氢内燃发电机组爆炸性气体环境分析

摘要：氢内燃发电机组是重要的氢能发电设备，但氢气的使用给机组的安全运行带来额外风险。同时，考虑设备增效降本的需求，科学合理的爆炸性危险区域划分将为零部件选型、控制系统设置和操作流程规划提供指导性意见。有必要对机组箱体内氢气泄漏及通风进行量化，结合安全控制逻辑和特定操作流程，确认机组内部的危险区域等级，避免大量使用防爆部件，降低设备成本。

关键词：氢内燃发电机组；爆炸性气体；爆炸性危险区域；氢气；环境；风险

中图分类号：TM314 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.018

Analysis of Explosive Gas Environment for Hydrogen Internal Combustion Generator Sets

TANG Rongbin， CHRISTIAN Zurnstein， LI Xuejun， YU Fei

（DEUTZ （Beijing） Engine Co.， Ltd.， Beijing 100004， China）

Abstract： Hydrogen internal combustion generator sets are important hydrogen power generation equipment， but the use of hydrogen poses additional risks to the safe operation of the units. At the same time， considering the need for equipment efficiency and cost reduction， a scientifically reasonable division of explosive hazardous areas will provide guidance for component selection， control system settings， and operation process planning. It is necessary to quantify the hydrogen leakage and ventilation inside the unit casing， and combines safety control logic and specific operating procedures to confirm the level of hazardous areas inside the unit， thus avoiding the extensive use of explosion-proof components， and reducing equipment costs.

Keywords： hydrogen internal combustion generator set; explosive gases; explosive hazardous areas; hydrogen gas; environment; risk

氢气是一种清洁、可再生的二次能源，在能源转型和减少碳排放的背景下，氢气可以替代传统化石燃料，减少对环境的污染和对气候变化的影响。随着技术的进步和产业的发展，氢气在碳减排和碳中和中的作用将更加突出。内燃发电机组作为重要的电力设备，在应急电源、分布式能源站和热电联供设施等应用场景扮演重要的角色。随着我国碳达峰碳中和目标的提出，加上能源安全与转型的需要，氢内燃发电机组的应用不仅可以解决化石能源替代问题，也可通过绿色能源制氢、发电支撑新型电力系统的建设。氢气属于易燃易爆气体，爆炸极限为4.0%～75.6%，无论以何种方式使用氢气，应重点考虑设备用氢安全。有必要对氢气泄漏及通风进行定量分析，划分发电机组内部的爆炸性危险区域，为机组控制策略制定、电气设备选型和操作规程编制提供指导。

1 氢内燃发电机组概况

1.1 机组性能参数

爆炸性气体环境分析选用的氢内燃发电机组型号为HW 150 DE5 15 MC14HS，由道依茨（北京）发动机有限公司生产，燃料为氢气，尾气排放执行欧洲汽车尾气排放的第五代标准。发电机组主要由氢气内燃机、发电机、控制器、启动电瓶、配电箱、供氢系统和安全系统等组成，性能参数如表1所示。发电机组采用静音式设计，满足室外露天安装需求。箱体采用隔声、耐火材料，满足二级防火要求。箱体设置2个独立空间，分别设置发电机组及控制配电柜，以确保任何区域可能发生的氢气泄漏不影响其他区域。供氢系统采用面板设计，安装在发电机箱体外部。

1.2 机组主要配置

发动机采用道依茨（北京）发动机有限公司生产的氢气内燃机（排量7.8 L），它采用稀薄燃烧、废气再循环和高效后处理等先进技术手段，实现较高的热效率、极低的污染物排放和二氧化碳的零排放。内燃机的设计、零部件选型、材料选择和加工制造均满足往复式内燃机防火要求。供氢系统安装于箱体外部，供氢压力为3.0 MPa，最大质量流量为3.5 g/s。系统配备手动截止阀、过滤器、应急切断阀、压力传感器、单向阀和稳压器。管路同时设置安全释放阀及放空阀，在超压及应急情况下释放管路压力，避免管路及附件损坏。氢气供应系统如图1所示。

通风系统采用3种通风方式，即自然通风、停机排风和冷却通风。停机时，机组通过机箱侧壁和顶部开口进行自然通风。机组通电状态下，机箱顶部强制排风机对机箱内部进行强制通风。发电机运行阶段，内燃机的散热风扇对机箱内部进行强制通风。安全控制通过发电机控制器实现，除发电机的常规控制外，它还肩负可燃气体探测系统、通风系统、阀门遥控系统和监测报警系统的控制，耦合功能控制与安全控制可以确保发电机组在不同状态下的安全。

2 爆炸性气体环境初步分类

经风险源识别，氢内燃发电机组的最大爆炸风险源为氢气的非正常使用，导致氢气泄漏。氢气的爆炸下限为4%（体积分数），对应的浓度约为3.4 g/m3，发电机箱体容积为8 m3，当箱体内氢气泄漏量达到27.2 g且通风不良时，箱体内尤其是箱体顶部形成爆炸性气体环境。

依据爆炸性气体混合物出现的频率和爆炸性气体环境持续的时间，通常将爆炸性气体环境划分为0区、1区和2区[1-5]。近年来，国外已开展采取定量概念划分爆炸性危险区域的研究，假设一年中存在爆炸性气体混合物，根据气体混合物浓度介于爆炸极限范围的频率来划分爆炸性危险区域。一年按10 000 h考虑，近似计算爆炸性气体混合物持续时间的出现频率，如表2所示[6]。

