室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸模擬

陳卓， 李敬法， 宇波

(1.中核控制系統(tǒng)工程有限公司， 北京 102401； 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院并氫能研究中心， 北京 102617)

氫能具有來源廣、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的清潔能源。國家“十四五”規(guī)劃已將發(fā)展氫能作為重要的能源戰(zhàn)略，而氫的輸送是氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的重要方向[1]。將氫氣摻入天然氣管道或管網(wǎng)中與天然氣混輸，是實(shí)現(xiàn)氫氣高效輸送的一種可行方式[2]。目前已開展的摻氫天然氣輸送示范項(xiàng)目多采用現(xiàn)有的天然氣管道或管網(wǎng)輸送，輸送過程中管道腐蝕、材料老化、外力破壞等因素可能導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴庑孤?。此外，氫氣和天然氣均為易燃易爆氣體，其泄漏后與空氣混合形成可燃?xì)怏w，遇明火極易發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重事故后果。因此，開展摻氫天然氣泄漏爆炸事故特征和演化規(guī)律研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前氫氣和天然氣爆炸事故的研究手段主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬。Li等[3]研究了氫氣-空氣混合物和氫氣-甲烷-空氣混合物的無限制管道通風(fēng)爆炸，通過實(shí)驗(yàn)獲得了爆炸室內(nèi)的爆炸壓力，結(jié)果表明對(duì)于無限制氫氣-甲烷爆炸，隨著甲烷量的增加，最大爆炸壓力和最大壓力增長速率均逐漸減小。Zhang等[4]為了探討摻氫天然氣輸送的可行性，分別以100% CH4、90% CH4+10% H2、80% CH4+20% H2(均為體積分?jǐn)?shù))為燃料對(duì)綜合管廊氣室內(nèi)的爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增加，相同體積的氣云超壓增大，10%H2和20%H2的超壓分別增大16%和32%。田莉[5]實(shí)驗(yàn)研究了受限空間內(nèi)不同氫氣含量下預(yù)混氣體的爆炸特性，結(jié)果表明氫氣含量越高，預(yù)混氣體爆炸的威力也越大。Kim等[6]模擬了不同壓力和泄漏口尺寸條件下，加氫站發(fā)生氫氣泄漏時(shí)的爆炸情況，分析了爆炸壓力分布特征和爆炸方向性。Zhang等[7]分析了不同體積分?jǐn)?shù)的氫氣、丙烷、甲烷與空氣混合后在有內(nèi)置障礙物約束的空間內(nèi)的爆炸特性，結(jié)果表明在其他條件相同時(shí)氫氣和空氣的混合氣體爆炸具有較高的峰值壓力，但3種氣體爆炸時(shí)不同位置的爆炸溫度幾乎無差異。姜楠等[8]模擬了氫氣管道發(fā)生泄漏后的爆炸事故，發(fā)現(xiàn)爆炸火焰?zhèn)鞑ピ斐傻臍怏w流動(dòng)是產(chǎn)生爆炸超壓的根本原因。劉自亮等[9]利用FLACS軟件研究了埋地輸氫管道泄漏爆炸事故后果，分析了不同泄漏孔徑、泄漏時(shí)長、輸氫壓力以及環(huán)境風(fēng)速對(duì)爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)泄漏孔徑和輸氫壓力越大，爆炸產(chǎn)生的最大超壓和危險(xiǎn)區(qū)域也越大。Zhang等[10]對(duì)氫氣爆炸過程進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)爆炸壓力和壓力增長速率在1.01×105Pa時(shí)達(dá)到最大值，隨著初始?jí)毫Φ脑龃螅▔毫蛪毫υ鲩L速率逐漸增大。

目前單獨(dú)針對(duì)氫氣或天然氣爆炸的研究較多[11-15]，但針對(duì)摻氫天然氣混合氣體爆炸的研究很少。盡管摻氫天然氣爆炸與天然氣爆炸有著相似之處，但受摻入氫氣的影響，摻氫天然氣爆炸事故規(guī)律與天然氣存在一定差異，需進(jìn)一步開展更深入的研究?，F(xiàn)針對(duì)室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸進(jìn)行模擬研究，以期為室內(nèi)摻氫天然氣安全利用提供理論指導(dǎo)。

