加氫站用45 MPa高壓儲(chǔ)氫瓶式容器火燒試驗(yàn)?zāi)M*

楊 琨，鄧貴德，梁海峰，張 強(qiáng)，吉夢(mèng)霞

(1.太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024； 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 結(jié)構(gòu)研究所，北京 100029)

0 引言

氫氣是重要的工業(yè)原料和特種氣體，在能源和環(huán)境問題日益凸顯的今天，清潔、高效、無(wú)污染、可再生的氫能有望成為21世紀(jì)最具價(jià)值的能源載體[1-2]。隨著氫能行業(yè)的快速發(fā)展，各國(guó)正積極制定加氫站及其基礎(chǔ)配套設(shè)施的發(fā)展戰(zhàn)略。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年底全球加氫站數(shù)量接近450座，截止2020年2月，我國(guó)已建成或運(yùn)營(yíng)的加氫站有66座，規(guī)劃在建的加氫站為84座。然而，頻發(fā)的火災(zāi)甚至爆炸事故對(duì)氫能的高效和安全利用提出了更高的要求。2019年6月10日，挪威首都奧斯陸郊外地鐵站附近的1座加氫站發(fā)生爆炸，事故導(dǎo)致2人受傷，這是在短短20天內(nèi)全球范圍發(fā)生的第3起加氫站和燃料電池領(lǐng)域的爆炸事故。2020年6月，浙江藍(lán)能自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)套45 MPa加氫站用儲(chǔ)氫瓶式容器組通過驗(yàn)收，完成制造并交付。加氫站用高壓儲(chǔ)氫容器的安全性問題受到行業(yè)的廣泛關(guān)注，但國(guó)內(nèi)對(duì)于加氫站用儲(chǔ)氫容器在意外火災(zāi)條件下安全性問題的相關(guān)研究仍存在不足。

高壓儲(chǔ)氫容器在使用過程中，由于意外事故等原因可能面對(duì)火災(zāi)工況，火災(zāi)下容器內(nèi)高壓氫氣受外部火災(zāi)影響其溫度和壓力急速上升，容器材料受高溫導(dǎo)致力學(xué)性能下降從而極易引發(fā)爆炸事故。氫氣具有易燃易爆、燃燒熱值大、極易擴(kuò)散等特點(diǎn)，一旦高壓儲(chǔ)氫容器發(fā)生爆炸，對(duì)周圍人員及公共財(cái)產(chǎn)將帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，在高壓儲(chǔ)氫氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)[3]中均對(duì)型式試驗(yàn)提出火燒試驗(yàn)的要求，儲(chǔ)氫容器在使用過程中有可能遭遇火災(zāi)事故，有必要開展高壓儲(chǔ)氫容器火燒試驗(yàn)，以掌握火災(zāi)環(huán)境下容器的熱響應(yīng)規(guī)律并驗(yàn)證其在火災(zāi)條件下的安全性能，為高壓儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)及火災(zāi)事故預(yù)防和事故救援等提供指導(dǎo)。

國(guó)內(nèi)外在儲(chǔ)氫氣瓶火燒試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究方面，Zheng等[4-6]對(duì)車用鋁內(nèi)膽全纏繞儲(chǔ)氫氣瓶進(jìn)行整體和局部火燒試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模型對(duì)氣瓶熱響應(yīng)及安全泄放裝置動(dòng)作規(guī)律進(jìn)行研究。同時(shí)，浙江大學(xué)編制《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》(GB/T 35544—2017)標(biāo)準(zhǔn)[7]，填補(bǔ)我國(guó)在高壓儲(chǔ)氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)上的空白。趙保頔等[8]進(jìn)行大容積纖維纏繞氣瓶及鋼制氣瓶火燒試驗(yàn)，并通過建立數(shù)值模型對(duì)氣瓶在火災(zāi)環(huán)境下的安全性能進(jìn)行研究。Hupp等[9]研究火焰溫度、火焰沖擊面積、初始充裝壓力對(duì)氣瓶耐火性能的影響，試驗(yàn)采用7.5LⅣ型儲(chǔ)氫氣瓶，結(jié)果表明，氣瓶壁面溫度越高、受火面積越大、初始?xì)錃鈮毫υ礁?，氣瓶耐火性能越差。Tamura等[10]對(duì)火災(zāi)后氣瓶的剩余強(qiáng)度和安全泄放裝置(PRD)動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，火災(zāi)后氣瓶剩余爆破壓力與公稱壓力比值均超過安全系數(shù)規(guī)定值2.25；即使PRD未動(dòng)作，通過滅火使溫度降到正常水平，氣瓶沒有破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院所進(jìn)行的氣瓶火燒試驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent建立加氫站用45 MPa高壓儲(chǔ)氫瓶式容器火燒試驗(yàn)數(shù)值仿真模型，以低壓氣瓶存儲(chǔ)空氣介質(zhì)的火燒試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證該計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)高壓儲(chǔ)氫容器在火災(zāi)環(huán)境下的熱響應(yīng)進(jìn)行研究，分析充裝介質(zhì)、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度對(duì)于高壓儲(chǔ)氫容器安全泄放裝置動(dòng)作時(shí)間的影響，對(duì)于加氫站用高壓儲(chǔ)氫容器組的安全運(yùn)行具有一定指導(dǎo)意義。

