制氫廠房氫泄漏激光檢測光路布置優(yōu)化研究

摘 要 氫氣擴(kuò)散能力強、燃燒速度快、可燃范圍廣的特點使其泄漏易發(fā)生爆炸事故。對比基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的激光傳感器布置方式，以降低對氫泄漏的檢測時間，獲得最佳光路布置間距和角度。利用數(shù)值模擬研究了氫氣在制氫廠房內(nèi)的泄漏逸散規(guī)律，通過光學(xué)仿真確定了激光傳感器的最短布置距離，分析了相鄰光路間距及光路投影角度兩種因素對氫泄漏檢測的影響，得到了檢測時間短、經(jīng)濟(jì)成本相對較低的布置方式。結(jié)果表明：相鄰光路間距為0.4 m、光路與地面夾角為45°時，檢測氫氣泄漏時間優(yōu)于其他方式并且所需激光傳感器數(shù)量最少。

關(guān)鍵詞 激光檢測 制氫廠房 氫氣泄漏 光路布置 光路間距 光路投影角度

中圖分類號 TN249 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0599-09

在推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級以及實現(xiàn)全球“碳中和”目標(biāo)的進(jìn)程中，氫能發(fā)揮著十分重要的作用。氫能因其可獲取性強、能量密度高以及清潔環(huán)保的特點成為解決傳統(tǒng)能源短缺以及環(huán)境問題的關(guān)鍵［1，2］。但是氫因密度低、爆炸極限范圍廣以及最小點火能低等特點帶來的安全問題不容忽視［3，4］。氫脆問題易導(dǎo)致輸氫壓力管道內(nèi)部材料脆化、開裂，極易引發(fā)泄漏爆炸事故［5，6］。因此，開發(fā)高效、便捷、快響應(yīng)的氫氣泄漏檢測手段可有效避免或減少事故的發(fā)生，為制氫廠房安全運營提供保障。

關(guān)于氫氣泄漏的問題，國內(nèi)外學(xué)者研究了許多方法來檢測氫氣的濃度。對于氫氣泄漏模擬，李西貴等對管道內(nèi)不同位置障礙物影響下的高壓氫氣泄漏自燃過程進(jìn)行了模擬研究，探索管內(nèi)有障礙物時的自發(fā)點火機(jī)制［7］。張靜等建立車輛規(guī)則停放的多障礙物車庫模型，利用FLACS軟件進(jìn)行模擬，獲得車庫內(nèi)氫氣泄漏規(guī)律［8］。顧蒙等建立某油氫合建站三維物理模型，模擬并分析不同罩棚形狀、環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向?qū)錃庑孤┦鹿实挠绊懸?guī)律［9］。對于泄漏氣體的檢測，HAN C H等研制了采用二氧化鈦和紫外線發(fā)光二極管設(shè)計的催化燃燒型氫氣傳感器，可測量0.5%～5.0%范圍內(nèi)的氫氣［10］。JAYANTHI E等研制了一種以全氟磺酸型聚合物溶液為質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)，鈀為傳感電極，鉑為對電極和參比電極的室溫安培氫傳感器，具有良好的傳感特性［11］。與上述方法相比，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)具有響應(yīng)速度快、選擇性強及靈敏度高等優(yōu)點，可以對痕量氣體進(jìn)行快速檢測［12～14］。AVETISOV V等開發(fā)了一種基于波長調(diào)制光譜的激光氫傳感器，用于氫分子的非接觸測量，證明了該傳感器在0%～10%范圍內(nèi)的氫氣測量中的適用性［15］。由于靜密封點處易泄漏氣體，氫脆現(xiàn)象也會導(dǎo)致氫氣泄漏，目前大多數(shù)研究的重點是如何更好地檢測到微量氫氣，缺少關(guān)于激光傳感器布置方式對泄漏氫氣預(yù)警的影響研究。

筆者采用CFD模擬對制氫廠房的氫氣泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬研究，基于光學(xué)仿真軟件分析光強與光路布置間距的關(guān)系，開展相鄰激光傳感器間隔和激光光束投影角度對氫泄漏預(yù)警的影響分析，為制氫廠房布置激光傳感器提供參考，提高制氫廠房在生產(chǎn)氫氣過程中的安全性和可靠性。