1 摻氫天然氣爆炸數(shù)理模型

摻氫天然氣混合氣體爆炸的完整數(shù)學(xué)描述包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流方程、組分輸運(yùn)方程和燃燒方程。

(1)連續(xù)性方程：

(1)

式(1)中：ρ為摻氫天然氣混合氣體的密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度，m/s。

(2)動(dòng)量方程：

(2)

式(2)中：p為壓力，Pa；τeff為有效張量應(yīng)力；g為重力加速度，m/s2。

(3)能量方程：

(3)

式(3)中：E為氣體微團(tuán)總能；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；hj為組分j的焓；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；j為摻氫天然氣中組分的數(shù)目。

(4)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型：

(4)

(5)

式中：k為湍動(dòng)能；ε湍動(dòng)能耗散率；v為運(yùn)動(dòng)黏度；μ為動(dòng)力黏度；μt為湍流黏度，Pa·s；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；C1、C2、C1ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε為湍流普朗特?cái)?shù)。

(5)組分輸運(yùn)模型：

(6)

式(6)中：Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ji為組分i的質(zhì)量擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)。

(6)通用燃燒方程:

CaHbOcSd+3.76yO2+yN2=n1CO+n2CO2+

n3H2O(g)+n4N2+n5O2+n6SO2+

n7CaHbOcSd+Qf

(7)

式(7)中：a、b、c、d分別為燃料氣體分子式中所含有的碳、氫、氧、硫原子個(gè)數(shù)；n1、n2、n3、n4、n5、n6分別為氣體燃燒后生成物中CO、CO2、H2O、N2、O2、SO2物質(zhì)的量；n7為剩余可燃?xì)怏w物質(zhì)的量；Qf為熱量。

2 摻氫天然氣爆炸事故模擬

2.1 物理模型簡介

摻氫天然氣爆炸事故按照發(fā)生場景可簡單分為室內(nèi)摻氫天然氣爆炸和室外摻氫天然氣爆炸。由于一般情況下室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故對(duì)人員的生命威脅更嚴(yán)重，因此僅針對(duì)室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進(jìn)行模擬研究。如圖1所示，選取的室內(nèi)受限空間物理模型為長4 m、寬3 m、高3 m且?guī)чT窗的長方體空間。為簡化模擬計(jì)算，假設(shè)初始時(shí)刻空間內(nèi)各處均勻分布著摻氫天然氣。

圖1 摻氫天然氣爆炸事故物理模型Fig.1 Physical model of explosion accident of hydrogen-enriched natural gas

2.2 算例條件設(shè)置

采用爆炸模擬軟件FLACS對(duì)摻氫天然氣爆炸進(jìn)行研究。采用六面體網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格總數(shù)為36 000，單個(gè)網(wǎng)格為邊長0.1 m的六面體。模擬中考慮摻氫比、打火點(diǎn)位置、計(jì)算區(qū)域是否開放和燃燒程度4種因素的影響，算例條件詳細(xì)設(shè)置如表1所示。其中，算例0～算例4主要考察摻氫比的影響，算例2、算例5、算例6主要考察打火點(diǎn)位置的影響，算例2、算例7主要考察計(jì)算區(qū)域是否開放的影響，算例2、算例8～算例10主要考察燃燒程度的影響。本文研究中燃燒程度在軟件中通過當(dāng)量比(equivalence ratio, ER)表征，ER>1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂啃∮诶碚撋先紵枰难鯕夂?，即氧氣量不足；ER=1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂康扔诶碚撋先紵枰难鯕夂?，此時(shí)燃燒最為劇烈；ER<1時(shí)表示可燃?xì)庠浦醒鯕夂看笥诶碚撋先紵枰难鯕夂?，即氧氣量過剩。