氢气供应系统管路采用316L不锈钢无缝管，管路及附件连接形式为卡套连接。设备正常运行时，氢气不会释放，仅在管路出现损坏时偶尔释放，且安全控制系统可实时监测设备的异常，确保任何异常工况将被及时发现并切断氢气供应。设备内部释放源可定义为二级，供气系统区域及箱体内部爆炸性气体环境定义为2区。

3 爆炸性危险区域分析

3.1 释放速率

首先，确认气体释放是否被节流。管路内部的氢气压力大于临界压力时，释放速率计算应选择带有节流速度的气体，反之选择不带节流速度的气体[7]。采用式（1）计算氢气临界压力。经计算，氢气临界压力为1.9×105 Pa。

（1）

式中：pc为氢气临界压力，Pa；p0为大气压力，取1.01×105 Pa；γ为绝热膨胀多变指数，氢气取1.41。

当气体带有节流速度时，采用式（2）计算氢气的释放速率[7]。管路压力大于氢气临界压力时，采用带节流速度的气体进行计算，气体泄漏的释放速率为6.3×10-5 kg/s。发电机停机时，供气管内压力通过放散管泄放至大气，管内压力为大气压力，小于氢气临界压力，使用带节流速度的气体，计算气体泄漏释放速率，因管内外压力相同，泄漏释放速率为0 kg/s。

（2）

式中：为质量G的气体在时间t内释放的速率，kg/s；S为氢气释放的通孔横截面积（表面积），取值为3.4×10-8 m2；p为氢气内的压力，取值为3×106 Pa；

M为氢气分子质量，取值为2 kg/kmol；R为通用气体常数，取值为8 314 J/（kmol·K）；T为氢气温度，取值为293 K。

3.2 通风等级及有效性

通风等级通常定义为高级、中级和低级3种，通风有效性通常划分成良好、一般和差3个等级[7]。为确定假设体积，要计算若将释放的氢气浓度稀释到爆炸下限浓度的最小通风速率。最小通风速率采用式（3）估算[8]，爆炸性危险区域的假设体积采用式（4）计算[7]。

（3）

（4）

式中：为体积V的新鲜空气在时间t内的最小流速，m3/s；为释放源的最大释放速率，kg/s；k为适用于爆炸下限的安全系数，二级释放源取0.5；L为爆炸下限，对应的氢气浓度约为

3.4 g/m3；Vz为爆炸性危险区域的假设体积，m3；f为通风效率，机箱内部取1；C为单位时间内空气置换的次数，s-1。

发电机组箱体内释放源被定义为二级释放源，安全系数为0.5，通风效率为1，采用发动机风扇换气，空气置换次数为0.42。经计算，新鲜空气的最小体积流量为1.26×10-6 m3/s，假设体积为3.02×10-6 m3，远小于0.1 m3，因此通风等级可评定为高级。同时，发动机风扇通过齿轮与发动机曲轴连接，机组工作时，通风连续存在，通风有效性可评定为良好。

3.3 估算爆炸性危险环境持续的时间

氢气停止释放后，采用式（5）计算氢气浓度从初始值X0下降到n倍爆炸下限的所需时间[9]。以体积分数计，特殊时刻特殊位置可燃气体的初始浓度可能为100%。经计算，爆炸性危险环境持续时间为9.78 s，

满足2区的持续时间定义。

（5）

式中：tn为氢气浓度从初始值X0降低到n倍爆炸下限需要的时间，s；X0为氢气初始浓度，g/m3。

3.4 爆炸性危险区域的确认

经计算，假设体积Vz减小到忽略不计。由于Vz小于0.1 m3，对释放源和考虑区域来说，通风等级可以视作高级。通风与设备间采用机械连接，设备运行期间可以获得持续的通风，通风有效性为良好。爆炸性环境持续时间短暂，可以满足2区定义。因此，机箱内区域可评定为2区，即非危险区[7]。

4 结论

定量分析结果显示，虽然箱体内部存在二级释放源，但潜在的释放速率较低，通风等级高，爆炸危险环境持续时间短。经评估，箱体内区域可定义为

2区（非危险场所），爆炸性气体环境不会大量出现，电气设备的结构、安装和使用不需要采取专门的预防措施。同时，控制系统应对设备运行参数、氢气供应参数以及氢气泄漏进行实时监测，并可及时触发报警、切断和联锁通风等安全措施。要充分排查可能的泄漏源和点火源，制定合理的应急管理方案，明确应急操作流程，保证人员及设备安全。

参考文献

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5 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.爆炸危险环境电力装置设计规范：GB 50058—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

6 IEC.Explosive atmospheres - part 10-1：classification of areas - explosive gas atmospheres：corrigendum 1：IEC 60079-10-1/COR1：2021[S].Geneva：IEC，2021.

7 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.爆炸性环境 第14部分：场所分类 爆炸性气体环境：GB 3836.14—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

8 顾保虎.爆炸性气体环境场所释放源释放半径及区域类型的分析计算[J].电气防爆，2019（5）：34-39.

9 钟为华.阳离子染料可染PET装置第三组分合成单元的火灾防爆区划分[J].聚酯工业，2009（2）：26-28.