船用储氢罐氢气泄漏燃烧爆炸数值模拟

摘"要： 氢作为可再生能源，清洁环保、利用率高且来源广泛，但氢气易燃易爆的高风险性使其难以拓展应用，以位于内陆河的氢燃料电池船为例，使用PHAST、FLACS软件建立35 MPa储氢罐体模型并进行CFD模拟与数值分析，以泄漏位置、泄漏孔径、温度和压力等变量作为主要计算条件，模拟船舶停靠及加注过程中的潜在危险场景，对事故进行分析，通过二维与三维结合的方式得出氢气泄漏、爆炸和热辐射事故的影响范围，并在此基础上提出降低风险的具体措施，对未来氢燃料电池船储氢罐与船用加氢站安全管理提供重要参考.

关键词： 氢气泄漏；储氢罐；CFD

中图分类号：TK91"""文献标志码：A"""""文章编号：1673-4807（2024）04-001-08

Research Institute， China Classification Society， Shanghai 200135， China）

Abstract：As a renewable energy source， hydrogen is clean， environmentally friendly， highly utilized and widely available. However， the high risk of hydrogen flammability and explosion makes it difficult to expand its application. Taking the hydrogen fuel cell ship located on the inland river bank as an example， the 35 MPa hydrogen storage tank model is established by using PHAST and FLACS software， and CFD simulation and numerical analysis are carried out. Taking variables such as leakage location， leakage aperture， temperature and pressure as the main calculation conditions， the potential dangerous scenarios in the process of ship docking and filling are simulated， and the accidents are analyzed. The influence range of hydrogen leakage， explosion and thermal radiation accidents is obtained by combining two-dimensional and three-dimensional methods. On this basis， specific measures to reduce risks are proposed to provide important reference for the safety management of hydrogen storage tanks and marine hydrogen refueling stations on hydrogen fuel cell ships in the future.

Key words：hydrogen leakage， hydrogen storage tanks， CFD

近年来，由于化石燃料的过度使用环境污染问题日益增加，能源需求转变势在必行，转向以太阳能、生物质能、风能和氢能为主的可再生能源.氢是目前唯一一种零排放的燃料，是公认的清洁能源，具有清洁、燃烧性好和运输方便等特点［1］，以氢燃料电池为代表的氢能源与船舶的结合也越来越紧密［2］.

目前国内外学者对氢气泄漏事故的研究方式主要集中于数值模拟与实验［3］，但考虑到氢气实验的危险性与较高的成本，数值模拟是研究氢气事故的主要选择.文献［4］利用PHAST软件对氢气与天然气输送管道进行泄漏扩散模拟分析，确定了二维视图下气体扩散及爆炸的事故范围；文献［5］使用Hy-KoRAM和PHASTamp;Safeti软件，确定氢气泄漏爆炸辐射热和火焰长度的损害范围和影响；文献［6］基于FLACS和实验对比，分析了泄露方向、风速等对氢燃料动力船岸基式加注过程中气体泄漏扩散的影响.基于CFD数值模拟所建立的计算模型可以更为直观的展现氢气事故的风险场景，并且可以根据氢气泄漏、爆炸和热辐射过程中的初始压力、泄漏孔径、泄漏位置以及环境因素的差异建立不同的事故场景［7］.

文中以位于内陆河的氢燃料电池船为研究对象，利用PHAST与FLACS软件的交叉分析对船用储氢罐氢气泄漏扩散、燃烧火焰辐射和爆炸超压进行了数值模拟，首先建立船体及储氢罐的几何模型，模拟氢气泄漏位置，进一步根据氢气扩散浓度分布确定点火位置，模拟喷射火热辐射与爆炸超压，最后根据数值计算的泄漏扩散范围、热辐射损伤与爆炸超压数值对事故后果进行分析，通过二维与三维结合的方式更加深入的了解氢气泄漏事故所造成的伤害与影响范围.

1"计算模型与理论方法

1.1"CFD模型建立

氢燃料电池船侧视如图1.该船是一艘单层底、单甲板、设尾部单机、设35 MPa储氢罐、前驾驶、机驾合一的全钢结构焊接船，其线型采用“V”型折角线型，阻力小、航速快.在内部布置装饰上采用新材料、新工艺，力求豪华、美观、实用相结合.在性能上力求稳性好，操舵方便、噪音低，救生、消防均符合规范的要求.同时兼顾外形美观且性能优良.保障船采用氢燃料电池电力驱动，动力模块由两台最大输出功率55 kW、转速1 000 r/min的推进电机组成.高压储氢罐位于船尾甲板，便于氢气加注与人员检修，由多个独立的罐体组成.表1为详细的设计参数.

