储氢库爆炸和氢动力铁路应用的安全考虑——综述
关键词：储氢;爆炸;铁路应用;安全
1. 引言
近年来，氢能应用在全球几乎所有行业中迅速扩展。作为最有前途的清洁能源之一，由于对碳排放的担忧日益增加，氢气有可能取代化石燃料。此外，氢气具有更高的能量密度，特别适用于广泛的领域，包括新能源汽车、铁路运输、储能和发电。然而，氢气的广泛采用受到其高度易燃和易爆性质的挑战。氢气在空气中的易燃浓度范围很广，需要的点火能量比汽油或天然气低，因此更容易着火。意外爆炸和由此造成的损害凸显了氢气安全的重要性。在最近的例子中，奥地利 [1] 测试期间的氢气罐爆炸对测试设施造成了大面积破坏，而澳大利亚的阀门故障 [2] 导致加压氢气释放，导致爆炸和火灾，造成三名工人受伤。在法国 [3]，化学材料转移过程中的液体泄漏引发了氢电解槽工厂的化学爆炸和火灾。
氢气安全面临的挑战源于其独特的特性，包括其易泄漏、点火能量低、可燃范围广、浮力和易脆性 [4]。由于氢分子体积小，氢气泄漏在设施、存储系统、车辆和管道中很常见，导致通过钢和密封件的泄漏率是天然气的三倍 [5]。氢气的爆炸特性已被广泛研究。氢气的无色、无臭、快速扩散、点火能量低、火焰传播速度快以及可能引起脆化等特性使氢气的生产、运输、储存和使用特别危险且容易发生事故[6]。表 1 总结了参考文献中报告的典型事故 [6,7,8]。表 1.[6,7,8] 中报道的典型事故摘要。
研究表明，设备故障一直是大多数 H 的重要因素。2相关的火灾和爆炸 [7]。设备故障，包括管道破裂、配件故障和阀门故障引起的氢气泄漏，是此类事件的主要原因，占分析的 120 起氢气事件的 35.78% [9]。
氢能会导致化学和物理爆炸 [10]。涉及氢气的化学爆炸通常表现为爆燃、爆炸或闪火。氢气沸腾液体膨胀蒸气爆炸 （BLEVE） 是一种物理爆炸，当装有液化氢 （LH2） 的储罐发生灾难性破裂时，通常会在大气压下高于其沸点的温度下发生。氢气 BLEVE 事件通常涉及压力和低温条件下的液化氢气。根据氢气与空气的混合方式，BLEVE 的后果可能包括火球、蒸气云爆炸或闪火（如果存在点火源）。严重后果包括爆炸、明显的冲击波超压以及爆炸喷出的油箱碎片。
尽管已经对氢气的安全特性进行了大量研究，但已经确定了更多的研究课题 [11]。其中包括优化高压氢泄漏反应和湍流建模的动力学机制，探索液氢释放后氢云的膨胀和稀释行为，研究泄漏氢的自燃机制及其相互作用，以及研究氢与其他组分对材料的协同损伤效应。特别是，未来的研究应侧重于了解氢云在空气中的扩散和稀释过程，以及泄漏氢气的自燃机制 [8]。目前，对意外泄漏后高压氢扩散的研究有限 [12]。大多数关于氢泄漏、扩散和传输的研究仍然以数值模拟为中心，实验工作有限。因此，未来高压氢气泄漏和扩散的实验研究对于揭示各种操作条件下的扩散和输运行为至关重要，为氢能的应用、推广和使用提供更有力的安全保障。此外，开发广泛接受的风险评估方法/工具对于预测现有氢能设施的事故和设计安全的新氢系统至关重要。然而，由于氢气利用系统的复杂性和多样性，这两者都仍然具有挑战性。
近年来，氢动力铁路运输发展势头强劲，尤其是在客运服务方面。2018 年，Coradia iLint™（德国萨尔茨吉特）成为世界上第一列由氢燃料电池 （FC） 提供动力的客运列车，并在德国投入商业服务 [13]。该列车产生牵引电力，无需二氧化碳 （CO2） 排放，仅排放水作为废气。氢气储存在机载油箱中。然而，与柴油相比，氢气的能量密度较低，目前限制了其将能量转化为机车动力的能力，从而降低了其牵引能力。2023 年，中国中铁机车股份有限公司 （CRRC） 推出了世界上最强大的氢动力机车宁东 [14]，其 270 kg LH2 的容量能够运行长达 190 小时，只需两个小时即可为其 270 kg 的 LH2 加油。氢气燃料电池系统的安全特性包括防爆设计、智能监控、机械联锁、防火和隔热组件，以及将储氢与燃料电池隔离的防火墙。此外，储氢室还安装了独立的通风系统。与氢动力铁路应用相关的安全问题，尤其是爆炸风险，变得越来越突出。本文系统综述了在高压和低温下运行的储罐中的氢气爆炸、运输过程和使用场景。它涵盖了氢气爆炸的基本原理和分类，以及分析方法，包括实验测试和数值模拟。讨论了影响氢气爆炸的关键参数，并讨论了铁路应用中氢动力机车的安全注意事项，以及推荐的安全措施。
2. 氢储存和加氢站
2.1. 储氢分类