1 物理模型及假設(shè)

瓶式容器是指采用無(wú)縫鋼管經(jīng)熱旋壓而成的無(wú)縫瓶式壓力容器，容器幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。瓶式儲(chǔ)氫容器在火燒條件下熱響應(yīng)過程可分為3個(gè)部分：外部火源、容器壁面熱響應(yīng)、容器內(nèi)介質(zhì)溫度響應(yīng)。外部火源包括噴射火流動(dòng)、燃料燃燒及輻射和對(duì)流傳熱過程，主要以熱對(duì)流的方式向容器傳遞熱量，熱量經(jīng)過壁面熱傳導(dǎo)傳遞到容器內(nèi)，介質(zhì)受熱導(dǎo)致其溫度和壓力不斷上升，同時(shí)介質(zhì)受對(duì)流及浮升力影響而流動(dòng)。這個(gè)過程涉及多物理場(chǎng)耦合，過程較為復(fù)雜，因此，在模型建立過程中提出如下假設(shè)：

1-端塞；2-瓶式容器殼體；3-端塞圖1 瓶式容器幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric structure of cylinder vessel

1)燃燒模型中燃料為純丙烷，燃燒過程為丙烷與氧氣的單步完全反應(yīng)，并且假設(shè)整個(gè)燃燒過程丙烷的流量不變；

2)忽略火燒過程中容器的幾何變化，不考慮瓶閥、支撐結(jié)構(gòu)、進(jìn)出管路以及容器本身缺陷所帶來(lái)的影響，模擬只考慮單個(gè)容器未考慮容器組的情況；

3)在火燒開始時(shí)，假設(shè)容器內(nèi)介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度相同；

4)容器內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)屬于黏性氣體的湍流流動(dòng)，且氣相在網(wǎng)格內(nèi)均勻[11]。

2 有限元分析

2.1 幾何模型

本文以某公司生產(chǎn)的型號(hào)為PR485-V-H2-45-01的加氫站用儲(chǔ)氫容器建立模型，容器尺寸為φ485 mm×2 000 mm，公稱容積205 L，重量87 kg，設(shè)計(jì)壓力49.5 MPa，工作壓力45 MPa，設(shè)計(jì)溫度-40～85 ℃，設(shè)計(jì)壁厚35.4 mm，殼體材料為4130X，材料熱力學(xué)參數(shù)見表1[12]。

火源根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置燃燒排，燃燒排由9根相同燃料管組成，管長(zhǎng)1 650 mm，每根燃料管開孔數(shù)為16，孔徑為2 mm。本文根據(jù)儲(chǔ)氫容器尺寸以及燃燒排長(zhǎng)度建立邊長(zhǎng)為5 m的正方形燃燒區(qū)域。為簡(jiǎn)化模型，容器與燃燒排的位置以及燃料孔的數(shù)量和孔徑均與試驗(yàn)保持一致，容器水平置于燃燒排上部，下端距火源100 mm，燃燒排底部距地面400 mm，火源中心與容器中心位于同一軸線。儲(chǔ)氫容器火燒模型如圖2所示。