1 模型建立及求解方法

1.1 物理模型

模擬制氫廠房氫氣逸散規(guī)律，泄漏孔為圓形，位于廠房地面中間位置，直徑為2 mm，長度為6.5 m，高度為4.6 m，簡化后的模型如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對于流體流動，需要遵循質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

1.3 模型驗證及網(wǎng)格獨立性檢驗

為驗證模型的有效性，筆者以DE STEFANO M等的小型封閉外殼［16］為研究對象，基于Fluent模擬氫氣泄漏后的濃度分布，將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，如圖2所示，模擬結(jié)果的總體趨勢與實驗結(jié)果基本一致，驗證了模型的可靠性。

對于制氫廠房氫氣泄漏模型分別劃分了網(wǎng)格數(shù)為100 295、183 440、246 470、330 510、492 053的5套模型，設(shè)置監(jiān)測點坐標(biāo)為（3.25，0.55），進(jìn)行網(wǎng)格獨立性驗證，結(jié)果如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)量為246 470、330 510和492 053時，氫氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)基本相同，而網(wǎng)格數(shù)量的增多導(dǎo)致計算時間增長，綜合考慮仿真精度及計算成本，確定采用246 470數(shù)目的網(wǎng)格模型。

1.4 求解設(shè)置

使用Fluent軟件進(jìn)行求解。基于壓力的求解器進(jìn)行瞬態(tài)計算，使用層流模型，開啟組分輸運方程。左側(cè)入口和右側(cè)出口的邊界條件均設(shè)置為抑制回流的壓力出口。泄漏孔的邊界條件設(shè)置為速度入口，泄漏速度為0.016 5 m/s。壓力速度耦合方法選用SIMPLE算法，動量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式。

網(wǎng)格模型如圖4所示。整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)為246 470，網(wǎng)格質(zhì)量的平均值大于0.7，符合要求。

1.5 光學(xué)仿真模型

制氫廠房地面粗糙度較大，激光照射到地面發(fā)生漫反射會對相鄰激光器產(chǎn)生影響，導(dǎo)致對泄漏位置的判斷錯誤，因此通過TracePro軟件進(jìn)行光路仿真，確定相鄰激光器不因漫反射影響的最短布置距離。

在TracePro軟件中建立模型，設(shè)置菲涅爾透鏡厚度為2 mm、外半徑為25 mm、環(huán)距為1 mm、材料為B270、激光波長為2 122 nm，光電探測器表面屬性設(shè)置為Perfect Absorber，地面表面屬性設(shè)置為Flat white paint，光線追跡為9 714 601條，并且考慮地面與光線的夾角及與光源的距離，夾角設(shè)置為45、50、55、60°，上述角度對應(yīng)的距離分別為6 500、6 000、5 600、5 300 mm，仿真模型如圖5所示。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 制氫車間氫泄漏擴(kuò)散規(guī)律分析

筆者對氫氣泄漏90 s內(nèi)的規(guī)律進(jìn)行分析。如圖6所示，氫氣從泄漏口豎直向上噴出，泄漏速度為0.016 5 m/s，在泄漏初始階段，氫氣的動量占據(jù)主導(dǎo)作用，呈現(xiàn)射流狀態(tài)；第10 s時，隨著氫氣與空氣黏性耗散作用的影響，并發(fā)生動量交換，浮力對氫氣的影響占據(jù)主要作用，氫氣射流與靜止空氣相互摻混，周圍空氣被氫氣射流夾帶，產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象；到30 s時，周圍空氣逐漸卷入，氫氣射流寬度擴(kuò)展，速度變小，并向四周擴(kuò)散；前60 s內(nèi)，可以觀察到射流從發(fā)展到消失的過程，氫氣射入空氣中，氫氣中心速度逐漸衰減，射流發(fā)生分裂，氣體產(chǎn)生脫落現(xiàn)象；至90 s時，氫氣逸散到天花板，受到天花板的阻礙氫氣開始積累并沿著天花板向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。

通過后處理軟件CFD-POST獲得不同時間的氫氣逸散豎直高度，如圖7所示。由圖7可知，氫氣逸散的高度隨時間推進(jìn)而逐漸變高，且高度變化率逐漸減小，說明氫氣逸散速度不斷衰減。

