提高加氢站的安全性：氢气爆炸危险的计算分析
本文来源：Enhancing safety in hydrogen refuelling stations: Computational analysis of hydrogen explosion hazards
摘要
本文旨在加强对加氢站氢气爆炸的理解，并使用计算流体动力学模拟评估相关风险因素。首先根据氢气分散和爆炸的测量数据对模型进行验证。然后对不同的场景进行建模，以了解点火正时和位置。该研究估计了可接受的距离，以最大限度地减少爆炸事件造成的资产损失和人员伤害。已经发现，较高的风速会导致泄漏过程中释放的氢气更快、更广泛地扩散。此外，由于强风可以作为冲击波的强大驱动力，因此发现爆炸的影响较小。有趣的是，将点火源移至氢浓度较高的区域对超压和温度的影响很小;然而，堵塞率会显着放大超压。研究发现，包括储藏室在内的高堵塞情况，以及压缩机向地面泄漏等大量易燃云的情况，危害最高。这些发现将为加氢站各个区域的火灾和爆炸预防提供有价值的见解，并有助于更安全的氢基础设施建设。
1 引言
目前，化石燃料满足了世界不断增长的能源需求的大部分[1、2];然而，由于温室气体排放增加、臭氧层消耗、酸雨和其他环境污染，它们对环境构成了重大风险。[3]由于严重依赖其贸易而导致的能源价格波动是与对化石燃料的依赖相关的另一个挑战。为了产生可持续的能源供应和改善生活环境，大规模开发和采用可再生能源资源至关重要。[4]虽然没有单一的能源可以满足所有人类需求并满足环境安全，但氢气作为燃料是一种很有前途的清洁能源。[5、6]与现有的化石燃料（包括汽油 （120-142 MJ/Kg）、柴油 （42-46 MJ/Kg） 和原油 （42-47 MJ/Kg） 相比，氢气不含碳，热值高 （44-46 MJ/Kg）。[7]因此，它可以用于航空航天、海事和运输等各种应用。[8]特别是，近年来，世界各国政府都支持建立加氢站 （HRS） 作为氢基础设施的重要组成部分，以加强氢燃料电池汽车 （FCV） 的开发和应用。[9]到 2025 年，美国的 HRS 数量估计将达到 26,600 个，日本将达到 57,000 个，到 2050 年全球将达到 236,000 个。[10]HRS 是一个复杂的设施，配备有关键装置，包括高压压缩机、储存容器、热交换器和分配器。[11]因此，应仔细解决包括泄漏、火灾和爆炸在内的相关危害，以确保 HRS 的安全性和可持续性。
当高压氢气泄漏立即被点燃时，就会发生氢气射流火灾，而积累的易燃氢云延迟点燃时就会发生氢气爆炸。当形成一定量的易燃云时，连续和突然的氢气泄漏都可能导致爆炸。管道、储气瓶、分配器单元、热交换器和车辆等障碍物会导致 HRS 中出现不同程度的拥堵，这些拥堵与喷射火相互作用，增加湍流和混合，并导致超压。[12]湍流加速燃烧，最终决定爆炸可能产生的超压。[13]极端情况可能导致这种机制转变为超音速现象，具有明显更高的超压。氢气闪燃可能是由于立即点燃足够的氢气-空气浓度引起的。喷射火和闪火都会导致亚音速火焰传播的爆燃。此外，在发生高压氢气泄漏的封闭或部分封闭空间中，由于焦耳-汤姆逊反转温度、静电和扩散理论等综合效应，火灾可能在没有任何潜在点火源的情况下起火。[14]
氢释放条件的配置和障碍物的存在对易燃云的形成过程有显著影响。氢的分散受浮力/重力和动量力的影响。当氢气的释放速度或初始压力增加时，潜在易燃气体云的外边界会延伸到更远的距离。[15]障碍物和泄漏点之间的距离较短会增加易燃云形成可能性的不确定性。而且，连续障碍物之间的距离越大，会导致火焰减速，压力可能会增加得更慢，甚至减少。[12]此外，障碍物几何体对爆炸的发生有重大影响。[16]Qian 等人。[4]表明，可燃气体云在到达墙形障碍物之前呈喇叭形分布，而在障碍物时，它主要聚集在地面上并更靠近墙基。[4]
