高壓氫氣泄漏相關(guān)安全問(wèn)題研究與進(jìn)展

沈曉波，章雪凝，劉海峰

（1 華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過(guò)程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237； 2 華東理工大學(xué)國(guó)家能源煤氣化技術(shù)研發(fā)中心，上海200237； 3 華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海200237）

引 言

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于能源的需求日益增大，為了從根本上解決能源枯竭及環(huán)境污染的雙重危機(jī)，亟需建立一個(gè)高效低碳的可再生能源體系。與其他能源相比，氫能具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，氫氣來(lái)源廣泛、能量密度高、燃燒產(chǎn)物清潔零污染。20 世紀(jì)中期以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家逐步開(kāi)展了氫能源產(chǎn)業(yè)的研究工作。1970 年，美國(guó)首次提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念[1]，到2002 年，美國(guó)就出臺(tái)了《國(guó)家氫能路線圖》[2]，明確了氫能技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖和戰(zhàn)略，近年來(lái)，為了推動(dòng)氫能科研計(jì)劃，更是投入了大量的資金，如2019 年，美國(guó)能源部提供了3100 萬(wàn)美元來(lái)支持“H2@Scale”計(jì)劃。2019 年年底，美國(guó)氫經(jīng)濟(jì)路線圖執(zhí)行概要報(bào)告指出：預(yù)計(jì)到2050 年，氫能可占美國(guó)能源結(jié)構(gòu)的14%。我國(guó)也高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2006 年，國(guó)務(wù)院頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，開(kāi)始推廣氫能與燃料電池；2014 年，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)（2014—2020 年）》明確氫能與燃料汽車(chē)作為能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向?！笆濉逼陂g，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入井噴期，國(guó)家發(fā)布多項(xiàng)政策，深入分析了氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀，制定了其發(fā)展路線圖[3]。2020 年4 月，在《中華人民共和國(guó)能源法(征求意見(jiàn)稿)》中，更是把氫能與煤、石油、天然氣等歸為一類(lèi)，首次從法律上承認(rèn)其屬于能源范疇；2020年6月，國(guó)家又起草了《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見(jiàn)稿）》和《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》并開(kāi)始向社會(huì)公開(kāi)征求意見(jiàn)。至此，氫能的能源地位得到進(jìn)一步確認(rèn)。

但是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨兩個(gè)主要瓶頸：制氫成本與氫能安全。制氫成本受到多方面因素的掣肘，各個(gè)地區(qū)的資源分布也大不相同，因此制氫成本的分析需要結(jié)合具體區(qū)域和項(xiàng)目。而對(duì)于普通民眾而言，更為關(guān)心的是氫能安全問(wèn)題。相較于常規(guī)能源，氫氣有較多不利于安全的特性，如氫氣在空氣中具有較寬的燃燒范圍（體積分?jǐn)?shù)4.1%～74.1%），最小點(diǎn)火能極低（僅為0.02 mJ），且氫氣具有氫脆性、易泄漏和易擴(kuò)散等性質(zhì)。因而，氫能利用中的各個(gè)環(huán)節(jié)存在較大的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。歷年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氫氣事故屢見(jiàn)不鮮，甚至造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失并對(duì)公眾心理造成了不良影響，使得一部分人“談氫色變”。安全問(wèn)題已然成為了氫能推廣的重要瓶頸之一，是包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)亟需解決的重大挑戰(zhàn)。迫切需要對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)全生命周期的關(guān)鍵安全科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，掌握事故發(fā)生和發(fā)展規(guī)律及機(jī)理，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)切實(shí)可行的安全防控技術(shù)，制定科學(xué)合理的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最終為氫能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)保障，促進(jìn)社會(huì)的安全和可持續(xù)發(fā)展。

1 氫氣主要物化屬性

早在20 世紀(jì)90 年代，就有科學(xué)家研究了氫氣的泄漏特性，表1 列出了氫氣的相對(duì)泄漏率及流動(dòng)參數(shù)[4-6]。氫氣比其他燃料或氣體泄漏速率更快：在層流狀態(tài)下，氫氣的泄漏速率約為甲烷的1.26 倍，而在高壓下，氫氣往往處于湍流狀態(tài)，此時(shí)它的泄漏速率更快，約為甲烷的2.83 倍。另外，氫氣極易擴(kuò)散，其在薄膜中的擴(kuò)散速度約為甲烷的3.8 倍。在非受限空間內(nèi)，一旦發(fā)生意外泄漏，由于氫氣密度比空氣低，會(huì)迅速上浮并向四周擴(kuò)散。而在受限空間，泄漏的氫氣易于在局部聚積，由于其高擴(kuò)散性，能夠快速形成危險(xiǎn)的可燃性混合物。

