氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)泄漏擴(kuò)散模擬及影響因素分析

馮雨翔，曹蛟龍，吳順平，石國政

(中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，湖北 武漢 430000)

0 引言

2020年9月，中國政府在聯(lián)合國大會(huì)上提出2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的碳減排目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一宏偉藍(lán)圖，航運(yùn)界從各方面尋找可有效降低碳排放的低碳路徑。其中，氫燃料作為代謝產(chǎn)物只有水的零碳能源，逐漸走進(jìn)航運(yùn)界視野。目前，氫燃料上船由于受氫燃料電池容量的限制，仍局限于內(nèi)河等續(xù)航能力要求不高的地區(qū)[1]，但內(nèi)河航道較為狹窄、通航密度較大，且沿線人口密度、建筑物密度較大，由于氫氣的點(diǎn)燃能量較低(僅為0.017 mJ)[2]，氫燃料加注時(shí)一旦發(fā)生泄漏，被點(diǎn)燃后將有可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故，因此，需要對(duì)氫燃料加注作業(yè)安全性進(jìn)行研究。

氫燃料加注形式包括岸基式加注、氫氣長管拖車加注、躉船加注以及船對(duì)船加注。另外，岸上加氫站和充裝站基礎(chǔ)設(shè)施存在儲(chǔ)氫模塊更換方式的設(shè)計(jì)，但船舶相較于汽車要求儲(chǔ)氫量更大，氫燃料動(dòng)力船舶的儲(chǔ)氫罐數(shù)目相較氫燃料動(dòng)力車更多，由于整體換罐每次管路重新連接需要再次做氣密性試驗(yàn)，儲(chǔ)罐系統(tǒng)與供氣管路頻繁對(duì)接會(huì)帶來額外風(fēng)險(xiǎn)，考慮到氫燃料在水上應(yīng)用正處于起步階段，暫不推薦采用此種方案。目前具有可行性的加注模式是氫氣長管拖車以及岸站，未來可能會(huì)出現(xiàn)躉船-船的加注模式以及船-船加注模式。考慮到岸基式加注站具有一次加注量較大、加注較為快速[3]且加注站固定有利于風(fēng)險(xiǎn)控制的特點(diǎn)，因此，本文將岸基式加注站加注方式作為研究對(duì)象。

國內(nèi)外學(xué)者在氫氣泄漏擴(kuò)散方面做了相關(guān)研究：柯道友等[4]建立氫氣泄漏擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型，通過與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，吻合度較高；李云浩等[5]運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)車庫內(nèi)不同通風(fēng)口面積、不同橫梁間距下氫氣的連續(xù)泄漏進(jìn)行模擬；劉延雷等[6]基于有限體積法模擬管道運(yùn)輸氫氣和天然氣不同的泄漏擴(kuò)散特性；李雪芳等[7]基于二維軸對(duì)稱幾何模型模擬高壓氫氣管道小孔泄漏后的氣流參數(shù)；李峰[8]運(yùn)用FLUENT軟件模擬氫氣在氫燃料客船艙室中的泄漏，并提出通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議；Ahn等[9]建立數(shù)值模型，分析燃料電池汽車在隧道內(nèi)泄漏擴(kuò)散范圍，評(píng)價(jià)隧道通風(fēng)系統(tǒng)緩解泄漏氫氣積聚的有效性；Hao等[10]在密閉空間內(nèi)對(duì)燃料電池車進(jìn)行靜態(tài)氫氣泄漏和氫排放實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)密閉空間燃料電池汽車的氫安全標(biāo)準(zhǔn)提出建議。

綜上，學(xué)者在車庫、艙室、隧道等場景的氫氣泄漏擴(kuò)散做了深入研究，但對(duì)于氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)泄漏擴(kuò)散分析的研究較少。因此，本文擬基于FLACS軟件構(gòu)建氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)模型，通過對(duì)比模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，分析各因素對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響，并基于以上結(jié)果劃定加注作業(yè)區(qū)域，提出在各區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，優(yōu)化水上加氫站平面布局，并保障氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)安全平穩(wěn)進(jìn)行。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 物理模型

本文采用流體力學(xué)(CFD)軟件FLACS，軟件在石油公司BP、Conocophillips、ExxonMobil、Statoil等資助和指導(dǎo)下完成研發(fā)[11]。FLACS是國際主要油氣公司指定的泄漏擴(kuò)散評(píng)估工具，借助FLACS可滿足相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要求[12]。

