引言
世界能源需求的不斷增長和化石能源引起的環(huán)境污染問題都迫切呼喚著新能源的開發(fā)與利用。氫能具有來源多樣、儲運(yùn)便捷、利用高效、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，氫既是清潔能源，又是支撐化石能源清潔高效利用、可再生能源大規(guī)模儲能的重要手段。21世紀(jì)以來，發(fā)達(dá)國家爭相出臺氫能技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，以便在未來的新能源競爭中占據(jù)主動權(quán)。我國也高度重視氫能燃料電池汽車的發(fā)展，《中國制造2025》(2015—2025年)將節(jié)能與新能源汽車列為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，提出“實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本氫氣制取、存儲、運(yùn)輸、應(yīng)用一體化”的戰(zhàn)略目標(biāo)，要大力發(fā)展氫能、燃料電池等新一代能源科技。2016年發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃(2016—2020)》中將氫能、燃料電池列為新一代引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性能源技術(shù)。2019年《政府工作報告》強(qiáng)調(diào)“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”等內(nèi)容，氫能首次被寫入《政府工作報告》。截至2018年底，世界范圍內(nèi)已建成加氫站369座，其中我國已建成加氫站23座，占比約6%。根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》，2020年我國加氫站將達(dá)100座，2030年達(dá)到1000座。
氫氣易燃易爆、燃燒范圍寬(4%～75%)、點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散系數(shù)大且易對材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，在制備、儲存、運(yùn)輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險，因此氫安全是氫能應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化推廣的重要前提之一，并在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。許多國家成立了專門的研究機(jī)構(gòu)開展氫安全研究，以期在氫能產(chǎn)業(yè)化過程中占據(jù)主動權(quán)和制高點(diǎn)，如日本供氫及氫應(yīng)用技術(shù)協(xié)會(HySUT)、日本氫能檢測研究中心(HyTＲeC)、美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)、歐盟燃料電池和氫氣聯(lián)合協(xié)會(FCH2JU)、北愛爾蘭氫安全工程研究中心(HySAFEＲ)、加拿大電力科技實(shí)驗(yàn)室(PowerTech)等。國際上也專門成立了國際氫安全協(xié)會(IA-Hysafe)來推動氫安全的發(fā)展。IA-Hysafe每兩年組織一次國際氫安全會議(ICHS)，為展示和探討氫安全領(lǐng)域的最新研究成果，以及分享氫安全相關(guān)信息、政策和數(shù)據(jù)提供了一個開放的平臺。同時，國際氫能協(xié)會(IAHE)創(chuàng)立了《國際氫能雜志》(International Journal of HydrogenEnergy)，該雜志涵蓋了氫的制取、儲輸、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化等各個領(lǐng)域，現(xiàn)階段已成為氫能領(lǐng)域研究成果交流的主流期刊。
