关于IV储氢气瓶内胆壁厚设置及局部加强的理论计算

本文来源：TheImpactoftheConfigurationofaHydrogenRefuelingStationonRiskLevel摘要本文探讨了运输车辆（轿车和卡车）加氢站存在的潜在危险。此处分析的主要危险是由于加氢站的某一结构部件（不同压力等级的储罐或加注机）出现故障而导致的气体不受控制地泄漏。这可能会在泄漏源附近或一定距离处形成氢气云。结合泄漏气体的量和风速对氢气云的范围进行了分析。对加氢站选定结构的计算结果进行了比较。然后对潜在的火灾和爆炸情况进行了研究。根据火灾产生的热通量和爆炸产生的超压计算了危险区域。氢气火灾和爆炸的这些区域的最大范围分别约为14至30米和9至14米。最后，将人员死亡概率表示为与不受控制的氢气泄漏源距离的函数关系。给出了不同泄漏气体量和压力下的情况。此外，还确定了人员死亡风险以及整个加氢站中该风险达到最大值的区域。该区域的人员死亡风险为每年1.63×10⁻⁵（每人每年），面积约为8平方米。关键词：氢气；加氢站；危险；火灾；爆炸；风险1.引言随着发电行业的转型，氢技术正变得愈发重要。据估计，这些技术将成为碳氢燃料的重要替代品。气候中和是欧盟（EU）政策的重点之一，这需要对基于可再生能源（包括氢气）的技术进行大量投资。然而，为了成功地将氢气纳入能源领域，还必须考虑经济和社会因素。为解决这些问题已经开展了大量研究工作。文献[1]提出了基于生产潜力和成本曲线的国际氢气贸易模型，用于分析以能源独立、安全或成本等不同优先事项为主要目标的情景。文献[2]讨论了大规模制氢所采用的路线图和策略，此外，作者还介绍了氢相关技术的技术进步。文献[3]在氢在绿色能源社会中的作用背景下，讨论了氢技术的社会、工业和环境方面。文献[4]研究了三个相互关联的能源部门（电力、交通和供热行业）的脱碳问题。这些部门的脱碳可能涉及氢气。可以利用电解产生的氢气发电，煤炭气化和天然气重整也涉及氢气的作用，其中将电解氢气作为可再生能源应用是理想的解决方案。氢气还可作为替代燃料用于燃气轮机。运输车队可能会逐渐被以氢为燃料的燃料电池车辆所取代。综述文献[5]详细讨论了氢气的生产、储存和运输。该文献从工艺动力学、循环行为、毒性和成本效益等方面讨论了氢技术的最新进展，包括氢气的生产、储存和运输。综述文献[6]从社会技术角度考察了氢气可支持脱碳的全系列行业和工业流程，以及将影响氢气应用的技术、经济、社会和政治因素。文献[7]综述了电-氢-电系统的最新发展：电能到氢气的转换、氢气的储存、运输和再电气化，重点强调了它们的技术特性、新颖的建模方法和实施挑战。在文献[8]中，对近期绿色氢能系统的研究进行了全面综述，突出了从组件到技术以及更广泛系统层面的技术经济方面，总结了不同绿色制氢、储氢和用氢技术的技术原理和近期进展。以氢为燃料的燃料电池和电动发动机可能会与传统发动机竞争，尤其对于像卡车和公共汽车这样的大型运输车辆而言。目前，氢燃料车辆的数量较少；不过，由于加氢速度快，其数量可能会得到刺激增长。为此，建设氢基础设施以确保其绿色生产以及密集的加氢站网络至关重要。全球公共加氢站的数量已达数百个，其中中国、美国、日本和欧盟的数量最多。近期的投资使得波兰在华沙和雷布尼克新建了一些加氢站。文献[9]讨论了高速公路加氢站的规划模型。该模型考虑了应用光伏-风电系统制氢以及不同的运行约束条件。必须分析的最重要问题之一是车辆和加氢站中氢系统的安全性。研究[10]全面回顾并分析了与氢相关的安全挑战，重点关注氢的储存、运输和应用过程。对泄漏范围和扩散情景进行了研究以分析相关危险，还简要讨论了定量风险评估的方法。