氢安全挑战：对生产、储存、运输、利用和基于 CFD 的后果和风险评估的全面回顾

摘要：

       本综述研究了氢，尤其是来自可再生能源的绿色氢，在全球寻找可持续和安全的能源解决方案中的核心作用。使用氢方阵，讨论了整个氢价值链（生产、储存、运输和利用）的安全措施，从而强调了采取平衡方法确保可持续和高效氢经济的必要性。该审查还强调了安全评估中的挑战，指出了过去的事件，并主张使用实证建模、基于模拟的计算流体动力学 （CFD） 进行氢分散和定量风险评估进行全面的风险评估。它还强调了我们的研究小组 SaLAH（安全、风险分析和氢能）通过使用 CFD 模拟和适当的风险评估工具的组合方法，与对氢能相关系统进行更严格的风险评估相关的活动。我们的研究活动目前集中在地下储氢和氢作为氢的运输。

关键词：氢经济;安全问题;氢法规;CFD 模拟;风险评估

1. 引言

近几十年来，世界面临的地缘政治和能源危机需要替代可再生能源 [1]。化石燃料的问题之一是资源可用性;然而，主要问题是这些燃料对生态系统的影响 [2]。世界各地的政治力量一致发起了一项投资和资助研究的运动，以帮助预计到 2050 年的生态转型和全面脱碳。预测显示，全球政府、企业和个人对能源和土地使用系统的总投资每年需要增长 3.5 万亿美元，才能确保在 2050 年实现净零排放 （NZE） [3]。向 NZE 过渡的初始阶段将包括大部分费用，这些费用将在化石燃料生产商和新兴国家之间分配不均，从而增加能源供应中断和价格上涨的风险 [4]。

近年来，氢气已成为一种有前途的替代能源载体，因为它有可能应对气候变化、空气污染和能源安全等挑战。因此，预计实现脱碳的几种前景;氢可能是进入 NZE 重工业和运输的关键 [3,5]。特别是，科学界的兴趣集中在绿色氢气上，这种氢气可以借助太阳能、风能和水力发电等可再生能源通过电解水生产。

到 2050 年，世界能源转型展望预测，绿色氢能将占总能源消耗的 12%。氢技术的可行性预计将在许多应用中取代现有的燃料系统，这在很大程度上取决于生产、储存和安全的成本;此外，尽管绿色氢能有很多好处，但采用绿色氢气也存在许多挑战 [6]。

氢能行业正在经历显着的增长和关注，尤其是在国家和行业寻求减少碳排放和向更清洁能源过渡的情况下。2023 年全球氢气生产和利用市场规模为 1588 亿美元，预计到 2028 年将达到 2570 亿美元，复合年增长率为 10.2% [7]。

氢能行业的一些关键发展和安全问题描述如下

1. 氢能经济的增长：许多国家宣布了雄心勃勃的计划，将氢能作为清洁能源载体进行投资。其中包括在运输、工业和发电等各个领域生产、分配和使用氢气的计划。

2. 技术进步：制氢技术取得了重大进展，包括电解（碱性和 PEM）、具有碳捕获和储存 （CCS） 的蒸汽甲烷重整 （SMR）、生物质的气化，以及最近利用可再生能源生产绿色氢气。