氫氣的燃燒速度很快，暴秀超等[7]發(fā)現(xiàn)在常溫常壓（27℃，0.1 MPa）下，當(dāng)燃空比為1 時(shí)，氫氣的燃燒速度可達(dá)2 m·s-1左右，而天然氣的燃燒速度僅為0.4 m·s-1，所以氫氣常作為燃料的添加劑以提升體系的層流燃燒速度[8]。在空氣中，氫氣的燃燒范圍很寬，一般為4.1%～74.1%。另外，氫氣點(diǎn)火能極低，它的最小點(diǎn)火能量約為0.02 mJ，約為汽油的1/10。表2列出了氫氣及一些常用燃料的燃燒特性參數(shù)[9]。

表1 氫氣的相對(duì)泄漏率及流動(dòng)參數(shù)Table 1 Relative leakage rate and flow parameters of hydrogen

表2 氫氣與甲烷、汽油的燃燒特性對(duì)比Table 2 Combustion characteristics of hydrogen，methane，and gasoline

此外，氫氣還會(huì)引發(fā)特有的氫脆破壞。特別是在高壓氫氣系統(tǒng)中，隨著壓力增大，高強(qiáng)度鋼材長(zhǎng)期暴露在氫環(huán)境中很容易發(fā)生氫脆。有一種解釋是，氫氣會(huì)在鋼材表面解離為氫原子并滲入，在外應(yīng)力作用下，氫聚集在鋼內(nèi)部造成應(yīng)力集中從而引發(fā)局部開(kāi)裂[10]。若管道或儲(chǔ)罐出現(xiàn)了裂縫，高壓氫氣會(huì)迅速泄漏和擴(kuò)散，一旦遇到點(diǎn)火源便會(huì)引發(fā)燃爆災(zāi)害。為了避免氫脆事故，應(yīng)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)中相關(guān)的高壓管道和儲(chǔ)存、反應(yīng)容器等進(jìn)行合理的選材，或是加入特定的元素降低其氫脆敏感性，如鉻、釩等。

上述物化屬性決定了氫氣本身就具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在氫能利用全生命周期的不同環(huán)節(jié)，氫氣可能引發(fā)的事故類(lèi)型又與其自身狀態(tài)和所處環(huán)境緊密相關(guān)。

2 氫能利用的全生命周期

一個(gè)完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸和使用四個(gè)環(huán)節(jié)。氫氣可以通過(guò)不同的技術(shù)從各類(lèi)原材料中制備，目前，約有96%的氫氣是通過(guò)化石燃料制備所得[11]。然而，使用化石能源制氫無(wú)法從源頭上實(shí)現(xiàn)零碳排放，科學(xué)家們正將重點(diǎn)放在綠色清潔的電解水技術(shù)上，這種方法現(xiàn)在只占制氫總量的4%，但預(yù)計(jì)到2050 年將會(huì)大幅增長(zhǎng)至22%[12]。無(wú)論是天然氣制氫、煤炭制氫還是電解水制氫，為了提高氫氣的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，一般都會(huì)選擇在高壓條件下進(jìn)行[13-14]，如我國(guó)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的堿性水電解技術(shù)，運(yùn)行壓力為1.5～5.0 MPa，其能量效率可達(dá)62%～82%。生產(chǎn)的氫氣將通過(guò)管道輸運(yùn)至下游工藝或直接儲(chǔ)存。氫氣運(yùn)輸常用三種方式：管道拖車(chē)、長(zhǎng)輸管道和冷槽車(chē)。對(duì)于低溫液態(tài)氫氣的運(yùn)輸一般采用絕熱的冷槽車(chē)，為了維持低溫環(huán)境，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中能耗非常高，因而此方法主要應(yīng)用于軍事及航空航天領(lǐng)域。而對(duì)于高壓氣態(tài)氫氣的運(yùn)輸一般通過(guò)管道拖車(chē)和長(zhǎng)輸管道，管道拖車(chē)用于小規(guī)模短距離輸送，長(zhǎng)輸管道適用于大規(guī)模長(zhǎng)距離的輸送。其中，長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)壓力為2.5～4 MPa，管道拖車(chē)的運(yùn)輸壓力更是高達(dá)20～70 MPa[15]。在氫能使用環(huán)節(jié)，氫燃料電池是極具潛力的氫能末端應(yīng)用方式之一，可用于航空航天、交通、發(fā)電等重要領(lǐng)域。2002 年，我國(guó)開(kāi)發(fā)了第一款氫燃料電池汽車(chē)，預(yù)計(jì)到2030 年，氫燃料汽車(chē)保有量將達(dá)到200 萬(wàn)輛，加氫站數(shù)量將超過(guò)1000座。高壓儲(chǔ)氫是車(chē)載供氫系統(tǒng)和配套加氫站建設(shè)的核心技術(shù)，目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶壓力等級(jí)主要有35 MPa 和70 MPa 兩種，配套的加氫站儲(chǔ)氫壓力應(yīng)高于供氫系統(tǒng)。我國(guó)大多數(shù)在用或在建的是35 MPa 加氫站，但未來(lái)從35 MPa 提升至70 MPa 是必然趨勢(shì)。

