风速对氢燃料电池汽车氢气紧急泄放安全性的影响.pdf

消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防理论研究风速对氢燃料电池汽车氢气紧急泄放安全性的影响刘洪永1,2,3,范围宇1,2,3,宋霏1,2,3,颜晗1,2,3（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 江苏省城市地下空间火灾防护重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）摘要：氢燃料电池汽车在遇到紧急事故时，会进行紧急泄氢处理，目前需要对氢能汽车紧急泄氢的安全性进行研究。为研究氢能汽车在事故中紧急泄放氢气的泄放特征以及迎向风风速的影响，采用 Fluent建立了开放空间风速对氢能汽车泄放氢气影响的计算模型，分析氢气扩散规律及氢气可爆区域和警戒区域的发展。氢能汽车在开放空间紧急泄气时，迎向风风速越大，氢气可爆云团的最大体积和稳定体积越小，达到最大体积和稳定体积所需时间越少；氢气水平警戒区域和正向警戒区域大小随风速增加而减小，形状受风速影响而改变；停止泄放后，可爆云团会迅速扩散消失。关键词：氢能汽车；氢气泄放；气体扩散；数值模拟中图分类号：X913.4；TM912 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1027-05近年来，氢能被公认为理想的清洁能源，北京冬奥会示范运营氢燃料电池汽车超过 1 000辆1，为氢能的示范应用提供了世界级舞台。国家发改委发布了 氢能产业发展中长期规划（2021-2025），规划中提到氢能产业是未来我国能源体系的重要组成部分，是实现绿色低碳转型的重要载体，也是战略性新兴产业和未来产业的重点发展对象。氢燃料电池汽车（以下简称“氢能汽车”）将实现大量生产和应用，因此，对氢能汽车安全性的研究刻不容缓。然而，自氢能源发展以来，涉氢安全事故屡有发生，该类事故发生的主要原因是氢气泄漏遇高温明火而导致爆炸、燃爆，氢能汽车被人们视为“移动炸弹”。氢能汽车在遇到紧急事故时会进行紧急泄氢处理，而这一行为更会被人们质疑其安全可靠性。因此，需要针对氢能汽车紧急泄放氢气的安全性进行系统研究，以确定是否存在安全隐患。与传统燃油汽车相比，氢能汽车多了供氢系统，供氢系统可以分为 4种工况2，分别为加氢工况、供氢工况、正常泄放工况和非正常泄放工况。其中非正常泄放工况是指氢能汽车在行驶过程中出现故障，为防止车辆故障时高压储氢瓶因高温、碰撞等原因发生爆炸，在车辆的储氢瓶组设有一个温度控制阀，该阀门会在温度过高时自动打开，车辆在遇紧急情况时氢气会通过紧急泄气口3主动泄放。氢气的密度仅为空气的 1/14，在空气中极易扩散，且爆炸的极限范围较大，所需最小点火能极低4，易受风的影响，排放出的氢气受浮力和扩散的影响会迅速上浮，形成范围较大的氢气气团，与空气混合形成爆炸性混合物，遇到火花等引火源极易发生爆炸。氢能汽车本就易发生泄漏事故、射流火焰事故、蒸气云爆炸事故和闪火事故，而主动泄放氢气的处置安全性是否有保障，目前的研究还较少。研究储氢装置氢气泄漏过程，可以验证氢能汽车主动泄氢的安全性，也有利于了解此类事故的发展特征及影响。2010 年，英国安全研究所在大空间内完成了运输车上的低温氢气泄漏扩散试验与点火试验，发现空气因为低温氢气而凝结，形成固态空气和固态氧气，得出该场景下可爆氢云扩散的最长距离5-6；2016 年，凡双玉等7进行了小规模的液氢倾倒泄漏试验；2020年，段强领等8通过管道内氢气泄漏自燃试验，研究管道内障碍物对高压氢泄漏自燃特性的影响。由于可燃气体泄漏具有高危险性，国内外学者研究此类问题时常采用数值模拟的方法。流体力学领域的主要数值模拟软件有 Fluent、COMSOL和 FLACS 等。李云浩等9利用 Fluent 模拟了车库内氢气的连续性泄漏，得出了车库横梁及其间距和自然通风对氢气泄漏扩散的影响；MAO X B 等10利用 Fluent建立氢燃料电池船氢气泄漏模型，得到了不同的隔室的情形下氢气浓度分布随泄漏时间的变化规律；张春燕等11利用 Fluent 建立低压密闭容器氢气燃爆模型，得到最大爆炸压力和最大压力上升速率与初始低压的关系；KAZUO M12分析研究了半封闭空间中自然通风对氢气扩散的影响；BAUWENS C R 等13通过改变仓库尺寸和泄漏速率，模拟了氢气在大型仓库内泄漏后的浓度分布。大部分研究者对氢气泄漏扩散的研究主要针对受限空间14和被动泄漏扩散，且研究尺度与车辆的实际情况差别较大。氢能汽车在紧急状况下泄放氢气的行为虽减少了高压储氢瓶的爆炸危险性，但主动泄放的氢气若遇明火或摩擦极易发生燃爆，同时风速会直接影响氢气气团的分布15，并且开放空间内氧气供给充足，主动泄放氢气有造成更大面积燃爆事故的风险。