汽車加氫站雷擊事故后果模擬分析

秦 健 林 濤

〔1 中國氣象局氣候資源經濟轉化重點開放實驗室 重慶 401147;2 重慶市氣象安全技術中心 重慶 401147〕

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源,正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一[1],以燃料電池為代表的氫能開發利用技術取得重大突破,為實現零排放的能源利用提供重要解決方案。近年來,氫能應用場景日漸豐富,交通領域應用規模穩步提升,加氫站建設明顯提速。目前我國已累計建成汽車加氫站超過250座,約占全球數量的40%,數量位居世界第一。如果雷擊加氫站的儲氫壓力容器導致氫氣泄漏,氫氣的理化性質決定了發生火災、爆炸危險程度較高,往往造成重大的人員傷亡和財產損失,影響社會安全穩定。因此,對汽車加氫站雷擊事故后果進行模擬分析,有助于辨識雷擊事故風險,可采取針對性風險防控措施。

路世昌等[2]對氫氣長管拖車集裝管束火災爆炸風險進行了評估,苗香溢[3]研究了制氫站氫氣儲罐火災危險,姜榮賓[4]對加氫反應器火災爆炸事故進行了分析。對于雷擊引起加氫站儲氫壓力容器泄漏造成火災、爆炸事故的后果模擬分析還較少報道。本文分析了雷擊引起儲氫壓力容器破裂,氫氣泄漏的危險性,利用噴射火模型和蒸氣云爆炸模型對加氫站儲氫壓力容器雷擊火災爆炸事故后果進行了模擬計算,得到發生火災和爆炸的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑。

1 加氫站儲氫壓力容器雷電危險性分析

雷擊儲氫壓力容器產生的能量由3部分組成：金屬熔汽化需要的能量、金屬板熱輻射的能量、金屬自身傳導的能量[5]。假定雷擊電荷Q=200C、電壓降ua,c=30 V時,鋼板熔化穿孔厚度約為4～12 mm,然而雷電屬于多脈沖放電,其電流、電壓、頻率等變化非常復雜,雷擊電流、電壓遠遠大于假定值[6]。因此,雷電可能擊穿儲氫壓力容器,導致火災、爆炸事故發生。

本文只考慮雷電流產生的能量全部作用于金屬熔化,則金屬受熱熔化的最大體積可按式(1)計算[7]：

(1)

式中：V為被熔化金屬的體積,m3;Ua,c為陽極或陰極表面的電壓降,取30 V;Q為雷電流的電荷,取200 C;γ為被熔化金屬的密度,取7 700 kg/m3;Cw為熱容量,取469[J/(kg·K)];θs為熔化溫度,取1 530 ℃;θu為環境溫度,取30 ℃;Cs為熔化潛熱,取272×103J/kg。

2 加氫站雷擊火災爆炸事故模型

2.1 儲氫壓力容器火災模型

儲氫壓力容器雷擊發生破裂,泄漏量與其泄漏速度有關。通過計算熱輻射的不同入射通量確定對設備及人員所造成的損失。

2.1.1 儲氫壓力容器氫氣泄漏速度

儲氫壓力容器被雷擊穿孔后,加壓的氫氣泄漏形成射流,在泄漏裂口處被點燃形成噴射火,氫氣泄漏量首先需要判斷氣體泄漏的流動屬于音速還是亞音速。

(2)

式中：Po為大氣環境壓力,kPa;P為儲氫壓力容器內的氫氣壓力,MPa;k為氣體的絕熱指數;Y為氣體膨脹因子。

氫氣泄漏速度按公式(3)計算：

(3)

式中：Q0為泄漏速度,kg/s;Y為氣體膨脹因子,其值取1.00;Cd為氣體泄漏系數,裂口形狀為圓形時取1.00;A為泄漏面積,m2;ρ為氫氣密度,當溫度30 ℃,儲氫容器壓力P=35 MPa時,ρ其值取22.99 kg/m3;M為相對分子質量,其值取2;k為氣體的絕熱指數,取1.41;R為氣體常數,其值取8.314 J/(mol·K);T為環境溫度,其值取303 K。

2.1.2 熱輻射強度

點熱源的熱輻射通量為[8]：

q=ηQ0Hc[8]

(4)

式中：q為點熱源輻射能量,W;η為效率因子;Qo為氫氣泄漏速度,kg/s;Hc為氫氣燃燒熱,J/kg。

射流軸線上某點熱源i到距離該點r處一點的熱輻射強度計算見式(5)[2]：

(5)

