高壓氫氣泄漏相關安全問題研究與進展

沈曉波，章雪凝，劉海峰

（1 華東理工大學資源與環境工程學院，國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室，上海200237； 2 華東理工大學國家能源煤氣化技術研發中心，上海200237； 3 華東理工大學上海煤氣化工程技術研究中心，上海200237）

引 言

隨著社會、經濟和科技的高速發展，人類對于能源的需求日益增大，為了從根本上解決能源枯竭及環境污染的雙重危機，亟需建立一個高效低碳的可再生能源體系。與其他能源相比，氫能具有不可比擬的優點，氫氣來源廣泛、能量密度高、燃燒產物清潔零污染。20 世紀中期以來，發達國家逐步開展了氫能源產業的研究工作。1970 年，美國首次提出“氫經濟”概念[1]，到2002 年，美國就出臺了《國家氫能路線圖》[2]，明確了氫能技術的發展藍圖和戰略，近年來，為了推動氫能科研計劃，更是投入了大量的資金，如2019 年，美國能源部提供了3100 萬美元來支持“H2@Scale”計劃。2019 年年底，美國氫經濟路線圖執行概要報告指出：預計到2050 年，氫能可占美國能源結構的14%。我國也高度重視氫能源產業的發展，2006 年，國務院頒布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》，開始推廣氫能與燃料電池；2014 年，《能源發展戰略行動（2014—2020 年）》明確氫能與燃料汽車作為能源科技創新戰略方向。“十三五”期間，我國氫能產業發展進入井噴期，國家發布多項政策，深入分析了氫能產業基礎設施的發展現狀，制定了其發展路線圖[3]。2020 年4 月，在《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中，更是把氫能與煤、石油、天然氣等歸為一類，首次從法律上承認其屬于能源范疇；2020年6月，國家又起草了《加氫站技術規范（局部修訂條文征求意見稿）》和《汽車加油加氣加氫站技術標準（征求意見稿）》并開始向社會公開征求意見。至此，氫能的能源地位得到進一步確認。

但是氫能產業發展面臨兩個主要瓶頸：制氫成本與氫能安全。制氫成本受到多方面因素的掣肘，各個地區的資源分布也大不相同，因此制氫成本的分析需要結合具體區域和項目。而對于普通民眾而言，更為關心的是氫能安全問題。相較于常規能源，氫氣有較多不利于安全的特性，如氫氣在空氣中具有較寬的燃燒范圍（體積分數4.1%～74.1%），最小點火能極低（僅為0.02 mJ），且氫氣具有氫脆性、易泄漏和易擴散等性質。因而，氫能利用中的各個環節存在較大的火災和爆炸風險。歷年來，國內外氫氣事故屢見不鮮，甚至造成了重大的人員傷亡和財產損失并對公眾心理造成了不良影響，使得一部分人“談氫色變”。安全問題已然成為了氫能推廣的重要瓶頸之一，是包括我國在內的世界各國亟需解決的重大挑戰。迫切需要對氫能產業全生命周期的關鍵安全科學問題進行全面系統的研究，掌握事故發生和發展規律及機理，在此基礎上開發切實可行的安全防控技術，制定科學合理的安全標準和規范，最終為氫能經濟的實現提供堅實保障，促進社會的安全和可持續發展。

1 氫氣主要物化屬性

早在20 世紀90 年代，就有科學家研究了氫氣的泄漏特性，表1 列出了氫氣的相對泄漏率及流動參數[4-6]。氫氣比其他燃料或氣體泄漏速率更快：在層流狀態下，氫氣的泄漏速率約為甲烷的1.26 倍，而在高壓下，氫氣往往處于湍流狀態，此時它的泄漏速率更快，約為甲烷的2.83 倍。另外，氫氣極易擴散，其在薄膜中的擴散速度約為甲烷的3.8 倍。在非受限空間內，一旦發生意外泄漏，由于氫氣密度比空氣低，會迅速上浮并向四周擴散。而在受限空間，泄漏的氫氣易于在局部聚積，由于其高擴散性，能夠快速形成危險的可燃性混合物。

