液氢加氢站泄漏爆炸事故模拟及分析_王峰.pdf

安全技术收稿日期:2022-08-19液氢加氢站泄漏爆炸事故模拟及分析王峰1，俞华栋1，厉劲风2，苑文豪3，陈建业3(1 浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 311121;2 浙江省白马湖实验室有限公司，浙江 杭州 310000;3 华中科技大学，湖北 武汉 430000)摘要:目前，我国正建设大量加氢站为氢能汽车提供燃料，因此有必要评估加氢站的氢泄漏和爆炸风险。建立液氢泄漏的伪源模型，利用商业计算流体动力学软件 FLACS 针对液氢加氢站液氢泄漏进行综合后果评估，分析了风向对事故后果的影响。结果表明，液氢释放初期会呈现稠密气体特征;液氢泄漏后可燃云会在很短时间达到稳态，采用灵敏的检测装置紧急关阀十分重要;根据目前的加氢站构造，运输车的存在会导致严重的爆炸后果;不同风向下泄漏后果差别较大，除风向沿-Y 时，超压均会对控制室及室内人员造成极大危害。关键词:液氢;加氢站;泄漏;爆炸中图分类号:X928 7文献标志码:A文章编号:1007-7804(2023)01-0040-07doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2023.01.012Simulation and Analysis of Leakage and Explosion Accident inLiquid Hydrogen Hydrogenation StationWANG Feng1，YU Huadong1，LI Jinfeng2，YUAN Wenhao3，CHEN Jianye3(1 Zhejiang Provincial Energy Group Co，Ltd，Hangzhou 311121，China;2 Baima Lake Laboratory，Hangzhou 310000，China;3 Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430000，China)Abstract:At present，a large number of hydrogenation station are being built in China to provide fuel for hydrogen-poweredvehicles，so it is necessary to evaluate the risk of hydrogen leakage and explosion in hydrogenation station The pseudo-source model of liquid hydrogen leakage is established，and the comprehensive consequence evaluation of liquid hydrogenleakage in liquid hydrogen hydrogenation station is carried out by using commercial computational fluid dynamics softwareFLACS，and the influence of wind direction on accident consequence is analyzed The results show that liquid hydrogen willshow the characteristics of dense gas at the initial stage of release After the liquid hydrogen leaks，the combustible cloudwill reach a steady state in a short time，so it is very important to use sensitive detection device to close the valve urgentlyAccording to the current hydrogenation station structure，the existence of transport vehicles will lead to serious explosionconsequences The consequences of downward leakage of different winds are quite different Except when the wind directionis along-Y，overpressure will cause great harm to the control room and indoor personnelKey words:liquid hydrogen;hydrogenation station;leakage;explosion1前 言氢能作为一种新能源，具有能量密度高、无污染、不产生温室气体等优点，被认为是新世纪的重要二次能源，成为各国能源战略转移和研究的重点1。在氢能的众多应用领域中，汽车市场的应用规模最大，氢燃料电池汽车有环保和续航里程长的优势，在交通工具领域被视为新能源汽车的最终绿色解决方案。加氢站是燃料电池汽车最重要的基础设施之一，按储氢方式可分为高压气氢加氢站和液氢加氢站。相比于气氢加氢站，液氢加氢站具有能量密度高、长距离运输经济性佳、加氢站建设成本低、氢气纯度高等优点。但我国在加氢站建设与行业布局方面起步较晚，截至 2020 年所有建成的加氢第 41 卷第 1 期低 温 与 特 气Vol.41，No.12023 年 2 月Low Temperature and Specialty GasesFeb.，2023站都是高压气氢加氢站，暂无液氢加氢站，与国外约 1/3 的加氢站为液氢加氢站的现状呈现不同的发展特征和路线2。