《韩国加氢站安全设计中的氢气泄漏与爆炸模拟》

本文来源：Simulation of hydrogen leak and explosion for the safetydesign of hydrogen fueling station in Korea

摘要

在过去的几十年里，氢一直被用作工业中的化学品和燃料。最近，在面临全球环境加速恶化（如二氧化碳排放）以及对有限化石资源枯竭的担忧等两个关键能源问题的时代，它作为有前途的绿色能源候选之一变得具有吸引力。许多加氢站正在建设中，为氢能车辆提供燃料。为了防止氢气泄漏和爆炸，必须确保加氢站设备和操作程序的安全：加氢站设施的安全设计。储罐加压氢气泄漏。一些研究集中在氢气从加压储罐或管道的一组孔中喷出的行为上。本工作的重点是使用商业计算流体动力学（CFD）工具FLACS，在给定一组压力（100、200、300、400bar）和一组氢气喷射孔尺寸（0.5、0.7、1.0 mm）的条件下，对加氢站氢气泄漏场景进行三维模拟。该仿真基于氢燃料加注的真实三维几何构型 在韩国商业运营的车站。用氢气射流实验数据验证了模拟结果，以检查泄漏氢气射流的扩散行为。最后，提出了一套燃料设施系统的边际安全配置，并分析了爆炸压力的分布特征、爆炸的方向性。这项工作有助于加氢站的边际氢安全设计，并有助于在韩国建立防止氢爆炸所需的安全距离标准，因为韩国没有这样的官方要求。

1.导言

氢是可再生和环境友好型能源载体的主要燃料。它可以同时减少一个国家对石油的依赖，并显著减少温室气体。氢作为运输燃料和发电。氢气可用于内燃机或燃料电池以产生功率。加氢站系统是燃料电池和燃料电池动力车辆商业化的关键桥头堡。Y.李等人。制定了有效的操作员培训计划，提供安全信息和公共关系，以便在加氢时更安全地使用氢气加氢站[1]采用验证加氢站模型安全性的风险评估技术来检验预防事故的安全措施[2]一些与加氢站安全相关的研究涉及氢气泄漏、爆炸、爆燃或爆震的扩散[3]和喷射火焰[4]来自加氢站。根据化工厂的事故统计，人为错误被确定为最常发生的错误[5]. 氢气由于其点火温度低、点火能量小、爆炸极限宽、燃烧速度快等特性而具有危险性。在密闭空间里，氢气和其他易燃气体一样危险。在开放空间中，由于浮力速度较高，氢气爆炸的概率低于在有限空间中发生的概率。当氢气参与燃烧时，它通过吸收空气中的热量而产生水蒸气。然而，氢气在燃烧过程中不会产生任何碳。因此，氢爆炸的辐射热明显较低[6]因此，在本研究中，选择加氢站的危险因素f或安全距离作为爆炸压力，而不是燃烧过程中产生的热流效应。本文旨在利用CFD程序FLACS[7]模拟泄漏氢气的扩散行为，并确定将加氢站爆炸事故造成的损害降至最低所需的安全距离用实验数据验证了加压氢气泄漏射流的模拟结果，并基于四种爆炸情景进行了加氢站设施安全距离识别的模拟。

2.氢气喷射蒸汽泄漏实验

高压氢气泄漏射流中氢气浓度分布的测量实验对防止加氢站氢气泄漏引起的点火等二次损害做出了重要贡献。Houfand She fer进行了低压大直径氢气泄漏实验[8，9]. 主要实验系统包括一个充满加压氢气的钢瓶和一套用于探测的采样器氢气射流浓度。钢瓶配有一个单出口泄漏孔（anorifice），排放到恒定的外部大气压力。5个采样器安装在距离泄漏点的水平距离处。实验系统m的示意图如图1所示实验工作的所有细节均参考先前的研究[10]. 用于探测氢气浓度的物理点沿着泄漏射流的中心线定位在距氢气瓶的一组水平距离处；1、3、5、7和9米。氢浓度由从5个探针点收集5个采样器。射流在0.5、0.7和1.0 mm的不同直径尺寸的出口泄漏孔以及100、200、300和400 bar的不同氢气瓶压力上进行了测试，因为大多数韩国加油站都使用压力为350 bar 的氢气瓶。激光粒子法用于可视化hydrogenjetstream的流动模式。氢气射流沿其中心线对称扩散。每次探头取样10秒。

图1 实验系统。

3.泄漏氢气射流的模拟与验证

在先前的研究中，使用FLUENT对氢气泄漏射流的扩散行为进行了模拟[10] 在这项工作中，使用FLACS进行了相同的模拟，因为本研究的主要目的之一是确定氢气爆炸时的安全距离，FLACS是一种设计用于模拟泄漏和爆炸行为的CFD工具，用于计算释放射流中高压氢气的浓度分布。模拟结果用实验数据进行了验证，并与先前研究的结果进行了比较[10]. 在使用FLACS模拟泄漏氢气射流之前，应在FLACS环境中建立几何构型，如图2所示.