圖1 氫能利用四大環(huán)節(jié)Fig.1 Four links of hydrogen energy utilization

氫氣儲(chǔ)存貫穿于氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)（圖1）。目前主要的氫氣儲(chǔ)存方式有三種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是指通過(guò)高壓壓縮方式將氣態(tài)氫儲(chǔ)存于容器中，該方式工藝簡(jiǎn)單且成本低。而低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是指通過(guò)低溫將氫氣液化并將液態(tài)氫儲(chǔ)存于特定的容器中。液態(tài)氫的體積密度為氣態(tài)氫的845 倍，因此液態(tài)儲(chǔ)氫的最大優(yōu)勢(shì)就是儲(chǔ)氫量大，但為了保證-250℃低溫液態(tài)儲(chǔ)氫條件，需要配備極高要求的絕熱和冷卻設(shè)施，因此，液態(tài)儲(chǔ)氫的能耗非常高。有研究表明，每千克液態(tài)氫的液化裝置的功耗可達(dá)10～15 kW·h，而高壓氣態(tài)氫在運(yùn)輸過(guò)程中每千克氫氣的加壓總功耗僅為2.3 kW·h[16]。固態(tài)儲(chǔ)氫是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理吸附將氫氣儲(chǔ)存于特定材料中。常用的儲(chǔ)氫材料包括：金屬合金、碳質(zhì)材料和有機(jī)物等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的研究還不夠成熟，仍處于理論探索階段，面臨的主要難題包括材料制備工藝復(fù)雜、反應(yīng)放氫困難和可逆性差等。因此，與低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有能耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)；與固態(tài)儲(chǔ)氫相比，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有技術(shù)成熟、工藝流程簡(jiǎn)單、儲(chǔ)氫量大的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮成本、儲(chǔ)氫密度、工藝等多方面因素，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是最高效和最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫方法，也是目前主流的儲(chǔ)氫方式。

然而，安全性一直是氫能全生命周期運(yùn)行的突出瓶頸問(wèn)題。由以上可知，高壓又是其中最為突出的風(fēng)險(xiǎn)要素。無(wú)論是高壓制氫、高壓儲(chǔ)氫還是高壓運(yùn)氫環(huán)節(jié)，如遇到高溫、氫脆破壞或外部撞擊等，極易引發(fā)高壓氫氣的泄漏和擴(kuò)散，甚至更為嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸事故災(zāi)害。根據(jù)高壓氫氣的泄漏行為，可將事故總體分為無(wú)燃燒泄漏擴(kuò)散和有燃燒泄漏兩種，如圖2所示。無(wú)燃燒泄漏擴(kuò)散，即高壓氫氣只發(fā)生單純的泄漏擴(kuò)散，未遇點(diǎn)火源或發(fā)生自燃。有燃燒泄漏則可分為三種情形：一是當(dāng)氫氣泄漏形成射流后，遇到點(diǎn)火源引發(fā)噴射火；二是雖無(wú)外部點(diǎn)火源，但高壓氫氣發(fā)生了自燃，并且可能發(fā)展為噴射火；三是氫氣泄漏后先是在一定空間內(nèi)與空氣混合形成氣云，此時(shí)若遇到點(diǎn)火源，則極易發(fā)生氫氣云爆炸。僅2019 年，挪威、美國(guó)就相繼發(fā)生多起氫氣爆炸[17]，事故起因分別是氫氣云爆炸和氫氣自燃引發(fā)的連鎖爆炸，這些再一次引發(fā)公眾對(duì)氫能安全的廣泛關(guān)注、擔(dān)憂甚至恐慌。亟需對(duì)高壓氫氣的安全問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)的研究和闡述，充分掌握事故演化規(guī)律，為氫能安全防控技術(shù)開(kāi)發(fā)及安全標(biāo)準(zhǔn)制定提供科學(xué)依據(jù)和有力工具。

圖2 高壓氫氣泄漏事故類(lèi)型Fig.2 Types of high-pressure hydrogen leakage accidents

3 高壓氫氣泄漏的安全問(wèn)題研究

3.1 高壓氫氣泄漏和擴(kuò)散研究

圖3 基于虛噴管法的泄漏模型Fig.3 Leakage model based on virtual nozzle method

根據(jù)氣體泄漏源的壓力與環(huán)境壓力的比值，泄漏產(chǎn)生的氣流可分為不同的類(lèi)型[18]，而高壓儲(chǔ)罐/管道泄漏一般會(huì)形成高壓欠膨脹射流。Xiao 等[19]假定存在一個(gè)氣流絕熱膨脹至大氣壓的過(guò)程（圖3），在自由射流模型中引入虛擬出口，探究泄漏源附近的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)變化情況。Zhang 等[20]基于等熵膨脹過(guò)程和真實(shí)氣體狀態(tài)方程計(jì)算了出口處射流的特性參數(shù)。Zou 等[21]考慮了高壓氫氣泄漏過(guò)程中的熱交換現(xiàn)象，使用范德華方程和焓方程建立HEC（熱交換）模型，并將此模型與基于等熵過(guò)程假設(shè)的模型進(jìn)行比較。但現(xiàn)有的理論模型都僅對(duì)開(kāi)敞空間有一定的適用性，而對(duì)受限空間以及有障礙物的情況則很難給出合理的預(yù)測(cè)。

