汽车加氢站雷击事故后果模拟分析

秦 健 林 涛

〔1 中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室 重庆 401147;2 重庆市气象安全技术中心 重庆 401147〕

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一[1],以燃料电池为代表的氢能开发利用技术取得重大突破,为实现零排放的能源利用提供重要解决方案。近年来,氢能应用场景日渐丰富,交通领域应用规模稳步提升,加氢站建设明显提速。目前我国已累计建成汽车加氢站超过250座,约占全球数量的40%,数量位居世界第一。如果雷击加氢站的储氢压力容器导致氢气泄漏,氢气的理化性质决定了发生火灾、爆炸危险程度较高,往往造成重大的人员伤亡和财产损失,影响社会安全稳定。因此,对汽车加氢站雷击事故后果进行模拟分析,有助于辨识雷击事故风险,可采取针对性风险防控措施。

路世昌等[2]对氢气长管拖车集装管束火灾爆炸风险进行了评估,苗香溢[3]研究了制氢站氢气储罐火灾危险,姜荣宾[4]对加氢反应器火灾爆炸事故进行了分析。对于雷击引起加氢站储氢压力容器泄漏造成火灾、爆炸事故的后果模拟分析还较少报道。本文分析了雷击引起储氢压力容器破裂,氢气泄漏的危险性,利用喷射火模型和蒸气云爆炸模型对加氢站储氢压力容器雷击火灾爆炸事故后果进行了模拟计算,得到发生火灾和爆炸的死亡半径、重伤半径和轻伤半径。

1 加氢站储氢压力容器雷电危险性分析

雷击储氢压力容器产生的能量由3部分组成：金属熔汽化需要的能量、金属板热辐射的能量、金属自身传导的能量[5]。假定雷击电荷Q=200C、电压降ua,c=30 V时,钢板熔化穿孔厚度约为4～12 mm,然而雷电属于多脉冲放电,其电流、电压、频率等变化非常复杂,雷击电流、电压远远大于假定值[6]。因此,雷电可能击穿储氢压力容器,导致火灾、爆炸事故发生。

本文只考虑雷电流产生的能量全部作用于金属熔化,则金属受热熔化的最大体积可按式(1)计算[7]：

(1)

式中：V为被熔化金属的体积,m3;Ua,c为阳极或阴极表面的电压降,取30 V;Q为雷电流的电荷,取200 C;γ为被熔化金属的密度,取7 700 kg/m3;Cw为热容量,取469[J/(kg·K)];θs为熔化温度,取1 530 ℃;θu为环境温度,取30 ℃;Cs为熔化潜热,取272×103J/kg。

2 加氢站雷击火灾爆炸事故模型

2.1 储氢压力容器火灾模型

储氢压力容器雷击发生破裂,泄漏量与其泄漏速度有关。通过计算热辐射的不同入射通量确定对设备及人员所造成的损失。

2.1.1 储氢压力容器氢气泄漏速度

储氢压力容器被雷击穿孔后,加压的氢气泄漏形成射流,在泄漏裂口处被点燃形成喷射火,氢气泄漏量首先需要判断气体泄漏的流动属于音速还是亚音速。

(2)

式中：Po为大气环境压力,kPa;P为储氢压力容器内的氢气压力,MPa;k为气体的绝热指数;Y为气体膨胀因子。

氢气泄漏速度按公式(3)计算：

(3)

式中：Q0为泄漏速度,kg/s;Y为气体膨胀因子,其值取1.00;Cd为气体泄漏系数,裂口形状为圆形时取1.00;A为泄漏面积,m2;ρ为氢气密度,当温度30 ℃,储氢容器压力P=35 MPa时,ρ其值取22.99 kg/m3;M为相对分子质量,其值取2;k为气体的绝热指数,取1.41;R为气体常数,其值取8.314 J/(mol·K);T为环境温度,其值取303 K。

2.1.2 热辐射强度

点热源的热辐射通量为[8]：

q=ηQ0Hc[8]

(4)

式中：q为点热源辐射能量,W;η为效率因子;Qo为氢气泄漏速度,kg/s;Hc为氢气燃烧热,J/kg。

射流轴线上某点热源i到距离该点r处一点的热辐射强度计算见式(5)[2]：

(5)

