò)散過程和爆炸特性,并分析了摻氫比和環(huán)境風(fēng)速對(duì)爆炸事故的影響機(jī)理。段鵬飛等[10]通過數(shù)值模擬研究了摻氫天然氣管道在不同影響因素下(泄漏孔方向、摻氫比、壓力、泄漏孔直徑等)在管廊內(nèi)泄漏后的擴(kuò)散特性。王鑫等[11]研究了摻氫天然氣管道在障礙物影響下的泄漏擴(kuò)散行為,探究了環(huán)境風(fēng)速、障礙物高度、摻氫比等因素對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散區(qū)域的影響。在摻氫管道泄漏擴(kuò)散造成的災(zāi)害后果方面,Shirvill等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了摻氫比對(duì)爆炸超壓的影響,研究發(fā)現(xiàn)在管網(wǎng)中添加體積分?jǐn)?shù)小于25%的氫氣不會(huì)顯著增加爆炸的影響。尚融雪等[13]基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了不同摻氫比、初始溫度和當(dāng)量比對(duì)摻氫天然氣層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?。陳卓等[14]通過FLACS軟件模擬,研究了摻氫比、打火點(diǎn)位置、計(jì)算區(qū)域是否開放和燃燒程度對(duì)室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故特征和演化規(guī)律的影響。李亮等[15]采用FLACS軟件研究了臨街餐廳摻氫天然氣的泄漏爆炸,通過改變摻氫比、點(diǎn)火位置和餐廳門啟閉狀態(tài)來分析摻氫對(duì)爆炸特性的影響。

目前,國內(nèi)外對(duì)摻氫天然氣管道的研究主要集中在受限空間內(nèi),而涉及摻氫天然氣長(zhǎng)輸管道的研究較少。針對(duì)摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響研究,主要考查了各種單因素的影響,而未考慮多因素耦合關(guān)系。因此,本研究基于Fluent軟件建立泄漏擴(kuò)散模型,以摻氫比、泄漏孔徑、風(fēng)速和大氣溫度為變量進(jìn)行單因素以及多因素耦合分析,探究不同影響因素的影響程度、明確摻氫天然氣長(zhǎng)輸管道的泄漏擴(kuò)散規(guī)律,以期為摻氫天然氣管道的安全運(yùn)營和維護(hù)提供一定的參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1控制方程

摻氫天然氣管道的泄漏與擴(kuò)散遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分守恒定律[16],這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述稱為控制方程。

連續(xù)性方程見式(1)[17-18]:

(1)

式中:ρ為氣體的密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;xi為氣體位移沿i方向的分量,m;ui為流體速度分量,m/s。

動(dòng)量方程見式(2)[19]:

(2)

式中:u代表氣體速度,m/s;g為重力加速度,取值9.8 m/s2;θ為管道與水平面的夾角,rad;λ為沿程阻力系數(shù);D為管道內(nèi)徑,m;p為管道內(nèi)氣體壓力,Pa。

能量方程見式(3)[19]:

(3)

式中:H為單位質(zhì)量氣體放出的熱量,J/kg;h為氣體的焓,J/kg;e為氣體內(nèi)能,J/kg;z為管道位置高度,m。

組分方程見式(4)[20]:

(4)

式中:w為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),無量綱;Dt為湍流擴(kuò)散系數(shù),無量綱;xj為氣體位移沿j方向的分量,m。

1.1.2湍流運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散流動(dòng)特性,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[17]。

湍動(dòng)能k方程見式(5):

(5)

湍動(dòng)能耗散率方程見式(6):

(6)

1.2 物理模型與網(wǎng)格劃分

以西氣東輸二線工程某段管線為模擬對(duì)象,該段管線設(shè)計(jì)輸氣能力為300×108m3/a,設(shè)計(jì)壓力12 MPa,管徑(外徑)1 219 mm。當(dāng)摻氫天然氣管道的狀態(tài)為埋地時(shí),管線中心埋深一般為1.7～2.0 m。由于摻氫天然氣管道的運(yùn)行壓力非常高,當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí),摻氫天然氣以極大的速度沖破土壤,形成一個(gè)小孔,從而進(jìn)入大氣中,進(jìn)行射流擴(kuò)散,因此,土壤對(duì)摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響可以忽略不計(jì)[21]。為簡(jiǎn)化模型,忽略了土壤這一因素,在建模的時(shí)候?qū)⒐艿缼Э讉?cè)管壁及大氣空間組成一個(gè)封閉的矩形空間。建立100 m×60 m的二維平面泄漏擴(kuò)散模型,如圖1所示。

研究選用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分,并對(duì)泄漏口進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密。為了選取合適的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量,且考慮到仿真精度要求等因素,本研究進(jìn)行了網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證。觀察時(shí)間為50 s、泄漏口豎直方向上的甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖2),可以發(fā)現(xiàn)4種網(wǎng)格的模擬結(jié)果趨勢(shì)大致吻合。其中網(wǎng)格數(shù)量為6 839和7 502的模擬結(jié)果大致重合,但還是存在12.6%的誤差,該誤差在允許范圍內(nèi)。因此,選取網(wǎng)格數(shù)量為6 839可以滿足數(shù)值模擬的要求。

