Flammability Limits and Mixing Behavior of an Under-Expanded Hydrogen-Blended Natural Gas Jet Following Accidental Pipeline Release
تُظهر هذه الدراسة أنه في حين أن ضغط تشغيل الأنابيب هو العامل المهيمن الذي يحكم تشتت وقابلية اشتعال النفاثات تحت المتمددة، فإن خلط الغاز الطبيعي بما يصل إلى 20% من الهيدروجين له تأثير ضئيل على سلوك التدفق، مما يشير إلى أن المبادئ التوجيهية الحالية لسلامة انبعاثات الغاز الطبيعي تظل قابلة للتطبيق.
عندما ينفجر أنبوب عالي الضغط يحمل الغاز الطبيعي، لا يتبدد الغاز المتسرب ببساء بل ينفجر إلى الخارج في نفاث فوق صوتي عنيف. هذا الإطلاق المفاجئ يخلق رقصة معقدة من الموجات الصدمية والاضطراب، مما يؤدي إلى ضغط وتسخين الهواء المحيط. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على قواعد سلامة مصممة للغاز الطبيعي النقي للتنبؤ بمدى المسافة التي ستقطعها هذه السحابة الخطيرة وأين قد تشتعل. ومع ذلك، بدأت شركات الطاقة اليوم في خلط الهيدروجين في هذه الأنابيب لإنتاج وقود أنظف. يحترق الهيدروجين بشكل مختلف عن الغاز الطبيعي؛ فهو يشتعل بسهء أكبر ويمكن أن يحترق في نطاق أوسع بكثير من التركيزات. وقد أثار هذا سؤالاً حاسماً لخبراء السلامة: إذا أضفنا الهيدروجين إلى الخليط، فهل ستتصرف سحابة الغاز المتسربة غير المرئية بطريقة تجعل قواعد السلامة الحالية عتيقة وغير مجدية؟
لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة كولومبيا البريطانية نصب أعينهم الإجابة على ذلك من خلال محاكاة اللحظة الدقيقة لفشل خط أنابيب عالي الضغط. استخدموا نماذج حاسوبية قوية لإعادة إنشاء فيزياء نفاث غازي ينفجر في الهواء، واختبروا مخاليط تحتوي على ما بين صفر إلى عشرين بالمائة من الهيدروجين. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت إضافة الهيدروجين ستغير شكل الموجات الصدمية، أو المسافة التي يقطعها الغاز، أو سرعة اختلاطه بالهواء لتكوين سحابة قابلة للاشتعال. كانت عمليات المحاكاة صارمة، حيث راعت حقيقة أنه عند الضغوط العالية، لا تتصرف الغازات كسوائل مثالية بسيطة، وتم فحصها بعناية مقابل تجارب واقعية لضمان دقة النماذج الرقمية.
اكتشف الباحثون أن كمية الهيدروجين في الخليط تهم أقل بكثير من الضغط داخل الأنبوب. وسواء كان الغاز غازاً طبيعياً نقياً أو خليطاً يحتوي على عشرين بالمائة من الهيدروجين، فقد تصرف النفاث بشكل متطابق تقريباً من حيث المسافة التي اندفع إليها، وكمية الهواء التي سحبها، وحجم منطقة الاشتعال الخطرة. كانت القوة المهيمنة التي شكلت الكارثة هي ضغط خط الأنابيب نفسه. فالانبعاث من خط نقل عالي الضغط، يعمل عند أربعة ميجا باسكال، خلق نفاثاً سافر لمسافة أبعد بكثير واختلط بعنف أكبر من الانبعاث من خط توزيع منخفض الضغط عند 0.4 ميجا باسكال. لقد كان محتوى الهيدروجين، ضمن النطاق الذي تم اختباره، لاعباً ثانوياً مقارنة بالقوة الهائلة للضغط الذي يدفع الغاز للخارج.
