高压氢能管道泄漏引发的欠膨胀喷射火焰对平行管道影响研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Effect of under-expanded jet fires on parallel pipelines induced by leakage of high pressure hydrogen and natural gas/hydrogen pipelines

本文针对氢能管道安全间距设计的工程需求，通过MPa级实验系统研究了高压氢气及掺氢天然气泄漏引发的欠膨胀喷射火焰特性。研究发现氢气掺混会缩短火焰长度、减小倾角并降低辐射份额，但提升火焰温度。基于实验数据修正的弗劳德数（Froude number）模型将火焰长度和热辐射强度预测误差控制在15%以内，显著提升了工程计算的实用性，为平行管道安全间距制定提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

实验成果分析

本研究中的所有实验条件根据出口压力均属于欠膨胀喷射（Schefer等，2007）。图4(a)展示了在1.6 MPa、2.5 MPa和4.0 MPa压力下，氢气掺混比分别为0%、20%、50%和100%时的火焰图像。尽管实验时间差异导致背景亮度存在轻微变化，但仍可清晰观察到火焰在垂直初始动量和浮升力共同作用下呈现弯曲形态...

项目案例

以新建氢能管道为例，评估喷射火焰对相邻管道的影响。氢气管道直径为DN610毫米，设计压力为4 MPa。平行管道采用钢管材质，与氢气管道间距6米（GB 50251，2015）。根据泄漏量规模，可将泄漏分为小型（0.03–0.3 kg/s）、中型（0.3–3 kg/s）、大型（3–30 kg/s）和重大（>30 kg/s）故障等级（Lowesmith和Hankinson，2012）...

结论

为满足日益增长的清洁能源需求，越来越多氢能及掺氢天然气管道与其他管道并行敷设。本文通过理论分析与实验研究，系统探讨了高压氢气及掺氢天然气管道泄漏引发的欠膨胀喷射火焰对平行管道的影响。研究明确了氢气掺混对火焰长度、倾角、温度及热辐射特性的作用规律，建立了基于弗劳德数的火焰长度与热辐射强度预测公式...

作者贡献声明

刘翠伟： 概念化

李玉星： 指导监督

吴迪： 数据整理

王志： 指导监督

李雪杰： 原始撰写、方法论、实验研究、数据整理、概念化

范振宁： 项目管理

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究成果的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（2024YEF0211500）和国家自然科学基金（U24B6017）资助。