林俁潔，凌曉東,2，姜 雪,2，慕云濤,2，于安峰

(1. 中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104 2. 中石化國(guó)家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266071)

0 前言

燃料電池車(chē)輛(Fuel Cell Vehicles，F(xiàn)CV)是通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的，其電力由車(chē)載燃料電池裝置以高純度氫氣或含氫燃料重整得到的高含氫重整氣為燃料產(chǎn)生。燃料電池車(chē)輛優(yōu)點(diǎn)眾多，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率高、運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪聲、運(yùn)行零排放或低排放等，發(fā)展燃料電池車(chē)輛是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑。然而，燃料電池車(chē)輛裝載高壓儲(chǔ)氫罐，因氫氣爆炸極限寬、點(diǎn)火能低、熱值高、燃燒速度快及爆炸超壓高等特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏極易引發(fā)燃爆事故甚至鏈?zhǔn)綖?zāi)害[1]。尤其當(dāng)燃料電池車(chē)輛?？吭谝运淼篮蛙?chē)庫(kù)為代表的受限空間時(shí)，受限空間增加泄漏擴(kuò)散及燃爆事故復(fù)雜性的同時(shí)也帶來(lái)更為嚴(yán)重的安全隱患。國(guó)內(nèi)外針對(duì)燃料電池車(chē)輛在如隧道和車(chē)庫(kù)等受限空間下的泄漏擴(kuò)散、射流燃燒、氣云爆炸等開(kāi)展了一系列研究，本文將就現(xiàn)有研究和國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)介紹。

1 燃料電池車(chē)輛氫氣泄漏及燃爆技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 氫氣泄漏擴(kuò)散

國(guó)內(nèi)外針對(duì)封閉空間內(nèi)氫氣泄漏擴(kuò)散開(kāi)展了大量研究。Worster等[2]從受限空間大小和氣體射流狀態(tài)出發(fā)，提出Filling box和Fading up box 2種擴(kuò)散模式。Filling box適用于較小的封閉空間的濃度累積。此時(shí)卷吸極大地影響射流，氫氣在封閉空間形成可燃層后向下擴(kuò)散，達(dá)到爆炸極限較快。而如圖1所示，F(xiàn)ading up box擴(kuò)散模型的射流到達(dá)空間頂部后沿頂端壁面擴(kuò)散，上下層氣體存在濃度差。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，泄漏的氫氣在浮力作用下會(huì)向天花板聚集，而對(duì)受限空間(如停車(chē)場(chǎng))而言，氫氣可能與墻壁形成撞擊射流，令氫氣貼著墻壁垂直上升[3]。

圖1 Fading up box擴(kuò)散模式示意[2]

進(jìn)一步考慮通風(fēng)條件，Prasad[4]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制通風(fēng)能夠減小封閉空間氫氣濃度，減小燃爆風(fēng)險(xiǎn)從而達(dá)到顯著的風(fēng)險(xiǎn)管控效果。Pitts等[5]在小型車(chē)庫(kù)開(kāi)展試驗(yàn)，研究顯示氫氣在車(chē)輛底部泄漏時(shí)易積聚，從而造成更嚴(yán)重的后果。Choi等[6]模擬了通風(fēng)條件下車(chē)庫(kù)中氫氣的擴(kuò)散過(guò)程。Hussein等[7]模擬了通風(fēng)條件下地下車(chē)庫(kù)中的燃料電池車(chē)泄漏角度對(duì)氫氣積聚的影響，當(dāng)泄漏角度為垂直向下時(shí)可燃?xì)怏w區(qū)域會(huì)包圍車(chē)身，而泄漏角度與地面呈一定角度時(shí)則可燃?xì)怏w區(qū)域會(huì)遠(yuǎn)離車(chē)身方便人員逃生，即泄漏角度對(duì)事故后果影響明顯。Lowesmith[8]提出了考慮通風(fēng)條件的氫氣在天花板附近積聚的模型。

