受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述_马青峰.pdf

1172 0 2 3 年 2 月第 3 5 卷第 1 期油 气 与 新 能 源文章编号：2097-0021（2023）01-0117-12受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述马青峰，韩辉，李玉星，孔莹莹，刘翠伟，常曦文，王赛磊中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院引用：马青峰,韩辉,李玉星,等.受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述J.油气与新能源,2023,35(1)：117-128.基金项目：国家重点研发计划“氢能技术”重点专项资助“中低压纯氢与掺氢燃气管道系统事故特征演化及完整性管理”（2021YFB4001603）摘要：将氢气掺入现有的城市燃气管道系统，能够实现氢气的较大规模输送，但同时也带来了更严峻的安全挑战。掺氢天然气在管道输送过程中如果发生连续泄漏，在城市燃气管廊和终端用户等受限空间容易形成危险气体积聚，氢气的高泄漏速率和扩散性、纯氢和掺氢天然气较大的燃爆浓度范围可能导致掺氢天然气在受限空间内的安全风险更大，伤害后果更严重。为此，围绕掺氢天然气在受限空间内的安全问题，综述了其在受限空间的泄漏积聚、燃烧爆炸特性和安全评价方面的研究进展，指出了目前面临的问题与挑战。建议未来应加强对掺氢天然气在特定应用场景下的泄漏扩散特性研究，深入研究掺氢天然气管道和临氢设备燃烧爆炸事故的特性和演化规律；安全评价方面可采用数据驱动、机理仿真的方法形成有效的掺氢天然气泄漏爆炸评价方法。关键词：掺氢天然气；管道输送；泄漏积聚；燃烧爆炸；安全评价中图分类号：TE88 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.2097-0021.2023.01.015Research Summary of the Leakage,Combustion and Explosion Characteristics Concerning Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas(HCNG)in Confined SpaceMA Qingfeng,HAN Hui,LI Yuxing,KONG Yingying,LIU Cuiwei,CHANG Xiwen,WANG SaileiCollege of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China)Abstract:Incorporating hydrogen into the existing urban gas pipeline system can realize the delivery of hydrogen on a larger scale,but it also produces more serious safety challenges.If continuous leakage of HCNG occurs during pipeline transportation,dangerous gas proves easy to accumulate in confined spaces such as urban gas pipeline corridors and end users.The high leakage rate and diffusion of hydrogen and the large range of explosion concentration of pure hydrogen and HCNG may result in greater safety risks and more serious injury consequences in the confined space.To this end,focusing on the safety problems of HCNG in confined space,this paper summarizes the research progress in terms of leakage accumulation,combustion and explosion characteristics