表1 4130X熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Thermodynamic parameters of 4130X

圖2 儲(chǔ)氫容器火燒模型Fig.2 Fire test model of hydrogen storage vessel

將模擬分為火源燃燒穩(wěn)態(tài)傳熱模擬和容器壁及容器內(nèi)氣體介質(zhì)瞬態(tài)熱響應(yīng)模擬，穩(wěn)態(tài)燃燒場(chǎng)模擬計(jì)算得到的容器外壁面熱流密度作為瞬態(tài)熱響應(yīng)模擬的邊界條件。燃燒模擬中考慮湍流、空氣對(duì)流和輻射換熱的影響，燃燒模型采用平衡混合分?jǐn)?shù)(PDF)的非預(yù)混燃燒模型；湍流模型采用Realizablek-ε模型；考慮氣體的輻射換熱和局部熱源影響輻射模型采用P1模型。容器內(nèi)介質(zhì)傳熱瞬態(tài)模擬中，湍流模型采用RNGk-ε模型；為考慮封閉腔體內(nèi)的輻射傳熱輻射模型選用S2S模型。容器內(nèi)壁面與氫氣接觸面設(shè)置為耦合壁面。

2.2 基本控制方程

高壓儲(chǔ)氫容器火燒試驗(yàn)?zāi)M過程中涉及燃料燃燒、介質(zhì)流動(dòng)、容器壁及氫氣傳熱等過程，模型遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律。

其中，質(zhì)量守恒方程如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；xi為i方向上的位移量，mm；ui分別為x，y和z方向上的速度分量，m/s。

能量守恒方程如式(2)所示：

(2)

式中：E為總能量，J；p為單位壓力，Pa；xj為j方向上的位移量，mm；λeff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；T為流體溫度，K；(τij)eff為應(yīng)力張量分量，N/m2；Sh為自定義源項(xiàng)。

動(dòng)量守恒方程如式(3)所示：

(3)

式中：μ為動(dòng)力黏度，m/s2；δij為應(yīng)力張量，N/m2；k為湍流動(dòng)能，J；uk為湍流速度分量，m/s；xk為湍流位移分量，mm。

丙烷燃燒控制方程如式(4)所示：

(4)

壁面?zhèn)鳠峥刂品匠倘缡?5)所示：

(5)

式中：h為顯焓，kJ/kg；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

氫氣氣體狀態(tài)方程[13]如式(6)所示：

(6)

式中：V為氣體體積，m3；R為氣體常量，J/(mol·K)；α為系數(shù)，K/Pa，取1.915 5×10-6K/Pa。

2.3 模擬結(jié)果及分析

驗(yàn)證模型基于火燒試驗(yàn)[8]所用氣瓶建立，氣瓶幾何尺寸為φ559 mm×2 540 mm×16.5 mm，氣瓶材料為4130X，工作壓力為20 MPa。整個(gè)燃燒模擬區(qū)域火焰溫度分布如圖3所示，可以看出火焰將氣瓶完全包圍，受到風(fēng)力影響火焰向右側(cè)略微偏移，火焰溫度隨高度逐漸升高繼而降低。剖切面Y=0的溫度場(chǎng)分布如圖4所示，剖切面X=0的溫度場(chǎng)分布如圖5所示，氣瓶在中心附近區(qū)域溫度相對(duì)較低，火焰上部溫度接近1 600～2 000 K，最高溫度近2 060 K。

圖3 燃燒模擬溫度云圖Fig.3 Nephogram of combustion simulation temperature

圖4 剖切面Y=0溫度場(chǎng)Fig.4 Temperature field at cutting plane Y=0

圖5 剖切面X=0溫度場(chǎng)Fig.5 Temperature field at cutting plane X=0

瓶?jī)?nèi)設(shè)置與火燒試驗(yàn)一致初始?jí)毫?9.24 MPa的高壓空氣，計(jì)算域初始溫度設(shè)為293 K。在火燒試驗(yàn)開始613 s后安全泄放裝置動(dòng)作泄壓，泄放時(shí)間近300 s，火燒時(shí)間共920 s。試驗(yàn)中泄壓裝置為爆破片和易熔合金塞組合方式，容器兩端加裝鋼板，保護(hù)瓶閥和泄放裝置不直接受火。

