加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故模擬及分析

李靜媛,趙永志,鄭津洋

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江杭州310027）

加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故模擬及分析

李靜媛,趙永志,鄭津洋

（浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江杭州310027）

運(yùn)用基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的FLACS軟件模擬上海世博加氫站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫氣瓶發(fā)生泄漏并引發(fā)爆炸的情況,研究不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)高壓氫氣泄漏爆炸事故的影響規(guī)律.結(jié)果表明：基于FLACS的模擬方法,能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氫氣泄漏爆炸事故全過(guò)程的模擬,對(duì)爆炸超壓波進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維展示；爆炸強(qiáng)度隨障礙區(qū)域擁塞度和環(huán)境風(fēng)速的增大而顯著增強(qiáng),危害距離隨環(huán)境風(fēng)速的增大呈先減小后增大的趨勢(shì).對(duì)比危害距離模擬值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值可以發(fā)現(xiàn),計(jì)算值略高于模擬結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)公式偏保守.

高壓氫氣；泄漏；爆炸；FLACS；加氫站安全

為了解決傳統(tǒng)燃油汽車(chē)面臨的日益嚴(yán)重的石油緊缺以及大氣污染問(wèn)題,清潔、高效的氫能汽車(chē)被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］.加氫站作為實(shí)現(xiàn)氫能汽車(chē)商業(yè)化的必備基礎(chǔ)設(shè)施,受到了各國(guó)政府的高度重視,截至2013年3月,全球范圍內(nèi)正在運(yùn)行的加氫站已逾200座,此外還有107座計(jì)劃待建［2］.

氫氣具有密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、點(diǎn)火溫度低、爆炸極限寬（體積分?jǐn)?shù)為4%～74%）、燃燒火焰速度快等特點(diǎn)［3］,加氫站內(nèi)存儲(chǔ)的大量高壓氫氣若發(fā)生泄漏,極易形成大規(guī)?？扇?xì)庠?一經(jīng)點(diǎn)燃便會(huì)引發(fā)劇烈的爆炸事故,對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅.對(duì)加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故進(jìn)行研究,認(rèn)清事故的發(fā)生過(guò)程及發(fā)展規(guī)律十分必要,對(duì)防爆區(qū)域劃分、事故防范控制措施制定等方面都具有重要意義.

目前,評(píng)估可燃?xì)怏w泄漏爆炸事故后果常使用基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的擴(kuò)散和爆炸模型的傳統(tǒng)方法［4］.傳統(tǒng)方法將氣體泄漏后的擴(kuò)散和爆炸從時(shí)間和空間上分割［5］,顯然與實(shí)際不符.隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)泄漏爆炸事故新的數(shù)值方法不斷涌現(xiàn),其中FLACS（flame accelerate simulator）是一種基于CFD技術(shù)的專(zhuān)業(yè)模擬氣體擴(kuò)散、燃燒和爆炸的軟件,能夠耦合火焰與裝置、管道、設(shè)備等的相互作用和影響,直接對(duì)氣體爆炸波進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏爆炸后果的量化計(jì)算及分析.另外,該軟件特別針對(duì)氫氣的擴(kuò)散和爆炸對(duì)模型進(jìn)行修正,形成了針對(duì)氫氣擴(kuò)散和爆炸的模塊.利用該模塊的數(shù)值模擬結(jié)果得到了眾多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,證實(shí)了該軟件可以用于氫安全的研究［6-7］.本文利用FLACS軟件,基于實(shí)際運(yùn)行的加氫站建立幾何模型模型,考慮真實(shí)場(chǎng)景的情況,對(duì)高壓氫氣從泄漏擴(kuò)散至點(diǎn)火爆炸的全過(guò)程進(jìn)行模擬,得到了高壓氫氣泄漏擴(kuò)散及爆炸的后果,并進(jìn)行相關(guān)分析研究.

1 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)

1.1 數(shù)學(xué)模型

FLACS是一款采用有限體積法的CFD軟件,利用SIMPLE算法結(jié)合邊界條件,求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分守恒方程,確定計(jì)算區(qū)域內(nèi)的超壓、燃燒產(chǎn)物、燃料消耗量、溫度等變量.將流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)的影響通過(guò)以下方程予以考慮：

式中：φ為求解變量（質(zhì)量、動(dòng)量和能量等變量）,ρ為氣體密度,xj為j方向上的積分,μi為i方向上的速度矢量,Γφ為擴(kuò)散系數(shù),Sφ為源項(xiàng).

