混氢天然气输气站场泄漏扩散数值模拟

2023-01-26俞进张皓贾文龙谢萍李长俊

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年6期

关键词：扩散系数甲烷氢气

俞进，张皓，贾文龙，谢萍，李长俊

1.中国海洋石油集团有限公司，北京东城100010

2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500

3.成都华润燃气设计有限公司，四川成都610000

4.国家管网集团西部管道公司，新疆乌鲁木齐830001

引言

氢能作为二次能源发展的重要方向，有助于解决能源危机和环境恶化问题[1]。全球主要国家高度重视氢能产业的发展，一些发达国家将其上升到了国家能源战略高度。随着氢能的发展，氢能的储运是目前亟需结解决的关键一环。而未来能源的发展中，能源互联网是能源储运的发展趋势，油气管网是能源互联网中的重要参与者[2]，因此，将氢气混入天然气管网输送是大规模输氢的最佳选择[3-6]，也是国外氢气输送的通用做法。各国针对天然气混氢量开展了大量研究。其中，瑞典研究的混氢量在0～1%，澳大利亚与瑞士混氢量为4%，德国混氢量为5%与10%，法国混氢量为6%，荷兰混氢量为12%。由于氢气与天然气的物理性质存在较大差异，如氢气分子直径仅为0.289 nm，比甲烷小25%，相同条件下在管道接头处氢的体积渗漏速率为天然气的3 倍[7]，同时，金属材料在一定氢气环境中会产生氢脆，从而加速管道上微小裂缝破裂[8-9]，导致天然气管道混氢输送的泄漏风险增大[10-11]。目前，对于混氢天然气泄漏后气泄漏扩散特征规律尚不明确。

针对上述问题，刘延雷[12]基于有限体积法，对氢气与天然气管道泄漏进行数值模拟，表明氢气扩散危险云团集中于高空，天然气泄漏后危险云团更靠近地面。杨灿剑等[13]利用CFD 对加氢站氢气泄漏进行了模拟，结果表明，无风条件下氢气在水平和垂直方向扩散速度很快，容易富集并形成爆炸气团。Hector[14]等对建筑物内氢气泄漏进行模拟，研究表明，氢气在建筑物内泄漏对建筑物及周围环境的危险要大于天然气。上述研究主要针对纯氢气和纯天然气的泄漏扩散，未考虑氢气与甲烷的混合气体在泄漏扩散过程中各分子之间的相互作用。

针对西气东输一线某输送站场，基于修正的Fick 扩散矩阵计算方法，建立了混氢天然气扩散系数计算模型，得到了混氢天然气三物系扩散系数矩阵；结合数值模拟方法，研究了站场内管道发生泄漏后混氢天然气泄漏扩散特性，分析了混氢天然气泄漏出的气体在站场扩散后的危险距离，研究结果可为天然气混氢输送泄漏安全事故应急措施提供理论和技术依据，为混氢天然气输送安全运行日常管理提供指导。

1 模型建立

1.1 控制方程

站场内混氢天然气的泄漏扩散具有不规则运动的特点，符合气体湍流流动的特征。目前，针对湍流数值模拟一般使用直接模拟、大涡模拟（LES）以及Reynolds 时均方程模拟[15]等方法。Reynolds 时均方程模拟是现在解决工程湍流问题的基本方法。其中，标准k−ε 双方程湍流流动传输模型[16]包括k方程和ε 方程，k方程为湍流脉动动能方程，ε 方程为湍流耗散方程，综合k方程和ε 方程，可确定出湍流黏性系数，最终求得湍流应力。

利用k−ε 方程求解混氢天然气泄漏扩散问题时，控制方程包括了连续性方程、动量方程、能量方程以及k−ε 方程和黏性系数方程。

（1）连续性方程

（6）组分输运模型

混氢天然气由管道泄漏到外界属于多组分气体扩散，需使用组分传输模型描述其在泄漏扩散过程中的浓度分布。

Ji扩散通量是描述物质扩散现象的物理量，表示单位时间垂直通过扩散方向单位面积的物质的流量。扩散通量值的准确性是确定混氢天然气泄漏后扩散情况的关键，其大小受到不同物质自身扩散系数与浓度梯度的影响。因此，需要优先确定物质扩散过程中的扩散系数。