613 s時(shí)容器及瓶?jī)?nèi)空氣介質(zhì)在Y=0剖切面上的溫度分布如圖6所示。由圖6可知，火燒條件下火焰熱流密度不均勻?qū)е氯萜鞅诿鏈囟确植嫉牟痪鶆?，容器下部受火位置溫度較高，介質(zhì)溫度分布受對(duì)流及浮升力的影響呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)?；馃^程中內(nèi)壓變化模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖7所示。由圖7可知，壓力在前50 s內(nèi)變化不大，之后迅速升高。模擬數(shù)據(jù)整體壓力上升趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，在初始及壓力上升階段誤差較小，試驗(yàn)壓力與模擬壓力在613 s以內(nèi)最大壓力差為1.1 MPa，相對(duì)誤差為3.9%，誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖6 儲(chǔ)氫容器及其介質(zhì)溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution nephogram of hydrogen storage vessel and medium in vessel

圖7 容器內(nèi)壓升模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of pressure rise in vessel between simulation data and test data

3 不同因素對(duì)安全閥動(dòng)作的影響

加氫站用儲(chǔ)氫瓶式容器組對(duì)于安全泄放裝置要求宜設(shè)置集中排放管路，安全泄放裝置采用安全閥。模擬過程中考慮不同因素對(duì)安全閥裝置動(dòng)作時(shí)間的影響，安全閥的額定排放壓力不高過整定壓力的1.10倍，整定壓力為瓶式容器工作壓力的1.05～1.1倍，安全閥額定排放壓力為49.5 MPa。

3.1 充裝介質(zhì)

在儲(chǔ)氫氣瓶火燒試驗(yàn)對(duì)于充裝介質(zhì)的要求上，Tamura等[14]提出氦氣和氮?dú)庾鳛樘娲鷼怏w進(jìn)行火燒試驗(yàn)并不合適，Zheng等[4]、劉巖等[11]則提出可以將空氣作為充裝介質(zhì)替代氫氣進(jìn)行火燒試驗(yàn)。因此，在對(duì)高壓儲(chǔ)氫容器火燒試驗(yàn)?zāi)M時(shí)考慮當(dāng)容器分別充裝空氣、氫氣和氮?dú)膺M(jìn)行火燒試驗(yàn)時(shí)，不同充裝介質(zhì)對(duì)于儲(chǔ)氫容器安全閥動(dòng)作時(shí)間的影響，初始?jí)毫楣ぷ鲏毫?5 MPa，環(huán)境溫度為293 K。

容器內(nèi)壓力和監(jiān)控點(diǎn)介質(zhì)溫度的變化情況如圖8(a)～(b)所示。由圖8(b)可知，在充裝不同介質(zhì)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況基本一致，即介質(zhì)溫升速率主要受到火源影響。在充裝介質(zhì)不同時(shí)整體的壓升趨勢(shì)相近，安全閥動(dòng)作時(shí)間最大相差26 s，460 s時(shí)的最大壓力差為0.3 MPa?？梢钥吹讲煌溲b介質(zhì)對(duì)于介質(zhì)整體溫升及壓升速率的影響較小，對(duì)安全泄放裝置動(dòng)作時(shí)間的影響不大。為降低充裝高壓氫氣進(jìn)行火燒試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，在研究安全泄放裝置動(dòng)作影響時(shí)可以選擇將高壓空氣作為充裝介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，但在后續(xù)的氫氣泄放規(guī)律及其危險(xiǎn)性分析時(shí)，結(jié)果與充裝空氣等其他介質(zhì)時(shí)相比差距較大，試驗(yàn)仍需充裝氫氣介質(zhì)。

圖8 不同充裝介質(zhì)下容器內(nèi)壓力與介質(zhì)溫度變化Fig.8 Change of pressure and medium temperature in vessel under different filling mediums

