混氫天然氣輸氣站場泄漏擴散數(shù)值模擬

俞進，張皓，賈文龍 ，謝萍，李長俊

1.中國海洋石油集團有限公司，北京東城100010

2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500

3.成都華潤燃氣設(shè)計有限公司，四川成都610000

4.國家管網(wǎng)集團西部管道公司，新疆烏魯木齊830001

引言

氫能作為二次能源發(fā)展的重要方向，有助于解決能源危機和環(huán)境惡化問題[1]。全球主要國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一些發(fā)達國家將其上升到了國家能源戰(zhàn)略高度。隨著氫能的發(fā)展，氫能的儲運是目前亟需結(jié)解決的關(guān)鍵一環(huán)。而未來能源的發(fā)展中，能源互聯(lián)網(wǎng)是能源儲運的發(fā)展趨勢，油氣管網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要參與者[2]，因此，將氫氣混入天然氣管網(wǎng)輸送是大規(guī)模輸氫的最佳選擇[3-6]，也是國外氫氣輸送的通用做法。各國針對天然氣混氫量開展了大量研究。其中，瑞典研究的混氫量在0～1%，澳大利亞與瑞士混氫量為4%，德國混氫量為5%與10%，法國混氫量為6%，荷蘭混氫量為12%。由于氫氣與天然氣的物理性質(zhì)存在較大差異，如氫氣分子直徑僅為0.289 nm，比甲烷小25%，相同條件下在管道接頭處氫的體積滲漏速率為天然氣的3 倍[7]，同時，金屬材料在一定氫氣環(huán)境中會產(chǎn)生氫脆，從而加速管道上微小裂縫破裂[8-9]，導致天然氣管道混氫輸送的泄漏風險增大[10-11]。目前，對于混氫天然氣泄漏后氣泄漏擴散特征規(guī)律尚不明確。

針對上述問題，劉延雷[12]基于有限體積法，對氫氣與天然氣管道泄漏進行數(shù)值模擬，表明氫氣擴散危險云團集中于高空，天然氣泄漏后危險云團更靠近地面。楊燦劍等[13]利用CFD 對加氫站氫氣泄漏進行了模擬，結(jié)果表明，無風條件下氫氣在水平和垂直方向擴散速度很快，容易富集并形成爆炸氣團。Hector[14]等對建筑物內(nèi)氫氣泄漏進行模擬，研究表明，氫氣在建筑物內(nèi)泄漏對建筑物及周圍環(huán)境的危險要大于天然氣。上述研究主要針對純氫氣和純天然氣的泄漏擴散，未考慮氫氣與甲烷的混合氣體在泄漏擴散過程中各分子之間的相互作用。

針對西氣東輸一線某輸送站場，基于修正的Fick 擴散矩陣計算方法，建立了混氫天然氣擴散系數(shù)計算模型，得到了混氫天然氣三物系擴散系數(shù)矩陣；結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究了站場內(nèi)管道發(fā)生泄漏后混氫天然氣泄漏擴散特性，分析了混氫天然氣泄漏出的氣體在站場擴散后的危險距離，研究結(jié)果可為天然氣混氫輸送泄漏安全事故應(yīng)急措施提供理論和技術(shù)依據(jù)，為混氫天然氣輸送安全運行日常管理提供指導。

1 模型建立

1.1 控制方程

站場內(nèi)混氫天然氣的泄漏擴散具有不規(guī)則運動的特點，符合氣體湍流流動的特征。目前，針對湍流數(shù)值模擬一般使用直接模擬、大渦模擬（LES）以及Reynolds 時均方程模擬[15]等方法。Reynolds 時均方程模擬是現(xiàn)在解決工程湍流問題的基本方法。其中，標準k?ε 雙方程湍流流動傳輸模型[16]包括k方程和ε 方程，k方程為湍流脈動動能方程，ε 方程為湍流耗散方程，綜合k方程和ε 方程，可確定出湍流黏性系數(shù)，最終求得湍流應(yīng)力。

利用k?ε 方程求解混氫天然氣泄漏擴散問題時，控制方程包括了連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及k?ε 方程和黏性系數(shù)方程。

