加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故模擬及分析

李靜媛,趙永志,鄭津洋

（浙江大學化工機械研究所,浙江杭州310027）

加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故模擬及分析

李靜媛,趙永志,鄭津洋

（浙江大學化工機械研究所,浙江杭州310027）

運用基于計算流體動力學的FLACS軟件模擬上海世博加氫站內高壓儲氫氣瓶發生泄漏并引發爆炸的情況,研究不同環境風速對高壓氫氣泄漏爆炸事故的影響規律.結果表明：基于FLACS的模擬方法,能夠實現高壓氫氣泄漏爆炸事故全過程的模擬,對爆炸超壓波進行實時的三維展示；爆炸強度隨障礙區域擁塞度和環境風速的增大而顯著增強,危害距離隨環境風速的增大呈先減小后增大的趨勢.對比危害距離模擬值與經驗公式計算值可以發現,計算值略高于模擬結果,經驗公式偏保守.

高壓氫氣；泄漏；爆炸；FLACS；加氫站安全

為了解決傳統燃油汽車面臨的日益嚴重的石油緊缺以及大氣污染問題,清潔、高效的氫能汽車被認為是未來汽車行業發展的一個重要發展方向［1］.加氫站作為實現氫能汽車商業化的必備基礎設施,受到了各國政府的高度重視,截至2013年3月,全球范圍內正在運行的加氫站已逾200座,此外還有107座計劃待建［2］.

氫氣具有密度小、擴散系數大、點火溫度低、爆炸極限寬（體積分數為4%～74%）、燃燒火焰速度快等特點［3］,加氫站內存儲的大量高壓氫氣若發生泄漏,極易形成大規模可燃氣云,一經點燃便會引發劇烈的爆炸事故,對生命和財產安全構成嚴重威脅.對加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故進行研究,認清事故的發生過程及發展規律十分必要,對防爆區域劃分、事故防范控制措施制定等方面都具有重要意義.

目前,評估可燃氣體泄漏爆炸事故后果常使用基于經驗或半經驗的擴散和爆炸模型的傳統方法［4］.傳統方法將氣體泄漏后的擴散和爆炸從時間和空間上分割［5］,顯然與實際不符.隨著計算技術的發展,針對泄漏爆炸事故新的數值方法不斷涌現,其中FLACS（flame accelerate simulator）是一種基于CFD技術的專業模擬氣體擴散、燃燒和爆炸的軟件,能夠耦合火焰與裝置、管道、設備等的相互作用和影響,直接對氣體爆炸波進行計算,實現對泄漏爆炸后果的量化計算及分析.另外,該軟件特別針對氫氣的擴散和爆炸對模型進行修正,形成了針對氫氣擴散和爆炸的模塊.利用該模塊的數值模擬結果得到了眾多實驗的驗證,證實了該軟件可以用于氫安全的研究［6-7］.本文利用FLACS軟件,基于實際運行的加氫站建立幾何模型模型,考慮真實場景的情況,對高壓氫氣從泄漏擴散至點火爆炸的全過程進行模擬,得到了高壓氫氣泄漏擴散及爆炸的后果,并進行相關分析研究.

1 數學模型及參數

1.1 數學模型

FLACS是一款采用有限體積法的CFD軟件,利用SIMPLE算法結合邊界條件,求解質量、動量、能量和組分守恒方程,確定計算區域內的超壓、燃燒產物、燃料消耗量、溫度等變量.將流動和化學反應的影響通過以下方程予以考慮：

式中：φ為求解變量（質量、動量和能量等變量）,ρ為氣體密度,xj為j方向上的積分,μi為i方向上的速度矢量,Γφ為擴散系數,Sφ為源項.

1.2 幾何模型與網格劃分

自2006年起,為了展示清潔、安全的氫燃料電池汽車,推動氫能基礎設施建設,中國大陸先后建成5座示范運行的加氫站.現以上海世博加氫站為例,對高壓氫氣泄漏及爆炸后果進行模擬分析.該加氫站南北長60 m,東西長50 m,四周空曠,以自西向東方向建立X軸,自南向北方向建立Y軸,豎直向上方向建立Z軸,計算區域擴大為85 m×80 m×10 m,幾何模型如圖1所示.