氫氣的燃燒速度很快，暴秀超等[7]發現在常溫常壓（27℃，0.1 MPa）下，當燃空比為1 時，氫氣的燃燒速度可達2 m·s-1左右，而天然氣的燃燒速度僅為0.4 m·s-1，所以氫氣常作為燃料的添加劑以提升體系的層流燃燒速度[8]。在空氣中，氫氣的燃燒范圍很寬，一般為4.1%～74.1%。另外，氫氣點火能極低，它的最小點火能量約為0.02 mJ，約為汽油的1/10。表2列出了氫氣及一些常用燃料的燃燒特性參數[9]。

表1 氫氣的相對泄漏率及流動參數Table 1 Relative leakage rate and flow parameters of hydrogen

表2 氫氣與甲烷、汽油的燃燒特性對比Table 2 Combustion characteristics of hydrogen，methane，and gasoline

此外，氫氣還會引發特有的氫脆破壞。特別是在高壓氫氣系統中，隨著壓力增大，高強度鋼材長期暴露在氫環境中很容易發生氫脆。有一種解釋是，氫氣會在鋼材表面解離為氫原子并滲入，在外應力作用下，氫聚集在鋼內部造成應力集中從而引發局部開裂[10]。若管道或儲罐出現了裂縫，高壓氫氣會迅速泄漏和擴散，一旦遇到點火源便會引發燃爆災害。為了避免氫脆事故，應對氫能產業中相關的高壓管道和儲存、反應容器等進行合理的選材，或是加入特定的元素降低其氫脆敏感性，如鉻、釩等。

上述物化屬性決定了氫氣本身就具有較高的安全風險。在氫能利用全生命周期的不同環節，氫氣可能引發的事故類型又與其自身狀態和所處環境緊密相關。

2 氫能利用的全生命周期

一個完整的氫能產業鏈包括制氫、儲氫、運輸和使用四個環節。氫氣可以通過不同的技術從各類原材料中制備，目前，約有96%的氫氣是通過化石燃料制備所得[11]。然而，使用化石能源制氫無法從源頭上實現零碳排放，科學家們正將重點放在綠色清潔的電解水技術上，這種方法現在只占制氫總量的4%，但預計到2050 年將會大幅增長至22%[12]。無論是天然氣制氫、煤炭制氫還是電解水制氫，為了提高氫氣的轉化率和產率，一般都會選擇在高壓條件下進行[13-14]，如我國已實現商業化的堿性水電解技術，運行壓力為1.5～5.0 MPa，其能量效率可達62%～82%。生產的氫氣將通過管道輸運至下游工藝或直接儲存。氫氣運輸常用三種方式：管道拖車、長輸管道和冷槽車。對于低溫液態氫氣的運輸一般采用絕熱的冷槽車，為了維持低溫環境，整個運輸過程中能耗非常高，因而此方法主要應用于軍事及航空航天領域。而對于高壓氣態氫氣的運輸一般通過管道拖車和長輸管道，管道拖車用于小規模短距離輸送，長輸管道適用于大規模長距離的輸送。其中，長輸管道的設計壓力為2.5～4 MPa，管道拖車的運輸壓力更是高達20～70 MPa[15]。在氫能使用環節，氫燃料電池是極具潛力的氫能末端應用方式之一，可用于航空航天、交通、發電等重要領域。2002 年，我國開發了第一款氫燃料電池汽車，預計到2030 年，氫燃料汽車保有量將達到200 萬輛，加氫站數量將超過1000座。高壓儲氫是車載供氫系統和配套加氫站建設的核心技術，目前國際上應用比較廣泛的車載儲氫瓶壓力等級主要有35 MPa 和70 MPa 兩種，配套的加氫站儲氫壓力應高于供氫系統。我國大多數在用或在建的是35 MPa 加氫站，但未來從35 MPa 提升至70 MPa 是必然趨勢。