本文使用 Fluent软件建立开放空间下氢能汽车泄放模型，通过模拟仿真分析研究迎向风对氢气主动泄放过程中的扩散特征、爆炸危险范围和氢气浓度分布的影响，得出不同风速条件下的泄氢危险时间和范围，验证氢能汽车紧急泄放氢气的安全性，并提出更加完善的安全处置建议。基金项目：国家电网有限公司科技项目资助（5400-202355235A-1-1-ZN）1027Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.81模型及参数设计1.1模型设计以某品牌氢燃料电池公交车为研究对象，长 8.65 m、宽 2.50 m、高 3.30 m。车上装备 4 个 35 MPa 型碳纤维高压储氢瓶，总储气容积 140 L，理论储氢量 3.9 kg，气瓶垂直于轴线并列置于车顶。设有 2 个管径为 0.02 m 的紧急泄气口，位于车体左右两侧，车辆遇紧急事故时氢气通过紧急泄气口向上排空，如图 1所示。氢气泄放速率较快，氢气受浮力影响向车体上方扩散，即使受风速的影响，风速远小于氢气泄放速度，因此氢气的主要流动方向还是向上流动。车体形状对氢气泄放影响较小，故将计算模型中车体形状简化为六面体。1.2流体控制方程此过程为开放空间的稳态泄漏扩散模拟，工况相对简单，对各种湍流模型进行对比分析后，选择工程应用中使用最为广泛的标准k湍流模型和组分输运模型。1.3参数设计（1）环境条件设置。环境压力设置为 101 325 Pa、环境温度设置为 25。（2）模拟边界条件。模拟计算的入口边界条件选择氢气泄气口的压力入口，模拟计算的出口边界条件选择计算区域的压力出口，其余边界均设置为绝热无滑移壁面，泄漏扩散过程忽略化学反应和相态变化；监测点设置在氢气泄漏口上方 0.2 m处。（3）氢气泄漏速率。高压储气罐气体泄漏瞬间，若出口处气流总压与出口处静压比值大于 1.893（Ma=1 时出口总静压比值）时，出口处气流只能加速到 1 倍当地声速（Ma=1）。根据总静温关系和马赫数16-17定义可求得氢气理论泄放速度为 317.27 m/s，考虑到气体泄漏过程中储气罐内气体密度逐渐减小，且 2 个泄漏口同时泄气，则单个泄漏口气体泄漏速度取 79.32 m/s，经计算可得氢气泄放时间为 220 s。（4）模拟工况设置。汽车行驶过程中会受到迎车方向风的作用，模拟时设定汽车静止，设置不同的迎向风速。风速选择常见的一级、二级、三级、四级和五级风，其风速分别为 1、3、5、7、9 m/s。1.4计算区域及网格划分计算区域选择50.0 m 22.5 m 20.0 m的空间，模拟开放空间的氢气泄放扩散情况。氢气泄漏时间根据氢气瓶的容积计算取 220 s，220 s后停止泄放。故模拟时间设为 250 s。网格设置参考焦明宇18对于网格独立性检验的研究，在开放空间条件下的氢气泄放问题，网格的数量不影响氢气浓度的变化趋势。因此利用 Workbench 中的 ANSYS Meshing，采用均匀网格划分方式对此模型进行网格划分，共计 232 780个网格。2模拟结果分析2.1氢气泄漏扩散云团氢 气 的 爆 炸 极 限 范 围 为 4%74%。根 据 GB/T 50493-2019 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准19第 5.5.2 条，可燃气体的一级报警设定值应小于或等于 25%的爆炸下限，因此将氢气体积分数大于等于 0.01的区域认定为氢气积聚区。氢能汽车在紧急泄放时 2 个泄气口同时泄气，形成 2个云团。由于氢气密度为 0.089 g/L，仅为空气的 1/14，氢气泄漏到空气中后会快速向上扩散，迎向风的影响使氢气进一步扩散，所以并不会形成较大范围的高浓度氢气云团。泄气过程中氢气体积分数大于 0.74的部分集中于泄漏口附近，且影响范围极小。根据氢气的爆炸极限，将氢气体积分数0.04 部分设为可爆云团，氢气体积分数0.01 的部分为警戒区域，氢气可爆云团和警戒云团整体向下风向发展。2.2下风侧可爆云团体积发展可爆云团最大体积和稳定体积随风速变化如图 2 所示，可爆云团最大体积和稳定体积到达时间随风速变化如图 3所示。不同风速条件下，泄气初始阶段的氢气云团体积均出现突然上升，原因是瓶内的高压使氢气从泄放口喷出，此时氢气可爆云团体积变化较为明显，风速的影响不足以稀释泄放的氢气。因此可爆云团在泄漏初始阶段某一时刻达到最大体积，气团最大体积与风速存在一定关系，风速为 1 m/s 时可爆云团最大体积出现在 18 s，体积为 0.395 m；风速为 3 m/s时可爆云团最大体积出现在 17 s，体积为 0.140 m；风速为 5、7、9 m/s时可爆云团最大体积出现在 2 s，体积分别为 0.076、0.060、0.058 m。综上数据分析，结合图 2、图 3 可以看出，氢气泄漏过程中可爆云团最大体积的出现时间随迎向风风速的增大而逐渐提前，当风速小于 5 m/s 时，较小的风力无法立即将泄放出的氢气稀释至爆炸下限以下，在一段时间内，泄漏的氢气量大于稀释的氢气量，使得处于爆炸极限范围内的氢气体积不断增加；当风速大于 5 m/s，风力的影响逐渐增大，可爆云团均在 2 s 内达到最大；可爆云团的最大体积随迎向风风速的增大而逐渐减小，减小趋势逐渐降低。