风速条件下掺氢天然气站场泄漏爆炸后果

宋玉彩，滕卫明，陈强峰，帅健，李云涛，王西明，张小斌，梅苑

1.浙江浙能富兴燃料有限公司；2.浙江省白马湖实验室有限公司；3.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院；4.浙江大学能源工程学院

0 引言

氢能作为一种清洁替代能源，可以有效缓解化石资源消耗带来的不利影响［1-3］。近年来，各国加大氢能开发规模，氢能的应用领域不断扩展。天然气掺氢运输是推广清洁能源和实现可持续发展的有效途径之一［4-5］，可在一定程度上缓解天然气供应紧张的问题［6-7］。更为重要的是，相较于纯天然气，掺氢天然气是一种更为清洁低碳的燃料，可降低终端用能的碳排放水平。天然气站场是氢气与天然气混合的最佳场所［8-9］。然而，相较于天然气，氢气燃烧范围较宽（4% ～ 75%），点火能更低（0.02 mJ）。天然气掺氢后，泄漏发生爆炸的事故概率会显著提升［10-11］。天然气站场是一个设备复杂密集的场所，在混合运输氢气后，其安全运行将面临巨大挑战［12-14］。

天然气站场的设备和管道若发生故障会导致泄漏事故，当气云积聚到一定量时，在点火源的作用下会发生爆炸。预测掺氢气体事故后果演化规律对掺氢天然气站场的事故应急救援具有重要意义［15］。目前学者多采用场景构建的方式来完成对事故后果的研究［16-17］。2022年，Mei等［18］模拟了风速条件下封闭式建筑区内气体的泄漏扩散过程，发现风场与建筑物间相互影响会导致泄漏气云发生积聚；张文康等［19］对多因素条件下高压氢气管道的失效后果进行分析，发现风速会显著影响泄漏气体的扩散方向，继而影响事故的危害程度；成诚等［20］对夏季和冬季环氧乙烷储罐泄漏扩散后果进行对比分析，发现冬季环氧乙烷储罐泄漏所造成的池火灾事故热辐射危害范围大于夏季；梅苑等［21］建立了包含考虑泄漏孔径、泄漏时间的输油管道失效后果评价模型，发现泄漏孔径、泄漏时间与事故后果影响范围保持正相关性，但最终会达到平衡点。从目前研究来看，学者更关注泄漏或爆炸其中一种的后果，而天然气泄漏与天然气爆炸密切相关。在掺氢天然气站场中，掺氢气体会积聚在部分空间中，泄漏和扩散的边界浓度值可用来判断气体云是否达到爆炸水平，但无法预测气体云爆炸的破坏程度。因此，本文基于可燃气体爆炸模拟的仿真软件FLACS对掺氢天然气站场的泄漏及爆炸事故进行场景构建，重点量化分析不同风速场景中泄漏气云的爆炸后果影响。研究结果可为掺氢天然气站场在特定条件下的事故应急救援资源配备提供一定参考。

1 天然气站场场景构建

1.1 几何模型和网格划分

以某天然气站场为原型，按等比例建立掺氢天然气站场的几何模型（见图1）。该站场来气压力属于中等压力，站内管道直径为100 ～ 500 mm，主要包括作业区、工作区和休息区3个部分。其中，作业区包括过滤分离器、管道、阀门和其他相关设备，主要实现天然气的接收、过滤、计量、减压和加臭的功能；工作区内有两栋建筑：建筑1和建筑2，工作区与作业区用围栏隔开；此外，休息区的建筑远离作业区和工作区，发生事故时危险性最小。作业区是事故的主要影响区域，被视为核心区域，其相应的计算区域采用均匀网格划分；其他区域为非核心区域，相应的计算区域采用渐变网格划分。计算域的大小为162 m×70 m×70 m。

图1 掺氢天然气站场几何模型和网格划分示意

1.2 事故场景设计

本文主要研究风速对掺氢天然气站场泄漏后事故危害的影响，通过设定4种风速，构建了4个事故场景，风速值分别取2 m/s（场景1）、4 m/s（场景2）、6 m/s（场景3）、8 m/s（场景4），风力等级分别属于轻风、和风、强风、大风。每个场景分别模拟气体泄漏和气云爆炸两种事故后果，共计8种情景。站场环境温度设为293 K（20 ℃），压力为1个大气压。由于掺氢体积比为20%时可导致最高的爆炸压力［16］，因此为了模拟最严重的事故后果，选择掺氢体积比为20%。