表1 摻氫天然氣爆炸事故不同算例參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting for different explosion accident cases of hydrogen-enriched natural gas

2.3 軟件初始參數(shù)設(shè)置

以算例2為例，簡要介紹FLACS軟件中的模擬參數(shù)設(shè)置。模擬過程中設(shè)置初始溫度為293 K，初始?jí)毫?.1 MPa，摻氫天然氣均勻充滿整個(gè)計(jì)算區(qū)域，氣體成分中設(shè)置甲烷為9，氫氣為1，即摻氫比初始值為10%，設(shè)置ER初始值為1.0，即此時(shí)為完全燃燒情況。同時(shí)設(shè)置打火初始位置位于氣云中心，其坐標(biāo)為(2, 1.5, 1.5)，打火開始時(shí)間為0 s，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。為定量分析爆炸的模擬結(jié)果，便于揭示摻氫天然氣爆炸規(guī)律，在計(jì)算區(qū)域中添加三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(M1、M2、M3)，坐標(biāo)分別為(2, 1.5, 1.5)、(2, 1.5, 0)、(0, 0, 0)，各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2所示。

表2 FLACS軟件中的模擬參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter setting in FLACS software

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖Fig.2 The location of monitoring points

3 結(jié)果分析

3.1 摻氫天然氣爆炸事故非穩(wěn)態(tài)過程分析

圖3 算例2不同爆炸時(shí)刻的溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of case 2 at different explosion time

首先以算例2為例，分析室內(nèi)摻氫天然氣爆炸事故過程中的溫度變化過程。圖3給出了算例2不同爆炸時(shí)刻1.5 m高度(中心截面)處的X-Y二維溫度云圖?？梢钥吹?，0 s時(shí)(爆炸還未發(fā)生)整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度為初始溫度293 K，而0.05 s時(shí)(爆炸初期階段)在計(jì)算區(qū)域中心，即打火點(diǎn)附近溫度明顯升高，此時(shí)溫度云圖為規(guī)則對(duì)稱的近似圓形。由此可推斷出0.05 s時(shí)刻在一個(gè)以打火點(diǎn)為球心的近似球狀空間內(nèi)溫度明顯升高。隨著爆炸的進(jìn)行，該近似球形升溫區(qū)域的半徑越來越大，球形內(nèi)部的爆炸溫度也越來越高，到0.2 s時(shí)內(nèi)部的溫度已達(dá)到近2 500 K。在球形升溫區(qū)域Y方向的直徑快達(dá)到計(jì)算區(qū)域的寬度時(shí)，由于受到壁面的阻礙，不再繼續(xù)增長。而球形升溫區(qū)域X方向上并沒有受到壁面的阻礙，于是0.3 s時(shí)二維平面溫度云圖為橢圓形，可推斷此時(shí)三維空間內(nèi)的溫度云圖近似橢球形。隨著爆炸的進(jìn)行，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度都大幅度上升，最高溫度可達(dá)到約2 902 K。綜上可知，整個(gè)爆炸過程短暫且急促，并且釋放出大量能量使得計(jì)算區(qū)域內(nèi)的溫度急劇升高，在不到1 s時(shí)間內(nèi)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的平均溫度由293 K升高到2 863 K，增加了2 570 K。

3.2 摻氫比對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響

摻氫比是摻氫天然氣的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)比算例0～算例4的結(jié)果可分析出摻氫比對(duì)摻氫天然氣爆炸過程中溫度和壓力的影響。圖4(a)給出了算例0～算例4不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的溫度在爆炸過程中的變化?？梢钥闯?，對(duì)于監(jiān)測點(diǎn)2，隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時(shí)間逐漸提前。這是因?yàn)闅錃庠诳諝庵械淖钚↑c(diǎn)火能量為0.017 mJ，遠(yuǎn)小于甲烷在空氣中的最小點(diǎn)火能量0.274 mJ。隨著摻氫比的增加，摻氫天然氣混合氣體的最小點(diǎn)火能量逐漸減小，導(dǎo)致爆炸發(fā)生時(shí)間提前。但在這5種摻氫比情況下，爆炸溫度隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致。

