摘"要： 氫作為可再生能源，清潔環(huán)保、利用率高且來源廣泛，但氫氣易燃易爆的高風險性使其難以拓展應用，以位于內(nèi)陸河的氫燃料電池船為例，使用PHAST、FLACS軟件建立35 MPa儲氫罐體模型并進行CFD模擬與數(shù)值分析，以泄漏位置、泄漏孔徑、溫度和壓力等變量作為主要計算條件，模擬船舶?？考凹幼⑦^程中的潛在危險場景，對事故進行分析，通過二維與三維結(jié)合的方式得出氫氣泄漏、爆炸和熱輻射事故的影響范圍，并在此基礎(chǔ)上提出降低風險的具體措施，對未來氫燃料電池船儲氫罐與船用加氫站安全管理提供重要參考.

關(guān)鍵詞： 氫氣泄漏；儲氫罐；CFD

中圖分類號：TK91"""文獻標志碼：A"""""文章編號：1673-4807（2024）04-001-08

Research Institute， China Classification Society， Shanghai 200135， China）

Abstract：As a renewable energy source， hydrogen is clean， environmentally friendly， highly utilized and widely available. However， the high risk of hydrogen flammability and explosion makes it difficult to expand its application. Taking the hydrogen fuel cell ship located on the inland river bank as an example， the 35 MPa hydrogen storage tank model is established by using PHAST and FLACS software， and CFD simulation and numerical analysis are carried out. Taking variables such as leakage location， leakage aperture， temperature and pressure as the main calculation conditions， the potential dangerous scenarios in the process of ship docking and filling are simulated， and the accidents are analyzed. The influence range of hydrogen leakage， explosion and thermal radiation accidents is obtained by combining two-dimensional and three-dimensional methods. On this basis， specific measures to reduce risks are proposed to provide important reference for the safety management of hydrogen storage tanks and marine hydrogen refueling stations on hydrogen fuel cell ships in the future.

Key words：hydrogen leakage， hydrogen storage tanks， CFD

近年來，由于化石燃料的過度使用環(huán)境污染問題日益增加，能源需求轉(zhuǎn)變勢在必行，轉(zhuǎn)向以太陽能、生物質(zhì)能、風能和氫能為主的可再生能源.氫是目前唯一一種零排放的燃料，是公認的清潔能源，具有清潔、燃燒性好和運輸方便等特點［1］，以氫燃料電池為代表的氫能源與船舶的結(jié)合也越來越緊密［2］.

目前國內(nèi)外學者對氫氣泄漏事故的研究方式主要集中于數(shù)值模擬與實驗［3］，但考慮到氫氣實驗的危險性與較高的成本，數(shù)值模擬是研究氫氣事故的主要選擇.文獻［4］利用PHAST軟件對氫氣與天然氣輸送管道進行泄漏擴散模擬分析，確定了二維視圖下氣體擴散及爆炸的事故范圍；文獻［5］使用Hy-KoRAM和PHASTamp;Safeti軟件，確定氫氣泄漏爆炸輻射熱和火焰長度的損害范圍和影響；文獻［6］基于FLACS和實驗對比，分析了泄露方向、風速等對氫燃料動力船岸基式加注過程中氣體泄漏擴散的影響.基于CFD數(shù)值模擬所建立的計算模型可以更為直觀的展現(xiàn)氫氣事故的風險場景，并且可以根據(jù)氫氣泄漏、爆炸和熱輻射過程中的初始壓力、泄漏孔徑、泄漏位置以及環(huán)境因素的差異建立不同的事故場景［7］.

文中以位于內(nèi)陸河的氫燃料電池船為研究對象，利用PHAST與FLACS軟件的交叉分析對船用儲氫罐氫氣泄漏擴散、燃燒火焰輻射和爆炸超壓進行了數(shù)值模擬，首先建立船體及儲氫罐的幾何模型，模擬氫氣泄漏位置，進一步根據(jù)氫氣擴散濃度分布確定點火位置，模擬噴射火熱輻射與爆炸超壓，最后根據(jù)數(shù)值計算的泄漏擴散范圍、熱輻射損傷與爆炸超壓數(shù)值對事故后果進行分析，通過二維與三維結(jié)合的方式更加深入的了解氫氣泄漏事故所造成的傷害與影響范圍.