鄭津洋等[9]針對(duì)高壓氫在車(chē)輛內(nèi)泄漏擴(kuò)散的特點(diǎn)，研究了不同泄漏位置和環(huán)境因素下，障礙物對(duì)氫氣泄漏擴(kuò)散和分布的影響。趙明斌等[10]使用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的手段，通過(guò)縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究理順了輕質(zhì)氣體在半封閉空間的擴(kuò)散過(guò)程，氣體首先從泄漏處向上擴(kuò)散至頂壁，再沿著壁面向四周發(fā)展。隨后，氣體在頂部附近逐漸囤積，濃度穩(wěn)步上升。當(dāng)泄漏停止后模型中的濃度很快下降至初始濃度。并進(jìn)一步使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法定位了地下車(chē)庫(kù)泄漏車(chē)輛，驗(yàn)證了使用FLACS對(duì)燃料電池車(chē)輛在車(chē)庫(kù)中的虛噴管參數(shù)計(jì)算、高壓射流模擬以及爆炸過(guò)程模擬的準(zhǔn)確性。

需要說(shuō)明的是，出于實(shí)驗(yàn)安全性考慮，實(shí)際研究中進(jìn)行泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)時(shí)常使用氦氣替代氫氣。氦氣物理性質(zhì)與氫氣相近且不易燃爆，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種氣體擴(kuò)散結(jié)果差異不大，因此目前學(xué)術(shù)界普遍使用氦氣替代氫氣開(kāi)展擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)[10]。

1.2 氫氣射流燃燒

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)高壓容器、加氫站等氫氣射流燃燒開(kāi)展了微觀與宏觀尺度的大量實(shí)驗(yàn)與模擬研究[11,12]。針對(duì)隧道內(nèi)燃料電池車(chē)輛安全，國(guó)內(nèi)外研究人員與機(jī)構(gòu)就氫氣泄漏、火災(zāi)、爆燃、爆轟等開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和模擬。2017年美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的報(bào)告《Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle Tunnel Safety Study》[13]總結(jié)了氫燃料電池車(chē)輛在隧道內(nèi)的安全要求、風(fēng)險(xiǎn)分析方法和模擬方法等。其中使用事件序列圖(ESD)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究對(duì)象包括氫燃料電池車(chē)輛在隧道內(nèi)意外事故、火災(zāi)事故、氫氣泄漏、壓力容器泄壓、氫氣引燃、立即引燃與延遲引燃的區(qū)別等；模擬內(nèi)容包括氫氣射流燃燒時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)模擬方法、結(jié)構(gòu)傳熱、有無(wú)通風(fēng)時(shí)的隧道傳熱情況等。該報(bào)告指出，氫燃料不會(huì)產(chǎn)生除車(chē)輛碰撞危險(xiǎn)外的額外危險(xiǎn)。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的另一篇報(bào)告《Hydrogen Fuel Cell Vehicles in Tunnels》介紹了氫燃料電池車(chē)輛的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并總結(jié)了隧道內(nèi)氫燃料電池車(chē)輛的實(shí)驗(yàn)研究、模擬研究以及風(fēng)險(xiǎn)分析手段。其中實(shí)驗(yàn)研究包括高壓氫氣泄漏實(shí)時(shí)點(diǎn)燃、大尺度氫氣爆燃爆轟、隧道中氫燃料電池車(chē)輛氫氣泄漏、HyTunnel研究計(jì)劃、隧道頂棚受限空間氫氣爆燃爆轟、全尺度隧道內(nèi)燃料電池車(chē)輛火災(zāi)實(shí)驗(yàn)、擁擠空間混合氣體點(diǎn)燃后蒸氣云爆炸；其中模擬研究場(chǎng)景包括氫燃料電池車(chē)輛安全問(wèn)題、隧道內(nèi)氫燃料電池爆炸風(fēng)險(xiǎn)、隧道內(nèi)氫爆燃CFD模擬、隧道內(nèi)氫燃料電池車(chē)輛泄漏、海底隧道氫泄漏和燃燒、隧道氫噴射火，和汽車(chē)應(yīng)用中氣體泄漏、擴(kuò)散與燃燒；其中風(fēng)險(xiǎn)分析包括隧道內(nèi)氫燃料電池車(chē)輛風(fēng)險(xiǎn)分析、隧道內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析、隧道內(nèi)替代燃料車(chē)的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。上述2個(gè)報(bào)告較為系統(tǒng)地為隧道內(nèi)燃料電池車(chē)輛研究提供了指導(dǎo)。

