陳國華 謝沐霖 張強 李戈良

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣東省安全生產(chǎn)科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510640）

氫作為新興能源，其發(fā)展仍處于初級階段。為了便于統(tǒng)一管控和使用，目前氫燃料電池汽車主要為氫燃料電池客車［1］。而氫燃料電池客車的儲氫量大，其誘發(fā)事故的潛在風險更大［2］，為確保氫燃料電池客車運行的安全可靠，針對氫能客車開展氫泄漏擴散以及氫氣云爆炸的安全性研究具有重要意義。

目前已有學者使用CFD軟件對氫燃料電池汽車的氫氣泄漏擴散行為進行研究，主要探討封閉或半封閉空間內(nèi)的氫燃料電池汽車發(fā)生氫氣泄漏后氫氣云的分布特性，并分析空間內(nèi)容易發(fā)生氣云積聚的區(qū)域。Shu 等［3］通過數(shù)學模型研究泄漏角度、泄漏速率和環(huán)境熱分層現(xiàn)象對氫氣射流運動軌跡的影響，提出了一種無量綱的氫氣射流軌跡預測模型，預測事故后氫氣射流的擴散特性；Ehrhart等［4］通過HAZOP 方法研究確定某修理廠中氫能汽車氫泄漏相關的危險場景，構建該危險場景的三維模型，分析了氫氣泄漏位置以及通風條件對氫擴散行為的影響，通過對比現(xiàn)行消防規(guī)范要求，提出減小潛在危險的通風建議；Shen等［5］運用FLACS軟件研究了氫能汽車熱泄壓裝置（TPRD）失效誘發(fā)的不同孔徑氫泄漏擴散行為，結果表明大孔徑泄漏后在整個易燃區(qū)域中形成較大的氫濃度，容易導致更嚴重的意外后果；Huang 等［6］構建了實際大小的地下停車庫三維模型，分析了氫氣泄漏和擴散行為，研究表明泄漏后氫氣濃度沿天花板分布不均勻，墻角對遠場氫濃度分布沒有顯著影響，車庫角落設置通風口的通風布局可以更迅速地去除氫氣；Salva等［7］研究了氫能汽車發(fā)生氫泄漏后，機艙通風流量對氫氣擴散行為的影響，分析了車內(nèi)不同部位的氫濃度分布，提出了通風布局、氫氣探測器放置的優(yōu)化建議。

除了數(shù)值模擬研究外，一些學者對氫燃料電池汽車的氫氣泄漏特性也進行了研究。由于氫氣的易燃易爆特性，學者們使用與氫氣物理特性相近的氦氣進行泄漏擴散實驗，進而預測封閉空間中的氫擴散行為。Chen等［8］在一個縮小的地下停車場模型中開展了非預期氫釋放的研究，使用氦氣代替氫氣，分析了氦氣泄漏后停車場中不同位置的氫濃度分布，實驗結果提出了大型受限空間中氫濃度傳感器的布置建議。

氫氣云爆炸研究則主要集中在加氫、制氫以及大型儲氫設備發(fā)生氫泄漏進而誘發(fā)氫氣云爆炸事故方面，研究爆炸超壓以及火災熱輻射對周邊環(huán)境的影響［9］。Tanaka等［10］在密閉儲藏室中研究了氫氣以恒定速率泄漏后的氫氣云分布特性，并構建了加氫站的全尺寸模型，開展了氫氣泄漏擴散和爆炸實驗，結果表明在加氫機位置發(fā)生8 mm 泄漏孔徑的氫氣泄漏后形成的氫氣云濃度更高，爆炸后產(chǎn)生的爆炸超壓受點火位置、點火時間的影響最為明顯。Kim等［11］運用FLACS軟件，基于不同泄漏壓力和不同泄漏孔徑條件，開展加氫站的氫泄漏行為的數(shù)值模擬研究，分析了爆炸壓力的分布特征及爆炸方向性，提出了一套加氫設施系統(tǒng)的安全配置，確定允許超壓下的安全距離。Middha 等［12］開展隧道內(nèi)氫氣車輛的爆炸風險研究，分析了不同隧道布局和不同通風條件下氫能汽車和氫能巴士的氫泄漏擴散行為特性，結果表明相對于傳統(tǒng)假設化學當量比均勻混合可燃氣云的爆炸后果，非均勻混合的可燃氣云爆炸后形成的爆炸超壓更小，顯著降低了傳統(tǒng)風險評估預測的危險。Merilo 等［13］研究了車庫中汽車的存在對氫氣云爆炸后果的影響，結果表明氫可燃氣云能夠通過汽車上的氣隙擴散到客艙和發(fā)動機艙。氫可燃氣云的爆燃不會使車輛或其任何部件著火，但爆炸沖擊波會使得車輛變形、車窗破碎。

