高压氢气泄漏安全问题研究.doc

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1、高压氢气泄漏安全问题研究氢能作为新能源领域的“明日之星”，已经逐步在全球范围内发展与推广。然而，安全性依然是氢能全生命周期的关键瓶颈问题，高压又是其中最为突出的风险要素，容易引发氢气泄漏、扩散，甚至燃烧、爆炸等重大安全事故。基于此，重点总结了高压氢气泄漏扩散、泄漏自燃、喷射火和气云爆炸等典型事故演化过程及内在机理的研究现状并归纳了当前的不足之处，提出了未来发展方向，对氢能安全科学研究及事故防控具有指导意义。引言随着社会、经济和科技的高速发展，人类对于能源的需求日益增大，为了从根本上解决能源枯竭及环境污染的双重危机，亟需建立一个高效低碳的可再生能源体系。与其他能源相比，氢能具有不可比拟的优点，氢

2、气来源广泛、能量密度高、燃烧产物清洁零污染。上世纪中期以来，发达国家逐步开展了氢能源产业的研究工作。1970年，美国首次提出“氢经济”概念，到2002年，美国就出台了国家氢能路线图明确了氢能技术的发展蓝图和战略，近年来，为了推动氢能科研计划，更是投入了大量的资金，如2019年，美国能源部提供了3100万美金来支持“H2”。2019年年底，美国氢经济路线图执行概要报告指出：预计到2050年，氢能可占美国能源结构的14%。我国也高度重视氢能源产业的发展，2006年，国务院颁布国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）开始推广氢能与燃料电池；2014年，能源发展战略行动（2014-202

3、0年）明确氢能与燃料汽车作为能源科技创新战略方向。“十三五”期间，我国氢能产业发展进入井喷期，国家先后发布中国制造2025、中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016年）等多项政策，深入分析了氢能产业基础设施的发展现状，制定了其发展路线图。2020年4月，在中华人民共和国能源法(征求意见稿)中，更是把氢能与煤、石油、天然气等归为一类，首次从法律上承认其属于能源范畴；2020年6月，国家又起草了加氢站技术规范（局部修订条文征求意见稿）和汽车加油加气加氢站技术标准（征求意见稿）并开始向社会公开征求意见。至此，氢能的能源地位得到进一步确认。但是氢能产业发展面临两个主要瓶颈：制氢成本与氢能安全。制氢成本

4、受到多方面因素的掣肘，各个地区的资源分布也大不相同，因此制氢成本的分析需要结合具体区域和项目。而对于普通民众而言，更为关心的是氢能安全问题。相较于常规能源，氢气有较多不利于安全的特性，如氢气在空气中具有较宽的燃烧范围（体积分数 4.1%-74.1%），最小点火能极低（仅为 0.02 mJ）且氢气具有氢脆性、易泄漏和易扩散等性质。因而，氢能利用中的各个环节存在较大的火灾和爆炸风险。历年来，国内外氢气事故屡见不鲜，甚至造成了重大的人员伤亡和财产损失并对公众心理造成了不良影响，使得一部分人“谈氢色变”。安全问题已然成为了氢能推广的重要瓶颈之一，是包括我国在内的世界各国亟需解决的重大挑战。迫切需要我们

5、对氢能产业全生命周期的关键安全科学问题进行全面系统的研究，掌握事故发生和发展规律及机理，在此基础上开发切实可行的安全防控技术，制定科学合理的安全标准和规范，最终为氢能经济的实现提供坚实保障，促进社会的安全和可持续发展。1 氢气主要物化属性早在90年代，就有科学家研究了氢气的泄漏特性，表1列出了氢气的相对泄漏率及流动参数。氢气比其他燃料或气体泄漏速率更快：在层流状态下，氢气的泄漏速率约为甲烷的1.26倍，而在高压下，氢气往往处于湍流状态，此时它的泄漏速率更快，约为甲烷的2.83倍。另外，氢气极易扩散，其在薄膜中的扩散速度约为甲烷的3.8倍。在非受限空间内，一旦发生意外泄漏，由于氢气密度比空气低，

6、会迅速上浮并向四周扩散。而在受限空间，泄漏的氢气易于在局部聚积，由于其高扩散性，能够快速形成危险的可燃性混合物。氢气的燃烧速度很快，暴秀超等人发现在常温常压（27，0.1MPa）下，当燃空比为1时，氢气的燃烧速度可达2ms-1左右，而天然气的燃烧速度仅为0.4ms-1，所以氢气常常被作为燃料的添加剂用来提升体系的层流燃烧速度。在空气中，氢气的燃烧范围很宽，一般为4.1%-74.1%。另外，氢气点火能极低，它的最小点火能量大约为0.02mJ，约为汽油的十分之一。表2列出了氢气及一些常用燃料的燃烧特性参数。此外，氢气还会引发特有的氢脆破坏。特别是在高压氢气系统中，随着压力增大，高强度钢材长期暴露在

