受限空間摻氫天然氣燃爆特性的實(shí)驗(yàn)研究

韓 輝， 李玉星， 朱建魯， 劉翠偉， 王武昌， 胡其會(huì)

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院；山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

0 引 言

氫氣是公認(rèn)清潔、零碳的二次能源，是廣泛使用的化學(xué)品和燃料，近來隨著人們對(duì)氣候、環(huán)境和能源問題的關(guān)注，氫能作為未來能源載體的地位日益凸顯［1］。由于氫分子量小，壓縮困難，輸送成本高，阻礙了氫能規(guī)模化利用［2］。通過將氫氣注入現(xiàn)有天然氣管道，將實(shí)現(xiàn)快速、經(jīng)濟(jì)、高效地規(guī)模化輸氫［3］。摻氫輸送在技術(shù)上可行，但氫氣活躍的物理化學(xué)性質(zhì)，儲(chǔ)存、輸送過程極易泄漏形成可燃物，增加了管道附近的燃爆風(fēng)險(xiǎn)。在氫氣的利用中，已經(jīng)發(fā)生了多起惡劣事故，相比開放空間的氫氣泄漏，受限空間內(nèi)氫氣的安全問題尤為突出［4］。

受限空間摻氫天然氣安全問題的核心是氣體燃爆問題，學(xué)者們?cè)谘芯抗饣瑘A管中氫氣火焰?zhèn)鞑ミ^程中觀察到向前傳播的火焰鋒面出現(xiàn)向后傳播現(xiàn)象，即郁金香火焰，并將火焰?zhèn)鞑シ譃榱? 個(gè)階段［5］。當(dāng)管道內(nèi)存在障礙物時(shí)，火焰與障礙物的相互作用會(huì)扭曲火焰，增加反應(yīng)的燃燒速率，并可能過渡到爆轟狀態(tài)［6］。Xiao等［7］研究了影響氫爆炸動(dòng)態(tài)火焰行為的物理機(jī)制，分析了不同因素對(duì)封閉管道火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽綒涮烊粴馊急匦酝ǔＪ軗綒浔取⒖扇細(xì)怏w與空氣的當(dāng)量比以及管道結(jié)構(gòu)等影響。Wang 等［8］在與泄壓管道連接的圓柱形容器中，進(jìn)行了氫氣-甲烷-空氣混合物爆炸實(shí)驗(yàn)，研究了燃燒當(dāng)量比和氫含量對(duì)燃爆超壓的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄壓管道二次爆炸產(chǎn)生高于泄壓室中的超壓。Yu等［9］研究了測(cè)試段尺度效應(yīng)和當(dāng)量比對(duì)氫氣/甲烷預(yù)混火焰爆燃特性的影響，發(fā)現(xiàn)最大超壓隨著橫截面積的減小而減小，隨管道長(zhǎng)度的增加而增大，火焰前緣速度和超壓隨氫含量的增加而顯著增加。Zheng等［10］研究了氫氣添加對(duì)阻塞室中甲烷-空氣爆燃的影響，氫氣的添加增加了火焰前沿速度和到達(dá)通風(fēng)出口的速度。Wu等［11］在窄通道中研究了含不同體積分?jǐn)?shù)氫氣的預(yù)混氣體爆炸特性，分析了點(diǎn)火位置對(duì)火焰形態(tài)和超壓特性的影響。文獻(xiàn)［12-13］中進(jìn)行了多孔泡沫銅在大長(zhǎng)徑比管道中抑制氫氣/空氣混合物火焰和爆炸的研究，隨著泡沫銅孔徑的減小，沖擊波和火焰速度減小。此外，一些學(xué)者也開展了大尺度的摻氫天然氣爆炸實(shí)驗(yàn)，Lowesmith 等［14］研究了氫氣添加對(duì)受限空間爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)向甲烷-空氣混合物中添加20%體積的氫氣不會(huì)導(dǎo)致火焰速度和超壓的顯著增加。類似地，Shirvill等［15］的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)向甲烷中添加不超過25%的氫氣不會(huì)顯著增加爆炸超壓風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，受限空間內(nèi)的摻氫天然氣燃爆特性是氫氣利用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，相關(guān)研究集中在通風(fēng)容器或管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ズ统瑝禾匦裕延械难芯孔C實(shí)了管道結(jié)構(gòu)對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ酗@著影響，但目前對(duì)大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯坎蛔悖芏嘌芯績(jī)H關(guān)注了火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段。為此，本文開展了大長(zhǎng)徑比管道內(nèi)摻氫天然氣燃爆特性的實(shí)驗(yàn)研究，以達(dá)到定量評(píng)價(jià)摻氫天然氣爆燃事故后果的目的，研究將為管道或管廊等的安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 所示為受限空間摻氫天然氣燃爆特性實(shí)驗(yàn)裝置，主要由不銹鋼管道系統(tǒng)、可燃?xì)怏w混合物配氣系統(tǒng)、電火花點(diǎn)火系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。圖中爆炸管道為正方形直管，內(nèi)部尺寸均為50 mm ×50 mm，壁厚為10 mm，單段長(zhǎng)度為500 mm。整個(gè)測(cè)試管道依據(jù)組合式思路設(shè)計(jì)，包括1 段驅(qū)動(dòng)段、2 段可視段和1段測(cè)試段，各段均為水平放置，各段之間用厚度24 mm，外形210 mm×210 mm 的法蘭連接，管道總長(zhǎng)度2 192 mm，長(zhǎng)徑比為43.8。