圖1 氫能利用四大環節Fig.1 Four links of hydrogen energy utilization

氫氣儲存貫穿于氫氣生產、運輸和使用等各個環節（圖1）。目前主要的氫氣儲存方式有三種：高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態儲氫。高壓氣態儲氫是指通過高壓壓縮方式將氣態氫儲存于容器中，該方式工藝簡單且成本低。而低溫液態儲氫是指通過低溫將氫氣液化并將液態氫儲存于特定的容器中。液態氫的體積密度為氣態氫的845 倍，因此液態儲氫的最大優勢就是儲氫量大，但為了保證-250℃低溫液態儲氫條件，需要配備極高要求的絕熱和冷卻設施，因此，液態儲氫的能耗非常高。有研究表明，每千克液態氫的液化裝置的功耗可達10～15 kW·h，而高壓氣態氫在運輸過程中每千克氫氣的加壓總功耗僅為2.3 kW·h[16]。固態儲氫是指通過化學反應或物理吸附將氫氣儲存于特定材料中。常用的儲氫材料包括：金屬合金、碳質材料和有機物等。目前國內外對于固態儲氫技術的研究還不夠成熟，仍處于理論探索階段，面臨的主要難題包括材料制備工藝復雜、反應放氫困難和可逆性差等。因此，與低溫液態儲氫相比，高壓氣態儲氫具有能耗低、成本低的優勢；與固態儲氫相比，高壓氣態儲氫具有技術成熟、工藝流程簡單、儲氫量大的優點。綜合考慮成本、儲氫密度、工藝等多方面因素，高壓氣態儲氫是最高效和最經濟的儲氫方法，也是目前主流的儲氫方式。

然而，安全性一直是氫能全生命周期運行的突出瓶頸問題。由以上可知，高壓又是其中最為突出的風險要素。無論是高壓制氫、高壓儲氫還是高壓運氫環節，如遇到高溫、氫脆破壞或外部撞擊等，極易引發高壓氫氣的泄漏和擴散，甚至更為嚴重的火災和爆炸事故災害。根據高壓氫氣的泄漏行為，可將事故總體分為無燃燒泄漏擴散和有燃燒泄漏兩種，如圖2所示。無燃燒泄漏擴散，即高壓氫氣只發生單純的泄漏擴散，未遇點火源或發生自燃。有燃燒泄漏則可分為三種情形：一是當氫氣泄漏形成射流后，遇到點火源引發噴射火；二是雖無外部點火源，但高壓氫氣發生了自燃，并且可能發展為噴射火；三是氫氣泄漏后先是在一定空間內與空氣混合形成氣云，此時若遇到點火源，則極易發生氫氣云爆炸。僅2019 年，挪威、美國就相繼發生多起氫氣爆炸[17]，事故起因分別是氫氣云爆炸和氫氣自燃引發的連鎖爆炸，這些再一次引發公眾對氫能安全的廣泛關注、擔憂甚至恐慌。亟需對高壓氫氣的安全問題開展系統的研究和闡述，充分掌握事故演化規律，為氫能安全防控技術開發及安全標準制定提供科學依據和有力工具。

圖2 高壓氫氣泄漏事故類型Fig.2 Types of high-pressure hydrogen leakage accidents

3 高壓氫氣泄漏的安全問題研究

3.1 高壓氫氣泄漏和擴散研究

圖3 基于虛噴管法的泄漏模型Fig.3 Leakage model based on virtual nozzle method

根據氣體泄漏源的壓力與環境壓力的比值，泄漏產生的氣流可分為不同的類型[18]，而高壓儲罐/管道泄漏一般會形成高壓欠膨脹射流。Xiao 等[19]假定存在一個氣流絕熱膨脹至大氣壓的過程（圖3），在自由射流模型中引入虛擬出口，探究泄漏源附近的濃度場和速度場變化情況。Zhang 等[20]基于等熵膨脹過程和真實氣體狀態方程計算了出口處射流的特性參數。Zou 等[21]考慮了高壓氫氣泄漏過程中的熱交換現象，使用范德華方程和焓方程建立HEC（熱交換）模型，并將此模型與基于等熵過程假設的模型進行比較。但現有的理論模型都僅對開敞空間有一定的適用性，而對受限空間以及有障礙物的情況則很難給出合理的預測。