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

自2006年起,為了展示清潔、安全的氫燃料電池汽車(chē),推動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),中國(guó)大陸先后建成5座示范運(yùn)行的加氫站.現(xiàn)以上海世博加氫站為例,對(duì)高壓氫氣泄漏及爆炸后果進(jìn)行模擬分析.該加氫站南北長(zhǎng)60 m,東西長(zhǎng)50 m,四周空曠,以自西向東方向建立X軸,自南向北方向建立Y軸,豎直向上方向建立Z軸,計(jì)算區(qū)域擴(kuò)大為85 m×80 m×10 m,幾何模型如圖1所示.

該站采用35 MPa壓力對(duì)氫燃料汽車(chē)進(jìn)行加注,可能發(fā)生氫氣泄漏的儲(chǔ)氫系統(tǒng)包括拖車(chē)儲(chǔ)氫瓶（16 MPa）,高壓儲(chǔ)氫氣瓶（39 MPa）和加注機(jī)（43.8 MPa）［8］.其中,高壓儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?chǔ)氫時(shí)間長(zhǎng)、儲(chǔ)氫容量大、儲(chǔ)氫壓力高,瓶組儀表管道破損最常見(jiàn),易引發(fā)泄漏事故.本文針對(duì)高壓儲(chǔ)氫氣瓶100%直徑儀表管道損壞后的泄漏及爆炸進(jìn)行模擬研究,氣瓶容積為0.89 m3,泄漏孔直徑為10 mm.障礙物會(huì)阻礙氫氣擴(kuò)散,增大可燃?xì)庠品e聚的風(fēng)險(xiǎn),所以泄漏點(diǎn)、泄漏方向和風(fēng)向的設(shè)定使高壓噴射氫氣進(jìn)入儲(chǔ)氫氣瓶、壓縮機(jī)和拖車(chē)儲(chǔ)氫瓶所圍成的高擁塞度障礙區(qū)域.泄漏點(diǎn)位于氣瓶中部,高壓氫氣沿X軸正方向泄漏,環(huán)境風(fēng)速為1 m／s,風(fēng)向也為X軸正方向.在環(huán)境溫度范圍內(nèi),氫氣密度的變化較小,泄漏量受溫度的影響較小,假設(shè)瓶?jī)?nèi)氣體溫度和環(huán)境溫度相等,均為常溫15℃.

圖1 上海世博加氫站簡(jiǎn)化幾何模型Fig.1 Simplified geometric model of Shanghai World Expo Hydrogen Refueling Station

為了精確捕捉高壓氫氣高速?lài)娚鋾r(shí)的體積分?jǐn)?shù)變化,在擴(kuò)散求解模型中對(duì)泄漏點(diǎn)附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,在邊界區(qū)域適當(dāng)將網(wǎng)格拉伸以減少網(wǎng)格數(shù)量,縮短運(yùn)算時(shí)間,網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 FLACS求解網(wǎng)格Fig.2 Grid in FLACS

1.3 泄漏量計(jì)算

絕大多數(shù)高壓氫氣泄漏擴(kuò)散初期屬于亞膨脹射流,泄漏口處的速度為當(dāng)?shù)芈曀?但壓力高于大氣壓力,氫氣在在泄漏口外的一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步膨脹至與環(huán)境壓力相同［9］,如圖3所示.當(dāng)氫氣壓力高于10～20 MPa時(shí),理想氣體狀態(tài)方程已不再適用.Molkov等［10］基于Abel-Noble狀態(tài)方程以及能量和質(zhì)量守衡方程推導(dǎo)得出高壓氫氣亞膨脹射流的質(zhì)量流量計(jì)算方法：

圖3 亞膨脹射流模型示意圖Fig.3 Under-expanded jet scheme

式中：ρ1為氣瓶?jī)?nèi)氫氣密度；p1為氣瓶?jī)?nèi)壓力,p1＝39 MPa；b為Abel-Noble余容系數(shù),b＝7.69× 10－3；RH2為氫氣氣體常數(shù),RH2＝4 124.24 J·（kg·K）－1；T1為氣瓶?jī)?nèi)氫氣溫度,T1＝288 K；κ為絕熱指數(shù),對(duì)于氫氣取1.4；ρ3為真實(shí)泄漏口處氫氣密度；T3為真實(shí)泄漏口處氫氣溫度；p3為真實(shí)泄漏口處氫氣壓力；u3為真實(shí)泄漏口處氫氣速度；qm為質(zhì)量泄漏流量；d為泄漏孔直徑,d＝10 mm.通過(guò)計(jì)算得到質(zhì)量泄漏流量為1.67 kg／m3.假設(shè)氫氣以恒定速度泄漏,則0.89 m3的39 MPa高壓儲(chǔ)氫氣瓶總泄漏時(shí)長(zhǎng)為14 s.