（1）連續(xù)性方程

（6）組分輸運模型

混氫天然氣由管道泄漏到外界屬于多組分氣體擴散，需使用組分傳輸模型描述其在泄漏擴散過程中的濃度分布。

Ji擴散通量是描述物質(zhì)擴散現(xiàn)象的物理量，表示單位時間垂直通過擴散方向單位面積的物質(zhì)的流量。擴散通量值的準確性是確定混氫天然氣泄漏后擴散情況的關(guān)鍵，其大小受到不同物質(zhì)自身擴散系數(shù)與濃度梯度的影響。因此，需要優(yōu)先確定物質(zhì)擴散過程中的擴散系數(shù)。

1.2 多組分非理想氣體擴散系數(shù)計算

擴散系數(shù)是用于描述分子遷移的一個重要參數(shù)，表示了該物質(zhì)在某介質(zhì)中的擴散能力，一般通過Fick定律確定?；鞖涮烊粴庑孤U散過程屬于多組分物系間的擴散，因此，需要建立多組分擴散系數(shù)模型對混氫天然氣泄漏擴散進行描述。而多組分擴散系數(shù)需要以二元擴散系數(shù)為基礎(chǔ)進行計算得到。在進行氣體擴散模擬研究時，采用了李長俊等[17]提出的多組分非理想氣體擴散系數(shù)計算方法改進模型，該模型考慮氣體實際情況與理想狀態(tài)的偏差，能夠更加準確地描述氣體泄漏后的擴散情況。利用該模型計算混合氣體的泄漏擴散系數(shù)后，利用計算結(jié)果在FLUENT 中自行定義氣體實際擴散系數(shù)。

（1）二元物系非理想狀態(tài)擴散系數(shù)

Fuller 模型是對實驗獲得的二元氣體擴散系數(shù)進行擬合得到的，是目前常用的二元氣體擴散系數(shù)計算模型。其表達式為

需要注意的是，F(xiàn)uller 模型假設(shè)氣體是理想氣體，因此，引入了壓縮因子Z來對Fuller 模型進行修正，使其計算結(jié)果更加貼近實際氣體，修正后氣體擴散系數(shù)為

（2）多組分理想氣體擴散系數(shù)

多組分物系傳質(zhì)過程比二元物系傳質(zhì)更加復(fù)雜，其中，某一組分的擴散系數(shù)除了與自身質(zhì)量濃度梯度有關(guān)，還與其他組分有關(guān)，故多組分物系氣體中要求具備所有可能的二元物系擴散系數(shù)。對于n組分的物質(zhì)，其傳質(zhì)過程的擴散通量可用式（11）進行計算

為表征多組分物系傳質(zhì)過程存在不同組分之間的相互作用，采用Fick 擴散系數(shù)矩陣來描述多組分物系不同分子間的擴散系數(shù)。Fick 擴散系數(shù)矩陣由Maxwell-Stefan 擴散系數(shù)矩陣和熱力學因子矩陣的乘積計算得到。n組分物系的Fick 擴散矩陣D為

（3）混氫天然氣擴散系數(shù)計算

混氫天然氣的主要組分為甲烷和氫氣，假設(shè)空氣為單一組分，那么混氫天然氣在空氣中泄漏擴散組成CH4/H2/空氣三組分物系。對不同壓力下、不同摩爾分數(shù)的三組分物系擴散系數(shù)進行計算，得到Fick 擴散系數(shù)矩陣如表1 所示，其中，空氣為參考組分[19]。Fick 擴散系數(shù)矩陣計算值為后續(xù)CFD 模擬提供各組分間擴散系數(shù)。

表1 9 MPa、300 K 不同含氫量混氫天然氣Fick 擴散矩陣Tab.1 Fick diffusion matrix of natural gas with different hydrogen content

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

選取西氣東輸一線某一輸氣站，建立混氫天然氣輸氣站場室外泄漏三維模型，詳見圖1 和圖2。模型計算域為123 m×120 m×20 m 的空氣計算域，網(wǎng)格數(shù)為2 167 829，站場內(nèi)各區(qū)域及建筑尺寸見表2。