圖1 受限空間摻氫天然氣燃爆特性實(shí)驗(yàn)裝置（mm）

驅(qū)動(dòng)段各壁面均采用不銹鋼板制成，左端采用金屬端蓋封閉，上裝點(diǎn)火針。進(jìn)氣口位于驅(qū)動(dòng)段管道上方，進(jìn)氣管道連接配氣系統(tǒng)和真空泵，通過二者配合，實(shí)現(xiàn)測(cè)試管內(nèi)氣體吹掃、置換、抽真空以及預(yù)混氣體的調(diào)配。驅(qū)動(dòng)段管道右端與可視段相連，可視段上下壁面為不銹鋼，前后壁面加工出450 mm×50 mm的有機(jī)玻璃觀測(cè)窗，可以利用高速攝像機(jī)來記錄、觀察管道內(nèi)的燃爆火焰演變情況。測(cè)試段同樣由不銹鋼板制成，右側(cè)端面為安全泄放裝置，泄放口用厚度0.3 mm 的聚四氟乙烯薄膜密封，當(dāng)管內(nèi)爆炸超過一定壓力時(shí)薄膜破裂，氣體通過泄放管道被引到安全環(huán)境中釋放，達(dá)到保證實(shí)驗(yàn)安全的目的。

2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)中采用壓力和火焰?zhèn)鞲衅饔涗洺瑝汉突鹧驿h面位置。二者均布置在驅(qū)動(dòng)段、第二段可視段和測(cè)試段上，采用上、下對(duì)置方式布置，均位于距管段右端法蘭面66 mm處。壓力傳感器為量程采用0.5 ～60 MPa的高頻壓力傳感器，火焰?zhèn)鞲衅鞑捎庙憫?yīng)光譜范圍為450 ～980 nm 的光電傳感器。采用約克（Phantom）VEO 1310 高速攝像機(jī)連續(xù)記錄可視窗中火焰發(fā)展過程，圖像采集頻率為2 000 ～30 000 f/s。點(diǎn)火器采用西安科匯熱工技術(shù)設(shè)計(jì)研究院生產(chǎn)的可調(diào)式點(diǎn)火器，點(diǎn)火電極設(shè)置于驅(qū)動(dòng)段左端壁面處，點(diǎn)火位置處于管道的中心線上，距離左端面60 mm。實(shí)驗(yàn)過程中，高壓點(diǎn)火器、高速攝像機(jī)以及數(shù)據(jù)采集儀均由同步控制器同步控制，通過計(jì)算機(jī)程控點(diǎn)火，PLC系統(tǒng)控制點(diǎn)火時(shí)間，調(diào)節(jié)點(diǎn)火能量，調(diào)節(jié)精度20 ms。實(shí)驗(yàn)中需調(diào)節(jié)各種參數(shù)比進(jìn)行測(cè)試。

