氫內燃發電機組爆炸性氣體環境分析

摘要：氫內燃發電機組是重要的氫能發電設備，但氫氣的使用給機組的安全運行帶來額外風險。同時，考慮設備增效降本的需求，科學合理的爆炸性危險區域劃分將為零部件選型、控制系統設置和操作流程規劃提供指導性意見。有必要對機組箱體內氫氣泄漏及通風進行量化，結合安全控制邏輯和特定操作流程，確認機組內部的危險區域等級，避免大量使用防爆部件，降低設備成本。

關鍵詞：氫內燃發電機組；爆炸性氣體；爆炸性危險區域；氫氣；環境；風險

中圖分類號：TM314 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.018

Analysis of Explosive Gas Environment for Hydrogen Internal Combustion Generator Sets

TANG Rongbin， CHRISTIAN Zurnstein， LI Xuejun， YU Fei

（DEUTZ （Beijing） Engine Co.， Ltd.， Beijing 100004， China）

Abstract： Hydrogen internal combustion generator sets are important hydrogen power generation equipment， but the use of hydrogen poses additional risks to the safe operation of the units. At the same time， considering the need for equipment efficiency and cost reduction， a scientifically reasonable division of explosive hazardous areas will provide guidance for component selection， control system settings， and operation process planning. It is necessary to quantify the hydrogen leakage and ventilation inside the unit casing， and combines safety control logic and specific operating procedures to confirm the level of hazardous areas inside the unit， thus avoiding the extensive use of explosion-proof components， and reducing equipment costs.

Keywords： hydrogen internal combustion generator set; explosive gases; explosive hazardous areas; hydrogen gas; environment; risk

氫氣是一種清潔、可再生的二次能源，在能源轉型和減少碳排放的背景下，氫氣可以替代傳統化石燃料，減少對環境的污染和對氣候變化的影響。隨著技術的進步和產業的發展，氫氣在碳減排和碳中和中的作用將更加突出。內燃發電機組作為重要的電力設備，在應急電源、分布式能源站和熱電聯供設施等應用場景扮演重要的角色。隨著我國碳達峰碳中和目標的提出，加上能源安全與轉型的需要，氫內燃發電機組的應用不僅可以解決化石能源替代問題，也可通過綠色能源制氫、發電支撐新型電力系統的建設。氫氣屬于易燃易爆氣體，爆炸極限為4.0%～75.6%，無論以何種方式使用氫氣，應重點考慮設備用氫安全。有必要對氫氣泄漏及通風進行定量分析，劃分發電機組內部的爆炸性危險區域，為機組控制策略制定、電氣設備選型和操作規程編制提供指導。

1 氫內燃發電機組概況

1.1 機組性能參數

爆炸性氣體環境分析選用的氫內燃發電機組型號為HW 150 DE5 15 MC14HS，由道依茨（北京）發動機有限公司生產，燃料為氫氣，尾氣排放執行歐洲汽車尾氣排放的第五代標準。發電機組主要由氫氣內燃機、發電機、控制器、啟動電瓶、配電箱、供氫系統和安全系統等組成，性能參數如表1所示。發電機組采用靜音式設計，滿足室外露天安裝需求。箱體采用隔聲、耐火材料，滿足二級防火要求。箱體設置2個獨立空間，分別設置發電機組及控制配電柜，以確保任何區域可能發生的氫氣泄漏不影響其他區域。供氫系統采用面板設計，安裝在發電機箱體外部。

1.2 機組主要配置

發動機采用道依茨（北京）發動機有限公司生產的氫氣內燃機（排量7.8 L），它采用稀薄燃燒、廢氣再循環和高效后處理等先進技術手段，實現較高的熱效率、極低的污染物排放和二氧化碳的零排放。內燃機的設計、零部件選型、材料選擇和加工制造均滿足往復式內燃機防火要求。供氫系統安裝于箱體外部，供氫壓力為3.0 MPa，最大質量流量為3.5 g/s。系統配備手動截止閥、過濾器、應急切斷閥、壓力傳感器、單向閥和穩壓器。管路同時設置安全釋放閥及放空閥，在超壓及應急情況下釋放管路壓力，避免管路及附件損壞。氫氣供應系統如圖1所示。

