高建豐1,3 楊雨琳2 韓亞男1 邵曉軍2 吳陽2

1.浙江海洋大學(xué)石油化工與環(huán)境學(xué)院； 2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院；3.臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心

摘要：為探究摻氫天然氣爆炸特殊機(jī)理及規(guī)律，預(yù)測(cè)和控制爆炸后果、減少或避免此類事故可能造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等，基于大渦模擬（LES）進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究在管中內(nèi)置不同高度矩形塊狀障礙物情況下，甲烷-氫氣預(yù)混氣體的爆炸特性。結(jié)果表明，障礙物后渦流的存在是促進(jìn)火焰拉伸的主要原因，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。障礙物越高，氣流速度越大，導(dǎo)致內(nèi)部湍流的增加，促進(jìn)了反應(yīng)過程，釋放了更多的能量，從而提高了爆炸超壓。障礙物的干擾也有助于可燃?xì)怏w云積聚，產(chǎn)生局部高壓區(qū)。

關(guān)鍵詞：甲烷氫氣預(yù)混氣體；矩形障礙物；超壓；火焰；流場(chǎng)

當(dāng)輸送摻氫天然氣時(shí)，氫氣在管道法蘭、密封螺紋、閥門等處容易擴(kuò)散滲漏到地下管廊中。由于結(jié)構(gòu)或功能上的需要，地下管廊中往往含有不同類型的障礙物，例如各類斷面突縮結(jié)構(gòu)等。研究表明，這些障礙物對(duì)爆燃流場(chǎng)的擾動(dòng)可能大幅增加火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝荷仙�速率，并且成為誘導(dǎo)爆燃向爆轟演變的關(guān)鍵控制因素。相比于純天然氣，混氫天然氣在長距離管道運(yùn)輸過程中滲漏量偏多。研究表明，含20%氫氣的混氫天然氣在傳輸過程中，氣體的滲漏量是純天然氣的2倍。因此，研究?jī)?nèi)置障礙物管道中甲烷摻氫預(yù)混氣體爆炸特性，可為我國“雙碳”目標(biāo)下的“西氫東送”建設(shè)提供參考。

在氫氣爆炸特性方面，早期已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。倪靖等的研究表明，氫氣的摻入對(duì)爆轟波的傳播速度有很大影響，隨著摻氫濃度的提高，傳播速度進(jìn)一步加快[1]。Wang Y等的研究表明，隨著氫氣含量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加。當(dāng)氫氣含量為50%時(shí)，最大爆炸超壓是純甲烷燃燒壓力的2.25倍[2]。Zhang K等的研究表明，當(dāng)氫氣濃度上升且甲烷氫氣混合物在遇到點(diǎn)火源后，會(huì)在管道外部引發(fā)兩次爆炸，從而產(chǎn)生兩個(gè)火球，使火焰的傳播速度降低。此外，第二次爆炸的強(qiáng)度和破壞力顯著超過了第一次[3]。

盡管前人已經(jīng)對(duì)各類可燃?xì)怏w的爆炸特性進(jìn)行了大量的研究，但大多數(shù)研究都是對(duì)于單一可燃?xì)怏w，不同濃度可燃?xì)怏w、不同著火位置、不同管道形狀以及長徑比的分析，關(guān)于內(nèi)置障礙物對(duì)管內(nèi)甲烷-氫氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響研究較少。因此，本文在含有障礙物、20%體積分?jǐn)?shù)的氫氣、80%體積分?jǐn)?shù)的甲烷的管道中進(jìn)行了爆炸實(shí)驗(yàn)，分析障礙物高度對(duì)甲烷-氫氣爆炸特性的影響規(guī)律，以期為后續(xù)研究提供參考。

1  實(shí)驗(yàn)裝置及方法

內(nèi)置障礙物的甲烷摻氫爆炸實(shí)驗(yàn)裝置由管體、CY400數(shù)字壓力傳感器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、KTGD-B型可調(diào)點(diǎn)火器、甲烷氣瓶、氫氣瓶、流量計(jì)和減壓閥等組成。為對(duì)比分析障礙物體積在當(dāng)量比為1時(shí)對(duì)甲烷-氫氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)工況，其障礙物高度分別為40 mm、50 mm和60 mm，長均為100 mm，寬均為50 mm。這三種工況下的障礙物均放置在距點(diǎn)火源200 mm處，而壓力傳感器放置在點(diǎn)火點(diǎn)右側(cè)30 mm處。預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%，甲烷的體積分?jǐn)?shù)為80%。實(shí)驗(yàn)是在長1000 mm，截面面積為100 mm×100 mm的長方形不銹鋼管道中進(jìn)行的。管道的右端作為泄爆端，不安裝鋼板，在充氣過程中使用聚氯乙烯薄膜密封，以防止氣體逸出。