3. 基础设施发展：氢能行业面临的最大挑战之一是氢能生产、运输、储存和分销基础设施的发展。这包括建设管道、储存设施和加氢站进行运输。

4. 安全领域的挑战如下：

• 处理氢气：氢气高度易燃，很容易点燃。氢气的安全处理和储存需要特殊的设备和程序，以防止泄漏并将风险降至最低。

• 氢脆：氢会使金属脆化，这会导致设备和基础设施的结构完整性出现问题，并构成安全风险。

• 运输安全：由于其能量密度低且需要专用容器或管道，因此安全长距离运输氢气可能是一项挑战。

• 公众意识和教育：为了防止事故发生，重要的是要确保公众和氢能行业工作人员都意识到与氢相关的安全风险，并接受正确处理氢能的培训。

5. 法规框架：氢安全法规框架和标准的制定和实施对于确保行业实践满足安全要求和有效降低风险至关重要。

6. 研发：持续的研发工作对于解决安全问题和改进氢气的生产、储存、运输和使用技术至关重要。

总体而言，氢能行业代表了通往清洁能源未来的一条充满希望的道路，但有效解决安全问题对于该行业的广泛接受和成功至关重要。政府、行业和研究机构之间的合作对于克服这些挑战并充分发挥氢作为清洁能源载体的潜力至关重要。这项工作的重点是引入氢作为可持续能源所需的安全措施之间的平衡[8,9,10]。在这种情况下，氢方块可以用作本次讨论的 file rouge（图 1）。氢能方格是一个概念框架，说明了从生产到最终使用的氢能价值链的不同阶段。氢气方块的四个边代表氢气的生产、储存、使用和安全。氢能方格的目标是确保这四个方面保持平衡，以创造可持续和高效的氢经济 [11]。将氢作为主要能源进行部署需要开发强大的氢基础设施，以支持其生产、储存、利用和运输。因此，有必要对研发以及新设施和基础设施的建设进行大量投资。为此，政府、工业界和学术界需要共同努力，克服与氢能部署相关的挑战，包括成本、效率和安全性 [12]。

在这项工作中，讨论了生产、运输、储存和使用中的安全问题，并描述了近几十年来最引人注目的事件。讨论了氢系统的风险评估和风险分析，特别关注后果评估。将使用经验模型获得的结果与使用高级模型 （CFD） 获得的结果进行比较。结果表明，实证模型可能无法预测 H₂色散，因此表明更高级模型 （CFD） 的关键作用。本综述与文献中已有的其他综述（例如 [13,14,15,16]）不同，因为它的目的是全面解决氢价值链每个阶段的主要安全问题，其他综述中也是如此，并详细讨论氢的主要法规、标准和指南，以及最重要的是讨论使用经验建模和 CFD 模拟来评估后果和风险分析。因此，本综述强调了需要解决的主要安全问题、主要监管差距、经验建模的局限性、CFD 模拟的主要潜力，以及当前关于风险分析的文献结果，这些结果可以通过对氢的后果进行严格的 CFD 模拟来解决。

图 2 总结了审查方案。

2. 氢金字塔：生产、运输、储存和使用的安全性

• 低点火能量：比碳氢化合物低一个数量级;

• 由于其特殊的化学和物理性质，具有高反应性;

• 蒸发倾向：这会导致安全问题和经济损失;

• 较宽的可燃性限值：空气中 4–75%，相对于甲烷来说非常宽（不同的 ATEX 类别）;

• 爆燃到爆震的转变：这种转变很容易发生，并且在大规模系统的情况下经常观察到;

• 燃烧速度高：层流燃烧速度明显高于许多其他燃料;

• 氢气无色、无臭、无味：添加剂不容易添加;

• 与材料的高反应性（脆化）：需要在材料研究方面进行大量投资;

• 低气体密度和扩散性：在释放的情况下表现特殊，它可以在密闭空间的上部分层。

• 
  

     因此，氢气生产、储存、运输和利用设施的设计必须防止、检测和减轻氢气释放。安全系统，如气体检测和紧急关闭系统，必须特别设计并安装在所有氢气生产/运输/储存/使用设施中。通过确保这些安全措施，并为参与氢气生产、储存、运输和使用的人员提供安全培训和协议，可以将与氢气相关的风险降至最低，从而实现氢气的安全使用。在这篇综述中，我们决定将氢方格的演变、氢金字塔视为口头禅，包括氢运输，因为它在氢价值链中发挥着关键作用（图 4）。在经典的氢能方格 [8,9\u201210] 中，向氢经济的过渡被提议为一个方格的分辨率，其顶点包含生产、储存、利用和安全。在我们看来，安全必须发挥首要作用，因此应将其作为所有其他行业的基础。金字塔的其他层排成一排，典型的工作链如下：生产、运输、储存，最后安全使用用于各种目的的氢气。事实上，安全是一项中心活动，必须确保并研究所有涉及 H 的技术₂.