數值模擬研究方面，一些學者建立了加氫站、車庫以及燃料汽車等小規模高壓氫氣泄漏場景，考察各類因素對氫氣泄漏和擴散的影響。如Liang等[22]用FLACS 建立了不同風速、風向和泄漏點等多個場景，系統模擬了加氫站的高壓氫氣泄漏過程，獲得了可能發生爆炸的有害區域與致死區域（有害區域：死亡概率1%；致死區域：死亡概率100%）。Yu 等[23]模擬了不同風速下氫燃料電池汽車的儲氫泄漏場景，發現車輛內部氫氣濃度受風速影響很大。Li等[24]運用CFD 技術模擬了正方形和矩形噴嘴外形成的高壓欠膨脹氫氣射流，認為針對非圓形噴嘴，在分析射流衰減率時應引入適當的比例因子。Sathiah 等[25]利用FRED 軟件預測了氫氣射流不同位置的速度和濃度衰減狀況。目前，高壓氫氣泄漏擴散過程數值模擬的可靠性還有待實驗或事故數據的進一步驗證。

高壓氫氣泄漏的實驗研究主要考察泄漏點附近的氣體濃度分布以及影響因素。de Stefano 等[26]在封閉空間內對高壓氫氣小規模泄漏的濃度場進行了實驗觀測，分析了泄漏位置、障礙物等因素的影響機制。Kobayashi 等[27]研究了低溫壓縮氫氣的泄漏特性，發現氫氣的供給溫度越低，氫氣泄漏的流量越大。Malakhov 等[28]用含有通風管道的集裝箱模擬了地下采礦隧道場景，利用氫氣傳感器探測得到了箱內的濃度分布。Ghatauray 等[29]考察了小型燃料電池外殼上不同通風口的設計，比較了普通矩形通風孔與百葉窗通風孔對周圍氣體濃度分布的影響。但高壓氫氣泄漏實驗尺度受到安全性和經濟性等多方面的限制，與實際事故情景還有較大的差距，數據的有效性還有待證實。

3.2 高壓氫氣泄漏自燃研究

有研究表明，61.98%的氫氣燃爆事故找不到點火源[30]，國內外學者普遍認為是發生了氫氣自燃。但目前對氫氣自燃的發生機理還存在較大爭議。不同研究團隊提出了多種可能的機理，包括：逆焦耳-湯姆遜效應、靜電點火機理、擴散點火機理、瞬時絕熱壓縮機理和熱表面點火機理等[31]。然而，單一機理往往無法解釋所有高壓氫氣泄漏自燃現象，因而其更可能是多個機理耦合作用的結果[32]。

近年來，高壓氫氣泄漏自燃成為了氫安全領域的研究熱點。如Kim 等[33]在矩形透明管道中完整記錄了自燃火焰的形成過程（圖4），在氫/空氣混合層前鋒面的后方管壁上發現高度混合點，自燃火焰首先在該處出現，隨后傳播至氫/空氣混合層的首尾部。Sun 等較早針對高壓氫氣泄漏自燃的部分影響因素開展了實驗研究，主要考察了下游管道的橫截面形狀、爆破片的開口率以及雜質氣體（如甲烷）對高壓氫泄漏自燃的影響機制[34-36]。他們還基于擴散點火理論（圖5）對高壓氫氣泄漏至下游管道后的自燃行為進行了理論分析，建立了求解多個均勻區參數的數學方程，提出了理論點火臨界壓力[37]。Jiang等[38]詳細探究了激波對高壓氫氣泄漏自燃現象的作用機理，認為激波是自燃發生的誘因，激波強度主要與釋放壓力和管道直徑有關。此外，他們還用不同直徑的下游管道[39]和具有不同直角拐角位置的L型管道[40]進行實驗，剖析了管徑和管道形狀等對自燃的影響。然而，高壓氫氣泄漏自燃的影響因素還有很多，各因素的耦合作用機制尚不清楚。

