地下综合管廊氢掺混天然气泄漏应急响应通风率计算方法研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：A study on ventilation rate calculation method for emergency response to hydrogen-blended natural gas leaks in underground utility tunnels

　　

研究了地下综合管廊中氢掺混天然气（Hydrogen Blended Natural Gas， HBNG）泄漏的应急通风策略。本研究综合运用缩比实验和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）模拟，探究HBNG的扩散与应急通风行为。结果表明，在氢掺混比（Hydrogen Blending Ratio， HBR）≤20%的典型工程范围内，HBNG的泄漏特性与甲烷相似，因其下爆炸极限（Lower Explosive Limit， LEL）接近，这使得现有检测器无需改造基础设施即可适用。孔口流量系数显著依赖于HBR和泄漏孔径，而压力效应可忽略。泄漏参数与浓度变化率之间存在关联，可实现泄漏速率的快速估算，从而计算通风频率，以将浓度抑制在LEL以下。案例研究表明，将通风频率提高至10.87次/小时可确保安全。这些发现为通风控制与传感器部署建立了实用框架。该方法为CFD试错法提供了更快捷的替代方案，并支持在HBNG相关技术规范中确定通风限值。

氢能源具有部分替代化石燃料的潜力，被广泛认为是未来能源体系的重要组成部分。电转气（Power-to-Gas， P2G）是氢能应用的重要途径之一，在该过程中，过剩的可再生电力通过电解转化为氢气，随后与天然气混合并输送至现有基础设施。这有助于解决风光电力过剩、电网整合困难以及氢能应用高昂的基础设施成本等问题。然而，在天然气系统中掺混氢气引入了若干技术与运营挑战，因此需要严格控制掺混气中的氢浓度以确保现有基础设施的安全与可靠性。本文将氢气与天然气的混合物称为氢掺混天然气（HBNG），其氢气体积分数称为氢掺混比（HBR）。HBNG在输送至终端用户前，需经过各级城市燃气输配网络，其中地下综合管廊是典型的输送场景。
作为多种管道的集约化载体，地下综合管廊在地下空间高效利用和市政管理方面优势显著，但其运输过程中的安全性是首要关切。由于高度密闭的特性，管廊的燃气舱对防爆和通风换气率有严格要求，以便在气体泄漏时迅速排出可燃气体，防止形成危险的爆炸性气云。根据中国现行标准GB/T 50838，管廊需安装机械通风系统，并可与天然气浓度探测器联锁启动。正常通风时，换气次数不应低于6次/小时；应急通风时，不应低于12次/小时。当燃气舱内天然气浓度超过报警值时，事故段及相邻段的应急通风设备应立即启动。然而，当输送介质切换为HBNG时，这些基于纯天然气得出的结论是否仍需修订，目前尚待研究。
目前，HBNG在综合管廊内的安全保障技术路线尚不明确。特别是掺氢后气体物理性质的改变，对管廊内流场组织和传感器布置的影响需要进一步研究。现有甲烷检测器对HBNG泄漏的快速响应能力有待验证，氢气高扩散性对通风频率的量化影响也亟待确定。为解决上述问题，研究人员开展了HBNG在地下综合管廊内泄漏与扩散的CFD数值模拟，重点分析了泄漏气体浓度的时空演化特征。鉴于城市管廊极大的长径比和占地面积，建造全尺寸实验平台不切实际。为此，本研究基于相似原理建立了涵盖泄漏源上下游区域的缩比泄漏场景，通过物理缩比模型实验研究HBNG泄漏的近场特性，利用CFD数值模拟分析其远场扩散行为，并使用缩比实验数据对CFD模型进行校准和验证。在此基础上，全面掌握泄漏气体的时空分布，从而制定出与气体探测器响应特性相匹配的应急通风策略。研究还建立了受HBR影响的孔口流量修正系数模型，通过分析浓度分布和报警触发时间的差异，验证了现有甲烷检测器在低HBR下的适用性。最后，借鉴HBNG泄漏特性，提出了一种基于浓度变化率的通风量快速计算方法。
本研究的主要关键方法包括：基于相似理论的缩比泄漏实验，用于获取近场数据并校验模型；利用CFD（k-ε模型）进行数值模拟，分析远场扩散行为；建立修正的孔口流量系数模型；以及开发基于浓度变化率的泄漏速率快速估算与通风频率计算方法。研究中未详细提及试剂与培养操作，但缩比实验模型参考了GB 50838相关要求建立。
研究结果部分：
（一）泄漏过程相似性理论：研究人员通过理论和实验分析发现，在典型工程范围（HBR≤20%）内，HBNG的泄漏和扩散特征与纯甲烷高度相似。这是因为甲烷仍是HBNG中的主要组分，且CH₄与HBNG的LEL相近。这一发现为在低HBR下沿用现有天然气安全监测与应急体系提供了理论依据。
（二）孔口流量系数修正：研究通过实验与模拟发现，对于圆形泄漏孔，常规假设的1.0孔口系数会导致流量预测偏差。孔口系数显著依赖于HBR和泄漏孔径，但管道内压影响可忽略。研究建立了考虑HBR和孔径影响的孔口系数修正模型，显著提高了泄漏量预测精度。
（三）泄漏量快速估算与通风频率计算：通过分析浓度场数据，研究人员建立了浓度变化率、泄漏压力、泄漏孔径与泄漏量之间的量化关联。基于此，提出了一种无需进行复杂CFD模拟的泄漏速率快速估算方法。结合气体检测器的响应特性，进一步推导出能够将泄漏气体浓度抑制在LEL以下所需的应急通风频率计算方法。一个案例验证显示，将通风频率从6次/小时提高到10.87次/小时，可满足安全要求。
（四）检测器适用性与传感器布局优化：研究验证了在HBR≤20%时，现有甲烷检测器对HBNG泄漏的报警触发时间与对纯甲烷泄漏的响应基本一致，无需更换。对于传感器布置，基于模拟数据优化分析表明，在200米长的管廊段内，采用非均匀间距的10个传感器（基于等差数列间距）方案，相比标准规定的均匀间距（如15米内14个传感器），在传感器数量减少28.6%的情况下，系统韧性损失低于0.51%，且比均匀布置更具鲁棒性，验证了20米左右均匀间距方案的经济性与有效性。
结论部分系统阐述了本研究的成果：在HBR≤20%的典型工程范围内，HBNG的泄漏与扩散特性与纯甲烷高度相似，这源于甲烷作为主导组分以及两者接近的LEL。孔口流量系数受HBR和孔径显著影响，据此建立的修正模型提升了泄漏量预测准确性。基于浓度变化率的快速估算方法，为应急通风频率的确定提供了高效工具，摆脱了传统方法对耗时CFD模拟的依赖。研究成果为HBNG在地下综合管廊中的安全输送、应急通风策略制定、探测器选型与优化布置以及相关技术规范的完善提供了坚实的理论框架和实用方法。