氢气泄放一段时间后可爆云团会趋于稳定，此时空电动机燃料电池双泄气口高压储氢瓶图 1氢燃料电池汽车的氢能装置布置示意图Fig.1Schematic diagram of the layout of hydrogen energy devices for hydrogen fuel cell vehicles1028消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期气的稀释作用与泄漏的氢气量处于平衡状态，可爆气团的体积维持在某一数值附近。风速为 1 m/s时，氢气泄放100 s后可爆云团体积稳定在 0.341 m左右；风速为 3 m/s时，氢气泄放 74 s 后可爆云团体积稳定在 0.117 m左右；风速为 5 m/s 时，氢气泄放 61 s 后可爆云团体积稳定在0.067 m左右；风速为 7 m/s时，氢气泄放 52 s后可爆云团体积稳定在 0.040 m左右；风速为 9 m/s时，氢气泄放 36 s后可爆云团体积稳定在 0.029 m左右。同最大体积出现情况类似，稳定体积出现时间随迎向风风速的增加而逐渐提前，风速的增加使空气的稀释作用增加，可爆云团难以维持较大的体积，稳定体积的大小随迎向风风速的增大而逐渐减小。氢气停止泄放后可爆云团会迅速减小，各风速情况下均只需 2 s可爆云团便会完全扩散。2.3车体上方氢气体积分数变化不同风速车体附近氢气体积分数如图 4所示。由图 4可以看出，氢气泄放过程中车体上方氢气体积分数的变化，与可爆云团的体积变化类似，在泄放初始阶段，氢气的体积分数变化波动较大，随后逐渐趋于稳定，在氢气停止泄放后立即减小为 0；风速为 1、3、5、7 m/s时，氢气的体积分数峰值较为接近，而当风速达到 9 m/s 时，其峰值明显减小。这是因为当迎向风风速达到一定值时，其对氢气产生的作用和氢气由于与空气密度差产生的上升浮力对氢气云团产生明显影响，增加了氢气的扩散稀释；稳定状态下，氢气体积分数在风速为 3 m/s和 5 m/s时最大，7 m/s 和 9 m/s 次之，风速为 1 m/s 时最小。虽然风速为 1 m/s时可爆云团体积最大，但整体来看此时氢气体积分数较低。2.4氢气警戒区域最大截面积图 5、图 6 显示氢气范围为其体积分数大于 0.01 部分的水平和正向最大截面，认为该区域为氢气泄漏警戒区域。由于存在两个紧急泄漏口，所以警戒区域整体分为两部分。风速为 1 m/s时，水平警戒区域两部分发展较为独立且影响范围大部分处于泄漏口下风处；风速为 3 m/s时两部分逐渐向车体中央靠近，车体两侧影响范围逐渐减小，这是因为车体中央氢气浓度为左右两部分叠加，所以该区域氢气浓度会较高于车体两侧。风速达到 5 m/s后，水平警戒区域向车体中央发展的同时还向泄漏口前部发展，这是因为氢气密度仅为空气的 1/14，扩散时两泄漏口中部气体密度降低，气流在两泄漏口之间形成扰流使该区域氢气不会完全随风向扩散，最终导致警戒区域分布在两泄漏口之间，且上风侧与下风侧均有分布。风速为 7 m/s 和 9 m/s 时其分布形状与 5 m/s 类似，影响范围随风速增大而减小。随着风速的不断增加，警戒区域的气体云团体积不断减小。从图 6可以看出，风速为 1 m/s时正向警戒区域自泄漏口呈气球状发展，风速达到 3 m/s后警戒区域向车顶靠近，形状呈圆形或半圆形。随着风速的增加，正向警戒区域形状基本不再变化，影响范围逐渐减小。由此可以看出，在氢气进行紧急泄放时，可以通过外部手段提高泄放区域的风速来减小氢气云团的最大体积和稳定体积，并使车体附近氢气气团的影响范围减小，避免气团向上大范围扩散，减小燃爆风险。模拟结果与 SHIRVILL L C 等20的不同口径的氢气管道喷射扩散试验进行对比发现氢气扩散规律一致，并参考了 GIANNISSI S G 等21的研究，将氢气扩散的试验风速/m/s1 3 5 7 9 11氢气可爆气团体积/m30.400.350.300.250.200.150.100.050.00最大体积稳定体积图 2可爆云团最大体积和稳定体积随风速变化Fig.2The maximum and stable volume of combustible gases varies with wind speed风速/m/s1 3 5 7 9 11到达时间/s100806040200最大体积稳定体积图 3可爆云团最大体积和稳定体积到达时间随风速变化Fig.3The arrival time of the maximum volume and stable volume of the combustible gas group varies with the wind