圖4 矩形透明管道內自燃火焰的形成與傳播Fig.4 Formation and propagation of spontaneous flame in rectangular transparent pipe

圖5 擴散點火機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of diffusion ignition mechanism

出于安全性和經濟性的考量，數值模擬是研究高壓氫氣自燃的重要工具之一。Wen 等[41]使用五階WENO 格式對局部收縮的高壓氫氣管道內發生泄漏自燃的過程進行了模擬，發現局部收縮的幾何結構能使氣體溫度升高并增強湍流混合效應從而促進自燃。Xu 等[42]考慮了不同管徑下自燃過程中激波的特性并分析了邊界層效應，還與實驗數據進行了對比。弓亮[43]模擬研究了高壓氫氣在直管道內泄漏自燃的微觀動力學過程，認為自燃最先發生在管道壁面處，隨后出現在管道中心并與壁面的火焰相融合。Liu 等[44]通過大渦模擬研究了超燃沖壓發動機中氫的自燃過程。Shen 等[45]利用Fluent 軟件模擬了高壓氫氣通過管道泄漏發生自燃的過程，捕捉到了氫氣射流的微觀流場結構，溫度、密度、壓力和自由基分布等。雖然數值模擬可以展現更多實驗難以觀測的流場和反應區微觀結構，但針對自燃問題，往往需要采用高階格式、超細網格和極小時間步長，因而計算周期長、資源消耗大，且結果可靠性缺乏驗證。

另外，由于自燃過程的復雜性，涉及湍流、邊界層混合、激波作用和微觀反應動力學，目前對高壓氫氣泄漏自燃的深度理論研究相對匱乏，還未能形成一套可以較好地解釋自燃現象及其根本成因的可靠理論體系。

3.3 高壓氫氣噴射火研究

若高壓氫氣泄漏后被點燃（外部點火源或發生氫氣自燃）則很可能引發噴射火。近期，Jiang 等[39]利用高速照相機記錄下了管道出口處自燃火焰轉化成噴射火的全過程（圖6），在火焰傳播的初期，距離噴嘴一定距離處會形成馬赫盤，其背面出現扁平火焰，隨后噴嘴處的火焰逐漸消失，而由馬赫盤下游的火焰繼續傳播并最終形成噴射火。除了火焰傳播及其轉變過程外，噴射火特性參數的影響因素也是重點研究方向。閆偉陽等[46]探究了不同管長和泄放壓力下噴射火尺寸及火焰尖端平均速度變化。Henriksen 等[47]使用圖像處理工具分析了實驗結果并給出了噴嘴幾何形狀與火焰尺寸的定量關系式。Hooker等[48]通過改變氫氣釋放速率和排氣孔配置進行了通風罩內氫氣噴射火的實驗研究。但目前相關的實驗研究也受到尺度的限制，且較少考察環境因素、障礙物，特別是不同點火機制（明火、電火花、高溫或氫氣自燃）等的影響，實驗結果具有一定的局限。

圖6 高壓氫氣噴射火形成過程Fig.6 Formation process of high-pressure hydrogen jet fire

數值模擬方面，Wang 等[49]數值再現了噴嘴附近環形渦旋結構的發展過程（圖7），發現初始階段在噴嘴附近形成的環形渦旋結構是噴射火形成的關鍵要素。如果火焰沒有從馬赫盤下游區域移動至大渦旋，則不會形成噴射火。一些學者還進行了真實場景的模擬研究，如Gu 等[50]模擬了隧道內氫氣運輸車輛泄漏引發噴射火行為，掌握了不同的通風和泄漏條件對隧道內溫度和噴射火附近氫氣擴散的影響。Xiao 等[51]針對核反應堆和燃料電池系統的氫安全問題，利用GASFLOW-MPI 代碼模擬了密閉空間內的氫噴射火行為，較好地再現了噴射火燃燒產物溫度及熱輻射通量變化情況。Makarov 等[52]基于CFD 技術模擬了90 MPa 高壓氫氣噴射火，成功復現了Proust 等[53]的實驗，模擬預測的火焰尺寸與熱輻射通量結果都較為理想。然而目前高壓氫氣噴射火模型也面臨著計算效率低、工況單調及缺乏驗證數據等問題。