表2 輸氣站各區(qū)塊大小Tab.2 Size of each block of gas transmission station

圖1 輸氣站的幾何模型Fig.1 Geometric model of gas transmission station

圖2 輸氣站模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Gridof gas transmission station model

過濾分離區(qū)、壓縮機區(qū)、干線清管區(qū)和排污池為爆炸危險場所I 類2 區(qū)，壓縮機廠房為I 類1 區(qū)。對站場室外易發(fā)生泄漏且危險程度較高的區(qū)域進行分析，確定了兩個泄漏位置，即在壓縮機區(qū)發(fā)生泄漏、過濾分離區(qū)發(fā)生泄漏。

2.2 參數(shù)條件

站場進氣壓力與外輸壓力分別為5.00 MPa 和9.32 MPa。天然氣管道中混氫量設(shè)定為0，3%，5%和15%。依據(jù)《蒲福氏風級表》以及站場氣象條件確定風速V為0，3，5，8 和12 m/s。泄漏口孔徑為150 mm，約為15%D，屬于小孔泄漏。管內(nèi)泄漏壓力為9.32 MPa 時，大氣環(huán)境壓力為0.101 MPa，參考標準GB/T 34346——2017，判斷得到泄漏速度達到音速，基于氣體泄漏模型計算得出泄漏速度為435 m/s。混氫天然氣的輸送屬于高壓輸送，流體應(yīng)視為可壓縮，因此，泄漏口采用質(zhì)量流量入口，并設(shè)置為可壓縮氣體進行模擬。大氣環(huán)境壓力屬于低壓條件，故風速入口采用速度入口。壓力出口較質(zhì)量出口具有更好的收斂性，出口采用壓力出口。壓力和速度耦合計算方法采用PISO 算法。擴散系數(shù)設(shè)置選擇質(zhì)量擴散系數(shù)，根據(jù)Fick擴散系數(shù)矩陣計算結(jié)果，對兩組分的擴散系數(shù)進行設(shè)置。

3 結(jié)果分析

圖3 為含氫量15%混氫天然氣泄漏后甲烷和氫氣無風條件下的擴散云圖。圖4 為站場內(nèi)不同區(qū)域發(fā)生泄漏后有風條件下的擴散云圖。通過圖3、圖4 可以看出，當含氫量小于等于15%時，由于混氫天然氣中氫氣組分較少，泄漏后氫氣主要在泄漏口附近積聚；有風時，氣體泄漏后受到風力作用向下風向擴散，若存在障礙物，受到障礙物的影響，氣體向下風向擴散的速度與距離均遠小于沒有障礙物阻擋的情況。混氫天然氣泄漏后，其在大氣中的擴散會受到泄漏位置及泄漏源外部環(huán)境狀況等因素的影響。

圖3 無風時混氫天然氣不同組分擴散云圖Fig.3 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage under no wind condition

圖4 不同區(qū)域有風時混氫天然氣泄漏擴散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage in different regions with wind

混氫天然氣中主要成分為甲烷和氫氣，甲烷的爆炸極限為5.0%～15.0%，氫氣爆炸極限為4.0%～75.6%。對模擬結(jié)果進行分析時，以甲烷、氫氣的爆炸下限擴散半徑作為氣體危險范圍的評價尺度?？紤]到氫氣爆炸下限為4.0%，因此，僅對含氫量超過爆炸下限的混氫天然氣進行氫氣組分危險半徑分析，即含氫量超過4.0%的混氫天然氣。圖5、圖6 分別為風速0、3 m/s 條件下含氫量15.0%的混氫天然氣泄漏后甲烷和氫氣爆炸極限等值線圖。

從圖5，圖6 可以看出：混氫天然氣泄漏首先以射流的形式向外噴射，而后因為泄漏氣體與大氣環(huán)境間的壓力差及濃度差，混氫天然氣開始向周圍大氣擴散，并伴隨著對周圍空氣的卷席作用，體積有了很大程度的膨脹。由于混氫天然氣中氫氣含量遠低于甲烷，泄漏后甲烷的擴散范圍遠大于氫氣；甲烷氣體云團爆炸極限范圍內(nèi)的氣體分布于較外圍區(qū)域，而氫氣云團爆炸極限區(qū)域僅限于泄漏口附近，處于云團的中心區(qū)域。