此外，风条件会影响氢的分散，从而影响氢质量分数和可燃气体云的大小。恒定风速和可变风速之间的比较表明，可变风速可能会导致更危险的情况，因为可燃气体云量更大。[17]Liu 等人。[18]进一步扩展了工作，以了解风对 HRS 不同区域发生氢气火灾和爆炸可能性的影响。结果证实，由于风速较快，可能会在靠近地面的地方形成大尺寸的易燃云。在低风速条件下，外部区域的易燃云呈球形锋面，大大增加了氢爆炸的可能性。还观察到，较高的风速明显减小了易燃云的范围。[19]此外，较高的风速会增加局部湍流强度并加速氢和空气的混合，从而导致云的氢成分下降得更快。[20]
为了最大限度地降低氢气火灾和爆炸的风险，安全距离评估在 HRS 中非常重要，它可以更好地估计安全距离并在 HRS 中安装安全屏障。如果加氢站内发生氢气泄漏事故，加氢站操作员在距离事故现场 1 m 的地方将面临受伤的风险，而在距离事故现场 6 m 的地方，行人和相邻住宅将受到影响。[21]Kim 等人。[22]对氢气泄漏和爆炸进行了数值模拟，用于 HRS 的安全设计。建议将储氢罐搬迁到距离当前制氢设施至少 5 m 的位置。此外，建议在保护墙控制室和分配器之间保持 2 m 的额外距离。[22]由 Tsunemi 等人进行的定量风险评估。[23]建议与分配器保持 6 m 的间隔距离和 3 m 的屏障高度，以确保居民和路人致命烧伤的风险保持在可接受的范围内。在涉及高压蓄能器连接管道和压缩机/连接管道的事故场景中，与加氢站必须保持 11-12 m 的间隔距离，以减轻风险问题。[23]爆炸造成的最大有害距离为 35.7 m，在风向和 90 MPa 压力罐氢气泄漏的条件下，最远的致死距离为 18.8 m。[24]此外，当氢气供应充足时，建议不要将氢气管拖车停在加氢站。[24]与压缩机的原始安全距离约为 25 m，但增加压缩机外壳后，该距离可以减少到 12 m，相当于减少了 50% 以上。相反，压缩机高度（无外壳）对安全距离缩短的影响较小，距离仅减少 2 m。需要强调的是，除了缺乏任何缓解措施的压缩机外，所有机组的安全距离均低于中国加氢站国家规范中规定的民用活动区域最小安全距离 25 米阈值。[25]
尽管之前对 HRS 进行了研究，但尚未很好地探索减少财产损失和伤亡的安全指南。特别是，对点火特性和拥堵程度对爆炸事件发展的影响缺乏了解。为了解决这一差距，本研究对 HRS 进行了详细的计算流体动力学 （CFD） 调查，然后进行影响分析，以提供有关可接受安全距离的更可靠建议。我们专注于最关键单元的泄漏，包括储藏室、热交换器、压缩机、管拖车和分配器，因为它们发生事故/发生的可能性很高，并且有可能造成更严重的伤亡。首先，对每个机组在不同风力条件下的氢气泄漏和分散进行建模，为爆炸场景建立实时数据;然后，进行了全面分析，以阐明点火时间和位置对导致爆炸场景的超压和热通量的影响。该项目的成果将有助于评估和降低 HRS 设施中氢气火灾和爆炸事故的风险。它可以为加氢站各个区域的防火和防爆提供额外的参考。
2 方法
该方法包括 3D 瞬态 CFD 仿真。我们首先研究氢的分散和积累。然后分析各种点火位置的爆炸场景。HRS 设施在两种情况下建模，一种使用管式拖车现场交付燃料，另一种不使用管道拖车现场交付燃料。HRS 的配置遵循美国国家消防协会 （NFPA 2） 给出的一系列建议。进行了一项全面的研究，以了解不同压力速率下泄漏位置、风速、点火位置和积累时间的影响。下面给出了有关情景、研究案例和 CFD 建模的更多详细信息。
2.1 问题描述
如图 1 所示，数值调查考虑了示例 HRS，表 1 中给出了案例总结。模型中考虑的组件包括储罐、高压、中压和低压压缩机、热交换器、便利店、分配器、管式拖车和停车场。排列和尺寸与以前的研究一致。[26]在将氢燃料装载到设施中期间，氢气加氢机不得运行，因此，对于泄漏来自加氢机单元的情况，将管式拖车拆除（图 1B）。情况 C20-C23（见表 1）针对此配置进行建模，而对于其余情况，图 1A 作为所采用几何形状的演示。设施总长 42.67 m，宽 38.40 m。泄漏区域被简化为直径为 10 mm 的圆。风向如图 1 所示。