2.2 激光檢測光路傳輸特性分析

通過軟件模擬分析激光檢測光路，結(jié)果如圖8所示。地面與光線夾角為45°時，激光傳感器間隔110 mm不會受到漫反射的影響；地面與光線夾角為50°時，激光傳感器間隔100 mm不會受到漫反射的影響；地面與光線夾角為55°時，激光傳感器間隔100 mm不會受到漫反射的影響；地面與光線夾角為60°時，激光傳感器間隔80 mm不會受到漫反射的影響。因此，相鄰激光傳感器布置距離大于等于110 mm可以避免漫反射的影響。

2.3 光路布置間距對氫泄漏檢測時間的影響

為對比光路布置間距對氫氣泄漏檢測時間的影響，根據(jù)光路仿真結(jié)果避免相鄰激光傳感器的漫反射影響，設(shè)計了4種光路間距均大于110 mm的布置方式，如圖9所示，每種布置方式的光路與地面夾角均為55°，為避免光路受到廠房設(shè)備的影響，激光傳感器的安裝高度均在廠房兩側(cè)墻壁高度一半以上，使用藍(lán)色實線代表光路稀疏區(qū)氫氣泄漏點到達(dá)光路的最大距離，使用粉色虛線代表光路密集區(qū)氫氣泄漏點到達(dá)光路的最大距離。方式a為相鄰光路間距為0.8 m、光路數(shù)量為10條的布置方式；方式b為相鄰光路間距為0.6 m、光路數(shù)量為14條的布置方式；方式c為相鄰光路間距為0.4 m、光路數(shù)量為20條的布置方式；方式d為相鄰光路間距為0.3 m、光路數(shù)量為26條的布置方式。

在地面設(shè)置等間距的12個假定檢測點，為使結(jié)果更具普遍性，同時考慮廠房貼近兩側(cè)壁面光路稀疏區(qū)的最大可能檢測時間以及廠房中間光路密集區(qū)的最大可能檢測時間，利用三角函數(shù)計算不同檢測點到接觸光路的距離，根據(jù)不同時間氫氣云團(tuán)的高度得到相應(yīng)的檢測時間，結(jié)果如圖10所示。通過對比，光路布置方式a多數(shù)固定點的檢測時間為5 s，有4個固定點檢測時間為13 s，存在氫氣長時間泄漏傳感器不響應(yīng)的可能性，光路布置方式b固定點的檢測時間均較短，但這兩種方式在兩側(cè)光路稀疏區(qū)及中間光路密集區(qū)的檢測時間遠(yuǎn)長于光路布置方式c和d，不利于泄漏氣體的檢測，光路布置方式c和d在光路密集區(qū)的檢測時間均較短，且兩種方式固定點的檢測時間均在5 s及以下，將制氫設(shè)備布置在光路密集區(qū)，可以減少氣體泄漏傳感器長時間不響應(yīng)的可能性，更有利于氫氣泄漏的檢測。從圖10可以看出，減小光路布置間距可以使氫氣泄漏的檢測時間縮短，但是會增加光路的數(shù)量，對比光路布置方式c和d，兩種方式的檢測時間相差較小，考慮經(jīng)濟(jì)因素，方式c布置的光路更少使其更具有優(yōu)勢。

2.4 光路布置角度對氫泄漏檢測時間的影響

為對比光路布置角度對氫氣泄漏檢測時間的影響，設(shè)計了4種光路與地面夾角不同的布置方式，如圖11所示，每種布置方式相鄰光路的間距均為0.4 m，大于激光傳感器最短布置距離。方式a為光路與地面夾角為45°、光路數(shù)量為16條的布置方式；方式b為光路與地面夾角為50°、光路數(shù)量為18條的布置方式；方式c為光路與地面夾角為55°、光路數(shù)量為20條的布置方式；方式d為光路與地面夾角為60°、光路數(shù)量為22條的布置方式。

對于不同角度光路布置方式，檢測點的選擇和檢測時間的計算方法均同2.3節(jié)，結(jié)果如圖12所示。通過對比，將相鄰光路的間距設(shè)置為0.4 m的情況下，4種不同角度光路布置方式的檢測時間均在10 s以內(nèi)。光路布置方式a多數(shù)固定點的檢測時間小于其他3種方式，在兩側(cè)光路稀疏區(qū)及中間光路密集區(qū)的檢測時間與光路布置方式b和c相差很小，并且該種方式光路的數(shù)量最少；光路布置方式d的光路數(shù)量最多，在兩側(cè)光路稀疏區(qū)及中間光路密集區(qū)的檢測時間卻最長，即使將制氫設(shè)備布置在光路密集區(qū)，與光路布置方式a相比也不具有優(yōu)勢，因此，使用方式a檢測氫氣比其他方式的結(jié)果更理想。根據(jù)圖12，光路與地面的夾角越小對氫氣泄漏的檢測越有利，但是為使光路有效，需要控制光路不照射到廠房的兩側(cè)墻壁。