該站采用35 MPa壓力對氫燃料汽車進行加注,可能發生氫氣泄漏的儲氫系統包括拖車儲氫瓶（16 MPa）,高壓儲氫氣瓶（39 MPa）和加注機（43.8 MPa）［8］.其中,高壓儲氫氣瓶儲氫時間長、儲氫容量大、儲氫壓力高,瓶組儀表管道破損最常見,易引發泄漏事故.本文針對高壓儲氫氣瓶100%直徑儀表管道損壞后的泄漏及爆炸進行模擬研究,氣瓶容積為0.89 m3,泄漏孔直徑為10 mm.障礙物會阻礙氫氣擴散,增大可燃氣云積聚的風險,所以泄漏點、泄漏方向和風向的設定使高壓噴射氫氣進入儲氫氣瓶、壓縮機和拖車儲氫瓶所圍成的高擁塞度障礙區域.泄漏點位于氣瓶中部,高壓氫氣沿X軸正方向泄漏,環境風速為1 m／s,風向也為X軸正方向.在環境溫度范圍內,氫氣密度的變化較小,泄漏量受溫度的影響較小,假設瓶內氣體溫度和環境溫度相等,均為常溫15℃.

圖1 上海世博加氫站簡化幾何模型Fig.1 Simplified geometric model of Shanghai World Expo Hydrogen Refueling Station

為了精確捕捉高壓氫氣高速噴射時的體積分數變化,在擴散求解模型中對泄漏點附近網格進行局部加密,在邊界區域適當將網格拉伸以減少網格數量,縮短運算時間,網格劃分如圖2所示.

圖2 FLACS求解網格Fig.2 Grid in FLACS

1.3 泄漏量計算

絕大多數高壓氫氣泄漏擴散初期屬于亞膨脹射流,泄漏口處的速度為當地聲速,但壓力高于大氣壓力,氫氣在在泄漏口外的一定區域內進一步膨脹至與環境壓力相同［9］,如圖3所示.當氫氣壓力高于10～20 MPa時,理想氣體狀態方程已不再適用.Molkov等［10］基于Abel-Noble狀態方程以及能量和質量守衡方程推導得出高壓氫氣亞膨脹射流的質量流量計算方法：

圖3 亞膨脹射流模型示意圖Fig.3 Under-expanded jet scheme

式中：ρ1為氣瓶內氫氣密度；p1為氣瓶內壓力,p1＝39 MPa；b為Abel-Noble余容系數,b＝7.69× 10－3；RH2為氫氣氣體常數,RH2＝4 124.24 J·（kg·K）－1；T1為氣瓶內氫氣溫度,T1＝288 K；κ為絕熱指數,對于氫氣取1.4；ρ3為真實泄漏口處氫氣密度；T3為真實泄漏口處氫氣溫度；p3為真實泄漏口處氫氣壓力；u3為真實泄漏口處氫氣速度；qm為質量泄漏流量；d為泄漏孔直徑,d＝10 mm.通過計算得到質量泄漏流量為1.67 kg／m3.假設氫氣以恒定速度泄漏,則0.89 m3的39 MPa高壓儲氫氣瓶總泄漏時長為14 s.

2 擴散模擬結果及分析

如圖4所示為高壓儲氫氣瓶泄漏后不同時刻的氫氣可燃氣云圖（氫氣體積分數為4%～74%）.可以看出,在泄漏結束（14 s）前,可燃氣云體積持續增大,且因為氫氣密度遠小于空氣,呈現不斷上升的狀態.受障礙物的限制,防爆墻和壓縮機附近的可燃氣云主要向上擴展,拖車儲氫瓶附近的氫氣可以沿拖車底部及氣瓶間空隙橫向擴散,在地表形成較大面積的可燃氣云,增大了被點燃的風險.同時,較小的環境風速對氫氣水平方向擴散速度影響甚微,可燃氣云幾乎垂直上升.在泄漏停止（14 s）后,氫氣進一步擴散,體積分數不斷減小,可燃氣云體積逐漸減小,至泄漏28 s后,完全消失.

圖4 不同時刻的氫氣可燃氣云圖Fig.4 Hydrogen flammable gas cloud at different time

綜上可以得出,盡管泄漏孔徑只有10 mm,但高壓氫氣泄漏和可燃氣云擴散速度極快,工作人員根本沒有時間采取措施控制泄漏事故的擴大,該類事故應以預防為主.對于該站的布置情況,當環境風速較小時,可燃氫氣云始終被限制在儲氫氣瓶、壓縮機和拖車儲氫瓶所圍成的高擁塞度障礙區域,并未大規模擴散至加注機和控制室等人員較密集的場所,在高壓儲氫區域外設置封閉設施是有效的控制泄漏可燃氣云擴散的方法.