图1 加氢站布局 （A） 带管式拖车和 （B） 不带管式拖车：（1） 商业商店，（2） 停车场，（3） 加氢装置，（4） 管式拖车，（5） 储藏室，（6） 压缩机和 （7） 热交换器。
虽然在这种无承压的 HRS 的设计中，氢气积聚的机会较低，但储氢系统容纳了相当数量的氢气，并且储氢瓶、氢气管拖车、压缩机、热交换器和防爆壁之间存在一些互连。当氢气从主设备泄漏时，可产生易燃气体云。[24]为了调查相关风险，考虑了上述关键装置发生氢气泄漏的几种情况。表 1 列出了案例摘要。
2.2 泄漏场景
首先，在没有点火源的情况下对泄漏情景进行建模，以分析易燃云的发展。考虑了关键高压装置的泄漏：压缩机、分配器、储罐、管式拖车和热交换器。压缩机、储罐、热交换器和分配器中的压力为 70 MPa，而管式拖车中的压力为 20 MPa。压缩机、热交换器、储藏室、分配器和管拖车的泄漏高度依次为 0.95、1.3、6.1、1.2 和 1.4 m。每个单元的泄漏针对不同的风速（1、3、5、7 和 13 m/s）进行建模。风向如图 1 所示。所选风速采用自以前的研究。[24]对于所有情况（C6 除外），泄漏方向与风向一致。C6 在泄漏来自压缩机但朝向地面的地方考虑，因此泄漏高度为距地面 0.58 m。本案例被认为用于评估泄漏方向对爆炸特性的影响。
2.3 爆炸场景
反应情况侧重于点火时间和点火位置的影响。对于爆炸场景，考虑了不同的点火位置，这些位置与 4%、14%、28%、56% 和 75% 的氢气浓度相吻合。这些氢浓度水平在氢可燃性限值范围内。它们在物理上与每个单元的泄漏源位于相同的高度。它们与泄漏源的物理距离随氢浓度的变化而变化。图 2A 说明了点火点的物理位置，图 2B 说明了在所有情况下从泄漏点到点火位置测量的径向距离。点火源位置的确定基本上基于氢气可燃性范围。最初，对氢气释放情景进行模拟，以确定设施内在其可燃性范围内的氢气浓度，特别是浓度为 4%、14%、28%、56% 和 75%。这些确定的浓度是点火源的战略性放置位置。点火能量通常建模为点源，其中释放能量以引发燃烧。在本研究中，保留了代表工业场景中常见点火源并由 FLACS 设计的默认点火能量。本研究的主要目的是进行独立于爆炸场景相关发生概率的后果分析。例如，情景 24 涉及管式拖车的存放处发生爆炸，遇到潜在点火源的可能性可能较低。然而，如果发生此类事故，调查后果至关重要，从而能够制定有效的缓解策略。
图2 （A） 点火位置的物理位置和 （B） 径向位置。
鉴于较高的风速有助于加速氢气的扩散并减轻局部积累，因此大多数爆炸模拟都是利用 1 m/s 风速的氢气扩散模拟来执行的。C16 和 C17 经过专门模拟，以模拟氢气从换热器水平方向逸出，而风速依次为 5 和 13 m/s，与氢气泄漏方向对齐的场景。这些模拟的主要目的是进一步研究和了解风对由此产生的爆炸后果的影响。考虑了两种不同的点火时间（10 秒和 100 秒），以了解爆炸发生后点火前易燃云量对超压和温度场的影响。分散后 10 秒和 100 秒的选择用于爆炸分析是基于可燃云的体积。在 10 秒时，每个发布场景中的可燃云代表初始增长阶段。到 100 秒时，可燃云达到稳定状态。因此，选择这些实例来研究早期泄漏检测的后果（10 秒）和稳态积累后爆炸的后果（100 秒）。
2.4 CFD 模型设置和操作条件
模拟使用 FLACS（气体爆炸模拟器）进行，该模拟器广泛用于模拟与过程安全相关的问题。它应用可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 框架来求解 3-D 笛卡尔网格上的控制方程。质量和动量守恒方程表示为[27-29 元]:
和 分别表示由壁引起的流动阻力和由子栅格障碍物引起的流动阻力引起的力。 和 表示单元体积和表面孔隙率。 表示有效粘度，ε是湍流动的耗散。
3 结果与讨论
3.1 模型验证
该模型与 Friedrich 等人的氢分散和爆炸实验进行了验证。[39]在本实验中，氢气以 6 g/s 的速率从 21 mm 喷嘴沿垂直方向释放。在释放位置上方 1.5 m 处放置一个板，氢气开始在一定水平上积累（见图 3）。用于释放测试和燃烧测试的传感器的物理位置如图 3 所示。为了减少实验中可能的不确定性，质量流量在释放期间保持恒定，这也被应用于模型中。八个传感器位于距离下游壁 0.18、0.38、0.55、0.70、0.90、1、1.30 和 1.50 m 处，以捕获喷嘴和板之间氢浓度的变化。在反应情况下，放置了六个传感器来捕获燃烧后的超压（它们距泄漏源的高度为 0.65、0.75、1.05、1.25、1.35 和 1.45 m）。由于稳定的羽流需要一些时间才能在释放量上方建立，因此有时在接近氢气释放持续时间结束时进行测量。
应用笛卡尔网格，并在泄漏附近细化网格并在边界区域拉伸网格。如图 4 所示，在验证案例的网格独立性研究中考虑了四个级别的网格分辨率。级别 1、2、3 和 4 的像元大小分别为 11.25、7.5、5 和 3.5 cm。对于所有网格，在泄漏附近选择 2 cm 的网格尺寸。[28]结果最初对网格大小敏感，而进一步细化对结果的影响很小。因此，在案例中选择单元尺寸为 5 cm 的网格，并在高堵塞率的区域对网格进行局部细化，以进行爆炸计算。
首先对氢气泄漏和分散进行建模，并评估每个传感器位置的氢气协同作用。如图 5A 所示，这项研究关于氢分散的实验结果和数值结果之间有很好的一致性。不同传感器位置的氢气浓度误差百分比在 0.38% 到 4.76% 之间。在氢气体积浓度中可以看到线性增长。此外，还验证了爆炸模型。点火源放置在泄漏点上方 0.8 m 处。氢云在释放结束 （1.62 s） 之前被点燃，以在测试室内提供最大的湍流和最大的氢库存，从而达到最大的燃烧压力。如图 5B 所示，仿真结果和实验结果之间存在令人满意的一致性。传感器 1、2、3 和 6 的误差值为 4.34%。传感器 4 和 5 的误差略高（分别为 5.33% 和 9.23%），这可能是由于实验期间在开放空间中进行的测量存在一些不确定性。[39]
3.2 风速对易燃云的影响
不同风速的泄漏期结束时 （100 s） 的体积可燃气体云如图 6 所示。在图 6 所示的所有情况下，氢气都在水平方向上释放。需要强调的是，涉及压缩机、热交换器、储藏室和管式拖车的氢气泄漏的情况是使用图 1A 所示的几何结构模拟的。相反，使用图 1B 所示的布置对分配器产生的泄漏实例进行建模。如前所述，在涉及加油机泄漏的模拟中排除管拖车的基本原理源于在设施内观察到的操作限制。具体来说，加油机不能与设施内从事燃料装卸的管式拖车同时处于运行状态。风速越高，易燃云的体积就越小，因为风允许氢沿风向进一步扩散，这与之前的研究一致。[24]由于储藏室是 HRS 设施中最狭窄的建筑，储藏室的泄漏会导致易燃云的积累最高。其他关键单元，如热交换器、压缩机、分配器和管式拖车，相对来说拥堵量有限，累积量较低。在无限制空间内，由于氢气的快速扩散和稀释，氢气爆炸的可能性大大降低。
