埋地輸氫管道泄漏爆炸事故后果模擬分析*

劉自亮，熊思江，花爭立,3，張銀廣，徐 平，顧超華,3

(1.浙江大學 化工機械研究所，浙江 杭州 310027; 2.國家電投集團氫能科技發展有限公司，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.浙江大學應用力學研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

氫能源具有來源多樣、潔凈環保的突出優點，是21世紀新能源結構中的重要組成部分。許多國家均把發展氫能源作為重要的能源戰略[1]。氫的輸送是氫能源利用的重要環節，按照氫在輸運時所處狀態的不同，可分為氣態輸氫、液態輸氫和固態輸氫，其中，高壓氣態輸氫是現階段最為成熟的氫能源輸運方式[2]。根據氫的輸送距離、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，擴散系數大，燃燒范圍寬，泄漏后很難被發現，若泄漏后立即被點燃，會產生噴射火焰，若泄漏后發生延遲點燃，則會產生氣云爆炸。國內外已有學者針對管道內高壓氫泄漏規律及事故后果做了相應研究：Wilkening等[4-5]對比研究了氫氣管道與天然氣管道在開放環境下的泄漏規律，結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，在近地面區產生的危險后果較天然氣小；趙博鑫等[6]研究了不同泄漏孔徑下的氫氣、天然氣擴散規律，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據對PHAST軟件中噴射火模型進行了驗證。現階段管道內氫泄漏事故后果研究主要集中在開放空間內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范圍廣，不可避免地要經過工業園區、居民村莊等區域，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定的輸氫壓力，故輸氫管道在工業園區、居民村莊、加壓站等半受限空間內泄漏后延遲點燃產生的爆炸超壓危害不容忽視，但相應的事故后果分析較少。

FLACS是基于計算流體力學技術的專業模擬氣體擴散、燃燒和爆炸的軟件，國內外許多學者利用該軟件開展了氫泄漏、擴散、爆炸等數值模擬研究，模擬結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埋地輸氫管道的三維模型，定量模擬研究管道內高壓氫泄漏爆炸事故后果，考察了泄漏孔徑、泄漏時長、輸氫壓力和環境風速對最大爆炸超壓和危險區域的影響規律，對國內輸氫管道工程建設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地聲速，但壓力高于環境壓力，形成欠膨脹射流。由于欠膨脹射流真實濃度場的復雜性，數值模擬研究通常采用“虛噴管”的方法進行簡化，即假設所有氣流均由1個等效于實際泄漏出口的虛擬管出口流出，出口壓力與環境壓力相等[11]。Brich等[12-13]假設氣體從管道內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，并結合理想氣體方程，得出氣體泄漏率的計算方法。考慮到管道內輸氫壓力較高，理想氣體方程不能完全適用，本文基于Brich泄漏模型，以Abel-Noble狀態方程[14]代替理想氣體方程，得出管道內高壓氫氣泄漏率的計算方法：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρ1為管道內氫氣密度,kg/m3；P1為管道輸氫壓力,MPa；b為Abel-Nobel余容系數，為7.69×10-3；RH2為氫氣氣體常數，為4124 J·(kg·K)-1；T1為管道內氫氣溫度，為293 K；γ為絕熱系數，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為泄漏口處當地聲速,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，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繞，高壓氫氣發生泄漏爆炸事故時，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成典型的半受限空間。依據工程建設經驗，選取管道直徑為1 m，埋地深度為1 m，泄漏點位于應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，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

當管道內輸氫壓力大于氫氣臨界壓力0.189 MPa時，管道內氫泄漏則屬于欠膨脹射流，氫氣泄漏速度達到當地聲速，常溫下約為1 300 m/s。鑒于管道內氫氣壓力較高，一般高于2 MPa，故可忽略埋地管道內氫氣泄漏過程中土層的影響，認為氫氣泄漏動量可以沖破上層土體到達地面。泄漏模擬過程中設置氫燃料監測區域為75 m×55 m×40 m。