（1）摻氫比。氫氣/甲烷混合燃料（摻氫天然氣）中氫氣的體積分?jǐn)?shù)比表示為

式中：VH2表示氫氣的體積；VCH4表示甲烷的體積。

（2）當(dāng)量比。完全燃燒所需要的空氣量與實(shí)際供給空氣量之比表示為當(dāng)量比

式中：mfuel和mair分別表示燃料氣體和空氣的質(zhì)量；MO2、MCH4、MN2、MH2分別表示氧氣分子、甲烷分子、氮?dú)夥肿印錃夥肿拥哪栙|(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中采取的初始?jí)毫蜏囟确謩e為0.1 MPa 和285 K，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

為了保證實(shí)驗(yàn)效果和安全，實(shí)驗(yàn)開始前，先打開安全泄放裝置，在測(cè)試管道內(nèi)通入氮?dú)猓祾? min，之后通入空氣吹掃管道5 min；吹掃完成后，關(guān)閉泄放裝置，打開真空泵，根據(jù)當(dāng)量比，將多余的空氣從管道中排出，之后關(guān)閉真空泵；根據(jù)摻氫比，將一定量的甲烷和氫氣通入測(cè)試管道，完成氣體摻混；管內(nèi)混合氣體靜置15 min后，通過遠(yuǎn)離測(cè)試管道的計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)火，并同步記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 φ對(duì)預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)的影響

火焰結(jié)構(gòu)是研究預(yù)混火焰爆炸傳播特性不可或缺的一部分。圖2 所示為實(shí)驗(yàn)中通過高速攝像機(jī)在可視觀察窗拍攝到的當(dāng)量比為1 時(shí)，不同摻氫比φ工況下典型時(shí)刻t的預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程。由圖可見，火焰前鋒在進(jìn)入可視窗后，大多以“指型”火焰向前傳播；隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，管內(nèi)壓力升高，火焰前鋒出現(xiàn)明顯的多凸出結(jié)構(gòu)；之后火焰鋒面反應(yīng)面積和湍流度增大，燃燒反應(yīng)加劇，火焰以湍流、向前拉伸狀態(tài)穿過可視段。隨著φ 的增大，管內(nèi)的火焰亮度增加，同時(shí)火焰?zhèn)鞑ブ凉艿滥┒说臅r(shí)間縮短，說明氫氣摻入提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣取．?dāng)φ ＞20%后，火焰鋒面出現(xiàn)一定程度偏折和褶皺，火焰前沿反轉(zhuǎn)形成郁金香火焰；此時(shí)火焰鋒面在管道內(nèi)傳播速度呈現(xiàn)：鋒面拉伸（火焰加速）—鋒面壓縮（火焰減速）—鋒面再拉伸（火焰再次加速）的規(guī)律。

圖2 ε=1.0時(shí)不同φ條件下的火焰結(jié)構(gòu)

3.2 φ對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

圖3 所示為ε=1.0 工況下，φ 對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣葀的影響。由圖可知，在不同φ 條件下，沿著火焰?zhèn)鞑シ较颍瑅都呈現(xiàn)先升高，后降低，而后再升高，再降低的規(guī)律；隨著φ的增加，v 也相應(yīng)增加，且v 增加的幅度在φ 高于20%時(shí)顯著增大。φ = 0 時(shí)，v 平均值為50.03 m/s，φ分別為20%、30%、50%時(shí)，v的平均值分別為83.97、96.25、132.98 m/s，v 相應(yīng)增加了67.83%、92.38%、165.81%。需要注意的是，隨著φ的增加，v的震蕩幅度也明顯增加。這是因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程可燃?xì)怏w膨脹加速，與此同時(shí)管內(nèi)的未燃燒氣體壓力升高，火焰?zhèn)鞑プ枇σ苍龃螅吖餐饔脤?dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)震蕩升高的現(xiàn)象。