本文以某船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的2 000噸級(jí)散貨氫燃料動(dòng)力船及配套水上加氫站為例，該船長70.5 m、寬13.9 m、吃水3.1 m，對(duì)其進(jìn)行加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)相應(yīng)圖紙資料建立FLACS分析模型，如圖1所示。

圖1 氫燃料動(dòng)力船岸基式加注作業(yè)FLACS模型Fig.1 FLACS model for shore-based bunkering operation of hydrogen powered ship

1.2 計(jì)算條件

加注作業(yè)所在地年平均溫度20 ℃，年平均濕度77%，大氣壓101 325 Pa，年均風(fēng)速2.2 m/s，最大風(fēng)速27 m/s。船-岸間加注軟管內(nèi)徑為8.5 mm，傳輸壓力為35 MPa。泄漏場景為船-岸間加注軟管中部發(fā)生全尺寸泄漏。出于保守角度考慮，從泄漏開始至ESD閥關(guān)閉的泄漏響應(yīng)時(shí)間取60 s。選取可燃?xì)怏w在空氣中的體積濃度為可燃下限的50%(氫氣為2%)作為擴(kuò)散邊界。

1.3 數(shù)學(xué)模型

氫氣自泄漏后，不斷與空氣相混合形成湍流，該過程中混合氣體的流動(dòng)遵循連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程，各組分遵循組分輸運(yùn)方程如式(1)所示：

(1)

式中：φ為通用變量；τ為時(shí)間，s；uj為速度沿x、y、z方向的分量，m/s；ρ為混合氣體密度，kg/m3；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證FLACS模型的準(zhǔn)確性，將FLACS模擬結(jié)果和氫氣泄漏射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13-14]進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中氫氣管道直徑為63.5 mm，泄漏口直徑為1.9 mm，泄漏速度為133.9 m/s，實(shí)驗(yàn)環(huán)境無風(fēng)、溫度21 ℃、大氣壓100 kPa。實(shí)驗(yàn)得到垂直氫氣射流沿射流中心線的不同軸向位置處的徑向氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度。建立同等初始條件下的FLACS模型，得出氫氣射流軸向Z/D=10處徑向氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，F(xiàn)LACS模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，模擬結(jié)果可信度較高。

圖2 氫氣射流軸向Z/D=10處徑向氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果Fig.2 Experimental and simulation results of radial hydrogen mass fraction at Z/D=10 of hydrogen jet axial direction

2.2 泄漏方向的影響

本節(jié)將針對(duì)加注作業(yè)期間風(fēng)速為5 m/s、破口尺寸為全口徑破裂、大氣穩(wěn)定度為D(中性)、泄漏方向分別為垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右時(shí)進(jìn)行氫氣泄漏擴(kuò)散范圍模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同泄漏方向下氫氣泄漏擴(kuò)散范圍模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of hydrogen leakage diffusion ranges under different leakage directions

對(duì)于不同泄漏方向下氫氣擴(kuò)散范圍可知：

1)針對(duì)垂直方向上的泄漏，對(duì)于垂直向上泄漏，由于氫氣密度遠(yuǎn)小于空氣，氣體云團(tuán)迅速向上擴(kuò)散，危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)離地面及操作人員；對(duì)于垂直向下泄漏，受水面及碼頭等障礙物的影響，氣體云團(tuán)在水平方向逐漸積聚，并覆蓋部分船舶區(qū)域及水上加氫站靠船區(qū)域。

2)針對(duì)水平方向上的泄漏，對(duì)于水平向右泄漏(順風(fēng)方向)，氣云主要沿船長和船寬方向擴(kuò)散，擴(kuò)散距離(水平方向)最遠(yuǎn)；對(duì)于水平向左泄漏(逆風(fēng)方向)，在泄漏初始速度和風(fēng)速的雙重作用下，氫氣云覆蓋大部分水上加氫站、加注控制室及船尾區(qū)域，具有較高的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，最大擴(kuò)散范圍為沿船長方向31 m，沿船寬方向37 m。通過與目前水上加氫站平面布置圖比對(duì)，建議該加氫站的控制室應(yīng)在原先設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上向內(nèi)側(cè)移動(dòng)5 m以上，以降低氫氣泄漏后的點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)模擬結(jié)果，在以上設(shè)定條件下，氫氣的瞬時(shí)泄漏速度可達(dá)782 m/s，將對(duì)加氫軟管產(chǎn)生巨大的噴射反作用力，鑒于目前氫氣加注通常在靠近加氫站側(cè)設(shè)有拉斷閥，當(dāng)作用力超過設(shè)定值時(shí)拉斷閥自動(dòng)脫離，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)生泄漏后的長且柔的加氫軟管以較高速度甩動(dòng)，威脅周邊加注作業(yè)人員及設(shè)施安全，故可考慮為船-岸間加氫軟管設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，如加裝防甩支架，或在軟管固定裝置上設(shè)置由高效吸能材料制成的吸能件等。