and safety evaluation in confined space and also points out the current problems and challenges.It is suggested that we should step up efforts concerning the research on the leakage and diffusion characteristics of HCNG in specific application scenarios in the future,and further study the characteristics and evolution law of combustion and explosion accidents of HCNG pipelines and equipment in hydrogen service;in speaking of the safety evaluation,the paper suggests we should adopt data-driven and mechanism simulation to form the effective evaluation methods concerning the leakage and explosion of HCNG.Keywords:Hydrogen enriched compressed natural gas(HCNG);Pipeline transportation;Leakage accumulation;Combustion explosion;Safety evaluation0引言氢能具有零碳、无二次污染的特点，是当今世界公认的清洁能源，同时也被认为是 21 世纪最有前途的二次能源，大力发展氢能对保障国家能源供应安全、应对全球气候变化有重大意义。美国及118油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023其他发达国家都在为抢占氢能产业发展先机而积极谋划1-4。目前，国内的氢能产业链及储运技术已有了长足的进步，但氢能行业仍处于试验示范和市场推广阶段，预计到 2050 年将实现 10%左右的能源体系占比，市场需求将达到 6 000104 t/a，产值将达到 101012元以上，将建成 1 000 多个加氢站，3 000 km 的氢气长输管线，实现交通和工业领域氢能的推广5-7，并形成涵盖氢制备、氢储存运输和氢利用的完整氢能产业链（见图 1）。化石燃料制氢工业尾气制氢电解水制氢新兴技术(生物质、光解水）高压气态储氢低温液态储氢固态储氢有机液体储氢制储长管拖车气态输运液氢罐车输运管道输运运氢燃料电池发电家用合成氨、甲醇用天然气煤尾气生物质水图 1氢能产业链示意图氢的储存运输是沟通氢产业链上、下游的关键。从规模化利用和长期发展的角度看，高压气瓶、低温液氢输氢等方式无法满足大规模、低成本输送的需要，管道输送是氢能输送发展的必然方向。据统计，目前世界上约有 4 500 km 的在役纯氢管道，但这种管道系统建设成本和输运成本高8。以直径为 300 mm的纯氢管道为例，平均建设成本约为 854 美元/m，比天然气管道高 10%20%，运输距离为 100 km 时氢气运输成本约 2.73 美元/kg9-10，难以满足氢能快速发展的需求；另一方面，通过现有的输气管道与基础设施实现天然气和氢气的混合输运，或通过改造后进行纯氢输送，能实现低成本、规模化、连续性的氢能供给。因此，利用已有的天然气管道和相应的设施，进行掺氢输送可能是一种理想的方法。研究结果显示，在氢气含量较低的条件下，无需进行技术上的重大调整即可实现掺氢比例 10%20%的燃气输送11。因此，在中国氢气储运基础不完善的情况下，利用天然气管线掺混氢气是实现氢气高效输送的有效途径。国内外在掺氢天然气管道输送方面都开展了一些尝试。最早开展天然气掺氢相关研究的是 2002 年欧洲的 NATURALHY 项目12，近年来澳大利亚、加拿大和美国也开始研究如何利用其庞大的天然气管网来输送氢气，并建立了一系列的掺氢管道示范工程（见表 1），每年大约将 2 900 t 氢气混入天然气网。国内关于掺氢天然气管道输送示范工程的起步稍晚，2017 年 10 月，国家电力投资研究院与辽宁省朝阳市政府签订了氢能产业合作协议，于 2019 年建设了“朝阳市可再生能源氢气掺氢示范项目一期”，掺氢比例为 5%，填补了国内天然气管道掺氢技术的空白。