在文献[11]中，提出了一种两级风险评估和设计优化方法，在概念选择阶段可以通过快速计算后果以及对泄漏、扩散、火灾和爆炸进行频率评估来进行风险筛选，并估算指示性危险距离。通过这种方式可以识别出可能令人担忧的风险，并且可以调整设计或采取缓解措施。文献[12]描述了针对氢燃料电池车辆车载储氢和供氢系统进行定性风险评估的初步危险识别。研究[13]的目的是分析不同气体质量流量值下氢气压缩和管道运输过程以及与水电解和制氢相关的安全问题。氢气运输的一个重要方面是管道钢的氢脆现象，这会增加管道故障的风险。例如，在文献[14,15]中对这一过程进行了描述。加氢站的安全性也是过去几年科学出版物中一直存在的主题。在文献[16,17]中分析了氢系统故障的案例及其结果。这些故障的主要结果是氢气不受控制地泄漏及其在加氢站中的传播。许多论文都对这些泄漏情况进行了数值模拟。文献[18]根据数值模拟结果展示了韩国加氢站氢气泄漏和爆炸的后果。在文献[19]所介绍的研究中也采用了计算流体动力学（CFD）来分析风速、风向和泄漏方向对加氢站储氢装置爆炸的影响。文献[20]讨论了液氢泄漏相关的危害并提出了补救措施。文献[21]介绍了中国加氢站氢气泄漏的风险分析。文献[22]也讨论了液氢危害。文献[23]介绍了日本一个加氢站的风险评估。文献[24]展示了另一个关于气态和液态氢加氢站的风险评估研究。文献[25]讨论了位于城区的高压加氢站对风险水平的影响。文献[26]以上海的一个移动加氢站为研究对象。文献[27]对加氢站运营期间人的生命进行了定量风险测定。本文重点关注具有一个加注机的典型布局加氢站中的潜在危害和风险分析。氢气以20MPa的压力通过拖车运至加氢站。经过压缩后，氢气被储存在高压罐中，并以所需的质量流量输送到加注机。本文对与该类加氢站运营相关的风险进行了全面分析。分析的第一步是对加氢站主要设施氢气泄漏情况以及空气中氢气浓度处于氢气点火极限范围内的范围进行一系列模拟。本文还包括对氢气火灾产生的热辐射以及爆炸产生的超压波的计算描述。此处分析的最终结果是对加氢站主要结构风险的定量衡量。所获得的结果能够确定加氢站中死亡风险最高区域的位置和大小。在这项工作中，风险分析的结果，即高风险区域图，被用于评估和修改加氢站主要结构的布局。不同结构产生的风险重叠区域会导致风险累积。对结构进行重新排列可减小风险交叉区域的大小，从而提高加氢站司机和维护人员的安全性。在规划加氢站时可以采取此类行动，这将极大地有助于减少由于加氢站结构（加注机、拖车、高压罐、低压罐等）故障而导致氢气不受控制泄漏所带来的危害。2.氢气作为一种燃料目前，氢气主要用于炼油工业、化肥生产以及工业流程中。随着时间的推移，它已在发电领域的转型中获得了重要且快速发展的基础地位。它也越来越常被视作运输车辆的一种燃料。加氢站为轿车、卡车、公共汽车、特种车辆和火车储存并分配氢气。2023年第四季度的统计数据显示，欧洲有170座加氢站；不过，其中一些加氢站对公众用户有限制。这些加氢站大多位于德国、法国和荷兰（图1）。它们能够在常见的35兆帕和70兆帕压力等级下输送燃料[28]。这种无色无味的气体，其着火所需的浓度范围很广，且所需的点火能量极低，这可能会影响到使用它的过程的安全性。与氢气特性相关的常见危害，包括其可燃性，可能会出现在涉及氢燃料车辆的每一个过程中，也会出现在氢气基础设施、储存设施或输送系统中。潜在危害不仅存在于加氢过程中，在驾驶过程中（当可能发生车祸时）也同样存在[29,30]。当存在氢气泄漏时，就有可能发生火灾或爆炸。然而，并非每一次泄漏都会导致危险情况。着火取决于是否存在点火源和氧化剂，同时氢气浓度要处于可燃范围内。这些条件可用着火三角形来表示，如图2所示[31]。