氫能客車作為交通工具，其出現(xiàn)的主要場所為道路以及停車場。目前已有學者研究隧道內(nèi)的氫燃料電池汽車發(fā)生碰撞后導致氫氣泄漏以及爆炸的事故后果，結果表明相對于開闊的道路，在半密閉空間的隧道內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏爆炸的事故后果更嚴重［14］。相對于隧道，氫能客車更常見的場所是停車場或者公交車站，大多數(shù)停車場和公交車站都是封閉或半封閉空間，氫燃料電池汽車一旦發(fā)生泄漏，氫氣不易擴散到外界，發(fā)生火災以及爆炸的風險會更大［6］。目前針對大型客車停車場等半封閉場景中氫氣的泄漏爆炸特性研究較少，為此，本研究采用FLACS軟件研究停車場內(nèi)氫能客車的氫泄漏擴散行為，分析車載氫系統(tǒng)中TPRD 裝置以及輸氫管道上的減壓閥失效導致氫泄漏擴散以及誘發(fā)氫氣云爆炸的事故后果，為氫能客車氫濃度傳感器的布局以及大型氫能客車停車場的規(guī)劃建設提出合理建議；根據(jù)最嚴重事故后果的最大爆炸超壓確定事故的危險區(qū)域范圍，結合事故發(fā)生概率，預測停車場內(nèi)的氫燃料電池汽車發(fā)生氫泄漏爆炸事故的風險，評估停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫泄漏的安全性。

1 氫能客車氫泄漏爆炸數(shù)值模擬

1.1 客車停車場模型的構建及網(wǎng)格劃分

根據(jù)《城市道路公共交通站、場、廠工程設計規(guī)范》（CJJ15—2011 T）的要求，設計簡單的客車首發(fā)站停車場。該停車場尺寸為46m×32m，圍墻高2.6m；停車場內(nèi)辦公樓尺寸為6.82m×5m×7m，綠化帶尺寸為35m×4m，路燈位于綠化帶內(nèi)，高度為10m；停車場內(nèi)設有12個客車停車位，并假設停車位上均停放著氫能客車?？蛙嚹Ｐ蛥⒖寄壳耙淹懂a(chǎn)使用的某氫能客車，尺寸為10m×2.5m×3m，其車載儲氫瓶位于客車頂部，儲氫系統(tǒng)由6個儲存壓力為35 MPa、容量為140 L 的車載儲氫瓶組成，相鄰客車的間距為1m，停車場模型如圖1所示。

圖1 客車首發(fā)停車場三維模型Fig.1 3D model of bus starting station

考慮到停車場模型較大，通過對比不同網(wǎng)格大小的泄漏擴散數(shù)值模擬結果，根據(jù)FLACS 軟件用戶手冊［5］，泄漏模塊中網(wǎng)格劃分建議1~1.5m 的網(wǎng)格尺寸用于高度大于8m 的三維模型。由于停車場模型高度（10m）大于8m，核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸大小應選擇1~1.5m。通過開展相同工況下核心網(wǎng)格尺寸為1.00、1.25、1.50m 的氫泄漏擴散數(shù)值模擬，在泄漏源附近的某監(jiān)測點的最大氫氣含量（體積分數(shù)，具體為氫氣在空氣中所占的體積比，下同）［5］分別為0.068、0.075、0.071，最大誤差約為10%，如圖2所示。同時，通過孔隙度分析發(fā)現(xiàn)核心網(wǎng)格尺寸為1.00m的孔隙度更高，計算結果更準確，因此最終選取核心網(wǎng)格的尺寸為1.00m。

對泄漏點附近的網(wǎng)格進行加密?？紤]到氫氣會擴散到車站以外的區(qū)域，模擬計算的區(qū)域需要大于車站的三維模型，如圖3所示。最終網(wǎng)格劃分的整體范圍為+X方向40m、+Y方向65m、+Z方向11.2m，其中核心區(qū)域為車站停車區(qū)在X、Y、Z方向上的投影，其他區(qū)域則為延展網(wǎng)格區(qū)域，可用于模擬氫氣在遠場中的擴散。