除此之外，Tamura[15]選取停車(chē)場(chǎng)氫燃料電池車(chē)輛與傳統(tǒng)燃油車(chē)輛混停、輪船運(yùn)輸氫燃料電池車(chē)輛兩種受限空間場(chǎng)景，研究了火災(zāi)蔓延傳播及對(duì)周邊的影響。孫金華、段強(qiáng)領(lǐng)、王昌建等國(guó)內(nèi)學(xué)者[16-18]研究了受限空間內(nèi)，不同尺寸管道內(nèi)氫/空氣混合物的燃爆特性，并模擬了高壓氫氣泄漏在不同場(chǎng)景下的演化行為。趙明斌等[10]根據(jù)前人文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，使用CFD軟件FLACS基于虛噴管假設(shè)模擬了高壓射流、噴射火與爆炸。建立了車(chē)庫(kù)的幾何模型，模擬了不同泄漏方向的內(nèi)部與外部的泄漏演化情況，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)泄漏方向?yàn)樨Q直向下時(shí)，氫氣將在車(chē)底積聚進(jìn)而引發(fā)爆炸。相反，當(dāng)泄漏方向豎直向上時(shí)，只會(huì)形成穩(wěn)定的射流火焰而不會(huì)引發(fā)爆炸。此外，當(dāng)在燃料電池車(chē)內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，事故影響區(qū)域僅在車(chē)廂內(nèi)和車(chē)周邊較近的區(qū)域。

1.3 氫氣氣云爆炸

除了上述燃爆方面的研究外，Houf WG[19]等結(jié)合倉(cāng)庫(kù)這一受限空間下氫燃料叉車(chē)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，提出自然通風(fēng)和安裝泄壓板兩個(gè)降低氫氣爆炸超壓的措施。為了量化氫氣氣云爆炸，前人使用不同的特征參數(shù)描述受限空間的超壓特征。Hirano[20]忽略點(diǎn)火源位置和超壓產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出了受限空間可燃?xì)怏w爆炸最大壓力計(jì)算模型。進(jìn)一步，Molkov和Bragin[21]整理現(xiàn)有研究成果，修正現(xiàn)有公式得到了低強(qiáng)度的氫泄爆最大壓力計(jì)算公式。然而上述模型會(huì)高估較大的受限空間內(nèi)的氫泄爆壓力。Bauwens和Chao等[22,23]開(kāi)展受限空間可燃?xì)怏w爆炸實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為瞬時(shí)壓力峰值從外部二次爆炸產(chǎn)生的壓力峰值、火焰前鋒接近壁面的壓力峰值和障礙物阻礙火焰?zhèn)鞑サ膲毫Ψ逯抵挟a(chǎn)生。針對(duì)氫氣，Bauwens等[24]開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)，基于氫/空氣混合氣體的Lewis數(shù)修正了受限空間爆炸沖擊的計(jì)算公式。但該模型需要的參數(shù)多，且只適用于貧燃料階段，因此應(yīng)用存在局限性。此外，前人使用TNT炸藥當(dāng)量表征受限空間下氫氣爆炸。在明確受限空間尺寸、爆炸位置和TNT炸藥當(dāng)量后，可以計(jì)算爆炸壓力持續(xù)時(shí)間和最大爆炸壓力。然而該方法是一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，不能體現(xiàn)氫氣濃度的差異，且會(huì)高估受限空間內(nèi)的氣云爆炸壓力。另外，陳曄等[25]總結(jié)了上述方法對(duì)受限空間氫氣爆炸的適用性并開(kāi)展了FLACS模擬，對(duì)計(jì)算受限空間內(nèi)氫氣爆炸壓力提出針對(duì)性建議。