有两种主要的储氢技术：物理和基于材料的方法 [15]，如图 1 所示。
图 1.当前的储氢技术 [15]。
在图 1 中，物理储存方法包括压缩气态氢（CGH2,35-70 MPa）、冷冻压缩氢气（CcH2，最高 30 MPa）和液化氢（LH2,0.4-1.6 MPa）。通常，较高的压力和较低的温度水平会导致更大的能量密度。虽然基于材料的存储方法可以实现更高的能量密度，但它们也存在明显的缺点，例如重量增加和系统要求更严格。此外，金属氢化物技术受到恶劣的操作和燃料条件的限制，金属氢化物材料的高成本构成了商业化的障碍 [15]。因此，这些系统很少用于运输应用。在可预见的未来，CGH2 存储系统仍将是包括轻型轨道车辆在内的车辆的主要车载存储技术，因为它们能够满足当前需求并且相对成熟。
储氢系统必须满足一系列安全、操作、经济和用户舒适度标准。目前，由于与其他燃料相比，CGH2 的体积密度较低，因此通常储存在金属或复合罐和容器中，用于各种应用。由于其简单的存储结构和快速充放电能力，它是加氢站和氢动力汽车中最常用的选项。车载储氢罐通常分为四类：I.、II.、III 和 IV 型 [16]。车辆中仅使用 III 型储罐（压力高达 45 MPa）和 IV 型储罐（压力高达 100 MPa），它们由包裹在复合材料中的聚合物衬里组成 [17]。CGH2 通常在 25、35 或 70 MPa 的压力下储存 [18]，更高的压力在行驶里程和空间利用方面提供更好的经济效率。
LH2，密度高达 70.9 kg/m3在 20.4 K 和大气压下，通常储存在由两个金属罐组成的双壁容器中，这些金属罐由填充有绝缘材料（例如珍珠岩粉）或多层绝缘的真空夹套隔开。鉴于LH2的沸点极低（-253 °C），这种设计有助于防止LH2容易蒸发[10]。与 CGH2 相比，LH2 的液态氢对于大规模和长距离氢气运输更加高效和具有成本效益。尽管 LH2 的围压相对较低，通常小于 0.7 MPa，但 LH2 的低温会使各种储罐材料脆化，可能导致安全壳装置突然出现裂纹 [19]。目前，由于需要真空绝热和辐射屏蔽来最大限度地减少热量流入，因此创建具有成本效益的液氢罐系统具有挑战性 [20]。金属氢化物提供了另一种选择，但由于分解温度过高或过低以及体积或重量储存容量不足，大多数氢化物都不适合使用。
2.2. 铁路应用中的储氢
大多数氢动力铁路机车都配备了多个 35 MPa CGH2 气瓶 [21]，以确保足够的运行范围，这更适合轻轨或城市列车机车。目前，制造商提供各种用于氢动力列车的 35 MPa CGH2 III 型和 IV 型氢气罐 [15]。例如，阿尔斯通的 Coradia iLint 原型配备了 32 个安装在屋顶上的 IV 型气瓶，续航里程可达 1000 公里。35 MPa CGH2 储罐系统比 LH2 或 70 MPa CGH2 系统便宜。然而，这种氢动力机车的配置增加了管道和阀门的复杂性，占用了更多的空间，并且由于氢气泄漏的风险而引发了安全问题。
对于长途和重型货运机车，由于氢需求量很大，CGH2 存储技术可能不适合。迄今为止，长途重型机车还没有广泛采用的商业储氢技术，与主要使用 35 MPa 存储系统的客运列车相比，机车需要更多的能源。一些研究提出了能源招标，以提高铁路运输的储氢能力，但还需要进一步研究 [15]。
LH2 储存技术是一种潜在的选择，但在建立 LH2 供应站、支持基础设施和安全系统方面仍然存在挑战。另一种可能性是 CcH2 技术，它可能成为铁路机车的下一代车载储能解决方案。然而，它仍处于原型阶段，尚未准备好大规模商用 [21]。韩国铁路研究所和现代 Rotem 的 LH2 机车示范预计将于 2024 年完成 [22]。基于材料的存储系统也因其更高的储氢密度、安全性和紧凑的设计而具有吸引力，尽管它们目前更适合固定应用[23]。一旦与这些系统相关的挑战得到解决，它们就可以取代当前的技术，成为机车储氢的未来标准。
2.3. 加氢站
全球加氢站的数量急剧增加。截至 2019 年底，全球有 432 个正在运行的加氢站 [24]，其中大多数在 35 MPa 下运行，尚未测试大规模基础设施。加氢站[24]被描述为由生产氢气的电解系统、电解发生系统压力为3.5 MPa的储氢系统、高达50 MPa的氢气压缩系统、高压储氢系统（50 MPa，使用IV型储罐）和每个加氢机最大流速为7.2 kg/min的高流量加氢机组成。 能够供应多达 20 辆 Coradia iLint 列车。
