Simulation and Analysis of Gas Leakage in Hydrogen Station

随着《“十四五”新型储能发展实施方案》^[1]出台，我国能源转型持续推进，东北、华北、西北、西南等地区风光氢储一体化项目大力发展，产业热度空前^[2-4]。需要警惕的是，依据《氢气站设计规范》（GB 50177－2005）^[5]，氢气站供氢站的生产火灾危险性类别为“甲”类。典型的氢气事故情景包括意外泄漏、点燃（或自燃）、燃烧和爆炸等。事故初期，氢气从储罐、管道及其他储存系统意外泄漏，迅速扩散与周围空气混合，在一定的区域内形成易燃混合气团，存在燃烧和爆炸的风险，最终可能引发重大灾害性事故。由于氢气泄漏实验研究成本高、危险系数大^[6]，对氢泄漏燃爆事故进行数值模拟是一种更为经济高效的研究手段，能够为氢泄漏安全预警系统以及防火、阻火、防爆安全系统设计提供理论依据与指导。

国内外利用Fluent^[7-8]、PHAST （Process Hazard Analysis Software Tool）^[9]、FLACS （Flame Accelerate Simulator）^[10]、OpenFOAM （Field Operation and Manipulation）^[11]和ALOHA^[12]等软件对各种氢气事故场景进行研究，其中以Fluent使用最为广泛。例如，谢乐源等^[13]对加氢站40 MPa高压储氢罐阀泄漏事故进行模拟，研究了站内空间和布局、环境温度和湿度对氢气扩散的影响；Wang等^[14]对加氢站70 MPa储氢罐在不同环境风作用下的喷射、扩散进行模拟，根据可燃云分布提出风险缓解措施；Jiao等^[15]对比模拟了燃料电池汽车氢气供应系统在开放空间和封闭空间发生泄漏的情况，最终得到泄漏率、风速、风向及通风口对安全的影响；辛杰^[16]针对氢气在地下车库中的泄漏扩散进行计算，对比了不同泄漏方向、泄漏位置情况下地下车库内氢浓度时空分布及演化；陈慧超^[17]以氢燃料汽车在隧道口泄漏为背景，运用Fluent分析了氢气泄漏速度、泄漏时期、泄漏位置对氢气爆炸产生的压力及温度影响；Gao等^[18]对氢燃料电池汽车运输船氢气泄漏展开模拟研究，重点分析了泄漏孔、通风口位置如何影响车辆间隙氢气扩散规律。总结发现，当前氢气泄漏模拟研究主要集中在氢气加注和应用环节，制氢站相关研究较少。

为此，本文选用Fluent对“德令哈PEM电解水制氢示范工程项目”展开研究，重点模拟氢气放散口、氧气放散口、高压管束和氢气储罐4个事故易发生场景，分析气体的泄漏、扩散特性，最终对绿氢制备、储存系统安全性进行评价并给出相应的建议。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是流体力学的一个分支，是指利用数值方法分析和求解流体在流动和化学反应过程相关问题的方法。本文模拟以CFD为理论基础，使用Ansys SCDM进行几何前处理工作，随后选用Fluent Meshing快速生成poly-hexcore网格，在Fluent中完成模拟计算并进行后处理帮助分析。

德令哈制氢站厂区围墙内用地面积11534 m²，四周设置2.5 m高非燃烧实体围墙。总平面布置大体分3个区域，如图1所示，自西向东依次为管理区、制氢区、加氢区。管理区主要布置1栋综合楼和1间传达室；制氢区主要布置有制氢车间、电气楼（变、配电室联合建筑）、储氢罐；加氢区主要布置有压缩机区域（预留）、长管拖车停车位（预留）、长管拖车充装区。

Figure 1.  Plant layout of "Delingha PEM Water Electrolysis for Hydrogen Production Project"

德令哈制氢站制氢规模不低于600 Nm³/h，设置3套出力不低于200 Nm³/h的PEM电解水制氢系统以及1套600 Nm³/h氢气纯化装置，氢气出口纯度99.999%，出口压力2.8 MPa；设置2台水容积50 m³氢气缓存罐，以保证系统平稳运行，缓存压力2.8 MPa，项目预留氢气压缩及充装系统场地。对该厂区进行预先危险性分析，制氢车间和氢气缓存罐区是重大危险、有害因素的重点防范部位。制氢设备工作或启停过程中，放散口长时间向外排放氢气、氧气，高压管束和储氢罐作为氢气的储运设备，分别具有压力高、储量大的特点，存在阀门等连接处密封不良等风险，可能造成气体泄漏。基于此，本文选取氢气放散口、氧气放散口、高压管束和储氢罐展开泄漏、扩散行为模拟分析。