1.3 邊界條件

假設(shè)泄漏口在管道的上表面,泄漏方向垂直于管道,將泄漏口的入口條件設(shè)置為速度入口。泄漏口d/D≤0.2(泄漏口直徑/管道直徑≤0.2),泄漏速度按照式(7)進(jìn)行計(jì)算[22]。經(jīng)計(jì)算,摻氫比分別為10%、20%和30%時(shí)對(duì)應(yīng)的泄漏速度為275.77 m/s、290.00 m/s和306.78 m/s。由于風(fēng)會(huì)影響摻氫天然氣的泄漏擴(kuò)散過程,假設(shè)風(fēng)從左側(cè)水平勻速吹入,則將左側(cè)設(shè)置為速度入口邊界。由于摻氫天然氣泄漏在自由開闊的空間中,所以將上邊界和右側(cè)設(shè)置為壓力出口邊界,下邊界設(shè)置為無滑移壁面邊界?？紤]全浮力的影響,選擇開啟浮力計(jì)算模塊。

(7)

式中:u為泄漏速度,m/s;γ為比熱比,無量綱;p為管道壓力,Pa;ρ為摻氫天然氣密度,kg/m3;M為摻氫天然氣的摩爾質(zhì)量,g/mol;R為氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);T為管道溫度,K。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

假設(shè)摻氫天然氣的組分只有甲烷和氫氣,選取摻氫比、泄漏孔徑、風(fēng)速和大氣溫度作為研究對(duì)象。各因素的設(shè)定依據(jù)如下:

(1) 摻氫比:長(zhǎng)輸管道能接受的摻氫比隨著其鋼級(jí)變化,目前研究結(jié)論得出長(zhǎng)輸管道摻氫比上限約為50%[23],因此將摻氫比設(shè)置為10%、20%和30%。

(2) 泄漏孔徑:根據(jù)EGIG(European gas pipeline incident data group)在2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)可知[24],輸氣管道主要發(fā)生小孔泄漏和大孔泄漏,因此,將泄漏孔徑設(shè)置為0.02 m、0.10 m和0.20 m。

(3) 風(fēng)速及大氣溫度:以霍爾果斯、寧夏和廣州的年平均溫度及風(fēng)速(表1)為參考,最終將大氣溫度設(shè)為278 K、288 K和300 K,將風(fēng)速設(shè)為2 m/s、5 m/s和8 m/s。

表1 溫度及風(fēng)速選取依據(jù)地點(diǎn)年平均溫度/℃年平均風(fēng)速/(m·s-1)霍爾果斯6～171.7～2.7寧夏5～182.0～7.0廣州20～281.9～2.1

2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用控制變量的方法,分別研究了摻氫比、泄漏孔徑、風(fēng)速和大氣溫度對(duì)摻氫天然氣管道泄漏擴(kuò)散的影響。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

表2 單因素試驗(yàn)方案方案摻氫比/%泄漏孔徑/m風(fēng)速/(m·s-1)大氣溫度/KS1100.105300S2200.105300S3300.105300S4200.025300S5200.205300S6200.102300S7200.108300S8200.105278S9200.105288

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究摻氫比、泄漏孔徑、風(fēng)速和大氣溫度之間的主次關(guān)系,因此,設(shè)計(jì)了L9(34)的正交試驗(yàn),正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案方案摻氫比/%泄漏孔徑/m風(fēng)速/(m·s-1)大氣溫度/KO1100.022278O2100.108288O3100.205300O4200.028300O5200.105278O6200.202288O7300.025288O8300.102300O9300.208278

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 單因素試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1.1摻氫比對(duì)摻氫天然氣泄漏場(chǎng)的影響

圖3和圖4分別為甲烷、氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。

由圖3、圖4可知,在泄漏時(shí)間相同的情況下,隨著摻氫比的增加,甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在逐漸減小,且擴(kuò)散的寬度也在減小;而氫氣則相反,且氫氣的擴(kuò)散范圍隨摻氫比的增加而增大。圖5為不同摻氫比下的氣體擴(kuò)散高度變化。由圖5可知,3種摻氫比下的甲烷和氫氣的擴(kuò)散高度均隨著時(shí)間逐漸增加,在20 s時(shí),擴(kuò)散高度趨于一致。在相同的泄漏時(shí)間內(nèi),甲烷和氫氣的擴(kuò)散高度隨摻氫比的增加而增加,但甲烷的增加幅度比氫氣小很多。