圖3 客車首發(fā)停車場三維模型的網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid of 3D model of bus starting station

1.2 氫泄漏爆炸事故條件設置

高壓氫氣泄漏后的擴散特性受泄漏位置、泄漏孔徑、泄漏速率、泄漏方向、環(huán)境風以及周邊環(huán)境的影響。通過查閱文獻和現(xiàn)場調(diào)研，氫能客車TPRD 和輸氫管道上的閥門失效可能會造成嚴重的事故后果［15］，因此重點研究TPRD 以及輸氫管道閥門失效導致的氫泄漏擴散事故。由于TPRD 位于儲氫瓶附近，因此研究TPRD 失效導致氫泄漏時，將泄漏位置設置在客車頂部，泄漏位置為（25m，20.5m，3.6m）處，泄漏方向為+Z方向，其位置如圖4（a）所示；研究輸氫管道閥門失效導致氫泄漏時，由于燃料電池電堆在客車后下方，因此泄漏位置設置在客車底部，泄漏位置為（25m，20.5m，0.6m）處，泄漏方向為-Z方向，其位置如圖4（b）所示。

圖4 氫能客車氫泄漏方向Fig.4 Leakage orientation of hydrogen fuel bus

對于泄漏孔徑，考慮到部件不同泄漏孔徑的失效頻率，選取失效頻率較大的3種孔徑分別為2、4和10 mm［16］。每個儲氫瓶壓力為35 MPa 且容量為140 L，輸氫管道上的最大壓力為2 MPa，考慮TPRD 和輸氫管道閥門失效后發(fā)生氫泄漏的泄漏速率會隨壓力的下降而逐漸減小。研究10 種不同的泄漏工況，具體參數(shù)設置如表1 所示。對于TPRD失效泄漏，當泄漏孔徑分別為2、4和10 mm時，其相應的初始泄漏速率為0.04、0.17和1.07 kg/s，然后隨時間衰減，最終完全泄漏的時間分別為232.5、84.5和94.5s；對于輸氫管道閥門的失效泄漏，假設泄漏量為140 L，當泄漏孔徑分別為2和4 mm時，相應的初始泄漏速率為0.002 和0.01 kg/s，最終泄漏時間為219.5 和52.5 s。其中，假設案例Ⅸ為最嚴重的泄漏場景，考慮儲氫系統(tǒng)中6個儲氫瓶內(nèi)的氫氣全部泄漏，泄漏孔徑為10mm。

表1 氫能客車氫泄漏的參數(shù)設置Table 1 Leakage scenario setting of hydrogen fuel bus

對于環(huán)境初始條件，考慮到泄漏后氫氣擴散迅速，若環(huán)境風較大會使得氫氣含量迅速下降，不利于分析氫氣泄漏擴散特性以及后續(xù)的氣云爆炸研究，參考我國已投放使用氫能客車某城市的天氣，其年平均風速為2.2 m/s，且停車場周邊建筑物對環(huán)境風有一定的阻擋作用，最終選擇環(huán)境風速為1 m/s。同時，為保守估計氫泄漏擴散以及爆炸后果，將環(huán)境風風向設置為朝向停車場辦公樓，環(huán)境風向分別為-Y、-X。環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為0.1 MPa，大氣穩(wěn)定度為穩(wěn)定（F）。

針對數(shù)值模擬輸出控制，由于泄漏后期氫可燃氣云含量過低，不利于分析氫氣擴散特性，結合各泄漏孔徑下氫氣完全泄漏的時間，將模擬時間設置為70 s，模擬結果輸出的時間間隔為1 s。氫泄漏擴散模擬時每10 s輸出一次可燃氣云數(shù)據(jù)，用于后續(xù)氫氣云爆炸的數(shù)值模擬。