图 2.HDV 的 LH2 加氢站概念设计 [26]。
铁路加氢站 （HRS） 的基本布局取决于几个因素，主要与不同的氢气输送和储存概念有关 [15]。影响 HRS 布局的关键因素包括所需的加注速度、充电状态 （SoC）、要加注的车辆数量、必要的氢气量以及并联加注的需求。天然气行业的制造商越来越多地提供移动式 HRS 概念，特别是用于各种运输方式的集装箱和拖车加氢解决方案，主要用于测试和演示目的。
一个重要的问题是缺乏针对储氢系统 （HSS） 使用的铁路特定法规和标准 [15]。其他氢气使用领域的现有法规与铁路特定标准相结合，可以解决大多数危险。然而，一些风险仍然必须单独管理，并且尚未建立解决这些危害的统一程序。本文对加氢站建设和维护的现行法规进行了全面的战略概述[25]，解决了对加氢站（HRS）的设备和运营标准缺乏系统分析的问题。
介绍了一种重型车辆 （HDV） 的概念性加氢站设计 [26]，其中有两种将 LH2 从加油站转移到 HDV 的方法：通过泵系统或压力构建回路，如图 2 所示。在建压回路中，LH2 通过蒸发器/加热器，以气态氢 （GH2） 的形式返回低温罐。然后，加压的 GH2 将 LH2 的流出水箱。与泵系统相比，压力构建回路具有一些优势，例如减少对电力和移动部件的需求，但它也会增加整体蒸发，需要更多的 LH2 来维持适当的系统压力。如前所述，与 CGH2 相比，使用 LH2 作为车载燃料具有更高的存储容量和更快的加油速度等优势。然而，人们担心蒸发造成的氢气损失、潜在的安全隐患、低温氢燃料的规范和标准存在差距，以及LH2系统在广泛运输应用中的技术挑战[26]。
3. 氢气爆炸的基本原理
氢是自然界中最轻的元素，无色、无臭、无味，对人类和环境无害。然而，氢气的体积密度非常低 （0.0838 kg/m3），使其难以检测且肉眼不可见。由于其点火能量低，在氢气应用中必须避免所有可能的点火源。氢气燃烧需要三个基本条件 [19]：
1. 氢气的适当浓度：氢气-空气混合物的可燃性极限约为 4% 至 75%。各种因素都会影响氢气的可燃性极限，包括温度、压力、稀释剂的存在以及周围结构的形状。根据 ISO 标准的建议，氢气-空气混合物的爆燃范围在 18% 到 58% 之间。
2. 氧化剂的合适浓度：对于氢气爆炸，当量比（氢氧比除以化学计量）在无障碍物时约为 1.6，有障碍物时在 0.9 到 1.3 之间。
3. 能量充足的点火源：在大气压 （101.3 kPa） 和环境温度下，氢气的最小点火能量约为 0.02 mJ。危急事件通常被描述为氢气爆炸导致的密闭性丧失 （LOC） 或物理完整性丧失 （LPI） [10]。所有类型的机械和物理故障都可能导致 LOC，包括：
• 运输过程中的碰撞，例如火车碰撞或铁路部门脱轨。
• 氢气设备的机械故障，例如安全装置（阀门）、储罐、通风口、排气系统和汽化系统。
• 由于氢气的低沸点和绝缘不足，LH2 中的材料脆化，导致材料降解和设备破裂。
• LH2 和氧气混合物的形成，如果空气在加注过程中进入水箱或 LH2 溢出到地面上，就会发生这种情况。当暴露于低能点火源时，如机械火花、静电放电、焊接和切割操作、催化剂颗粒、雷击或外部冲击波，这种混合物很容易爆炸。
• 蒸发气体 （BOG），当储罐达到安全压力阈值时必须排出。否则，BOG 生产会导致设备破裂，从而导致物理或化学爆炸。
在 GH2 阶段，在大气条件下或储存在加压罐中时，可能会发生四种类型的临界事件 [18]：
• 起火，导致 LPI。
• 气相壳层中的裂口。
• 煤气管泄漏。
• 灾难性的破裂。
当储罐暴露在火灾条件下时，可能会出现额外的危险，例如储罐破裂导致的氢气爆炸或氢气排放引起的喷射火 [18]。机械碰撞（例如，道路事故或碰撞）和热侵略（例如，附近的火灾或车上火灾）是车辆起火的常见原因，这会对油箱造成潜在的爆裂危险。因此，每个车载储氢罐都需要配备热式泄压装置 （TPRD），以便在火灾暴露时安全释放高压氢气。
据信[27]，与氢设施相关的主要危害是氢气在（半）密闭空间不受控制地积累，然后点燃。另一个重大危险是意外释放的氢气或液体的燃烧。火灾危险的主要后果包括受伤或死亡，以及由于高空气温度、辐射热通量或直接接触氢火焰而对设施和设备造成的损坏。氢气爆炸对人员、结构或设备的潜在后果包括爆炸波超压效应、爆炸产生的碎片的冲击、建筑物倒塌以及后续火球的热效应。
4. 氢气爆炸的分类