表 1天然气掺氢管道输送示范项目项目或公司国家或组织起始年份项目情况NaturalHy 项目欧盟2004研究工业和家用掺氢天然气的气体泄漏和爆炸行为VG2 项目荷兰2008将风电制氢掺入天然气管网，终端设备未发现泄漏、火焰稳定性、回火或点火等问题Falkenhagen 风力发电德国2011将 2 MW 风力涡轮机产生的氢气混入德国 ONTRAS 天然气运营公司的天然气分配网络ITM 电厂德国2013掺氢比 0 2%GRHYD法国201320132015 年：试运行阶段，为天然气动力车辆提供掺氢天然气20162020 年：运营阶段，向天然气分配网络充入 20%的氢气P2G Ibbenburen德国2014电解制氢混入德国 Westnetz 公司的天然气分配网络Energiepark Mainz德国2015掺氢比 0 15%P2G NFCRC美国2016掺氢比 0 3.4%HyDeploy英国2016将 0.5 MW 电力机组生产的氢气注入英国的天然气网络中ENGIE GRHYD法国2018从 2018 年起，在 100 个新住宅社区的天然气管网中加入 10%的氢气，示范期为两年（到 2020 年增加到 20%）Wind to Gas Brunsbuttel德国2019掺氢比 0 2%，为天然气加气站提供含氢天然气ITM Power HyDeploy英国2019掺氢比 0 20%，英国首个将氢气混入天然气的供应系统，且无需更改设备SNAM 燃气公司意大利2019掺氢比 5%，每年向天然气管网注入 35108 m3氢气朝阳掺氢天然气管道示范项目中国2019全国首座电解制氢掺入天然气项目张家口掺氢天然气管道示范项目中国2020掺氢天然气应用于张家口市的商用、民用用户和 HCNG 汽车Avacon 项目德国2020在萨克森安哈尔特州的天然气管网中掺氢119第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月马青峰等：受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述尽管将氢气与天然气混合输送能够节省投资和运行成本，但掺氢比较高时，在管道材料、安全和终端设备等方面都会带来许多挑战（见图 2）。在任何特定的管道系统中容纳更高比例的氢气所带来的高风险需要与添加氢气带来的收益进行权衡，并综合考虑管道材料、安全和终端设备或其他用途所需进行适配性修正。目前，天然气管输技术已经成熟，氢的掺入将会带来新的技术和安全问题，氢气分子量小、扩散速度快，掺氢管道面临的泄漏扩散风险更大；泄漏扩散后的氢气密度小，更容易向上扩散，在城市燃气管廊和终端用户等受限空间容易形成危险气体积聚，而纯氢和掺氢燃气较大的燃爆浓度范围进一步升高了事故的风险概率；氢气点火能低、燃烧速度快，燃烧及加速燃烧导致的爆轰等可能导致更高的事故概率和伤害后果，掺氢天然气的安全问题是氢能大规模利用亟待解决的关键问题，需要从机理模型到安全评价等方面开展研究。本文着重探讨了掺氢天然气在受限空间中的积聚和燃爆安全问题，对今后的发展方向进行了展望，给出了研究建议。掺氢天然气输送和利用安全因素对管道系统的影响对下游用户的影响对泄漏后果的影响管材适应性泄漏/积聚/扩散爆炸风险对压缩机、管件影响对民用燃气设备的影响对工业燃气设备的影响计量设备适应性基础设施安全评估与完整性事故灾害演化与灾变机理安全检测与监测预警事故应急与保障机制图 2掺氢天然气管道输送风险因素及挑战1受限空间的泄漏积聚氢分子比甲烷要小很多，分子直径是甲烷的75%，容易发生渗漏和泄漏。即使管线状态良好，渗漏仍不可避免，研究表明氢气在管线接头处的渗漏速度是天然气的 3 倍。对德国掺氢天然气管道进行的一项分析表明，掺氢比为 17%的天然气管线渗漏率是原管线的 2 倍，但由于渗漏量仅占输量的0.000 5%，所以对操作的安全性和经济性没有太大的影响13。在管道完整性缺失或局部密封失效情况下，氢气泄漏速度快于天然气，在开阔空间形成的危险气云更集中，上升速度更快，近地面危险后果较小。然而，在民用房屋、管廊等受限空间发生泄漏时，很容易出现氢气积聚并形成爆炸性气体混合物。Yang 等14对氢气在受限空间内的垂直泄漏扩散试验数据进行了总结，提出了两种氢气在受限空间中的扩散模式，即 Filling box 和 Fading up box（见图 3）。Filling box 是一种低压、低动量的泄漏模式，泄漏速度慢，氢气射流在到达受限空间的天花板之前被转化为羽流，羽流首先在天花板的顶部积累了较高的浓度，然后逐渐向下扩散，在顶部和扩散面之间形成一个较大的浓度梯度，这里氢气-空气混合的主要驱动力是氢气羽流。