2 擴(kuò)散模擬結(jié)果及分析

如圖4所示為高壓儲(chǔ)氫氣瓶泄漏后不同時(shí)刻的氫氣可燃?xì)庠茍D（氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%～74%）.可以看出,在泄漏結(jié)束（14 s）前,可燃?xì)庠企w積持續(xù)增大,且因?yàn)闅錃饷芏冗h(yuǎn)小于空氣,呈現(xiàn)不斷上升的狀態(tài).受障礙物的限制,防爆墻和壓縮機(jī)附近的可燃?xì)庠浦饕蛏蠑U(kuò)展,拖車(chē)儲(chǔ)氫瓶附近的氫氣可以沿拖車(chē)底部及氣瓶間空隙橫向擴(kuò)散,在地表形成較大面積的可燃?xì)庠?增大了被點(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn).同時(shí),較小的環(huán)境風(fēng)速對(duì)氫氣水平方向擴(kuò)散速度影響甚微,可燃?xì)庠茙缀醮怪鄙仙?在泄漏停止（14 s）后,氫氣進(jìn)一步擴(kuò)散,體積分?jǐn)?shù)不斷減小,可燃?xì)庠企w積逐漸減小,至泄漏28 s后,完全消失.

圖4 不同時(shí)刻的氫氣可燃?xì)庠茍DFig.4 Hydrogen flammable gas cloud at different time

綜上可以得出,盡管泄漏孔徑只有10 mm,但高壓氫氣泄漏和可燃?xì)庠茢U(kuò)散速度極快,工作人員根本沒(méi)有時(shí)間采取措施控制泄漏事故的擴(kuò)大,該類(lèi)事故應(yīng)以預(yù)防為主.對(duì)于該站的布置情況,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較小時(shí),可燃?xì)錃庠剖冀K被限制在儲(chǔ)氫氣瓶、壓縮機(jī)和拖車(chē)儲(chǔ)氫瓶所圍成的高擁塞度障礙區(qū)域,并未大規(guī)模擴(kuò)散至加注機(jī)和控制室等人員較密集的場(chǎng)所,在高壓儲(chǔ)氫區(qū)域外設(shè)置封閉設(shè)施是有效的控制泄漏可燃?xì)庠茢U(kuò)散的方法.

3 爆炸模擬結(jié)果及分析

若在泄漏形成氫氣可燃?xì)庠频幕A(chǔ)上點(diǎn)燃?xì)錃?就會(huì)發(fā)生爆炸事故,本文對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行模擬.由圖4可知,泄漏結(jié)束時(shí)（14 s）可燃?xì)庠企w積最大,被點(diǎn)燃的概率也最大,因此選擇在此時(shí)將氫氣點(diǎn)燃.壓縮機(jī)內(nèi)含有大量電氣、電子設(shè)備,容易形成電火花而點(diǎn)燃?xì)錃?將點(diǎn)火位置設(shè)定為壓縮機(jī)附近.

如圖5、6所示分別為X-Y截面和Y-Z截面爆炸超壓隨時(shí)間的分布圖.氫氣可燃?xì)庠泣c(diǎn)火爆炸后,超壓逐漸由點(diǎn)燃位置以恒定值平穩(wěn)向外傳播（0～0.025 s）.當(dāng)遇到站內(nèi)密集管道及設(shè)備時(shí),如高壓儲(chǔ)氫氣瓶、壓縮機(jī)和防爆墻等,超壓明顯增強(qiáng),且由圖5（b）、（c）、（d）對(duì)比可知,障礙區(qū)域擁塞度越大,爆炸超壓越強(qiáng)（0.05～0.09 s）,最大可以增至350 k Pa,是空曠區(qū)域超壓的50倍.這是因?yàn)?在障礙區(qū)域氫氣可燃?xì)庠苾?nèi)混合氣體的湍流程度較強(qiáng),燃燒波面與未燃?xì)怏w的接觸面積較大,從而加快了氣體化學(xué)反應(yīng)速率,即燃燒速率［11］,氣體瞬間吸收大量燃燒產(chǎn)熱后體積急劇膨脹,超壓迅速上升；此外,超壓波在障礙物壁面上反射,與火焰鋒面相遇并相互作用,使得未燃燒氣體全部參與燃燒,加劇了熱量釋放和氣體體積膨脹,超壓進(jìn)一步增強(qiáng).其中,高壓儲(chǔ)氫氣瓶局部最大的超壓為350 k Pa,小于能夠承受的最大壓力,因此不會(huì)造成其他氣瓶的損壞,引發(fā)進(jìn)一步的連續(xù)爆炸事故而產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果.防爆墻的局部最大超壓為60 kPa,低于可致其破壞的超壓值.隨著時(shí)間的推移（0.09～0.15 s）,超壓波可以越過(guò)防爆墻向外繼續(xù)擴(kuò)張,但強(qiáng)度逐漸減弱,直至0.15 s完全消失殆盡.