speed时间/s0 50 100 150 200 2500.1200.0960.0720.0480.0240.000风速/m/s97531氢气体积分数时间/s50 100 150 200 2501 m/s3 m/s5 m/s7 m/s9 m/s体积分数图 4不同风速车体附近氢气体积分数Fig.4The hydrogen volume fraction near the body of the vehicle with different wind speeds1029Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8结果与数值模拟方法进行对比，确定了模拟模型的可靠性，其中就包括本文使用的k-模型，因此可以确定本文进行模拟试验的模型的可靠性。李雪芳22通过透射式纹影系统观测氢气泄漏试验，并运用 PLRS技术测量氢气浓度。此试验环境同为开放空间，因此参考该试验结果，再次确定了此次模拟试验的可靠性。3氢能汽车紧急泄氢安全性分析根据模拟结果分析可得出几条完善氢能汽车紧急泄氢功能及在紧急泄氢时对事故处置的建议。（1）根据氢气警戒区域最大截面可以得出不同风速下车身爆炸危险区域，见表 1。若需在该区域进行事故处理，应做好安全防爆措施。（2）氢气水平警戒区域、正向警戒区域以及车身爆炸危险区域大小随风速增加而减小，水平警戒区域形状在风速达 5 m/s 后发生变化，正向警戒区域在风速达 3 m/s后逐渐向车顶靠近；出现事故时可根据当时风速或采用外部手段减小可爆区域范围，避免处理事故过程中发生燃爆。氢能汽车紧急泄放时，若车体无法停止或有必要向其他区域转移，车速应尽量保持 18 km/h以上。（3）氢气泄放完毕后，各风速条件下可爆云团均会在2 s内扩散完毕，体积减小为 0 m。实际情况中可根据储氢瓶容量算得泄气所需时间，待扩散完毕后车体周围变为安全状态。（4）有风条件下氢能汽车的紧急泄放安全风险较小。为了更进一步提高氢能汽车紧急泄放的安全性，可在车体紧急泄放口附近安装风速探测器，数据实时上传信息中心，紧急救援时救援人员可以迅速得到风速情况，制定合理的救援对策与方案，以保证氢能汽车使用人员和周遭人员人身财产安全。4结 论（1）氢能汽车在开放空间紧急泄氢时，氢气扩散速度快，不会形成较大氢气云团，警戒云团随风向下风向发展，应注重车体下风侧的安全问题。（2）泄氢过程中氢气可爆云团体积较小，且会在一定时间后处于稳定，风速越大，可爆云团体积越小。（3）氢气水平警戒区域、正向警戒区域以及车身爆炸危险区域大小随风速增加而减小。最大警戒区域在风速1 m/s时出现，为车顶上方距车体 1.1 m 高度以下，沿车身方向距车头 1.03.6 m，车体两侧距车体 0.6 m范围内。参考文献：1 赵子垚.北京冬奥会,氢能交通成亮点J.汽车纵横,2022,12(3):13-15.2 李春,邹阳.燃料电池汽车碰撞后技术要求及测试方法研究J.专用汽车,2022,(11):75-79.3 王晓蕾,马建新,邬敏忠,等.燃料电池汽车的氢安全问题J.中国科技论文在线,2008,3(5):365-369.（a）1 m/s0 1 2 3 4 5 6141312111098（b）3 m/s0 1 2 3 4 5 6141312111098（c）5 m/s0 1 2 3 4 5 6141312111098（d）7 m/s0 1 2 3 4 5 6141312111098（e）9 m/s0 1 2 3 4 5 61413121110980.040 00.030 00.020 00.010 0H2体积分数y/mx/my/mx/my/mx/my/mx/my/mx/m图 5不同风速氢气水平警戒区域Fig.5Hydrogen horizontal alert area with different wind speeds65432108 9 10 11 12 13 1465432108 9 10 11 12 13 1465432108 9 10 11 12 13 1465432108 9 10 11 12 13 1465432108 9 10 11 12 13 140.040 00.030 00.020 00.010 0H2体积分数（a）1 m/s（b）3 m/s（c）5 m/s（d）7 m/s（e）9 m/sz/mz/mz/mz/mz/my/my/my/my/my/m图 6不同风速氢气正向警戒区域Fig.6Hydrogen forward alert area with different wind speeds表 1不同风速下氢能汽车车身爆炸危险区域Table 1Explosion hazard areas of hydrogen vehicle bodies at different wind speeds风速/m/s13579车身爆炸危险区域/m车顶上方（距车体）1.200.800.700.500.45沿车身方向（距车头）1.03.61.12.90.92.51.22.40.61.8车体两侧（距车体）0.600.300.250.220.201030消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期4 伍东,宋文华,张茹,等.