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量爆炸壓力數(shù)據(jù)。首先，確保壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。其次，打開氫氣鋼瓶和甲烷氣瓶，并同時(shí)啟動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，使氣體在管道中混合均勻。通過流量計(jì)控制出氣量，甲烷出氣量為0.6 L/min，氫氣出氣量為0.3 L/min，甲烷出氣時(shí)長為88 s，氫氣出氣時(shí)長為44 s。充氣和循環(huán)結(jié)束后，立即啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量為20 J。為了保證實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)的有效性，爆炸實(shí)驗(yàn)重復(fù)了3組。

2  結(jié)果與討論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和爆炸超壓數(shù)值模擬結(jié)果的比較（圖 1），模擬測(cè)得的峰值超壓比實(shí)驗(yàn)測(cè)得高約10%。原因是模擬假設(shè)是在半封閉空間內(nèi)發(fā)生絕熱爆炸，沒有考慮爆炸過程中管道內(nèi)外的能量交換。由于管道頂端的聚氯乙烯薄膜預(yù)計(jì)會(huì)在外壓作用下破裂，因此在計(jì)算過程中忽略了聚氯乙烯薄膜對(duì)爆炸結(jié)果的影響。特別是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中捕捉到了火焰沖出聚氯乙烯薄膜時(shí)的壓力P1在33.7 ms時(shí)達(dá)到超壓峰值27.597 kPa，然后開始下降，在36.972 ms時(shí)出現(xiàn)負(fù)壓峰Pneg。產(chǎn)生負(fù)壓是因?yàn)榛鹧鏇_出管子后，管子內(nèi)的氣體被迅速消耗。綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明本文所采用的數(shù)值模型和算法是合理的。因此，借助該模型，對(duì)不同體積障礙物工況下爆炸火焰的傳播機(jī)理和超壓進(jìn)行了研究。

圖 1 實(shí)驗(yàn)超壓與模擬超壓的比較

為了更好地分析不同高度障礙物對(duì)管道內(nèi)火焰、壓力和流場(chǎng)的影響，通過數(shù)值模擬得到了不同時(shí)刻火焰—超壓—流動(dòng)區(qū)的流線耦合分布。該耦合分布與圖 1壓力曲線相結(jié)合，進(jìn)一步揭示了潛在的關(guān)系。在模擬的三種情況下初始火焰均以球形傳播，且垂直方向上面積很小，未接觸上下管壁。當(dāng)火焰開始出現(xiàn)指形傳播且未接觸障礙物時(shí)，障礙物的后方就產(chǎn)生了渦流，但在火焰前沿幾乎不存在，并且障礙物高度越大，其后方的渦流范圍越明顯。當(dāng)火焰面積開始增加，Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性和Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性變得更加明顯，火焰鋒面變得不穩(wěn)定并變形，導(dǎo)致湍流增加。當(dāng)障礙物高度為60 mm時(shí)，爆炸峰值壓力為37.352 kPa，遠(yuǎn)大于障礙物高度為40 mm和50 mm時(shí)的壓力。原因是內(nèi)部湍流的增加加速了反應(yīng)過程，釋放了更多的能量，從而增加了超壓。超壓值的增大加速了火焰的傳播（圖 2），當(dāng)量比為1，障礙物高度為60 mm時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@比障礙物高度為40 mm、50 mm快。特別是火焰鋒面在23 ms時(shí)越過障礙物，并在障礙物的后方和上方均產(chǎn)生了渦流，原因是氣流流動(dòng)速度的增大促進(jìn)了高速流動(dòng)剪切效應(yīng)的發(fā)展，增加了Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性和渦量。且由于渦流的存在，使得火焰鋒面與障礙物之間形成不規(guī)則空洞。在管道內(nèi)可燃?xì)怏w消耗完畢后，可觀察到有細(xì)小的火焰泡在管道中來回?cái)[動(dòng)，這是由于半封閉管道發(fā)生瓦斯爆炸后，氣室開口端出現(xiàn)明顯的空氣回流現(xiàn)象，導(dǎo)致管道內(nèi)外存在壓力差引起的，這也是實(shí)驗(yàn)壓力在出現(xiàn)負(fù)壓后反復(fù)震蕩的原因。