圖5 X-Y截面爆炸超壓隨時(shí)間分布圖Fig.5 Temporal trends of overpressure at X-Y cross section

可燃?xì)錃庠票óa(chǎn)生超壓對(duì)人和建筑物均會(huì)造成傷害,本文選用的超壓傷害準(zhǔn)則如表1所示.為了保障加氫站發(fā)生重大事故時(shí)的人身安全,需要確定爆炸事故對(duì)人造成嚴(yán)重危害的影響距離［12］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)危害距離）作為加氫站制定事故應(yīng)急預(yù)案的重要依據(jù).

圖6 Y-Z截面爆炸超壓隨時(shí)間分布圖Fig.6 Temporal trends of overpressure at Y-Z cross section

表1 爆炸超壓傷害準(zhǔn)則Tab.1 Damage criterion for explosion overpressure

氫氣可燃?xì)庠票ǖ奈：^(qū)域隨時(shí)間分布如圖7所示.深色部分對(duì)應(yīng)的超壓為7 k Pa.可燃?xì)庠谱渣c(diǎn)燃后,危害區(qū)域可在0.15 s的時(shí)間內(nèi)由點(diǎn)燃位置以不規(guī)則形狀向外擴(kuò)張,在向控制室以及拖車(chē)儲(chǔ)氫瓶方向傳播過(guò)程中,受障礙物的阻擋迅速消退,而在較空曠的加注區(qū)域繼續(xù)延伸,最大危害距離可達(dá)32.2 m.由模擬結(jié)果可知,氫氣可燃?xì)庠圃隗w積最大時(shí)被點(diǎn)燃,爆炸危害區(qū)域可以覆蓋幾乎整個(gè)加氫站,對(duì)暴露在室外的人員造成傷害,而控制室外墻上的超壓小于可對(duì)墻體造成破壞的容限值,因此,位于控制室內(nèi)的人員相對(duì)安全.

圖7 危害區(qū)域隨時(shí)間分布圖Fig.7 Temporal trends of hazard area

4 不同環(huán)境風(fēng)速的影響

為了進(jìn)一步研究不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)加氫站高壓氫氣泄漏后爆炸事故的影響規(guī)律,分別對(duì)風(fēng)速為1、3、5、7、9、12 m／s時(shí)的爆炸場(chǎng)景進(jìn)行模擬.

較大的環(huán)境風(fēng)速可能加劇了氫氣可燃?xì)庠苾?nèi)混合氣體的湍流程度,導(dǎo)致爆炸強(qiáng)度顯著增強(qiáng).如表2所示為模擬得到的不同環(huán)境風(fēng)速防爆墻和氫氣壓縮機(jī)處最大超壓.可以看出,爆炸超壓隨風(fēng)速的增大而增大.當(dāng)環(huán)境風(fēng)速＞9 m／s時(shí),防爆墻處的最大超壓已超過(guò)其可以承受的最大壓力,不再具備防爆保護(hù)能力,嚴(yán)重威脅控制室內(nèi)人員的安全.氫氣壓縮機(jī)處的最大超壓隨風(fēng)速的增加可由50 k Pa增至230 kPa,需要在壓縮機(jī)外部設(shè)置足夠強(qiáng)度的防爆保護(hù)設(shè)施,以免造成氫氣壓縮機(jī)的損壞,引發(fā)更大規(guī)模的高壓氫氣泄漏和爆炸,加重事故后果.

表2 不同環(huán)境風(fēng)速防爆墻和氫氣壓縮機(jī)處最大超壓Tab.2 Max-overpressure at explosion-proof wall and hydrogen compressor in different wind speed

針對(duì)上海世博加氫站,將FLACS模擬得到的危害距離與文獻(xiàn)［15］的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表3所示.李志勇等［15］采用基于擴(kuò)散模型與Baker-Strehlow氣云爆炸模型相結(jié)合的傳統(tǒng)方法,針對(duì)同樣的泄漏條件,確定了可對(duì)人造成傷害的危害距離.