与其他燃料相比，氢气的特点是能引起着火的浓度范围很广，该范围在4%到75%之间。氢气的最小点火能量为0.02毫焦。这些数值对氢气系统的安全性有显著影响。例如，甲烷的最小点火能量为0.18毫焦，几乎是氢气的十倍。氢气极低的点火能量甚至可能因摩擦而引发火灾。然而，氢气也有许多优点，包括可以通过不同的工艺或来源获取这种气体，并以不同的形式储存它。此外，如果利用可再生能源来制取氢气，那么氢气的使用可能会改善环境保护状况[32,33]。由于氢气的特性，为了将风险降至最低，应对其处理的每个阶段进行安全性分析。3.加氢站运营相关风险评估方法风险分析是一个标准化的程序，包括以下主要步骤：确定所分析的系统、识别危害、进行风险的定性评估、进行风险的定量评估、依据既定标准进行风险评估以及根据风险分析结果采取纠正措施。该流程如图3所示。风险分析的第一步是确定系统及其结构。像加氢站这样的复杂系统会被划分成若干个子系统，而这些子系统又由物件或部件组成。一个典型的加氢站布局包括带有加注机的加注区、存储系统以及商店/收银处。氢气可以通过公路运输、管道输送或者从利用例如电解工艺制氢的装置运送到加氢站。如果电解过程由可再生能源提供动力，那么制氢过程不会产生任何有害排放物。在每一种氢气输送方式中，气体的压力都低于存储压力。因此，存储区配备有一台压缩机，用于给高压罐注气。主要设施中的压力情况如图4所示[34]。分析的下一步是识别与加氢站运营相关的危险场景。由不受控制的氢气释放引发的危险场景发展示例以事件树分析（ETA）的形式显示，如图5所示。根据图3所示的风险分析流程，一个关键步骤是确定危险事件的后果。就氢气火灾而言，对人员和周边环境造成危险的后果如下：直接暴露于火焰以及暴露于火焰产生的热通量。在氢气爆炸的情况下，负面影响如下：暴露于超压波以及来自被炸毁结构的碎片。为了确定由于加氢站结构（拖车、加注机、高压罐）发生氢气不受控制泄漏而引发的火灾和爆炸影响程度，使用了Phastv6.7软件。计算涉及火灾的表面模型和爆炸的TNT（三硝基甲苯）模型。火灾计算的结果是燃烧氢气所产生的热通量值，它是与氢气泄漏和点火点距离的函数。爆炸计算的结果是超压值，同样也是与爆炸中心距离的函数[35]。风险分析的关键步骤是风险评估。风险R被理解为危险情景发生的概率与该情景后果（例如，受伤或死亡威胁）的乘积。R=∑PiCi（1）其中Pi是危险事件发生的概率或频率，Ci是事件发生的后果。在本文中，潜在火灾和爆炸的后果被表示为加氢站内人员的死亡概率。死亡概率是使用概率单位函数计算的。它们可用于确定因特定量的负面影响（如热通量或超压波）导致的死亡概率。根据[36]，概率单位函数Pr的一般形式如下：Pr=a+b・lnV（2）其中a和b是取决于伤害类型和负面因素类型的常数，V是负面因素的剂量。定量评估的结果是针对各种情景、结构以及整个系统所确定的风险值。根据这些结果，会采取进一步的行动，包括旨在降低风险水平的行动。这些行动是风险管理过程的一部分。接下来的章节将对与加氢站运营相关的风险进行全面分析。4.氢系统中的危害4.1.氢气云尽管氢气有诸多优点，但它仍是一种危险的燃料。它比其他气体更容易泄漏。氢气通过孔洞的流速是天然气流速的1.2至2.8倍。氢气密度小，这使得它在空气中的扩散速度比汽油、丙烷或天然气快得多。高可燃性增加了发生火灾或爆炸的可能性，从而提高了危险程度[33]。对加氢站安全性的分析必须考虑到可能发生泄漏的位置。泄漏可能发生在加氢站的整个基础设施中，包括管道、阀门、储罐、加注机以及用于氢气输送的中间罐。可能发生泄漏的位置还包括正在加氢过程中的汽车。如果发生泄漏且满足着火三角形的条件，那么就可能会发生诸如喷射火、闪火或火球等危险事件。