數(shù)值模擬研究方面，一些學(xué)者建立了加氫站、車(chē)庫(kù)以及燃料汽車(chē)等小規(guī)模高壓氫氣泄漏場(chǎng)景，考察各類(lèi)因素對(duì)氫氣泄漏和擴(kuò)散的影響。如Liang等[22]用FLACS 建立了不同風(fēng)速、風(fēng)向和泄漏點(diǎn)等多個(gè)場(chǎng)景，系統(tǒng)模擬了加氫站的高壓氫氣泄漏過(guò)程，獲得了可能發(fā)生爆炸的有害區(qū)域與致死區(qū)域（有害區(qū)域：死亡概率1%；致死區(qū)域：死亡概率100%）。Yu 等[23]模擬了不同風(fēng)速下氫燃料電池汽車(chē)的儲(chǔ)氫泄漏場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛內(nèi)部氫氣濃度受風(fēng)速影響很大。Li等[24]運(yùn)用CFD 技術(shù)模擬了正方形和矩形噴嘴外形成的高壓欠膨脹氫氣射流，認(rèn)為針對(duì)非圓形噴嘴，在分析射流衰減率時(shí)應(yīng)引入適當(dāng)?shù)谋壤蜃?。Sathiah 等[25]利用FRED 軟件預(yù)測(cè)了氫氣射流不同位置的速度和濃度衰減狀況。目前，高壓氫氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程數(shù)值模擬的可靠性還有待實(shí)驗(yàn)或事故數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

高壓氫氣泄漏的實(shí)驗(yàn)研究主要考察泄漏點(diǎn)附近的氣體濃度分布以及影響因素。de Stefano 等[26]在封閉空間內(nèi)對(duì)高壓氫氣小規(guī)模泄漏的濃度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析了泄漏位置、障礙物等因素的影響機(jī)制。Kobayashi 等[27]研究了低溫壓縮氫氣的泄漏特性，發(fā)現(xiàn)氫氣的供給溫度越低，氫氣泄漏的流量越大。Malakhov 等[28]用含有通風(fēng)管道的集裝箱模擬了地下采礦隧道場(chǎng)景，利用氫氣傳感器探測(cè)得到了箱內(nèi)的濃度分布。Ghatauray 等[29]考察了小型燃料電池外殼上不同通風(fēng)口的設(shè)計(jì)，比較了普通矩形通風(fēng)孔與百葉窗通風(fēng)孔對(duì)周?chē)鷼怏w濃度分布的影響。但高壓氫氣泄漏實(shí)驗(yàn)尺度受到安全性和經(jīng)濟(jì)性等多方面的限制，與實(shí)際事故情景還有較大的差距，數(shù)據(jù)的有效性還有待證實(shí)。

3.2 高壓氫氣泄漏自燃研究

有研究表明，61.98%的氫氣燃爆事故找不到點(diǎn)火源[30]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為是發(fā)生了氫氣自燃。但目前對(duì)氫氣自燃的發(fā)生機(jī)理還存在較大爭(zhēng)議。不同研究團(tuán)隊(duì)提出了多種可能的機(jī)理，包括：逆焦耳-湯姆遜效應(yīng)、靜電點(diǎn)火機(jī)理、擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理、瞬時(shí)絕熱壓縮機(jī)理和熱表面點(diǎn)火機(jī)理等[31]。然而，單一機(jī)理往往無(wú)法解釋所有高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象，因而其更可能是多個(gè)機(jī)理耦合作用的結(jié)果[32]。

近年來(lái)，高壓氫氣泄漏自燃成為了氫安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如Kim 等[33]在矩形透明管道中完整記錄了自燃火焰的形成過(guò)程（圖4），在氫/空氣混合層前鋒面的后方管壁上發(fā)現(xiàn)高度混合點(diǎn)，自燃火焰首先在該處出現(xiàn)，隨后傳播至氫/空氣混合層的首尾部。Sun 等較早針對(duì)高壓氫氣泄漏自燃的部分影響因素開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，主要考察了下游管道的橫截面形狀、爆破片的開(kāi)口率以及雜質(zhì)氣體（如甲烷）對(duì)高壓氫泄漏自燃的影響機(jī)制[34-36]。他們還基于擴(kuò)散點(diǎn)火理論（圖5）對(duì)高壓氫氣泄漏至下游管道后的自燃行為進(jìn)行了理論分析，建立了求解多個(gè)均勻區(qū)參數(shù)的數(shù)學(xué)方程，提出了理論點(diǎn)火臨界壓力[37]。Jiang等[38]詳細(xì)探究了激波對(duì)高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象的作用機(jī)理，認(rèn)為激波是自燃發(fā)生的誘因，激波強(qiáng)度主要與釋放壓力和管道直徑有關(guān)。此外，他們還用不同直徑的下游管道[39]和具有不同直角拐角位置的L型管道[40]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，剖析了管徑和管道形狀等對(duì)自燃的影響。然而，高壓氫氣泄漏自燃的影響因素還有很多，各因素的耦合作用機(jī)制尚不清楚。