图 7 显示了 100 s 时获得的氢摩尔分数。左列和右列分别显示了 1 m/s 和 13 m/s 的风速的结果。与风速为 13 m/s 的情景相比，在较低的风速下，氢气的积累更加明显，这与图 6 中所示的结果一致。在储存单元内和较低风速下发生氢气泄漏事故时，氢气可燃云的扩散不会聚集在管式拖车附近或沿通过管式拖车输送氢气的相关路径。然而，在较高的风速下，特别是 13 m/s，易燃云往往会积聚在管式拖车附近。在较高的风速下，氢气在上升到大气中之前扩散得更快、更远。因此，高风速允许氢气在水平方向上进一步分布。虽然可燃氢云的体积随着风速的升高而减少，但泄漏点附近的氢气浓度在所有情况下都相似，这带来了进一步事故的风险，例如火灾和爆炸。储藏室内的氢气泄漏被发现是最严重的事故案例，具有最高的积累。然而，在所有情况下，都有大量的易燃云，一旦发生火灾或爆炸，就会造成严重的后果，下文将对此进行进一步研究。
3.3 氢气爆炸特性
爆炸后的温度分布会对周围环境、结构和个人产生深远影响。此外，爆炸会产生冲击波，该冲击波会传播并可能与狭窄空间或城市环境中的表面相互作用，从而导致超压的反射和放大。这可能导致建筑区出现复杂的压力分布。高超压水平会对建筑物、墙壁和其他基础设施造成重大结构损坏。这种损坏可能包括窗户破碎、结构变形，甚至倒塌，具体取决于超压的大小。超压会对个人构成直接风险。因此，本节讨论超压和温度分布以及它如何影响结构和个体。
压缩机爆炸后的超压和温度分布如图 8 所示。风速为 1 m/s，爆炸发生在散布 100 s 后。情况 C3 和 C6 表示氢气爆炸，而泄漏在压缩机处依次沿水平方向和地面发生。在 C6 中发现了更严重的后果，其中泄漏朝向地面。C3 和 C6 的最大超压分别为 1.49 bar 和 2.60 bar。大部分区域有 0.007-0.01 bar 的超压，可能会使 5% 的玻璃板破裂（参见表 2）。在点火位置附近，发现最高的超压，可以破坏 C3 的 50%-70% 的墙体结构。另一方面，C6 的最大超压为 2.60 bar，足以几乎完全拆除（参见表 2）。这种情况可以被认为是最糟糕的情况之一，因为它可能会损坏一半以上的压缩机外壳。储藏室和热交换器也会受到冲击波的影响。鉴于 C6 涉及指向地面的泄漏并积累了大量易燃氢气，因此它增加了高温和超压的风险。在 C3 中，火焰与风向一致传播，但在大气内的垂直平面上传播更多，从而降低了对周围单元的风险。而在 C6 中，由于周围区域积聚了大量易燃氢气，火焰会延伸到压缩机组、储藏室和热交换器的周围，从而阻碍了其因较大堵塞而引起的扩散。
图 9 显示了情况 C1 至 C5（压缩机）、C20 至 C23（分配器）和 C12 至 C15（热交换器）的最大超压和温度。所介绍情况下的风速为 1 m/s。通过改变点火位置，为每个单元考虑不同的爆炸场景。根据氢气浓度选择点火位置（参见表 1）。点火位置氢气浓度为 75% 的模拟不会针对加氢机和热交换器装置进行模拟，因为它非常靠近泄漏源和壁。根据 FLACS 指南，点火位置不能直接位于墙壁或网格线上，而必须与这些结构元件保持略微的距离。
虽然与其他情况相比，热交换器情况下的可燃气体云量看起来更小，但由此产生的危险（超压和温度）明显更大，这可能是由于较高的堵塞率。换热器在易燃云附近具有高度拥堵，这会导致更大的湍流。湍流强度会显著影响氢气爆炸中的超压值。在较高的湍流强度下，氢气被剧烈燃烧，爆炸强度增加。[40、41 元]每个点火位置的燃烧速率也不同，这会影响超压和温度场。当氢气快速燃烧时，它会在短时间内产生大量热量，导致密闭空间内的压力突然增加，并在爆炸过程中产生更高的超压。
爆炸还受可燃云的初始大小的影响。图 10 显示了压缩机爆炸的数据，而可燃氢云在泄漏开始后 10 秒（C7 到 C11）和 100 秒（C1 到 C5）爆炸。在这些情况下，点火位置的物理位置请参考图 2 。
当在 10 秒和 100 秒发生点火时，超压存在显着差异。更大的云导致可用于燃烧的氢气质量更大，导致能量释放显着增加，其特征是更高的超压和温度水平。这种增强的爆炸会产生更强大的冲击波，造成结构损坏并进一步提高周围区域的超压。此外，较大的云会释放更多的热能，再加上向周围环境的热传递，会导致爆炸后的温度更高。[42、43 元]在 100 秒时发生点火的情况下，与其他情况相比，C3 的温度明显升高。同时，观察到略高的超压。这种趋势归因于点火源的物理位置高度堵塞。在 10 秒发生点火的情况下，在所有情况下都观察到温度相似性，而点火位置氢浓度为 28% 的 C9 的超压最低。这个结果可以分配给氢分散的时间。如果点火位置释放的氢气不足或积聚不足，则爆炸后会产生较低的超压。