圖4 不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的溫度和超壓變化Fig.4 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 2 under different hydrogen blending ratios

圖4(b)給出了不同摻氫比下監(jiān)測點(diǎn)2處的超壓在爆炸過程中的變化?？梢杂^察到，與溫度變化趨勢類似，不同摻氫比情況下超壓隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致，區(qū)別在于爆炸發(fā)生時(shí)間不同。隨著摻氫比的增加，爆炸發(fā)生時(shí)間逐漸提前，同時(shí)爆炸過程中所達(dá)到的最大超壓基本不變，并且都達(dá)到了7.6×105Pa以上。表3和表4分別給出了不同爆炸沖擊波超壓對(duì)人體的傷害情況和對(duì)建筑物的破壞情況。對(duì)比表可以發(fā)現(xiàn)，5種摻氫比情況下的爆炸威力都很大，能夠造成嚴(yán)重的破壞。對(duì)人體能夠達(dá)到嚴(yán)重傷害程度，可能會(huì)導(dǎo)致心肌、脫臼撕裂的情況，同時(shí)能使建筑物的磚墻倒塌。

表3 爆炸沖擊波對(duì)人體的傷害Table 3 Damage of blast wave to human body

表4 爆炸沖擊波對(duì)建筑物的破壞Table 4 Damage of blast wave to buildings

3.3 打火點(diǎn)位置對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響

通過算例2、算例5、算例6的模擬結(jié)果分析打火點(diǎn)位置對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響。圖5(a)給出了3種不同打火點(diǎn)高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度變化。從中可以看到，三條溫度變化曲線相似，不同之處在于溫度開始劇烈上升的時(shí)間。打火點(diǎn)高度距離監(jiān)測點(diǎn)1越近，監(jiān)測點(diǎn)1處溫度劇烈上升的時(shí)間越早。按照監(jiān)測點(diǎn)1處溫度開始劇烈上升的時(shí)間順序排列，依次是算例2、算例6、算例5。

圖5(b)給出了3種不同打火點(diǎn)高度情況下爆炸過程中監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化。同溫度變化曲線一樣，三條超壓曲線隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致，區(qū)別主要在于超壓開始劇烈上升的時(shí)間。打火點(diǎn)位置距離監(jiān)測點(diǎn)1越近，超壓開始劇烈上升的時(shí)間越早，在監(jiān)測點(diǎn)1處，算例5比算例2溫度開始變化的時(shí)間早0.2 s左右。這是因?yàn)楸ㄊ且圆ǖ男问絺鞑サ?，距離爆炸中心(打火點(diǎn))越近，爆炸波到達(dá)此處所需要的時(shí)間越小，因此此處的溫度和超壓開始劇烈上升的時(shí)間越早。

圖5 不同打火點(diǎn)高度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和 超壓變化Fig.5 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different ignition point heights

3.4 計(jì)算區(qū)域是否開放對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響

算例7中物理模型的門窗處于開啟狀態(tài)，物理模型從封閉空間變成與大氣連通的開放空間。門窗狀態(tài)對(duì)摻氫天然氣爆炸事故后果的影響很大。圖6(a)給出了門窗處于開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度隨爆炸時(shí)間的變化?？梢钥闯?，打開門窗之后爆炸發(fā)生時(shí)間要晚于門窗封閉的情況，并且爆炸初期溫度上升趨勢也比門窗封閉的情況平緩，爆炸結(jié)束后溫度趨于平衡的時(shí)間也比門窗封閉情況要早，打開門窗后爆炸用時(shí)遠(yuǎn)小于門窗封閉情況下的摻氫天然氣爆炸事故。同時(shí)門窗關(guān)閉情況下監(jiān)測點(diǎn)1處爆炸過程中所達(dá)到的最大溫度為2 777.6 K，而打開門窗后監(jiān)測點(diǎn)1處在爆炸過程中所達(dá)到的最大溫度為2 234.2 K，比前者降低了543.4 K，這是因?yàn)殚T窗打開后，爆炸波開始向外界大氣傳播，熱量被傳遞到外界大氣中。