3 爆炸模擬結果及分析

若在泄漏形成氫氣可燃氣云的基礎上點燃氫氣,就會發生爆炸事故,本文對爆炸過程進行模擬.由圖4可知,泄漏結束時（14 s）可燃氣云體積最大,被點燃的概率也最大,因此選擇在此時將氫氣點燃.壓縮機內含有大量電氣、電子設備,容易形成電火花而點燃氫氣,將點火位置設定為壓縮機附近.

如圖5、6所示分別為X-Y截面和Y-Z截面爆炸超壓隨時間的分布圖.氫氣可燃氣云點火爆炸后,超壓逐漸由點燃位置以恒定值平穩向外傳播（0～0.025 s）.當遇到站內密集管道及設備時,如高壓儲氫氣瓶、壓縮機和防爆墻等,超壓明顯增強,且由圖5（b）、（c）、（d）對比可知,障礙區域擁塞度越大,爆炸超壓越強（0.05～0.09 s）,最大可以增至350 k Pa,是空曠區域超壓的50倍.這是因為,在障礙區域氫氣可燃氣云內混合氣體的湍流程度較強,燃燒波面與未燃氣體的接觸面積較大,從而加快了氣體化學反應速率,即燃燒速率［11］,氣體瞬間吸收大量燃燒產熱后體積急劇膨脹,超壓迅速上升；此外,超壓波在障礙物壁面上反射,與火焰鋒面相遇并相互作用,使得未燃燒氣體全部參與燃燒,加劇了熱量釋放和氣體體積膨脹,超壓進一步增強.其中,高壓儲氫氣瓶局部最大的超壓為350 k Pa,小于能夠承受的最大壓力,因此不會造成其他氣瓶的損壞,引發進一步的連續爆炸事故而產生更嚴重的后果.防爆墻的局部最大超壓為60 kPa,低于可致其破壞的超壓值.隨著時間的推移（0.09～0.15 s）,超壓波可以越過防爆墻向外繼續擴張,但強度逐漸減弱,直至0.15 s完全消失殆盡.

圖5 X-Y截面爆炸超壓隨時間分布圖Fig.5 Temporal trends of overpressure at X-Y cross section

可燃氫氣云爆炸產生超壓對人和建筑物均會造成傷害,本文選用的超壓傷害準則如表1所示.為了保障加氫站發生重大事故時的人身安全,需要確定爆炸事故對人造成嚴重危害的影響距離［12］（以下簡稱危害距離）作為加氫站制定事故應急預案的重要依據.

圖6 Y-Z截面爆炸超壓隨時間分布圖Fig.6 Temporal trends of overpressure at Y-Z cross section

表1 爆炸超壓傷害準則Tab.1 Damage criterion for explosion overpressure

氫氣可燃氣云爆炸的危害區域隨時間分布如圖7所示.深色部分對應的超壓為7 k Pa.可燃氣云自點燃后,危害區域可在0.15 s的時間內由點燃位置以不規則形狀向外擴張,在向控制室以及拖車儲氫瓶方向傳播過程中,受障礙物的阻擋迅速消退,而在較空曠的加注區域繼續延伸,最大危害距離可達32.2 m.由模擬結果可知,氫氣可燃氣云在體積最大時被點燃,爆炸危害區域可以覆蓋幾乎整個加氫站,對暴露在室外的人員造成傷害,而控制室外墻上的超壓小于可對墻體造成破壞的容限值,因此,位于控制室內的人員相對安全.

圖7 危害區域隨時間分布圖Fig.7 Temporal trends of hazard area

4 不同環境風速的影響

為了進一步研究不同環境風速對加氫站高壓氫氣泄漏后爆炸事故的影響規律,分別對風速為1、3、5、7、9、12 m／s時的爆炸場景進行模擬.

較大的環境風速可能加劇了氫氣可燃氣云內混合氣體的湍流程度,導致爆炸強度顯著增強.如表2所示為模擬得到的不同環境風速防爆墻和氫氣壓縮機處最大超壓.可以看出,爆炸超壓隨風速的增大而增大.當環境風速＞9 m／s時,防爆墻處的最大超壓已超過其可以承受的最大壓力,不再具備防爆保護能力,嚴重威脅控制室內人員的安全.氫氣壓縮機處的最大超壓隨風速的增加可由50 k Pa增至230 kPa,需要在壓縮機外部設置足夠強度的防爆保護設施,以免造成氫氣壓縮機的損壞,引發更大規模的高壓氫氣泄漏和爆炸,加重事故后果.