Fading up box 是一种高压、高初始动量的泄漏模式，它的泄漏速度很快，泄漏的气体在达到顶部前一直是射流，没有形成羽流，泄漏的气体在到达天花板时与周围的混合气体完全混合，氢气浓度在喷嘴上方的整个自由体积内几乎是均匀增加的，这里氢气-空气混合的主要驱动力是氢气射流。从爆炸性云团形成的宏观动力学分析，在 Filling box 模式中，氢气-空气可燃性云团的形成速度是Fading up box 模式的数倍（见图 4），浓度梯度的存在将导致可燃氢云首先出现在 Filling box 模型中，但在此过程中，爆炸性云团的增加率相对较低。而Fading up box 模型的浓度梯度很小，氢气云的浓度将均匀增加，爆炸性混合物的形成有明显的延迟，但爆炸性云层的增加率非常高。从安全角度来看，爆炸云（氢气浓度范围为 4%74%）重要的特征之一是增长速度，爆炸云的增长速度值决定了应急反120油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023应的可用时间。与 Filling box 模式相比，Fading up box 模式更倾向于预混合特性。在相同的泄漏量下，Fading up box 模式中的可燃量被确定为比 Filling box模式中的可燃量高约 8%。10%8%6%4%6%4%（a）Filling box示意图（b）Fading up box示意图图 3受限空间氢气混合物形成的两种演化模式510152025020406080100爆炸包络物与外壳体积比/%时间/minFading up boxFilling boxD（泄漏孔径）=0.008D=0.000 6图 4两种不同的泄漏模式下 爆炸性 混合物包络的时间演变图两种模式之间的另一个区别是氢-空气混合物的易燃性。Kumamoto 等人15推断了最小点火能量（MIE）与空气中氢气浓度之间的关系，具体来说，当氢气体积分数在 20%和 30%之间时，氢-空气混合物的 MIE 最低。因此，Filling box 模式情况下，由于浓度较高，更容易以较低的 MIE 被点燃。此外，泄漏的初始位置、通风口的位置及大小、空间内是否存在障碍物等因素都会影响氢气在受限空间内的扩散行为。Stefano 等16对不同泄漏位置及不同泄漏速度下氢气在受限空间内的扩散进行了实验研究。研究结果表明，泄漏速率对氢气在空间中的浓度分布有很大的影响，而泄漏位置对其影响较小。同时，随着氢气泄漏速率的增加，泄漏位置对空间中的氢气浓度分布的影响会越来越小。此外，通过实验分析了障碍物对氢气浓度分布的影响，发现在通过障碍物时，氢气射流会产生一定的能量损耗，同时也会改变流动的方式，即空间顶部的氢气浓度梯度增大，使空间中的氢气密度分布均匀化所需要的时间延长。由于氦气与氢气的密度相近且不易燃易爆，出于安全考虑，一些学者采用氦气代替氢气来研究其在密闭空间内的泄漏积聚行为。Cariteau 等17通过试验测定了在不同通风条件下，有限空间中氦气的浓度分布，发现通风孔的尺寸和形状对氦气的分布有很大的影响。随着通风孔的增大，氦气的浓度也随之降低。在通风孔呈扁平状的情况下，在上部空间中快速地形成了一个均匀的氦气层，并在高度上产生了一个很大的浓度梯度，然后氦气的浓度在整个空间内趋向均匀。因为通风孔的上下边相距较近，不能和外面的空气流通。而当通风孔的形状是狭长的，也就是通风孔的上下高度相差很大的时候，外界的空气就会进入到空间的底部，从而产生气流的流通，造成了空间中的氦气浓度的巨大差异。Denisenko 等14在两个密闭空间中进行了氦气的泄漏和扩散实验，发现在低泄漏率下，泄漏的气体首先在密闭空间的顶部聚集，然后逐渐向下扩散；而在高泄漏率下，泄漏的气体均匀地分布在泄漏点附近。Prasad 等18应用 Fire Dynamics 软件模拟了密闭空间中氢-氦混合气体的低速泄漏和扩散。结果表明，泄漏孔径的大小对监测点的浓度有轻微的影响，而泄漏位置、泄漏速率和泄漏时间影响较大。121第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月马青峰等：受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述Mohammad19模拟了氢气在密闭圆筒室中的泄漏，揭示了泄漏后剩余气体的扩散行为，并对危险高度以及危险消失时间进行了定量分析。Gupta 等20研究了密闭车库内的氦气释放，结果表明决定密闭空间内泄漏气体峰值浓度的主要因素是泄漏气体的总量而不是泄漏率，但是泄漏速率的变化会影响车库内气体的混合行为。