為了保障氫能產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展，我國相關(guān)機(jī)構(gòu)也在氫安全領(lǐng)域開展了大量研究，如浙江大學(xué)成立了氫安全研究實(shí)驗(yàn)室，在氫氣泄漏爆炸、氫與材料相容性、高壓氫氣快充溫升、車載儲氫氣瓶耐火性能、氫風(fēng)險評價等方面開展了較為系統(tǒng)的研究，并取得了重要的階段性成果。鄭津洋等在2016年首次對國內(nèi)外氫安全研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，本文在其基礎(chǔ)上，依次從氫泄漏與擴(kuò)散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性、氫風(fēng)險評價4個方面介紹國內(nèi)外近3年來氫安全研究的最新進(jìn)展，明確氫安全發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)，并針對我國氫安全的發(fā)展提出建議。
01 氫泄漏與擴(kuò)散
氫是自然界最輕的元素，具有易泄漏擴(kuò)散的特性。氫氣無色無味，泄漏后很難發(fā)覺，若在受限空間內(nèi)泄漏，易形成氫氣的積聚，存在引發(fā)著火爆炸事故的潛在威脅。液氫能量密度高，沸點(diǎn)低，泄漏后會造成周邊空氣的冷凝，若大規(guī)模泄漏易在地面形成液池，蒸發(fā)擴(kuò)散后會與空氣形成可燃?xì)庠?，增加了發(fā)生著火爆炸的可能性。研究氫泄漏及擴(kuò)散規(guī)律，明確上述領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，對氫能的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。
1.1 氫氣泄漏與擴(kuò)散
根據(jù)氫氣泄漏源與周圍環(huán)境大氣壓之間壓力比值的不同，氫氣泄漏可分為亞聲速射流和欠膨脹射流。亞聲速射流在泄漏出口處已經(jīng)充分膨脹，壓力與周圍環(huán)境壓力相等，氣流速度低于當(dāng)?shù)芈曀?，泄漏后的氫濃度分布滿足雙曲線衰減規(guī)律;欠膨脹射流在泄漏口處速度等于當(dāng)?shù)芈曀?，出口外射流氣體繼續(xù)膨脹加速，形成復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)，氫濃度分布也更為復(fù)雜。SNL通過試驗(yàn)研究了穩(wěn)態(tài)氫氣欠膨脹射流出口處的激波結(jié)構(gòu)，并測量了馬赫盤的位置，結(jié)果表明，馬赫盤的位置只與噴嘴直徑和壓力比有關(guān)。Takeno、Okabayashi等通過試驗(yàn)測量了不同壓力和泄漏孔直徑下氫濃度的分布，給出了射流方向上氫平均濃度、濃度波動和可燃概率的經(jīng)驗(yàn)計算公式。
由于欠膨脹射流真實(shí)濃度場的復(fù)雜性，氫氣射流數(shù)值模擬研究通常采用“虛噴管”的方法進(jìn)行簡化，即假設(shè)所有氣流均由一個等效于實(shí)際泄漏出口的虛擬管出口流出，出口壓力與環(huán)境壓力相等。Han等證明了虛噴管法計算得到的氫濃度分布滿足雙曲線衰減規(guī)律，但計算結(jié)果較真實(shí)值偏大。Andrei將直接數(shù)值模擬方法(DNS)與虛噴管法的射流計算結(jié)果進(jìn)行對比，同樣表明虛噴管法得到的可燃區(qū)域結(jié)果較DNS結(jié)果大30%左右。為了提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，Tang等采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)(AMＲ)，在泄漏口處采用DNS方法，使得計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。
隨著氫燃料電池汽車和小型儲氫容器的市場化應(yīng)用，很多學(xué)者針對氫在車庫、隧道、維修站、儲氫間等受限空間內(nèi)的泄漏開展了大量研究。研究表明:當(dāng)泄漏率一定時，受限空間內(nèi)氫濃度的分布主要取決于空間受限程度和通風(fēng)狀況;氫在可通風(fēng)室內(nèi)空間泄漏后存在壓力峰值現(xiàn)象，即使未被點(diǎn)燃仍會產(chǎn)生較大超壓。近年來，壓力峰值現(xiàn)象愈發(fā)受到科研人員的關(guān)注。Brennan等研究了儲氫壓力、超壓泄放裝置(PＲD)直徑、通風(fēng)口大小對峰值壓力的影響，并依據(jù)上述參數(shù)得出了判斷峰值壓力的工程算圖;Makarov等開展了不同通風(fēng)條件下氫在車庫內(nèi)的泄漏試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓力峰值CFD模型的有效性。另外，F(xiàn)CH2JU開展了室內(nèi)氫泄漏的基礎(chǔ)性安全研究項(xiàng)目，給出了泄漏事故的預(yù)防和后果減緩措施。