事故发生点位于作业区。泄漏量可根据泄漏孔尺寸由孔泄漏公式计算得出。临界压力比用于判断管道中的流动状态。对于中压管道的大孔泄漏事故，尽管事故发生概率较低，但事故风险较高，会对周围环境造成严重破坏，因此，本文中所有事故场景中失效管道的压力均采用6 MPa。泄漏孔设为150 mm，属于中压管道大孔泄漏。泄漏点处的气流属于声波流，泄漏量通过公式（1）计算［22］。经计算，泄漏量为69.70 kg/s。

式中：q——泄漏量，kg/s；C0——泄漏系数；d——泄漏孔直径，m；P——管道压力（相对），Pa；Z——压缩系数，Z=1；R——气体常数，8.314 J/（mol·K）；T——天然气温度，K；M——泄漏气体的摩尔质量，kg/mol；κ——气体的绝热指数。

泄漏量在泄漏模拟过程中保持恒定，此时场景也相当于处于最坏的事故条件。事故场景模拟分为3个步骤：首先，需要预先计算计算域中的风场，以获得稳定的风场数据；其次，激活泄漏源以进行掺氢气体泄漏模拟；最后，收集计算域中掺氢气体的泄漏气体云量，并给出了点火条件，以模拟掺氢气体云的爆炸过程。其中，点火源和爆炸压力的数据监测点位于掺氢气云的中心，通过设定高温区域来启动点火源。可燃气云在高温条件的作用下迅速发生反应，形成气云爆炸。使用FLACS软件建立可燃气云累积量计算模型，可以在减少计算成本的基础上获得场景的气云量变化，是一种高效的风险分析模型［23］。将泄漏气体量转化为可燃气云累积量Q9，它可以在计算域中直接用于爆炸的模拟计算，计算公式如下：

式中：Q9——可燃气云累积量，m3；R——当量比；Ri——i组分燃料的当量比；RLFL——达到爆炸下限时的当量比；RUFL——达到爆炸上限时的当量比；Vi——燃料空气区域内数值网格的第i个控制体积，m3；Vi,e——第i个控制体积中恒定压力下的体积膨胀比，其值取决于Ri；SL(Ri)——层流火焰速度，m/s。

在气体云扩散规律的研究中，需要确定混合气体的爆炸极限，可根据勒夏特列原理进行计算。当掺氢体积比为20%时，混合气体的爆炸上限和下限分别为7.02%和15.96%。在掺氢天然气泄漏和扩散分析中，爆炸下限被作为可燃气云显示的最低阈值。

2 结果分析

2.1 风速对掺氢天然气泄漏扩散的影响

图2显示了场景1、场景2、场景3和场景4中掺氢天然气的泄漏扩散过程。可以发现，随着泄漏的持续（泄漏时间t从0 s到15 s），每种情况下的事故影响区域都会不断扩大，最终从作业区发展到工作区的建筑物。但各场景的事故覆盖区域存在明显的区别。另外，在管道压力的影响下，泄漏气体主要以射流的形式扩散。因此，配合各场景的泄漏气体射流矢量变化（见图3），对泄漏气体分3个阶段进行分析。

图2 不同风速场景中掺氢天然气的泄漏扩散过程

图3 不同风速场景中射流矢量变化

在泄漏初期（泄漏时间t=0 ～ 3 s），当风速较小时，泄漏气体的初始射流速度较高且集中，其边界浓度保持在较高水平。随着风速增大，泄漏气体将更快与空气混合形成可燃气云。在场景1中，当t=2 s时，泄漏气体仍以集中扩散形式存在，此时泄漏气体的边界浓度值保持在较高水平，未形成明显的可燃气云。然而，在场景2、场景3和场景4中，当t=2 s时，泄漏气体开始呈发散扩散形式，泄漏气体的边界浓度值降低，形成可燃气云。这是因为在高风速的场景中，空气流动更快，因此它可以更快地与泄漏的气体相互作用。相应的矢量变化也证明了上述分析。可以看出，随着风速的增加，泄漏气体射流运动与空气之间的相互作用矢量逐渐变得密集。

在泄漏中期（t=4 ～ 7 s），低风速场景中可燃气云的扩散规模会更大。在场景1中，当t=6 s时，可燃气云已到达工作区，并接触到建筑1和建筑2。在场景4中，当t=6 s时，可燃气云刚好接触到建筑1。这是因为在这一阶段，可燃气云的边界浓度较低，在高风速气流的驱动下会更快消散，对应的射流矢量分布范围也较小。

在泄漏后期（t=8 ～ 15 s），低风速场景中可燃气云发展的优势将进一步扩大。在场景1和场景2中，可燃气云会影响整个工作区域。而在场景3和场景4中，虽然可燃气云可以到达工作区域，但对工作区域内建筑物的影响很小。泄漏气体射流矢量的变化也是同步的。