氢气爆炸分为三类[19]：（1）膨胀和爆燃，（2）混合物爆燃和爆震，以及（3）爆燃-爆燃-爆轰转变（DDT）。在工程应用中，两种最具灾难性的情景是氢气压力容器爆裂 （PVB） 和氢气沸腾液体膨胀蒸汽爆炸 （BLEVE）。
当氢气罐或容器破裂或加热导致氢气快速膨胀时，就会发生氢气膨胀和爆燃。如果被点燃，则会产生火球，导致内部压力急剧上升，从而突破容器壁。当氢气与空气充分混合时，如果达到易燃限度，点火时会发生氢气-空气云爆燃。与爆燃不同，氢气-空气云爆炸产生的爆炸载荷要高得多，超压要大得多。在狭窄空间或封闭环境中，由于未燃烧的氢气和障碍物附近的空气剧烈混合，氢气-空气云爆燃会转变为爆炸，从而加速火焰。
氢气压力容器爆裂 （PVB） 发生在高压罐或容器破裂时，通常是由于氢气泄漏和点燃。导致这种情况的因素有很多，包括安全泄压装置或阀门的故障、外部加热引起的内部压力升高（例如附近的火灾）或氢脆和材料损坏引起的储罐故障（例如交通碰撞）。尽管氢 PVB 与氢储存、运输和使用具有实际相关性，但现有的氢 PVB 研究有限，需要在这一领域进行更多研究 [19]。
LH2 储罐或容器的 BLEVE 可能在发生碰撞时发生，或者如果 LH2 由于疲劳导致内壁失效而泄漏到真空层中。结果，温度升高，导致 LH2 在水箱或容器内过热。当达到临界温度时，LH2 迅速沸腾并蒸发，导致压力上升，直到储罐或容器破裂。此外，蒸发氢气泄漏的自燃会进一步加热剩余的 LH2，增加压力并可能导致物理爆炸。然而，现有的氢 BLEVE 实验和数值研究相对有限 [19]。
5. 氢气爆炸的研究方法和评估
5.1. 理论和实验研究方法
为了更好地了解氢 BLEVE、其他爆炸情景及其后果，以及评估氢爆炸造成的损害，现有研究主要集中在实验测试、计算流体动力学 （CFD） 建模和实证方法。本节对这些研究进行了回顾和总结。
在一项对 6.8 L 30 MPa 氢气罐 [10] 的实验研究中，火球的最大直径接近 4.48 m。不会对人员造成伤害或结构损坏的安全区分别被确定为距离爆炸源 61.6 m 和 17.3 m。另一项研究涉及安装在车辆下部的 70 MPa 氢气罐爆炸。结果发现，在大约 10 m 和 3 m 的距离处可以预期伤害和结构损坏。在173 kPa时测得的最大超压发生在碎片散射的相反方向，距离为3 m[28]。
采用红外过滤技术来捕捉火焰前沿的演变，同时使用自由场声压传感器在四个监测点测量爆炸超压[29]。本研究旨在评估存在内置障碍物的情况下氢云爆炸的动力学。
本文对 BLEVE 超压预测的实验和数值研究进行了系统评价和比较 [30]。这包括关键参数（如储罐破裂压力、破裂温度、液体填充率和储罐体积）对 BLEVE 超压产生的影响。该综述还涵盖了各种 BLEVE 超压预测模型，包括 CFD 模型、最近开发的人工神经网络 （ANN） 模型和基于数值的经验方法。
通过分析大量出版物，还提供了对 BLEVE 研究的全面概述 [31]。目的是提高对该主题的理解并建立研究的新趋势。此外，还使用了一种新的机器学习方法来预测理想化结构上的 BLEVE 载荷 [32]。结果表明，压力和脉冲预测准确，相对误差小于 14%，产生了准确的压力-时间历史，并提供了结构上 BLEVE 载荷的全面表征。
使用积分模型估计了与 LH2 储存和运输系统的 BLEVE 相关的后果 [33]，提供了结果的比较评估。开发了一个CFD模型[34]来预测LH2储罐在火灾中破裂后冲击波中的最大压力（压力范围：0.2至1.13 MPa）。结果表明，最大压力是由气相产生的，接触表面的氢气燃烧增强了冲击波，而接触表面的氢气已被冲击波加热。
结合的分析和 CFD 方法 [35] 为隧道工程师计算初始 BLEVE 能量、储罐破裂压力以及隧道壁上的峰值入射压力和反射压力提供了有意义的指导。由于数值模拟非常耗时，人们开发了经验公式和图表[36]，以便能够轻松准确地预测BEVE压力，从而可用于分析和设计承受BEVE载荷的结构。
根据各种已发表的论文，本文回顾了CFD仿真在过程安全方面的优势，特别是对于火灾、爆炸、意外泄漏、事故调查、重建和其他领域的易燃和有毒材料扩散，并概述了CFD在这一研究领域的应用前景[37]。使用经过测试数据验证的CFD模型[38]进行参数分析，检查不同填充度、初始压力和储罐温度对冲击波传播的影响。仿真结果与 LH2 突发 情景测试结果具有良好的一致性。一项研究使用 CFD 仿真调查了道路移动加氢站 （MHRS） 中的氢气泄漏。该研究检查了氢气泄漏的分散性，并确定了MHRS爆炸风险的最小安全距离[39]。