圖3 ε=1.0時(shí)，不同φ下火焰v隨傳播距離的變化

3.3 φ對(duì)預(yù)混氣體燃爆超壓的影響

圖4 所示為ε =1.0 工況下，φ對(duì)爆炸超壓Δp 的影響。由圖可知：隨著φ的增大，第1 超壓峰值增大，表明摻氫加強(qiáng)了預(yù)混氣的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸過程壓力升高速度加快，破膜壓力升高；第2 超壓峰值整體上隨φ的增大而增大，但在φ=30%時(shí)，第2 超壓峰值減小，這種現(xiàn)象與泄放口薄膜破膜的破損程度有關(guān)，由于此時(shí)氫氣含量較高，發(fā)生破膜的壓力較大，膜片破裂更接近“完全破裂”狀態(tài)，泄放口薄膜阻礙作用減小，破膜后大量的高壓混合氣沖出管道，管內(nèi)用于燃燒反應(yīng)的總氣體量減少，使得第2 個(gè)超壓峰值略有降低；第3超壓峰值是由沖出管外的未燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生的，其值隨著φ 的增大而增大，且明顯超過其他兩個(gè)超壓峰值。

圖4 ε=1.0時(shí)，不同φ下管內(nèi)Δp隨t的變化

3.4 φ對(duì)預(yù)混氣體燃爆最大超壓的影響

圖5 所示為不同ε（ε =0.8、1.0 和1.2）下，摻氫天然氣最大爆炸超壓Δpmax隨φ 的變化曲線。由圖可知：①ε=1.0 時(shí)，隨著φ增大，Δpmax呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；當(dāng)φ值較小時(shí)（小于20%），φ 對(duì)Δpmax的影響較小；φ=0 時(shí)，Δpmax=450 kPa，當(dāng)φ =10%時(shí)，Δpmax= 465 kPa，φ 增加10%，Δpmax僅增大3.3%；當(dāng)φ 增大到20%，相比甲烷，混合氣體Δpmax增大11.1%；當(dāng)φ 增大到30%，Δpmax= 668.6 kPa，與甲烷相比增大48.6%；當(dāng)φ 增大到50%時(shí)，Δpmax=925.3 kPa，與甲烷相比增大76.7%。可見，當(dāng)φ高于20%時(shí)，Δpmax隨φ的增加而明顯增大。②ε=0.8 和1.2 時(shí)，Δpmax同樣隨φ的增大而增大，但變化趨勢(shì)較平緩，沒有出現(xiàn)Δpmax的急劇變化；ε =0.8 的Δpmax曲線要低于ε =1.2的Δpmax曲線；ε =0.8 和1.2 時(shí)的最大Δpmax低于ε =1.0 時(shí)的最低Δpmax，當(dāng)φ=50%時(shí)，相較ε=0.8 情況，ε=1.0 時(shí)的Δpmax增大了131%，可見ε對(duì)最大超壓影響顯著。

圖5 不同ε下管內(nèi)Δpmax隨φ的變化

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種大長(zhǎng)徑比可視化摻氫天然氣燃燒特性實(shí)驗(yàn)裝置，并開展了φ=0 ～50%、ε=0.8 ～1.2 的摻氫天然氣燃爆實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）φ增大，火焰燃燒亮度和傳播速度增大，當(dāng)φ＞20%，管道內(nèi)呈現(xiàn)劇烈的大尺度湍流火焰特征。隨著火焰在管道內(nèi)傳播過程，氣體傳播速度升高，火焰反應(yīng)面積和湍流度增大，燃燒反應(yīng)加劇。

（2）不同φ條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣榷际乾F(xiàn)先增大，后減小，之后繼續(xù)增大，然后再次降低這種震蕩升高的特點(diǎn)；相比不摻氫，摻入20%、30%、50%氫氣后，火焰v增加67.83%、92.38%、165.81%。

（3）對(duì)于不同ε的混合氣體，Δp 最大值出現(xiàn)在ε=1.0 時(shí)；φ ＞20%時(shí)，管道內(nèi)超壓顯著增大，摻入30%氫氣時(shí)，Δpmax增大48.6%，摻入50%氫氣時(shí)，Δpmax增大76.7%。

本文的研究結(jié)果可用于摻氫天然氣管廊、管道等結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為摻氫天然氣相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和應(yīng)急搶險(xiǎn)方案的實(shí)施提供參考。