高壓管道氫氣泄漏擴散行為及影響因素分析*

張文康, 趙廣慧, 張 杰，2

(1.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；2.石油天然氣裝備技術四川省科技資源共享服務平臺，四川 成都 610500)

與石油和天然氣等常規能源相比，氫能具有綠色環保和清潔高效等優點，已逐漸成為全球能源綠色轉型的重要方向。輸氫管道易發生氫脆失效，造成氫氣泄漏擴散事故。高壓管道中氫氣泄漏速率約為天然氣的2.83倍[1]。由于空氣密度約為氫氣密度的14倍，氫氣泄漏后會在空氣中迅速上浮并向周圍擴散，在受限空間中，泄漏的氫氣易在局部積聚形成危險的可燃性混合物，當空氣中氫氣體積占比為4.0%～75.6%時，遇火易爆炸。因而，研究氫氣泄漏擴散規律，對其風險評價至關重要。

目前，關于氫氣泄漏方面的研究相對較少，如王春琪等[2]對氫氣云團的擴散行為進行了數值模擬；王雅文等[3]研究了不同泄漏時間下氫氣云團的擴散規律，分析了可燃范圍內的最大擴散距離；沈曉波等[4]預測了不同場景下的氫氣泄漏演化過程；Kobayashi等[5]研究了低溫壓縮氫氣的泄漏特性，認為低溫對氫氣泄漏量影響較大；Statharas等[6]研究發現，建筑物間的氫氣擴散受自然風及建筑物附近的風回流影響，并且地面與氫氣的熱交換會顯著影響氫氣云團擴散。氫氣泄漏過程復雜多變，影響因素較多，氣流速率、空氣溫度和濕度對氫氣泄漏均有影響。因此，該文研究了管輸氫氣的泄漏過程，探究了影響氣體擴散的關鍵因素及影響機制，為輸氫管道泄漏風險評價及事故應急處置提供了參考依據。

1 管輸氫氣泄漏擴散模型

1.1 基本假設

輸氫管道失效后，氫氣在泄漏點擴散并與外部空氣混合，對管輸氫氣泄漏擴散模型做如下假設：

(1)氫氣與空氣均為理想氣體，不與其他物質發生化學反應，均滿足理想氣體狀態方程。

(2)管道泄漏點為圓形孔，氫氣為連續性泄漏狀態，暫不考慮管道內氣體流動情況。

(3)在氫氣連續性泄漏情況下，泄漏點的氫氣質量流量與速度大小恒定。

(4)在氫氣擴散到大氣環境過程中，暫不考慮溫度變化。

1.2 氣體流動控制方程

氫氣在泄漏擴散過程中遵循流體運動的質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，由此推導出對應的連續性方程、動量方程、能量方程、氣體狀態方程和組分運輸方程[7]。

連續性方程：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為x,y方向上的速度，m/s。

動量方程：

(2)

式中：f為單位質量力矢量，m/s2；u為速度，m/s；μ為動力黏度，Pa·s；p為流體微元上的壓力，Pa。

能量方程：

(3)

式中：E為流體微團總能，J；keff為有效傳導系數，cm2/kg；cP為定壓比熱容；μt為湍流黏度；Prt為湍流普朗特數；T為溫度，K；(Tij)eff為有效偏應力張量。

氣體狀態方程：

PV=ZRT

(4)

式中：P為絕對壓力，Pa；V為氣體體積，m3；R為理想氣體常數，J/(kmol·K)；T為熱力學溫度，K；Z為氣體壓縮因子。

組分運輸方程：

(5)

式中：Yi為第i種物質的質量分數，無量綱；ν為速度矢量，m/s；Ji為湍流中第i種物質的擴散速率，m/s。

1.3 管輸氫氣泄漏擴散模型

建立管輸氫氣泄漏擴散模型，模型如圖1所示，其空間區域范圍為30 m×30 m，泄漏點右側為樓房障礙物，管道直徑610 mm，設計壓力為 2.5～6.0 MPa，泄漏點為圓形孔，孔徑分別為20 mm，40 mm，60 mm和80 mm。

圖1 管輸氫氣泄漏擴散模型

1.4 氫氣泄漏速率

氫氣泄漏為臨界流氣體泄漏，其泄漏速率計算公式為：

(6)

式中：Q為氣體泄漏速率，kg/s；p為管內介質壓力，Pa；k為氣體絕熱系數，對于氫氣k=1.41；M為氣體摩爾質量，g/mol；Z為壓縮因子，取值為1；R為理想氣體常數，R=8.314 J/(kmol·K)；T為氣體溫度，K；Cd為流量參數，圓形泄漏孔取1.0；A為泄漏孔面積，m2。