掺氢天然气泄漏后的气体积聚行为与天然气相似，泄漏速度、泄漏位置、泄漏空间状况等都会对其产生一定的影响。Lowesmith21对掺氢天然气在密闭空间（民房）中的泄漏、积聚行为进行了研究，结果表明：掺氢比低于 50%时，掺氢天然气的积聚行为与纯天然气相似，当泄漏压力条件相同时，氢气掺入会使泄漏速率提高，同时由于泄漏后氢气的快速扩散，导致达到爆炸极限的氢气云团主要集中在泄漏口，使泄漏口周围的危险性增大。Wilkening等22在有风和无风情况下，分别对管道内的 H2-CH4混合气体和纯甲烷泄漏扩散进行了模拟计算，发现混合气体的泄漏速率和泄漏量都比甲烷大，但是氢气密度低、浮力大，在近地附近的氢气积累少，减少了混合物被点燃的风险。目前对纯氢泄漏扩散的研究较多，对于掺氢天然气在受限空间内的泄漏扩散研究仍然不足，由于实际应用中影响因素复杂，实验规模与真实的事故场景（管廊、隧道、地下停车库等）仍存在很大的差距，对大空间内扩散研究缺乏可靠基础数据。2受限空间燃爆问题氢气安全事件通常始于一次偶然的氢气泄漏，之后根据外部条件的不同可能会导致不同的事故类型（见图 5）23。根据泄漏时所处的空间情况，可以将其划分为开放空间和密闭空间内的扩散行为。在密闭空间内发生泄漏事故时，氢气会更容易发生积聚，形成一个大范围的可燃区域。根据点燃时间的长短，可能发生射流火、闪火、爆燃爆炸等一系列不同类型的事故。以综合管廊为例，其内部的燃气事故发生顺序为：管道形成泄漏孔管道内气体泄漏管廊内气体聚集扩散气团遇明火燃烧火灾或爆炸等几个过程，产生的超压以及热辐射将会对周边的人员以及设备造成巨大的伤害，所以需要提前对此类事故进行全面的分析研究以确定事故影响范围，同时采取相应措施来限制事故的后果。由于尺寸的限制和安全方面的考虑，受限空间内可燃气体燃爆的全尺寸实验研究较少，小尺寸实验（见表 2）和数值模拟（见表 3）成为解决此类问题的主要研究方法。泄漏开放空间受限空间立即点燃喷射火扩散瞬时泄漏连续泄漏立即点燃蒸气云延时点燃扩散蒸气云延时点燃爆炸是否是否否是是否图 5氢气泄漏导致的事故后果可燃气体的燃烧通常是由微弱的点火条件引起的，当点火能量很大时，燃烧的气体会产生爆轰24。在小能量点火后，密闭管道内的火焰发展可分为以下 4 个阶段25：半球形火焰、手指形状火焰、火焰面外围与管道壁面接触、郁金香火焰。Xiao 等26在研究封闭的管道中氢气-空气火焰的传播特性时发现，在郁金香火焰之后，会有一种扭曲的郁金香火焰（t 6 ms）（见图 6）。层流火焰因流动和热扩散的不稳定性而向湍流方向发展，火焰面积的增加使化学反应速率增加，燃烧速度进一步提高，此时燃烧波和冲击波处于分离状态，燃烧波落后于冲击波，这个过程称为爆燃。在上述密闭空间内，火焰传播路径上可能存在一些不同形状的障碍物，如车间内的设备和设施、隧道内行驶的车辆、管道内的测量装置或阀门等。当火焰在传播路径上遇到障碍物时，由于火焰和障碍物间的循环激励作用，使燃烧过程变得更加复杂，火焰燃烧进一步加速，最终燃烧波与冲击波以相同的速度向前运动，这个过程称为爆轰（见图 7），以上 2 个过程统称为爆燃转爆轰（DDT）27。研究表明，密闭管道内火焰传播会经历缓燃、爆燃、爆燃转强爆轰、强爆轰衰减、稳定爆轰等 5 个阶段。爆轰波的危害远远大于爆燃波，其存在会严重加剧事故后果，因此 DDT 一直是氢气122油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023燃烧和爆炸领域的热门研究课题。由于 DDT 的发生速度很快，转换通常在几微秒到几十微秒内完成。因此，实验中记录的特性是有限的，并且定量研究较为困难，但纹影、阴影、激光诱导荧光等光学测试方法的运用，使得学者们能够从定性的角度认识DDT 的作用机制。另一方面，数值模拟正成为研究DDT 的重要方法，目前研究的重点集中在 DDT 的产生机理及障碍物尺寸、空间受限程度、燃料气体成分、燃料浓度梯度和反应边界条件对火焰加速过程和 DDT 发生位置的影响等方面28。