另一个 CFD 模型经过实验结果验证，用于分析地下停车场和公路隧道中压力传播引起的氢气罐爆炸的损伤影响 [40]。提出了一种使用 CFD 模拟高爆炸波传播的高效数值方法 [41]，该方法准确定义了点火和随后爆炸产生的初始爆炸波特性。
采用经过实验结果验证的理论模型来分析 LH2 储罐爆炸的后果，包括碎片扩散，并为规划预防和缓解策略提供关键见解 [42]。进行了一项比较研究，以评估不同的模型，并确定在分析 LH2 物理爆炸时哪些模型最保守，哪些模型最不保守，特别是考虑到燃烧过程 [43]。在另一项研究中，对 3 个 LH2 容器进行了爆炸测试，基于内部压力和温度测量的评估表明，容器内的 LH2 在失效时超过了氢过热极限的最保守值 [44]。
5.2. 氢气爆炸评估
开发了用于氢设施定量风险评估 （QRA） 的危害标准，以转换事故的后果，使用确定性模型进行评估 [27]。还就应用于氢相关危害的标准提出了建议。为一家制氢厂建立了一种可靠且全面的安全风险分析方法[45]。结果表明，蒸汽云爆炸（280 m，0.001 MPa）和喷射火（275 m，4 kW/m）引起了最大的脆弱距离2).开发了一种评估工程应用中氢气-空气爆燃的有效模型 [46]，与中大规模案例具有良好的一致性。为燃料电池和氢能应用中的数值CFD仿真[47]引入了一套全面的最佳实践指南（BPG），以支持氢能设施的危害和风险评估，涵盖释放、扩散、点火、喷射火、爆燃和爆震等现象。为了更好地了解氢气使用的安全挑战，详细的风险分析是必不可少的[48]，包括通过CFD方法进行后果建模和风险评估。进行了 CFD 分析 [49] 以研究低温储氢罐在外部火灾条件下的行为，为 LH2 应用的安全评估提供有价值的见解。开发了另一个CFD模型[50]，以更好地理解在使用LH2作为燃料的渡轮上进行的实验。
所有 BLEVE 结果类型都通过理论和分析模型 [51] 进行评估，这些模型已根据实验结果进行了验证。这些模型可用于盲目预测，尽管它们的缺点、不确定性和 LH2 物理爆炸中的知识差距也被强调出来。[52] 提出了一种用于氢气应用的两级风险评估和设计优化方法。这种方法可以在概念选择阶段快速计算结果，然后使用 CFD 仿真进行更精确的风险评估以进行最终设计。采用危害和可操作性研究 （HAZOP） 和故障模式和影响分析 （FMEA） [53] 等技术来分析涉及氢燃料电池汽车的潜在事故场景。这些情况包括氢气瓶意外爆裂、塑料衬里和金属凸台脱粘、泄压装置中氢气释放、管接头连接不当以及阀门密封故障。相应地实施了安全措施。
应使用定量风险评估 （QRA） 等现代工程工具，通过评估火灾中高压储氢罐破裂后冲击波的衰减强度来确定危险距离。这种方法将支持在氢能和燃料电池社区内更广泛地采用安全工程设计，特别是在氢能系统和存储解决方案开发人员中[54]。进行了 QRA 程序以评估喷射火和爆炸的危险影响，将氢储能系统 （HESS） 的风险转换为定量估计。然而，很少有研究系统地评价HESS的相关风险[55]。QRA 被认为是安全部署加氢站的重要工具，四种 QRA 工具的质量和可用性已受到严格审查 [56]。已经开发了新的应对策略[57]来解决典型的氢能汽车事故，例如道路碰撞、停车场车辆起火和加氢过程中的氢气泄漏。这些策略包括快速初始评估技术、消防策略、救援行动策略和废物处理预处理。
此外，还对通过隧道运输 LH2 进行了定量风险分析 [58]，重点关注最坏情况下的潜在危害。确定了评估氢技术失败后果的常用技术 [59]，为风险评估实践提供了重要见解。此外，还进行了 FMEA、安全规范和标准的审查以及重型车辆车载 LH2 系统的设计审查，以突出当前标准中的潜在安全问题和差距 [26]。此外，还提出了用于评估危险距离的工程相关性，例如液氢泄漏后火球的大小或火灾期间高压氢气罐的破裂[60]。使用氢气风险评估模型 （HyRAM） 软件 3.1 版模拟了储氢容器氢气泄漏的后果 [22]，并提供了预防措施和安全距离的建议，以指导加氢站的安全建设和运营。最后，基于氢事件和事故数据库 2.0 （HIAD 2.0），建议将促进安全文化作为改善异常和正常事件管理并鼓励广泛采用氢技术的一种手段 [61]。