7、氢环境中很容易发生氢脆。有一种解释是，氢气会在钢材表面解离为氢原子并渗入，在外应力作用下，氢聚集在钢内部造成应力集中从而引发局部开裂。若管道或储罐出现了裂缝，高压氢气会迅速泄漏和扩散，一旦遇到点火源便会引发燃爆灾害。为了避免氢脆事故，应对氢能产业中相关的高压管道和储存、反应容器等进行合理的选材，或是加入特定的元素降低其氢脆敏感性，例如：铬、钒等。上述物化属性决定了氢气本身就具有较高的安全风险。在氢能利用全生命周期的不同环节，氢气可能引发的事故类型又与其自身状态和所处环境紧密相关。2 氢能利用的全生命周期一个完整的氢能产业链包括制氢、储氢、运输和使用四个环节。氢气可以通过不同的技术从各类原材料中

8、制备，目前，约有96%的氢气是通过化石燃料制备所得。然而，使用化石能源制氢无法从源头上实现零碳排放，科学家们正将重点放在绿色清洁的电解水技术上，这种方法现在只占制氢总量的4%，但预计到2050年将会大幅增长至22%。无论是天然气制氢、煤炭制氢还是电解水制氢，为了提高氢气的转化率和产率，一般都会选择在高压条件下进行，如我国已实现商业化的碱性水电解技术，运行压力为1.5-5.0MPa，其能量效率可达62%-82%。生产的氢气将通过管道输运至下游工艺或直接储存。氢气运输常用三种方式：管道拖车、长输管道和冷槽车。对于低温液态氢气的运输一般采用绝热的冷槽车，为了维持低温环境，整个运输过程中能耗非常高，因

9、而此方法主要应用于军事及航空航天领域。而对于高压气态氢气的运输一般通过管道拖车和长输管道，管道拖车用于小规模短距离输送，长输管道适用于大规模长距离的输送。其中，长输管道的设计压力为2.5-4MPa，管道拖车的运输压力更是高达20-70MPa。在氢能使用环节，氢燃料电池是极具潜力的氢能末端应用方式之一，可用于航空航天、交通、发电等重要领域。2002年，我国开发了第一款氢燃料电池汽车，预计到2030年，氢燃料汽车保有量将达到200万辆，加氢站数量将超过1000座。高压储氢是车载供氢系统和配套加氢站建设的核心技术，目前国际上应用比较广泛的车载储氢瓶压力等级主要有35MPa和70MPa两种，配套的加氢

10、站储氢压力应高于供氢系统。我国绝大多数在用或在建的是35MPa加氢站，但未来从35MPa提升至70MPa是必然趋势。氢气储存贯穿于氢气生产、运输和使用等各个环节（见图1）。目前主要的氢气储存方式有三种：高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。高压气态储氢是指通过高压压缩方式将气态氢储存于容器中，该方式工艺简单且成本低。而低温液态储氢是指通过低温将氢气液化并将液态氢储存于特定的容器中。液态氢的体积密度为气态氢的845倍，因此液态储氢的最大优势就是储氢量大，但为了保证-250低温液态储氢条件，需要配备极高要求的绝热和冷却设施，因此，液态储氢的能耗非常高。有研究表明，每千克液态氢的液化装置的功耗可达1

11、0-15kWh，而高压气态氢在运输过程中每千克氢气的加压总功耗仅为2.3 kWh。固态储氢是指通过化学反应或物理吸附将氢气储存于特定材料中。常用的储氢材料包括：金属合金、碳质材料和有机物等。目前国内外对于固态储氢技术的研究还不够成熟，仍处于理论探索阶段，面临的主要难题包括材料制备工艺复杂、反应放氢困难和可逆性差等。因此，与低温液态储氢相比，高压气态储氢具有能耗低、成本低的优势；与固态储氢相比，高压气态储氢具有技术成熟、工艺流程简单、储氢量大的优点。综合考虑成本、储氢密度、工艺等多方面因素，高压气态储氢是最高效和最经济的储氢方法，也是目前主流的储氢方式。然而，安全性一直是氢能全生命周期运行的突出