火电厂氢气储罐火灾爆炸危险性分析J.消防科学与技术,2008,27(11):847-851.5 HALL J E,HOOKER P,WILLOUGHBY D.Ignited releases of liquid hydrogen:Safety considerations of thermal and overpressure 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Fei1,2,3 Yan Han1,2,3(1.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Fire Safety in Urban Underground Space,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;3.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China)Abstract:In the event of an emergency,a hydrogen fuel cell vehicle will actively discharge hydrogen.At present,research is needed on the safety of emergency hydrogen discharge from hydrogen fuel cell vehicles.To study the characteristics of emergency discharge of hydrogen fuel cell vehicles in open space and the influence of wind speed on them,Fluent software was used to establish a model of hydrogen fuel cell vehicles in open space,and the law of hydrogen diffusion and the development of hydrogen combustible areas and warning areas were analyzed.When hydrogen fuel cell vehicles is urgently deflated in the open space,the larger the wind speed facing the wind,the smaller the maximum volume and stable volume of the hydrogen explosion able cloud,and the less time it takes to reach the maximum volume and stable volume.The size of the hydrogen level warning area and the positive warning area decreases with the increase of the wind speed,and the shape is changed by the influence of the wind speed;after the release is stopped,the combustible gas will quickly spread and disappear.This conclusion can provide a basis for the safety verification of emergency hydrogen discharge by hydrogen fuel cell vehicles.Key words:hydrogen fuel cell vehicle;hydrogen discharge;gas diffusion;numerical simulation作者简介：刘洪永（1982-），男，山东潍坊人，中国矿业大学安全工程学院消防工程教学研究中心副主任，副教授，博士，主要从事电气防火与应急救援相关领域的教学科研工作，江苏省徐州市大学路 1 号中国矿业大学南湖校区矿业科学中心 A526-2，221116。通信作者：范围宇（1997-），男，中国矿业大学安全工程学院硕士研究生。收稿日期：2022-12-09（责任编辑：董里）1031