通風系統采用3種通風方式，即自然通風、停機排風和冷卻通風。停機時，機組通過機箱側壁和頂部開口進行自然通風。機組通電狀態下，機箱頂部強制排風機對機箱內部進行強制通風。發電機運行階段，內燃機的散熱風扇對機箱內部進行強制通風。安全控制通過發電機控制器實現，除發電機的常規控制外，它還肩負可燃氣體探測系統、通風系統、閥門遙控系統和監測報警系統的控制，耦合功能控制與安全控制可以確保發電機組在不同狀態下的安全。

2 爆炸性氣體環境初步分類

經風險源識別，氫內燃發電機組的最大爆炸風險源為氫氣的非正常使用，導致氫氣泄漏。氫氣的爆炸下限為4%（體積分數），對應的濃度約為3.4 g/m3，發電機箱體容積為8 m3，當箱體內氫氣泄漏量達到27.2 g且通風不良時，箱體內尤其是箱體頂部形成爆炸性氣體環境。

依據爆炸性氣體混合物出現的頻率和爆炸性氣體環境持續的時間，通常將爆炸性氣體環境劃分為0區、1區和2區[1-5]。近年來，國外已開展采取定量概念劃分爆炸性危險區域的研究，假設一年中存在爆炸性氣體混合物，根據氣體混合物濃度介于爆炸極限范圍的頻率來劃分爆炸性危險區域。一年按10 000 h考慮，近似計算爆炸性氣體混合物持續時間的出現頻率，如表2所示[6]。

氫氣供應系統管路采用316L不銹鋼無縫管，管路及附件連接形式為卡套連接。設備正常運行時，氫氣不會釋放，僅在管路出現損壞時偶爾釋放，且安全控制系統可實時監測設備的異常，確保任何異常工況將被及時發現并切斷氫氣供應。設備內部釋放源可定義為二級，供氣系統區域及箱體內部爆炸性氣體環境定義為2區。

3 爆炸性危險區域分析

3.1 釋放速率

首先，確認氣體釋放是否被節流。管路內部的氫氣壓力大于臨界壓力時，釋放速率計算應選擇帶有節流速度的氣體，反之選擇不帶節流速度的氣體[7]。采用式（1）計算氫氣臨界壓力。經計算，氫氣臨界壓力為1.9×105 Pa。

（1）

式中：pc為氫氣臨界壓力，Pa；p0為大氣壓力，取1.01×105 Pa；γ為絕熱膨脹多變指數，氫氣取1.41。

當氣體帶有節流速度時，采用式（2）計算氫氣的釋放速率[7]。管路壓力大于氫氣臨界壓力時，采用帶節流速度的氣體進行計算，氣體泄漏的釋放速率為6.3×10-5 kg/s。發電機停機時，供氣管內壓力通過放散管泄放至大氣，管內壓力為大氣壓力，小于氫氣臨界壓力，使用帶節流速度的氣體，計算氣體泄漏釋放速率，因管內外壓力相同，泄漏釋放速率為0 kg/s。

（2）

式中：為質量G的氣體在時間t內釋放的速率，kg/s；S為氫氣釋放的通孔橫截面積（表面積），取值為3.4×10-8 m2；p為氫氣內的壓力，取值為3×106 Pa；

M為氫氣分子質量，取值為2 kg/kmol；R為通用氣體常數，取值為8 314 J/（kmol·K）；T為氫氣溫度，取值為293 K。

3.2 通風等級及有效性

通風等級通常定義為高級、中級和低級3種，通風有效性通常劃分成良好、一般和差3個等級[7]。為確定假設體積，要計算若將釋放的氫氣濃度稀釋到爆炸下限濃度的最小通風速率。最小通風速率采用式（3）估算[8]，爆炸性危險區域的假設體積采用式（4）計算[7]。

