氢能作为二次能源，具有来源广、终端零排放、应用广泛等优点[1]，被誉为21世纪最具发展潜力的清洁能源[2]。将氢气以一定比例掺入天然气中，然后利用在役的天然气管道等基础设施进行输送，在节省巨大管道建设成本的同时，可实现大规模、长距离输送氢气[3-4]。但是在管道输送过程中，受管道腐蚀、材料老化、第三方破坏等因素的影响，难免会发生泄漏[5]。而管道泄漏造成的危害极大[6]，因此，探究掺氢天然气(hydrogen, blended natural gas, HBNG)长输管道的泄漏扩散规律，从而为掺氢天然气管道的安全运营和维护提供支撑是非常必要的。
围绕掺氢管道泄漏扩散规律特性以及掺氢管道泄漏扩散造成灾害后果，国内外的研究学者进行了大量的研究。在掺氢管道泄漏扩散规律特性方面，Su等[7]对家用厨房内掺氢天然气的泄漏和扩散特性进行了数值模拟，分析了掺氢比(体积分数，下同)、泄漏速率、通风条件和管道尺寸对泄漏和扩散过程的影响。孙齐等[8]研究了在不同风速以及不同掺氢体积分数的情况下，半敞开式厂房内掺氢天然气的扩散规律，并提出了在半封闭场所内传感器的布置方案。Zhou等[9]建立了城市街道半封闭空间的计算流体动力学三维模型，研究了掺氢天然气的扩散过程和爆炸特性，并分析了掺氢比和环境风速对爆炸事故的影响机理。段鹏飞等[10]通过数值模拟研究了掺氢天然气管道在不同影响因素下(泄漏孔方向、掺氢比、压力、泄漏孔直径等)在管廊内泄漏后的扩散特性。王鑫等[11]研究了掺氢天然气管道在障碍物影响下的泄漏扩散行为，探究了环境风速、障碍物高度、掺氢比等因素对泄漏气体扩散区域的影响。在掺氢管道泄漏扩散造成的灾害后果方面，Shirvill等[12]通过实验研究了掺氢比对爆炸超压的影响，研究发现在管网中添加体积分数小于25%的氢气不会显著增加爆炸的影响。尚融雪等[13]基于实验和数值模拟，研究了不同掺氢比、初始温度和当量比对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响。陈卓等[14]通过FLACS软件模拟，研究了掺氢比、打火点位置、计算区域是否开放和燃烧程度对室内受限空间中掺氢天然气爆炸事故特征和演化规律的影响。李亮等[15]采用FLACS软件研究了临街餐厅掺氢天然气的泄漏爆炸，通过改变掺氢比、点火位置和餐厅门启闭状态来分析掺氢对爆炸特性的影响。
目前，国内外对掺氢天然气管道的研究主要集中在受限空间内，而涉及掺氢天然气长输管道的研究较少。针对掺氢天然气泄漏扩散规律的影响研究，主要考查了各种单因素的影响，而未考虑多因素耦合关系。因此，本研究基于Fluent软件建立泄漏扩散模型，以掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度为变量进行单因素以及多因素耦合分析，探究不同影响因素的影响程度、明确掺氢天然气长输管道的泄漏扩散规律，以期为掺氢天然气管道的安全运营和维护提供一定的参考。
掺氢天然气管道的泄漏与扩散遵循质量、动量、能量和组分守恒定律[16]，这些守恒定律的数学描述称为控制方程。
连续性方程见式(1)[17-18]：
式中：ρ为气体的密度，kg/m3；t为时间，s；xi为气体位移沿i方向的分量，m；ui为流体速度分量，m/s。
动量方程见式(2)[19]：
式中：u代表气体速度，m/s；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；θ为管道与水平面的夹角，rad；λ为沿程阻力系数；D为管道内径，m；p为管道内气体压力，Pa。
能量方程见式(3)[19]：
式中：H为单位质量气体放出的热量，J/kg；h为气体的焓，J/kg；e为气体内能，J/kg；z为管道位置高度，m。
组分方程见式(4)[20]：
式中：w为组分的质量分数，无量纲；Dt为湍流扩散系数，无量纲；xj为气体位移沿j方向的分量，m。