图 11 依次显示了 C14、C16 和 C17 情况在风速为 1、5 和 13 m/s 的情况下，换热器泄漏导致爆炸后的超压。结果证实，风速越高，超压越低。爆炸后，风速的增加往往会更快地分散氢气云。随着气体的分散，它会降低气体云的密度，从而降低爆炸产生的超压。
3.3.1 热通量及其影响
选择点火位置氢气浓度为 28% 的情况进行热通量分析。此外，考虑 C19，其中点火位置靠近对应于 75% 氢气浓度的储藏室门。氢气爆炸后的热通量产生和分布遵循一个复杂而动态的过程。热通量对人体的影响如表 4 所示。热通量范围为 25 至 37.5 kW/m2有可能在一分钟内诱导 100% 的致死率或在 10 秒内诱导 1% 的致死率。热通量值为 12 和 4 kW/m2可分别引起 1 度和 2 度烧伤。热通量为 1.6 kW/m2，但被认为在可接受的长期暴露阈值内。随着易燃云的高度增加和堵塞程度的增加，大量能量以热能的形式释放出来，表现为热量。C19 和 C22 在受高热通量值影响的距离方面表现出最广泛的覆盖范围，超过了 C6、C3、C24 和 C14。氢气在 C19 和 C22 中的积累增加导致爆炸后超压和温度升高，从而导致更高的热通量值。
在这里，风向与泄漏方向一致，但 C6 除外，这有助于热通量进一步传播。C6 的氢气从压缩机向地面泄漏，风是向前的 （+X）。情况 C3 和 C6 表现出来自压缩机的氢气释放;但是，定向放电不同，C3 水平释放，C6 指向地面。值得注意的是，由于 C6 中的氢积累量高于 C3，表 4 中描述的所有类别的热通量覆盖范围在 C6 中相应地更大。另一方面，C14 和 C24 的特征是热交换器引起的氢气爆炸，表现出相对较低的堵塞率。与其他情况相比，这种减少的堵塞导致这些情况下的热通量分数较低。如果设施周围不存在防火墙和固体边界，当前研究中介绍的所有情况都可能具有更严重和更大的热通量发展。
3.3.2 安全距离分析
进行安全距离分析，这有助于降低与加氢站氢气爆炸相关的风险。计算从点火位置到超压波最大距离的径向距离以分析安全距离。超压范围参考表 2 设置。
如表 5 所示，A、B 和 C 类依次表示玻璃板的断裂率分别为 5%、50% 和 90%。同时，D 类和 E 类描绘了瓷砖的移动以及由于爆炸产生的冲击波而造成的门窗框的破坏。在所有情况下，类别 A 中的距离最高，而类别 B 、 C、D 和 E 中的距离依次变小。原因是在开放环境中，冲击波会随着向外扩展而更快地失去能量。在低风环境中，由于与周围空气的摩擦，冲击波能量消散得更快，这会导致冲击波在较短的距离内失去强度。然而，对于高度阻塞的情况，风有助于将激波的压力保持更长的距离，因为它不断地将激波前沿向前推。这就是此类情况在 A 类到 E 类中没有显著差异的原因。
表 2 中提供了安全距离的超压限制。从点火位置到最大距离的径向距离（包含相关超压）被视为计算安全距离。表 5 提供了从玻璃板破裂 5% （A） 到门窗框损坏 （E） 的损坏程度的安全距离;然而，案例 C19（储藏室爆炸）具有严重的后果，并且冲击波范围过大，可以摧毁整个建筑物，包括墙壁、门、窗和其中的任何类型的结构。C1 到 C5 具有相似的释放条件，在这些情况下，安全距离没有发现显着差异，除了 A 类，它是根据玻璃板断裂 5% 计算的。在 C6 中，压缩机的释放装置朝向地面，而其余条件与 C3 中相同，其中释放装置设置在压缩机的水平方向上。由于释放物朝向地面，易燃氢云的积累相对较高，这会导致更高的超压，因此冲击波传播的距离更长，需要更长的安全距离。