圖4 矩形透明管道內(nèi)自燃火焰的形成與傳播Fig.4 Formation and propagation of spontaneous flame in rectangular transparent pipe

圖5 擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理示意圖Fig.5 Schematic diagram of diffusion ignition mechanism

出于安全性和經(jīng)濟(jì)性的考量，數(shù)值模擬是研究高壓氫氣自燃的重要工具之一。Wen 等[41]使用五階WENO 格式對(duì)局部收縮的高壓氫氣管道內(nèi)發(fā)生泄漏自燃的過(guò)程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)局部收縮的幾何結(jié)構(gòu)能使氣體溫度升高并增強(qiáng)湍流混合效應(yīng)從而促進(jìn)自燃。Xu 等[42]考慮了不同管徑下自燃過(guò)程中激波的特性并分析了邊界層效應(yīng)，還與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。弓亮[43]模擬研究了高壓氫氣在直管道內(nèi)泄漏自燃的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程，認(rèn)為自燃最先發(fā)生在管道壁面處，隨后出現(xiàn)在管道中心并與壁面的火焰相融合。Liu 等[44]通過(guò)大渦模擬研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中氫的自燃過(guò)程。Shen 等[45]利用Fluent 軟件模擬了高壓氫氣通過(guò)管道泄漏發(fā)生自燃的過(guò)程，捕捉到了氫氣射流的微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，溫度、密度、壓力和自由基分布等。雖然數(shù)值模擬可以展現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)的流場(chǎng)和反應(yīng)區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，但針對(duì)自燃問(wèn)題，往往需要采用高階格式、超細(xì)網(wǎng)格和極小時(shí)間步長(zhǎng)，因而計(jì)算周期長(zhǎng)、資源消耗大，且結(jié)果可靠性缺乏驗(yàn)證。

另外，由于自燃過(guò)程的復(fù)雜性，涉及湍流、邊界層混合、激波作用和微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，目前對(duì)高壓氫氣泄漏自燃的深度理論研究相對(duì)匱乏，還未能形成一套可以較好地解釋自燃現(xiàn)象及其根本成因的可靠理論體系。

3.3 高壓氫氣噴射火研究

若高壓氫氣泄漏后被點(diǎn)燃（外部點(diǎn)火源或發(fā)生氫氣自燃）則很可能引發(fā)噴射火。近期，Jiang 等[39]利用高速照相機(jī)記錄下了管道出口處自燃火焰轉(zhuǎn)化成噴射火的全過(guò)程（圖6），在火焰?zhèn)鞑サ某跗?，距離噴嘴一定距離處會(huì)形成馬赫盤(pán)，其背面出現(xiàn)扁平火焰，隨后噴嘴處的火焰逐漸消失，而由馬赫盤(pán)下游的火焰繼續(xù)傳播并最終形成噴射火。除了火焰?zhèn)鞑ゼ捌滢D(zhuǎn)變過(guò)程外，噴射火特性參數(shù)的影響因素也是重點(diǎn)研究方向。閆偉陽(yáng)等[46]探究了不同管長(zhǎng)和泄放壓力下噴射火尺寸及火焰尖端平均速度變化。Henriksen 等[47]使用圖像處理工具分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并給出了噴嘴幾何形狀與火焰尺寸的定量關(guān)系式。Hooker等[48]通過(guò)改變氫氣釋放速率和排氣孔配置進(jìn)行了通風(fēng)罩內(nèi)氫氣噴射火的實(shí)驗(yàn)研究。但目前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也受到尺度的限制，且較少考察環(huán)境因素、障礙物，特別是不同點(diǎn)火機(jī)制（明火、電火花、高溫或氫氣自燃）等的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限。