تشير هذه النتيجة إلى أن إرشادات السلامة المستخدمة حالياً لأنابيب الغاز الطبيعي يمكن أن تظل قائمة حتى مع خلط الهيدروجين، على الأقل حتى مستوى عشرين بالمائة. أظهرت النماذج الحاسوبية أن هياكل الصدمات، التي تبدو مثل حلقات وأقراص متميزة في الهواء، وطبقات الخلط المضطربة التي تحدد سرعة تخفيف الغاز، لم تتغير بشكل ملحوظ بسبب الهيدروجين. كان الاختلاف الرئيسي الوحيد هو أن النطاق القابل للاشتعال للخليط قد انزاح قليلاً، لكن المسافة الفيزيائية التي قطعتها السحابة وسرعة تشتتها ظلت محكومة بضغط خط الأنابيب. كما أكدت الدراسة أن النمذجة الحاسوبية الدقيقة تتطلب التعامل مع الغاز كمادة حقيقية تتغير كثافتها ودرجة حرارتها تحت الضغط الشديد، بدلاً من استخدام افتراضات مبسطة تعمل فقط في سيناريوهات الضغط المنخفض.
في الختام، يوفر هذا العمل نقطة بيانات مطمئنة للانتقال إلى طاقة الهيدروجين. فهو يشير إلى أن البنية التحتية المبنية للغاز الطبيعي قوية بما يكفي للتعامل مع كميات معتدلة من الهيدروجين دون خلق مخاطر جديدة وغير متوقعة في حالة حدوث تسرب. يظل عامل الخطر الأساسي هو ضغط تشغيل النظام، وليس المزيج المحدد للغازات بداخله. وبينما أشار الباحثون إلى أن دراستهم كانت محدودة بمخاليط تصل إلى عشرين بالمائة ونطاقات ضغط محددة، فإن نتائجهم تقدم مساراً واضحاً للمضي قدماً: يجب أن تركز تقييمات السلامة على ضغط خط الأنابيب، وأن الفهم الحالي لتشتت الغاز يظل صحيحاً حتى مع تطور مزيج الوقود.
ملخص تقني: حدود القابلية للاشتعال وسلوك الخلط لنفاث الغاز الطبيعي الممزوج بالهيدروجين تحت التمدد
بيان المشكلة يُعد دمج الهيدروجين في شبكات أنابيب الغاز الطبيعي القائمة استراتيجية مقترحة للتحول في مجال الطاقة، ومع ذلك، فإن هذا الأمر يثير مخاوف تتعلق بالسلامة نتيجة التسريبات العرضية عالية الضغط. وبينما يُعرف عن انبعاثات الهيدروجين النقي أنها تولد موجات صدمية قادرة على إحداث اشتعال تلقائي نتيجة ضغط الهواء وتسخينه، فإن سلوك التشتت، وهياكل الصدمات، ومدى مناطق القابلية للاشتعال لخلائط الغاز الطبيعي الممزوج بالهيدروجين تحت ظروف انفجار الأنابيب لا تزال غير مستكشفة بشكل كافٍ. تعتمد الأدبيات الحالية غالباً على عزل المتغيرات، والاعتماد على فرضيات الغاز المثالي أو دراسة المكونات النقية بدلاً من الخلائط، مما يخلق فجوة في فهم التأثيرات المقترنة لتركيز الهيدروجين، وضغط الأنابيب، والديناميكا الحرارية للغاز الحقيقي على تطور النفاث ومخاطر السلامة.
المنهجية تستخدم هذه الدراسة ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) باستخدام أداة BlastFoam مفتوحة المصدر، القائمة على إطار عمل OpenFOAM، لمحاكاة انبعاثات الأنابيب العرضية. يعتمد النهج على صيغة معادلات نافير-ستوكس لمتوسط رينولدز غير المستقرة (URANS) مع نموذج الاضطراب k-ω SST لالتقاط هياكل خلايا الصدمات وطبقات الخلط المضطربة.
تشمل المكونات المنهجية الرئيسية ما يلي:
المعادلات الحاكمة: نهج متعدد السوائل يحل معادلات حفظ الكتلة، والزخم، والطاقة، مع دمج نماذج انتقال الواجهة البينية. ৰ معادلة الحالة (EoS): تم تقييم خمسة نماذج لمعادلة الحالة (الغاز المثالي، فان دير فالس، الغاز المتصلب، برينغسون-روبنسون، وسواف-ريدليش-كونغ). وتؤكد الدراسة على ضرورة استخدام معادلات الحالة للغاز الحقيقي (تحديداً SRK وPR) في ظروف الضغط العالي حيث تؤدي فرضيات الغاز المثالي إلى انحرافات كبيرة في بنية الصدمة والخصائص الديناميكية الحرارية.