圖5 無風含氫15%天然氣爆炸極限等值線Fig.5 Explosion limit contour of 15%natural gas containing hydrogen without wind

圖6 風速3 m/s 含氫15.0%混氫天然氣爆炸極限等值線圖Fig.6 Contour map of explosion limit of natural gas containing 15%hydrogen at 3 m/s wind speed

對模擬結(jié)果進行處理后得到無風條件下，4 種含氫量天然氣泄漏30 s 后爆炸下限擴散半徑如表3所示。

表3 氣體爆炸下限擴散半徑Tab.3 Gas explosion lower limit diffusion radius

圖7 為含氫量0、3.0%、5.0% 和15.0% 的混氫天然氣在無風條件下泄漏5～30 s 后甲烷、氫氣爆炸下限擴散半徑范圍；圖8 為不同風速下4 種不同含氫量的混氫天然氣泄漏甲烷和氫氣爆炸下限擴散半徑。從圖7，圖8 可以看出，相同泄漏條件下，隨著混氫天然氣中氫氣含量的提高，甲烷組分的爆炸下限擴散半徑是逐漸減小的；而氫氣組分的爆炸下限擴散半徑逐漸增大，該結(jié)果與歐盟NaturalHy 項目[20]研究結(jié)果相符。氫氣的爆炸極限下限為4.0%，即當含氫量較低時，圖8b 中5.0%含氫量的天然氣，其泄漏后即使在有風條件下，氫氣的爆炸下限擴散半徑也幾乎不增加，擴散范圍僅限泄漏口且不超過1 m。

圖7 無風時不同含氫量混氫天然氣泄漏Fig.7 Leakage of natural gas with different hydrogen content without wind

圖8 不同風速下不同含氫量混氫天然氣泄漏Fig.8 Leakage of natural gas with different hydrogen

Fick 擴散矩陣中熱力學因子能夠反映出多組分混合物系的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，與壓縮因子有相同的趨勢。因此，利用壓縮因子修正后的Fick 擴散矩陣能夠反映混氫天然氣中甲烷分子和氫氣分子間相互作用力和熱力學的實際狀態(tài)。通過在FLUENT 中設(shè)置多組分物系擴散系數(shù)，能夠得到更符合實際的擴散情況。模擬結(jié)果表明，天然氣中混入氫氣會導致泄漏口附近燃燒爆炸風險升高，但是會減小泄漏后氣體擴散的危險區(qū)域范圍。

在站場日常管理過程中應(yīng)重點關(guān)注密封處、閥門以及存在明顯減薄的部位、焊縫等位置，增加定期檢查的次數(shù)，站場泄漏處理過程需要針對泄漏口氫氣采取相應(yīng)的措施，及時對泄漏事故進行應(yīng)急處理。

4 結(jié)論

（1）基于修正后的多組分非理想氣體擴散系數(shù)計算方法，計算得到不同混氫量下混氫天然氣Fick擴散系數(shù)矩陣，結(jié)合Fick 擴散系數(shù)矩陣建立了三維輸氣站場泄漏擴散模擬CFD 模型，對混氫天然氣輸氣站場泄漏擴散過程進行了瞬態(tài)模擬，分析了障礙物、風速及混氫量等因素對混氫天然氣泄漏擴散的影響。

（2）站場內(nèi)混氫天然氣泄漏處存在障礙物時，障礙物對氣體的擴散有很好的阻擋作用，因此，站場針對氣體泄漏可考慮在重要設(shè)備或建筑前合理的位置設(shè)置擋墻以減少泄漏事故損害。

（3）隨著氫氣含量的提高會降低甲烷爆炸下限擴散半徑，增大氫氣爆炸下限擴散半徑，每增加1%氫氣，甲烷組分的爆炸下限擴散半徑減小0.04 m。同時，氫氣使泄漏口高于甲烷爆炸極限的區(qū)域存在爆炸的可能，增大泄漏氣體的爆炸風險。因此，需增強站場日常巡檢力度，做好泄漏事故應(yīng)急預(yù)案。