當管道壓力為4 MPa和6 MPa時，計算不同泄漏點孔徑下對應的氫氣泄漏速率，其結果見圖2。由圖2可知，隨著泄漏點孔徑的增加，氫氣泄漏速率逐漸增大；管道壓力越高，氫氣泄漏速率增大的幅度越大[8]。

圖2 不同孔徑下氫氣泄漏速率

2 氫氣泄漏擴散規律

2.1 泄漏點孔徑對氫氣泄漏擴散的影響

管道壓力為4 MPa，泄漏點距離樓房障礙物 2 m，當氫氣泄漏擴散10 s后的氫氣擴散云圖見圖3。擴散時氣流具有不同的初始動能，泄漏點孔徑越大，豎直方向擴散趨勢越明顯。當氫氣擴散至障礙物時，一部分氫氣由于壁面的阻礙作用形成渦流區，存在明顯積聚現象；另一部分氫氣沿著墻體豎直上升，形成尖端射流區，泄漏點孔徑越大，射流區域氫氣擴散濃度峰值越高。障礙物壁面的阻礙作用導致氫氣在豎直方向上的擴散速度明顯比水平方向快，泄漏點孔徑越大，底部積聚區的氫氣濃度越大，在豎直方向上氫氣擴散濃度峰值越高，擴散范圍越廣，遇到明火發生爆炸時，危險區域倍增。

圖3 不同泄漏點孔徑氫氣擴散云圖

在不同孔徑下，泄漏點至正上方5 m距離的氫氣濃度分布狀況見圖4。由圖4可知：在障礙物高度相同情況下，泄漏點孔徑越大，氫氣濃度越高。

圖4 不同泄漏點孔徑氫氣濃度分布

2.2 管輸壓力對氫氣泄漏擴散的影響

管輸壓力為4 MPa和6 MPa，當氫氣泄漏擴散10 s后的氫氣擴散云圖見圖5。對比發現，管輸壓力越高，氫氣擴散濃度越高，氫氣在空氣中分布越密集；相同泄漏時間內，管輸壓力升高，使氣流泄漏初始動能加大，氫氣擴散速度加快。

圖5 不同管輸壓力氫氣擴散云圖

在不同管輸壓力下，泄漏點至正上方5 m距離的氫氣濃度分布狀況見圖6。從圖6來看，管輸壓力不同導致相同范圍內氫氣濃度存在差異，壓力越高，氫氣擴散濃度越高。

圖6 不同壓力下氫氣擴散濃度

2.3 風速對氫氣泄漏擴散的影響

圖7為不同風速下氫氣泄漏擴散10 s后的氫氣擴散云圖。由于氫氣密度比空氣密度小，風的升力作用影響了氫氣擴散。當風速為1 m/s時，水平方向的氫氣擴散速度較快；當風速由 3 m/s 增大至5 m/s時，在風力影響下，水平方向的氫氣擴散受到阻礙，其擴散速度小于豎直方向；泄漏事故發生時，風速大小影響氫氣擴散方向。

圖7 不同風速下氫氣擴散云圖

圖8為氫氣在不同風速下的濃度分布。從圖8來看，水平方向的風速越小，對氫氣橫向擴散影響越大，風的升力作用促進了氫氣橫向擴散。

圖8 不同風速下氫氣擴散濃度分布

2.4 障礙物間距對氫氣泄漏擴散的影響

圖9為不同障礙物間距下氫氣泄漏擴散10 s后的氫氣擴散云圖。由圖9可知，噴射出的氣流沿障礙物表面向上擴散，部分氫氣受到墻壁阻擋，開始反向擴散，積聚并產生渦流區；泄漏點與障礙物距離越大，渦流區面積越大，氫氣濃度越低；當間距為2 m時，氫氣受墻壁阻擋形成渦流；當間距為3 m時渦流區域面積明顯增大；當間距為 5 m 時，由于擴散作用造成能量損失及空間變化，渦流現象減弱，積聚區面積增大，導致氫氣擴散范圍隨之增大。因此，在管道建設規劃時，必須確保管道與附近建筑物保持合理的安全距離，保證積聚區濃度低于爆炸極限。

圖9 不同障礙物間距下氫氣擴散云圖

圖10為氫氣在泄漏點至障礙物墻壁水平方向濃度分布。從圖10來看，隨著間距增加，積聚區域濃度減小，危險區域面積增大。

圖10 不同間距下氫氣擴散濃度分布

2.5 障礙物高度對氫氣泄漏擴散的影響

當障礙物距離泄漏點2 m時，不同高度障礙物附近氫氣擴散云圖見圖11。當泄漏點附近存在障礙物時，一部分氫氣由于阻擋作用而反向擴散，而另一部分氫氣則沿障礙物向高空擴散。氫氣泄漏發生后，氫氣沿障礙物豎直上升，形成尖端射流區，其初始動能逐步衰減。障礙物兩側存在濃度差，近泄漏點側濃度較高，易發生危險事故。管道泄漏疏散時應遠離建筑物兩側，避免發生爆炸事故。建筑物阻擋泄漏的氫氣正常擴散，在浮力和風力推動下，氫氣的運動方向發生改變。障礙物高度決定了氫氣擴散高度峰值，在豎直方向，氫氣擴散高度峰值與建筑物高度成正比關系。