12、瓶颈问题。由以上可知，高压又是其中最为突出的风险要素。无论是高压制氢、高压储氢还是高压运氢环节，如遇到高温、氢脆破坏或外部撞击等，极易引发高压氢气的泄漏和扩散，甚至更为严重的火灾和爆炸事故灾害。根据高压氢气的泄漏行为，可将事故总体分为无燃烧泄漏扩散和有燃烧泄漏两种，如图2所示。无燃烧泄漏扩散，即高压氢气只发生单纯的泄漏扩散，未遇点火源或发生自燃。有燃烧泄漏则可分为三种情形：一是当氢气泄漏形成射流后，遇到点火源引发喷射火；二是虽无外部点火源，但高压氢气发生了自燃，并且可能发展为喷射火；三是氢气泄漏后先是在一定空间内与空气混合形成气云，此时若遇到点火源，则极易发生氢气云爆炸。仅2019年，挪威、美

13、国就相继发生多起氢气爆炸，事故起因分别是氢气云爆炸和氢气自燃引发的连锁爆炸，这些再一次引发公众对氢能安全的广泛关注、担忧甚至恐慌。亟需对高压氢气的安全问题开展系统地研究和阐述，充分掌握事故演化规律，为氢能安全防控技术开发及安全标准制定提供科学依据和有力工具。3 高压氢气泄漏的安全问题研究3.1 高压氢气泄漏和扩散研究根据气体泄漏源的压力与环境压力的比值，泄漏产生的气流可分为不同的类型，而高压储罐/管道泄漏一般会形成高压欠膨胀射流。Xiao等人假定存在一个气流绝热膨胀至大气压的过程（如图3所示），在自由射流模型中引入虚拟出口，探究泄漏源附近的浓度场和速度场变化情况。Zhang 等人基于等熵膨胀过

14、程和真实气体状态方程计算了出口处射流的特性参数。Zou考虑了高压氢气泄漏过程中的热交换现象，使用范德华方程和焓方程建立HEC（热交换）模型，并将此模型与基于等熵过程假设的模型进行比较。但现有的理论模型都仅对开敞空间有一定的适用性，而对受限空间以及有障碍物的情况则很难给出合理的测。数值模拟研究方面，一些学者建立了加氢站、车库以及燃料汽车等小规模高压氢气泄漏场景，考察各类因素对氢气泄漏和扩散的影响。比如，Liang等人用FLACS建立了不同风速、风向和泄漏点等多个场景，系统模拟了加氢站的高压氢气泄漏过程，获得了可能发生爆炸的有害区域与致死区域（有害区域：死亡概率1%；致死区域：死亡概率100%）。

15、Yu等人模拟了不同风速下氢燃料电池汽车的储氢泄漏场景，发现车辆内部氢气浓度受风速影响很大。Li等人运用CFD 技术模拟了正方形和矩形喷嘴外形成的高压欠膨胀氢气射流，认为针对非圆形喷嘴，在分析射流衰减率时应引入适当的比例因子。Sathiah等人利用FRED软件预测了氢气射流不同位置的速度和浓度衰减状况。目前，高压氢气泄漏扩散过程数值模拟的可靠性还有待实验或事故数据的进一步验证。高压氢气泄漏的实验研究主要考察泄漏点附近的气体浓度分布以及影响因素。Stefano在封闭空间内对高压氢气小规模泄漏的浓度场进行了实验观测，分析了泄漏位置、障碍物等因素的影响机制。Kobayashi等人研究了低温压缩氢气的泄

16、漏特性，发现氢气的供给温度越低，氢气泄漏的流量越大。Malakhov等人用含有通风管道的集装箱模拟了地下采矿隧道场景，利用氢气传感器探测得到了箱内的浓度分布。Ghatauray 等人考察了小型燃料电池外壳上不同通风口的设计，比较了普通矩形通风孔与百叶窗通风孔对周围气体浓度分布的影响。但高压氢气泄漏实验尺度受到安全性和经济性等多方面的限制，与实际事故情景还有较大的差距，数据的有效性还有待证实。3.2 高压氢气泄漏自燃研究有研究表明，61.98%的氢气燃爆事故找不到点火源，国内外学者普遍认为是发生了氢气自燃。但目前对氢气自燃的发生机理还存在较大争议。不同研究团队提出了多种可能的机理，包括：逆焦耳-汤姆逊效应、静电点火机理、扩散点火机理、瞬时绝热压缩机理和热表面点火机理等。然而，单一机理往往无法解释所有高压氢气泄漏自燃现象，因而其更可能是多个机理耦合作用的结果。近年来，高压氢气泄漏自燃成为了氢安全领域的研究热点。如Kim等人在矩形透明