2.2. 生产中的安全问题

氢气生产涉及几个需要解决的安全问题，以确保工人和环境的安全流程。传统的制氢方法，例如蒸汽甲烷重整方法，需要处理高压气体和危险化学品。如果不遵守安全协议，这可能会增加事故风险。另一方面，电解等创新的制氢方法也可能带来安全挑战，包括高压设备的处理和有害气体释放的可能性（表 1）。

近年来，氢气生产过程中发生了几起事故，凸显了安全措施的重要性。1996 年，蒸汽甲烷重整器 （SMR） 发生管道破裂。破裂发生在一根直径为 24 英寸的不锈钢管中，该管用于在启动期间引导工艺气流流经高温变换转换器 （HTS）。当管道破裂时，位于破裂上游和下游工艺设备中的工艺气体流入 SMR 工厂堆场。逸出的工艺气体是氢气、一氧化碳、二氧化碳、蒸汽和甲烷的混合物，压力为 550 psig，温度为 650 °F。 逸出的高压气体导致能量释放和随后的火灾。2001 年，一家制氢厂（使用电解）因高压氢气供应管线开始的震荡燃烧而发生火灾并造成重大损坏。高压氢气供应管线的一次爆炸导致储存组上的焊缝和接头失效，从而释放出大量氢气。逸出的氢气自燃导致二次爆炸和火灾。最初爆炸的原因是高压进料管中爆炸性氢氧混合物的自燃。结论是氢电池中的氧气进入了该系统[26,27]。

绿色氢气生产也发生了几起事故。2019 年 5 月 23 日，韩国江陵 19 的碱性水电解试验工厂发生氢气罐爆炸;它造成 2 人死亡，6 人受伤。调查发现，氢气分离器爆炸是由于低负载下的氧气溢出和人为错误。起火是由静电引起的，因为没有适当的接地连接。另一起事件发生在 1975 年 4 月 5 日，地点是英国伊尔福德的 Laporte Industries Ltd.。氧气裂解分离器因膜破裂而爆炸后，一名操作员因热电解质 （30% KOH） 严重皮肤灼伤而死亡。原因是由于污泥堵塞导致网腐蚀和电池密封件损坏。这导致氢气泄漏到氧-气-液分离器中[26\u201227]。

为了解决这些安全问题，已经为氢气生产制定了安全协议和法规。这些法规要求使用安全设备和对工人进行培训，以及监控和报告安全事故。此外，正在进行研究以开发更安全的制氢方法，例如使用可再生能源。

2.3. 运输中的安全问题

氢气运输涉及几个需要解决的安全问题，以确保工人和公众的流程安全。氢气高度易燃，很容易点燃，从而导致潜在的事故和爆炸。此外，氢气运输涉及使用高压容器和管道，如果维护不当，可能会带来安全风险。Hythane 是氢气和天然气的混合物，是另一种正在探索用于运输的氢燃料。虽然与纯氢相比，氢烷的爆炸风险较低，但由于使用高压容器和管道，它仍然存在安全挑战。

近年来发生了几起氢气运输事故，凸显了安全措施的重要性 [27]。2003 年，当固定氢气瓶组的氢气运输拖车上的紧固件出现故障时，发生了氢气泄漏和随后的爆炸。紧固件的故障导致氢气瓶组从拖车上掉落，一些装有 200 bar 压力的压缩氢气的钢瓶被扔到道路上。火花或其他局部热源（例如，来自附近的汽车发动机）点燃了泄漏的氢气并导致爆燃/爆炸，损坏了拖车后面的一辆汽车，并砸碎了附近房屋的窗户。2004 年，在将氢气运输到商业设施时，一股氢气从液氢运输卡车的卸货阀中泄漏。气体羽流被点燃，引起闪电和震动，其声音足以在附近的建筑物中听到，并引爆了建筑物的地震探测器。少量氢气继续从拖车油箱中泄漏并燃烧，直到近 8 小时后，公司专家赶到并手动关闭了一个关键阀门。此事件的真正原因似乎主要是驾驶员错误。标准安全程序要求的几个步骤要么应用不正确，要么完全遗漏[26,27]。注意适当的程序可以防止这些事故的发生。这些事故还凸显了对氢气特性和行为进行全面培训的必要性，这不仅对加氢操作员，而且对应急响应人员和公众也是如此。氢气的物理和化学性质与化石燃料不同，在处理和使用氢气时必须进行沟通、理解和考虑。因此，为了解决这些安全问题，已经为氢气运输制定了安全法规和指南。这些法规要求使用安全设备和对工人进行培训，以及定期检查和维护氢能运输基础设施。此外，正在进行研究以开发更安全的氢气运输方法，例如使用更安全的储存材料和开发更好的泄漏检测技术。