根据掺氢天然气泄漏扩散流动特性，采用标准k-ε湍流模型[17]。
湍动能k方程见式(5)：
湍动能耗散率方程见式(6)：
式中：μl为层流黏性系数，无量纲；μt为湍流黏性系数，无量纲；μ＝μl+μt；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能，kg/(m·s3)；Gb为浮力产生的湍流动能，kg/(m·s3)；其中$\mu_{\mathrm{t}}=\rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon}, C_{1 \varepsilon}=1.44, C_{2 \varepsilon}=1.92 \text {, }C_{3 \varepsilon}=0.09, C_\mu$为湍流常数，取值0.09，σ=1.0，σε=1.3。
以西气东输二线工程某段管线为模拟对象，该段管线设计输气能力为300×108 m3/a，设计压力12 MPa，管径(外径)1 219 mm。当掺氢天然气管道的状态为埋地时，管线中心埋深一般为1.7~2.0 m。由于掺氢天然气管道的运行压力非常高，当泄漏发生时，掺氢天然气以极大的速度冲破土壤，形成一个小孔，从而进入大气中，进行射流扩散，因此，土壤对掺氢天然气泄漏扩散的影响可以忽略不计[21]。为简化模型，忽略了土壤这一因素，在建模的时候将管道带孔侧管壁及大气空间组成一个封闭的矩形空间。建立100 m×60 m的二维平面泄漏扩散模型，如图 1所示。
研究选用结构性网格进行划分，并对泄漏口进行网格的局部加密。为了选取合适的计算网格数量，且考虑到仿真精度要求等因素，本研究进行了网格的无关性验证。观察时间为50 s、泄漏口竖直方向上的甲烷的质量分数(图 2)，可以发现4种网格的模拟结果趋势大致吻合。其中网格数量为6 839和7 502的模拟结果大致重合，但还是存在12.6%的误差，该误差在允许范围内。因此，选取网格数量为6 839可以满足数值模拟的要求。
假设泄漏口在管道的上表面，泄漏方向垂直于管道，将泄漏口的入口条件设置为速度入口。泄漏口d/D≤0.2(泄漏口直径/管道直径≤0.2)，泄漏速度按照式(7)进行计算[22]。经计算，掺氢比分别为10%、20%和30%时对应的泄漏速度为275.77 m/s、290.00 m/s和306.78 m/s。由于风会影响掺氢天然气的泄漏扩散过程，假设风从左侧水平匀速吹入，则将左侧设置为速度入口边界。由于掺氢天然气泄漏在自由开阔的空间中，所以将上边界和右侧设置为压力出口边界，下边界设置为无滑移壁面边界。考虑全浮力的影响，选择开启浮力计算模块。
式中：u为泄漏速度，m/s；γ为比热比，无量纲；p为管道压力，Pa；ρ为掺氢天然气密度，kg/m3；M为掺氢天然气的摩尔质量，g/mol；R为气体常数，取8.314 J/(mol·K)；T为管道温度，K。
假设掺氢天然气的组分只有甲烷和氢气，选取掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度作为研究对象。各因素的设定依据如下：
(1) 掺氢比：长输管道能接受的掺氢比随着其钢级变化，目前研究结论得出长输管道掺氢比上限约为50%[23]，因此将掺氢比设置为10%、20%和30%。
(2) 泄漏孔径：根据EGIG(European gas pipeline incident data group)在2020年发布的数据可知[24]，输气管道主要发生小孔泄漏和大孔泄漏，因此，将泄漏孔径设置为0.02 m、0.10 m和0.20 m。
(3) 风速及大气温度：以霍尔果斯、宁夏和广州的年平均温度及风速(表 1)为参考，最终将大气温度设为278 K、288 K和300 K，将风速设为2 m/s、5 m/s和8 m/s。