式中：Ii为点热源i至目标点x处的热辐射强度,W /m2;q为点热源辐射通量,W;λ为辐射率;r为点热源到目标点的水平距离,m。

2.1.3 伤害损失

将式(5)进行变换,可以得出火灾半径公式(6)[2],结合表1的入射通量损失阈值得到相应的伤害区域,如表1所示。

表1 热辐射的不同入射通量对设备及人员所造成的损失

(6)

2.2 储氢压力容器蒸气云爆炸模型

蒸气云爆炸模型采用TNT当量法[9],再结合超压-冲量准则预测蒸气云爆炸伤害范围。

2.2.1 蒸气云爆炸总能量

蒸气云爆炸总能量由式(7)计算[2]：

E=αAVfHc

(7)

式中：α为地面爆炸系数,取1.8;A为可燃气体蒸气云的当量系数,取0.04;Vf为储氢压力容器内气体体积m3;Hc为氢气燃烧热,取13 000 kJ/m3。

2.2.2 蒸气云爆炸当量

蒸气云TNT当量由式(8)计算[2]：

WTNT=E/QTNT

(8)

式中：WTNT为蒸气云TNT当量,kg;E为爆炸总能量,kJ;QTNT为TNT爆炸热,取4 520 kJ/kg。

2.2.3 爆炸冲击波超压伤害范围

人体的耳膜、肺等器官最容易受到冲击波伤害[10]。以耳膜、肺受到伤害的概率为标准(见表2),结合氢气爆炸释放能量折合相同能量的TNT炸药量,从而得到冲击波超压伤害范围。

表2 爆炸冲击波导致的区域内人员伤害的评估标准

(1)死亡区范围

(9)

式中,WTNT为蒸气云TNT当量,kg。

(2)重伤和轻伤区范围

蒸气云爆炸冲击波超压△P按式(10)计算：

ΔP=P/P0

(10)

比例距离Z按式(11)计算[2]：

ΔP=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.091

(11)

超压引起的伤害半径R按式(12)计算：

(12)

式中：R为目标到蒸气云中心距离,m;Z为比例距离,m/kg1/3;P0为大气环境压力KPa;E为蒸气云爆炸总能量,kJ。

3 实例模拟分析

某加氢站有2台储氢压力容器,每台容积50 m3,事故预测超压35 MPa、温度30 ℃,大气环境压力取重庆夏季平均气压100 kPa。

3.1 泄漏火灾模拟计算

首先判断氢气泄漏流动速度与音速的关系：

式中：k为气体的绝热指数,即定压比热容Cp与定容比热容Cv之比,氢气k=1.41;Po为大气环境压力,取重庆夏季平均气压10×104Pa;P为储氢容器氢气压力,取值35×106Pa。

根据计算结果,氢气泄漏为音速流动,则流出系数Y=1.0。根据式(1),储氢压力容器受热熔化的体积V=7.987 9×10-7。

假设雷电流击穿储氢压力容器的形状为圆形,综合考虑储氢压力容器壁厚设计、腐蚀和工艺余量,储氢压力容器壁厚H值设为0.03 m,泄漏面积：

3.2 蒸气云爆炸模拟计算

3.2.1 蒸气云爆炸总能量和爆炸当量

蒸气云爆炸总能量由式(7)得到E=93 600 kJ,由式(8)得到WTNT=20.708 kg。

3.2.2 爆炸冲击波超压伤害范围

(1)死亡区伤害范围由式(9)得到R=3.24 m。

(2)重伤和轻伤区伤害范围。由式(10)得到重伤区蒸气云爆炸冲击波超压：△P=44 000/100 000=0.44,轻伤区蒸气云爆炸冲击波超压：△P=17 000/100 000=0.17。由式(11)求得重伤区Z=0.994,轻伤区Z=1.545。由式(12)求得重伤半径R=31.16 m、轻伤半径R=48.43 m。储氢压力容器因雷击泄漏的爆炸破坏范围见表3。

表3 氢气储罐破裂发生爆炸伤害范围

4 结 论

运用喷射火模型和蒸气云爆炸模型对储氢压力容器遭受雷击泄漏氢气引起火灾爆炸事故结果进行了模拟计算和分析。结果表明：储氢压力容器发生喷射火时致死区、重伤区、轻伤区、危险区分别为1.585,1.941,2.745,4.853 m;发生爆炸的死亡、重伤、轻伤半径较大,分别为3.24,31.16,48.43 m。从伤害半径数据可以推断雷击储氢压力容器均可能造成严重的事故后果。加氢站在日常运营中需要保持防雷装置良好的工作状态,加强重大危险源的风险管控。