圖6 高壓氫氣噴射火形成過(guò)程Fig.6 Formation process of high-pressure hydrogen jet fire

數(shù)值模擬方面，Wang 等[49]數(shù)值再現(xiàn)了噴嘴附近環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程（圖7），發(fā)現(xiàn)初始階段在噴嘴附近形成的環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)是噴射火形成的關(guān)鍵要素。如果火焰沒(méi)有從馬赫盤(pán)下游區(qū)域移動(dòng)至大渦旋，則不會(huì)形成噴射火。一些學(xué)者還進(jìn)行了真實(shí)場(chǎng)景的模擬研究，如Gu 等[50]模擬了隧道內(nèi)氫氣運(yùn)輸車(chē)輛泄漏引發(fā)噴射火行為，掌握了不同的通風(fēng)和泄漏條件對(duì)隧道內(nèi)溫度和噴射火附近氫氣擴(kuò)散的影響。Xiao 等[51]針對(duì)核反應(yīng)堆和燃料電池系統(tǒng)的氫安全問(wèn)題，利用GASFLOW-MPI 代碼模擬了密閉空間內(nèi)的氫噴射火行為，較好地再現(xiàn)了噴射火燃燒產(chǎn)物溫度及熱輻射通量變化情況。Makarov 等[52]基于CFD 技術(shù)模擬了90 MPa 高壓氫氣噴射火，成功復(fù)現(xiàn)了Proust 等[53]的實(shí)驗(yàn)，模擬預(yù)測(cè)的火焰尺寸與熱輻射通量結(jié)果都較為理想。然而目前高壓氫氣噴射火模型也面臨著計(jì)算效率低、工況單調(diào)及缺乏驗(yàn)證數(shù)據(jù)等問(wèn)題。

圖7 環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程Fig.7 The development process of the ring vortex near the nozzle

理論研究方面，Makarov 等[54]建立了計(jì)算高壓氫氣泄漏和噴射火壓力峰值的理論預(yù)測(cè)模型。Zhou等[55-56]對(duì)高壓氣體噴射火提出了多種可用的理論模型，用于預(yù)測(cè)高壓氣體瞬態(tài)泄漏和噴射火特性，包括火焰長(zhǎng)度、熱輻射通量等參數(shù)。但現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型還是存在著很大的局限性，只在特定條件范圍內(nèi)具有較好的準(zhǔn)確性。

3.4 氫氣云爆炸研究

氫氣云爆炸的常用理論模型包括：TNT當(dāng)量法、TNO 多 能 法、Baker-Strehlow-Tang（BST）法 等。Ahumada 等[57]總結(jié)了當(dāng)前的蒸汽云爆炸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括TNO、BST法等，分析了各類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢隽诵薷囊庖?jiàn)。Mukhim 等[58]則認(rèn)為傳統(tǒng)的理論模型具有較大缺陷，他們基于標(biāo)度律提出了一種預(yù)測(cè)非受限空間內(nèi)氫氣云爆炸超壓的新型方法，該方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度更高，能夠更好地預(yù)測(cè)氫氣云爆炸的后果。但總體而言，現(xiàn)有的較為常用的蒸汽云爆炸模型在對(duì)爆炸場(chǎng)景建模時(shí)都進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，因此都存在較大的缺陷與使用限制且計(jì)算精度不高。

實(shí)驗(yàn)研究方面，Shen 等[59-61]針對(duì)氫氣、合成氣和氫氣/甲烷等清潔燃料的預(yù)混爆炸、火焰?zhèn)鞑?、反?yīng)動(dòng)力學(xué)和抑制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他們探究了管道中氫氣/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的變化，圖8 為高速紋影攝像技術(shù)所捕捉到的特殊火焰?zhèn)鞑バ袨?，他們還發(fā)現(xiàn)郁金香變形總是伴隨著火焰尖端速度的脈動(dòng)[59]。除此之外，Shen 等[60]還定義了火焰形變的新階段：如T 形火焰和拉伸郁金香火焰等。Yu等[62-63]也對(duì)氫氣、合成氣等在封閉管道中的火焰?zhèn)鞑ズ统瑝簞?dòng)力學(xué)開(kāi)展了很多探索工作。除此之外，Shen等[64]記錄了兩次小尺度高壓氫氣罐破裂引發(fā)火災(zāi)爆炸的過(guò)程，綜合考察了超壓、沖擊波、熱輻射和飛散碎片等要素。Zhang 等[65]在帶有泄爆裝置的球形容器中進(jìn)行了預(yù)混氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，探究了泄放口處火焰形態(tài)的變化。Wang 等[66]在具有單個(gè)孔板的圓柱形容器中進(jìn)行了氫/空氣混合氣的爆炸特性實(shí)驗(yàn)。為了降低氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)，惰性氣體對(duì)其燃燒特性的影響也是目前氫能安全的研究重點(diǎn)。Shen等[67-68]探究了二氧化碳和氮?dú)鈱?duì)預(yù)混氣體火焰的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)二氧化碳由于具有更大的比熱容，更高的碰撞效率以及對(duì)氫燃燒反應(yīng)更強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，因而相比氮?dú)饩哂懈鼉?yōu)的抑制效果。Li 等[69]考察了二氧化碳對(duì)密閉空間內(nèi)氫氣爆炸的惰性作用，結(jié)果表明最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊戎笜?biāo)都隨著二氧化碳添加量的增加而降低。由于設(shè)備、安全和成本的限制，氫氣云爆炸的實(shí)驗(yàn)規(guī)模都比較小，與真實(shí)的氫氣泄漏燃爆事故在尺度上有較大差距，研究結(jié)論（如爆炸特征參量及其變化規(guī)律等）的可拓展性不強(qiáng)，也不能作為大尺度數(shù)值模擬的有效論證依據(jù)。