2.3 大氣穩(wěn)定度影響

為研究大氣穩(wěn)定度對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散的影響，進(jìn)一步模擬風(fēng)速為5 m/s、破口尺寸為全口徑破裂、泄漏方向水平向右時(shí)，A、B、C、D、E、F6種不同帕斯卡爾大氣穩(wěn)定度下氫氣泄漏擴(kuò)散范圍。由于大氣穩(wěn)定度對(duì)氫氣云的擴(kuò)散影響較小，云圖差距不明顯，故用折線圖表現(xiàn)氫氣擴(kuò)散變化規(guī)律。其中A代表大氣強(qiáng)不穩(wěn)定，F(xiàn)代表大氣穩(wěn)定。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 大氣穩(wěn)定度對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響Fig.4 Influence of atmospheric stability on hydrogen diffusion

綜上，大氣穩(wěn)定度對(duì)氫氣云的擴(kuò)散影響較小。隨著大氣逐步趨于穩(wěn)定，擴(kuò)散距離(船長方向)小幅度增加，這是由于大氣越穩(wěn)定，大氣湍流效應(yīng)受到抑制，氣云不易向高空擴(kuò)散，偏向在近地面積聚；大氣越不穩(wěn)定，其垂直對(duì)流作用越強(qiáng)，氣云越易向高空擴(kuò)散[15]。即大氣越穩(wěn)定，氫氣云越易貼近地表擴(kuò)散，增加氣云的點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 風(fēng)速的影響

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取最危險(xiǎn)場景，在風(fēng)速分別為2，5，7，9，11，14，18，22，27 m/s時(shí)進(jìn)行泄漏方向?yàn)轫橈L(fēng)方向、破口尺寸為全口徑破裂、大氣穩(wěn)定度為F(穩(wěn)定)時(shí)共9個(gè)場景氫氣擴(kuò)散范圍模擬，如圖5所示。

基于上述模擬結(jié)果，繪制船長(水平)方向以及高度方向氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速變化曲線，如圖5所示。

圖5 風(fēng)速對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響Fig.5 Influence of wind speed on hydrogen diffusion

對(duì)于不同風(fēng)速下氫氣擴(kuò)散范圍可知：

1)船長(水平)方向上，在小風(fēng)速下(風(fēng)速小于5 m/s)，氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速增大而增大，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)(風(fēng)速為5～22 m/s)，氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速的增大而緩慢降低；當(dāng)風(fēng)速大于22 m/s時(shí)，氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速的增大而迅速降低。這是由于風(fēng)速對(duì)氫氣擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在對(duì)氣云的平流輸送作用以及對(duì)氣云的稀釋作用[16]。在小風(fēng)速下，風(fēng)速越大，風(fēng)對(duì)氣云的輸運(yùn)作用越強(qiáng)，氣云在下風(fēng)方向的擴(kuò)散速度越快，導(dǎo)致在同一時(shí)刻，氣云在下風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)，氣云的稀釋作用相對(duì)于輸運(yùn)作用占主導(dǎo)地位，風(fēng)速越大，對(duì)氣云的稀釋作用越強(qiáng)，氫氣難以富集，導(dǎo)致形成的危險(xiǎn)區(qū)域范圍越小。

2)在高度(垂直)方向上，隨風(fēng)速增加，擴(kuò)散距離減小，可見高風(fēng)速吹散在垂直方向上的氣云，氫氣難以富集[17]，即高風(fēng)速對(duì)于氫氣在垂直方向上的擴(kuò)散稀釋具有促進(jìn)作用。

3)從擴(kuò)散范圍俯視圖可以看出，泄漏的可燃?xì)怏w云團(tuán)并非呈對(duì)稱分布，且風(fēng)速越大，氣體云團(tuán)整體呈向船舶方向偏移的趨勢越明顯。這是由于船上的氫瓶儲(chǔ)存間(上層建筑)可視為較大的障礙物，障礙物的存在對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，一方面會(huì)改變大氣運(yùn)動(dòng)的方向，另一方面會(huì)增加大氣湍流程度，進(jìn)而對(duì)氣云擴(kuò)散后范圍造成影響。氫瓶儲(chǔ)存間這一障礙物對(duì)風(fēng)速具有阻礙作用，將在其后側(cè)形成低風(fēng)速區(qū)域，而加注站側(cè)較為空曠風(fēng)速較大，氣體云團(tuán)整體呈向船舶方向偏移的擴(kuò)散范圍，即在各場景下，船舶側(cè)存在可燃?xì)庠频拿娣e相對(duì)岸上加注站側(cè)存在可燃?xì)庠频拿娣e更大[17]。這要求加注時(shí)，氫燃料動(dòng)力船上應(yīng)采取比岸上更為嚴(yán)格的泄漏監(jiān)測措施。