圖7 環形渦旋結構的發展過程Fig.7 The development process of the ring vortex near the nozzle

理論研究方面，Makarov 等[54]建立了計算高壓氫氣泄漏和噴射火壓力峰值的理論預測模型。Zhou等[55-56]對高壓氣體噴射火提出了多種可用的理論模型，用于預測高壓氣體瞬態泄漏和噴射火特性，包括火焰長度、熱輻射通量等參數。但現有的預測模型還是存在著很大的局限性，只在特定條件范圍內具有較好的準確性。

3.4 氫氣云爆炸研究

氫氣云爆炸的常用理論模型包括：TNT當量法、TNO 多 能 法、Baker-Strehlow-Tang（BST）法 等。Ahumada 等[57]總結了當前的蒸汽云爆炸經驗模型，包括TNO、BST法等，分析了各類方法的優缺點并對部分經驗模型提出了修改意見。Mukhim 等[58]則認為傳統的理論模型具有較大缺陷，他們基于標度律提出了一種預測非受限空間內氫氣云爆炸超壓的新型方法，該方法與實驗數據的吻合程度更高，能夠更好地預測氫氣云爆炸的后果。但總體而言，現有的較為常用的蒸汽云爆炸模型在對爆炸場景建模時都進行了一定程度的簡化，因此都存在較大的缺陷與使用限制且計算精度不高。

實驗研究方面，Shen 等[59-61]針對氫氣、合成氣和氫氣/甲烷等清潔燃料的預混爆炸、火焰傳播、反應動力學和抑制技術等進行了系統的研究。他們探究了管道中氫氣/空氣預混火焰傳播形態的變化，圖8 為高速紋影攝像技術所捕捉到的特殊火焰傳播行為，他們還發現郁金香變形總是伴隨著火焰尖端速度的脈動[59]。除此之外，Shen 等[60]還定義了火焰形變的新階段：如T 形火焰和拉伸郁金香火焰等。Yu等[62-63]也對氫氣、合成氣等在封閉管道中的火焰傳播和超壓動力學開展了很多探索工作。除此之外，Shen等[64]記錄了兩次小尺度高壓氫氣罐破裂引發火災爆炸的過程，綜合考察了超壓、沖擊波、熱輻射和飛散碎片等要素。Zhang 等[65]在帶有泄爆裝置的球形容器中進行了預混氫氣爆炸實驗，探究了泄放口處火焰形態的變化。Wang 等[66]在具有單個孔板的圓柱形容器中進行了氫/空氣混合氣的爆炸特性實驗。為了降低氫氣燃爆風險，惰性氣體對其燃燒特性的影響也是目前氫能安全的研究重點。Shen等[67-68]探究了二氧化碳和氮氣對預混氣體火焰的影響機制，發現二氧化碳由于具有更大的比熱容，更高的碰撞效率以及對氫燃燒反應更強的動力學效應，因而相比氮氣具有更優的抑制效果。Li 等[69]考察了二氧化碳對密閉空間內氫氣爆炸的惰性作用，結果表明最大爆炸壓力、火焰傳播速度等指標都隨著二氧化碳添加量的增加而降低。由于設備、安全和成本的限制，氫氣云爆炸的實驗規模都比較小，與真實的氫氣泄漏燃爆事故在尺度上有較大差距，研究結論（如爆炸特征參量及其變化規律等）的可拓展性不強，也不能作為大尺度數值模擬的有效論證依據。