制氢车间设8个氢气放空管道（带阻火器），尺寸分别为Φ133×5 mm、Φ14×2 mm、Φ32×3 mm、Φ108×4 mm、Φ32×3 mm、Φ14×2 mm、Φ108×4 mm、Φ25×3 mm。管口高出屋顶3.5 m，符合GB 50177－2005^[5]。为了模拟上风侧最大尺寸放散口（Φ133×5 mm）氢气排放以及可燃气云分布情况，建立相应的几何模型，总计算域为1523 mm×1523 mm×2500 mm，放散口做网格加密处理，共划分129924个网格，如图2（a）所示。德令哈常年主导风向西北风，平均风速2.2 m/s，模型左侧和后方边界选择“Magnitude and Direction”速度定义方法设置速度入口，1.56 m/s（蓝色网格）；其余边界为压力出口（红色网格）。该放散口连接气液处理器不合格氢气排空，连续释放，以50%负荷即300 Nm³/h计算氢气排空速度为6 m/s，远小于GB 50177－2005^[5]规定的氢气在不锈钢管中流速限值25 m/s，由此设放散管口为速度入口。以上边界条件湍流强度设1%，水力直径设10 m。

Figure 2.  Computational flow field mesh dividing and boundary settings of (a) the H₂ release ports and (b) the O₂ release ports

工作条件根据德令哈气象站多年实测气象资料确定，年平均气温4 ℃，气压70.88 kPa。模拟过程中气体处理为理想气体。氢气释放后呈非稳定流动，选择瞬态压力基求解器进行计算，开启重力选项和全浮力影响项。开启能量方程、组分输运和Realizable k-ε湍流模型，其中k表示湍流动能、ε表示湍流耗散率，对应方程能够准确预测圆孔射流的涡耗散分布，同时为高压力梯度、分离梯度、再循环流、旋转以及边界层特性等问题提供更精准的预测^[19]。壁面函数选择可扩展壁面函数。求解方法采用压力速度耦合SIMPLE方法，动量以及能量方程开启二阶迎风差格式。德令哈项目使用PEM电解槽水电解制氢，冷设备启动1 h后氧中氢达标，因此设总计算时长为3600 s，时间步长取0.1 s。

电解槽正常工作情况下，副产氧生产速率为300 Nm³/h。为了确保安全生产，防止因氧气泄放、积存引起的着火事故发生，氧气设备及管道内的冷凝水排放单独设置Φ14×2 mm、Φ108×4 mm氧气排水水封排至室外。本文就较大放散口模拟24 h泄放氧气浓度分布情况，时间步长取1 s。总计算域为1600 mm×1600 mm×4000 mm，共划分117100个网格，示于图2（b）中。边界设定及模拟参数与氢气放散口设置相同。特别注意，放散口设速度入口，氧气流率为5.3 m/s，初始时刻流体域设23.15 wt% O₂和75.52 wt% N₂，代替直接设置空气。

高压气态储运技术成熟、成本低，是当前应用最为广泛的氢储运技术。德令哈项目拟选用20 MPa、3600 Nm³高压管束进行氢气输运，由9个大容积无缝高压钢瓶组成。钢瓶外径559 mm，最小壁厚16.5 mm，瓶长10.47 m，单只水容积2.135 m³。简化长管拖车的止回阀、金属软管、充装接口等细节建立长管拖车几何模型。假设氢气长管拖车尾部的装卸阀门故障失效，泄漏孔径按《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》（GB/T 37243－2019）^[20]标准设为中孔25 mm。以长管拖车充装区域围墙及地面为边界建立长方体流场区域，14.798 m×16.000 m×10.000 m，总网格数231276，如图3所示。车辆、围墙以及地面边界条件设为壁面（黑色网格），其余边界设定和环境条件设置同1.2小节。初始时刻，高压管束内氢气压力设20 MPa，体积分数100%。根据GB/T 37243－2019附录E，探测系统A级，联锁切断系统A级，相应的泄放时间为600 s，以此为模拟时长，时间步长设0.1 s。

Figure 3.  Computational flow field mesh dividing and boundary settings of the high-pressure tube bundles