1"計算模型與理論方法

1.1"CFD模型建立

氫燃料電池船側(cè)視如圖1.該船是一艘單層底、單甲板、設(shè)尾部單機、設(shè)35 MPa儲氫罐、前駕駛、機駕合一的全鋼結(jié)構(gòu)焊接船，其線型采用“V”型折角線型，阻力小、航速快.在內(nèi)部布置裝飾上采用新材料、新工藝，力求豪華、美觀、實用相結(jié)合.在性能上力求穩(wěn)性好，操舵方便、噪音低，救生、消防均符合規(guī)范的要求.同時兼顧外形美觀且性能優(yōu)良.保障船采用氫燃料電池電力驅(qū)動，動力模塊由兩臺最大輸出功率55 kW、轉(zhuǎn)速1 000 r/min的推進電機組成.高壓儲氫罐位于船尾甲板，便于氫氣加注與人員檢修，由多個獨立的罐體組成.表1為詳細的設(shè)計參數(shù).

氫氣泄漏可分為穩(wěn)態(tài)泄漏與瞬態(tài)泄漏［3］.穩(wěn)態(tài)泄漏常發(fā)生于大容量低壓容器，具有泄漏速度低、持續(xù)時間長和不易被發(fā)現(xiàn)等特點.瞬態(tài)泄漏常發(fā)生于高壓容器的破裂與損壞，表現(xiàn)為泄漏速度極快，持續(xù)時間極短，且發(fā)生時難以控制，若泄漏范圍內(nèi)有點火源還易發(fā)生燃燒和爆炸［8］.由于保障船的儲氫罐均為35 MPa的高壓容器，文中主要研究瞬態(tài)泄漏的事故場景.造成儲氫罐瞬態(tài)泄漏的主要原因可能為船員日常維護不當、加注過程操作不當、船體間碰撞以及自然災害等外界因素，綜合考慮以上因素，設(shè)置船舶?？考幼r存在的危險場景.基于FLACS軟件1∶1模擬事故三維場景，總體計算域尺寸為100 m（X軸）×90 m（Y軸）×20 m（Z軸），研究氫氣泄漏事故并設(shè)置點火源.船舶加注場景如圖2.

從計算準確性以及計算精確度考慮，文中設(shè)置氫燃料成分為100%氫氣，氣體檢測區(qū)域為100 m×90 m×20 m；在考慮風速對氫氣泄漏擴散影響時，將左右兩側(cè)邊界XHI與ZLO設(shè)置為NOZZLE出口邊界，剩余四邊界均設(shè)置為WIND，設(shè)置風向沿X軸正方向，坐標為（1，0，0）；對于氫氣泄漏以及噴射火焰事故，計算流體域采用漸變網(wǎng)格劃分方法，泄漏點附近網(wǎng)格需要局部加密并且最小網(wǎng)格面積必須大于泄漏孔面積，遠處區(qū)域需進行網(wǎng)格拉伸，加密網(wǎng)格與普通網(wǎng)格邊界處需進行平滑處理，相鄰網(wǎng)格尺寸差不超過50%，船體結(jié)構(gòu)物與加注站結(jié)構(gòu)物厚度須大于對應網(wǎng)格尺寸的0.5倍，否則計算時氣體擴散將不能識別出障礙物.因此，確定氫氣泄漏處局部加密最小網(wǎng)格尺寸為0.5 m，總體網(wǎng)格數(shù)量為60萬；對于氫氣氣體爆炸事故，計算精度要求較高，計算域網(wǎng)格需均勻劃分［9］，總體網(wǎng)格數(shù)量達100萬，網(wǎng)格劃分域如圖3、4.