2.4. 储存中的安全问题

储氢方法有多种，包括压缩气体储存、液氢储存和固态储存。为了增加储存密度，可以将氢气压缩并储存在高压罐 （350–750 bar） 中。液氢储存包括将氢气冷却至极低温度 （-253 °C） 并将其储存在绝缘罐中。此外，低温压缩氢气 （CcH2） 存储是指 H 的存储2在低温下，在可以加压的容器中（标称为 250-350 个大气压），而不是目前储存液氢的低温容器 （LH2） 在接近环境压力下。在固态存储中，氢气以物理或化学方式储存在碳纳米管或金属氢化物等固体材料中，而液体有机载体的使用包括加氢和脱氢步骤的化学循环。在液体和固体化学品储存系统中，脱氢步骤都需要热量，放热加氢的典型反应条件是高压（1-5 MPa）和373-523 K的温度[28]。上述系统被认为是安全实用的，因为氢气可以作为液体或固体储存和运输，消除了与气态氢相关的安全和储存问题。然而，大多数使用的材料本身都是易燃和/或有毒的，这在任何情况下都会带来安全问题;此外，在某些情况下，由于在放电阶段与氢气相关的协同效应，氢气的存在加剧了固有的危险[29]。所有这些技术都将恶劣的工作条件（高温和/或高压和/或易燃固体颗粒）与本质危险的气体 H 相结合2，从而导致高风险系统（表 2）。

过去发生了几起涉及储氢的事故，凸显了安全措施的重要性 [16]。1999 年，一家储氢设施发生火灾。一名员工在调整了储氢罐上的阀门，为注氢系统的调试做准备后报告了火灾。该员工穿着阻燃防护服，并且能够快速爬过围绕氢气区的 3 米高的围栏，因此没有受伤。当地消防队在外部支持下灭火，直到氢气供应耗尽，大约 6 小时后宣布大火熄灭。1969 年，用于储氢的球形容器发生爆炸。球体被放置在赤道周围的氯丁橡胶膜分成两个半球。氢气储存在膜下，而上半球则包含空气。球体的上部是一个防爆风扇，它在膜的顶部提供轻微的超压。当工厂因当地假期而关闭时，氢球顶部的风扇也被关闭。两天后工厂启动时，球体壳被爆炸撕成许多碎片，其中一些被抛出 1200 英尺。其中一些碎片击中了易燃液体储罐，并撕裂了相邻建筑物的屋顶。周围建筑物的大部分窗户都被冲击波震碎。幸运的是，没有严重损伤[26,27]。对该设备的维护、系统监控和监督不足可能会导致难以扑灭的火灾，并对应急人员构成高度危险。对储氢设备采取适当的维护、监测和监督措施可以最大限度地降低火灾或爆炸的风险。