也可能会发生爆炸。所有这些事件都会给加氢站周围的人员和物体带来诸如伤亡以及基础设施毁坏等负面后果。图6、图7和图8中的图表展示了空气中氢气浓度在4%（蓝色）至75%（蓝色）范围内时氢气云的范围。这些数值分别对应氢气可燃性的下限和上限。这些图展示了氢气云的俯视图和侧视图。侧视图展示的是氢气云开始从泄漏源分离时的情况。所呈现的结果涉及加氢站的三个主要设施：拖车、加注机和高压罐。图6、图7和图8中的图表是使用PHAST软件6.7版进行的计算获得的[35]。正在调查的案例汇总在表1中。它们由释放的氢气量、压力和风速来描述。图6、图7和图8中结果的风速为2m/s，泄漏的大小（圆孔的直径）等于10mm。表1还包括从氢气释放开始到云与源分离之间的时间。所给出的图表表明，在每一个经过分析的泄漏案例中，地面上氢气浓度高于5%的区域范围可达15至19米长。在地面上方，氢气云的大小则有所不同。在拖车发生泄漏的情况下，氢气云距离泄漏源的最大距离为26米。对于加注机而言，该距离为36米，而对于高压罐则为40米。图6、图7和图8展示了处于下限和上限点火极限之间的氢气浓度情况。上限浓度仅在泄漏源处直接出现。影响氢气云大小的一个重要因素是风速。分别针对拖车、加注机和高压罐泄漏情况，图9、图10和图11展示了不同风速下的对比情况。对于每一个设施，这些图展示了氢气云在从泄漏源分离瞬间的三种形状，且每种形状对应不同的风速。这些氢气云的形状代表了空气中氢气浓度等于或高于4%的体积情况。这些图展示了地面水平的俯视图以及将气体泄漏源设定在坐标（0，0，0.5）米处的氢气云侧视图。所获得的结果表明，风速越快，在地面水平上形成的氢气云范围就越大。然而，在垂直方向上，风速越快，氢气云的高度就越小。这是由于在强风作用下氢气在空气中的扩散所致。加氢站设施中氢气的不受控制泄漏可能会导致空气中氢气浓度高于可燃下限的区域形成，如果存在点火源，这可能会对人类及周边环境造成危险事件。图12展示了在加注机、拖车和高压罐发生不受控制泄漏时，氢气浓度可能超过可燃下限的区域的最大尺寸。这些区域是在风速为2米/秒的情况下，按照图4所示的一般结构，以加氢站的鸟瞰图形式展示的氢气云最大范围所对应的区域。图中给出了这些区域（呈圆形）的半径R。4.2.氢气火灾如前文所述，加氢站中氢气的不受控制泄漏可能会引发火灾。根据点火过程的情况、泄漏规模以及泄漏氢气的量，火灾可能会呈现不同的形式。当氢气在高压下于压力容器中储存或运输时，一旦点火，可能会演变成喷射火。它有一条又长又稳定的火焰，该火焰源于从孔洞中喷出的氢气射流并燃烧起来。对于相对较小的泄漏速度，火焰会出现在出口附近。而对于较高的速度，火焰会分离并在距离泄漏孔一定距离处变得稳定。这种现象在评估火焰的几何形状时会带来问题，尤其是当风速和风向也很重要时更是如此[37]。在氢气装置突然不受控制地破裂的情况下，可能发生的另一种火灾形式是呈火球形状的火灾以及伴随而来的BLEVE（沸腾液体膨胀蒸汽爆炸）现象。一般来说，火球的大小和该现象持续的时间取决于所泄漏物质的类型和数量[12]。火灾对人类和环境造成的负面后果包括与火焰的直接接触，这可能会引发其他火灾，以及火灾产生的热通量。当热通量高于12.5千瓦/平方米时，可能会导致皮肤灼伤；当高于37.5千瓦/平方米时，可能会导致死亡[38]。有可能因热通量导致人类死亡的潜在危险区域如图13（喷射火）和图14（火球）所示。这些区域是以类似于图12中加氢站的鸟瞰图形式绘制的。4.3.氢气爆炸根据图4所示的事件树，加氢站氢气的不受控制泄漏也可能引发爆炸。这种危险情形可能是由于在距离氢气泄漏点一定距离处或就在泄漏点处的漂浮氢气云中存在点火源所致。