為驗證FLACS 軟件計算泄漏速率以及泄漏時間的準確性，選用參考文獻［5］中所述的，在儲存壓力為35 MPa、容量為171 L 的儲氫罐中發(fā)生泄漏孔徑為4.2 mm 的氫氣泄漏事故進行分析。其氫氣完全泄漏的時間約為108 s，而同樣的氫泄漏場景在FLACS中進行計算，得出氫氣總泄漏時間為96.5 s，兩者結果的誤差為11%。FLACS軟件是基于理想氣體狀態(tài)方程前提下進行氫泄漏模擬計算，參考文獻［5］的高壓氫泄漏實驗，泄漏過程中與空氣中塵埃和雜質的摩擦作用會損失部分動能，所以相較于氫泄漏實驗，氫泄漏數(shù)值模擬的泄漏速率更大，在泄漏量相同的情況下泄漏時間更短。

1.3 數(shù)值模擬結果與分析

1.3.1 泄漏孔徑對泄漏擴散的影響

泄漏孔徑的大小影響氫氣的泄漏速率以及泄漏時間，進而影響氫氣的泄漏擴散特性。由于泄漏后氫氣擴散速度快，空間中氫氣含量較低，為了更直觀地觀察氫泄漏擴散行為，選取氫氣含量范圍從0.02到0.04。圖5（a）表示在不同泄漏孔徑下TPRD發(fā)生泄漏15 s 后氫氣云的分布情況。在泄漏初期，由于氫氣的泄漏速率可達697.4 m/s（0.17 kg/s），而環(huán)境風速為1 m/s，因此環(huán)境風的作用效果不明顯，氫氣泄漏后豎直射向停車場的頂棚，受到頂棚的阻礙作用后氫氣云開始朝四周呈圓形擴散。高壓射流氫氣碰到頂棚后速度迅速減小，頂棚上的氫氣云受環(huán)境風的影響明顯，會隨著環(huán)境風的方向擴散，如圖5（b）所示。在相同泄漏條件下，若無環(huán)境風的作用，氫氣接觸頂棚后在頂棚的阻礙作用下氫氣云始終呈圓形向四周擴散，氫氣含量從圓心到邊緣逐漸降低，隨著泄漏的持續(xù)，氫氣云分布面積逐漸減小，如圖6所示。

圖5 氫能客車TPRD 失效后發(fā)生不同孔徑氫泄漏的氫氣云分布情況Fig.5 Vapor cloud distribution of hydrogen leakage with different apertures after TPRD failure of hydrogen fuel bus

圖6 氫能客車TPRD 失效后發(fā)生氫泄漏的氫氣云分布情況（無環(huán)境風）Fig.6 Vapor cloud distribution of hydrogen leakage after TPRD failure of hydrogen fuel bus （no wind）

總體來說，規(guī)格為140 L、35 MPa 的儲氫瓶上發(fā)生TPRD 失效導致較小孔徑的氫泄漏事故后，由于環(huán)境風加速擴散和停車場頂棚阻礙作用，2 和4mm 的孔徑泄漏后的最大氫氣含量分別為0.16 和0.28，且泄漏后氫氣擴散迅速，大部分區(qū)域氫氣的含量為0.04~0.16，該含量靠近氫氣的可燃下限含量，誘發(fā)爆炸的風險較小。

有研究表明，空氣中氫的最大可檢測含量極限為0.11~0.59［17］，而泄漏后形成的氫氣含量較低，如果氫傳感器安裝位置不合適，則無法準確迅速探測出氫氣的泄漏。通過上述分析可知，氫能客車應在儲氫瓶的TPRD 裝置附近安裝氫傳感器。對于停車場的氫傳感器，氫能客車頂部發(fā)生氫泄漏后氫氣云會在停車場頂棚積聚，氫氣云團中心的含量最高，而儲氫瓶一般位于客車的后上方，因此可在各個停車位中心偏后位置對應的頂棚上安裝靈敏度高的氫傳感器，以提高實時監(jiān)測停車場內(nèi)氫氣泄漏的精準度，感知氫氣泄漏并發(fā)出警報，幫助工作人員迅速采取應急措施。