基于上述分析，风速对泄漏气体在空间中的物质传输的影响规律：在泄漏初期，泄漏气体浓度较高，风可以促进泄漏气体和空气的混合，形成可燃气云；在泄漏中后期，泄漏气云将在风的进一步稀释下扩散。总的来说，在高风速下，可燃气云将更难积聚，泄漏事故的风险将降低。

2.2 风速对掺氢气云累积量的影响

可燃气云的累积量是判断事故后果严重程度的重要参数。一般来说，可燃气云累积量越高，造成的伤害越严重。图4显示了场景1、场景2、场景3和场景4中可燃气云累积量的变化。

图4 不同风速场景中可燃气云累积量的变化

在泄漏的初始阶段，由于高喷射速度，泄漏的掺氢气体无法快速与空气有效混合形成可燃气云，因此，可燃气云累积量在该阶段变化幅度较小。而当风速较高时，可燃气云累积量会增加得更快，这与风的物质输送能力密切相关。

在泄漏中期，可燃气云累积量的增加速度将随着风速的增加而降低。这是因为泄漏中期，泄漏气体主要以可燃气云的形式扩散，边界浓度较低。此时，风速越大，物质传输速度越快，这将加速泄漏气体在空气中的弥散消耗。

在泄漏后期，当可燃气云弥散速度等于气体泄漏速度时，可燃气云的发展可以形成动态平衡。因此，可燃气云累积量的增加速度在泄漏后期逐渐降低，最终达到平衡点。在每个场景的泄漏达到动态平衡后，可燃气云累量积排序如下：场景1>场景2>场景3>场景4。

2.3 风速对可燃气云爆炸后果的影响

图5显示了在场景1、场景2、场景3和场景4中达到平衡时可燃气云的爆炸压力值。可以看出，在风速较高的情况下，爆炸强度会变弱。这是因为在高风速的场景中，可燃气云无法有效积聚，且总体积聚较小。点火后，小云团释放的能量较少，爆炸冲击波的强度大大降低。在场景1中，爆炸压力峰值最大达19.23 kPa；在场景2和场景3中，爆炸压力峰值最大分别为12.94 kPa和9.37 kPa，较场景1低48.60%和105.22%；在场景4中，与场景1相比，最大爆炸压力峰值进一步降低了190.92%。

图5 不同风速场景中可燃气云的爆炸压力值

在GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》中，不同的爆炸压力值对应建筑物的不同伤害程度（见表1）。

表1 爆炸冲击波的伤害程度

图6显示了场景1、场景2、场景3和场景4中爆炸冲击波的传播过程。可以看出：只有在场景1下，事故爆炸才能达到严重破坏的程度，此时，建筑1受到爆炸冲击波影响达到重度，而建筑2也将受到轻度破坏级别的冲击波影响；在场景2和场景3中，事故爆炸只能达到中等程度的破坏，建筑1是事故的主要灾区，将受到中等破坏程度的爆炸冲击波的影响，而建筑2不会受到影响；在场景4中，事故爆炸的破坏能力进一步降低，仅达到轻度的破坏程度，受影响区域仍位于建筑物1附近。掺氢体积比10%、20%、30%、40%下的轻微伤害半径分别达73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。

图6 不同风速场景中爆炸冲击波的传播过程

3 结论

风速条件加快空间内物质传输速度，影响气体泄漏的整个过程。在泄漏初期，泄漏气体保持在较高浓度水平，风的存在有利于促进泄漏气体与空气混合形成可燃气云。风速越大，可燃气云形成更快；在泄漏中后期，泄漏气体主要以可燃气云的形式扩散，边界浓度较低，风的存在会促进可燃气云发生弥散。

泄漏气体云累积量的变化与可燃气云的发展之间存在明显的一致性。在泄漏初始阶段，风的物质传输作用使得可燃气云累积量在高风速场景中会增加得更快；在泄漏中后期，风将加快可燃气云的弥散速度，可燃气云累积量的增加速度将随着风速的增加而降低。在每个场景的泄漏达到动态平衡后，可燃气云累积量排序如下：场景1>场景2>场景3>场景4。

风速越大，可燃气云将越难积聚，事故影响的范围也相对减小。当可燃气云在达到爆炸条件时，小风速场景中会产生更大的爆炸压力值。掺氢比10%、20%、30%、40%下的轻微伤害半径分别达73.2 m、43.4 m、32.5 m、28.4 m。根据站内对应的掺氢比例工况确定合适的安全距离，可有效减少事故的伤害性。