高压管道氢气泄漏扩散行为及影响因素分析*

张文康, 赵广慧, 张 杰，2

(1.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500；2.石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台，四川 成都 610500)

与石油和天然气等常规能源相比，氢能具有绿色环保和清洁高效等优点，已逐渐成为全球能源绿色转型的重要方向。输氢管道易发生氢脆失效，造成氢气泄漏扩散事故。高压管道中氢气泄漏速率约为天然气的2.83倍[1]。由于空气密度约为氢气密度的14倍，氢气泄漏后会在空气中迅速上浮并向周围扩散，在受限空间中，泄漏的氢气易在局部积聚形成危险的可燃性混合物，当空气中氢气体积占比为4.0%～75.6%时，遇火易爆炸。因而，研究氢气泄漏扩散规律，对其风险评价至关重要。

目前，关于氢气泄漏方面的研究相对较少，如王春琪等[2]对氢气云团的扩散行为进行了数值模拟；王雅文等[3]研究了不同泄漏时间下氢气云团的扩散规律，分析了可燃范围内的最大扩散距离；沈晓波等[4]预测了不同场景下的氢气泄漏演化过程；Kobayashi等[5]研究了低温压缩氢气的泄漏特性，认为低温对氢气泄漏量影响较大；Statharas等[6]研究发现，建筑物间的氢气扩散受自然风及建筑物附近的风回流影响，并且地面与氢气的热交换会显著影响氢气云团扩散。氢气泄漏过程复杂多变，影响因素较多，气流速率、空气温度和湿度对氢气泄漏均有影响。因此，该文研究了管输氢气的泄漏过程，探究了影响气体扩散的关键因素及影响机制，为输氢管道泄漏风险评价及事故应急处置提供了参考依据。

1 管输氢气泄漏扩散模型

1.1 基本假设

输氢管道失效后，氢气在泄漏点扩散并与外部空气混合，对管输氢气泄漏扩散模型做如下假设：

(1)氢气与空气均为理想气体，不与其他物质发生化学反应，均满足理想气体状态方程。

(2)管道泄漏点为圆形孔，氢气为连续性泄漏状态，暂不考虑管道内气体流动情况。

(3)在氢气连续性泄漏情况下，泄漏点的氢气质量流量与速度大小恒定。

(4)在氢气扩散到大气环境过程中，暂不考虑温度变化。

1.2 气体流动控制方程

氢气在泄漏扩散过程中遵循流体运动的质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，由此推导出对应的连续性方程、动量方程、能量方程、气体状态方程和组分运输方程[7]。

连续性方程：

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；ui为x,y方向上的速度，m/s。

动量方程：

(2)

式中：f为单位质量力矢量，m/s2；u为速度，m/s；μ为动力黏度，Pa·s；p为流体微元上的压力，Pa。

能量方程：

(3)

式中：E为流体微团总能，J；keff为有效传导系数，cm2/kg；cP为定压比热容；μt为湍流黏度；Prt为湍流普朗特数；T为温度，K；(Tij)eff为有效偏应力张量。

气体状态方程：

PV=ZRT

(4)

式中：P为绝对压力，Pa；V为气体体积，m3；R为理想气体常数，J/(kmol·K)；T为热力学温度，K；Z为气体压缩因子。

组分运输方程：

(5)

式中：Yi为第i种物质的质量分数，无量纲；ν为速度矢量，m/s；Ji为湍流中第i种物质的扩散速率，m/s。

1.3 管输氢气泄漏扩散模型

建立管输氢气泄漏扩散模型，模型如图1所示，其空间区域范围为30 m×30 m，泄漏点右侧为楼房障碍物，管道直径610 mm，设计压力为 2.5～6.0 MPa，泄漏点为圆形孔，孔径分别为20 mm，40 mm，60 mm和80 mm。

图1 管输氢气泄漏扩散模型

1.4 氢气泄漏速率

氢气泄漏为临界流气体泄漏，其泄漏速率计算公式为：

(6)

式中：Q为气体泄漏速率，kg/s；p为管内介质压力，Pa；k为气体绝热系数，对于氢气k=1.41；M为气体摩尔质量，g/mol；Z为压缩因子，取值为1；R为理想气体常数，R=8.314 J/(kmol·K)；T为气体温度，K；Cd为流量参数，圆形泄漏孔取1.0；A为泄漏孔面积，m2。