1.3.2 環(huán)境風對泄漏擴散的影響

氫氣的質量輕、密度小，環(huán)境風的存在會顯著影響氫氣的擴散。通過對比圖5（a）與圖5（b）中的案例Ⅰ、案例Ⅲ和案例Ⅱ、案例Ⅳ，氫氣泄漏后的15 s到35 s內(nèi)，在環(huán)境風速同為1 m/s 的情況下，環(huán)境風向平行于停車場的縱向時（風向為-Y方向）對泄漏初期的氫氣云分布影響不大；而環(huán)境風向垂直于停車場的縱向（風向為-X方向）時氫氣云團的擴散受環(huán)境風的影響較大。在環(huán)境風的影響下，氫氣云團會明顯沿著順風的方向擴散，氫氣云團的含量也下降得更快。上述現(xiàn)象是由于環(huán)境風向平行于停車場的縱向（風向為-Y方向）時，環(huán)境風與氫氣云團的接觸面積更小，且由于頂棚與氫氣云團接觸后摩擦力的作用，頂棚對氫氣云團擴散具有阻擋作用，環(huán)境風無法在短時間內(nèi)把氫氣吹離停車場頂棚，如圖7所示。同樣原理，當環(huán)境風向垂直于停車場的縱向（風向為-X方向）時，一方面由于環(huán)境風與氫氣云團的接觸面積增大，另一方面由于停車場頂棚橫向長度較短，頂棚對氫氣云團擴散的阻擋作用也減小，在兩者的共同作用下，環(huán)境風在短時間內(nèi)降低了氫氣云團的含量。綜上所述，環(huán)境風向和停車場的朝向都會影響到TPRD 失效后的氫泄漏事故后果，在修建氫能客車停車場時要考慮環(huán)境風的影響。參考當?shù)氐某Ｄ觑L向，停車場的縱向應盡量與當?shù)氐某Ｄ觑L向垂直，從而有效降低停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫泄漏后的氫氣云團含量，降低發(fā)生氫火災爆炸事故的風險。

圖7 環(huán)境風平行于停車場縱向時氫泄漏的氫氣云分布情況Fig.7 Distribution of gas cloud of hydrogen leakage when the ambient wind is parallel to the length direction

1.3.3 輸氫管道失效的氫泄漏擴散特性分析

輸氫管道的壓力為2 MPa，在泄漏孔徑以及泄漏量相同的情況下，其泄漏速率較TPRD 失效后的泄漏速率要小。為了更直觀地觀察客車底部輸氫管道閥門失效后氫氣云團的擴散行為，圖8選取氫氣含量量程為0~0.02。

圖8 輸氫管道閥門失效導致氫泄漏的氫氣云分布情況Fig.8 Distribution of gas cloud of hydrogen leakage caused by valve failure of hydrogen transmission pipeline

在泄漏后的前5 s，由于泄漏的初始速率較快，泄漏出來的氫氣主要積聚在汽車底部，當泄漏到15 s 時，氫氣云團開始有明顯向上方擴散的趨勢，并且氫氣含量逐漸下降，最終隨著泄漏時間的延長，在環(huán)境風作用下，氫氣云團擴散到停車場頂棚后開始沿著停車場的縱向（-Y）擴散，直至含量下降為0。雖然客車底部發(fā)生氫泄漏后會有更多的氫氣云團覆蓋在客車周圍，但是整個泄漏過程的最大氫含量約為0.02。該含量低于氫氣的爆炸濃度下限，所以該泄漏情況下發(fā)生氫氣爆炸的風險會更低。

1.4 氫氣云爆炸數(shù)值模擬

1.4.1 點火位置的選擇

由于輸氫管道閥門失效后導致氫泄漏事故的氫氣云含量小于氫氣爆炸極限濃度，無法點燃誘發(fā)氫氣云爆炸事故，本部分重點研究TPRD 失效導致氫泄漏的氫氣云爆炸事故后果。為確保氫氣云團能被點燃，點火位置選擇氫氣云含量較高區(qū)域［18］，通過對比不同高度平面上氫可燃氣云的分布，發(fā)現(xiàn)在不同泄漏時間下，高度為6.827 m 處的氫可燃氣云含量最大，且各濃度梯度明顯，因此基于此高度在泄漏點附近區(qū)域內(nèi)選取合適的點火位置，研究不同點火工況下氫氣云爆炸特性。由泄漏結果可知，泄漏前10 s 的泄漏量小且氫氣云分布范圍較小，10 s 后氫氣云分布趨于穩(wěn)定，氫濃度傳感器更容易檢測到氫氣泄漏，因此假設氫泄漏后切斷氫氣泄漏的時間至少為10 s，在此基礎上研究氫氣云爆炸特性。最終點火位置的選擇如表2所示，選取的泄漏場景為案例Ⅳ。