圖6(b)給出了門窗開啟和關(guān)閉兩種情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化。從中可看到，與門窗關(guān)閉情況相比，門窗開啟時(shí)超壓變化很小。這是因?yàn)殚_啟門窗后，爆炸區(qū)域與大氣連通，發(fā)生爆炸時(shí)壓力波從門窗瞬間傳到大氣中，因此監(jiān)測點(diǎn)1處所測得的超壓變化很小。

3.5 燃燒程度對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響

可燃?xì)庠迫紵欠癯浞謱?duì)爆炸威力具有較大影響。下面通過算例2、算例8～算例10的模擬結(jié)果分析燃燒程度對(duì)摻氫天然氣爆炸事故的影響。圖7(a)給出了4種不同燃燒程度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度變化?？砂l(fā)現(xiàn)4種情況下的溫度變化趨勢基本一致，但爆炸所產(chǎn)生的最大溫度隨ER的增大逐漸增大，ER=0.8時(shí)最大爆炸溫度為2 501.5 K，而ER=1.1時(shí)最大爆炸溫度達(dá)到了2 810.2 K，比前者上升了308.7 K。還可發(fā)現(xiàn)，隨著ER的增大，爆炸發(fā)生的時(shí)間逐漸縮短，ER=1.1時(shí)的爆炸時(shí)間比ER=0.8時(shí)的爆炸時(shí)間縮短約0.4 s。

圖6 門窗狀態(tài)不同情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和 超壓變化Fig.6 Variation of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different conditions of doors and windows

圖7 不同燃燒程度情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的溫度和超壓變化Fig.7 Variations of temperature and overpressure at monitoring point 1 under different combustion degrees

圖7(b)給出了算例2、算例8～算例10共4種ER值情況下監(jiān)測點(diǎn)1處的超壓變化?？梢钥吹?，不同燃燒程度情況下的超壓變化同溫度變化趨勢基本相同。隨著ER值的增大，超壓上升時(shí)間逐漸提前，并且出現(xiàn)最大超壓值的時(shí)間也逐漸提前，整個(gè)爆炸過程持續(xù)的時(shí)間縮短。ER=0.8時(shí)最大超壓為7.16×105Pa，而ER=1.1時(shí)最大超壓為8.06×105Pa，比前者提高0.89×105Pa。

4 結(jié)論

對(duì)室內(nèi)受限空間中摻氫天然氣爆炸事故進(jìn)行了模擬研究，分析了摻氫比、打火點(diǎn)位置、計(jì)算區(qū)域是否開放和燃燒程度對(duì)摻氫天然氣爆炸事故特征和演化規(guī)律的影響，得出如下結(jié)論。

(1)不同摻氫比下?lián)綒涮烊粴獗囟群统瑝呵€隨爆炸時(shí)間的變化趨勢基本一致；摻氫比越大，爆炸發(fā)生時(shí)間越早。

(2)距離打火點(diǎn)位置越近的地方爆炸溫度和超壓越先劇烈上升。算例2和算例5中監(jiān)測點(diǎn)1處溫度開始變化的時(shí)間相差0.2 s左右。

(3)開放空間內(nèi)摻氫天然氣爆炸事故的威力遠(yuǎn)小于受限空間。在同樣條件下，門窗開啟狀態(tài)下爆炸所達(dá)到的最大溫度較門窗關(guān)閉狀態(tài)下降低543.4 K，而此時(shí)超壓基本無變化。

(4)燃燒程度對(duì)摻氫天然氣爆炸威力影響較大。本文當(dāng)量比為0.8時(shí)最大爆炸溫度為2 501.5 K，最大超壓為7.16×105Pa；而當(dāng)量比為1.1時(shí)最大爆炸溫度為2 810.2 K，最大超壓為8.06×105Pa，分別比前者升高308.7 K和0.89×105Pa。此外，當(dāng)量比越高，爆炸時(shí)間越短。