当管道压力为4 MPa和6 MPa时，计算不同泄漏点孔径下对应的氢气泄漏速率，其结果见图2。由图2可知，随着泄漏点孔径的增加，氢气泄漏速率逐渐增大；管道压力越高，氢气泄漏速率增大的幅度越大[8]。

图2 不同孔径下氢气泄漏速率

2 氢气泄漏扩散规律

2.1 泄漏点孔径对氢气泄漏扩散的影响

管道压力为4 MPa，泄漏点距离楼房障碍物 2 m，当氢气泄漏扩散10 s后的氢气扩散云图见图3。扩散时气流具有不同的初始动能，泄漏点孔径越大，竖直方向扩散趋势越明显。当氢气扩散至障碍物时，一部分氢气由于壁面的阻碍作用形成涡流区，存在明显积聚现象；另一部分氢气沿着墙体竖直上升，形成尖端射流区，泄漏点孔径越大，射流区域氢气扩散浓度峰值越高。障碍物壁面的阻碍作用导致氢气在竖直方向上的扩散速度明显比水平方向快，泄漏点孔径越大，底部积聚区的氢气浓度越大，在竖直方向上氢气扩散浓度峰值越高，扩散范围越广，遇到明火发生爆炸时，危险区域倍增。

图3 不同泄漏点孔径氢气扩散云图

在不同孔径下，泄漏点至正上方5 m距离的氢气浓度分布状况见图4。由图4可知：在障碍物高度相同情况下，泄漏点孔径越大，氢气浓度越高。

图4 不同泄漏点孔径氢气浓度分布

2.2 管输压力对氢气泄漏扩散的影响

管输压力为4 MPa和6 MPa，当氢气泄漏扩散10 s后的氢气扩散云图见图5。对比发现，管输压力越高，氢气扩散浓度越高，氢气在空气中分布越密集；相同泄漏时间内，管输压力升高，使气流泄漏初始动能加大，氢气扩散速度加快。

图5 不同管输压力氢气扩散云图

在不同管输压力下，泄漏点至正上方5 m距离的氢气浓度分布状况见图6。从图6来看，管输压力不同导致相同范围内氢气浓度存在差异，压力越高，氢气扩散浓度越高。

图6 不同压力下氢气扩散浓度

2.3 风速对氢气泄漏扩散的影响

图7为不同风速下氢气泄漏扩散10 s后的氢气扩散云图。由于氢气密度比空气密度小，风的升力作用影响了氢气扩散。当风速为1 m/s时，水平方向的氢气扩散速度较快；当风速由 3 m/s 增大至5 m/s时，在风力影响下，水平方向的氢气扩散受到阻碍，其扩散速度小于竖直方向；泄漏事故发生时，风速大小影响氢气扩散方向。

图7 不同风速下氢气扩散云图

图8为氢气在不同风速下的浓度分布。从图8来看，水平方向的风速越小，对氢气横向扩散影响越大，风的升力作用促进了氢气横向扩散。

图8 不同风速下氢气扩散浓度分布

2.4 障碍物间距对氢气泄漏扩散的影响

图9为不同障碍物间距下氢气泄漏扩散10 s后的氢气扩散云图。由图9可知，喷射出的气流沿障碍物表面向上扩散，部分氢气受到墙壁阻挡，开始反向扩散，积聚并产生涡流区；泄漏点与障碍物距离越大，涡流区面积越大，氢气浓度越低；当间距为2 m时，氢气受墙壁阻挡形成涡流；当间距为3 m时涡流区域面积明显增大；当间距为 5 m 时，由于扩散作用造成能量损失及空间变化，涡流现象减弱，积聚区面积增大，导致氢气扩散范围随之增大。因此，在管道建设规划时，必须确保管道与附近建筑物保持合理的安全距离，保证积聚区浓度低于爆炸极限。

图9 不同障碍物间距下氢气扩散云图

图10为氢气在泄漏点至障碍物墙壁水平方向浓度分布。从图10来看，随着间距增加，积聚区域浓度减小，危险区域面积增大。

图10 不同间距下氢气扩散浓度分布

2.5 障碍物高度对氢气泄漏扩散的影响

当障碍物距离泄漏点2 m时，不同高度障碍物附近氢气扩散云图见图11。当泄漏点附近存在障碍物时，一部分氢气由于阻挡作用而反向扩散，而另一部分氢气则沿障碍物向高空扩散。氢气泄漏发生后，氢气沿障碍物竖直上升，形成尖端射流区，其初始动能逐步衰减。障碍物两侧存在浓度差，近泄漏点侧浓度较高，易发生危险事故。管道泄漏疏散时应远离建筑物两侧，避免发生爆炸事故。建筑物阻挡泄漏的氢气正常扩散，在浮力和风力推动下，氢气的运动方向发生改变。障碍物高度决定了氢气扩散高度峰值，在竖直方向，氢气扩散高度峰值与建筑物高度成正比关系。