نمذجة القابلية للاشتعال: تم حساب حدود القابلية للاشتعال (الدنيا والعليا) لخلائط الهيدروجين والميثان باستخدام قانون لوشاتليه وارتباطات محددة مستمدة من أعمال مياو وآخرون (2011) لخلائط الميثان والهيدروجين.
التحقق من الصحة: تم التحقق من صحة الإطار العددي مقابل مرجعين تجريبيين:
بوتروس وآخرون (2016): سرعة موجة تخفيف الضغط في أنابيب الصدمات عالية الضغط مع الغاز الطبيعي الممزوج بالهيدروجين.
بارامترات المحاكاة: بحثت الدراسة في نسب خلط الهيدروجين من 0 إلى 20 بالحجم عند ضغوط خطوط أنابيب تمثل أنظمة التوزيع (0.4 ميجا باسكال) والنقل (4 ميجا باسكال). وقد تم اختبار التبسيطات الهندسية، مثل إهمال التدفق المحوري الداخلي للأنابيب، ووُجد أن لها تأثيراً ضئيلاً على تشتت النفاث.
النتائج الرئيسية التقطت عمليات المحاكاة بدقة السمات التدفقية الأساسية، بما في ذلك أقراص ماخ، وصدمات البرميل، وطبقات الخلط المضطربة. وتتمثل النتائج الرئيسية فيما يلي:
هيمنة ضغط التشغيل: يعد ضغط تشغيل الأنابيب هو المعامل المهيمن الذي يحكم فيزياء التدفق. أدى رفع الضغط من 0.4 ميجا باسكال إلى 4 ميجا باسكال إلى تغيير هياكل الصدمة بشكل كبير (بالانتقال من أنماط خلايا صدمة الماس إلى قرص ماخ واحد مهيمن)، وزيادة مسافة اختراق النفاث، وتعزيز كفاءة الخلط في كل من الاتجاهين المحوري والقطري.
تأثير ضئيل لخلط الهيدروجين (0–20 بالحجم): ضمن النطاق المختبر، كان لتركيز الهيدروجين تأثير ضئيل على:
ضرورة الغاز الحقيقي: كان استخدام معادلة حالة للغاز الحقيقي مع تكوين الخليط الدقيق أمراً حاسماً. أدت فرضيات الغاز المثالي إلى أخطاء كبيرة (على سبيل المثال، انحراف يصل إلى 15% في قطر قرص ماخ عند الضغوط العالية)، كما أدت تركيبات الغاز المبسطة (مثل إهمال ثاني أكسيد الكربون) أيضاً إلى تباينات في توقعات سرعة موجة تخفيف الضغط.
غلاف القابلية للاشتعال: أظهر الانتشار المحوري لحدود القابلية للاشتعال زيادات طفيفة فقط مع ارتفاع نسب الهيدروجين، لا سيما عند الضغوط المنخفضة. ووُجد أن الانتشار القطري ضئيل مقارنة بالتشتت المحوري، ويتأثر بشدة بالضغط بدلاً من التركيز.
الأهمية والادعاءات تزعم الورقة أن إرشادات السلامة الحالية لإطلاق أنابيب الغاز الطبيعي تظل قابلة للتطبيق لخلائط الهيدروجين حتى 20 بالحجم. وتخلص الدراسة إلى أن تقييمات المخاطر للإطلاقات العرضية في هذا النطاق من الخلط يجب أن تعطي الأولوية لـ ضغط تشغيل الأنابيب على تركيز الهيدروجين.
ويؤكد المؤلفون أن نتائجهم تعالج أوجه عدم اليقين المتعلقة بالسلامة من خلال إثبات أن خصائص النفاث تحت التمدد للغاز الطبيعي الممزوج بالهيدروجين (حتى 20% هيدروجين) لا تختلف اختلافاً جوهرياً عن الغاز الطبيعي النقي فيما يتعلق بالحد الأقصى للاختراق، وكفاءة الخلط، وحدود القابلية للاشتعال. وبناءً على ذلك، فإن الاستمرار في استخدام البنية التحتية الحالية لنقل الغاز مدعوم لهذه الخلائط، بشرط أن تكون تأثيرات الانضغاط المدفوعة بالضغط هي التركيز الأساسي لتقييمات السلامة. وتشير الدراسة بتواضع إلى محدوديتها في نطاق الخلط 0–20% وظروف الضغط المحددة، وتقترح إجراء أعمال مستقبلية لتوسيع هذه النسب ونطاقات الضغط.