數值模擬可以較好地再現爆炸前后預混氣體的流動過程。如Li等[70]通過大渦模擬研究不同尺寸和位置的障礙物對爆炸的影響并闡明了其作用機制，認為湍流作用能夠增強爆炸時的超壓效應。Liang 等[22]運用FLACS 軟件，針對國內加氫站的儲氫系統，模擬了不同風速下氫氣泄漏和氣云爆炸過程，結果表明泄漏方向與風向相反時，氫氣云爆炸事故的危害更大。目前，氫氣云爆炸過程數值模擬也存在計算量巨大和計算效率低的問題，特別是針對大型氫氣事故的模擬再現需求，現有模型往往表現得無能為力。

圖8 密閉管道內預混氫氣/空氣火焰高速紋影圖像（當量比為1.17）Fig.8 High-speed schlieren images of premixed hydrogen-air flame in a closed duct(Φ=1.17)

可見，實驗研究和數值模擬都存在各自的局限和不足。因此，一些學者將實驗研究與數值模擬相結合來探究氫泄漏引發的火災爆炸現象及其動力學機理。數值模擬可得到實驗研究無法探測的爆炸參數（如火焰前鋒面的瞬時溫度），而實驗研究可得到真實的數據和現象并能夠驗證數值模擬的有效性，使模型可靠性更高、適用性更廣。比如，為了闡明在實際工業環境中輕質墻壁、門窗等泄爆口的打開時間對氫氣爆炸特性的影響，Pang 等[71]使用CFD 技術，研究泄壓口的打開時間與超壓、燃燒速率和爆炸溫度的關系。他們將數值模擬的結果與Bauwens 等[72]的大規模氫氣爆炸實驗的結果進行比較，數值模擬的參數設定與實驗相同，結果發現兩者的相對誤差不大于6%，但是由于缺少結構響應模型，阻礙了聲學與結構間的耦合，因此該模擬未捕獲到與聲學相關的壓力瞬變，故兩者的超壓-時間曲線在第一個峰值后出現較大的差異。Zhang等[73]模擬了城市公用隧道中氫氣/甲烷混合氣的爆炸場景，分析了爆炸超壓、沖擊波和氣體艙室火災等情況。他們基于FLACS 軟件的模擬結果與Hanson等[74]和Zhang等[75]的實驗數值都較為接近，進一步證實了模型的可靠性。Zhang 等[76]在可視管道中進行了甲烷/氫氣/空氣混合氣的爆炸實驗并拍攝了管道中的火焰傳播圖像，再利用Fluent 軟件模擬了混合氣的爆炸過程并獲得了火焰溫度分布、爆炸超壓分布等多個關鍵參數。

3.5 氫能安全標準化研究

氫能領域的標準化研究對于氫能產業鏈的發展與推廣是極為重要的，因此國內外都非常重視氫能安全的標準化。國際上主要是氫能技術標準化技委會（ISO/TC197）來負責氫能相關標準制定。而中國則是在2008 年成立了全國氫能標準化技委會（SAC/TC309）和全國燃料電池及液流電池標準化技委會（SAC/TC342），承擔氫能的主要標準化工作。氫能安全標準化是整個氫能標準體系中很重要的一個環節，無論是制氫、儲氫、運氫還是用氫過程，都需要規范化以確保安全性。從全球范圍來看，氫能技術標準產業中超過50%的為氫能應用標準，而氫能安全方面的標準較少，只有不到10%[77]。在氫能安全方面，氫能技術標準化技委會（ISO）發布了多項標準，包括：氫系統安全標準、氫氣分離和提純的安全標準、氫燃料電池汽車安全規范等。一些發達國家在20世紀中期就意識到氫能發展的重要性，因此氫能安全標準化的制定工作也起步較早，ISO/TR 15916 是國際標準化組織在2004 年出臺的首部氫系統安全標準。雖然我國仍處于氫能產業發展的初期，但經過過去十多年的努力，我國氫能技術標準化工作已在全球保持領先地位。GB/T 29729—2013 是我國首部氫系統安全標準[78]，適用于氫氣的制備、儲存和運輸系統。與ISO/TR 15916 相比，GB/T 29729—2013使用范圍更廣，首次介紹了氫漿系統和固態氫系統的安全要求[79]。表3 還列出了更多的氫能領域國家安全標準，與國外同類標準相比，我國的氫能安全標準數量更多，覆蓋面更廣，基本涵蓋了所有涉及氫能安全的場景，包括加氫站安全、燃料電池發電系統安全等。

