基于欠膨脹噴射火模型的含氫天然氣管道失效后果分析

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(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027)

0 引言

含氫天然氣管道輸送是氫能利用的重要途徑之一，特別是我國獨(dú)特的地域特點(diǎn)，西部地區(qū)風(fēng)電充足，無法并網(wǎng)的棄風(fēng)、棄電可制氫后摻入現(xiàn)有西氣東輸管網(wǎng)，進(jìn)而輸送到用戶終端，具有廣闊的市場前景。隨著含氫天然氣輸送管道的廣泛應(yīng)用，其安全性問題已引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。由于甲烷和氫氣性質(zhì)的不同[1]，氫氣的摻入往往會增大管道失效引起的后果，其中氣體的泄漏燃燒行為一直是其安全性問題研究的重點(diǎn)[2]。當(dāng)含氫天然氣的輸送管道氣體發(fā)生泄漏時，通常會在泄漏噴口處發(fā)展成為欠膨脹噴射，若被點(diǎn)燃，由其引起的噴射火會延伸數(shù)米甚至超過十米[3]。因此，為了保證含氫天然氣管道運(yùn)行過程中的安全性，亟待研究含氫天然氣的欠膨脹噴射火行為。

關(guān)于氫氣或含氫混合氣體欠膨脹噴射火行為的研究主要有兩種手段：試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。國際上已開展了一些與氫氣相關(guān)的欠膨脹噴射火試驗(yàn)研究[4-6]，基于這些試驗(yàn)結(jié)果，Birch等[7]首次提出了偽直徑計算公式，該公式根據(jù)質(zhì)量流率守恒定義了偽直徑。之后,Birch等[8]又通過膨脹過程中的質(zhì)量守恒和動量守恒重新定義了偽直徑，同樣假設(shè)偽直徑處的壓力降至環(huán)境壓力。然而，由于在世界范圍內(nèi)研究欠膨脹噴射火的試驗(yàn)裝置數(shù)量有限，以及大規(guī)模的試驗(yàn)研究通常耗資巨大且每次試驗(yàn)結(jié)果都是在特定的條件下得到的，數(shù)據(jù)適用條件的可拓展性差，因此，在實(shí)際工程中很難進(jìn)行推廣。……