表 2受限空间氢气和掺氢天然气燃爆实验研究气体类型研究者年份研究内容实验条件氢气Tang 等292020H2-Air 爆燃时火焰行为及通风口大小对爆炸超压的影响受限空间尺寸：1 m0.55 m1.8 m；氢气浓度：30%；点火能量：500 mJChen 等302020氢气浓度和障碍物对氢气爆炸外部压力的影响受限空间尺寸：3 m3 m3 m；氢气浓度：15%21%Qiu 等312021通风口面积和点火位置对爆炸超压特性影响受限空间尺寸：1.5 m1.5 m2 m；点火能量：500 mJSchiavetti 等322021障碍物布置对贫燃 H2-Air 爆燃特性影响空间体积：25 m3Rui 等332022泄爆压力对超压和火焰演变的影响受限空间尺寸：1 m0.55 m1.8 m；初始压力：100 kPa；初始温度：295 KZhang 等34氢气浓度对爆炸特性的影响管道长度：5 mWang 等35氢气-空气混合物在阻塞矩形管中的爆炸特性管道尺寸：70 mm70 mm500 mm掺氢天然气郑凯362017混合气体当量比、掺氢比、管道长径比以及障碍物等因素爆燃对预混火焰结构、传播速度与超压等特征参数的影响障碍物管道：0.5 m0.1 m0.1 mYu 等372019点火位置和掺氢比对矩形管道中 H2-CH4混合气体爆炸特性的影响管 道 尺 寸：1.2 m0.1 m0.1 m，左 端 封闭，右端采用 PVC 薄膜密封Duan 等382020氢气比例对 H2-CH4混合气体爆炸超压和火焰演变的影响管道尺寸：1 m0.3 m0.3 m；点火能量：500 mJChao 等392020惰性气体对掺氢天然气在管道中爆炸行为的抑制效果管道尺寸：0.3 m0.025 m0.025 m；掺氢比：0、20%、50%、80%Li 等402022孔板障碍物管道内 H2-CH4混合气体爆轰传播特性管道尺寸：3.5 m0.07 m0.07 m；初始压力：8 50 kPa；点火能量：5 J表 3受限空间氢气和掺氢天然气燃爆数值模拟研究气体类型研究者年份研究内容模拟条件氢气Goodwin 等412016不同障碍物阻塞比下火焰加速和 DDT 产生机理二维 N-S 方程；单步 Arrhenius 机理王公忠等422017障碍物对预混火焰失稳影响壁面自适应局部涡黏模型；大涡模拟；火焰增厚化学反应模型Dounia 等432019单步 Arrhenius 机理和 9 组分 18 步详细反应机理对 H2-Air DDT 的影响大涡模拟Rudy 等442020H2-Air 混合物在有障碍物通道中的 DDT 极限ddtFOAM 代码周宁等452021不同管道结构对 H2-Air 预混气体燃爆火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布影响基于 C 方程的 Zimont 模型掺氢天然气Wang 等462009加氢对甲烷-空气混合物燃烧的影响的数值研究Chemkin II；GRI-MECH3.0 机理Ma 等472014当量比和初始压力对掺氢天然气在密闭空间爆炸特性的影响AutoReaGas 软件郑凯362017掺氢比对密闭管道中 H2-CH4-Air 预混火焰传播特征的影响大涡模拟；火焰表面密度模型（FSD）Zhang 等482017爆炸性混合物的蒸汽云爆炸特性单步反应机理Zhang 等492020地下综合管廊中的爆炸特性FLACS123第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月马青峰等：受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述667ms0.667 ms1.067 ms1.467 ms3.467 ms2.867 ms1.867 ms4.267 ms4.467 ms4.867 ms5.267 ms5.667 ms6.067 ms6.267 ms6.867 ms7.067 ms球形火焰指状火焰平板火焰郁金香火焰扭曲郁金香火焰图 6火焰发展初期的几种形态56已燃烧未燃烧1.0231.0121.0030.9960.9890.9600.9060.8150.0500.0230.1330.2420.4040.5180.6490.7540.7710.7991111224357658910121216171617161517161516171515161414151312131117181112131110111033HSD2D3F1F1D4D1150020002500 T/K600500400300T/K图 7有障碍物的通道中的火焰加速和 DDT27124油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023掺氢天然气泄漏后形成的可燃气体，其燃烧浓度范围和燃烧速率相比天然气都有所增加。一些学者对掺氢的甲烷/空气预混气体的爆炸特性进行了探究。Woolley 等50建立了 H2-CH4-Air 预混气体爆炸超压的数学模型，该模型对 70 m3容器爆炸后的超压预测与实验数据一致。混入氢气可以显著增加爆炸压力和温度，增加爆炸风险。