2 受限空間燃料電池車(chē)輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在對(duì)受限空間燃料電池車(chē)輛氫氣泄漏的擴(kuò)散、射流燃燒和氣云爆炸等典型事故進(jìn)行廣泛研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)總結(jié)現(xiàn)有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)機(jī)理研究，提出了一系列燃料電池車(chē)輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范。美國(guó)National Fire Protection Association Standard 502 (NFPA 502)《Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways》給出了隧道、橋梁和其他限制通行公路的建筑要求、防火要求、防火措施等。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)以此為依據(jù)開(kāi)展了隧道內(nèi)燃料電池車(chē)輛的研究。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)和中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟燃料電池分會(huì)提出《氫燃料電池汽車(chē)安全指南(2019版)》，從燃料電池汽車(chē)整車(chē)通用安全、車(chē)載氫系統(tǒng)安全、燃料電池堆及系統(tǒng)安全、燃料電池汽車(chē)操作、維護(hù)及基礎(chǔ)設(shè)施安全4個(gè)專題提出了安全建議，給出氫氣泄漏應(yīng)急處理措施及氫氣釋放的相關(guān)要求。GB/T 24549—2020《燃料電池電動(dòng)汽車(chē) 安全要求》給出氫氣泄漏時(shí)車(chē)內(nèi)、車(chē)外在開(kāi)放與封閉空間內(nèi)的氫氣濃度標(biāo)準(zhǔn)，并給出密封空間內(nèi)氫氣泄漏試驗(yàn)程序。GB/T 26990—2011《燃料電池電動(dòng)汽車(chē) 車(chē)載氫系統(tǒng) 技術(shù)條件》給出了氫氣泄漏警告閾值及氫氣排放的原則。另外，GTR#13(Global Technical Regulation No. 13)中凝練地總結(jié)、評(píng)估了氫氣燃料電池車(chē)輛的安全隱患，列出了歐盟、日本、加拿大、韓國(guó)、中國(guó)、ISO、SAE、CSA、ECE等的燃料電池車(chē)輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容涵蓋廣，涉及完整性、安全管理、測(cè)試手段、氫氣要求和氫氣燃料電池車(chē)輛的特殊安全問(wèn)題(如氫的性質(zhì)、高壓儲(chǔ)氫、低溫、高壓電)等方面，為燃料電池車(chē)輛的生產(chǎn)制造、安全運(yùn)行提供了重要參考。

3 受限空間燃料電池車(chē)輛安全措施研究現(xiàn)狀

目前，在燃料電池車(chē)輛安全方面的研究大多聚焦在開(kāi)放空間，提出了加強(qiáng)車(chē)載儲(chǔ)氫裝置安全監(jiān)測(cè)與傳感器布局優(yōu)化、加強(qiáng)氫氣泄漏預(yù)警、加強(qiáng)駕駛?cè)藛T安全培訓(xùn)等安全措施[26]，而針對(duì)受限空間燃料電池車(chē)輛安全的研究比較有限。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)展了受限空間燃料電池車(chē)輛的安全機(jī)理研究，提出了該方面標(biāo)準(zhǔn)與安全指南。本文從中總結(jié)受限空間內(nèi)燃料電池車(chē)輛的安全措施，將其歸納為防止氫氣積聚(減小氣體濃度)與防靜電(規(guī)避點(diǎn)火源)兩方面，具體包括以下內(nèi)容：

a) 燃料電池車(chē)輛如需停放在室內(nèi)場(chǎng)地，需要滿足整車(chē)密封空間測(cè)試要求，并對(duì)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)而言，最高處應(yīng)布置氫氣泄漏探測(cè)系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)排氣裝置，以防止車(chē)庫(kù)內(nèi)氫氣積聚。

b) 停車(chē)場(chǎng)地應(yīng)保證通風(fēng)良好、車(chē)道暢通，并遠(yuǎn)離加油站、加氣站、熱源、潮濕、可燃設(shè)施及可燃物質(zhì)堆放區(qū)域、有腐蝕氣體以及灰塵較大處。并應(yīng)避免車(chē)輛或移動(dòng)物體對(duì)車(chē)輛造成撞擊或擠壓。

c) 車(chē)庫(kù)使用燈具、排風(fēng)機(jī)電機(jī)以及氫檢測(cè)傳感器均使用防爆型。

d) 車(chē)庫(kù)內(nèi)嚴(yán)禁使用電源插座、接觸器、繼電器以及機(jī)械開(kāi)關(guān)等可以引起電弧的用電裝置，嚴(yán)禁進(jìn)行電焊、砂輪磨削等可以引起火花、電弧的操作。

e) 存放期間車(chē)輛加氫口必須蓋上蓋帽，防止雨水及灰塵侵入，確保加氫口艙門(mén)處于鎖閉狀態(tài)。

f) 專用停車(chē)場(chǎng)應(yīng)排水、通風(fēng)良好。建議車(chē)輛操作人員進(jìn)入地下停車(chē)場(chǎng)或其他相對(duì)封閉的通用性場(chǎng)所前關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)，以純電模式進(jìn)入，離開(kāi)后再打開(kāi)燃料系統(tǒng)的混動(dòng)模式。