摘要：氫能作為新能源領(lǐng)域的“明日之星”，已經(jīng)逐步在全球范圍內(nèi)發(fā)展與推廣。然而，安全性依然是氫能全生命周期的關(guān)鍵瓶頸問題，高壓又是其中最為突出的風(fēng)險(xiǎn)要素，容易引發(fā)氫氣泄漏、擴(kuò)散，甚至燃燒、爆炸等重大安全事故?；诖?，重點(diǎn)總結(jié)了高壓氫氣泄漏擴(kuò)散、泄漏自燃、噴射火和氣云爆炸等典型事故演化過程及內(nèi)在機(jī)理的研究現(xiàn)狀并歸納了當(dāng)前的不足之處，提出了未來發(fā)展方向，對(duì)氫能安全科學(xué)研究及事故防控具有指導(dǎo)意義。
0 引言
隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求日益增大，為了從根本上解決能源枯竭及環(huán)境污染的雙重危機(jī)，亟需建立一個(gè)高效低碳的可再生能源體系。與其他能源相比，氫能具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，氫氣來源廣泛、能量密度高、燃燒產(chǎn)物清潔零污染。上世紀(jì)中期以來，發(fā)達(dá)國家逐步開展了氫能源產(chǎn)業(yè)的研究工作。1970年，美國首次提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念，到2002年，美國就出臺(tái)了《國家氫能路線圖》明確了氫能技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖和戰(zhàn)略，近年來，為了推動(dòng)氫能科研計(jì)劃，更是投入了大量的資金，如2019年，美國能源部提供了3100萬美金來支持“H2”。
2019年年底，美國氫經(jīng)濟(jì)路線圖執(zhí)行概要報(bào)告指出：預(yù)計(jì)到2050年，氫能可占美國能源結(jié)構(gòu)的14%。我國也高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2006年，國務(wù)院頒布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》開始推廣氫能與燃料電池；2014年，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)（2014-2020年）》明確氫能與燃料汽車作為能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向?！笆濉逼陂g，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入井噴期，國家先后發(fā)布《中國制造2025》、《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016年）》等多項(xiàng)政策，深入分析了氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀，制定了其發(fā)展路線圖。2020年4月，在《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中，更是把氫能與煤、石油、天然氣等歸為一類，首次從法律上承認(rèn)其屬于能源范疇；2020年6月，國家又起草了《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見稿）》和《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》并開始向社會(huì)公開征求意見。至此，氫能的能源地位得到進(jìn)一步確認(rèn)。
但是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨兩個(gè)主要瓶頸：制氫成本與氫能安全。制氫成本受到多方面因素的掣肘，各個(gè)地區(qū)的資源分布也大不相同，因此制氫成本的分析需要結(jié)合具體區(qū)域和項(xiàng)目。而對(duì)于普通民眾而言，更為關(guān)心的是氫能安全問題。相較于常規(guī)能源，氫氣有較多不利于安全的特性，如氫氣在空氣中具有較寬的燃燒范圍（體積分?jǐn)?shù) 4.1%-74.1%），最小點(diǎn)火能極低（僅為 0.02 mJ）且氫氣具有氫脆性、易泄漏和易擴(kuò)散等性質(zhì)。因而，氫能利用中的各個(gè)環(huán)節(jié)存在較大的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。