鄺 辰，劉 迪，楊 昊，于安峰，黨文義

(中石化青島安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

世界各國的能源發(fā)展均面臨著包括能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源安全供應(yīng)等方面的諸多挑戰(zhàn)。而氫能具有來源多樣、熱值高、無毒無污染等優(yōu)點，是推動可再生能源規(guī)模化發(fā)展的理想載體，在未來能源格局中占有重要地位。目前，氫能已被諸多發(fā)達國家列入能源發(fā)展戰(zhàn)略。同時，諸多世界知名能源企業(yè)也積極入局，推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

但值得注意的是，氫氣同時具有密度小、擴散系數(shù)大、點火溫度低、燃燒/爆炸范圍寬、層流火焰速度快等特點，易燃易爆。同時，氫氣分子容易穿透金屬/有機物發(fā)生泄漏，其泄漏燃爆安全問題尤為突出。近年來，各國相繼出現(xiàn)氫氣燃爆事故，涵蓋制-儲-運-加全產(chǎn)業(yè)鏈，造成嚴(yán)重的人員傷亡、財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。

中國石化將氫能作為新能源發(fā)展的核心業(yè)務(wù)，錨定建設(shè)“中國第一氫能公司”的目標(biāo)。本文在分析典型氫能燃爆事故的基礎(chǔ)上，對泄漏自燃、噴射火、云爆炸等典型氫能事故類型的前人研究進行綜述，并分析總結(jié)了當(dāng)前研究工作的不足之處，可為中國石化氫能產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 典型氫能燃爆事故及影響

1.1 美國北卡羅萊納州氫燃料工廠爆炸事故

2020年4月7日，美國北卡羅萊納州一家氫燃料工廠發(fā)生爆炸，造成工廠建筑和周邊大約60所房屋受損，經(jīng)濟損失數(shù)萬美元。

1.2 挪威奧斯陸加氫站爆炸事故

2019年6月10日，位于挪威奧斯陸的一所加氫站發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致附近車輛安全氣囊彈出，2名乘員受傷。事故原因為儲氫罐與管道之間的墊圈固定螺栓松動，在長期壓力震蕩作用下密封失效，氫氣泄漏形成可燃氣云并最終發(fā)生爆炸。事故導(dǎo)致豐田和現(xiàn)代汽車宣布停止在挪威銷售氫燃料電池汽車。加氫站的供應(yīng)商挪威氫能源技術(shù)公司Nel關(guān)閉挪威10多家站點。與此同時，其合作伙伴、加氫站運營商Uno-X也宣布暫停當(dāng)?shù)丶託浞?wù)。

1.3 美國氫氣長管拖車遇交通事故后泄漏起火

2001年5月1日，一輛載有16.6 MPa壓縮氫氣的長管拖車后部的管件和閥門在交通事故中發(fā)生損壞并造成氫氣泄漏起火。司機在事故中喪生，現(xiàn)場附近的5所房屋的居民被要求撤離，高速公路關(guān)閉超過12 h，直接經(jīng)濟損失超過15萬美元。

2 氫氣泄漏自燃行為

由上述事故案例可見，氫氣泄漏燃爆事故往往會帶來較大的人員傷亡、經(jīng)濟損失和社會影響。為探明高壓氫氣泄漏后的燃爆風(fēng)險，前人從泄漏自燃行為、噴射火行為、氣云爆炸行為等方面進行了廣泛的研究工作。

英國金斯頓大學(xué)開展的涉氫事故數(shù)據(jù)庫分析顯示，約60%的氫氣燃爆事故是未發(fā)現(xiàn)點火源的?，F(xiàn)在一般認為高壓氫氣泄漏自燃行為更可能是多種機理耦合作用的結(jié)果。

針對直管道中的自燃行為，Mogi的實驗研究發(fā)現(xiàn)高壓氫氣自燃的可能性隨管道長度的增加而增加，且自燃發(fā)生位置隨泄漏壓力的增加而逐漸提前。Golub的實驗研究指出，點火發(fā)生的必要條件為氫氣和空氣進行充分摻混，且摻混區(qū)域在此期間維持較高的溫度。Lee的實驗研究顯示，當(dāng)泄漏壓力足夠高時，氫氣泄漏可以在很短的管道內(nèi)發(fā)生自燃。