2.5. 使用中的安全问题

氢气利用涉及在各种应用中使用氢气作为燃料源[30]，包括燃料电池汽车[31,32]、发电和化工生产。虽然氢气是一种清洁高效的燃料来源，但必须解决安全问题，以确保氢气利用技术是安全的。氢利用中的一个潜在安全问题是氢燃料电池汽车的加氢问题。加氢站的设计和操作必须安全，以防止事故发生并确保驾驶员和加氢站人员的安全。事故 [27] 过去曾发生过，例如 2019 年挪威的一个加氢站起火，这是由高压储罐泄漏引起的。2012 年，加氢站高压储存管道上的泄压装置阀发生故障，释放出约 300 公斤氢气。气体在排气管的出口处点燃并燃烧了两个半小时，直到当地消防队的技术人员能够进入加气站并停止气体流动。事故中，消防员疏散了附近的企业和一所小学，封闭了附近的道路，并指示一所高中避难[26,27]。氢气利用中的另一个安全问题是氢燃料电池的使用。虽然燃料电池通常是安全的，但如果氢气从燃料电池堆或储罐中泄漏，则存在爆炸和/或火灾的风险。燃料电池汽车事故加强了对驾驶员、主管和应急响应人员进行培训的必要性。2011 年，在为燃料电池动力叉车的氢气箱加油时，在完全空的氢气箱中发生了严重的氢气泄漏。油箱中的截止电磁阀最近被更换了，这是更换后的第一次加油操作。燃油区检修面板被拆除，以便使用泄漏检测液进行连续的目视泄漏测试。该事故发生在修复系统的最后一次压力测试期间，当时 O 形圈在大约 4500 psi 的压力下失效，氢气罐的全部内容物在大约 10 分钟内被释放 [27]。

最后，使用氢气作为原料生产化学品时也存在安全问题。氢气是许多化学生产过程中的关键成分，但如果处理不当，可能会很危险。2006 年，在一家合成合成厂重启期间，合成气（50% 氢气与甲烷、氨和氮混合）点燃并从合成反应器正后方的法兰泄漏。由于技术问题，该工厂已关闭约 90 分钟。该事故是由于不适当拧紧泄漏法兰螺栓上的扭矩引起的，该扭矩不适应事故发生时的特殊运行条件（即，由于相对较短的停机时间，螺栓和法兰之间的温度差很大）[27]。2006 年，一家合成氨生产厂的 6 英寸合成涡轮增压器阀法兰上的氢气泄漏点燃并爆炸。氢气探测器和火警警报器提醒了控制室，控制室立即关闭了工厂，随后火势很快被扑灭。逸出的气体是 70% 的氢气，流速为每小时 15,000 立方米。为了解决这些安全问题，已经制定了氢气使用的安全法规和指南。这些法规要求使用安全设备和对工人进行培训，以及定期检查和维护氢利用基础设施。此外，正在进行研究以开发更安全的氢气利用方法，例如在燃料电池中使用更安全的材料以及开发更好的氢气泄漏检测系统。

3. 氢气安全和法规

一般来说，对安全系统设计和氢系统改进的关注不足。事实上，在大型绿色氢资本支出项目中，只有 0.2% 的支出与安全相关 [33]。法规的实施及其不断更新必须首先导致消除氢相关事故的主要原因。根据欧洲工业气体协会 （EIGA） 数据库 [34]，自 1976 年以来，已发生 208 起与氢气生产、储存、运输和使用有关的重大事故，其中约 21 起发生在过去十年中。这些事故中约有 20% 是由阀门故障或泄漏引起的，包括连接点 （16%）（图 5）。另一方面，近 26% 的事故是由于人为错误造成的，而由于污染（例如空气）和材料不相容性造成的事故则不太常见（图 6）。

IFC 使用规范性和与性能相关的规定来确定防火和保护系统的最低要求。该规范与 NFPA 72 中包含的要求非常相似，并更新了能源转型和氢利用的新应用 [42]。ISO/TS 19880-1：2020 包括关于为轻型陆地车辆分配气态氢的加氢站的安全和性能的最低设计特性的几项建议。报告了检测系统和风险评估的额外要求，以设置对警报的适当响应 [43]。关于欧洲和美国的主要监管代码，NFPA 2：2023、NFPA 55：2023 和 NFPA 853：2020 是氢气最常用的法规 [44,45,46]。

表 4 报告了这些 NFPA 标准最重要的范围和部分的摘要。

有关如何执行、设计和使用特定氢基系统的所有建议通常都包含在技术报告和指南中。最常用的方法之一是 ISA TR 84.00.07：2018，这是一份技术报告，可用于评估火灾、可燃和有毒气体系统的有效性 [47]。

本指南的主要范围包括以下内容：

• 提供示例场景，以演示基于性能的概念在分析和设计消防和气体系统 （FGS） 中的应用;