1.3 有限元模型

總體計算區域大小為230 m×170 m×40 m，為保證計算精度的同時節省計算時間，在氫泄漏發生的主要區域采用立方體網格，外部區域進行網格延伸處理。經網格無關性分析，設置擴散模型立方體網格尺寸為1 m，爆炸模型立方體網格尺寸為0.5 m，并在可燃氫存在區域進行網格細化處理。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準[16]，即可認為管道內氫氣壓力保持不變，高壓氫氣以恒定泄漏率進行泄漏；氫氣無色無味，泄漏后很難被發掘，依據管道在線監測和泄漏檢測裝置的反應時間，取泄漏時長分別為10，20 s進行研究；風向設置為由X正方向吹往X負方向，風速分別為0(無風條件)，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、輸氫壓力和環境風速對爆炸事故后果的影響。關于氫爆炸過程中產生的超壓傷害限值，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的區域稱為危險區域，超過50 kPa的區域稱為重傷區域。

表2 超壓傷害限值

3.1 泄漏孔徑及時長

不同泄漏孔徑、時長下燃料監測區域內的可燃氫含量隨泄漏時間的變化如圖3所示。為保證氫泄漏時風速達到穩定狀態，設置10 s后氫氣開始泄漏。在泄漏發生約2 s后，大氣環境中可燃氫質量M、可燃氫體積V達到動態平衡，之后隨著泄漏時間的增大，M,V幾乎保持不變，當停止泄漏后，M,V在2 s內全部消失；M,V隨著泄漏孔直徑的增大顯著增大，當泄漏孔直徑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產生的危險區域。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域，這是由于氫氣擴散速度快，在泄漏發生后不久，監測區域內氫擴散率與泄漏率便近似相等，可燃氫含量達到動態平衡，故當泄漏率一定時，泄漏時長的改變不會影響爆炸事故后果。

當泄漏孔直徑d2=0.02 m時，平面內不存在危險區域。當d2為0.04，0.06 m時，XY平面(Z=3.5 m)內的危險區域如圖4所示，其中的長方形區域為建筑物。危險區域隨泄漏孔徑的增大顯著增大，當d2=0.04 m時，危險區域分布在泄漏點附近，形狀近似于圓形，半徑約3.0 m；當d2=0.06 m時，危險區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)內的危險區域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測區域內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致泄漏率的增大。當輸氫壓力較小時，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小；當輸氫壓力較大(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)的危險區域分布如圖6所示。當輸氫壓力P=2.5 MPa時，最大爆炸超壓為6.91 kPa，不存在危險區域；P=4 MPa時，最大爆炸超壓為10.08 kPa，危險區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，產生較高的爆炸超壓，故在建筑物附近形成了狹長的危險區域帶；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，使得危險區域顯著增大。各個輸氫壓力下平面內均不存在重傷區域，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)內的危險區域Fig.6 Hazardous areas in XY plate (Z=3.5 m) under different hydrogen transport pressures

3.3 環境風速

不同環境風速條件下，燃料監測區域內的可燃氫含量隨泄漏時間的變化如圖7所示。當風速較小時(W<5 m/s)，M,V隨著風速的增大變化幅度較小；當風速繼續增大時，M,V開始逐漸減小，其中W=15 m/s時的M,V較無風條件下降低60%左右。

對不同風速條件下XY平面(Z=3.5 m)進行危險區域分析如圖8所示。危險區域形狀均近似于圓形，隨著風速的增大，最大爆炸超壓和危險區域半徑都呈現出先增大后減小的趨勢。當風速較小時，風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，但隨著風速的繼續增大，風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。當風速W<8 m/s時，風速的改變對危險區域半徑的影響較小，危險區域半徑均為1.5 m左右；當風速W>8 m/s時，危險區域半徑隨著風速的增大顯著降低，當W=15 m/s時，危險區域接近于消失。

圖7 不同環境風速下可燃氫含量Fig.7 Contents of flammable hydrogen under different ambient wind speeds

圖8 不同環境風速下XY平面內(Z=3.5m)的危險區域 Fig.8 Hazardous areas in XY plate (Z=3.5 m) under different ambient wind speeds

4 結論

1)當埋地管道內高壓氫發生泄漏時，大氣中可燃氫含量迅速(時間約2 s)達到動態平衡，人們難以及時做出反應，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格的一致性；泄漏量隨泄漏孔徑的增大呈指數增加，造成危險區域顯著增大，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，危險區域受建筑物的影響更為明顯，造成危險區域顯著增大，同時在建筑物附近形成狹長的危險區域帶；隨著輸氫管道朝著高壓化方向不斷發展，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域隨風速的增大均呈現出先增大后減小趨勢，當風速較小時，風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域增大；隨著風速的繼續增大，風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域也相應減小。