汽車加氫站雷擊事故后果模擬分析

秦 健 林 濤

〔1 中國氣象局氣候資源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 重慶 401147;2 重慶市氣象安全技術(shù)中心 重慶 401147〕

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源,正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一[1],以燃料電池為代表的氫能開發(fā)利用技術(shù)取得重大突破,為實(shí)現(xiàn)零排放的能源利用提供重要解決方案。近年來,氫能應(yīng)用場(chǎng)景日漸豐富,交通領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模穩(wěn)步提升,加氫站建設(shè)明顯提速。目前我國已累計(jì)建成汽車加氫站超過250座,約占全球數(shù)量的40%,數(shù)量位居世界第一。如果雷擊加氫站的儲(chǔ)氫壓力容器導(dǎo)致氫氣泄漏,氫氣的理化性質(zhì)決定了發(fā)生火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)程度較高,往往造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,影響社會(huì)安全穩(wěn)定。因此,對(duì)汽車加氫站雷擊事故后果進(jìn)行模擬分析,有助于辨識(shí)雷擊事故風(fēng)險(xiǎn),可采取針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

路世昌等[2]對(duì)氫氣長管拖車集裝管束火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估,苗香溢[3]研究了制氫站氫氣儲(chǔ)罐火災(zāi)危險(xiǎn),姜榮賓[4]對(duì)加氫反應(yīng)器火災(zāi)爆炸事故進(jìn)行了分析。對(duì)于雷擊引起加氫站儲(chǔ)氫壓力容器泄漏造成火災(zāi)、爆炸事故的后果模擬分析還較少報(bào)道。本文分析了雷擊引起儲(chǔ)氫壓力容器破裂,氫氣泄漏的危險(xiǎn)性,利用噴射火模型和蒸氣云爆炸模型對(duì)加氫站儲(chǔ)氫壓力容器雷擊火災(zāi)爆炸事故后果進(jìn)行了模擬計(jì)算,得到發(fā)生火災(zāi)和爆炸的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑。

1 加氫站儲(chǔ)氫壓力容器雷電危險(xiǎn)性分析

雷擊儲(chǔ)氫壓力容器產(chǎn)生的能量由3部分組成：金屬熔汽化需要的能量、金屬板熱輻射的能量、金屬自身傳導(dǎo)的能量[5]。假定雷擊電荷Q=200C、電壓降ua,c=30 V時(shí),鋼板熔化穿孔厚度約為4～12 mm,然而雷電屬于多脈沖放電,其電流、電壓、頻率等變化非常復(fù)雜,雷擊電流、電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于假定值[6]。因此,雷電可能擊穿儲(chǔ)氫壓力容器,導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生。

本文只考慮雷電流產(chǎn)生的能量全部作用于金屬熔化,則金屬受熱熔化的最大體積可按式(1)計(jì)算[7]：

(1)

式中：V為被熔化金屬的體積,m3;Ua,c為陽極或陰極表面的電壓降,取30 V;Q為雷電流的電荷,取200 C;γ為被熔化金屬的密度,取7 700 kg/m3;Cw為熱容量,取469[J/(kg·K)];θs為熔化溫度,取1 530 ℃;θu為環(huán)境溫度,取30 ℃;Cs為熔化潛熱,取272×103J/kg。

2 加氫站雷擊火災(zāi)爆炸事故模型

2.1 儲(chǔ)氫壓力容器火災(zāi)模型

儲(chǔ)氫壓力容器雷擊發(fā)生破裂,泄漏量與其泄漏速度有關(guān)。通過計(jì)算熱輻射的不同入射通量確定對(duì)設(shè)備及人員所造成的損失。

2.1.1 儲(chǔ)氫壓力容器氫氣泄漏速度

儲(chǔ)氫壓力容器被雷擊穿孔后,加壓的氫氣泄漏形成射流,在泄漏裂口處被點(diǎn)燃形成噴射火,氫氣泄漏量首先需要判斷氣體泄漏的流動(dòng)屬于音速還是亞音速。

(2)

式中：Po為大氣環(huán)境壓力,kPa;P為儲(chǔ)氫壓力容器內(nèi)的氫氣壓力,MPa;k為氣體的絕熱指數(shù);Y為氣體膨脹因子。

氫氣泄漏速度按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Q0為泄漏速度,kg/s;Y為氣體膨脹因子,其值取1.00;Cd為氣體泄漏系數(shù),裂口形狀為圓形時(shí)取1.00;A為泄漏面積,m2;ρ為氫氣密度,當(dāng)溫度30 ℃,儲(chǔ)氫容器壓力P=35 MPa時(shí),ρ其值取22.99 kg/m3;M為相對(duì)分子質(zhì)量,其值取2;k為氣體的絕熱指數(shù),取1.41;R為氣體常數(shù),其值取8.314 J/(mol·K);T為環(huán)境溫度,其值取303 K。

2.1.2 熱輻射強(qiáng)度

點(diǎn)熱源的熱輻射通量為[8]：

q=ηQ0Hc[8]

(4)

式中：q為點(diǎn)熱源輻射能量,W;η為效率因子;Qo為氫氣泄漏速度,kg/s;Hc為氫氣燃燒熱,J/kg。

射流軸線上某點(diǎn)熱源i到距離該點(diǎn)r處一點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算見式(5)[2]：

(5)

式中：Ii為點(diǎn)熱源i至目標(biāo)點(diǎn)x處的熱輻射強(qiáng)度,W /m2;q為點(diǎn)熱源輻射通量,W;λ為輻射率;r為點(diǎn)熱源到目標(biāo)點(diǎn)的水平距離,m。