• 为火灾和气体探测器的分配提供基于性能的方法。该方法为在可能需要易熔塞（火灾）的情况下更有效地进行危险检测和探测器放置提供了考虑因素;

• 定义一种方法来解决 FGS 缓解特征的设计和有效性，这些特征与用于设计和评估预防特征有效性的基本原则一致。

4. 氢系统的风险评估和后果分析：对实证模型的批评

风险评估需要了解结局发生的概率和后果的量化[51,52]。对事故发生可能性的评估主要依赖于通过实证模型对过去事故的统计分析。然而，氢气事故的数量较少，与可用数据相关的不确定性很高，这使得准确预测风险变得具有挑战性。此外，经验模型可能不会考虑所有可能导致事故的潜在故障场景或人为错误。因此，需要考虑所有可能场景和因素的更全面、更可靠的风险评估方法。这些可能包括概率风险评估和故障树分析，它们可以更准确地描述与氢系统相关的风险 [53]。

在孔口生成的情况下，可以使用基于名义喷嘴的不同模型来计算高压氢气射流中的现有质量流量。可以使用名义喷嘴代替实际喷嘴，作为虚构喷嘴或伪喷嘴，该喷嘴占据更高的面积，但在环境压力和匀速下具有与真实喷嘴相同的流速。现有的模型在质量守恒[54\u201255]、动量守恒、射流温度[56]、膨胀类型、使用不同的状态方程计算真实气体性质而不是理想气体定律、能量守恒以及名义喷嘴的位置作为马赫数的函数[57]58]。关于后果的评估，文献中可用并广泛使用的经验模型因其对氢系统的适用性而受到批评。特别是，分散的量化通常使用经验模型进行，假设气体表现为被动流体（Pasquill-Gifford模型），并在发生泄漏或释放时迅速分散[51]。氢的密度非常低，然后以正浮力分散。许多实证模型没有考虑到这种行为，这可能导致低估了与氢相关的风险。为了解决这个问题，需要更复杂的模型来考虑浮力气体的行为。

Houf 和 Winters （2013） 建立了一个能够捕获高压液态和气态氢释放的模型 [59\u201260特别是，由于动量作用、欠膨胀流动、氧和氮的初始夹带和加热以及流动的充分发展，释放和分散被离散到加速流动的不同区域。应该注意的是，在低温氢的情况下，由于极低的温度，氧气和氮气可能会从夹带的空气中凝结，因此很难计算近流动区域的特性[59,60\Briggs（1984）提出了一个假设最初向上的羽流轨迹的一般方程，并考虑了动量和正浮力的组合[62]。除了批评它们对浮力气体的适用性外，用于氢系统风险评估的经验模型还因其对氢的高扩散率的处理而受到批评。由于氢气具有高度扩散性，因此在释放或泄漏时会迅速与空气混合，从而导致形成易燃或易爆混合物。实证模型可能无法完全捕捉到氢在环境中的快速混合和分散，导致低估了与氢系统相关的风险。为了解决这个问题，可能需要更先进的建模方法，将氢在分子尺度上的传输和混合相结合。这些可能包括分子动力学模拟和计算流体动力学 （CFD） 模拟，它们明确模拟单个氢分子的行为。除了 H2分散，还有对 H 影响的量化的关注2火灾和/或爆炸。在气态（或闪蒸氢气）持续释放并立即点火的情况下，可能会发生喷射火。在这种情况下，Houf 和 Schefer （2007） 提出的模型可以计算在不同种类的高压氢释放情况下笔直、湍流射流火焰产生的热辐射 [63]。