1.2 多组分非理想气体扩散系数计算

扩散系数是用于描述分子迁移的一个重要参数，表示了该物质在某介质中的扩散能力，一般通过Fick定律确定。混氢天然气泄漏扩散过程属于多组分物系间的扩散，因此，需要建立多组分扩散系数模型对混氢天然气泄漏扩散进行描述。而多组分扩散系数需要以二元扩散系数为基础进行计算得到。在进行气体扩散模拟研究时，采用了李长俊等[17]提出的多组分非理想气体扩散系数计算方法改进模型，该模型考虑气体实际情况与理想状态的偏差，能够更加准确地描述气体泄漏后的扩散情况。利用该模型计算混合气体的泄漏扩散系数后，利用计算结果在FLUENT 中自行定义气体实际扩散系数。

（1）二元物系非理想状态扩散系数

Fuller 模型是对实验获得的二元气体扩散系数进行拟合得到的，是目前常用的二元气体扩散系数计算模型。其表达式为

需要注意的是，Fuller 模型假设气体是理想气体，因此，引入了压缩因子Z来对Fuller 模型进行修正，使其计算结果更加贴近实际气体，修正后气体扩散系数为

（2）多组分理想气体扩散系数

多组分物系传质过程比二元物系传质更加复杂，其中，某一组分的扩散系数除了与自身质量浓度梯度有关，还与其他组分有关，故多组分物系气体中要求具备所有可能的二元物系扩散系数。对于n组分的物质，其传质过程的扩散通量可用式（11）进行计算

为表征多组分物系传质过程存在不同组分之间的相互作用，采用Fick 扩散系数矩阵来描述多组分物系不同分子间的扩散系数。Fick 扩散系数矩阵由Maxwell-Stefan 扩散系数矩阵和热力学因子矩阵的乘积计算得到。n组分物系的Fick 扩散矩阵D为

（3）混氢天然气扩散系数计算

混氢天然气的主要组分为甲烷和氢气，假设空气为单一组分，那么混氢天然气在空气中泄漏扩散组成CH4/H2/空气三组分物系。对不同压力下、不同摩尔分数的三组分物系扩散系数进行计算，得到Fick 扩散系数矩阵如表1 所示，其中，空气为参考组分[19]。Fick 扩散系数矩阵计算值为后续CFD 模拟提供各组分间扩散系数。

表1 9 MPa、300 K 不同含氢量混氢天然气Fick 扩散矩阵Tab.1 Fick diffusion matrix of natural gas with different hydrogen content

2 数值模拟

2.1 几何模型

选取西气东输一线某一输气站，建立混氢天然气输气站场室外泄漏三维模型，详见图1 和图2。模型计算域为123 m×120 m×20 m 的空气计算域，网格数为2 167 829，站场内各区域及建筑尺寸见表2。

表2 输气站各区块大小Tab.2 Size of each block of gas transmission station

图1 输气站的几何模型Fig.1 Geometric model of gas transmission station

图2 输气站模型的网格划分Fig.2 Gridof gas transmission station model

过滤分离区、压缩机区、干线清管区和排污池为爆炸危险场所I 类2 区，压缩机厂房为I 类1 区。对站场室外易发生泄漏且危险程度较高的区域进行分析，确定了两个泄漏位置，即在压缩机区发生泄漏、过滤分离区发生泄漏。

2.2 参数条件

站场进气压力与外输压力分别为5.00 MPa 和9.32 MPa。天然气管道中混氢量设定为0，3%，5%和15%。依据《蒲福氏风级表》以及站场气象条件确定风速V为0，3，5，8 和12 m/s。泄漏口孔径为150 mm，约为15%D，属于小孔泄漏。管内泄漏压力为9.32 MPa 时，大气环境压力为0.101 MPa，参考标准GB/T 34346——2017，判断得到泄漏速度达到音速，基于气体泄漏模型计算得出泄漏速度为435 m/s。混氢天然气的输送属于高压输送，流体应视为可压缩，因此，泄漏口采用质量流量入口，并设置为可压缩气体进行模拟。大气环境压力属于低压条件，故风速入口采用速度入口。压力出口较质量出口具有更好的收敛性，出口采用压力出口。压力和速度耦合计算方法采用PISO 算法。扩散系数设置选择质量扩散系数，根据Fick扩散系数矩阵计算结果，对两组分的扩散系数进行设置。