歷年來，國內(nèi)外氫氣事故屢見不鮮，甚至造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失并對(duì)公眾心理造成了不良影響，使得一部分人“談氫色變”。安全問題已然成為了氫能推廣的重要瓶頸之一，是包括我國在內(nèi)的世界各國亟需解決的重大挑戰(zhàn)。迫切需要我們對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)全生命周期的關(guān)鍵安全科學(xué)問題進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，掌握事故發(fā)生和發(fā)展規(guī)律及機(jī)理，在此基礎(chǔ)上開發(fā)切實(shí)可行的安全防控技術(shù)，制定科學(xué)合理的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最終為氫能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)保障，促進(jìn)社會(huì)的安全和可持續(xù)發(fā)展。
1 氫氣主要物化屬性
早在90年代，就有科學(xué)家研究了氫氣的泄漏特性，表1列出了氫氣的相對(duì)泄漏率及流動(dòng)參數(shù)。氫氣比其他燃料或氣體泄漏速率更快：在層流狀態(tài)下，氫氣的泄漏速率約為甲烷的1.26倍，而在高壓下，氫氣往往處于湍流狀態(tài)，此時(shí)它的泄漏速率更快，約為甲烷的2.83倍。另外，氫氣極易擴(kuò)散，其在薄膜中的擴(kuò)散速度約為甲烷的3.8倍。在非受限空間內(nèi)，一旦發(fā)生意外泄漏，由于氫氣密度比空氣低，會(huì)迅速上浮并向四周擴(kuò)散。而在受限空間，泄漏的氫氣易于在局部聚積，由于其高擴(kuò)散性，能夠快速形成危險(xiǎn)的可燃性混合物。
氫氣的燃燒速度很快，暴秀超等人發(fā)現(xiàn)在常溫常壓（27℃，0.1MPa）下，當(dāng)燃空比為1時(shí)，氫氣的燃燒速度可達(dá)2m·s-1左右，而天然氣的燃燒速度僅為0.4m·s-1，所以氫氣常常被作為燃料的添加劑用來提升體系的層流燃燒速度。在空氣中，氫氣的燃燒范圍很寬，一般為4.1%-74.1%。另外，氫氣點(diǎn)火能極低，它的最小點(diǎn)火能量大約為0.02mJ，約為汽油的十分之一。表2列出了氫氣及一些常用燃料的燃燒特性參數(shù)。
此外，氫氣還會(huì)引發(fā)特有的氫脆破壞。特別是在高壓氫氣系統(tǒng)中，隨著壓力增大，高強(qiáng)度鋼材長期暴露在氫環(huán)境中很容易發(fā)生氫脆。有一種解釋是，氫氣會(huì)在鋼材表面解離為氫原子并滲入，在外應(yīng)力作用下，氫聚集在鋼內(nèi)部造成應(yīng)力集中從而引發(fā)局部開裂。若管道或儲(chǔ)罐出現(xiàn)了裂縫，高壓氫氣會(huì)迅速泄漏和擴(kuò)散，一旦遇到點(diǎn)火源便會(huì)引發(fā)燃爆災(zāi)害。為了避免氫脆事故，應(yīng)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)中相關(guān)的高壓管道和儲(chǔ)存、反應(yīng)容器等進(jìn)行合理的選材，或是加入特定的元素降低其氫脆敏感性，例如：鉻、釩等。
上述物化屬性決定了氫氣本身就具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在氫能利用全生命周期的不同環(huán)節(jié)，氫氣可能引發(fā)的事故類型又與其自身狀態(tài)和所處環(huán)境緊密相關(guān)。
2 氫能利用的全生命周期
一個(gè)完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸和使用四個(gè)環(huán)節(jié)。氫氣可以通過不同的技術(shù)從各類原材料中制備，目前，約有96%的氫氣是通過化石燃料制備所得。然而，使用化石能源制氫無法從源頭上實(shí)現(xiàn)零碳排放，科學(xué)家們正將重點(diǎn)放在綠色清潔的電解水技術(shù)上，這種方法現(xiàn)在只占制氫總量的4%，但預(yù)計(jì)到2050年將會(huì)大幅增長至22%。