3.2 充裝壓力

高壓儲(chǔ)氫氣瓶關(guān)于型式試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求充裝氣體介質(zhì)至公稱壓力后進(jìn)行火燒試驗(yàn)。在儲(chǔ)氫容器的實(shí)際使用過程中受氫氣的消耗及充裝水平的影響，實(shí)際壓力往往會(huì)低于工作壓力[15]。因此，在模擬計(jì)算時(shí)考慮遠(yuǎn)低于公稱壓力等不同充裝壓力情況對(duì)高壓儲(chǔ)氫容器安全閥動(dòng)作時(shí)間的影響。設(shè)置初始充裝壓力分別為10，25，45 MPa，計(jì)算域初始溫度為293 K。

不同充裝壓力下容器內(nèi)壓力與介質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度情況變化對(duì)比如圖9(a)～(b)所示。容器內(nèi)介質(zhì)熱力學(xué)響應(yīng)參數(shù)見表2，不同充裝壓力對(duì)于容器內(nèi)介質(zhì)壓升的影響較大，隨著充裝壓力的提高平均壓升速率不斷增大，充裝壓力為45 MPa時(shí)最大平均壓升速率為0.009 75 MPa/s。

圖9 不同充裝壓力下容器內(nèi)壓力與介質(zhì)溫度變化Fig.9 Change of pressure and medium temperature in vessel under different filling pressures

表2 容器內(nèi)介質(zhì)熱力學(xué)響應(yīng)參數(shù)Table 2 Thermodynamic response parameters of medium in vessel

介質(zhì)平均溫升速率隨著充裝壓力的增加而降低，但整體降低幅度不大。相同規(guī)格的儲(chǔ)氫容器，當(dāng)充裝水平較低時(shí)，容器內(nèi)介質(zhì)受火災(zāi)影響平均壓升速率小于工作壓力下介質(zhì)的平均壓升速率，即儲(chǔ)氫容器在較高的充裝壓力下遇火時(shí)安全閥能更快動(dòng)作，而在較低的充裝壓力下介質(zhì)的溫升速率更快。因此可以考慮設(shè)置安全閥與易熔合金的組合結(jié)構(gòu)，在高壓儲(chǔ)氫容器處于不同充裝壓力時(shí)安全性更高。

3.3 環(huán)境溫度

火燒試驗(yàn)?zāi)M中的環(huán)境溫度為293 K，但實(shí)際使用中環(huán)境溫度并不是固定不變的，有可能面對(duì)嚴(yán)寒或者高溫等不同工況。因此，考慮不同的環(huán)境溫度對(duì)安全閥動(dòng)作時(shí)間的影響。模擬計(jì)算中設(shè)置容器內(nèi)初始充裝壓力為公稱壓力45 MPa，環(huán)境溫度分別設(shè)為263，273，293，303 K。

不同環(huán)境溫度下容器內(nèi)壓力和介質(zhì)溫度變化情況對(duì)比如圖10(a)～(b)所示。不同環(huán)境溫度下安全閥動(dòng)作時(shí)間最大相差60 s，環(huán)境溫度為273 K時(shí)安全閥最快動(dòng)作在425 s。介質(zhì)平均溫升速率隨著環(huán)境溫度的升高逐漸增大，但整體變化幅度不大。

圖10 不同環(huán)境溫度下容器內(nèi)壓力與介質(zhì)溫度變化Fig.10 Change of pressure and medium temperature in vessel under different environmental temperatures

4 結(jié)論

1)以低壓存儲(chǔ)空氣介質(zhì)的火燒試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫狡績(jī)?nèi)介質(zhì)溫度與壓力變化情況，在613 s以內(nèi)最大壓力差為1.1 MPa，相對(duì)誤差為3.9%，誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2)通過對(duì)比不同充裝介質(zhì)對(duì)氣體介質(zhì)壓升和溫升速率的影響，可以看到充裝介質(zhì)對(duì)安全泄放裝置動(dòng)作時(shí)間的影響不大。

3)容器處于較高的充裝壓力下安全閥能夠更快動(dòng)作，在較低的充裝壓力下容器內(nèi)介質(zhì)溫升較快，可以在不同充裝壓力時(shí)考慮設(shè)置安全閥與易熔合金的組合結(jié)構(gòu)以提高安全性。

4)環(huán)境溫度為273 K時(shí)儲(chǔ)氫容器安全閥最快動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間為425 s。