Wu 等51在一个垂直的管道中研究了掺入氢气对甲烷爆炸特性的影响。实验结果表明，氢气的加入提高了爆炸气体的温度，与纯 CH4火焰相比，在 CH4中添加 30%和50%H2时，峰值温度分别增加了 51 K 和 90 K，随着 H2添加量从 0 增加到 50%，火焰峰值温度的增加约为 7%，在相同的输入热能条件下，加氢提高了总的热通量。Ma 等47对 H2-CH4混合气体在密闭空间内的爆炸特性进行了数值研究，分析了掺氢比和初始压力的影响。结果表明，掺氢会减少爆炸时间，增加压力上升速率，诱导反应速度增加。随着燃料中氢气含量和初始压力的增加，最大压力和升压率均增加。当掺氢比低于 50%时，最大压力上升率的增加很小，但当掺氢比高于 50%时，增加变得显著。同化学计量比下氢气-空气的最大压力上升率约为甲烷-空气的 10 倍。Lowesmith 等52研究了掺氢天然气的燃烧和爆炸过程。研究发现，混合气体在开放空间内燃烧剧烈，掺氢天然气火焰的外观与天然气火焰相似，火焰长度略短于从相同出口孔径释放的天然气火焰。当掺氢比超过 20%时，会出现明显的超压，当掺氢比超过 40%时，爆燃转爆轰的风险增加。同时根据对掺氢天然气在部分受限空间内爆炸特性的研究结果，爆炸超压随着氢组分的增加而增加，但是掺氢比低于 20%超压增加不明显，掺氢比高于 50%时超压增加显著。最大压力和压力上升率会随着空间拥挤程度增加而增大，危险程度也随之增加。郑凯36通过实验与数值模拟研究了 CH4/H2/Air 混合气体在密闭管道中的爆燃火焰传播过程，分析了预混火焰结构、传播速度与超压等特性随氢气体积分数、长径比、障碍物等的传播规律，结果表明传播速度与超压均随着氢气体积分数和障碍物阻塞率的增加而增大，最大火焰传播速度出现在长径比为 10 的管道中。王鲁庆等53实验研究了 H2-Air 和 H2-CH4-Air混合气体在含障碍物圆管中的爆轰特性，结果表明障碍物的间距对火焰速度影响较大，在一定范围内增大障碍物间距有利于爆轰波的传播。Zhang48等研究了当量比为 1 的 H2-Air、C3H8-Air 和 CH4-Air等混合气体的爆炸特性，结果表明，在其他条件相同的情况下，氢气和空气混合物的爆炸峰值压力较高。与爆炸超压不同，3 种混合物在不同位置的爆炸温度几乎相同。在掺氢天然气燃爆浓度范围的研究中，Messaoudani等54研究指出混合气体点火能随氢气组分的增加而成比例地降低，混合气体的可燃浓度范围随着氢气组分的增加而增大（见图 8）。其中，纯甲烷的燃烧下限（LFL）和燃烧上限（UFL）分别为 4.4%和17.0%，利用 Le Chatelier 混合规则可以计算出掺氢天然气的 LFL 和 UFL，以掺氢比为 10%的天然气为例，其 LFL 和 UFL 分别为 4.36%和 18.44%。可见，天然气掺入氢气后可燃浓度范围扩大，可能形成潜在爆炸性环境的区域范围扩大，当然实际危险区域范围还需要根据泄漏量、扩散环境条件等综合判断。Maria 等55研究了掺入氢气对天然气爆炸范围的影响，结果表明当掺氢比小于 10%时对爆炸范围影响不大，当掺氢比超过 25%时，混合物的爆炸范围将显著增大。12345020406080100掺氢比/%当量比LFLUFL可燃区不可燃区图 8CH4/H2/Air 混合物的可燃性区域示意图尽管国内外目前对掺氢天然气的燃烧和爆炸特性有了较多的研究，但受限于实验规模和安全性等因素，密闭空间中的大规模、全尺寸掺氢天然气爆炸试验较少。研究大多采用小尺寸实验和数值模拟的方法，研究结论的适用性有限，且研究主要针对纯氢管道，对掺氢天然气管道的研究较少。有必要深入研究掺氢天然气管道和临氢设备燃烧爆炸事故的特性和演化规律，为掺氢天然气管网的安全运营125第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月马青峰等：受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述和应急抢修提供保障。3掺氢天然气安全评价安全是氢能产业化发展的基础和内在要求，因此对输氢系统进行安全评价是十分必要的56。目前对氢能基础设施执行定量风险评价（QRA）的研究中，每一个都有自己的假设（计算流体力学建模、假设、材料和设备的属性等）和风险评估方法（具体流程见图 9），即使对于相同的事故类型，由于模型精度和条件设置的不同，往往会得到不同的风险评估结果57。因此提高模型的准确性及模拟条件设置的合理性对氢能风险评价具有重要意义。为了解决上述问题，欧盟燃料电池和氢气联合协会启动了 SUSANA 项目58，对与氢气事故（泄漏、扩散、燃烧和爆炸）相关的数值模型进行了大量验证工作，并给出了氢气数值模拟研究的推荐方法。