图2 泄漏氢模拟的三维几何结构图

图3显示了在一组氢气瓶压力下，出口泄漏孔直0.5 mm的条件下的流出物、FLACS和实验数据的一组模拟结果； 分 别 为 100,200,300 和 400bar 。 图 3揭示了氢射流在径向上分散，因为它的浓度随着距 离 变 得 更 远 的 氢 气 瓶 整 套 测 试 的 不 同 压 力 。此 外 图 3结果表明，

图3 模拟结果验证

在5 m的距离范围内，模拟结果与实验数据吻合良好，误差在5%以内，因为氢气射流的动量控制了其在该范围内的扩散。在超过5m的距离范围内，由于氢气的扩散不再受动量的支配，而是受风、空气阻力、重力等许多其他因素的支配，模拟结果与实验结果之间的误差趋于增加。总体而言，使用FLACS的模拟结果可以被认为是可靠的。

图4 氢燃料站2D设施间距离布置图。

4.加氢站安全距离仿真

安全距离被定义为主要设施和人们居住的建筑物之间的距离。每个国家都有自己的自己的安全距离标准。这项工作采用了日本针对氢风险的标准安全距 离 ， 因 为 这 在 韩 国 是 不 可 用 的 。 它 被 定 义 为 允 许 爆 破 压 力 为125gf/cm2（0.1226 bar）的距离，前提是它不会对企业周围造成任何人员伤害或任何财产损失（轻微损失除外）。为了确定加氢站的安全距离，在给定加氢站设施布局的情况下，进行了基于爆炸场景的动态模拟。利用FLACS计算了爆炸情况下的氢气爆炸压力分布曲线，通过FLACS提供了爆炸压力分布特性的信息

图5 氢燃料站三维几何布局。

几何设施配置，以及爆炸的方向性和发展。

韩国一个加氢站的二维布局如图4所示. 根据发生爆炸的设施和有（无）防护墙，爆炸场景包括以下四种

情况

情景一：储罐发生爆炸

场景2：生产设施发生爆炸。场景3：分配器发生爆炸

场景4：带保护墙的分配器

图5 显示了带有几何映射和网格的加氢站的三维几何布局。

基于图5中的三维布局每个场景的爆炸参数列表如表1所示.

图6 各情景下爆炸压力的瞬态变化

对于每种情况，根据爆破压力的代表性列表建立一组监测点。图6显示了每种情况下爆炸压力随时间的变化。在每种情况下，y轴表示相对于指定大气的相对表压爆炸开始时y轴上为0。四种情况下的瞬态压力表现出一种振荡，范围从负表压到正表压，然后以大气压结束。压力峰值时间的二维和三维爆炸压力曲线（从图6收集））对于图7中给出的每个场景和8，分别。为了指出爆炸压力分布高于最小允许爆炸压力的危险区域，0.122 bar代表前面定义的所需安全距离，高于0.122 bar被设置为在图7中以不同的颜色集 合可视化和8. 第二种情景代表爆炸发生在生产设施中，显示了四种情景中爆炸膨胀空间最小的，因为生产设施含有少量氢气。场景3（图8）和4（图9）是是否安装了防护墙。在场景4中，保护墙充当了防止爆炸膨胀的物理载体。然而，如果墙壁上的爆炸压力高于保护性墙壁材料的可承受压力，墙壁将被拆除，因此爆炸将穿过墙壁。因此，除了安全距离之外，保护壁的可承受压力是另一个安全因素。表2显示了从瞬态爆炸压力剖面获得的最大可膨胀安全距离。从图9 给出了各种场景的最大可扩展爆炸距离，总体结论和一些建议总结如下：

场景1：

U从制氢设施扩展的爆炸压力剖面exc eeds 0.122 bar范围内径向2.4 m。

U储氢罐的配置应距离当前位置5 m 制氢设施..

场景2：U制氢设施爆炸压力分布不会影响其他设施，因为少量氢气占据制氢设施。

.场景3：U源自分配器的爆炸膨胀既没有到达储氢罐，也没有到达制氢设施。对操作控制室有影响。

.场景4：

U保护墙和操作控制室的最大压力分别为0.2307和0.2793 bar。防护墙和控制室应另外保持距离分配器2 m的距离，因为防护墙和控制室由混凝土制成，没有钢筋，可以承受0.2巴。

图7 场景二维仿真结果

图8 场景的三维仿真结果。

图9 在氢气爆炸情况下的最大可膨胀距离

5.结束语

由于氢气爆炸是加氢站设施配置安全设计中高度优先的主要安全因素之一，因此使用商业CFD工具FLACS进行了两个模拟：泄漏氢气射流的扩散行为和加氢站中设施间的最小安全距离。我们采用了实际的韩国加氢站和日本官方标准的安全距离。用前人研究的实验数据验证了前人的模拟10]这显示了应用于一般高压泄漏氢气射流的可能性。在后一种模拟中，基于四种氢气爆炸情景，我们可以建议商业加氢站的边际氢气安全设施配置。总体而言，这项工作为韩国在缺乏此类标准的情况下制定官方氢安全距离以及加氢站的边际氢安全设计做出了重要贡献，能够在较低的建设成本和较高的安全性之间保持合理的平衡。