而對于長度較大的直管，Kitabayashi的實驗發(fā)現(xiàn)管道長度對氫氣自燃促進作用的臨界值為1.0～1.2 m。閆偉陽和Wang的實驗同樣得到了相似結(jié)論，但實驗發(fā)現(xiàn)的臨界值與Kitabayashi的結(jié)論有所區(qū)別。

Kaneko和Yamashita使用透明管道進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)泄漏的氫氣和空氣在管道壁面附近發(fā)生摻混并自燃。

弓亮發(fā)現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)改變處會發(fā)生強烈的激波反射現(xiàn)象，并顯著降低了氫氣自燃臨界泄漏壓力。

使用數(shù)值模擬手段可以研究氫氣泄漏自燃的精細化學(xué)/熱力學(xué)過程，與實驗研究有效互補。Golub和Bragin的數(shù)值模擬研究很好地印證了實驗結(jié)論，進一步揭示了管道邊界層對氫氣自燃的影響。Xu的數(shù)值模擬研究顯示高壓氫氣泄漏的激波形成、反射和相互作用行為與管道結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。周理的數(shù)值模擬顯示氫氣的初始壓力和初始溫度的升高都會極大程度地提高激波溫度，從而促進摻混和燃燒。

目前，前人研究普遍存在泄漏壓力較低(最高壓力多為10 MPa左右)、管徑多為厘米級(對微小孔徑泄漏自燃行為研究不足)、臨界泄漏壓力轉(zhuǎn)折管路長度結(jié)論不統(tǒng)一、自燃發(fā)生及火焰演化行為的化學(xué)反應(yīng)機制缺少實驗研究、數(shù)值模擬結(jié)果可靠性缺乏驗證等問題，且氫氣泄漏自燃的根本原因及影響機理尚不明確。

3 氫氣噴射火行為

如氫氣泄漏自燃并在下游管道內(nèi)形成完整火焰(或在管外被點燃)，就容易形成氫氣噴射火。高壓氫氣噴射火具有溫度高、輻射強等特點，極易引起人員傷亡和設(shè)備損傷。根據(jù)其泄漏狀態(tài)的不同，氫氣噴射火可分為亞聲速噴射火和欠膨脹射流噴射火兩種。

Becker、Delichatsios等人對氫氣火焰長度進行了表征，并建立預(yù)測模型。模型在一定泄漏速度范圍內(nèi)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測氫氣噴射火長度，但對欠膨脹火焰長度的預(yù)測效果較差。Schefer測量了大型垂直氫氣噴射火焰的形態(tài)，驗證了Delichatsios基于低壓亞音速和阻塞流射流火焰的預(yù)測模型和尺度效應(yīng)的適用性。

然而，基于較低壓力等級實驗得到的火焰長度模型可能并不能準(zhǔn)確表征高壓欠膨脹氫氣噴射火。Proust開展了高至90 MPa的高壓氫氣噴射火實驗，并建立了火焰形態(tài)和熱力學(xué)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)庫。Molkov提出了一種綜合考慮弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)和馬赫數(shù)影響的無量綱火焰長度預(yù)測方法。

除實驗研究外，前人還針對氫氣噴射火進行了一系列數(shù)值模擬工作，其主要研究點為氫氣噴射火輻射特性與相關(guān)模型的建立。Brennan針對高壓氫氣噴射火進行了大渦模擬，探究了湍流長度尺度和湍流強度等控制參數(shù)對火焰形態(tài)模擬結(jié)果的影響。付佳佳對亞聲速氫噴射火進行了大渦模擬。Consalvi開發(fā)了預(yù)測欠膨脹噴射火輻射行為數(shù)值計算模型。Cirrone的數(shù)值模擬研究較好地復(fù)現(xiàn)了Proust的實驗結(jié)果。