然而，最近对两个水平排列的氢火焰的热通量的大规模测量表明，目前的方法低估了火焰的辐射部分 40% 或更多。最近，为了考虑可能导致这种低估的浮力效应，Ekoto等人（2014）开发了一个辐射火焰模型，该模型也通过两次大规模氢射流燃烧得到验证，该模型在标称停滞压力为60 bar时释放压缩氢气[64]。有几种方法可以预测无侧限蒸汽云爆炸 （UVCE） 产生的冲击波强度与到蒸汽云的距离的函数关系。最近的工作使用 TNT 模型、TNO 模型、Baker-Strehlow-Tang （BST） 模型和 Dorofeev 模型来预测无侧限氢云的爆炸强度。结果表明，TNT模型预测的爆炸超压在与其他模型相同的距离上会更高[65,66,67,68关于伤害和损失模型，LaChance et al. （2011） 试图统一用于氢基础设施定量风险分析的伤害标准 [69]。在热危害的情况下，有几种概率模型可用于评估热辐射[70,71,72]。其中，LaChance 等人（2011 年）建议将 Eisenberg 和 Tsao 和 Perry 概率模型用于氢相关应用。在超压伤害的情况下，在所有可用的概率模型 [52,73,74,75LaChance 等人（2011 年）建议使用 TNO 概率模型，并指出超压事件的间接效应是人们最关心的问题。事实上，造成致命肺损伤所需的超压远高于将人投向障碍物或制造可穿透皮肤的导弹所需的水平。此外，建筑物内的人更有可能死于结构倒塌而不是肺损伤。表 5 总结了用于氢基系统简化后果分析的所有主要经验模型。

5. 氢分散的 CFD 模拟及其后果和风险评估

为了克服与经验模型相关的限制，需要基于动量、质量和能量平衡方程之间耦合的更高级模型（计算流体动力学，CFDs）[76,77]。这些模型是模拟复杂几何形状和流动条件下氢分散行为的强大工具。关于这个主题已经进行了大量研究，在模型、几何和假设方面具有不同程度的复杂程度 [16]。总的来说，这些工作集中在气态氢分散的 CFD 模型上，以研究有限空间内的释放。这是因为，由于上述特性，氢气在开放大气中容易稀释，并在封闭空间的上部积聚和分层，从而导致重大火灾和爆炸风险。这种行为无法用经验模型来捕捉。因此，关于大气中释放物的研究较少[78]，例如管道中孔洞的产生[79]，而对隧道、车 库、燃料电池室[32]和一般封闭空间中的释放物的研究更频繁[80,81,82,83,84,85,86].文献中的模型主要在方程求解方法、几何结构、边界条件、子模型的湍流和使用的 CFD 代码方面有所不同。文献结果表明，雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 和大涡模拟 （LES） 模型在氢的运动场和浓度预测方面没有显著差异 [87]。在喷射火的 CFD 建模中，通常使用 LES 方法来更好地捕捉（至少是大的）漩涡与火焰前沿的相互作用。这种相互作用无法通过使用经验模型来捕捉，即使是最准确的模型。在这些模型中，还对辐射热通量的评估进行了建模。文献结果主要包括温度和热通量图，以最终计算对相邻区域建筑物和人员的损失[88,89,90,91]。通风对闪火方向和火焰倾斜度的影响经常被考虑在内。也可以通过CFD仿真来评估洒水装置等保护装置的效果，以设计保护系统或验证其适当的设计[92]。在评估低温条件下储存的液态氢意外释放的后果时，模型方程更加复杂。释放后，氢气几乎完全爆燃，但由于温度非常低，在释放地点附近会形成液氢池，其中还含有液氮和氧气。因此，在立即着火的情况下，可能会导致介于喷射火和泳池火之间的混合情况[52,93]。对于液氢的释放和分散，目前文献中可用的CFD模型使用RANS方法[94,95,96,97在这些模拟中分析的一些影响色散的最重要因素是风速、风温和地面温度。在最近的一项研究中，Sun et al. （2023） 研究了空气冷凝对土池形成的影响 [98]。结果表明，一旦释放完成，冷凝空气分数就会增加，因为动量引起的湍流有利于与空气的热交换。然而，论文仍然指出，即使在改进计算网格时，也很难准确捕捉云在近场区的行为。为了克服这个问题，Kangwanpongpan等人（2024）提出了加压罐排气过程中两相（液-气）氢行为的LES模型[99]。LES 模型预测 LH2 储罐减压过程中的物理现象，包括压力恢复以及储罐中 LH2 液位和温度的动态变化 [99]。与点燃液氢研究相关的论文仍然很少。火焰的建模总是使用 LES 方法进行，一些最常研究的参数是温度和释放压力 [100,101]。