3.1.2泄漏孔徑對(duì)摻氫天然氣泄漏場(chǎng)的影響

由于甲烷與氫氣兩種組分在不同泄漏孔徑下的擴(kuò)散質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖基本相同,因此以甲烷擴(kuò)散情況作為表征。根據(jù)圖6和 圖7可知,在泄漏時(shí)間相同的情況下,摻氫天然氣發(fā)生泄漏后擴(kuò)散的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、寬度、高度及范圍大小與泄漏孔徑的大小成正相關(guān)。這是因?yàn)樾孤┛讖皆龃髸r(shí),摻氫天然氣泄漏量增大,泄漏速度衰減變慢,擴(kuò)散的高度增加。其次,隨著泄漏時(shí)間的增加,甲烷和氫氣擴(kuò)散高度的增長(zhǎng)幅度在不斷減小。

3.1.3風(fēng)速對(duì)摻氫天然氣泄漏場(chǎng)的影響

由于甲烷與氫氣兩種組分在不同風(fēng)速下的擴(kuò)散質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖基本相同,因此以甲烷擴(kuò)散情況作為表征。由圖8可知,在泄漏時(shí)間相同的情況下,隨著風(fēng)速的增加,摻氫天然氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸向下風(fēng)向偏移,而且摻氫天然氣向水平方向的影響范圍增加,風(fēng)越大,水平方向偏移越大。其中,當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí),氣流從泄漏口高速噴射而出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布呈束狀,有一點(diǎn)傾斜。這是因?yàn)閾綒涮烊粴庑孤┑某跏妓俣容^大,風(fēng)速和射流速度的比值較小,因此在水平方向的作用較小,氣云發(fā)生傾斜的角度較小。從圖9可以看出,在泄漏時(shí)間相同的情況下,隨著風(fēng)速的增加,甲烷和氫氣的擴(kuò)散高度在逐漸減小。其次,隨著泄漏時(shí)間的增加,甲烷和氫氣的擴(kuò)散高度逐漸趨于穩(wěn)定。

3.1.4大氣溫度對(duì)摻氫天然氣泄漏場(chǎng)的影響

由于甲烷與氫氣兩種組分在不同大氣溫度下的擴(kuò)散質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖基本相同,因此以甲烷擴(kuò)散情況作為表征。通過分析圖10和圖11可知,大氣溫度對(duì)摻氫天然氣管道的泄漏擴(kuò)散影響并不顯著。

3.2 正交試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用正交試驗(yàn)進(jìn)行模擬,以摻氫天然氣在20 s時(shí)泄漏擴(kuò)散的最大擴(kuò)散范圍為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。泄漏氣體20 s后的擴(kuò)散區(qū)域如圖12所示。

將CFD-POST中的摻氫天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin進(jìn)行處理,可以計(jì)算出泄漏氣體20 s后擴(kuò)散區(qū)域的總面積,其結(jié)果如表4所列。其中,R為各因素的極差,極差值越大,表明該因素的影響越大。

表4 正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析方案因素?fù)綒浔?%泄漏孔徑/m風(fēng)速/(m·s-1)大氣溫度/K最大擴(kuò)散范圍/m2方案因素?fù)綒浔?%泄漏孔徑/m風(fēng)速/(m·s-1)大氣溫度/K最大擴(kuò)散范圍/m2O1100.022278216.43O2100.108288922.53O3100.2053003 179.32O4200.028300212.46O5200.1052781 424.19O6200.202288423.93O7300.025288285.28O8300.102300227.89O9300.2082781 664.50K14 318.28 714.17 868.25 3 305.12 K22 060.58 2 574.61 4 888.79 1 631.74 K32 177.67 5 267.75 2 799.49 3 619.67 K11 439.43 238.06 289.42 1 101.71 K2686.86 858.20 1 629.60 543.91 K3725.89 1 755.92 933.16 1 206.56 R752.57 1 517.86 1 340.18 662.64

從表4可以看出,不同因素對(duì)摻氫天然氣管道泄漏擴(kuò)散范圍的影響程度為:泄漏孔徑>風(fēng)速>摻氫比>大氣溫度。

4 結(jié)論與建議

(1) 在泄漏時(shí)間相同的情況下,隨著摻氫比的增加,摻氫天然氣泄漏后甲烷擴(kuò)散區(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和寬度在逐漸減小,而氫氣則相反。此外,甲烷、氫氣的擴(kuò)散高度和氫氣的擴(kuò)散范圍隨摻氫比的增加而增加;隨著泄漏孔徑的增大,摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散范圍逐漸增加;隨著風(fēng)速的增加,摻氫天然氣泄漏后擴(kuò)散區(qū)域的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加,并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸向下風(fēng)向偏移,擴(kuò)散高度在不斷減小;大氣溫度對(duì)摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響不顯著。

(2) 通過正交試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)不同因素對(duì)摻氫天然氣管道泄漏擴(kuò)散的影響程度為:泄漏孔徑>風(fēng)速>摻氫比>大氣溫度,可以為摻氫天然氣管道運(yùn)輸?shù)氖┕づc安全維護(hù)提供依據(jù)。

(3) 建議通過摻氫天然氣長(zhǎng)輸管道的泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性;同時(shí)開展摻氫天然氣管道在土壤中的泄漏擴(kuò)散過程的研究。