數(shù)值模擬可以較好地再現(xiàn)爆炸前后預(yù)混氣體的流動(dòng)過(guò)程。如Li等[70]通過(guò)大渦模擬研究不同尺寸和位置的障礙物對(duì)爆炸的影響并闡明了其作用機(jī)制，認(rèn)為湍流作用能夠增強(qiáng)爆炸時(shí)的超壓效應(yīng)。Liang 等[22]運(yùn)用FLACS 軟件，針對(duì)國(guó)內(nèi)加氫站的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，模擬了不同風(fēng)速下氫氣泄漏和氣云爆炸過(guò)程，結(jié)果表明泄漏方向與風(fēng)向相反時(shí)，氫氣云爆炸事故的危害更大。目前，氫氣云爆炸過(guò)程數(shù)值模擬也存在計(jì)算量巨大和計(jì)算效率低的問(wèn)題，特別是針對(duì)大型氫氣事故的模擬再現(xiàn)需求，現(xiàn)有模型往往表現(xiàn)得無(wú)能為力。

圖8 密閉管道內(nèi)預(yù)混氫氣/空氣火焰高速紋影圖像（當(dāng)量比為1.17）Fig.8 High-speed schlieren images of premixed hydrogen-air flame in a closed duct(Φ=1.17)

可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬都存在各自的局限和不足。因此，一些學(xué)者將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合來(lái)探究氫泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸現(xiàn)象及其動(dòng)力學(xué)機(jī)理。數(shù)值模擬可得到實(shí)驗(yàn)研究無(wú)法探測(cè)的爆炸參數(shù)（如火焰前鋒面的瞬時(shí)溫度），而實(shí)驗(yàn)研究可得到真實(shí)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象并能夠驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，使模型可靠性更高、適用性更廣。比如，為了闡明在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中輕質(zhì)墻壁、門(mén)窗等泄爆口的打開(kāi)時(shí)間對(duì)氫氣爆炸特性的影響，Pang 等[71]使用CFD 技術(shù)，研究泄壓口的打開(kāi)時(shí)間與超壓、燃燒速率和爆炸溫度的關(guān)系。他們將數(shù)值模擬的結(jié)果與Bauwens 等[72]的大規(guī)模氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)定與實(shí)驗(yàn)相同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的相對(duì)誤差不大于6%，但是由于缺少結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，阻礙了聲學(xué)與結(jié)構(gòu)間的耦合，因此該模擬未捕獲到與聲學(xué)相關(guān)的壓力瞬變，故兩者的超壓-時(shí)間曲線在第一個(gè)峰值后出現(xiàn)較大的差異。Zhang等[73]模擬了城市公用隧道中氫氣/甲烷混合氣的爆炸場(chǎng)景，分析了爆炸超壓、沖擊波和氣體艙室火災(zāi)等情況。他們基于FLACS 軟件的模擬結(jié)果與Hanson等[74]和Zhang等[75]的實(shí)驗(yàn)數(shù)值都較為接近，進(jìn)一步證實(shí)了模型的可靠性。Zhang 等[76]在可視管道中進(jìn)行了甲烷/氫氣/空氣混合氣的爆炸實(shí)驗(yàn)并拍攝了管道中的火焰?zhèn)鞑D像，再利用Fluent 軟件模擬了混合氣的爆炸過(guò)程并獲得了火焰溫度分布、爆炸超壓分布等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

3.5 氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化研究

氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與推廣是極為重要的，因此國(guó)內(nèi)外都非常重視氫能安全的標(biāo)準(zhǔn)化。國(guó)際上主要是氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（ISO/TC197）來(lái)負(fù)責(zé)氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。而中國(guó)則是在2008 年成立了全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（SAC/TC309）和全國(guó)燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（SAC/TC342），承擔(dān)氫能的主要標(biāo)準(zhǔn)化工作。氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化是整個(gè)氫能標(biāo)準(zhǔn)體系中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)論是制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫還是用氫過(guò)程，都需要規(guī)范化以確保安全性。從全球范圍來(lái)看，氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)中超過(guò)50%的為氫能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，而氫能安全方面的標(biāo)準(zhǔn)較少，只有不到10%[77]。在氫能安全方面，氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（ISO）發(fā)布了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，包括：氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)、氫氣分離和提純的安全標(biāo)準(zhǔn)、氫燃料電池汽車(chē)安全規(guī)范等。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)中期就意識(shí)到氫能發(fā)展的重要性，因此氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化的制定工作也起步較早，ISO/TR 15916 是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在2004 年出臺(tái)的首部氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國(guó)仍處于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，但經(jīng)過(guò)過(guò)去十多年的努力，我國(guó)氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作已在全球保持領(lǐng)先地位。GB/T 29729—2013 是我國(guó)首部氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)[78]，適用于氫氣的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)。與ISO/TR 15916 相比，GB/T 29729—2013使用范圍更廣，首次介紹了氫漿系統(tǒng)和固態(tài)氫系統(tǒng)的安全要求[79]。表3 還列出了更多的氫能領(lǐng)域國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)外同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)相比，我國(guó)的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量更多，覆蓋面更廣，基本涵蓋了所有涉及氫能安全的場(chǎng)景，包括加氫站安全、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安全等。