（3）

（4）

式中：為體積V的新鮮空氣在時間t內的最小流速，m3/s；為釋放源的最大釋放速率，kg/s；k為適用于爆炸下限的安全系數，二級釋放源取0.5；L為爆炸下限，對應的氫氣濃度約為

3.4 g/m3；Vz為爆炸性危險區域的假設體積，m3；f為通風效率，機箱內部取1；C為單位時間內空氣置換的次數，s-1。

發電機組箱體內釋放源被定義為二級釋放源，安全系數為0.5，通風效率為1，采用發動機風扇換氣，空氣置換次數為0.42。經計算，新鮮空氣的最小體積流量為1.26×10-6 m3/s，假設體積為3.02×10-6 m3，遠小于0.1 m3，因此通風等級可評定為高級。同時，發動機風扇通過齒輪與發動機曲軸連接，機組工作時，通風連續存在，通風有效性可評定為良好。

3.3 估算爆炸性危險環境持續的時間

氫氣停止釋放后，采用式（5）計算氫氣濃度從初始值X0下降到n倍爆炸下限的所需時間[9]。以體積分數計，特殊時刻特殊位置可燃氣體的初始濃度可能為100%。經計算，爆炸性危險環境持續時間為9.78 s，

滿足2區的持續時間定義。

（5）

式中：tn為氫氣濃度從初始值X0降低到n倍爆炸下限需要的時間，s；X0為氫氣初始濃度，g/m3。

3.4 爆炸性危險區域的確認

經計算，假設體積Vz減小到忽略不計。由于Vz小于0.1 m3，對釋放源和考慮區域來說，通風等級可以視作高級。通風與設備間采用機械連接，設備運行期間可以獲得持續的通風，通風有效性為良好。爆炸性環境持續時間短暫，可以滿足2區定義。因此，機箱內區域可評定為2區，即非危險區[7]。

4 結論

定量分析結果顯示，雖然箱體內部存在二級釋放源，但潛在的釋放速率較低，通風等級高，爆炸危險環境持續時間短。經評估，箱體內區域可定義為

2區（非危險場所），爆炸性氣體環境不會大量出現，電氣設備的結構、安裝和使用不需要采取專門的預防措施。同時，控制系統應對設備運行參數、氫氣供應參數以及氫氣泄漏進行實時監測，并可及時觸發報警、切斷和聯鎖通風等安全措施。要充分排查可能的泄漏源和點火源，制定合理的應急管理方案，明確應急操作流程，保證人員及設備安全。

參考文獻

1 蘇琳強.淺談爆炸和火災危險環境方面的基本常識[J].科學之友，2010（24）：128-129.

2 李 晶，陳志中，邱天強，等.某非金屬材料制品廠房的電氣改造設計[J].智能建筑電氣技術，2017（2）：25-27.

3 成丹瓊，汪飛燕，楊曉峰，等.關于“國發〔2016〕39號優化建設工程防雷許可的決定”的解讀[J].南方農機，2018（15）：204.

4 陳俊文，湯曉勇，諶貴宇，等.含氫天然氣管道工程設計中有關間距問題探討[J].天然氣與石油，2022（3）：8-14.

5 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.爆炸危險環境電力裝置設計規范：GB 50058—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

6 IEC.Explosive atmospheres - part 10-1：classification of areas - explosive gas atmospheres：corrigendum 1：IEC 60079-10-1/COR1：2021[S].Geneva：IEC，2021.

7 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.爆炸性環境 第14部分：場所分類 爆炸性氣體環境：GB 3836.14—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

8 顧保虎.爆炸性氣體環境場所釋放源釋放半徑及區域類型的分析計算[J].電氣防爆，2019（5）：34-39.

9 鐘為華.陽離子染料可染PET裝置第三組分合成單元的火災防爆區劃分[J].聚酯工業，2009（2）：26-28.