高压高当量比环境下掺氢天然气管道泄漏的火焰特性与爆炸风险机制研究

　　本研究针对高压掺氢天然气(HBNG)管道在近泄漏点高压高当量比环境下的安全瓶颈问题，通过构建24L定容燃烧弹实验系统，首次系统揭示了多组分真实天然气/H2 /空气混合气的层流燃烧速度(LBV)、火焰稳定性与爆炸危险参数的演化规律，建立了包含压力、氢含量和当量比的多参数耦合预测模型，为高压HBNG管道的安全设计提供了关键技术支撑。

　　

在全球能源低碳转型背景下，氢能作为21世纪最具潜力的清洁能源载体，其规模化应用面临储存运输和安全利用的双重挑战。掺氢天然气(HBNG)管道技术凭借可复用现有基础设施的优势成为重要过渡方案，但高压管道泄漏时形成的近场高压、高当量比环境会显著改变燃烧动力学特性，目前对真实多组分天然气/H₂
/空气混合气在此极端条件下的火焰传播机制和爆炸风险演化规律仍缺乏系统认知。传统研究普遍采用纯甲烷替代真实天然气，忽略了乙烷(C₂
H₆
)、丙烷(C₃
H₈
)等重烃组分的协同效应，且对高压(>1MPa)与燃料富集(当量比Φ>1.2)的耦合作用机制研究不足，这严重制约了HBNG管道的安全设计标准制定。

中国石油大学的研究团队在《Fuel》发表的研究中，创新性地采用真实多组分天然气(85-95% CH₄
，3-8% C₂
H₆
)，通过自主研发的高压燃烧实验平台，系统捕捉了0.1-0.5MPa压力范围、0.6-1.8当量比条件下HBNG的燃烧特性参数。研究发现压力升高会通过增加气体密度抑制分子扩散，使层流燃烧速度(LBV)降低15%以上，但同时提升流体力学稳定性——表现为马克斯坦长度(Markstein length)增加和特定高压下临界火焰不稳定半径消失。氢掺混虽使LBV提升95%，却将路易斯数(Lewis number)降至0.23，导致胞状火焰尺寸缩小至9.15mm。研究建立的爆炸参数预测模型显示，初始压力增加可使超压、冲量和温度分别降低37%、28%和10%，而氢掺混则使这些参数剧增128%、110%和31%。

关键技术方法包括：采用24L定容燃烧弹结合高速纹影成像系统，同步采集火焰形态与压力动态；基于热流法测定层流燃烧速度；通过FFCM1.0详细化学反应机理解析化学动力学过程；建立包含压力修正项的多元非线性回归模型预测爆炸参数。

【Effects of high-pressure, high-equivalent-ratio environments on propagation process of flame】
纹影图像显示，随着氢体积分数η增加，球形火焰直径显著增大。定量分析表明：1)压力从0.1MPa升至0.5MPa时，LBV下降15.7%±2.3%，主要源于密度增加导致的扩散抑制；2)氢掺混比从0%增至30%时，LBV提升95.2%±6.8%，归因于H₂
的低活化能特性促进H/O自由基生成；3)当量比Φ从0.6增至1.8时，氧缺乏使LBV降低79.4%±5.1%，但未燃燃料的稀释效应与火焰增厚共同增强了稳定性。

【Conclusion】
研究得出三大核心结论：1)高压环境通过"扩散抑制-热力学稳定"双重机制重构燃烧动力学过程；2)氢掺混引发"燃烧加速-失稳风险"矛盾效应，需优化掺混比例；3)建立的P-η-Φ耦合模型可准确预测超压(误差<8.6%)和温度场分布。该成果为高压HBNG管道的泄漏预警阈值设定、防爆间距计算提供了理论依据，特别是揭示了重烃组分在高压燃烧中的链分支促进作用，突破了传统CH₄
简化模型的局限性。

讨论部分强调，本研究首次量化了C₂
H₆
组分在高压下的协同效应——其C-H键断裂能比CH₄
低12.5%，可加速链式反应启动。但需注意实验压力范围(0.5MPa)仍低于主干管网实际工况(4-10MPa)，后续需开发可模拟更高压力的实验装置。作者建议将马克斯坦长度作为安全监测指标，当其值低于0.5mm时应触发应急切断系统，该阈值比纯甲烷体系严格63%。这些发现对修订HBNG管道安全标准具有重要指导价值。