采用控制变量的方法，分别研究了掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度对掺氢天然气管道泄漏扩散的影响。单因素试验设计方案见表 2。
为研究掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度之间的主次关系，因此，设计了L9(34)的正交试验，正交试验设计方案见表 3。
图 3和图 4分别为甲烷、氢气质量分数分布情况。由图 3、图 4可知，在泄漏时间相同的情况下，随着掺氢比的增加，甲烷质量分数在逐渐减小，且扩散的宽度也在减小；而氢气则相反，且氢气的扩散范围随掺氢比的增加而增大。图 5为不同掺氢比下的气体扩散高度变化。由图 5可知，3种掺氢比下的甲烷和氢气的扩散高度均随着时间逐渐增加，在20 s时，扩散高度趋于一致。在相同的泄漏时间内，甲烷和氢气的扩散高度随掺氢比的增加而增加，但甲烷的增加幅度比氢气小很多。
由于甲烷与氢气两种组分在不同泄漏孔径下的扩散质量分数云图基本相同，因此以甲烷扩散情况作为表征。根据图 6和 图 7可知，在泄漏时间相同的情况下，掺氢天然气发生泄漏后扩散的质量分数、宽度、高度及范围大小与泄漏孔径的大小成正相关。这是因为泄漏孔径增大时，掺氢天然气泄漏量增大，泄漏速度衰减变慢，扩散的高度增加。其次，随着泄漏时间的增加，甲烷和氢气扩散高度的增长幅度在不断减小。
由于甲烷与氢气两种组分在不同风速下的扩散质量分数云图基本相同，因此以甲烷扩散情况作为表征。由图 8可知，在泄漏时间相同的情况下，随着风速的增加，掺氢天然气的质量分数不断增加，质量分数分布逐渐向下风向偏移，而且掺氢天然气向水平方向的影响范围增加，风越大，水平方向偏移越大。其中，当风速为2 m/s时，气流从泄漏口高速喷射而出，质量分数分布呈束状，有一点倾斜。这是因为掺氢天然气泄漏的初始速度较大，风速和射流速度的比值较小，因此在水平方向的作用较小，气云发生倾斜的角度较小。从图 9可以看出，在泄漏时间相同的情况下，随着风速的增加，甲烷和氢气的扩散高度在逐渐减小。其次，随着泄漏时间的增加，甲烷和氢气的扩散高度逐渐趋于稳定。
由于甲烷与氢气两种组分在不同大气温度下的扩散质量分数云图基本相同，因此以甲烷扩散情况作为表征。通过分析图 10和图 11可知，大气温度对掺氢天然气管道的泄漏扩散影响并不显著。
采用正交试验进行模拟，以掺氢天然气在20 s时泄漏扩散的最大扩散范围为评价指标进行分析。泄漏气体20 s后的扩散区域如图 12所示。
将CFD-POST中的掺氢天然气质量分数云图数据导入Origin进行处理，可以计算出泄漏气体20 s后扩散区域的总面积，其结果如表 4所列。其中，R为各因素的极差，极差值越大，表明该因素的影响越大。
从表 4可以看出，不同因素对掺氢天然气管道泄漏扩散范围的影响程度为：泄漏孔径＞风速＞掺氢比＞大气温度。
(1) 在泄漏时间相同的情况下，随着掺氢比的增加，掺氢天然气泄漏后甲烷扩散区域的质量分数和宽度在逐渐减小，而氢气则相反。此外，甲烷、氢气的扩散高度和氢气的扩散范围随掺氢比的增加而增加；随着泄漏孔径的增大，掺氢天然气泄漏扩散范围逐渐增加；随着风速的增加，掺氢天然气泄漏后扩散区域的质量分数不断增加，并且质量分数分布逐渐向下风向偏移，扩散高度在不断减小；大气温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响不显著。
(2) 通过正交试验可以发现不同因素对掺氢天然气管道泄漏扩散的影响程度为：泄漏孔径＞风速＞掺氢比＞大气温度，可以为掺氢天然气管道运输的施工与安全维护提供依据。
(3) 建议通过掺氢天然气长输管道的泄漏扩散试验来验证数值模拟结果的有效性；同时开展掺氢天然气管道在土壤中的泄漏扩散过程的研究。
2023, Vol. 52 Issue (6): 44-52, 59 2023, Vol. 52 Issue (6): 44-52, 59