氫內(nèi)燃發(fā)電機組爆炸性氣體環(huán)境分析

摘要：氫內(nèi)燃發(fā)電機組是重要的氫能發(fā)電設(shè)備，但氫氣的使用給機組的安全運行帶來額外風(fēng)險。同時，考慮設(shè)備增效降本的需求，科學(xué)合理的爆炸性危險區(qū)域劃分將為零部件選型、控制系統(tǒng)設(shè)置和操作流程規(guī)劃提供指導(dǎo)性意見。有必要對機組箱體內(nèi)氫氣泄漏及通風(fēng)進行量化，結(jié)合安全控制邏輯和特定操作流程，確認(rèn)機組內(nèi)部的危險區(qū)域等級，避免大量使用防爆部件，降低設(shè)備成本。

關(guān)鍵詞：氫內(nèi)燃發(fā)電機組；爆炸性氣體；爆炸性危險區(qū)域；氫氣；環(huán)境；風(fēng)險

中圖分類號：TM314 文獻標(biāo)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(zhuǎn)型和減少碳排放的背景下，氫氣可以替代傳統(tǒng)化石燃料，減少對環(huán)境的污染和對氣候變化的影響。隨著技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫氣在碳減排和碳中和中的作用將更加突出。內(nèi)燃發(fā)電機組作為重要的電力設(shè)備，在應(yīng)急電源、分布式能源站和熱電聯(lián)供設(shè)施等應(yīng)用場景扮演重要的角色。隨著我國碳達峰碳中和目標(biāo)的提出，加上能源安全與轉(zhuǎn)型的需要，氫內(nèi)燃發(fā)電機組的應(yīng)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(fā)電支撐新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。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(yīng)重點考慮設(shè)備用氫安全。有必要對氫氣泄漏及通風(fēng)進行定量分析，劃分發(fā)電機組內(nèi)部的爆炸性危險區(qū)域，為機組控制策略制定、電氣設(shè)備選型和操作規(guī)程編制提供指導(dǎo)。

1 氫內(nèi)燃發(fā)電機組概況

1.1 機組性能參數(shù)

爆炸性氣體環(huán)境分析選用的氫內(nèi)燃發(fā)電機組型號為HW 150 DE5 15 MC14HS，由道依茨（北京）發(fā)動機有限公司生產(chǎn)，燃料為氫氣，尾氣排放執(zhí)行歐洲汽車尾氣排放的第五代標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)電機組主要由氫氣內(nèi)燃機、發(fā)電機、控制器、啟動電瓶、配電箱、供氫系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等組成，性能參數(shù)如表1所示。發(fā)電機組采用靜音式設(shè)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(shè)置2個獨立空間，分別設(shè)置發(fā)電機組及控制配電柜，以確保任何區(qū)域可能發(fā)生的氫氣泄漏不影響其他區(qū)域。供氫系統(tǒng)采用面板設(shè)計，安裝在發(fā)電機箱體外部。

1.2 機組主要配置

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

通風(fēng)系統(tǒng)采用3種通風(fēng)方式，即自然通風(fēng)、停機排風(fēng)和冷卻通風(fēng)。停機時，機組通過機箱側(cè)壁和頂部開口進行自然通風(fēng)。機組通電狀態(tài)下，機箱頂部強制排風(fēng)機對機箱內(nèi)部進行強制通風(fēng)。發(fā)電機運行階段，內(nèi)燃機的散熱風(fēng)扇對機箱內(nèi)部進行強制通風(fēng)。安全控制通過發(fā)電機控制器實現(xiàn)，除發(fā)電機的常規(guī)控制外，它還肩負(fù)可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)和監(jiān)測報警系統(tǒng)的控制，耦合功能控制與安全控制可以確保發(fā)電機組在不同狀態(tài)下的安全。

2 爆炸性氣體環(huán)境初步分類

經(jīng)風(fēng)險源識別，氫內(nèi)燃發(fā)電機組的最大爆炸風(fēng)險源為氫氣的非正常使用，導(dǎo)致氫氣泄漏。氫氣的爆炸下限為4%（體積分?jǐn)?shù)），對應(yīng)的濃度約為3.4 g/m3，發(fā)電機箱體容積為8 m3，當(dāng)箱體內(nèi)氫氣泄漏量達到27.2 g且通風(fēng)不良時，箱體內(nèi)尤其是箱體頂部形成爆炸性氣體環(huán)境。