2021 年 5 月，我国发布了 3项关于液氢燃料储存和运输的国家标准3-5，并在11 月如期实施。这 3 项液氢国家标准的发布意义重大，必将推动液氢加氢站的蓬勃发展。此外国内首座商用液氢加氢站也在 2021 年于浙江省平湖市正式建成，这标志着我国加氢站建设进入一个新的阶段。在推进液氢加氢站发展的过程中，液氢的使用安全问题不容忽视。由于液氢储存温度低至 20 K左右，一旦发生泄漏容易造成严重的安全事故。一方面，液氢的低温特性会对站内设备和人员造成很大危害;另一方面，液氢蒸发形成的气氢可燃范围宽(4%75%)、扩散性强，很容易与空气混合形成较大可燃云团，极易发生爆炸事故，超压会对加氢站的设备和人员造成伤害。国内外关于液氢泄漏实验较少，其中 NASA6和 HSL7分别于 1980 年和 2010 年进行了液氢泄漏和扩散实验。鉴于实验难度大、危险系数高、成本高，大部分研究者采用数值计算的方式开展研究。Benson 等人8使用 FLACS CFD 模型研究了不同地面基底材料和风速下的液池大小和可燃距离。Tang 等人9基于多组分(氢、空气)相变三维CFD 模型，模拟了露天、车库和隧道场景下液氢泄漏的蒸发和扩散过程，分析了不同场景下氢气云的形态变化、持续时间和危害范围。Hansen10对液氢射流泄漏形成的准稳态云团进行了研究，发现低温云团在近场以稠密气体形式下降，在远场以轻气体形式上升。Giannissi 等人11在研究液氢射流泄漏时发现环境湿度及空气组分(氮气和氧气)的相变可以使云团更有浮力，可以显著降低可燃距离。在爆炸后果研究方面，FLACS 作为一个专业模拟气体扩散、燃烧和爆炸的软件，特别针对氢气扩散和爆炸对模型进行了修正，经过众多实验的验证，证实了该软件可以用于氢安全的研究12-13。李静媛等人14和何倩15使用 FLACS 软件分别对加氢站高压氢气和低温压缩氢气泄漏后的扩散和爆炸过程进行了模拟，研究了不同场景下的事故后果。根据目前已有研究，国内外对液氢泄漏过程的研究主要集中在大空间的扩散和热物理过程，针对实际液氢加氢站泄漏后果分析研究较少。本文建立了液氢泄漏模型，针对液氢加氢站利用 FLACS 软件模拟液氢泄漏和点火爆炸过程，并进行相关后果研究。2液氢加氢站结构及模型参数平湖加氢站南北长52 m，东西长41 m。选取加氢站西南角为坐标零点，以自西向东方向建立 X轴，自南向北方向建立 Y 轴，竖直向上方向建立 Z轴，计算域扩大为 90 m 100 m 16 m，以评估对周围环境的影响，几何模型如图 1 所示。图 1加氢站几何模型Fig 1Geometric model of hydrogenation station该加氢站内部主要建筑和设施包括控制室、箱变、液氢储罐、运输车、压缩机等，加氢站北有一道路。液氢储罐容积为 14 m3，储存压力 0 2 MPa。储罐与可移动传输管道之间的连接处泄漏风险最高，一旦发生泄漏会形成低温区域和可燃气云。如果可燃云区域遇到火源，就会造成严重的爆炸事故。假设泄漏位置位于罐体北面，高度为 1 2 m，泄漏沿 X轴负方向，等效孔径(D)为 20 mm。根据 FLACS 网格划分指导，在泄漏点附近需要对网格进行局部细化，特别是对于氢气泄漏，网格尺寸应 1 25 倍泄漏面积，在边界区域适当拉伸减少网格，以缩短运算时间16。由相关气象资料可知，平湖市年平均温度 16，环境风速取 5 5 m/s。取不同风向进行模拟，在所有流入和平行边界使用WIND 边界条件，其他边界使用 NOZZLE 边界条件。泄漏持续 100 s，为在泄漏前建立稳定风场，泄漏从5 s 开始至 105 s 结束。14第 1 期王峰，等:液氢加氢站泄漏爆炸事故模拟及分析3液氢泄漏模型建立及验证液氢在一定高度从储罐水平逸出后，从储存压力膨胀到环境压力，由于过热液氢会发生闪蒸，形成两相射流。液氢沸点低至 20 K 左右，低于氧和氮的凝固点，在与周围环境发生热交换时，空气会发生冷凝和凝固，该过程包括固液气三相的相互作用，现象十分复杂，期望通过 CFD 工具准确地模拟液态氢释放的近场动态是不现实的。FLACS 作为一个可压缩气相求解器，不能直接对两 相 射 流 进 行 模 拟。一 个 解 决 办 法 是 通 过FLASH 程序计算所有液滴蒸发时的射流参数，从而以给定的空气体积分数、射流直径、质量流量和温度在距离释放源一定距离处指定气体扩散的源项。但由于氢气具有逆焦耳 汤姆逊效应，FLASH 程序不能用于计算液氢的释放16，因此需建立一种伪源模型进行计算。根据储罐压力和出口孔径使用伯努利方程计算液氢出口质量流量如式(1)。m0=AC20(P0 Patm)(1)式中，P0为储存压力;Patm为环境压力;0为储存条件下液氢密度;A 为出口面积;m0为质量流量;C 为流量系数(一般取 0 62)17。如果储罐液体通过长管道释放到大气中，由于摩擦压力损失和管道传热引起的液氢蒸发会7 导致无法估算质量流量。采用等焓膨胀与 NIST 状态方程相结合，估计管道出口处闪蒸质量分数、计算出口速度如式(2)、(3)。m0h0=xm0hg+(1 x)m0h1(2)v0=xm0g+(1 x)m01A(3)式中，h0、hg、hl分别为储存压力下饱和液体焓、环境压力下饱和液体焓及饱和气体焓;x 为闪蒸质量分数;v0为出口速度;1和 g分别为环境压力下饱和液体密度和饱和气体密度。对于液氢水平射流，空气冷凝过程对流场影响很小，因此忽略空气冷凝，估算将剩余液氢蒸发所需的空气量如式(4)。(1 x)m0=mairCp(T Tsat)(4)式中，为液氢汽化潜热;mair为将剩余液氢蒸发所需的空气量;Cp是空气定压比热容;T和 Tsat分别为环境温度和环境压力下液氢饱和温度。假设动量守恒，夹带空气的伪源羽流速度和面积估算如式(5)、(6)，并定义在出口附近。vi=m0v0(m0+mair)(5)Ai=m0g+mair()airvi(6)式中，vi是伪源速度;Ai是伪源面积;air是空气密度。2010 年秋，英国健康和安全实验室(H