圖11 不同障礙物高度下的氫氣擴散云圖

圖12為不同高度障礙物附近氫氣擴散高度峰值。從圖12來看，障礙物越高，氫氣擴散高度峰值越大。

圖12 不同高度下氫氣擴散高度峰值

2.6 雙側障礙物對氫氣泄漏擴散的影響

當泄漏點兩側均存在障礙物，間距均為5 m時，其氫氣擴散云圖見圖13。雙側障礙物高度直接影響泄漏氣體的擴散速度和面積；當障礙物高度為10 m時，中間渦流區域氫氣濃度較大；當障礙物高度為15 m時，渦流區域面積進一步增大，此時危險程度較之前明顯增大；當障礙物高度為20 m時，泄漏氣體將中間區域全部填滿，污染程度極其嚴重，極易發生窒息和爆炸等事故。

圖13 不同高度下氫氣擴散云圖

圖14為雙側障礙物中泄漏點至正上方10 m處氫氣濃度分布，障礙物阻礙了氣體水平方向的擴散，加重了泄漏氣體危害程度，隨著障礙物高度的增加，氣體只能在有限空間內向上擴散，導致有限空間內氫氣濃度增加，人在這種情況下非常容易發生窒息，并且一旦發生爆炸其危害程度將成倍增加。

圖14 雙側不同高度障礙物氫氣濃度分布

當泄漏點兩側均存在障礙物，且在障礙物高度不同以及風速不同的情況下，其氫氣擴散云圖與氫氣濃度分布分別見圖15和圖16。從圖15可以看出，當障礙物高度為10 m時，低空區水平方向擴散速度小于豎直方向；由于障礙物的遮擋作用，風速對左側區域影響較小；風的升力作用和水平方向的推力作用改變氫氣擴散趨勢，左側障礙物相對于右側障礙物較為安全。當障礙物高度為15 m時，低風速對氫氣初始射流段影響較小，初始噴射速度衰減時，風的水平推力作用開始影響氣體擴散趨勢，加快氫氣擴散，使周圍氫氣濃度降低，風速越大，現象越顯著。當障礙物高度為20 m時，風力較小時，風的升力作用有限，尖端射流區接觸到左側墻面，部分氣流水平向左擴散，其他氣流豎直向下擴散，從而發生倒灌現象，使得障礙物中間區域氫氣濃度增大；風力較大時，射流區偏離程度有所緩和，此時擴散方向主要為豎直方向。為了減小倒灌事故的危害程度，必須將這種特殊工況納入考慮范圍。

圖15 不同高度與風速下氫氣擴散云圖

圖16 不同高度與風速下氫氣濃度分布

從圖16來看，當障礙物高度為10 m時，受障礙物高度所限，豎直方向擴散速度大于水平方向；當障礙物高度為15 m時，隨著風速的減小，氫氣濃度直線下降，風力作用影響氫氣擴散趨勢；當障礙物高度為20 m時，氫氣在小范圍內的擴散達到平衡，濃度值較高。高風速下空氣稀釋了氫氣濃度，加快氫氣泄漏。在障礙物較高的情況下，氫氣持續泄漏，無法及時擴散排出。

3 結 論

(1)輸氫管道泄漏點孔徑越大，氫氣泄漏量越多，其擴散濃度峰值越高，在豎直方向擴散范圍越廣。

(2)氫氣管輸壓力越高，氣流泄漏初始動能越大，導致其擴散濃度越高，且在豎直方向快速擴散。

(3)風速作為氫氣泄漏過程中不穩定的外部條件，會改變氫氣擴散方向。

(4)氫氣泄漏初始動能較大時，在泄漏點與障礙物壁面之間產生渦流積聚區。

(5)增大泄漏點與障礙物之間的水平間距后，渦流區面積增大，氫氣濃度降低。

(6)障礙物的高度決定了豎直方向氫氣擴散高度峰值，受阻礙時部分氫氣沿障礙物豎直方向朝頂端擴散。

(7)在雙側障礙物工況下，氫氣水平擴散受到阻礙，導致狹窄空間中氫氣濃度明顯增大，且隨著障礙物高度增加，高空區濃度逐漸下降，低空區濃度相對上升，隨著風速增大，氫氣擴散速度明顯加快。