与爆炸相关的危险程度受多种因素影响，其中包括被点燃氢气的量。如果爆炸发生在氢气泄漏点，那么此处的气体量会比氢气因风在空气中扩散形成移动云团时的气体量要多。爆炸的负面影响包括破裂结构部件产生的飞溅碎片以及所产生的压力波。它们对人员和建筑物构成威胁[12]。根据技术出版物的数据，13.8千帕的超压波是一个阈值，超过此阈值耳膜就会受伤[38]。55.2千帕至110.3千帕之间的超压波可能会使站立的人有被掀翻的危险。82.7千帕至103.4千帕之间的值是肺部内出血的阈值，具体取决于受影响个体的体型。超过100千帕的值会导致受影响区域内1%的人死亡，超过206.8千帕的值会使受影响的人因肺部相关损伤而全部死亡。至于基础设施的损坏情况，文献资料表明，20千帕至30千帕的超压波会损坏钢桁架结构，50千帕至100千帕的范围会导致储罐移位以及管道损坏。70千帕的超压波会使建筑物完全毁坏，并对重型机械和设备造成严重损坏[39,40]。下面各图对因肺部相关损伤导致1%受影响人员死亡的相关区域进行了比较。图15展示了点火发生在气体泄漏点的情况，图16展示了点火发生在距离泄漏源一定距离处的情况。点火位置是根据最坏情况选定的。它们位于距离氢气泄漏点的最大距离处，在此处移动云团中的气体浓度仍高于可燃性的最低限度。对于加注机和高压罐，此距离为距离气体泄漏点50米，对于拖车则为30米。这些数值之间的差异取决于特定结构中氢气的量和参数。这些区域是以类似于图12中加氢站的鸟瞰图形式绘制的。提出的结果表明，导致1%的受影响人员死亡的压力波的危险区域，包括从拖车释放并立即点燃的氢气半径为14m的最大区域。从加氢机和HP罐中释放的氢气量相似，因此从这些结构中释放的氢气爆炸范围相同，达到9m。如果点火发生在距离释放点10m的氢气云中，那么拖车、加油机和HP罐的1%人类死亡区半径分别为2、3和4m。距离释放点越远，区域的面积就越大。5.氢气泄漏相关风险分析第2节所讨论的氢气特性，尤其是其可燃极限，会造成一种危险，可能导致氢气加工、运输和储存装置发生火灾或爆炸。这类危险在加氢站也可能存在。由氢气泄漏引发的不良故障过程可能会对人员和环境造成重大危害，第4节所展示的危险区域证实了这一点。因此，认识到这些危险并以将风险降至最低的方式开展所有与氢气相关的活动十分重要。例如，可通过采用适当的泄漏检测技术或正确设置分隔潜在泄漏区域的阀门位置来保障涉及氢气的流程的安全性。在可能发生火灾的情况下，还应设置防火墙[39]。对导致氢气火灾或爆炸的危险进行风险评估，并试图将这些危险的负面影响降至最低，可利用前文各节所展示的危险区域。了解火灾和爆炸负面影响的潜在范围，即热通量和超压波的致死水平，能够使人在加氢站设计阶段就对其结构进行合理布局。这使得将人员死亡概率降至最低以及减少损害和物质损失程度成为可能。加氢站中人员死亡的风险可根据已确定的危险情景的概率以及危险后果的范围进行评估，如第4节所示。危险情景的概率是在事件树中确定的，就像最初在图2中展示的那样。本文所分析的结构的事件树在图17（针对加注机）和图18（针对拖车和高压罐）中有所展示[36,40]。图19以喷射火、火球或爆炸等形式呈现了与加氢站中正在分析的三个主要结构（因氢气从这些结构泄漏而产生）相关的所有危险区域。最危险的区域应该是图19中所有圆形所指示的区域都重叠的地方。然而，并不存在这样的区域，因为没有任何一个点能被所有圆形覆盖。因此，最危险的区域被确定为被最多圆形所覆盖的区域。该区域在图中作为多个危险区域的交集被突出显示。在这个突出显示的区域内，氢气泄漏进而引发火灾或爆炸所产生的负面影响可能会导致人员死亡。该区域的人员死亡风险为每年1.63×10⁻⁵（每人每年）。该区域的面积约为8平方米。