总体而言，预计 LH2 将在推动全球运输部门方面发挥比 GH2 更重要的作用。鉴于氢气的极端特性，必须为运输、储存和加氢站制定和实施全面的安全程序。与传统燃料相关的安全挑战不同，通常需要非常规的设计解决方案[50]。例如，法兰、阀门、仪表、压缩机和过滤器的泄漏更频繁[22]。LH2储罐在火灾中破裂后产生冲击波的潜在物理机制仍未完全清楚[34]。目前估计氢-空气云爆炸爆炸载荷的预测方法主要是经验性的[19]。然而，由于氢-空气云与固体炸药或常规易燃气体之间的固有差异，这些方法的准确性仍然值得怀疑，需要进一步研究。关于 BLEVE 超压预测及其对周围结构影响的研究也相对有限 [29]。此外，关于灾难性LH2储罐破裂的后果和可能性，目前尚不清楚[42,43]。
氢燃料电池电动汽车 （FCEV） 的增加预计将在道路上带来各种危险 [40]。氢动力汽车存在重大风险，包括氢蒸气云爆炸、泄漏引起的喷射火和氢气罐爆炸。预计这些风险将在半封闭环境中增加，例如地下停车场和公路隧道。此外，氢气的极端燃烧特性，加上其渗透和脆化大多数金属材料的能力，引发了严重的安全问题[61]。
6. 铁路应用中氢能的安全注意事项
6.1. 氢动力轨道车辆的开发
目前，大多数氢燃料电池 （FC） 驱动的轨道车辆都与由电池、超级电容器和/或飞轮组成的储能系统 （ESS） 混合动力，如 [62,63\u201264] 所述。2002 年，第一台用于采矿的氢动力机车采用带有金属氢化物存储和电池的聚合物电解质膜燃料电池 （PEMFC） 在美国设计并进行了演示。从历史上看，人们一直非常关注铁路客运车辆中的氢能应用。例如，日本 JR 东日本在 2006 年至 2007 年期间测试了一辆轨道车辆，该车辆由具有 35 MPa 气态储氢和 19 kWh 电池的燃料电池系统提供动力，最高时速可达 100 公里/小时。2016 年，阿尔斯通推出了“Coradia iLint”，据称这是世界上第一列氢燃料电池驱动的客运列车。这列火车可以以 1000 公里/小时的最高速度行驶 140 公里。2019 年 6 月，英国推出了“HydroFlex”列车，该列车可由架空线或第三轨提供动力，氢燃料电池系统可用于没有任一电源的路段。氢动力系统安装在一辆汽车中，20 公斤的氢气储存在四个高压罐中。虽然客运铁路车辆取得了重大进展，但货运铁路领域也出现了有希望的发展。2003 年，美国一台 109 吨、1.2 MW 的柴油电力调车机车改装了 250 kW PEMFC 和 1250 kW 铅酸电池，其中 68 公斤氢气储存在 35 MPa 存储系统中。自 2002 年以来，一直在为客运和货运铁路应用开发燃料电池技术。
6.2. 储氢系统的布局
轨道车辆中储氢系统的布局在确保安全方面起着至关重要的作用。在阿尔斯通的 Coradia iLint 原型中，压缩氢气 （CH2） 气罐（如图 3 所示）与将氢气转化为直流电的 PEMFC 一起储存在屋顶上 [65]。将 CH2 罐放置在屋顶上具有潜在的安全优势，因为它可以在发生泄漏时将氢气快速无害地消散到大气中。然而，由于英国的轨距限制，230 型电池电动动车组 （BEMU） 列车上的氢气罐被放置在拖车车厢下方，而不是车顶上 [66]。
美国开发了一种原型氢 PEMFC-电池混合转辙机车 [68\u201269]，如图 4 所示。该机车重 127 吨，可提供 250 kW 的连续功率，瞬态功率超过 1 MW。与 Coradia iLint 原型类似，屋顶装有 14 个 35 MPa CH2 存储系统的水箱。每个水箱由碳纤维和铝制成，直径为 0.416 m，长度为 2.1 m（0.285 m3），总存储容量为 70 公斤 CH2。
图 4.原型氢燃料燃料电池-电池混合动力转辙机车 [68]。
两个关键的安全因素影响了将存储系统放置在屋顶上的决定[69]。首先，由于氢气的浮力，将其储存在机车平台、电池架或后引擎盖内的空隙下方可能会限制泄漏的氢气并增加爆炸的风险。其次，将氢气罐放置在车顶线可以最大限度地降低常见事故造成损害的可能性，例如脱轨、轨道碎片和堆场交通（包括加油卡车）的影响。
此外，出于安全原因[68]，每个气箱都包含多种保护功能。其中包括一个过流阀，在油箱和分配歧管之间的管路破裂时关闭，两个热激活泄压装置 （PRD），如果检测到过热（高于 109 °C），例如电池起火，则通过向上的排气管将油箱内容物排出，以及一个调节加油速度并提供超温警告的温度传感器。该系统还配备了一个电子控制电磁阀，该电磁阀默认保持关闭状态，并在运行和加油模式下通电打开，如果检测到高级系统故障，则自动关闭，以及用于额外控制的手动截止阀。