3 結(jié)論

針對制氫廠房氫氣泄漏問題進(jìn)行Fluent模擬并分析氫氣逸散規(guī)律，利用TracePro軟件對激光傳感器的光路進(jìn)行仿真，確定了相鄰激光傳感器不因漫反射互相影響的最短布置距離，設(shè)計了不同間距及光束投影角度的光路布置方式，分析不同布置方式對氫泄漏檢測的影響。筆者進(jìn)行制氫廠房氫氣泄漏及檢測的研究，可對預(yù)防氫氣泄漏爆炸事故的發(fā)生提供參考，主要結(jié)論如下：

a. 氫氣泄漏逸散會經(jīng)歷射流、卷吸、截面擴(kuò)張及中心速度衰減等現(xiàn)象。

b. 對于地面與光路夾角為45、50、55、60°的4種工況，相鄰激光傳感器布置距離大于等于110 mm可以消除漫反射的影響。

c. 當(dāng)?shù)孛媾c光路夾角為55°時，激光傳感器數(shù)量隨著傳感器布置間隔減小而增加并使得檢測時間縮短。相鄰激光器間距為0.4 m的布置方式在筆者設(shè)計的4種間距不同的方式中更有優(yōu)勢，可以避免檢測時間過長并降低激光傳感器費用。

d. 當(dāng)相鄰光路的間距為0.4 m時，光路稀疏區(qū)及光路密集區(qū)最長檢測時間隨著光路與地面的夾角變小而變短。光路與地面夾角為45°的布置方式在筆者設(shè)計的4種光束投影角度中具有最優(yōu)的檢測時間及最少的激光傳感器數(shù)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-09-19，修回日期：2024-05-22）

Optimization Study on Optical Path Arrangement for Hydrogen

Leakage Detection in Hydrogen Plant

LI Donga，b， LI Xue-songc， WANG Dib，d， LV Yand， PU Yua， LI Yu-shuangd

（a. School of Architecture and Civil Engineering ； b. International Joint Laboratory on Low-carbon

and New-energy Nexus； c. School of Mechanical Science and Engineering；

d. School of Physics and Electronic Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract " The characteristics of strong diffusion ability， fast combustion speed and wide combustible range of hydrogen make its leakage prone to explosion accidents. The laser sensors arrangement based on tunable semiconductor laser absorption spectroscopy was compared to reduce the detection time of hydrogen leakage and obtain the best arrangement spacing and the angle of optical path. In addition， making use of numerical simulation to study hydrogen leakage and dissipation law in hydrogen plant was implemented， including having the shortest deployment distance of laser sensors determined by optical simulation， having the influence of two factors， the distance between adjacent optical paths and the projection angle of optical paths on hydrogen leakage detection analyzed to obtain the deployment method with short detection time and relatively low economic cost. The results show that， when the distance between adjacent optical paths is 0.4 m and the angle between optical path and ground is 45°， making use of the time method to detect hydrogen leakage is better than other methods and the number of laser sensors needed is the least.

Key words " laser detection， hydrogen plant， hydrogen leakage， optical path arrangement， optical path spacing， optical path projection angle

基金項目：黑龍江省“揭榜掛帥”科技攻關(guān)項目（批準(zhǔn)號：2023ZXJ06A04）資助的課題；黑龍江省“雙一流”學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新成果項目（批準(zhǔn)號：LJGXCG2023-108）資助的課題；國家市場監(jiān)督管理總局科技計劃項目（批準(zhǔn)號：2023MK163）資助的課題；杭州杭燃工程科技有限公司科技計劃項目（批準(zhǔn)號：z20220203）資助的課題。

作者簡介：李棟（1979-），教授，從事危險介質(zhì)光學(xué)物性技術(shù)的研究。

通訊作者：王迪（1992-），博士研究生，從事痕量氣體組分激光檢測的研究，wangdinepu@163.com。

引用本文：李棟，李雪松，王迪，等.制氫廠房氫泄漏激光檢測光路布置優(yōu)化研究［J］.化工自動化及儀表，2024，51（4）：599-606；718.