德令哈项目共安装2台固定立式储罐Φ2464×32 mm，高13.546 m，水容积各50 m³，工作压力2.8 MPa。对于立式储氢容器，与顶部泄漏相比，侧底部泄漏对人员危险区域的危险性更大^[21-22]。假设1号储罐N1进气口发生连续泄漏，以进气口连接管道公称尺寸为泄漏孔径，即32 mm，该处网格进行加密处理。1号储罐北侧距离围墙30.56 m，南侧距离长管拖车充装区21.25 m，西侧与制氢车间相隔26.99 m，东侧与压缩机区域间隔15.99 m，在此范围内以工程设计划定区域为界建立长方体流场区域，18.063 m×23.000 m×15.000 m，总网格数290223，如图4所示。地面以及储氢罐边界条件设为壁面（黑色网格），其余边界设定和环境条件设置同1.2。初始时刻，1号储氢罐内氢气压力设2.8 MPa，体积分数100%，总模拟时长600 s，时间步长0.1 s。

Figure 4.  Computational flow field mesh dividing and boundary settings of the storage tanks

本文模拟结果均已完成网格无关性验证。

图5（a）和（b）分别是氢气放散口泄放1 s、3600 s对应时刻的氢气分布云图，所示平面包括过放散口中心的xy截面和xz截面，氢气可燃浓度范围4%～75%。可以看出，氢气扩散主要受到环境风的影响，向东南方向扩散较快，随着时间的延长，3600 s时，氢气可燃浓度范围在放散口附近500 mm×520 mm范围内，此区域位于制氢厂房屋面上方，未扩散到其他区域，即电解槽启动初期不合格氢气的排放不会使制氢厂房之外的区域产生氢气燃爆风险。根据《职业卫生名词术语》GBZ/T 224－2010^[23]规定，空气中氧的体积分数＞23.5%的环境为富氧环境，当氧气浓度超过70%的时候，属于高纯度氧气，会对人体产生危害，即“氧中毒”，图5（c）、图5（d）所示制氢过程中氧气不回收、直接连续排放产生的富氧浓度范围，对比1 s和24 h云图情况看出，氧扩散同样主要受环境风影响向东南方向扩散较快，放散口富氧区域由开始的380 mm×318 mm逐渐扩大至486 mm×464 mm，此区域位于制氢厂房屋面上方，未扩散到其他区域，即电解槽运行期间氧气的排放不会使制氢厂房之外的区域产生富氧环境。

Figure 5.  The diffusion contours of the H₂, O₂ release ports (y, z view)

结合图1所示布置图进行分析，氢气放散口位于屋顶3.5m以上位置、氧气放散口高出氢气放散口1.5 m，横向距离为6 m，因此判断氢氧放散互不相混且远离人群。主要的潜在危险是发生火灾，可能的诱因有明火、电火花等点火源，或发生机械冲击，有粒子存在的氧气高流速造成系统中不相容材料着火，以及使用未经批准或未经认证与氧一起使用的零部件和润滑剂等。为避免此类情况的发生，在工程设计时严格遵守标准，使用脱油、脱脂、防火材料，参考《氢气使用安全技术规程》（GB 4962－2008）^[24]设置静电消除装置，同时远离点火源。此外建议将氧气回收利用，不仅从源头上避免了富氧环境的产生，而且提高了项目整体经济性。