無論是天然氣制氫、煤炭制氫還是電解水制氫，為了提高氫氣的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，一般都會(huì)選擇在高壓條件下進(jìn)行，如我國已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的堿性水電解技術(shù)，運(yùn)行壓力為1.5-5.0MPa，其能量效率可達(dá)62%-82%。生產(chǎn)的氫氣將通過管道輸運(yùn)至下游工藝或直接儲(chǔ)存。氫氣運(yùn)輸常用三種方式：管道拖車、長輸管道和冷槽車。對(duì)于低溫液態(tài)氫氣的運(yùn)輸一般采用絕熱的冷槽車，為了維持低溫環(huán)境，整個(gè)運(yùn)輸過程中能耗非常高，因而此方法主要應(yīng)用于軍事及航空航天領(lǐng)域。而對(duì)于高壓氣態(tài)氫氣的運(yùn)輸一般通過管道拖車和長輸管道，管道拖車用于小規(guī)模短距離輸送，長輸管道適用于大規(guī)模長距離的輸送。其中，長輸管道的設(shè)計(jì)壓力為2.5-4MPa，管道拖車的運(yùn)輸壓力更是高達(dá)20-70MPa。在氫能使用環(huán)節(jié)，氫燃料電池是極具潛力的氫能末端應(yīng)用方式之一，可用于航空航天、交通、發(fā)電等重要領(lǐng)域。2002年，我國開發(fā)了第一款氫燃料電池汽車，預(yù)計(jì)到2030年，氫燃料汽車保有量將達(dá)到200萬輛，加氫站數(shù)量將超過1000座。高壓儲(chǔ)氫是車載供氫系統(tǒng)和配套加氫站建設(shè)的核心技術(shù)，目前國際上應(yīng)用比較廣泛的車載儲(chǔ)氫瓶壓力等級(jí)主要有35MPa和70MPa兩種，配套的加氫站儲(chǔ)氫壓力應(yīng)高于供氫系統(tǒng)。我國絕大多數(shù)在用或在建的是35MPa加氫站，但未來從35MPa提升至70MPa是必然趨勢(shì)。
氫氣儲(chǔ)存貫穿于氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)（見圖1）。目前主要的氫氣儲(chǔ)存方式有三種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是指通過高壓壓縮方式將氣態(tài)氫儲(chǔ)存于容器中，該方式工藝簡單且成本低。而低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是指通過低溫將氫氣液化并將液態(tài)氫儲(chǔ)存于特定的容器中。液態(tài)氫的體積密度為氣態(tài)氫的845倍，因此液態(tài)儲(chǔ)氫的最大優(yōu)勢(shì)就是儲(chǔ)氫量大，但為了保證-250℃低溫液態(tài)儲(chǔ)氫條件，需要配備極高要求的絕熱和冷卻設(shè)施，因此，液態(tài)儲(chǔ)氫的能耗非常高。有研究表明，每千克液態(tài)氫的液化裝置的功耗可達(dá)10-15kW·h，而高壓氣態(tài)氫在運(yùn)輸過程中每千克氫氣的加壓總功耗僅為2.3 kW·h。固態(tài)儲(chǔ)氫是指通過化學(xué)反應(yīng)或物理吸附將氫氣儲(chǔ)存于特定材料中。常用的儲(chǔ)氫材料包括：金屬合金、碳質(zhì)材料和有機(jī)物等。目前國內(nèi)外對(duì)于固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的研究還不夠成熟，仍處于理論探索階段，面臨的主要難題包括材料制備工藝復(fù)雜、反應(yīng)放氫困難和可逆性差等。因此，與低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有能耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)；與固態(tài)儲(chǔ)氫相比，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有技術(shù)成熟、工藝流程簡單、儲(chǔ)氫量大的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮成本、儲(chǔ)氫密度、工藝等多方面因素，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是最高效和最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫方法，也是目前主流的儲(chǔ)氫方式。