氫氣泄漏與擴(kuò)散研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)泄漏口形狀、障礙物、氫濃度梯度及空氣浮力對氫泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律;2)基于虛噴管法的泄漏模型優(yōu)化及多個通風(fēng)口情形下峰值壓力的預(yù)測方法;3)氫氣/空氣分層對PＲD泄放過程的影響;4)氫發(fā)生多處泄漏時，不同氫射流之間的相互作用與影響。
1.2 液氫泄漏與擴(kuò)散
液氫的意外泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究是保障液氫安全使用的重點(diǎn)。美國國家航空航天局(NASA)、德國聯(lián)邦材料研究與測試學(xué)會(BAM)和英國健康安全實(shí)驗(yàn)室(HSL)都成功開展了液氫的大規(guī)模泄漏試驗(yàn)，得到了可燃蒸汽云濃度、地面溫度、蒸汽云耗散時間等寶貴數(shù)據(jù)，其中HSL液氫試驗(yàn)形成的地面空氣冷凝見圖1。液氫大規(guī)模泄漏試驗(yàn)的模擬研究也在進(jìn)行中，國內(nèi)外很多學(xué)者建立了一系列液氫泄漏模型，并利用上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型有效性驗(yàn)證，同時研究了泄漏率、風(fēng)速條件、大氣壓力、地面溫度等參數(shù)對液氫可燃蒸汽云形成和擴(kuò)散的影響。但由于液氫的復(fù)雜特性，其泄漏模型的建立比氣態(tài)氫更為困難，現(xiàn)階段仍不成熟，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差。除了大規(guī)模泄漏試驗(yàn)外，邊界條件更明確的小型液氫泄漏試驗(yàn)對于模型的驗(yàn)證具有重要意義。卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的小型液氫泄漏試驗(yàn)表明液氫的濃度衰減速度小于氣態(tài)氫。
圖1液氫泄漏試驗(yàn)(HSL)
液氫泄漏與擴(kuò)散研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)蒸汽擴(kuò)散對液氫液池擴(kuò)展、蒸發(fā)過程的影響及液氫閃蒸蒸汽分?jǐn)?shù)的評估方法;2)考慮氫的非理想特性的液氫泄漏模型;3)從空氣、地面到低溫蒸汽的熱輻射研究及該部分熱輻射對整體熱量傳遞的作用;4)邊界條件明確的小規(guī)模液氫泄漏試驗(yàn);5)液氫容器耐火性能的提高。
02 氫燃燒與爆炸
氫燃燒范圍寬，點(diǎn)火能量低，若泄漏后被立即點(diǎn)燃會形成射流火焰，稱為氫噴射火。依據(jù)泄漏狀態(tài)的不同，氫噴射火可分為亞聲速噴射火和欠膨脹射流噴射火。SNL、HySAFEＲ等機(jī)構(gòu)開展了一系列氫噴射火試驗(yàn)，得到了火焰長度和熱輻射值等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出基于弗雷德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Ｒe和馬赫數(shù)Ma計算不同噴射火類型下火焰長度的經(jīng)驗(yàn)公式，但試驗(yàn)所用噴嘴形狀均為圓形。Mogi等通過試驗(yàn)對比研究了不同噴嘴類型下的氫氣噴射火特性，見表1，結(jié)果表明噴嘴形狀對火焰長度具有顯著的影響。氫噴射火模擬的研究重點(diǎn)為熱輻射模型的建立。付佳佳等基于OpenFOAM平臺，嵌入基于大渦模擬思想的fvDOM輻射計算模型，對氫亞聲速噴射火中火焰長度的影響因素進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。Brennan等同樣基于大渦模擬方法，采用基于概率密度函數(shù)的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，結(jié)合“虛噴管”概念，對氫欠膨脹噴射火火焰長度、寬度進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。Cirrone等采用渦流耗散燃燒模型和DO熱輻射模型，對氫欠膨脹噴射火熱輻射危害進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。雖然有不少學(xué)者開展了氫噴射火的模擬研究，但總體而言相關(guān)燃燒模型和熱輻射模型仍不成熟，模擬結(jié)果具有一定的不確定性。
表1不同噴嘴類型下的氫氣噴射火試驗(yàn)