圖 2 火焰前沿、壓力和流線的耦合關(guān)系 

根據(jù)各工況下的壓力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線（圖 3），三條壓力曲線沒有顯示出泄爆壓力，原因可能是管道中的氫氣體積分?jǐn)?shù)較小導(dǎo)致的。爆炸開始時(shí)，火焰由于與管道壁面的摩擦，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)轳薨檶恿鳌ｋS著反應(yīng)的進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)速率和產(chǎn)生的熱量增加，迫使氣體膨脹。聲波振蕩增強(qiáng)了火焰的擾動(dòng)，褶皺層流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧妗．?dāng)火焰進(jìn)一步傳播時(shí)，能量在管道中積累，管道中的火焰由湍流火焰轉(zhuǎn)變?yōu)楸�燃火焰，從而最大程度地加速了火焰的傳播過程。障礙物后方的渦旋擴(kuò)展和消散推動(dòng)火焰融合，火焰邊界的湍流強(qiáng)度在火焰融合過程中更大，兩者相互促進(jìn)發(fā)展。隨著可燃?xì)怏w的消耗，由于火焰與壁面接觸而在壁面附近滅火，火焰面積減小。管道壁面的摩擦阻礙了火焰前沿。因此，火焰?zhèn)鞑�減小。在振蕩變化階段，擾動(dòng)對(duì)火焰的影響也越來越大，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑�減小。點(diǎn)燃后，預(yù)混氣體開始進(jìn)入較短的燃燒誘導(dǎo)期。爆炸壓力迅速上升，達(dá)到最大值后又緩慢下降。由于氫反應(yīng)釋放能量，爆燃發(fā)生區(qū)域的溫度升高，導(dǎo)致氣體膨脹。此外，流體動(dòng)力不穩(wěn)定和湍流的結(jié)合導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定，增加了壓力上升的速度。因?yàn)榭扇嘉锖椭�燃物燃燒后產(chǎn)生的熱量通過管壁與外界環(huán)境交換，爆炸壓力降低。在反應(yīng)初期，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的羥基自由基（OH）數(shù)量較少，整個(gè)體系的升壓速率較慢。但隨著鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，OH含量迅速增加，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率也隨之增加，反應(yīng)放出的熱量急劇增加，導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致壓力升高。隨著反應(yīng)進(jìn)行到后期，氫逐漸被消耗，其濃度達(dá)到了不能維持化學(xué)反應(yīng)的程度�；鹧媾c管道壁面之間存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，反應(yīng)系統(tǒng)放出的熱量減少。一些自由基也與管道壁發(fā)生碰撞，導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率降低，放熱減少，這反過來又降低了爆炸壓力。障礙物的干擾也有助于可燃?xì)怏w云積聚，增加爆炸超壓的峰值。幾種布局結(jié)構(gòu)下壓力曲線整體并沒有明顯的差異性。局部峰值階段壓力曲線開始出現(xiàn)差異性，不同的結(jié)構(gòu)使壓力曲線的斜率和峰值不同，這是因?yàn)檎系K物高度的變化以及管道壁面的存在，使壓力波在狹長的管道內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的反射波與衍射波，反射波與衍射波在特定的區(qū)域內(nèi)疊加，產(chǎn)生局部高壓區(qū)。結(jié)合壓力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線、火焰面積隨時(shí)間變化規(guī)律曲線（圖 4）可發(fā)現(xiàn)，與矩形障礙物接觸后，超壓增長速度明顯加快。該時(shí)刻與火焰接觸矩形障礙物后火焰前沿、超壓和火焰面積的突變時(shí)間重合。

圖 3 壓力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線

圖 4 火焰面積隨時(shí)間變化規(guī)律曲線 

3  結(jié)論

為應(yīng)對(duì)“西氫東送”過程中摻氫天然氣在管廊中的泄漏爆炸問題，在保證障礙物與點(diǎn)火源之間距離、氫氣體積分?jǐn)?shù)、點(diǎn)火能量相同的前提下，通過改變矩形障礙物高度，研究了三種工況下甲烷-氫氣預(yù)混氣體爆炸特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，如果摻氫天然氣在管廊中發(fā)生爆炸事故，障礙物（管廊中的設(shè)備）對(duì)火焰形態(tài)，流場(chǎng)、超壓、火焰面積均有很大的影響，危險(xiǎn)系數(shù)將會(huì)直線上升。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)避免或合理布置障礙物。本文研究的管道屬于常規(guī)小尺寸的矩形管道，未來還可以研究變徑管、圓管等實(shí)際生產(chǎn)生活中存在的狹長密閉空間，并將研究結(jié)果運(yùn)用到大尺寸實(shí)驗(yàn)中。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：高建豐，1966年生，研究生學(xué)歷，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)的教學(xué)和研究工作。聯(lián)系方式：13567693952，gaojf309@126.com。