1.2"泄漏擴散模型

判斷氫氣泄漏過程是否滿足理想氣體方程，可以根據(jù)泄漏出口壓力大小判斷，當泄漏出口壓力等于儲氫罐內(nèi)的臨界壓力時表現(xiàn)為瞬態(tài)泄漏［10］，即符合式（1）條件，泄漏可視為超音速流動，氫氣泄漏速度等于氫氣的局部聲速［3］.

p0p≤2k+1kk－1（1）

式中：p0為環(huán)境壓力；p為儲氫罐體壓力；k為氣體絕熱系數(shù)取值1.4；此時儲氫罐體泄漏的質(zhì)量流量可以使用式（2）計算：

Q=CdAPMkRT2k+1k+1k－1（2）

式中：Q為質(zhì)量流量；Cd為泄漏形狀系數(shù)，文中設(shè)定泄漏口為圓形且直徑為20 mm故取值1；A為泄漏口面積；P為大氣壓強;Mk為氣體的摩爾質(zhì)量，文中研究對象為氫氣，故取值為0.002 kg/mol；R為氣體常數(shù)，取值為8.314 J/（mol·K）；T為泄漏氣體溫度，單位為開氏度（K）.

基于PHAST軟件考慮瞬時泄漏時，氫氣在短時間內(nèi)迅速泄漏聚集形成大范圍的云團，考慮為瞬時泄漏應選用煙團模型（Puff Model）計算，其濃度分布為：

c（x，y，z）=M（2π）23σxσyσzexp－（x－ut）22σx2×

exp－y22σy2exp－（z－H）22σz2+exp－（z+H）22σz2（3）

式中：c為云團中相應點的濃度；M為泄漏氣體的總質(zhì)量；u為環(huán)境風速；t為泄漏時間；H為云團高度；σx、σy、σz分別為坐標軸x、y、z方向上的擴散系數(shù).

1.3"燃燒爆炸模型

在火災事故中，火焰的主要形式為噴射火、閃火與球火，其中閃火、球火影響范圍較小，噴射火焰影響范圍最大，因此選擇噴射火焰為計算模型考慮最危險的工況.其中噴射火焰的噴射距離公式、輻射強度、大氣投射系數(shù)計算分別為：

L=HcQ0.444161.66（4）

I=I0υτ（5）

τ=log14.4N－0.108k－0.13（6）

式中：L為火焰噴射距離；Hc為火焰燃燒熱值；Q為火焰質(zhì)量流速；I為輻射強度；I0為燃燒源熱輻射強度；υ為方向系數(shù)；τ為環(huán)境投射系數(shù)；N為環(huán)境濕度；k為火焰輻射到物體的距離.

在PHAST軟件中，TNT當量爆炸模型應用較廣，且模擬的爆炸超壓數(shù)值較為準確，便于事故后果分析.TNT爆炸當量為：

WTNT=aBWfQfQTNT（7）

式中：WTNT為TNT當量；a為爆炸系數(shù)；B為對應的TNT當量系數(shù)，其取值范圍為0.02%～14.9%；Wf為氫氣蒸氣云的總質(zhì)量；Qf為氫氣的熱值；QTNT為TNT的爆炸熱值.

爆炸距離的影響距離d計算為：

d=0.396 71/3TNT×exp［3.5－0.724（InΔP）+

0.04（InΔP）2］（8）

式中：d為爆炸事故的影響距離；ΔP為爆炸超壓數(shù)值.

1.4"邊界條件與分析方法

在此次計算中，設(shè)置環(huán)境壓力與環(huán)境溫度分別為1個標準大氣壓強和300 K（27 ℃），詳細環(huán)境參數(shù)見表2.重力加速度設(shè)置為9.8 m/s2，方向垂直向下.

文中主要著重于甲板尾部儲氫罐體的瞬態(tài)泄漏，關(guān)注船舶?？考幼r的意外事故、罐體老化和風浪顛簸下罐體間的摩擦碰撞.在上述情況下，考慮最危險的泄漏位置與泄漏方向，在泄漏范圍內(nèi)設(shè)置點火源與觀測點，記錄點火燃燒爆炸下的瞬時壓力.根據(jù)公式（1，2）計算得出氫氣泄漏質(zhì)量流量為0.016 4 kg/s.將所得參數(shù)與CFD計算模型導入FLACS，模擬氫氣的瞬態(tài)泄漏、擴散、燃燒和爆炸.采用定量風險分析方法（圖5），該方法常用于評估潛在的危險風險，主要流程包括場景的建模、危害性的鑒定、事故情景分析、后果分析以及風險評估.