氢气泄漏可分为稳态泄漏与瞬态泄漏［3］.稳态泄漏常发生于大容量低压容器，具有泄漏速度低、持续时间长和不易被发现等特点.瞬态泄漏常发生于高压容器的破裂与损坏，表现为泄漏速度极快，持续时间极短，且发生时难以控制，若泄漏范围内有点火源还易发生燃烧和爆炸［8］.由于保障船的储氢罐均为35 MPa的高压容器，文中主要研究瞬态泄漏的事故场景.造成储氢罐瞬态泄漏的主要原因可能为船员日常维护不当、加注过程操作不当、船体间碰撞以及自然灾害等外界因素，综合考虑以上因素，设置船舶停靠加注时存在的危险场景.基于FLACS软件1∶1模拟事故三维场景，总体计算域尺寸为100 m（X轴）×90 m（Y轴）×20 m（Z轴），研究氢气泄漏事故并设置点火源.船舶加注场景如图2.

从计算准确性以及计算精确度考虑，文中设置氢燃料成分为100%氢气，气体检测区域为100 m×90 m×20 m；在考虑风速对氢气泄漏扩散影响时，将左右两侧边界XHI与ZLO设置为NOZZLE出口边界，剩余四边界均设置为WIND，设置风向沿X轴正方向，坐标为（1，0，0）；对于氢气泄漏以及喷射火焰事故，计算流体域采用渐变网格划分方法，泄漏点附近网格需要局部加密并且最小网格面积必须大于泄漏孔面积，远处区域需进行网格拉伸，加密网格与普通网格边界处需进行平滑处理，相邻网格尺寸差不超过50%，船体结构物与加注站结构物厚度须大于对应网格尺寸的0.5倍，否则计算时气体扩散将不能识别出障碍物.因此，确定氢气泄漏处局部加密最小网格尺寸为0.5 m，总体网格数量为60万；对于氢气气体爆炸事故，计算精度要求较高，计算域网格需均匀划分［9］，总体网格数量达100万，网格划分域如图3、4.

1.2"泄漏扩散模型

判断氢气泄漏过程是否满足理想气体方程，可以根据泄漏出口压力大小判断，当泄漏出口压力等于储氢罐内的临界压力时表现为瞬态泄漏［10］，即符合式（1）条件，泄漏可视为超音速流动，氢气泄漏速度等于氢气的局部声速［3］.

p0p≤2k+1kk－1（1）

式中：p0为环境压力；p为储氢罐体压力；k为气体绝热系数取值1.4；此时储氢罐体泄漏的质量流量可以使用式（2）计算：

Q=CdAPMkRT2k+1k+1k－1（2）

式中：Q为质量流量；Cd为泄漏形状系数，文中设定泄漏口为圆形且直径为20 mm故取值1；A为泄漏口面积；P为大气压强;Mk为气体的摩尔质量，文中研究对象为氢气，故取值为0.002 kg/mol；R为气体常数，取值为8.314 J/（mol·K）；T为泄漏气体温度，单位为开氏度（K）.

基于PHAST软件考虑瞬时泄漏时，氢气在短时间内迅速泄漏聚集形成大范围的云团，考虑为瞬时泄漏应选用烟团模型（Puff Model）计算，其浓度分布为：

c（x，y，z）=M（2π）23σxσyσzexp－（x－ut）22σx2×

exp－y22σy2exp－（z－H）22σz2+exp－（z+H）22σz2（3）

式中：c为云团中相应点的浓度；M为泄漏气体的总质量；u为环境风速；t为泄漏时间；H为云团高度；σx、σy、σz分别为坐标轴x、y、z方向上的扩散系数.