高压管束储氢压力高达20 MPa，模拟计算得到初始时刻气体冲出泄漏孔的流速为1152 m/s，属于超声速流。该模拟的另一个特点是气体扩散过程遇到的障碍众多且情况复杂，无法通过已有研究中的障碍物与泄漏孔距离远近和相对位置^[25]来判断气体扩散情况。图6展示了不同时刻高压管束泄漏孔周围氢气扩散云图，x视图过泄漏口中心做yz截面得到，y视图为地面平面或过泄漏口中心的xz截面。t=1 s时，氢气在高压管束四周扩散开来，扩散高度接近10 m，横向覆盖区域12.118 m×19.167 m，受长管拖车挡板限制，在车底、车辆内部、尤其是角落聚积了高浓度的氢气，极易发生氢气燃爆事故。t=5 s，氢气云继续扩大，蔓延至整个长管拖车停车位（预留）和长管拖车充装区，影响达到最大；t=10 s，氢气云范围缩小；经过60 s，泄漏速度已降为0.5 m/s，高压管泄漏口仍保持较高氢气浓度；待切断系统响应时（600 s），氢气扩散已在极小可控范围内。总体来看，高压管束氢气泄漏开始阶段速度快，及时发现并采取措施对防范氢气燃爆有重要意义，结合模拟结果分析，高压管束氢气泄漏检测响应时间最好控制在10 s以内，GB/T 50493－2019^[26]要求在长管拖车卸气柱上方2.0 m内设置氢气探测器，报警值为25%LEL，这影响了早期探测的有效性，建议依据《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB 50156－2021）^[27]设置热成像型火灾报警探测器，与氢气探测器、噪声性探测器和火焰检测器组合探测方案^[28]，全方位、超快响应预警。另外，受防护墙影响，氢气仅在长管拖车停车位（预留）和长管拖车充装区扩散，区域内燃爆风险高。刘亚朝等^[29]也建立了20 MPa长管拖车连续泄漏模型，得到类似结论——氢气在相对开阔的区域不易发生大范围的氢气积聚，而在防火墙内侧、长管拖车底部等喷射受限的区域积聚。为降低燃烧、爆炸风险，建议限定人员出入该区域并禁止作业人员携带火种、非防爆电子设备进入。

Figure 6.  The diffusion contours of the hydrogen leakage from the middle hole of the high-pressure tube bundles over time (x, y view)

氢气储罐具有时间长、储量大的特点，可能发生的气体泄漏情况多由管道、阀门等元件损坏造成。图7展示了储罐进气口泄漏氢气扩散云图随时间的变化。z视图过泄漏口中心做xy截面得到，y视图过泄漏口中心做xz截面得到。t=1 s时，泄漏速度高达1 070 m/s，西侧超出安全区域，蔓延至厂区道路。随着时间的推移，氢气泄漏速度以及氢气燃烧爆炸范围缩小。600 s联锁切断系统响应时，储罐内压力降为263.99 Pa，氢气泄漏速度为53.12 m/s，仅泄漏口附近存在危险。与高压管束对比分析，主要有3点不同：（1）储罐周围无遮挡导致影响范围更大；（2）储罐压力小于高压管束因而初始泄漏速度较小；（3）储罐氢气含量多使得影响时间更长。此处建议在储罐划定区域西侧建立防护墙，阻挡其扩散至厂区道路甚至制氢车间，同时设置明显的禁火标志，从源头上尽可能降低风险。

Figure 7.  The diffusion contours of the hydrogen leakage from the inlet mouth of the storage tanks over time (y, z view)

泄漏发生后，及时有效地检测和预警可以防止事故的恶化，若以上事故发生，可实行“热区”“暖区”“冷区”分区管理^[30]。

德令哈制加氢一体站厂区制氢车间放散口、高压管束、储罐存在氢气泄漏及蒸气云爆炸事故风险，本文针对各涉氢设施在环境风速、环境温度下的氢气泄漏、扩散行为进行模拟，结合相关标准分析得到以下结论：

1）氢气可燃浓度范围在放散口附近500 mm×520 mm范围内，此区域位于制氢厂房屋面上方，不会使制氢厂房之外的区域产生氢气燃爆风险；制氢过程中氧气不回收、直接连续排放产生的富氧浓度范围处于氧气排放口附近486 mm×464 mm范围内，不会使制氢厂房之外的区域产生富氧环境。氢、氧放散口主要的潜在危险是明火、电火花等点火源诱发火灾，或高流速氧气造成系统材料着火，相应的防范措施是在工程设计时严格遵守标准使用脱油、脱脂、防火材料，设置静电消除装置，远离点火源，同时建议将氧气回收利用；

2）20 MPa高压管束和2.8 MPa氢气储罐均属于压力容器，气体泄漏初始流速分别达到1152 m/s、1070 m/s。对比而言，高压管束氢气泄漏受长管拖车挡板限制，在车底、车辆内部聚积了高浓度的氢气，整个泄漏过程大概经过了60 s，随后风险缩小至泄漏孔附近；储罐影响时间更长，600 s联锁切断系统响应时，氢气仍以53.12 m/s的速度向外泄漏。针对上述2个潜在的氢气泄漏空间，建议增加防护墙，区域内加装热成像型氢气探测报警装置，张贴明显醒目的安全提示和警告标识，限定人员出入并禁止作业人员携带火种、非防爆电子设备进入危险范围内。