2.1.3 傷害損失

將式(5)進(jìn)行變換,可以得出火災(zāi)半徑公式(6)[2],結(jié)合表1的入射通量損失閾值得到相應(yīng)的傷害區(qū)域,如表1所示。

表1 熱輻射的不同入射通量對(duì)設(shè)備及人員所造成的損失

(6)

2.2 儲(chǔ)氫壓力容器蒸氣云爆炸模型

蒸氣云爆炸模型采用TNT當(dāng)量法[9],再結(jié)合超壓-沖量準(zhǔn)則預(yù)測(cè)蒸氣云爆炸傷害范圍。

2.2.1 蒸氣云爆炸總能量

蒸氣云爆炸總能量由式(7)計(jì)算[2]：

E=αAVfHc

(7)

式中：α為地面爆炸系數(shù),取1.8;A為可燃?xì)怏w蒸氣云的當(dāng)量系數(shù),取0.04;Vf為儲(chǔ)氫壓力容器內(nèi)氣體體積m3;Hc為氫氣燃燒熱,取13 000 kJ/m3。

2.2.2 蒸氣云爆炸當(dāng)量

蒸氣云TNT當(dāng)量由式(8)計(jì)算[2]：

WTNT=E/QTNT

(8)

式中：WTNT為蒸氣云TNT當(dāng)量,kg;E為爆炸總能量,kJ;QTNT為TNT爆炸熱,取4 520 kJ/kg。

2.2.3 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

人體的耳膜、肺等器官最容易受到?jīng)_擊波傷害[10]。以耳膜、肺受到傷害的概率為標(biāo)準(zhǔn)(見表2),結(jié)合氫氣爆炸釋放能量折合相同能量的TNT炸藥量,從而得到?jīng)_擊波超壓傷害范圍。

表2 爆炸沖擊波導(dǎo)致的區(qū)域內(nèi)人員傷害的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

(1)死亡區(qū)范圍

(9)

式中,WTNT為蒸氣云TNT當(dāng)量,kg。

(2)重傷和輕傷區(qū)范圍

蒸氣云爆炸沖擊波超壓△P按式(10)計(jì)算：

ΔP=P/P0

(10)

比例距離Z按式(11)計(jì)算[2]：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.091

(11)

超壓引起的傷害半徑R按式(12)計(jì)算：

(12)

式中：R為目標(biāo)到蒸氣云中心距離,m;Z為比例距離,m/kg1/3;P0為大氣環(huán)境壓力KPa;E為蒸氣云爆炸總能量,kJ。

3 實(shí)例模擬分析

某加氫站有2臺(tái)儲(chǔ)氫壓力容器,每臺(tái)容積50 m3,事故預(yù)測(cè)超壓35 MPa、溫度30 ℃,大氣環(huán)境壓力取重慶夏季平均氣壓100 kPa。

3.1 泄漏火災(zāi)模擬計(jì)算

首先判斷氫氣泄漏流動(dòng)速度與音速的關(guān)系：

式中：k為氣體的絕熱指數(shù),即定壓比熱容Cp與定容比熱容Cv之比,氫氣k=1.41;Po為大氣環(huán)境壓力,取重慶夏季平均氣壓10×104Pa;P為儲(chǔ)氫容器氫氣壓力,取值35×106Pa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,氫氣泄漏為音速流動(dòng),則流出系數(shù)Y=1.0。根據(jù)式(1),儲(chǔ)氫壓力容器受熱熔化的體積V=7.987 9×10-7。

假設(shè)雷電流擊穿儲(chǔ)氫壓力容器的形狀為圓形,綜合考慮儲(chǔ)氫壓力容器壁厚設(shè)計(jì)、腐蝕和工藝余量,儲(chǔ)氫壓力容器壁厚H值設(shè)為0.03 m,泄漏面積：

3.2 蒸氣云爆炸模擬計(jì)算

3.2.1 蒸氣云爆炸總能量和爆炸當(dāng)量

蒸氣云爆炸總能量由式(7)得到E=93 600 kJ,由式(8)得到WTNT=20.708 kg。

3.2.2 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

(1)死亡區(qū)傷害范圍由式(9)得到R=3.24 m。

(2)重傷和輕傷區(qū)傷害范圍。由式(10)得到重傷區(qū)蒸氣云爆炸沖擊波超壓：△P=44 000/100 000=0.44,輕傷區(qū)蒸氣云爆炸沖擊波超壓：△P=17 000/100 000=0.17。由式(11)求得重傷區(qū)Z=0.994,輕傷區(qū)Z=1.545。由式(12)求得重傷半徑R=31.16 m、輕傷半徑R=48.43 m。儲(chǔ)氫壓力容器因雷擊泄漏的爆炸破壞范圍見表3。

表3 氫氣儲(chǔ)罐破裂發(fā)生爆炸傷害范圍

4 結(jié) 論

運(yùn)用噴射火模型和蒸氣云爆炸模型對(duì)儲(chǔ)氫壓力容器遭受雷擊泄漏氫氣引起火災(zāi)爆炸事故結(jié)果進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。結(jié)果表明：儲(chǔ)氫壓力容器發(fā)生噴射火時(shí)致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)分別為1.585,1.941,2.745,4.853 m;發(fā)生爆炸的死亡、重傷、輕傷半徑較大,分別為3.24,31.16,48.43 m。從傷害半徑數(shù)據(jù)可以推斷雷擊儲(chǔ)氫壓力容器均可能造成嚴(yán)重的事故后果。加氫站在日常運(yùn)營中需要保持防雷裝置良好的工作狀態(tài),加強(qiáng)重大危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)管控。