掺氢天然气高压管道小孔泄漏及扩散特性

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.04.004

摘要/Abstract

摘要：

通过现有的天然气管道运输掺氢天然气，可大幅降低氢气运输成本。为了评估掺氢天然气管道泄漏的风险，综合高压管道小孔泄漏模型和高斯羽流模型，考虑射流初始动量导致的抬升高度，将高斯羽流模型计算结果与已有实验数据进行对比，并分析了掺氢天然气管道发生单个小孔竖直向上喷射泄漏后，掺氢比、管道压力、风速和泄漏孔直径对泄漏气体导致的爆炸危险区域范围的影响规律。结果表明，高斯羽流模型计算结果与实验数据比较吻合；甲烷危险区域最大距离与掺氢比近似呈线性负相关，氢气危险区域最大距离与掺氢比近似呈线性正相关；甲烷和氢气危险区域最大距离与管道压力近似呈线性正相关，与风速近似呈抛物线型负相关，与泄漏孔直径近似呈正相关。

关键词: 掺氢天然气, 高压管道, 泄漏, 扩散, 高斯羽流模型, 危险区域

Abstract:

Transporting hydrogen?blended natural gas (HBNG) through existing natural gas pipelines can significantly reduce the cost of hydrogen transportation. To evaluate the risk of HBNG pipeline leakage, a high?pressure pipeline small?hole leakage model and a Gaussian plume model are combined, taking into account the lifting height caused by the initial momentum of the jet. The calculation results of the Gaussian plume model are compared with the existing experimental data. Then, the influence of the hydrogen mixing ratio, pipeline pressure, wind speed, and leakage hole diameter on the explosion risk area caused by the leakage of the natural gas pipeline is analyzed. The research results indicate that the calculation results of the Gaussian plume model are in good agreement with the experimental data. The hydrogen mixing ratio is approximately linearly negatively correlated with the maximum distance from the methane hazardous area, and linearly positively correlated with the maximum distance from the hydrogen hazardous area. The maximum distance between methane and hydrogen hazardous areas is approximately linearly positively correlated with pipeline pressure, negatively correlated with wind speed, and approximately proportional to the diameter of the leakage hole.

Key words: Hydrogen?blended natural gas, High pressure pipeline, Leakage, Diffusion, Gaussian plume model, Danger zone

中图分类号:

TE88

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图/表 11

图1 管道泄漏模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of pipeline leakage model

图2 气体泄漏后在下游扩散的高斯羽流模型示意图

Fig.2 A schematic of the Gauss plume model of gas escaping downstream

表1 布里格斯给出的不同大气稳定度下的羽流宽度[14]

Table 1 Width of the plume of Briggs under different atmospheric stability[14]

大气稳定度	$σ y$ /m	$σ z$ /m
A	$0.220 x 1 + 0.000 1 x$	$0.200 x$
B	$0.160 x 1 + 0.000 1 x$	$0.120 x$
C	$0.110 x 1 + 0.000 1 x$	$0.080 x 1 + 0.000 2 x$
D	$0.080 x 1 + 0.000 1 x$	$0.060 x 1 + 0.001 5 x$
E	$0.060 x 1 + 0.000 1 x$	$0.030 x 1 + 0.003 0 x$
F	$0.040 x 1 + 0.000 1 x$	$0.016 x 1 + 0.003 0 x$

表1 布里格斯给出的不同大气稳定度下的羽流宽度[14]

Table 1 Width of the plume of Briggs under different atmospheric stability[14]

大气稳定度	$σ y$ /m	$σ z$ /m
A	$0.220 x 1 + 0.000 1 x$	$0.200 x$
B	$0.160 x 1 + 0.000 1 x$	$0.120 x$
C	$0.110 x 1 + 0.000 1 x$	$0.080 x 1 + 0.000 2 x$
D	$0.080 x 1 + 0.000 1 x$	$0.060 x 1 + 0.001 5 x$
E	$0.060 x 1 + 0.000 1 x$	$0.030 x 1 + 0.003 0 x$
F	$0.040 x 1 + 0.000 1 x$	$0.016 x 1 + 0.003 0 x$

表2 高斯羽流模型氨气体积分数理论值与R.BOUET实验值对比[20]

Table 2 The comparison of theoretical value and R.BOUET's experiment of ammonia concentration in Gauss Plume model[20]

距离泄漏源的距离/m	体积分数/%		相对误差/%
距离泄漏源的距离/m	实验值	理论值	相对误差/%
20	1.500 0	1.880 0	25.3
50	0.450 0	0.440 0	2.2
100	0.150 0	0.120 0	20.0
200	0.040 0	0.034 0	15.0
500	0.004 0	0.006 5	62.5

图3 掺氢天然气管道泄漏物理模型

Fig.3 Physical model of leakage of hydrogen?doped natural gas pipeline

图4 甲烷和氢气在不同位置处水平截面上的等体积分数线

Fig.4 The upper volume fraction line of CH4 and H2 in the horizontal section at different

图5 不同高度水平截面上甲烷和氢气的危险区域（a）甲烷（b）氢气

Fig.5 The range of dangerous zones for methane and hydrogen in horizontal sections at different heights

图6 不同掺氢比下甲烷和氢气在x、y方向的危险区域最大距离（a）甲烷（b）氢气

Fig.6 The maximum distance of dangerous zone in x and y direction corresponding to CH4 and H2 under different hydrogen doping ratios

图7 不同管道压力下甲烷和氢气在x、y方向的危险区域最大距离（a）甲烷（b）氢气

Fig.7 The maximum distance of dangerous zone in x and y direction corresponding to CH4 and H2 under different pipeline pressures

图8 不同风速下甲烷和氢气在x、y方向的危险区域最大距离（a）甲烷（b）氢气

Fig.8 The maximum distance of dangerous zone in x and y direction corresponding to CH4 and H2 under different wind speeds

图9 不同泄漏孔直径下甲烷和氢气在x、y方向的危险区域最大距离（a）甲烷（b）氢气

Fig.9 The maximum distance of dangerous zone in x and y direction corresponding to CH4 and H2 under different leak hole diameters

参考文献 20

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