表2 不同泄漏時間下點火位置的選擇Table 2 Selection of ignition positions under different leakage time

1.4.2 數(shù)值模擬結果與分析

對上述不同點火位置下的氫氣云爆炸場景進行數(shù)值模擬，氫氣云爆炸對人員與建筑的主要傷害模式是爆炸沖擊波，重點關注不同點火時間下爆炸超壓的分布以及爆炸所產(chǎn)生的最大爆炸超壓。不同點火位置下的爆炸超壓數(shù)值模擬結果如表3所示。

表3 不同點火時間下的最大爆炸超壓Table 3 Maximum overpressure at different ignition time

由于在點火位置相近的情況下氫氣云含量越大，點燃后產(chǎn)生的爆炸超壓也越大，所以選取表3中場景1 點火場景的數(shù)值模擬結果進行分析，如圖9所示。

圖9 TPRD失效后導致氫泄漏氫氣云爆炸的最大超壓分布Fig.9 Maximum overpressure distribution of leakage gas cloud explosion after TPRD failure

由于環(huán)境風的作用以及氫氣的快速擴散特性，氫氣云團點燃后爆炸超壓也會從點火位置向四周呈球形擴散傳播，但受到停車場頂棚和客車車頂?shù)淖璧K作用，爆炸超壓在兩者之間反射疊加［19］，最終在客車頂部和停車場頂棚出現(xiàn)明顯的爆炸超壓聚積。由于氫氣云團含量較小，以上氫氣云爆炸場景中最大爆炸超壓值約為1.9 kPa，且最大爆炸超壓的作用區(qū)域也較小。爆炸沖擊波對人員造成輕傷的閾值為10 kPa，所以泄漏孔徑為4 mm 的TPRD 失效泄漏后的氫氣云團引發(fā)氫氣云爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波對周邊人員和建筑的破壞作用很小。

對于最危險的泄漏場景案例Ⅸ，同樣選取合適的點火位置，點火位置處的當量比為0.8，不同點火位置下的爆炸超壓數(shù)值模擬結果如表4所示。

表4 不同點火時間下的最大爆炸超壓（案例Ⅸ）Table 4 Maximum overpressure at different ignition time（CaseⅨ）

由于泄漏初期的泄漏速率快，相同時間下泄漏初期的氫氣泄漏量更大，如圖10（a）所示。其次，環(huán)境溫度不變的情況下，氫氣的擴散速率變化不明顯，隨著泄漏速率的下降，氫氣云團的含量會隨著泄漏時間的延長逐漸下降，所以泄漏初期點火后產(chǎn)生的爆炸超壓最大，約為12.38 kPa。最大爆炸超壓的作用范圍為4 m2，出現(xiàn)在車輛頂部，如圖10（b）所示。

圖10 最嚴重氫泄漏場景下的氫氣云含量分布以及最大爆炸超壓分布Fig.10 Gas cloud distribution and maximum overpressure distribution under the most fatal leakage scenario

2 風險評估

2.1 氫泄漏點火概率

本部分考慮將靜止過程中的部件失效概率總和作為氫泄漏概率。氫能客車在靜止情況下會引發(fā)氫泄漏事故的關鍵部件有TPRD、輸氫管道上的減壓閥以及氫氣儲罐。目前還沒有關于氫能源汽車TPRD 故障的相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，但在非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)庫（NPRD）中，將泄壓裝置（PRD）的隨機失效概率確定為6.04×10-3次/年。在FireComp 風險評估項目研究中，考慮火災事故導致的TPRD 失效概率時，是使用NPRD 數(shù)據(jù)庫中的泄漏失效概率6.04×10-3次/年為基礎，通過實驗結果對該基礎失效概率進行修正［20］。研究停車場內(nèi)氫能客車的氫泄漏事故概率時，由于靜止狀態(tài)下的氫泄漏概率較低，故最終選用6.04×10-3輛/年作為TPRD 的泄漏失效概率。