与天然气基础设施相比，与氢气相关的故障和事故的可用数据量是有限的，所以对氢气进行 QRA 仍然具有挑战性。除此之外，在掺氢天然气管道输送等特定应用场景下，仍然缺乏针对氢气事故的 QRA 评估方法59-60。泄漏特征计算每个尺寸的参数泄漏尺寸定义要分析的释放尺寸情景概率计算喷射火和爆炸的概率泄漏频率计算每个泄露尺寸的泄漏频率系统描述详细记录系统和位置范围分析选择分析指标和容忍度标准喷射火爆燃/爆轰火焰辐射计算每个目标地点的热通量或易燃区的范围火焰接触计算火焰的大小或易燃区的范围热伤害计算热效应造成的损失概率超压计算每个目标超压和持续时间超压伤害计算超压效应造成的损失概率总风险使用所有目标的总伤害和所有情景的情景概率计算总风险开始系统描述风险描述情景识别事故概率事故后果风险判定风险可接受接受风险采取措施采取行动，将风险降低到可接受的水平图 9风险评估流程和氢的 QRA 风险评价方法在安全评价技术应用开发上，国外一些研究机构和公司基于标准规范和示范经验，开发了用于定量评估的工具软件，包括 GEXCON 公司开发的 FLACS-HYDROGEN 和 DNV 公司开发的 PHAST61。除此之外，NATURALHY 项目也开发了一套软件，用于评估掺氢天然气管道在不同完整性管理条件下的失效概率62-63。国内外学者利用上述模型和软件，对氢气管道失效的后果进行了一些模拟和分析，但受限于目前掺氢事故数据和后果评价模型的不足，难以满足安全评价的现实需求。4结论掺氢天然气管道输送对促进氢能产业发展具有重要的意义，但也同时带来了更现实和严峻的安全挑战。掺氢天然气泄漏、燃烧和爆炸过程的机理更为复杂，演化过程多变，影响因素众多，相应的安全评价方法不完善，限制了掺氢燃气输送技术的工程应用。（1）在掺氢燃气泄漏扩散方面，由于氢气对泄漏和扩散的促进效应，使得受限空间内安全风险加大，典型用氢环境的泄漏扩散过程需要进一步的研究，以指导氢气传感器布置和通风方案设计等，从而降低事故发生的风险。（2）氢气燃烧和爆炸特性与天然气也存在明显不同，更快的燃烧速度和更高的超压值，可能导致更严重的事故后果，目前对掺氢燃气燃爆特性研究较少，数值方面，燃爆过程剧烈的化学反应和瞬时强烈湍流，需要发展兼顾求解精度和计算成本的模126油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023型和算法，以将模拟结果推广到更复杂的应用场合；另外实验数据仍然非常有限，难以形成有效的伤害后果计算模型来用于后续的安全评价，同时抑爆技术的研究也非常欠缺。（3）掺氢燃气的安全定量评价是工程应用的重要前提和保障，亟需发展掺氢燃气管道失效概率和事故后果的定量模型，鉴于事故数据和实验数据的欠缺，未来通过机理仿真模型和数据驱动模型结合的方法有助于建立更可靠的风险评价方法。掺氢天然气管道输送技术的发展是一项系统性的复杂工作，其发展需要多学科共同努力和工程界的广泛参与，在借鉴国外掺氢天然气示范经验和相关标准基础上，针对关键问题开展技术攻关，推进相关的实验研究和示范工程，促进中国氢能产业的蓬勃发展。参考文献：1 LU J,ZAHEDI A,YANG C,et al.Building the hydrogen economy in China:Drivers,resources and technologiesJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013,23(23):543-556.2 WURSTER R.Hydrogen safetyJ.Compendium of Hydrogen Energy,2016(14):195-213.3 PAL D B,SINGH A,BHATNAGAR A.A review on biomass based hydrogen production technologiesJ.International Journal of Hydrogen Energy,2022,47(3):1461-1480.4 黄晟,王静宇,郭沛,等.碳中和目标下能源结构优化的近期策略与远期展望J.化工进展,2022,41(11):5695-5708.5 LAKHERA S K,RAJAN A,P.R T,et al.A review on particulate photocatalytic hydrogen production system:Progress made in achieving high