式中：Ii為點熱源i至目標點x處的熱輻射強度,W /m2;q為點熱源輻射通量,W;λ為輻射率;r為點熱源到目標點的水平距離,m。

2.1.3 傷害損失

將式(5)進行變換,可以得出火災半徑公式(6)[2],結合表1的入射通量損失閾值得到相應的傷害區域,如表1所示。

表1 熱輻射的不同入射通量對設備及人員所造成的損失

(6)

2.2 儲氫壓力容器蒸氣云爆炸模型

蒸氣云爆炸模型采用TNT當量法[9],再結合超壓-沖量準則預測蒸氣云爆炸傷害范圍。

2.2.1 蒸氣云爆炸總能量

蒸氣云爆炸總能量由式(7)計算[2]：

E=αAVfHc

(7)

式中：α為地面爆炸系數,取1.8;A為可燃氣體蒸氣云的當量系數,取0.04;Vf為儲氫壓力容器內氣體體積m3;Hc為氫氣燃燒熱,取13 000 kJ/m3。

2.2.2 蒸氣云爆炸當量

蒸氣云TNT當量由式(8)計算[2]：

WTNT=E/QTNT

(8)

式中：WTNT為蒸氣云TNT當量,kg;E為爆炸總能量,kJ;QTNT為TNT爆炸熱,取4 520 kJ/kg。

2.2.3 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

人體的耳膜、肺等器官最容易受到沖擊波傷害[10]。以耳膜、肺受到傷害的概率為標準(見表2),結合氫氣爆炸釋放能量折合相同能量的TNT炸藥量,從而得到沖擊波超壓傷害范圍。

表2 爆炸沖擊波導致的區域內人員傷害的評估標準

(1)死亡區范圍

(9)

式中,WTNT為蒸氣云TNT當量,kg。

(2)重傷和輕傷區范圍

蒸氣云爆炸沖擊波超壓△P按式(10)計算：

ΔP=P/P0

(10)

比例距離Z按式(11)計算[2]：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.091

(11)

超壓引起的傷害半徑R按式(12)計算：

(12)

式中：R為目標到蒸氣云中心距離,m;Z為比例距離,m/kg1/3;P0為大氣環境壓力KPa;E為蒸氣云爆炸總能量,kJ。

3 實例模擬分析

某加氫站有2臺儲氫壓力容器,每臺容積50 m3,事故預測超壓35 MPa、溫度30 ℃,大氣環境壓力取重慶夏季平均氣壓100 kPa。

3.1 泄漏火災模擬計算

首先判斷氫氣泄漏流動速度與音速的關系：

式中：k為氣體的絕熱指數,即定壓比熱容Cp與定容比熱容Cv之比,氫氣k=1.41;Po為大氣環境壓力,取重慶夏季平均氣壓10×104Pa;P為儲氫容器氫氣壓力,取值35×106Pa。

根據計算結果,氫氣泄漏為音速流動,則流出系數Y=1.0。根據式(1),儲氫壓力容器受熱熔化的體積V=7.987 9×10-7。

假設雷電流擊穿儲氫壓力容器的形狀為圓形,綜合考慮儲氫壓力容器壁厚設計、腐蝕和工藝余量,儲氫壓力容器壁厚H值設為0.03 m,泄漏面積：

3.2 蒸氣云爆炸模擬計算

3.2.1 蒸氣云爆炸總能量和爆炸當量

蒸氣云爆炸總能量由式(7)得到E=93 600 kJ,由式(8)得到WTNT=20.708 kg。

3.2.2 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

(1)死亡區傷害范圍由式(9)得到R=3.24 m。

(2)重傷和輕傷區傷害范圍。由式(10)得到重傷區蒸氣云爆炸沖擊波超壓：△P=44 000/100 000=0.44,輕傷區蒸氣云爆炸沖擊波超壓：△P=17 000/100 000=0.17。由式(11)求得重傷區Z=0.994,輕傷區Z=1.545。由式(12)求得重傷半徑R=31.16 m、輕傷半徑R=48.43 m。儲氫壓力容器因雷擊泄漏的爆炸破壞范圍見表3。

表3 氫氣儲罐破裂發生爆炸傷害范圍

4 結 論

運用噴射火模型和蒸氣云爆炸模型對儲氫壓力容器遭受雷擊泄漏氫氣引起火災爆炸事故結果進行了模擬計算和分析。結果表明：儲氫壓力容器發生噴射火時致死區、重傷區、輕傷區、危險區分別為1.585,1.941,2.745,4.853 m;發生爆炸的死亡、重傷、輕傷半徑較大,分別為3.24,31.16,48.43 m。從傷害半徑數據可以推斷雷擊儲氫壓力容器均可能造成嚴重的事故后果。加氫站在日常運營中需要保持防雷裝置良好的工作狀態,加強重大危險源的風險管控。