輸氫管道是供氫系統(tǒng)的重要組成部分，輸氫管道將儲氫瓶內(nèi)的氫氣通過減壓閥降壓后輸送到燃料電池中，由于氫能客車中輸氫管道較長且與管道相連的安全閥件較多，所以同樣容易發(fā)生部件失效進而導致氫泄漏事故。針對輸氫管道的部件失效概率，主要可分為輸氫管道泄漏失效以及安全閥件的失效，由于目前氫能客車的事故數(shù)據(jù)缺乏，部件的故障概率和頻率選自海上石油、過程化學和核電行業(yè)的通用泄漏數(shù)據(jù)［20］。選取輸氫管道的泄漏概率值為4.57×10-6次/年，安全閥件泄漏概率值為5.71×10-3次/年。由于停放狀態(tài)下氫能客車的各關鍵部件的泄漏概率較小，幾個部件同時失效的場景不太可能發(fā)生，所以假設每種部件都是單獨失效，停放狀態(tài)下氫能客車發(fā)生氫泄漏事故的總概率用式（1）計算。

式中，F(xiàn)L為泄漏的總概率，PTP為TPRD 失效概率，F(xiàn)C為氫系統(tǒng)其他部件的失效概率。

由于TPRD 的失效概率為6.04×10-3次/年，輸氫管道的泄漏概率值為4.57×10-6次/年，安全閥件的泄漏概率值為5.71×10-3次/年，所以氫能客車氫泄漏的總概率的計算如式（2）所示：

根據(jù)《SAND2009-0874》［20］，氫氣點火概率可從兩個項目的研究結果中獲得。由于氫泄漏場所為半封閉空間的停車場，發(fā)生氫泄漏事故后空間內(nèi)壓力變化不明顯，因此受壓力影響的氫點火概率預測不適用。重點關注泄漏后發(fā)生氫氣云爆炸的概率，所以選擇不同泄漏速率下的氫延遲點火概率作為氫點火概率（PIG），最終氫泄漏點火概率（P）的計算如式（3）所示：

式中，PIG，1為TPRD在不同泄漏速率下的點火概率，PIG，2為氫系統(tǒng)其他部件在不同泄漏速率下的點火概率。

2.2 爆炸風險計算

針對氫氣泄漏擴散以及氫氣云爆炸事故，事故后果的表現(xiàn)形式主要體現(xiàn)在氫可燃氣云含量分布以及氫氣云爆炸后的爆炸超壓分布。多數(shù)情況下，沖擊波的破壞傷害作用是由超壓引起的。通過分析氫氣云爆炸數(shù)值模擬結果得到最嚴重事故場景下的最大爆炸超壓以及最大爆炸超壓的分布范圍，確定氫氣云爆炸危險距離內(nèi)的區(qū)域，結合事故的發(fā)生概率預測氫能客車發(fā)生氫泄漏爆炸的風險。

潛在傷害人數(shù)用式（4）計算［21］：

式中，N0為事故地點的人口密度，Aeffect為危險距離內(nèi)的區(qū)域面積。查詢中國已經(jīng)投放氫能客車的某城市人口密度，通過計算得到N0約等于0.021 人/m2。根據(jù)前文的數(shù)值模擬結果，選取爆炸超壓最大的氫泄漏場景進行風險計算，根據(jù)最大爆炸超壓的分布確定氫氣云爆炸后危險區(qū)域范圍Aeffect為4 m2，則該區(qū)域潛在傷害人數(shù)計算如式（5）所示：

參考爆炸超壓傷害死亡概率模型，考慮到停車場內(nèi)為半封閉空間，選用TNO-Structure Collapse 超壓死亡傷害概率模型。根據(jù)氫氣云爆炸的數(shù)值模擬結果，停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫氣泄漏最危險場景下發(fā)生氣云爆炸后的最大爆炸超壓為12.38 kPa，并且通過分析結果可知，最大爆炸超壓的作用時間為21.5 ms，根據(jù)式（6）、（7），利用Probit模型計算死亡傷害概率［22］，最終用式（8）計算死亡傷害概率（Pf）。

式中，Ps為超壓峰值，i為超壓沖量，V為熱劑量，?為標準正態(tài)分布函數(shù)。

綜上所述，停放狀態(tài)下氫能客車發(fā)生氫泄漏爆炸死亡風險用式（9）計算：

根據(jù)已有研究，社會人員的風險可接受水平為1.0×10-5次/年［21］，經(jīng)計算，在該停車場下氫能客車發(fā)生氫泄漏后誘發(fā)氫氣云爆炸的死亡風險近似為3.64×10-7次/年。由于氫能客車相關部件的可靠性比石油化工行業(yè)的相關部件可靠性更高，真實的零部件失效概率會更低，所以相應的風險水平也會更低。綜上所述，該停車場停放的氫能客車發(fā)生小孔泄漏爆炸事故風險較小。該停車場內(nèi)氫能客車的氫泄漏誘導氫氣云爆炸事故的風險在可接受范圍內(nèi)。