氫在受限空間內(nèi)泄漏后，易發(fā)生氫氣的積聚，形成可燃?xì)錃庠?。若可燃云團(tuán)被意外點(diǎn)燃，由于障礙物的影響，火焰與障礙物之間產(chǎn)生的循環(huán)激勵效應(yīng)加劇了燃燒過程。在燃燒初始階段，燃燒波與沖擊波分離且速度低于沖擊波，稱為爆燃；隨著火焰的加速，當(dāng)燃燒波與沖擊波以同樣的速度向前傳播時，稱為爆轟，整個過程稱為爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)。爆轟波的形成會嚴(yán)重加劇事故后果，因此DDT一直是氫燃燒爆炸研究的熱點(diǎn)。研究重點(diǎn)為DDT的產(chǎn)生機(jī)理及障礙物尺寸、空間受限程度、燃料氣體成分、燃料濃度梯度和反應(yīng)邊界條件對火焰加速過程和DDT發(fā)生位置的影響。研究表明，火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)歷緩燃、爆燃、爆燃轉(zhuǎn)強(qiáng)爆轟、強(qiáng)爆轟衰減及穩(wěn)定爆轟等階段，火焰、主導(dǎo)激波和反射激波間的相互作用是影響DDT的主要因素。
高壓氫氣泄漏后在沒有點(diǎn)火源的情況下會發(fā)生自燃，但目前國際上對氫自燃機(jī)理尚無定論，相關(guān)機(jī)理主要包括逆焦耳-湯普遜效應(yīng)、擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理、靜電點(diǎn)火機(jī)理、熱表面點(diǎn)火機(jī)理和催化反應(yīng)點(diǎn)火機(jī)理。Mogi、Yamada等分別通過試驗(yàn)和模擬研究了高壓氫氣通過管道泄放的自燃過程，論證了擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理的合理性。Duan等基于擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理，利用試驗(yàn)和理論分析方法對高壓氫氣泄漏激波傳播特性、自燃機(jī)理及自燃火焰發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。
氫燃燒與爆炸研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)噴嘴形狀、障礙物對噴射火焰長度、熱輻射的影響，以及氫濃度梯度對火焰加速和DDT的影響;2)氫噴射火產(chǎn)生的微火焰對材料性能的影響;3)典型生產(chǎn)工況下的氫爆燃爆轟試驗(yàn)及液氫泄漏瞬態(tài)脈動噴射火試驗(yàn);4)氫自燃機(jī)理及復(fù)雜形狀管道下的氫自燃試驗(yàn);5)可燃?xì)湓诘湫凸r下的點(diǎn)火概率及氫濃度對點(diǎn)火概率的影響。
03 氫與金屬材料相容性
金屬材料長期在氫環(huán)境下工作，會出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅氫系統(tǒng)的服役安全。氫環(huán)境下應(yīng)用的金屬材料要求與氫具有良好的相容性，需進(jìn)行氫與材料之間的相容性試驗(yàn)，主要包括慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、圓片試驗(yàn)等，相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要包括國際標(biāo)準(zhǔn)ISO111144:2017《移動氣瓶—?dú)馄考捌块y材料與盛裝氣體的相容性》、美國標(biāo)準(zhǔn)ASMEBPVC-Ⅷ3KD10《臨氫容器的特殊要求》、ANSI/CSACHMC1—2014《金屬材料與高壓氫氣環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》、ASTMG142—98(2016年修訂)《高壓或高溫條件下金屬材料與氫環(huán)境相容性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)—第2部分:金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》、GB/T34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)—第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》。