1.3"燃烧爆炸模型

在火灾事故中，火焰的主要形式为喷射火、闪火与球火，其中闪火、球火影响范围较小，喷射火焰影响范围最大，因此选择喷射火焰为计算模型考虑最危险的工况.其中喷射火焰的喷射距离公式、辐射强度、大气投射系数计算分别为：

L=HcQ0.444161.66（4）

I=I0υτ（5）

τ=log14.4N－0.108k－0.13（6）

式中：L为火焰喷射距离；Hc为火焰燃烧热值；Q为火焰质量流速；I为辐射强度；I0为燃烧源热辐射强度；υ为方向系数；τ为环境投射系数；N为环境湿度；k为火焰辐射到物体的距离.

在PHAST软件中，TNT当量爆炸模型应用较广，且模拟的爆炸超压数值较为准确，便于事故后果分析.TNT爆炸当量为：

WTNT=aBWfQfQTNT（7）

式中：WTNT为TNT当量；a为爆炸系数；B为对应的TNT当量系数，其取值范围为0.02%～14.9%；Wf为氢气蒸气云的总质量；Qf为氢气的热值；QTNT为TNT的爆炸热值.

爆炸距离的影响距离d计算为：

d=0.396 71/3TNT×exp［3.5－0.724（InΔP）+

0.04（InΔP）2］（8）

式中：d为爆炸事故的影响距离；ΔP为爆炸超压数值.

1.4"边界条件与分析方法

在此次计算中，设置环境压力与环境温度分别为1个标准大气压强和300 K（27 ℃），详细环境参数见表2.重力加速度设置为9.8 m/s2，方向垂直向下.

文中主要着重于甲板尾部储氢罐体的瞬态泄漏，关注船舶停靠加注时的意外事故、罐体老化和风浪颠簸下罐体间的摩擦碰撞.在上述情况下，考虑最危险的泄漏位置与泄漏方向，在泄漏范围内设置点火源与观测点，记录点火燃烧爆炸下的瞬时压力.根据公式（1，2）计算得出氢气泄漏质量流量为0.016 4 kg/s.将所得参数与CFD计算模型导入FLACS，模拟氢气的瞬态泄漏、扩散、燃烧和爆炸.采用定量风险分析方法（图5），该方法常用于评估潜在的危险风险，主要流程包括场景的建模、危害性的鉴定、事故情景分析、后果分析以及风险评估.

2"事故模拟分析

FLACS软件是基于计算流体动力学CFD的三维计算工具，主要运用于气体扩散、燃烧爆炸，可以模拟出事故第一现场，并且可以根据地理环境、气象因素定量的分析事故后果［11］；PHAST为综合性的事故后果分析软件，可以通过导入卫星地图，带入计算结果直观的展现事故影响范围［12］.

2.1"泄漏扩散分析

氢气具有高泄露性与扩散倾向，且点燃、爆炸浓度范围较广为4%～75%［13］，与传统燃料相比事故风险更高.船用储氢罐位于甲板尾部紧邻乘员室与驾驶室，向下连接输送管道与燃料电池舱室.船舶长期行驶，设备老化、维护不当是常见的问题，振动、碰撞、雨水腐蚀都会对储氢罐体造成破坏，极易造成氢气泄漏事故，带来严重后果.

模拟船舶在停靠加注时，发生侧泄事故，定义泄漏口径为20 mm，泄漏方向为+X方向，泄漏高程为2 m，详细泄漏参数见表3，设置泄漏位置与观测点如图6.

图7为泄漏时间t为1、27、35、47 s时氢气的扩散范围与浓度分布，模拟显示泄漏发生后，氢气迅速向加注亭扩散，由于建筑的阻塞氢气在加注亭下聚集，并继续向高处扩散，当氢气到达软件设置的高程后还有明显向上扩散的趋势.

当氢气泄漏发生于建筑下方时容易聚集，不利于气体的自然消散以及云团浓度的降低.观测点浓度变化如图8，其中观测点3处的浓度数值起伏较大，对比观测点1、2可以看出氢气向高处聚集的速度较快，且消散速度较慢.基于FLACS中模拟出的结果，于PHAST中分别设置1、3 m为观察高度来具体分析氢气浓度变化，结果如图9.

可以看出，氢气于3 m处聚集的浓度更高且扩散的距离越远，设置泄漏方向指向岸边，通过二维卫星地图（图10）与云团侧视图（图11）可以更加直观地观察氢气泄漏的影响范围.