2.3 爆炸風險防控建議

停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫泄漏爆炸事故是車載氫系統(tǒng)部件失效導致氫氣泄漏，并與空氣預混后點火而引發(fā)的。結合風險計算結果，該停車場內(nèi)氫能客車的氫泄漏誘導氫氣云爆炸事故風險在可接受范圍內(nèi)，為進一步提升停車場的安全水平，從降低事故發(fā)生概率、減小事故后果兩方面入手提出風險防控建議。

（1）對于降低事故發(fā)生概率，停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫泄漏爆炸的主要傷害源自爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波，因此停車場內(nèi)應禁止煙火，杜絕點火源，從而降低停車場內(nèi)的點火概率；其次是在停車場內(nèi)停放的氫能客車需通過氫排放檢測，氫排放達標后方可進入停車場，以降低發(fā)生氫泄漏的概率。

（2）對于減小事故后果，停車場在規(guī)劃建設時可考慮停車場的縱向與該地區(qū)的常年風向相垂直，停車區(qū)域應布局在該地方最小頻率風向的上風側，以便氫能客車發(fā)生氫泄漏后氫氣的擴散，從而迅速降低氫氣含量，避免氣云堆積誘發(fā)氫氣云爆炸事故；停車場內(nèi)空氣流通差的區(qū)域可增設防爆排氣扇，停車區(qū)域應布局在該地方最小頻率風向的上風側，防止停車場內(nèi)氫氣的積聚；其次是在停車場內(nèi)氫能客車的停車區(qū)域上方增設氫含量傳感器，提升氫氣泄漏監(jiān)測的準確性，便于迅速采取應對措施，減小事故后果；停車場的停車區(qū)域應盡量遠離辦公區(qū)域，無關人員不得進入停車場，以減少可能受事故傷害的人員數(shù)量。

3 結論

本文對一個長64 m、寬32 m的客車停車場進行氫泄漏爆炸和風險分析，氫泄漏的場景為TPRD 失效和輸氫管道閥件失效導致小孔泄漏；同時考慮泄漏速率隨時間的變化，研究了3 種泄漏孔徑、3 種泄漏方向以及兩種環(huán)境風向對氫泄漏以及氫氣云爆炸事故后果的影響，得到的主要結論如下。

（1）停車場內(nèi)氫能客車發(fā)生氫泄漏事故后氫氣會迅速擴散，泄漏源附近的氫氣云含量最高。環(huán)境風向和停車場頂棚的長度方向會影響氫泄漏后的氫氣云分布，當環(huán)境風向與停車場頂棚長度方向垂直時最有利于氫氣的擴散。停車場內(nèi)障礙物的存在有利于氫氣的積聚，由于氫氣自身擴散性強，發(fā)生小孔泄漏后的氫氣云團整體含量較低，點火引發(fā)氫氣云爆炸后的爆炸沖擊波威力較小，在最嚴重的泄漏場景下最大爆炸超壓約為12.38 kPa。

（2）通過預測停車場內(nèi)氫能客車的氫泄漏概率，結合氫泄漏爆炸數(shù)值模擬結果開展停車場內(nèi)氫能客車的風險評估，計算得出停車場內(nèi)氫能客車在最危險氫泄漏爆炸場景下的死亡風險水平近似為3.64×10-7次/年，小于社會人員的風險可接受水平，因此，該停車場停放氫能客車發(fā)生氫小孔泄漏爆炸事故的安全風險在可接受范圍內(nèi)。

（3）符合規(guī)定的前提下，在氫能客車儲氫瓶TPRD 裝置附近以及停車位中間偏后對應的頂棚位置上安裝靈敏度高的氫傳感器，以提高實時監(jiān)測氫氣泄漏的靈敏度；規(guī)劃建設停車場時停車場縱向建議與該地區(qū)的常年風向垂直，停車區(qū)域應布局在最小頻率風向的上風側，以便氫泄漏后氫氣的擴散，迅速降低氫氣含量，避免氫氣云堆積誘發(fā)爆炸事故。