图11 不同障碍物高度下的氢气扩散云图

图12为不同高度障碍物附近氢气扩散高度峰值。从图12来看，障碍物越高，氢气扩散高度峰值越大。

图12 不同高度下氢气扩散高度峰值

2.6 双侧障碍物对氢气泄漏扩散的影响

当泄漏点两侧均存在障碍物，间距均为5 m时，其氢气扩散云图见图13。双侧障碍物高度直接影响泄漏气体的扩散速度和面积；当障碍物高度为10 m时，中间涡流区域氢气浓度较大；当障碍物高度为15 m时，涡流区域面积进一步增大，此时危险程度较之前明显增大；当障碍物高度为20 m时，泄漏气体将中间区域全部填满，污染程度极其严重，极易发生窒息和爆炸等事故。

图13 不同高度下氢气扩散云图

图14为双侧障碍物中泄漏点至正上方10 m处氢气浓度分布，障碍物阻碍了气体水平方向的扩散，加重了泄漏气体危害程度，随着障碍物高度的增加，气体只能在有限空间内向上扩散，导致有限空间内氢气浓度增加，人在这种情况下非常容易发生窒息，并且一旦发生爆炸其危害程度将成倍增加。

图14 双侧不同高度障碍物氢气浓度分布

当泄漏点两侧均存在障碍物，且在障碍物高度不同以及风速不同的情况下，其氢气扩散云图与氢气浓度分布分别见图15和图16。从图15可以看出，当障碍物高度为10 m时，低空区水平方向扩散速度小于竖直方向；由于障碍物的遮挡作用，风速对左侧区域影响较小；风的升力作用和水平方向的推力作用改变氢气扩散趋势，左侧障碍物相对于右侧障碍物较为安全。当障碍物高度为15 m时，低风速对氢气初始射流段影响较小，初始喷射速度衰减时，风的水平推力作用开始影响气体扩散趋势，加快氢气扩散，使周围氢气浓度降低，风速越大，现象越显著。当障碍物高度为20 m时，风力较小时，风的升力作用有限，尖端射流区接触到左侧墙面，部分气流水平向左扩散，其他气流竖直向下扩散，从而发生倒灌现象，使得障碍物中间区域氢气浓度增大；风力较大时，射流区偏离程度有所缓和，此时扩散方向主要为竖直方向。为了减小倒灌事故的危害程度，必须将这种特殊工况纳入考虑范围。

图15 不同高度与风速下氢气扩散云图

图16 不同高度与风速下氢气浓度分布

从图16来看，当障碍物高度为10 m时，受障碍物高度所限，竖直方向扩散速度大于水平方向；当障碍物高度为15 m时，随着风速的减小，氢气浓度直线下降，风力作用影响氢气扩散趋势；当障碍物高度为20 m时，氢气在小范围内的扩散达到平衡，浓度值较高。高风速下空气稀释了氢气浓度，加快氢气泄漏。在障碍物较高的情况下，氢气持续泄漏，无法及时扩散排出。

3 结 论

(1)输氢管道泄漏点孔径越大，氢气泄漏量越多，其扩散浓度峰值越高，在竖直方向扩散范围越广。

(2)氢气管输压力越高，气流泄漏初始动能越大，导致其扩散浓度越高，且在竖直方向快速扩散。

(3)风速作为氢气泄漏过程中不稳定的外部条件，会改变氢气扩散方向。

(4)氢气泄漏初始动能较大时，在泄漏点与障碍物壁面之间产生涡流积聚区。

(5)增大泄漏点与障碍物之间的水平间距后，涡流区面积增大，氢气浓度降低。

(6)障碍物的高度决定了竖直方向氢气扩散高度峰值，受阻碍时部分氢气沿障碍物竖直方向朝顶端扩散。

(7)在双侧障碍物工况下，氢气水平扩散受到阻碍，导致狭窄空间中氢气浓度明显增大，且随着障碍物高度增加，高空区浓度逐渐下降，低空区浓度相对上升，随着风速增大，氢气扩散速度明显加快。