表3 不同環(huán)境風(fēng)速爆炸危害距離對(duì)比Tab.3 Hazard distance in different wind speeds

從表3可以看出,不同環(huán)境風(fēng)速的爆炸場(chǎng)景,經(jīng)驗(yàn)公式偏保守,計(jì)算得到的危害距離較FLACS模擬結(jié)果均高20%～30%.此外,采用2種方法得到的危害距離隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律不同：利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的危害距離隨風(fēng)速的增大而不斷增大,通過(guò)FLACS模擬得到的危害距離隨風(fēng)速的增大呈先減小后增大的趨勢(shì).這可能是因?yàn)檩^大的風(fēng)速在使可燃?xì)庠蒲貦M向方向運(yùn)動(dòng)、增大其在順風(fēng)方向爆炸影響范圍的同時(shí),也加劇了氫氣向四周的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),具有一定的稀釋作用,使得氫氣體積分?jǐn)?shù)降低,可燃?xì)庠频捏w積減小.如圖8所示為不同環(huán)境風(fēng)速下,高壓氫氣泄漏12 s時(shí)的可燃?xì)庠品植紙D.對(duì)于設(shè)備管道復(fù)雜密集、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的加氫站等場(chǎng)所,經(jīng)驗(yàn)公式難以很好地適用.

5 結(jié) 論

（1）基于FLACS的數(shù)值模擬方法能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氫氣泄漏爆炸事故全過(guò)程的模擬,對(duì)爆炸超壓波進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維展示,有助于認(rèn)清爆炸事故的發(fā)生過(guò)程及發(fā)展規(guī)律,可以為加氫站裝置應(yīng)急狀態(tài)下的防護(hù)區(qū)域劃分、事故調(diào)查等提供依據(jù).

（2）爆炸強(qiáng)度在障礙區(qū)域明顯增強(qiáng),且障礙區(qū)域擁塞度越大,爆炸超壓越強(qiáng),最大可以增至空曠區(qū)域超壓的50倍.采用數(shù)值模擬方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擁塞區(qū)域局部超壓的預(yù)測(cè),而基于經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)方法無(wú)法做到.

圖8 不同環(huán)境風(fēng)速t＝12 s時(shí)的可燃?xì)庠艶ig.8 Hydrogen flammable gas cloud at 12 second in different wind speeds

（3）隨著環(huán)境風(fēng)速的增加,爆炸強(qiáng)度隨之增大,當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)9 m／s時(shí),該加氫站的防爆墻已無(wú)法阻擋爆炸超壓波的傳播,此外,需要在氫氣壓縮機(jī)外部設(shè)置足夠強(qiáng)度的防爆設(shè)施,以免引起進(jìn)一步的高壓氫氣泄漏和爆炸,加重事故的嚴(yán)重性.

（4）對(duì)比危害距離模擬值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值發(fā)現(xiàn)：不同環(huán)境風(fēng)速的高壓氫氣泄漏爆炸事故,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的危害距離均略高于FLACS的模擬結(jié)果,較保守.

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Simulation and analysis on leakage and explosion of high pressure hydrogen in hydrogen refueling station

LI Jing-yuan,ZHAO Yong-zhi,ZHENG Jin-yang
（Institute of Process Equipment,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

FLACS software based on computational fluid dynamics approach was used for simulation and analysis on the leakage and explosion of high pressure hydrogen storage cylinder in the Shanghai World Expo hydrogen refueling station.The effect of wind speed was analyzed.The whole process of leakage and explosion accident was successfully simulated by FLACS,and the real time three-dimensional display of over-pressure wave was given.Results showed that the explosion intension significantly increased when congestion of obstacle region and wind speed increased.Hazard distance first decreased and then increased when the wind speed increased.The calculation value of hazard distance obtained by empirical formula was slightly higher than the simulation results.

high pressure hydrogen；leakage；explosion；FLACS；safety of hydrogen refueling station

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.026

TU 411；TU 472

A

1008- 973X（2015）07- 1389- 06

2014- 05- 29. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國(guó)家”863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA051504）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51206145）.

李靜媛（1990－）,女,碩士生,從事氫安全的研究.ORCID：0000-0003-3609-5374.E-mail：li101590＠126.com

趙永志,男,副教授.ORCID：0000-0002-2509-8089.E-mail：yzzhao＠zju.edu.cn