3 加注區(qū)域劃定

3.1 加注限制區(qū)域劃定

限制區(qū)域系指在加注作業(yè)期間，該區(qū)域可能存在燃料泄漏，如遇點(diǎn)火源可發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故[18]。

根據(jù)模擬分析中最危險(xiǎn)場景的最大擴(kuò)散范圍取包絡(luò)線作為限制區(qū)域：沿船長方向125 m(自加注站算起)、沿船寬方向21 m(自加注站算起)、沿垂直方向24 m(自受注船主甲板算起)。作業(yè)期間應(yīng)對(duì)該區(qū)域采用相應(yīng)的標(biāo)識(shí)予以警示，并由專門人員進(jìn)行管理圍護(hù)，進(jìn)入該區(qū)域的人員必須進(jìn)行登記且穿戴PPE，并保持聯(lián)絡(luò)暢通，在該區(qū)域內(nèi)禁止任何動(dòng)火作業(yè)且禁止引入任何形式的點(diǎn)火源。

3.2 加注警戒區(qū)域劃定

警戒區(qū)域系指在加注作業(yè)過程中需要控制活動(dòng)和操作的區(qū)域，在設(shè)置該區(qū)域時(shí)，應(yīng)考慮可能危及加注作業(yè)或惡化緊急情況的活動(dòng)和設(shè)施。

警戒區(qū)域通常由港口當(dāng)局根據(jù)實(shí)際場地劃定，參考我國《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 165-5—2021)[19]相關(guān)要求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本文建議將長度方向以該船泊位前后系攬樁為界，寬度方向?yàn)榫嘣摯?00 m作為警戒區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，對(duì)過往船舶實(shí)施監(jiān)控管理；并嚴(yán)密監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的路面交通情況、工業(yè)設(shè)施和公共設(shè)施，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸、危險(xiǎn)貨物泄漏、可燃?xì)怏w擴(kuò)散等可能危及加注作業(yè)的意外情況，應(yīng)及時(shí)停止加注作業(yè)。

4 結(jié)論

1)基于不同泄漏方向的模擬結(jié)果，建議該水上加氫站的控制室在原先設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上向內(nèi)移動(dòng)5 m以上以保證控制室的安全。

2)加氫軟管發(fā)生全口徑破裂時(shí)，氫氣的瞬時(shí)泄漏速度為782 m/s，長且柔的軟管在巨大的噴射反力作用下可能發(fā)生甩擊，并嚴(yán)重威脅到周圍設(shè)備和人員的安全，可考慮通過設(shè)置防甩支架或在軟管固定裝置上加裝吸能件，以有效實(shí)現(xiàn)防甩保護(hù)。

3)隨大氣逐步趨于穩(wěn)定，船長方向擴(kuò)散距離小幅度增加，氣云不易向高空擴(kuò)散，偏向在近地面積聚；大氣越不穩(wěn)定，其垂直對(duì)流作用越強(qiáng)，氣云越易向高空擴(kuò)散，即穩(wěn)定的大氣增加氣云在近地面的點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)。

4)船長方向上，小風(fēng)速下氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時(shí)(5 m/s)，氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速增大而緩慢降低，當(dāng)風(fēng)速大于22 m/s時(shí)，氫氣擴(kuò)散范圍隨風(fēng)速的增大而迅速降低；船高方向上，高風(fēng)速對(duì)于氫氣在垂直方向上的擴(kuò)散稀釋具有促進(jìn)作用。

5)在加注作業(yè)期間內(nèi)，建議取沿船長方向125 m(自加注站算起)、沿船寬方向21 m(自加注站算起)、沿垂直方向24 m(自受注船主甲板算起)為包絡(luò)線設(shè)置加注限制區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)禁止無關(guān)人員進(jìn)入，并嚴(yán)格禁止任何形式的點(diǎn)火源；此外，建議將長度方向以該船泊位前后系攬樁為界，寬度方向?yàn)榫嘣摯?00 m作為警戒區(qū)域，對(duì)區(qū)域內(nèi)過往船舶實(shí)施監(jiān)控管理，并嚴(yán)密監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)儲(chǔ)存設(shè)施情況。