目前，針對高壓氫噴射火的研究大多將噴嘴形狀設(shè)置為圓形，與真實情況的高壓儲氫設(shè)備泄漏口形狀存在差別。同時，數(shù)值模擬研究相對較少，且數(shù)值計算模型欠成熟、完備，模型適用范圍受限，且缺乏實驗驗證。

4 氫氣云團爆炸行為

氫氣發(fā)生泄漏與空氣摻混形成可燃氣云，在延遲點火的作用下，易發(fā)生爆炸事故。Inaba基于實驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值計算模型的可靠性，建立了氫氣云團爆炸事故后果的預(yù)測方法。Groethe進行了300 m半球形氫氣云團爆炸實驗(圖1)，揭示了障礙物對氣云爆炸的火焰加速作用。Garcia基于HySafe的10 m半徑氫氣云團爆炸實驗進行了數(shù)值驗證工作。Kim的實驗研究顯示，火焰的不穩(wěn)定會增強氫氣云團的爆炸超壓，并建立了預(yù)測模型。Molkov、Edelia和Tolias基于耦合火焰不穩(wěn)定性的燃燒速率模型，對氫氣云團爆炸超壓進行了量化。

圖1 障礙物對氫氣云團爆炸火焰加速作用實驗

與國外實驗工作相比，國內(nèi)針對氫氣云團爆炸行為的研究工作較為缺乏。李艷超基于爆炸實驗建立了耦合火焰自加速傳播的超壓預(yù)測模型。蒲亮基于聲學(xué)理論提出了預(yù)測氫氣云團爆炸的代數(shù)模型。在數(shù)值模擬方面，李靜媛模擬了加氫站高壓儲氫罐發(fā)生泄漏爆炸事故的場景，并揭示了環(huán)境擁塞度和環(huán)境風(fēng)速對爆炸危害的影響作用。劉自亮模擬了埋地輸氫管道的泄漏爆炸事故后果，量化了爆炸危險區(qū)域與泄漏孔徑、輸氫壓力和環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)系。姜楠建立了氫氣云團最大爆炸超壓模型。鮑麒針對實驗中用于約束氣體云團的薄膜對云團爆炸的影響開展了數(shù)值模擬工作，并提出了氫氣云團爆炸實驗的建議薄膜材料。

與國外開展的實驗研究工作相比，國內(nèi)針對氫氣云爆炸的實驗研究規(guī)模相對較小，可能并不適用于真實情景下的氫氣云團爆炸事故。而由于相關(guān)的大尺度野外實驗數(shù)據(jù)仍非常缺乏，數(shù)值模擬的計算結(jié)果無法得到有效驗證。

5 結(jié)論與展望

由前文可見，前人針對泄漏自燃、噴射火和云團爆炸等幾種高壓氫氣泄漏后的典型燃爆災(zāi)害已經(jīng)進行了較為廣泛的實驗和數(shù)值模擬研究工作，但仍存在一定不足之處。

a) 大部分泄漏自燃實驗壓力較小(<10 MPa)，且并未考慮初始泄漏溫度對泄漏自燃行為的影響，可能無法反映高壓臨氫場所發(fā)生氫氣泄漏事故時的自燃行為。

b) 氫氣噴射火相關(guān)實驗研究多數(shù)并未考慮泄漏口形狀的影響，且針對火焰精細結(jié)構(gòu)的研究相對較少。

c) 氫氣云團爆炸研究缺乏大尺度的野外實驗，數(shù)值模擬結(jié)果缺乏數(shù)據(jù)支撐。

因此，科研人員應(yīng)在后續(xù)實驗研究中提升壓力等級及尺度，并同時綜合考慮溫度等其他因素的影響，從而令實驗結(jié)果能夠盡可能反映高壓臨氫場所燃爆災(zāi)害真實情況，并為數(shù)值模擬模型的建立和修正提供理論和數(shù)據(jù)支撐。此外應(yīng)將基礎(chǔ)研究與氫能產(chǎn)業(yè)實際場景相結(jié)合，重點針對事故后果及風(fēng)險評估、高壓氫安全泄放技術(shù)等方向開展研究工作。