3 结果分析

图3 为含氢量15%混氢天然气泄漏后甲烷和氢气无风条件下的扩散云图。图4 为站场内不同区域发生泄漏后有风条件下的扩散云图。通过图3、图4 可以看出，当含氢量小于等于15%时，由于混氢天然气中氢气组分较少，泄漏后氢气主要在泄漏口附近积聚；有风时，气体泄漏后受到风力作用向下风向扩散，若存在障碍物，受到障碍物的影响，气体向下风向扩散的速度与距离均远小于没有障碍物阻挡的情况。混氢天然气泄漏后，其在大气中的扩散会受到泄漏位置及泄漏源外部环境状况等因素的影响。

图3 无风时混氢天然气不同组分扩散云图Fig.3 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage under no wind condition

图4 不同区域有风时混氢天然气泄漏扩散云图Fig.4 Diffusion nephogram of hydrogen mixed natural gas leakage in different regions with wind

混氢天然气中主要成分为甲烷和氢气，甲烷的爆炸极限为5.0%～15.0%，氢气爆炸极限为4.0%～75.6%。对模拟结果进行分析时，以甲烷、氢气的爆炸下限扩散半径作为气体危险范围的评价尺度。考虑到氢气爆炸下限为4.0%，因此，仅对含氢量超过爆炸下限的混氢天然气进行氢气组分危险半径分析，即含氢量超过4.0%的混氢天然气。图5、图6 分别为风速0、3 m/s 条件下含氢量15.0%的混氢天然气泄漏后甲烷和氢气爆炸极限等值线图。

从图5，图6 可以看出：混氢天然气泄漏首先以射流的形式向外喷射，而后因为泄漏气体与大气环境间的压力差及浓度差，混氢天然气开始向周围大气扩散，并伴随着对周围空气的卷席作用，体积有了很大程度的膨胀。由于混氢天然气中氢气含量远低于甲烷，泄漏后甲烷的扩散范围远大于氢气；甲烷气体云团爆炸极限范围内的气体分布于较外围区域，而氢气云团爆炸极限区域仅限于泄漏口附近，处于云团的中心区域。

图5 无风含氢15%天然气爆炸极限等值线Fig.5 Explosion limit contour of 15%natural gas containing hydrogen without wind

图6 风速3 m/s 含氢15.0%混氢天然气爆炸极限等值线图Fig.6 Contour map of explosion limit of natural gas containing 15%hydrogen at 3 m/s wind speed

对模拟结果进行处理后得到无风条件下，4 种含氢量天然气泄漏30 s 后爆炸下限扩散半径如表3所示。

表3 气体爆炸下限扩散半径Tab.3 Gas explosion lower limit diffusion radius

图7 为含氢量0、3.0%、5.0% 和15.0% 的混氢天然气在无风条件下泄漏5～30 s 后甲烷、氢气爆炸下限扩散半径范围；图8 为不同风速下4 种不同含氢量的混氢天然气泄漏甲烷和氢气爆炸下限扩散半径。从图7，图8 可以看出，相同泄漏条件下，随着混氢天然气中氢气含量的提高，甲烷组分的爆炸下限扩散半径是逐渐减小的；而氢气组分的爆炸下限扩散半径逐渐增大，该结果与欧盟NaturalHy 项目[20]研究结果相符。氢气的爆炸极限下限为4.0%，即当含氢量较低时，图8b 中5.0%含氢量的天然气，其泄漏后即使在有风条件下，氢气的爆炸下限扩散半径也几乎不增加，扩散范围仅限泄漏口且不超过1 m。

图7 无风时不同含氢量混氢天然气泄漏Fig.7 Leakage of natural gas with different hydrogen content without wind

图8 不同风速下不同含氢量混氢天然气泄漏Fig.8 Leakage of natural gas with different hydrogen

Fick 扩散矩阵中热力学因子能够反映出多组分混合物系的实际状态与理想状态的偏差，与压缩因子有相同的趋势。因此，利用压缩因子修正后的Fick 扩散矩阵能够反映混氢天然气中甲烷分子和氢气分子间相互作用力和热力学的实际状态。通过在FLUENT 中设置多组分物系扩散系数，能够得到更符合实际的扩散情况。模拟结果表明，天然气中混入氢气会导致泄漏口附近燃烧爆炸风险升高，但是会减小泄漏后气体扩散的危险区域范围。

在站场日常管理过程中应重点关注密封处、阀门以及存在明显减薄的部位、焊缝等位置，增加定期检查的次数，站场泄漏处理过程需要针对泄漏口氢气采取相应的措施，及时对泄漏事故进行应急处理。