将 C7-C11（10 s 的分散时间）与 C1-C5（100 s 的分散时间）进行比较表明，安全距离更短，因为较长的分散时间会导致更高的累积，这肯定会产生更高的超压。
在强风条件下，冲击波的行为可能很复杂，并且受一系列因素的影响，包括风的强度和方向、爆炸的大小和能量以及周围的地形。通过比较 C14（1 m/s 风速）、C16（5 m/s 风速）和 C17（13 m/s 风速）可以找到风速的影响。结果表明，强风可以作为积累的强大驱动力。当泄漏发生时，泄漏积聚的易燃云被风沿风向驱散。因此，风速越高，易燃云的积累就越少，最终导致的后果较轻。
4 总结
进行了 25 个非反应（分散情景）和 24 个反应（爆炸情景）模拟，以加强对氢气扩散和爆炸的理解，这是设计加氢站 （HRS） 的关键风险因素。使用商用 CFD 工具 FLACS-gas explosion 进行模拟。通过为资产损失和热通量对人类的影响提供安全距离，进一步进行了风险评估研究。本研究考虑了 HRS 中介绍的所有关键单元的氢气泄漏和爆炸，即：压缩机、热交换器、储藏室、分配器和管拖车。风速选择为 1、3、5、7 和 13 m/s。点火源放置在不同的物理位置，对应于 4%、14%、28%、56% 和 75% 的氢浓度。该研究概述了包括超压、温度、热通量和安全距离在内的后果。主要发现是。
较高的风速会导致泄漏或意外释放期间释放的氢气更快地扩散。风速越高，稀释效应越大，这意味着空气中的氢气浓度会随着它与周围较大体积的不易燃空气混合而降低。因此，风速越高，可燃氢云的积累就越小。
由于堵塞会显着放大封闭空间内的超压，使其更加危险，因此当储藏室发生爆炸时，会出现最高的超压。这是因为密闭空间限制了爆炸产物的膨胀，导致压力增加。在某些情况下（即情况 C6），限制可能是部分的，存在一些屏障，但不会完全密封环境。在这种情况下，超压可能会根据堵塞的程度而变化。
密闭空间内较高的温度会导致更强烈的热量传递到空间内的表面和物体，从而可能造成损坏。密闭环境会吸收热量，导致长时间暴露在高温下。高温出现在高度堵塞的情况下（情况 C6、C19 和 C24）。
约束会导致更高的超压水平，从而导致更高的热通量。这是因为受限爆炸会产生更高的压力，从而产生更强大的冲击波。这些冲击波会导致更强烈的热量传递到附近的表面，从而导致更高的热通量。在这种情况下，与无侧限爆炸相比，热通量可以显着升高。在目前的研究中，说明了热通量对个体的影响。在狭窄空间和障碍物表面发现的热通量较高，可在 1 分钟内导致 100% 的致死率。表现出最高热通量的情况被确定为以阻塞率升高为特征的情况，即 C19，分别由 C22 和 C6 继任。这些特殊情况表明，在所研究的情景中，热通量水平最高。
研究发现，包括储藏室在内的高密闭情况，以及压缩机向地面泄漏等大量易燃云的情况，危害最高。情况 C6、C19 和 C24 需要最长的安全距离，每个都超过 15 m。相反，情况 C21 后跟 C12 到 C15，在研究场景中表现出所需的最小安全距离。
本研究的结果有助于评估和降低 HRS 设施中氢气火灾和爆炸事故的风险。它可以为加氢站各个区域的防火和防爆提供额外的参考。本研究还将有助于进一步改进 HRS 建设，以最大限度地降低氢气易燃云形成的风险及其在气体泄漏情况下的灾难性后果。
作为未来工作的一部分，对以下情景的审查可以显着有助于建立关于 HRS 安全性和可持续性的弹性评估。
对于评估由此产生的爆炸后果，必须模拟储罐或其他包含高压物质的关键装置中的潜在破裂。此外，探索爆炸对周围属性的后续影响构成了次要影响。爆炸的后果包括产生碎片、碎片或弹丸，这些碎片、碎片或弹丸以高速推进，对附近的结构、个人或物体构成重大风险。了解这些推进材料的轨迹和影响对于理解爆炸的全部影响和制定有效的安全措施至关重要。