表2 不同環境風速防爆墻和氫氣壓縮機處最大超壓Tab.2 Max-overpressure at explosion-proof wall and hydrogen compressor in different wind speed

針對上海世博加氫站,將FLACS模擬得到的危害距離與文獻［15］的計算結果進行對比,如表3所示.李志勇等［15］采用基于擴散模型與Baker-Strehlow氣云爆炸模型相結合的傳統方法,針對同樣的泄漏條件,確定了可對人造成傷害的危害距離.

表3 不同環境風速爆炸危害距離對比Tab.3 Hazard distance in different wind speeds

從表3可以看出,不同環境風速的爆炸場景,經驗公式偏保守,計算得到的危害距離較FLACS模擬結果均高20%～30%.此外,采用2種方法得到的危害距離隨環境風速變化的規律不同：利用經驗公式計算得到的危害距離隨風速的增大而不斷增大,通過FLACS模擬得到的危害距離隨風速的增大呈先減小后增大的趨勢.這可能是因為較大的風速在使可燃氣云沿橫向方向運動、增大其在順風方向爆炸影響范圍的同時,也加劇了氫氣向四周的擴散運動,具有一定的稀釋作用,使得氫氣體積分數降低,可燃氣云的體積減小.如圖8所示為不同環境風速下,高壓氫氣泄漏12 s時的可燃氣云分布圖.對于設備管道復雜密集、結構布置復雜的加氫站等場所,經驗公式難以很好地適用.

5 結 論

（1）基于FLACS的數值模擬方法能夠實現高壓氫氣泄漏爆炸事故全過程的模擬,對爆炸超壓波進行實時的三維展示,有助于認清爆炸事故的發生過程及發展規律,可以為加氫站裝置應急狀態下的防護區域劃分、事故調查等提供依據.

（2）爆炸強度在障礙區域明顯增強,且障礙區域擁塞度越大,爆炸超壓越強,最大可以增至空曠區域超壓的50倍.采用數值模擬方法可以實現對擁塞區域局部超壓的預測,而基于經驗公式的傳統方法無法做到.

圖8 不同環境風速t＝12 s時的可燃氣云Fig.8 Hydrogen flammable gas cloud at 12 second in different wind speeds

（3）隨著環境風速的增加,爆炸強度隨之增大,當環境風速超過9 m／s時,該加氫站的防爆墻已無法阻擋爆炸超壓波的傳播,此外,需要在氫氣壓縮機外部設置足夠強度的防爆設施,以免引起進一步的高壓氫氣泄漏和爆炸,加重事故的嚴重性.

（4）對比危害距離模擬值與經驗公式計算值發現：不同環境風速的高壓氫氣泄漏爆炸事故,采用經驗公式計算得到的危害距離均略高于FLACS的模擬結果,較保守.

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Simulation and analysis on leakage and explosion of high pressure hydrogen in hydrogen refueling station

LI Jing-yuan,ZHAO Yong-zhi,ZHENG Jin-yang
（Institute of Process Equipment,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

FLACS software based on computational fluid dynamics approach was used for simulation and analysis on the leakage and explosion of high pressure hydrogen storage cylinder in the Shanghai World Expo hydrogen refueling station.The effect of wind speed was analyzed.The whole process of leakage and explosion accident was successfully simulated by FLACS,and the real time three-dimensional display of over-pressure wave was given.Results showed that the explosion intension significantly increased when congestion of obstacle region and wind speed increased.Hazard distance first decreased and then increased when the wind speed increased.The calculation value of hazard distance obtained by empirical formula was slightly higher than the simulation results.

high pressure hydrogen；leakage；explosion；FLACS；safety of hydrogen refueling station

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.026

TU 411；TU 472

A

1008- 973X（2015）07- 1389- 06

2014- 05- 29. 浙江大學學報(工學版)網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家”863”高技術研究發展計劃資助項目（2012AA051504）；國家自然科學基金資助項目（51206145）.

李靜媛（1990－）,女,碩士生,從事氫安全的研究.ORCID：0000-0003-3609-5374.E-mail：li101590＠126.com

趙永志,男,副教授.ORCID：0000-0002-2509-8089.E-mail：yzzhao＠zju.edu.cn