中国第一台氢质子交换膜燃料电池原型调车机车[70]如图5所示，其储氢系统位于中间车厢。该系统由 9 个 35 MPa 碳纤维-铝罐组成，总共储存约 23 公斤的 CH2。为防止爆炸危险，当冲击压力达到或超过 80 MPa 时，氢气会自动排出。在正常情况下，任何泄漏的氢气都通过 PEMFC 堆栈模块的通风口排出，位于机车上侧的通风风扇有助于防止意外泄漏的氢气。中央控制系统中的可编程逻辑控制器 （PLC） 监控发电厂中的所有传感器输入是否存在异常或不安全的情况 [71]。如果检测到不安全情况，则会采取适当的措施，通常会导致软关闭或紧急关闭或功率输出降低。
图 5.中国第一台氢质子交换膜燃料电池原型调车机车 [70]。
在德国研究了混合动力氢燃料电池调车机车的可行性，原型如图 6 所示 [72]。氢气罐位于车辆前部，但没有提到具体的预防性安全措施。
图 6.原型调车机车 [72]。
提出了一种由氢燃料电池驱动调车机车的布局[73]，代表了俄罗斯铁路网络上最常见的调车机车。如图 7 所示，氢燃料箱放置在机车平台下方。氢铝发生器原型的操作测试是该研究的主要重点[73]。
图 7.带有燃料电池发电厂的调车机车布局 [73]。
演示、原型和订购铁路车辆中的大多数储氢系统都安装在车顶或隔间内。将氢气罐放在屋顶上通常是可取的，因为在发生泄漏时，氢气会迅速消散到大气中。相比之下，如果氢气罐位于机车车厢内或平台下方，泄漏的氢气可能会受到限制，从而增加爆炸的风险。然而，在隧道和地下区域等狭窄空间内，氢气很容易积聚在火车上方，增加燃烧风险，从而导致喷射火或爆炸。此外，风速、风向以及隧道或地下区域内氢气泄漏的具体 位置等因素也会影响扩散过程和与氢气泄漏相关的安全风险。
6.3. 储氢罐数量
在上一小节讨论的示例中，机车中的氢气罐数量通常在 9 到 14 之间。众所周知，与柴油 （35.8 MJ/L） 相比，气态氢的体积能量密度较低（35 MPa 时为 4.6 MJ/L）。因此，机车中可用于氢气罐的有限空间极大地限制了其应用，使当前的氢动力机车仅适用于没有高速、高加速度或远程能力的轻型运行。例如，当评估 35 MPa、70 MPa 和金属氢化物储氢系统时，模拟表明需要 47 个 70 MPa 的储氢罐才能满足基准标准 [74]。如果对每个水箱都采取了安全措施[68]，那么存储系统将需要大量的阀门、设备和传感器。大量的氢气罐带来了严重的安全问题和危险。此外，机车上的可用空间不足以容纳如此多的油箱。一种可能的解决方案是将氢气罐放在小车中[15\u201275]。例如，在一项研究[76]中，总能量密度为1633 Wh/kg的35 MPa的CH2罐允许单个氢气车储存高达93 MWh的能量。体积密度为 0.533 MWh/m3，93 MWh 存储所需的体积估计为 175 m3.鉴于这种货车的长度为 19.5 m，横截面为 9.93 m2，可用容积为 193 m3足以储存必要的氢气罐。
6.4. 铁路应用中的安全注意事项
目前为 IV 型 CH2储存压力为 70 MPa 的气瓶广泛用于轻型车辆，例如汽车，例如丰田 Mirai [21]。相比之下，存储压力为 35 MPa 的 III 型气瓶通常用于重型车辆，包括商用公共汽车、卡车和铁路机车，例如 HydroFLEX 1.0、CRRC Datong 和 Coradia iLint。由于铁路应用的远程和重型要求，与轻型车辆相比，需要更多的氢气来确保足够的动力。这需要多个氢气罐，从而需要考虑额外的安全因素。此外，为了安全起见，氢燃料电池堆和储罐通常安装在轨道车辆的车顶上，这与轻型车辆设计有很大不同。
在铁路应用中使用氢能时，必须认真考虑安全问题。氢气高度易燃，在大气中燃烧时发出几乎看不见的火焰，并迅速扩散。为了实现更高的能量密度，氢气必须被压缩、液化或与材料结合，并储存在各种罐中用于铁路车载应用[77]。氢气罐的安全注意事项概述如下 [78]：
• 所有加压氢气罐和连接管道都应根据适当的规范进行设计，所有选择用于储氢的材料必须满足铁路运营的特定要求。每个加压罐都应配备安全阀，阀门出口对准公共集管，以安全地将气体释放到大气中。
• 氢气罐的设计必须考虑到材料兼容性。氢脆现象对氢环境中的材料安全构成长期威胁，金属材料的降解会对氢系统构成严重风险。
