1、第51卷第8 期2023年8 月化学工程CHEMICAL ENGINEERING(CHINA)Vol.51 No.8Aug.2023掺氢天然气在管廊中的泄漏与报警器响应段鹏飞，常曦文，李璐伶，刘建辉，李玉星（1.深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳518 0 49；2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛2 6 6 58 0)摘要：针对掺氢天然气管道进人市政综合管廊后的报警器适应性问题，利用CFD软件模拟不同掺氢比下天然气管道在管廊内发生小孔泄漏后的扩散过程，得到可燃气体体积分数的时空分布。结果表明：对于圆形泄漏孔，可以取孔口系数0.8 5来计算泄漏流量；管道发生泄漏后，可燃气体在
2、极短的时间内扩散到管廊顶端，决定泄漏后扩散距离的是空间的湍流和耗散程度，而不是射流过程；对比天然气泄漏以及掺氢比2 0%的掺氢天然气泄漏，考察从泄漏开始到可燃气体探头检测到爆炸下限的2 0%（体积分数）所需的时间，掺氢比2 0%的工况比不掺氢的工况最多长7s，但若想要2 种掺氢比下检测到爆炸下限的2 0%的时间相同，则建议掺氢比2 0%的情况下，甲烷探测器每8 m布置1个。研究结果可以为掺氢天然气的应用提供安全管控策略的参考。关键词：掺氢天然气；管道输送；综合管廊；泄漏扩散中图分类号：TK91D0I:10.3969/j.issn.1005-9954.2023.08.016Leakage and
3、 alarm response of hydrogen-blended NG in utility tunnelDUAN Pengfei,CHANG Xiwen,LI Luling,LIU Jianhui,LI Yuxing?(1.Shenzhen Gas Corporation Ltd.,Shenzhen 518049,Guangdong Province,China;2.College of Pipeline and CivilEngineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong Prov
4、ince,China)Abstract:Aiming at the alarm adaptability of hydrogen-blended natural gas pipelines in utility tunnel,the CFDmethod was used to simulate the diffusion process of small hole leakage in the utility tunnel under different hydrogenmixing ratios.The time-space distribution of combustible gas v
5、olume fraction was obtained.The results show that forcircular leakage holes,the volume flow rate can be calculated by taking the orifice coefficient of 0.85.After theleakage,the combustible gas diffuses to the top of the tunnel in a very short time,therefore the diffusion distancedepends more on the
6、 degree of turbulence and dissipation in space than on the process of jet flow.Compared withnatural gas pipeline leakage and natural gas with 20%hydrogen mixing ratio,the time required from the beginningof leakage to the detection of 20%lower explosive limit by the detector is 7 s longer at most und
7、er the conditionwith 20%hydrogen mixing ratio.However,if the same detection time under the two conditions is required,it isrecommended to arrange methane detector every 8 meters under the condition with 20%hydrogen mixing ratio.Theresearch provides references for security control strategies for the
8、application of hydrogen-blended natural gas.Key words:hydrogen-blended natural gas;pipeline transportation;utility tunnel;leakage and dffusion氢能有诸多应用场景 ,其中得到广泛认可的是利用现有城市燃气管道按照允许的比例混合氢气，供给居民、商业、工业等，可回避纯质氢气储运难题2 。目前,在城市燃气掺氢输运方面,还存在安全性未充分验证等问题3,其中较为典型的有掺氢天然气管道人市政综合管廊的安全性。收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 2；修回日期：2 0 2