被廣泛認(rèn)可的氫與材料相容性檢測方式是高壓氫環(huán)境中的原位檢測。世界各國正積極搭建氫環(huán)境原位測試平臺，以實(shí)現(xiàn)將材料直接置于高壓氫環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所最高試驗(yàn)壓力可達(dá)210MPa，最高試驗(yàn)溫度可達(dá)190℃。我國浙江大學(xué)利用自有專利技術(shù)研發(fā)了我國首套140MPa高壓氫環(huán)境耐久性試驗(yàn)裝置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步成功研制了國際首套140MPa快開式高低溫高壓氫脆試驗(yàn)裝置，為我國金屬材料與氫相容性研究提供了有力的硬件支撐。
金屬材料在高壓氫環(huán)境中服役時，氫分子能夠分解成氫原子進(jìn)入金屬材料內(nèi)部，在微觀和宏觀層面上造成材料的性能劣化，稱為氫脆。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍接受的氫脆機(jī)理為弱鍵理論(HEDE)和氫促進(jìn)局部化塑性變形理論(HELP)。系統(tǒng)地開展氫與金屬材料的相容性研究，在高壓氫環(huán)境中獲得材料的抗氫脆性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對氫脆的預(yù)防和控制具有十分重要的意義。世界范圍內(nèi)有很多學(xué)者針對4130鉻鉬低合金鋼、300系列奧氏體不銹鋼、6061鋁合金、API5LX42-X80管線鋼等材料，開展了其在高壓氫環(huán)境下的相容性試驗(yàn)，為高壓臨氫設(shè)備材料的選擇提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在973計劃項(xiàng)目等的持續(xù)支持下，浙江大學(xué)利用金屬材料在高壓氫環(huán)境中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了我國首個國產(chǎn)金屬材料與高壓氫環(huán)境相容性數(shù)據(jù)庫。
將可再生能源產(chǎn)生的無法并網(wǎng)利用的電能通過電解水轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來并應(yīng)用，是重要的發(fā)展方向，稱之為可再生能源電力制氫(Powerto-Hydrogen)。將可再生能源制得的氫氣摻入現(xiàn)有的天然氣管線進(jìn)行輸送，能夠大幅度地節(jié)約管道建設(shè)成本，但材料與摻氫天然氣之間的相容性需要系統(tǒng)深入地評估。趙永志等總結(jié)了摻氫天然氣與配送管道、長距離輸送管道及管網(wǎng)其他設(shè)備(儲存設(shè)備、動設(shè)備)的相容性，認(rèn)為摻入的氫氣對低壓配送管道產(chǎn)生的影響較小，而對長距離高壓輸送管道的影響程度主要取決于管道操作壓力和摻氫比例。蒙波等針對摻氫天然氣高壓輸送管道的安全性問題進(jìn)行研究，得到了X70、X80管線鋼在不同摻氫比例下的力學(xué)性能劣化規(guī)律。
氫與金屬材料相容性研究主要面臨的挑戰(zhàn)如下:1)臨氫環(huán)境下裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理，主要包括低應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍△K下疲勞裂紋萌生的測試和評估方法，以及氫氣壓力對應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值△Kth的影響;2)氫環(huán)境與材料相容性數(shù)據(jù)庫的完善，氫環(huán)境包括氫氣環(huán)境和摻氫天然氣環(huán)境，材料包括金屬材料和非金屬材料;3)零部件材料和制造工藝對其抗氫脆性能的影響，包括材料中雜質(zhì)含量、焊接殘余應(yīng)力和表面粗糙度等;4)國際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲輸標(biāo)準(zhǔn)等。
04 氫風(fēng)險評價
4.1風(fēng)險評價方法
氫風(fēng)險評價方法主要分為快速風(fēng)險評級(ＲapidＲiskＲanking，ＲＲＲ)和量化風(fēng)險評價(QuantitativeＲiskAssessment，QＲA)。ＲＲＲ為經(jīng)驗(yàn)式的定性風(fēng)險評估，將專家分析討論后得到的結(jié)果與風(fēng)險矩陣進(jìn)行對比，以獲得相應(yīng)的風(fēng)險等級，可快速確定主要危險源；QＲA是對風(fēng)險的定量評價，可以科學(xué)地評價氫能系統(tǒng)或某一具體事故的風(fēng)險值(個人風(fēng)險和社會風(fēng)險)，為風(fēng)險減緩措施提供指導(dǎo)和建議，還可以直接應(yīng)用到氫安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，如安全距離的確定，現(xiàn)階段已成為氫風(fēng)險評價的主流方法，評價流程見圖2。