表3 國(guó)內(nèi)外氫能安全標(biāo)準(zhǔn)概況Table3 Overview of domestic and overseas hydrogen energy safety standards

在GB/T 29729—2013《氫系統(tǒng)安全的基本要求》中，將氫泄漏列為氫系統(tǒng)的危險(xiǎn)因素之一，無(wú)論是制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫還是用氫過(guò)程中都有可能發(fā)生氫泄漏。因此，在大多數(shù)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)中，為了降低氫泄漏發(fā)生的可能性，規(guī)定了氫系統(tǒng)用金屬材料的性能、管件的選取及管道的連接方式等，提升系統(tǒng)的本質(zhì)安全度。在事故防控方面，部分標(biāo)準(zhǔn)中還會(huì)提出氫泄漏檢測(cè)、氫火焰檢測(cè)、報(bào)警裝置、火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)控制等方面的具體要求。但是目前專(zhuān)門(mén)針對(duì)氫泄漏的安全標(biāo)準(zhǔn)鮮有報(bào)道。

近日，我國(guó)政府又相繼出臺(tái)了8 項(xiàng)氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，其中就包含《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》、《氫氧發(fā)生器安全技術(shù)要求》等多項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)。2020年6 月，國(guó)家新發(fā)布了《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見(jiàn)稿）》和《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》，正在向社會(huì)公開(kāi)征求意見(jiàn)。

然而，我國(guó)的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化工作仍存在較多薄弱環(huán)節(jié)，比如有較大一部分是直接參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)或是天然氣標(biāo)準(zhǔn)，缺乏科學(xué)依據(jù)和可操作性。這就迫切需要針對(duì)氫氣事故發(fā)生、發(fā)展模式和機(jī)理以及防控技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)的量化研究，從而有力提升我國(guó)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化工作的科學(xué)性、系統(tǒng)性和廣泛適用性，助力氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。相關(guān)成果也可為世界各國(guó)或地區(qū)的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供參考和依據(jù)。

4 結(jié) 論

安全性是氫能產(chǎn)業(yè)全生命周期的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一，而高壓又是其核心風(fēng)險(xiǎn)要素，涉及制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。近年來(lái)，氫氣事故頻發(fā)，更是引起了世界各國(guó)對(duì)氫能安全的關(guān)注與重視。本文介紹了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類(lèi)高壓氫氣泄漏事故所開(kāi)展的前沿工作，總結(jié)了當(dāng)前研究存在的不足。未來(lái)可從以下幾個(gè)方向進(jìn)一步拓展和完善高壓氫氣泄漏相關(guān)安全問(wèn)題研究。

（1）針對(duì)反應(yīng)器、儲(chǔ)罐、管道等大型工業(yè)設(shè)備，開(kāi)展中、大尺度實(shí)驗(yàn)，完善氫氣燃爆數(shù)據(jù)庫(kù)，為仿真模型開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證提供可靠依據(jù)。

（2）從網(wǎng)格、湍流模型和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型等方面，優(yōu)化數(shù)值模擬方法，提高其針對(duì)大中型氫氣事故模擬的效率。還可結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法，建立事故源-受體的雙向快速預(yù)測(cè)-溯源模型，從而部分替代CFD 技術(shù)，為氫氣事故模擬和事故調(diào)查提供全新的思路和方法，這也將是未來(lái)的發(fā)展大勢(shì)。

（3）建立通用的高壓氫氣泄漏理論體系，使其適用于各環(huán)節(jié)不同場(chǎng)景的高壓氫氣泄漏預(yù)測(cè)。

（4）加強(qiáng)高壓氫氣泄漏自燃的多機(jī)理耦合研究，全面揭示高壓氫氣泄漏自燃的本質(zhì)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。此外，目前對(duì)高壓氫氣泄漏自燃防控技術(shù)的研究較弱，應(yīng)開(kāi)發(fā)有效的自燃抑制方法，如清潔抑制劑和高效施放手段等。

（5）開(kāi)展高壓氫氣泄漏自燃向噴射火焰轉(zhuǎn)捩的機(jī)理研究，拓展氫氣自燃和噴射火理論體系，改進(jìn)現(xiàn)有高壓氫氣噴射火尺寸和熱輻射通量預(yù)測(cè)模型，引入環(huán)境因素、障礙物和不同點(diǎn)火機(jī)制，進(jìn)一步提升其適用性。