长输管道典型场景气体泄漏后果参数评估及掺氢天然气低当量燃烧特性研究

针对掺氢天然气管道泄漏后远场点火引发的低当量燃烧（φ<1）问题，研究人员通过构建真实多组分天然气实验系统，探究了NG/H2 /air混合气的层流燃烧速度（LBV）、火焰稳定性及爆炸危险性。结果表明，氢含量（η）增加会显著提升LBV（0.10~0.61 m/s）和爆炸风险（增强30%~200%），而低当量条件可降低火焰不稳定性。该研究为掺氢天然气安全运输与应急管理提供了关键理论支撑。

　　

在全球能源结构转型与碳中和背景下，氢气作为绿色可再生能源备受关注，而通过现有天然气管道掺氢输送成为极具潜力的解决方案。然而，管道泄漏后氢气与空气混合形成的低当量燃烧（φ<1）具有独特的火焰特性和爆炸风险，传统研究多采用纯甲烷（CH₄
）模拟天然气，忽略了实际多组分（如C₂
H₆
、C₃
H₈
）的影响。中国石油大学（北京）的研究团队通过实验揭示了真实掺氢天然气（NG/H₂
/air）在低当量条件下的燃烧机制与灾害演化规律，相关成果发表于《Renewable Energy》。

研究采用24L密闭燃烧容器结合高速摄像与纹影系统，同步采集火焰形态与压力数据，通过拉伸率（K）修正层流燃烧速度（LBV），并分析火焰裂纹数量与不稳定性参数（如Lewis数、火焰厚度）。

Test systems and Equipment
实验系统集成高精度传感器与同步触发装置，通过真空预处理确保混合气均匀性，利用Schlieren技术捕捉火焰前锋结构动态变化。

Influence of Low equivalent on flame propagation
当量比（φ）从1降至0.6时，火焰半径与传播速度（S_u
）显著减小，LBV由0.33~0.61 m/s降至0.10~0.16 m/s。低当量条件下，热扩散与流体力学不稳定性减弱，火焰表面裂纹减少，稳定性提升。

Conclusion
氢含量（η）增加会双向调控风险：η升高使LBV提升82%~85%，但加剧火焰不稳定性（裂纹数量骤增）；低当量（φ=0.6）可降低爆炸危害50%，而高η（如20%）会令爆炸强度增强200%。该研究首次量化了多组分天然气掺氢的实际灾害参数，为管道安全设计与泄漏应急响应提供了科学依据。

讨论指出，火焰稳定性与Lewis数（表征热扩散与质量扩散比值）的负相关性揭示了掺氢天然气燃烧的自我调节机制，而爆炸风险的“阈值效应”提示需针对不同掺氢比例制定分级防控策略。研究成果对HyDeploy等国际掺氢项目具有直接指导价值，填补了真实气体组分燃烧特性研究的空白。