由计算结果可知当泄漏方向指向城区时，存在较大风险性，以氢气最低点燃爆炸极限4%浓度为边界，此次泄漏事故所影响最大顺风距离为65 m（对应高度4 m）、最大影响高度为6.7 m（对应顺风距离45 m）.

2.2"燃烧爆炸分析

当泄漏事故发生时，遇到火源便会发生喷射火焰事故，燃烧产生热辐射，在一定范围内对人、建筑都会造成极大的伤害，文中选择使用范围较广的热通量准则对事故后果进行分析，热通量准则是以燃烧热辐射值作为衡量数值，当热辐射值大于伤害临界值时，目标受到伤害［14］，热通量临界值如表4.

通过FLACS、PHAST软件，在泄漏正方向处设置点火源，模拟氢气遇到火源发生火灾事故，CFD模拟结果与数值关系分别于图12，13.从图12可以看出氢气燃烧辐射范围与椭圆形相似，随着影响范围的扩大辐射强度逐渐减少，在距离泄漏位置10 m至20 m处为热辐射中心区域，热辐射强度较高.

根据表4与图13，得到喷射火热辐射影响范围如表5.综合分析可知，喷射火辐射强度范围随着辐射数值的降低由椭圆形逐渐转为圆形.在距离泄漏源20 m处达到了热辐射的极值16 kW·m-2，为12.5～25 kW·m-2间的危险区，其影响范围趋于长轴为3.5 m、短轴为1 m的椭圆，在危险区内，建筑、设备若处于长时间的辐射，会造成一定损伤，当人处于该区域10 s以上便会出现不同程度的烧伤.在4～12.5 kW·m-2的轻伤区，影响范围趋于半径为8 m的圆形，在此范围内，建筑设备基本不受辐射影响，人处于该区域10 s以上会有不同程度的灼痛感.当辐射强度小于4 kW·m-2时对建筑、设备、人员都无伤害.

当泄漏浓度达到氢气爆炸下限的4%后，氢气泄漏蒸气云团遇到火源会发生爆炸，带动周围空气剧烈振动形成冲击波，对爆炸范围内的建筑、设备、人员造成超压伤害［15］.爆炸超压准则如表6.

爆炸事故模拟、观测点压力变化如图14、15，在点火源处为爆炸中心，影响范围趋于圆形，爆炸结束后中心区域由于氧气的剧烈消耗，导致局部压强呈现负值.

氢气爆炸超压范围如图16，结合表6的超压准则与CFD模拟结果得出本计算氢气爆炸事故的伤害范围，如表7.

由计算结果可知，爆炸影响范围趋于圆形，随着爆炸超压数值的不断减少，影响范围不断扩大，以计算0.02 MPa最大超压数值为例，其5 m伤害半径区域内结构大规模破坏，人员直接死亡.按照伤害准则考虑，最低超压0.002 MPa的影响半径达66 m，在此范围内人员都会遭受不同程度的伤害.对比火焰辐射，爆炸造成的伤害更严重，影响的范围更广.

3"结论

（1） 船用35 MPa、总体积2 m3的储氢罐组，在20 mm泄漏孔径下，以氢气最低点燃爆炸极限4%为边界，泄漏事故所影响最大顺风距离为65 m（对应高度4 m）、最大影响高度为6.7 m（对应顺风距离45 m）；于泄漏位置正方向5 m处设置点火源，火焰辐射趋于半径8 m的圆形范围，在此范围内建筑、设备、人会受到不同程度的伤害；按照爆炸伤害准则临界超压值0.002 MPa考虑，其影响半径达66 m，在此范围内人员都会遭受不同程度的伤害.对比泄漏、火灾事故，爆炸造成的伤害更严重，影响的范围更广.

（2） 储氢罐组应使用低密度格栅板框架构建，便于保持罐体间良好的透气性、稳定性也可防止罐体间的碰撞挤压变形导致的泄漏问题，同时在罐体外部设置检测仪器，以便于随时检测环境氢气浓度和罐体中氢气的储存状态.

（3） 加氢站内严禁火源，且加注亭顶部应设计为空洞式，当氢气泄漏事故发生时，防止氢气于聚集，便于氢气迅速消散，同时根据氢气向上扩散的特点在2 m以上的高度也应该设置氢气浓度传感器，便于第一时间发现泄漏事故.

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（责任编辑：贡洪殿）