表3 國內外氫能安全標準概況Table3 Overview of domestic and overseas hydrogen energy safety standards

在GB/T 29729—2013《氫系統安全的基本要求》中，將氫泄漏列為氫系統的危險因素之一，無論是制氫、儲氫、運氫還是用氫過程中都有可能發生氫泄漏。因此，在大多數氫能安全標準中，為了降低氫泄漏發生的可能性，規定了氫系統用金屬材料的性能、管件的選取及管道的連接方式等，提升系統的本質安全度。在事故防控方面，部分標準中還會提出氫泄漏檢測、氫火焰檢測、報警裝置、火災和爆炸風險控制等方面的具體要求。但是目前專門針對氫泄漏的安全標準鮮有報道。

近日，我國政府又相繼出臺了8 項氫能領域的標準，其中就包含《加氫站安全技術規范》、《氫氧發生器安全技術要求》等多項安全標準。2020年6 月，國家新發布了《加氫站技術規范（局部修訂條文征求意見稿）》和《汽車加油加氣加氫站技術標準（征求意見稿）》，正在向社會公開征求意見。

然而，我國的氫能安全標準化工作仍存在較多薄弱環節，比如有較大一部分是直接參考國外標準或是天然氣標準，缺乏科學依據和可操作性。這就迫切需要針對氫氣事故發生、發展模式和機理以及防控技術開展系統的量化研究，從而有力提升我國氫能安全標準化工作的科學性、系統性和廣泛適用性，助力氫能產業的蓬勃發展。相關成果也可為世界各國或地區的氫能安全標準化建設提供參考和依據。

4 結 論

安全性是氫能產業全生命周期的關鍵瓶頸問題之一，而高壓又是其核心風險要素，涉及制氫、儲氫、運輸和使用等各個環節。近年來，氫氣事故頻發，更是引起了世界各國對氫能安全的關注與重視。本文介紹了國內外學者對各類高壓氫氣泄漏事故所開展的前沿工作，總結了當前研究存在的不足。未來可從以下幾個方向進一步拓展和完善高壓氫氣泄漏相關安全問題研究。

（1）針對反應器、儲罐、管道等大型工業設備，開展中、大尺度實驗，完善氫氣燃爆數據庫，為仿真模型開發和驗證提供可靠依據。

（2）從網格、湍流模型和反應動力學模型等方面，優化數值模擬方法，提高其針對大中型氫氣事故模擬的效率。還可結合大數據技術、機器學習和智能算法，建立事故源-受體的雙向快速預測-溯源模型，從而部分替代CFD 技術，為氫氣事故模擬和事故調查提供全新的思路和方法，這也將是未來的發展大勢。

（3）建立通用的高壓氫氣泄漏理論體系，使其適用于各環節不同場景的高壓氫氣泄漏預測。

（4）加強高壓氫氣泄漏自燃的多機理耦合研究，全面揭示高壓氫氣泄漏自燃的本質動力學機理。此外，目前對高壓氫氣泄漏自燃防控技術的研究較弱，應開發有效的自燃抑制方法，如清潔抑制劑和高效施放手段等。

（5）開展高壓氫氣泄漏自燃向噴射火焰轉捩的機理研究，拓展氫氣自燃和噴射火理論體系，改進現有高壓氫氣噴射火尺寸和熱輻射通量預測模型，引入環境因素、障礙物和不同點火機制，進一步提升其適用性。