9、 3-0 3-2 0基金项目：国家重点研发计划（2 0 2 1YFB4001605）；中国博士后基金（2 0 2 1M702289）作者简介：段鹏飞（19 9 2 一），男，博士，工程师，研究方向为综合能源利用，电话：139 18 37 52 2 2,E-mail：d u a n p s z g a s.c o m.c n。文献标志码：A文章编号：10 0 5-9 9 54(2 0 2 3)0 8-0 0 8 4-0 5现有的综合管廊依据国标GB508382015城市综合管廊工程技术规范进行设计施工，相关安全管控措施均是针对天然气管道制定，例如在管廊内燃气管道正上方每隔15m安装一个可燃气体检
10、测探头，该探头通常只能检测到甲烷等烃类气体，无法检测到氢气。因此当掺氢管道在廊内泄漏后,与段鹏飞等掺氢天然气在管廊中的泄漏与报警器响应纯天然气管道相比，检测探头报警时管廊内的可燃气体的整体体积分数、检测时间、发展进程是否相同，是否依然满足安全管控的要求,该问题呕需解答4。1基本情况由腐蚀等原因引起的小孔泄漏发生可能性更高但却更加隐蔽，不易第一时间发现，无法及时采取措施。针对管廊内可能发生的小孔泄漏5,本文采用CFD计算了典型形式的综合管廊在不同的泄漏工况下管廊内可燃气体体积分数的时空分布规律，对比掺氢与不掺氢管道发生泄漏事故后事故演化规律的异同，分析其对可燃气体报警器响应时间的影响。其中泄漏孔
11、形状选取圆形，同时将天然气的组分简化为纯甲烷。数值计算的工况如表1所示。表1数值计算工况汇总Table 1Summary of numerical calculation conditions运行压掺氢比泄漏口力/MPa例/%0,5.10、0.2.0.415,202数值模型廊内的天然气管道舱为一个狭长的半密闭空间，泄漏后在独立舱室内扩散，天然气迅速聚集。依据国标城市综合管廊工程技术规范中对燃气舱各部分尺寸的规定，本文构建了典型的管廊物理模型，管廊模型示意见图1。300回风口送风口管道200.0008000(a)管廊透视示意图图1管廊物理模型尺寸Fig.1 Physical model size
12、 of utility tunnel管道选取DN300管径，管道内壁厚度4.8 mm，管廊两道防火墙之间的距离为2 0 0 m，管廊断面尺寸为2.4m1.6m,基础支墩尺寸为30 0 mm300mm400mm,每个支墩之间的距离为8 m,管廊两端各设置了1个通风口，上游送风，下游回风，通风口尺寸为10 0 0 mm1000mm,距离管廊端部30 0 0 mm。模型主要考察泄漏孔大小d、朝向与管道压力p等85.参数对泄漏扩散过程的影响。掺氢天然气管道泄漏后应当考虑其压缩性6-8 ,在CFD软件内设置掺氢天然气管道人口为质量入口边界，出口设置为压力出口边界；通风机人口设置为速度入口边界，通风机出口
13、设置为压力出口边界。数值方法采用端流模型为k-8realizable两方程模型,标准壁面函数,组分采用一阶迎风差分模式，能量、密度、湍流等采用二阶迎风格式，设置管道轴向截面为监测面，监测组分体积分数为收敛判定依据。对于瞬态计算，考虑到网格尺寸和库朗数的要求，时间步长选取10-4量级，一共计算30 s的泄漏过程。3孔口特性采用前述的工况条件和数值方法迭代计算，收敛后整理各个工况下的泄漏口的数据，得到了孔口处的射流的详细数据,见表2。泄漏孔通风量/径/mm朝向(次/h)6.10上、下300100090030040020otoot单位：mm(b)管廊端面左视图投稿平台Https:/.表2 孔口射流模
14、拟数据汇总6Table 2 Summary of orifice jet simulation data掺氢比d/mmp/MPa入/%100.2100.2100.2100.2100.2100.4100.4100.460.20066图2 为不同掺氢比下的最大射流速度。依据经典的孔口等熵过程进行理论计算，射流结构中的最大速度应当等于当地声速，同时具备一定的剩余压力,射流卷吸周围空气，动量逐渐被涡耗散。依据模拟结果,观察到典型高压射流的欠膨胀结构,模拟中的最大流速大于当地声速（Ma1）。随着掺氢比的增加,导致物性相应的参数也发生改变,最大速度也逐渐增加。但是在相同管道压力p和掺氢比入的条件下，对比不
15、同泄漏孔直径下的最大出口流速，发现最大出口流速的差别不大，泄漏孔的直径对最大出口流速的影响甚微。/(m/s）马赫数Ma 流量/(kg/s)0515.95526.810538.41555120564.10607.110633.5206640526.80.2100.2201.2821.2781.2751.2721.2691.5861.5801.5741.313541.71.288571.61.2910.034 20.033 40.032.70.031 90.031 10.057 10.054 70.052 00.011 60.010 60.010 386700p/MPa,d/mm当地声速650F+
16、0.2(s/叫)/66000.20.410550500450F4000图2 不同掺氢比下的最大射流速度Fig.2Maximum velocity at different hydrogen mixing ratios图3显示了不同压力和掺氢比下的单位孔口面积的射流体积流量的计算值和模拟值。在相同的掺氢比和管道压力下，单位体积流量的计算值均大于模拟值,两者之比为孔口系数,图中第2 Y轴显示了孔口系数的数值,不同压力下的曲线几乎重叠，即该系数与管道压力关系不大。但是随着掺氢比的提高，孔口系数约从0.8 6 降低到0.8 4。由图4可以发现,掺氢比和管道压力对孔口系数的影响有限,但是泄漏口直径对孔口系数的影响非常大。69=8.4MPa计算值0.2 MPa孔口系数1.05.5-0-0.4MPa模拟值0.4MPa孔口系数5.0田45二=4.03.50.2MPa计算值0.2 M Pa 模拟值3.02.552.050图3不同掺氢比下体积流量和孔口系数（d=10mm）Fig.3Volume flow rate and orifice coefficient underdifferent hydroge