依據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻率和爆炸性氣體環(huán)境持續(xù)的時間，通常將爆炸性氣體環(huán)境劃分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)[1-5]。近年來，國外已開展采取定量概念劃分爆炸性危險區(qū)域的研究，假設(shè)一年中存在爆炸性氣體混合物，根據(jù)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(qū)域。一年按10 000 h考慮，近似計算爆炸性氣體混合物持續(xù)時間的出現(xiàn)頻率，如表2所示[6]。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)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(shè)備正常運行時，氫氣不會釋放，僅在管路出現(xiàn)損壞時偶爾釋放，且安全控制系統(tǒng)可實時監(jiān)測設(shè)備的異常，確保任何異常工況將被及時發(fā)現(xiàn)并切斷氫氣供應(yīng)。設(shè)備內(nèi)部釋放源可定義為二級，供氣系統(tǒng)區(qū)域及箱體內(nèi)部爆炸性氣體環(huán)境定義為2區(qū)。

3 爆炸性危險區(qū)域分析

3.1 釋放速率

首先，確認(rèn)氣體釋放是否被節(jié)流。管路內(nèi)部的氫氣壓力大于臨界壓力時，釋放速率計算應(yīng)選擇帶有節(jié)流速度的氣體，反之選擇不帶節(jié)流速度的氣體[7]。采用式（1）計算氫氣臨界壓力。經(jīng)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(shù)，氫氣取1.41。

當(dāng)氣體帶有節(jié)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(jié)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(fā)電機停機時，供氣管內(nèi)壓力通過放散管泄放至大氣，管內(nèi)壓力為大氣壓力，小于氫氣臨界壓力，使用帶節(jié)流速度的氣體，計算氣體泄漏釋放速率，因管內(nèi)外壓力相同，泄漏釋放速率為0 kg/s。

（2）

式中：為質(zhì)量G的氣體在時間t內(nèi)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(nèi)的壓力，取值為3×106 Pa；

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

3.2 通風(fēng)等級及有效性

通風(fēng)等級通常定義為高級、中級和低級3種，通風(fēng)有效性通常劃分成良好、一般和差3個等級[7]。為確定假設(shè)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(fēng)速率。最小通風(fēng)速率采用式（3）估算[8]，爆炸性危險區(qū)域的假設(shè)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(nèi)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(shù)，二級釋放源取0.5；L為爆炸下限，對應(yīng)的氫氣濃度約為

3.4 g/m3；Vz為爆炸性危險區(qū)域的假設(shè)體積，m3；f為通風(fēng)效率，機箱內(nèi)部取1；C為單位時間內(nèi)空氣置換的次數(shù)，s-1。

發(fā)電機組箱體內(nèi)釋放源被定義為二級釋放源，安全系數(shù)為0.5，通風(fēng)效率為1，采用發(fā)動機風(fēng)扇換氣，空氣置換次數(shù)為0.42。經(jīng)計算，新鮮空氣的最小體積流量為1.26×10-6 m3/s，假設(shè)體積為3.02×10-6 m3，遠(yuǎn)小于0.1 m3，因此通風(fēng)等級可評定為高級。同時，發(fā)動機風(fēng)扇通過齒輪與發(fā)動機曲軸連接，機組工作時，通風(fēng)連續(xù)存在，通風(fēng)有效性可評定為良好。

3.3 估算爆炸性危險環(huán)境持續(xù)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?jǐn)?shù)計，特殊時刻特殊位置可燃?xì)怏w的初始濃度可能為100%。經(jīng)計算，爆炸性危險環(huán)境持續(xù)時間為9.78 s，

滿足2區(qū)的持續(xù)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(qū)域的確認(rèn)

經(jīng)計算，假設(shè)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(qū)域來說，通風(fēng)等級可以視作高級。通風(fēng)與設(shè)備間采用機械連接，設(shè)備運行期間可以獲得持續(xù)的通風(fēng)，通風(fēng)有效性為良好。爆炸性環(huán)境持續(xù)時間短暫，可以滿足2區(qū)定義。因此，機箱內(nèi)區(qū)域可評定為2區(qū)，即非危險區(qū)[7]。

4 結(jié)論

定量分析結(jié)果顯示，雖然箱體內(nèi)部存在二級釋放源，但潛在的釋放速率較低，通風(fēng)等級高，爆炸危險環(huán)境持續(xù)時間短。經(jīng)評估，箱體內(nèi)區(qū)域可定義為

2區(qū)（非危險場所），爆炸性氣體環(huán)境不會大量出現(xiàn)，電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、安裝和使用不需要采取專門的預(yù)防措施。同時，控制系統(tǒng)應(yīng)對設(shè)備運行參數(shù)、氫氣供應(yīng)參數(shù)以及氫氣泄漏進行實時監(jiān)測，并可及時觸發(fā)報警、切斷和聯(lián)鎖通風(fēng)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(yīng)急管理方案，明確應(yīng)急操作流程，保證人員及設(shè)備安全。

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