在这些情况下，验证结果是最复杂的步骤之一。在池火的起源方面，最近的一项研究表明，设计适当的洒水器可以起到保护措施的作用，以及它们在不同液滴大小下的效率[102]。

在高压下意外释放氢气的延迟爆炸是燃料电池汽车生产厂、运输线和充电线安全研究的重要风险情景。Vyazmina等人（2016）提出了一项通过CFD商业代码FLACS进行数值研究，以确定高压氢气射流的最坏点火位置[103,104]。

FLACS 使用 RANS 方法进行流体力学建模，使用 k-ε 模型对涡流粘度进行建模。结果表明，在对应于65%浓度的位置点火时，可以获得最大超压，并用于提出一种使用TNO多能模型确定爆炸强度的新方法，其中强度指数是质量流量的函数[103,104]。Middha 和 Hansen （2009） 开发了一项 CFD 模拟研究，以预测在两种不同隧道布局和多种纵向通风条件下，氢能汽车在隧道中的定量爆炸风险，这为 HyTunnel 项目提供了支持[105,106,107结果表明，对于所分析的隧道配置，最大可能的压力负荷约为 0.1-0.3 barg，这代表了有限的人类死亡风险，并且通风速度在压力降低中起着很小的作用。

CFD 仿真是研究氢安全和设计安全措施的重要工具。已经对氢释放的 CFD 模拟进行了许多研究，但对氢烷释放的研究较少。已经进行了许多实验研究来捕捉加氢对甲烷爆炸性的影响[108,109,110]，并且还进行了一些氢烷释放的CFD模拟[111,112]。

对地下管道中单独的甲烷进行了事故频率的风险评估[113]。总体而言，这些研究表明，与纯氢相比，氢烷具有不同的爆炸特性，并且混合物中甲烷的浓度在决定爆炸行为方面起着重要作用。然而，从未对这种氢运输系统进行过完整的风险评估[114]。表 6 总结了氢分散的所有主要 CFD 仿真结果及其后果。

上面讨论的文献结果表明，用于氢气生产、运输、储存和利用的系统应由 CFD 等高级模型进行定量风险评估。然而，文献中很少有严格的基于 CFD 的定量风险评估 （QRA） 的完整示例。Middha 和 Hansen （2009） 提出了一种基于 CFD 的氢系统爆炸风险评估方法 [78,105,106]。此方法包括三个不同的步骤，其复杂程度逐渐增加，如下所示：

• 最坏情况评估，化学计量云覆盖整个几何结构;

• “现实的最坏情况”评估，其中通过通风模拟释放，并估计“现实”易燃云的最坏情况;

• 概率风险评估，其中模拟了一系列释放和通风条件，建立了云量分布，并模拟了各种云量的爆炸。

根据可能的释放场景，该方法使我们能够根据可能的爆炸压力暴露和发生频率准确估计给定系统的总体风险。因此，建议在制定氢应用的法规、规则和标准时积极使用和依赖这些方法。Kashkarov等人（2022）还提出了一种隧道火灾中储氢罐破裂的定量风险评估方法，其中使用无量纲相关性对产生的爆炸波的影响进行后果分析，该方法通过实验数据和CFD模拟开发和改进[115,116]。

在大多数情况下，CFD 仿真用于后果分析或仅用于对氢分散进行建模，结果用于建立指导方针和建议，以提高系统的本质安全性。例如，Guan 等人（2023 年）开发了一个 CFD 模型，根据船舶的参数分析氢燃料电池室中的氢分散行为和浓度分布。研究结果被用于适当设计氢气检测器的布局和氢气供应系统 [82]。Wang 等人（2023 年）开发了氢气泄漏和制氢容器扩散的 CFD 模型。然后使用等效 TNT 方法评估氢气泄漏的危险程度，将获得的超压与典型的直接损害和间接伤害人类的关注程度进行比较 [117]。Lin 等人（2023 年）在概念性海上制氢平台中对意外氢气火灾进行了数值模拟和后果分析。不同的危险区域仅根据温度进行分类 [118]。