圖2 量化風(fēng)險評價流程
氫燃料電池汽車和加氫站的安全應(yīng)用受到人們的普遍關(guān)注。Kikukawa等綜合分析了液氫加氫站可能發(fā)生的事故類型，采用ＲＲＲ方法對加氫站進(jìn)行了風(fēng)險評估。Dadashzadeh等針對火災(zāi)事故中的氫燃料電池汽車，給出了火災(zāi)情景下車載儲氫氣瓶的QＲA方法。Middha等針對氫燃料電池汽車在隧道內(nèi)的泄漏，開展了事故后果量化研究，為受限空間內(nèi)氫泄漏QＲA方法建立提供了支撐。Li等針對上海世博加氫站開展了QＲA研究，明確了對站內(nèi)員工、加氫顧客和第三方人員的風(fēng)險值。李靜媛等同樣以上海世博加氫站為例，定量研究了加氫站內(nèi)高壓儲氫氣瓶發(fā)生泄漏爆炸的事故后果，并提出了事故減緩措施。
QＲA結(jié)果依托于氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等數(shù)值模型的精度，以及網(wǎng)格尺寸、邊界條件等模擬條件的設(shè)置，即使對于相同的事故類型，由于模型精度和條件設(shè)置的不同，往往會得出不同的風(fēng)險評估結(jié)果，因此提高模型的準(zhǔn)確性及模擬條件設(shè)置的合理性對氫風(fēng)險評價具有重要意義。為解決上述問題，F(xiàn)CH2JU推出了SUSANA項(xiàng)目，對氫行為(泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸)相關(guān)數(shù)值模型進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作，同時給出了氫數(shù)值模擬研究的推薦方法。
氫風(fēng)險評價方法研究面臨的主要挑戰(zhàn)如下：1)加氫站設(shè)施真實(shí)幾何形狀建模及包含事故緩解措施的加氫站QＲA方法；2)受限空間內(nèi)氫燃料電池汽車泄漏事故的QＲA方法；3)更多典型氫應(yīng)用場景(高壓氫氣儲輸、液氫儲輸、摻氫天然氣儲輸?shù)?下氫事故的QＲA方法。
4.2風(fēng)險評價工具
風(fēng)險評價工具是指基于驗(yàn)證過的工程概率模型和事故后果模型建立的、具有良好用戶交互界面的平臺，用戶能夠輸入特定的信息和邊界條件并在短時間內(nèi)獲得風(fēng)險評價的數(shù)據(jù)。2014年，SNL和IAHysafe共同推出了名為“HyＲAM”的首個風(fēng)險評價工具，該工具基于QＲA方法，在對氫加注、儲存等氫能設(shè)施進(jìn)行安全性評估的同時，有效縮短了計算時間。HyＲAM將目前國際上較為先進(jìn)的理論研究、工程模型和氫安全相關(guān)數(shù)據(jù)集成為一個工業(yè)化的綜合性分析體系，有助于國際氫安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和各國相關(guān)政策的實(shí)施。
后果量化評價作為QＲA的重要一環(huán)，其功能的實(shí)現(xiàn)亦離不開軟件的支撐，現(xiàn)階段常用于氫安全研究的量化風(fēng)險評價軟件主要包括FLACS和PHAST。FLACS為Gexcon公司開發(fā)的、基于CFD技術(shù)的專業(yè)模擬氣體擴(kuò)散、燃燒和爆炸的軟件，能夠耦合火焰與裝置、管道等設(shè)備的相互作用和影響，實(shí)現(xiàn)對泄漏爆炸后果的量化分析與計算。Middha、Vyazmina等開展了一系列氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等試驗(yàn)，對氫相關(guān)行為模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明FLACS可用于氫安全研究。PHAST為DNV公司開發(fā)的基于CFD技術(shù)的軟件，包含多種常見的壓力管道、容器等泄漏、擴(kuò)散、池火、爆炸等數(shù)值模型，且已在多個領(lǐng)域(化工、建筑)內(nèi)得到大范圍應(yīng)用?，F(xiàn)階段已有學(xué)者利用PHAST軟件開展氫氣泄漏及爆炸的研究，但相關(guān)數(shù)值模型對氫氣的適用性仍需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。