对加氢站的三个主要结构，即加注机、拖车和高压罐的危险区域进行比较后发现，与火灾相关的区域明显比与泄漏氢气爆炸相关的区域大得多。还可以观察到，将加注机移至加氢站右侧14米处可降低人员死亡风险。这是因为移动加注机也会使与该结构相关的危险区域发生移动，重叠区域最多的情况会减少，从而表明风险降低了。如果将加注机向右移动14米，那么风险会降低至每年3.76×10⁻⁶（每人每年）。加注机移位后的加氢站布局如图20所示。需要注意的是，对加氢站原始布局所提议的变更仅仅是基于风险分析得出的，并且就安全性而言代表着最优解决方案。设计修改还必须符合其他标准，包括经济标准、建筑物布局许可标准以及工艺限制标准。改变结构布局、设备运行条件以及加氢站的规模会影响因氢气设备故障而导致的人员死亡风险的最终数值。重要因素包括设备内氢气的参数（压力和质量）以及天气状况，其中首要的是风速。6.总结此处所呈现的研究结果证明，将氢气用作运输车辆的燃料会带来与该气体特性相关的危害。这些危害涉及气体的不受控制泄漏以及发生火灾和/或爆炸的可能性。根据损害程度的不同，故障所带来的危险后果包括喷射火、火球和/或爆炸。加氢站不同结构中泄漏氢气的量及其参数对人员和环境所面临的危害程度有着直接影响。就此处所分析的加氢站三个主要结构（加注机、拖车和高压罐）发生氢气不受控制泄漏的情况而言，与人员死亡相关的火灾危险区域比爆炸危险区域更大。火灾导致死亡的概率也更高。这对于结构的部分损坏（穿孔）和完全损坏（破裂）情况均是如此。半径为30米的最大危险区域出现在拖车破裂导致氢气快速泄漏的情况下，这是因为该设备中储存的氢气量最大。在部分损坏（穿孔）的情况下，半径为27米的最大区域出现在高压罐处，这是因为该结构内部压力最高。如果故障导致在氢气泄漏点发生爆炸且泄漏的全部氢气都被点燃，那么对于拖车来说会产生半径为14米的最大死亡危险区域。高压罐（单根管）和加注机的危险区域范围相似，均为9米，这是因为这些结构中存在的氢气量几乎相同。如果在穿孔后形成氢气云并远离泄漏源，那么对于拖车、高压罐和加注机来说，死亡区域的半径分别为2米、3米和4米。此处所描述的分析还使我们能够评估人员死亡的风险。每年1.63×10⁻⁵的风险水平与8平方米的区域相关。在加氢站的这个区域内，各个主要结构的危险区域相互重叠。这种风险可以通过例如对加氢站内的结构进行重新布局来降低。针对所呈现案例进行的分析使得基于安全标准能够对主要结构进行更好的布局。对于所分析的加氢站，当把加注机向右移动14米时，可实现更低的风险。对布局的修改消除了高风险集中的区域。这一举措使得人员死亡概率降低到每年3.76×10⁻⁶的水平。提高加氢站的安全性需要在这些设施存在的不同阶段采取一系列措施，尤其在设计阶段和运营阶段。此处呈现的结果表明，在设计阶段对加氢站内主要结构进行合理布局能够减小高死亡风险区域，并将多米诺效应（即仅因其中一个结构发生氢气不受控制泄漏而产生的热通量或压力波导致连续结构受损）的可能性降至最低。这些结果也有助于选择合适的防火墙位置，从而为人员、关键结构和环境提供额外保护。设计阶段的安全分析还应包括加氢站紧邻区域的物体，尤其是那些可能成为氢气点火潜在来源的物体。加氢站还必须配备一套完善的泄漏检测系统，并向操作人员发出警报信号。该系统应覆盖整个氢气处理流程，包括拖车、低压罐和高压罐、压缩机、管道、热交换器和加注机。氢气处理过程中的一个重要因素是对氢气使用者的培训。培训对象不应仅仅局限于加氢站内的员工或外包的维护人员，还应包括前来为车辆加氢的司机。司机的培训内容应涵盖与氢气加注过程以及由于氢气特性使其比碳氢燃料更具危险性而带来的潜在危害相关的主题。来源：气瓶设计的小工程师