• 氢气罐也容易因处理不当而造成事故。如果储罐中的氢气与其他气体混合，则在某些条件下会因危险的化学反应而存在爆炸的危险。建议在加氢站大量使用氮气，在火车上少量使用氮气。这对于净化火车与其加氢站之间的管道是必要的，因为断开时空气或氧气可能会进入这些管道。
• 在布局设计过程中，任何潜在泄漏点周围的区域必须没有任何潜在的点火源。
氢动力铁路应用的最大挑战之一是缺乏针对车载储氢站和加氢站的全面安全法规和标准 [77]，特别是在危害和风险分析、评估和管理方面。虽然氢气应用中的许多危险情况可以通过调整其他有害气体的现有法规并将其与当前的铁路特定标准相结合来控制，但仍需要专门的法规和为铁路应用量身定制的标准。
不同的技术可能更适合各种铁路应用（例如，长途货运、区域客运铁路或调车场）[79]。应根据经济性、环境影响、安全隐患和公众接受度等因素选择这些技术。较小和较短的路线可能会使用 GH2 进行车载存储，而较长和较大的应用可能需要 LH2。一般来说，天然气 （NG） 和液化天然气 （LNG） 使用的安全策略应适用于氢气，并针对 GH2 和 LH2 实施的具体细节进行调整 [79]。此外，适当的通风对于氢气的安全使用至关重要，因为它有助于将易燃气体稀释到安全浓度，并去除封闭空间中的燃料-空气混合物[79]。最后，铁路环境中的振动和冲击明显比通常使用储氢系统和 FC 的其他环境要严重得多。这使得储氢系统和 FC 技术各个方面的振动测试变得至关重要。如果涉及 LH2，在设备将遇到的低温下进行测试同样重要。在铁路应用中设计氢车载存储系统的方法可能包括：
1. 可以使用列车动力学仿真模型，包括纵向列车模型和三维多体动力学 （MBD） 列车模型，这些模型可以使用 Gensys、Vampire 和 Nucars 等软件包进行开发。
2. 可以执行各种动力学模拟，同时考虑到严重的轨道几何形状不规则、车轮和/或轨道缺陷、道岔和尖锐的弯曲轨道。还应包括列车碰撞仿真[80\u201281]，如有必要，可以进行列车碰撞的有限元（FE）仿真[82]。
3. 有限元建模可用于储氢罐或补给船，从列车仿真中获得的载荷谱可应用于 FE 储氢罐或补给船模型。这些仿真对于优化铁路应用储氢系统的设计至关重要。
4. 每个储罐或招标上的阀门、设备和传感器都可以在模拟的恶劣负载条件下进行评估。对于招标，还可以评估与机车的连接装置。
5. CFD 建模可用于分析和评估储罐或招标中的潜在氢气爆炸危险。CFD 仿真与 TNO 多能源方法等其他方法相结合，可以帮助确定行驶列车上储氢系统的最佳通风方案。这种方法评估了氢云包络、扩散高度和氢云体积的分布，同时考虑了列车速度、环境风速和风向的影响。
6. 最后，可以进行必要的实验测试以验证数值模拟结果。
7. 结论
由于氢能的零排放，在不久的将来有望取代化石燃料。随着氢能越来越多地用于铁路提供清洁能源，意外泄漏和爆炸的风险变得不可避免。因此，了解爆炸特性、准确预测爆炸载荷、设计合适的储氢系统以及实施有效的预防和保护措施至关重要。充分的泄漏检测和通风是设计安全氢气系统的重要组成部分。然而，该领域仍然缺乏系统分析，需要更有效和高效的缓解和加固策略。
目前，CGH2 存储被认为是一种成熟的铁路应用技术，尽管它更适合小规模存储。例如，IV 型储罐可以承受高达 70 MPa 的压力，同时提供高储氢密度。然而，对于更大规模的铁路应用，LH2 和 CcH2 可能是更好的选择。特别是 CcH2，在中等压力和温度范围内可以实现比 CGH2 和 LH2 更高的存储密度，并且已经应用于道路车辆 [23]。已经注意到 [16] 虽然低温罐的故障不太可能发生，但这种故障可能导致由于阀门和泄压故障而释放 GH2 和 LH2。此外，外罐故障可能导致沸腾液体膨胀蒸汽爆炸 （BLEVE）。铁路氢气车载储存应用的最佳设计需要使用多体动力学 （MBD）、有限元分析 （FEA） 和计算流体动力学 （CFD） 方法进行深入研究，并进行实验测试，以预测和改进热机械行为，尤其是在与铁路运营相关的爆炸事故期间。为铁路应用设计氢车载存储系统的拟议方法可以大大增强未来氢动力铁路运输储氢系统的优化设计，尤其是在长途旅行和重型货运列车的安全考虑方面。在机车中使用 LH2 或 CcH2 可能是一个可行的选择。然而，挑战仍然存在，包括液化氢混合动力推进系统的开发、高绝缘低温储存技术和快速加注技术。这些领域需要进一步的研究和努力，以确保氢动力铁路系统的安全。