風(fēng)險評價工具主要面臨的挑戰(zhàn)如下：1)若干氫行為數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證，包括液氫泄漏、開放環(huán)境下氫氣爆燃爆轟、爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)、氫點(diǎn)火、流體與火焰界面相互作用等模型；2)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性及氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效、泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)。
05 結(jié)論與建議
本文主要從氫泄漏與擴(kuò)散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性和氫風(fēng)險評價4個方面介紹了國內(nèi)外氫安全的研究現(xiàn)狀，明確了氫安全研究仍面臨的挑戰(zhàn)。在氫泄漏與擴(kuò)散研究方面，泄漏口形狀、氫濃度梯度及空氣浮力對氫氣泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究，考慮液氫非理想特性的兩相泄漏模型的建立仍存在較大困難；在氫燃燒與爆炸研究方面，火焰加速(FA)和爆燃爆轟轉(zhuǎn)變(DDT)的機(jī)理仍不明確，氫自燃機(jī)理及試驗(yàn)研究仍需加強(qiáng)；在氫與金屬材料相容性方面，材料在高壓氫環(huán)境下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏，國際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲輸標(biāo)準(zhǔn)尚未建立；在氫風(fēng)險評價方面，更多典型氫應(yīng)用工況下泄漏事故的QＲA方法仍需建立，氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效、泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)相對較少。
政府的高度重視和資本的不斷涌入為我國氫能的發(fā)展提供了前所未有的契機(jī)，我國氫安全研究近年來也取得了快速的發(fā)展。但相較于日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家，我國氫安全研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)目前主要集中在少數(shù)高等院校和科研院所，研究能力仍存在較大的差距。
針對我國氫安全研究的發(fā)展提出以下建議：
1. 系統(tǒng)開展氫泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等相關(guān)試驗(yàn)研究，為氫風(fēng)險評價所需模型的建立與驗(yàn)證提供充足的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);完善金屬和非金屬材料的抗氫脆性能數(shù)據(jù)庫，為我國高壓臨氫承載件材料選擇、設(shè)計制造、安全評估、標(biāo)準(zhǔn)制訂提供依據(jù)。
2. 加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全技術(shù)研究，形成氫系統(tǒng)綜合風(fēng)險評價方法，針對氫的制備、儲輸和加氫站建設(shè)，形成氫能基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)重大危險源辨識方法，構(gòu)建風(fēng)險量化計算與評價指標(biāo)體系，同時建立有效的事故緩解方法和應(yīng)急安全響應(yīng)機(jī)制，為我國氫燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展提供支撐。
3. 進(jìn)一步完善我國氫安全質(zhì)量體系(包括標(biāo)準(zhǔn)、計量、合格評定等方面)，為氫能產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的安全運(yùn)行提供支撐，同時組建具有第三方公正地位的氫安全檢測研究中心，提升氫能裝備安全檢測能力，為氫能產(chǎn)品安全檢驗(yàn)和認(rèn)證、臨氫容器設(shè)計制造、氫安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制訂、氫能設(shè)施定量風(fēng)險評價、進(jìn)口氫能產(chǎn)品安全檢測提供技術(shù)支持。（來源：氫能聯(lián)盟CHA）