2"事故模擬分析

FLACS軟件是基于計算流體動力學CFD的三維計算工具，主要運用于氣體擴散、燃燒爆炸，可以模擬出事故第一現(xiàn)場，并且可以根據(jù)地理環(huán)境、氣象因素定量的分析事故后果［11］；PHAST為綜合性的事故后果分析軟件，可以通過導入衛(wèi)星地圖，帶入計算結(jié)果直觀的展現(xiàn)事故影響范圍［12］.

2.1"泄漏擴散分析

氫氣具有高泄露性與擴散傾向，且點燃、爆炸濃度范圍較廣為4%～75%［13］，與傳統(tǒng)燃料相比事故風險更高.船用儲氫罐位于甲板尾部緊鄰乘員室與駕駛室，向下連接輸送管道與燃料電池艙室.船舶長期行駛，設(shè)備老化、維護不當是常見的問題，振動、碰撞、雨水腐蝕都會對儲氫罐體造成破壞，極易造成氫氣泄漏事故，帶來嚴重后果.

模擬船舶在?？考幼r，發(fā)生側(cè)泄事故，定義泄漏口徑為20 mm，泄漏方向為+X方向，泄漏高程為2 m，詳細泄漏參數(shù)見表3，設(shè)置泄漏位置與觀測點如圖6.

圖7為泄漏時間t為1、27、35、47 s時氫氣的擴散范圍與濃度分布，模擬顯示泄漏發(fā)生后，氫氣迅速向加注亭擴散，由于建筑的阻塞氫氣在加注亭下聚集，并繼續(xù)向高處擴散，當氫氣到達軟件設(shè)置的高程后還有明顯向上擴散的趨勢.

當氫氣泄漏發(fā)生于建筑下方時容易聚集，不利于氣體的自然消散以及云團濃度的降低.觀測點濃度變化如圖8，其中觀測點3處的濃度數(shù)值起伏較大，對比觀測點1、2可以看出氫氣向高處聚集的速度較快，且消散速度較慢.基于FLACS中模擬出的結(jié)果，于PHAST中分別設(shè)置1、3 m為觀察高度來具體分析氫氣濃度變化，結(jié)果如圖9.

可以看出，氫氣于3 m處聚集的濃度更高且擴散的距離越遠，設(shè)置泄漏方向指向岸邊，通過二維衛(wèi)星地圖（圖10）與云團側(cè)視圖（圖11）可以更加直觀地觀察氫氣泄漏的影響范圍.

由計算結(jié)果可知當泄漏方向指向城區(qū)時，存在較大風險性，以氫氣最低點燃爆炸極限4%濃度為邊界，此次泄漏事故所影響最大順風距離為65 m（對應高度4 m）、最大影響高度為6.7 m（對應順風距離45 m）.

2.2"燃燒爆炸分析

當泄漏事故發(fā)生時，遇到火源便會發(fā)生噴射火焰事故，燃燒產(chǎn)生熱輻射，在一定范圍內(nèi)對人、建筑都會造成極大的傷害，文中選擇使用范圍較廣的熱通量準則對事故后果進行分析，熱通量準則是以燃燒熱輻射值作為衡量數(shù)值，當熱輻射值大于傷害臨界值時，目標受到傷害［14］，熱通量臨界值如表4.

通過FLACS、PHAST軟件，在泄漏正方向處設(shè)置點火源，模擬氫氣遇到火源發(fā)生火災事故，CFD模擬結(jié)果與數(shù)值關(guān)系分別于圖12，13.從圖12可以看出氫氣燃燒輻射范圍與橢圓形相似，隨著影響范圍的擴大輻射強度逐漸減少，在距離泄漏位置10 m至20 m處為熱輻射中心區(qū)域，熱輻射強度較高.

根據(jù)表4與圖13，得到噴射火熱輻射影響范圍如表5.綜合分析可知，噴射火輻射強度范圍隨著輻射數(shù)值的降低由橢圓形逐漸轉(zhuǎn)為圓形.在距離泄漏源20 m處達到了熱輻射的極值16 kW·m-2，為12.5～25 kW·m-2間的危險區(qū)，其影響范圍趨于長軸為3.5 m、短軸為1 m的橢圓，在危險區(qū)內(nèi)，建筑、設(shè)備若處于長時間的輻射，會造成一定損傷，當人處于該區(qū)域10 s以上便會出現(xiàn)不同程度的燒傷.在4～12.5 kW·m-2的輕傷區(qū)，影響范圍趨于半徑為8 m的圓形，在此范圍內(nèi)，建筑設(shè)備基本不受輻射影響，人處于該區(qū)域10 s以上會有不同程度的灼痛感.當輻射強度小于4 kW·m-2時對建筑、設(shè)備、人員都無傷害.

當泄漏濃度達到氫氣爆炸下限的4%后，氫氣泄漏蒸氣云團遇到火源會發(fā)生爆炸，帶動周圍空氣劇烈振動形成沖擊波，對爆炸范圍內(nèi)的建筑、設(shè)備、人員造成超壓傷害［15］.爆炸超壓準則如表6.

爆炸事故模擬、觀測點壓力變化如圖14、15，在點火源處為爆炸中心，影響范圍趨于圓形，爆炸結(jié)束后中心區(qū)域由于氧氣的劇烈消耗，導致局部壓強呈現(xiàn)負值.

氫氣爆炸超壓范圍如圖16，結(jié)合表6的超壓準則與CFD模擬結(jié)果得出本計算氫氣爆炸事故的傷害范圍，如表7.

由計算結(jié)果可知，爆炸影響范圍趨于圓形，隨著爆炸超壓數(shù)值的不斷減少，影響范圍不斷擴大，以計算0.02 MPa最大超壓數(shù)值為例，其5 m傷害半徑區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)大規(guī)模破壞，人員直接死亡.按照傷害準則考慮，最低超壓0.002 MPa的影響半徑達66 m，在此范圍內(nèi)人員都會遭受不同程度的傷害.對比火焰輻射，爆炸造成的傷害更嚴重，影響的范圍更廣.

3"結(jié)論

（1） 船用35 MPa、總體積2 m3的儲氫罐組，在20 mm泄漏孔徑下，以氫氣最低點燃爆炸極限4%為邊界，泄漏事故所影響最大順風距離為65 m（對應高度4 m）、最大影響高度為6.7 m（對應順風距離45 m）；于泄漏位置正方向5 m處設(shè)置點火源，火焰輻射趨于半徑8 m的圓形范圍，在此范圍內(nèi)建筑、設(shè)備、人會受到不同程度的傷害；按照爆炸傷害準則臨界超壓值0.002 MPa考慮，其影響半徑達66 m，在此范圍內(nèi)人員都會遭受不同程度的傷害.對比泄漏、火災事故，爆炸造成的傷害更嚴重，影響的范圍更廣.

（2） 儲氫罐組應使用低密度格柵板框架構(gòu)建，便于保持罐體間良好的透氣性、穩(wěn)定性也可防止罐體間的碰撞擠壓變形導致的泄漏問題，同時在罐體外部設(shè)置檢測儀器，以便于隨時檢測環(huán)境氫氣濃度和罐體中氫氣的儲存狀態(tài).

（3） 加氫站內(nèi)嚴禁火源，且加注亭頂部應設(shè)計為空洞式，當氫氣泄漏事故發(fā)生時，防止氫氣于聚集，便于氫氣迅速消散，同時根據(jù)氫氣向上擴散的特點在2 m以上的高度也應該設(shè)置氫氣濃度傳感器，便于第一時間發(fā)現(xiàn)泄漏事故.

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（責任編輯：貢洪殿）