然而，安全性一直是氫能全生命周期運(yùn)行的突出瓶頸問題。由以上可知，高壓又是其中最為突出的風(fēng)險(xiǎn)要素。無論是高壓制氫、高壓儲(chǔ)氫還是高壓運(yùn)氫環(huán)節(jié)，如遇到高溫、氫脆破壞或外部撞擊等，極易引發(fā)高壓氫氣的泄漏和擴(kuò)散，甚至更為嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸事故災(zāi)害。根據(jù)高壓氫氣的泄漏行為，可將事故總體分為無燃燒泄漏擴(kuò)散和有燃燒泄漏兩種，如圖2所示。無燃燒泄漏擴(kuò)散，即高壓氫氣只發(fā)生單純的泄漏擴(kuò)散，未遇點(diǎn)火源或發(fā)生自燃。有燃燒泄漏則可分為三種情形：一是當(dāng)氫氣泄漏形成射流后，遇到點(diǎn)火源引發(fā)噴射火；二是雖無外部點(diǎn)火源，但高壓氫氣發(fā)生了自燃，并且可能發(fā)展為噴射火；三是氫氣泄漏后先是在一定空間內(nèi)與空氣混合形成氣云，此時(shí)若遇到點(diǎn)火源，則極易發(fā)生氫氣云爆炸。僅2019年，挪威、美國就相繼發(fā)生多起氫氣爆炸，事故起因分別是氫氣云爆炸和氫氣自燃引發(fā)的連鎖爆炸，這些再一次引發(fā)公眾對(duì)氫能安全的廣泛關(guān)注、擔(dān)憂甚至恐慌。亟需對(duì)高壓氫氣的安全問題開展系統(tǒng)地研究和闡述，充分掌握事故演化規(guī)律，為氫能安全防控技術(shù)開發(fā)及安全標(biāo)準(zhǔn)制定提供科學(xué)依據(jù)和有力工具。
3 高壓氫氣泄漏的安全問題研究
3.1 高壓氫氣泄漏和擴(kuò)散研究
根據(jù)氣體泄漏源的壓力與環(huán)境壓力的比值，泄漏產(chǎn)生的氣流可分為不同的類型，而高壓儲(chǔ)罐/管道泄漏一般會(huì)形成高壓欠膨脹射流。Xiao等人假定存在一個(gè)氣流絕熱膨脹至大氣壓的過程（如圖3所示），在自由射流模型中引入虛擬出口，探究泄漏源附近的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)變化情況。Zhang 等人基于等熵膨脹過程和真實(shí)氣體狀態(tài)方程計(jì)算了出口處射流的特性參數(shù)。Zou考慮了高壓氫氣泄漏過程中的熱交換現(xiàn)象，使用范德華方程和焓方程建立HEC（熱交換）模型，并將此模型與基于等熵過程假設(shè)的模型進(jìn)行比較。但現(xiàn)有的理論模型都僅對(duì)開敞空間有一定的適用性，而對(duì)受限空間以及有障礙物的情況則很難給出合理的測(cè)。
數(shù)值模擬研究方面，一些學(xué)者建立了加氫站、車庫以及燃料汽車等小規(guī)模高壓氫氣泄漏場(chǎng)景，考察各類因素對(duì)氫氣泄漏和擴(kuò)散的影響。比如，Liang等人用FLACS建立了不同風(fēng)速、風(fēng)向和泄漏點(diǎn)等多個(gè)場(chǎng)景，系統(tǒng)模擬了加氫站的高壓氫氣泄漏過程，獲得了可能發(fā)生爆炸的有害區(qū)域與致死區(qū)域（有害區(qū)域：死亡概率1%；致死區(qū)域：死亡概率100%）。Yu等人模擬了不同風(fēng)速下氫燃料電池汽車的儲(chǔ)氫泄漏場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)車輛內(nèi)部氫氣濃度受風(fēng)速影響很大。Li等人運(yùn)用CFD 技術(shù)模擬了正方形和矩形噴嘴外形成的高壓欠膨脹氫氣射流，認(rèn)為針對(duì)非圓形噴嘴，在分析射流衰減率時(shí)應(yīng)引入適當(dāng)?shù)谋壤蜃?。Sathiah等人利用FRED軟件預(yù)測(cè)了氫氣射流不同位置的速度和濃度衰減狀況。
目前，高壓氫氣泄漏擴(kuò)散過程數(shù)值模擬的可靠性還有待實(shí)驗(yàn)或事故數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。高壓氫氣泄漏的實(shí)驗(yàn)研究主要考察泄漏點(diǎn)附近的氣體濃度分布以及影響因素。Stefano在封閉空間內(nèi)對(duì)高壓氫氣小規(guī)模泄漏的濃度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析了泄漏位置、障礙物等因素的影響機(jī)制。Kobayashi等人研究了低溫壓縮氫氣的泄漏特性，發(fā)現(xiàn)氫氣的供給溫度越低，氫氣泄漏的流量越大。Malakhov等人用含有通風(fēng)管道的集裝箱模擬了地下采礦隧道場(chǎng)景，利用氫氣傳感器探測(cè)得到了箱內(nèi)的濃度分布。Ghatauray 等人考察了小型燃料電池外殼上不同通風(fēng)口的設(shè)計(jì)，比較了普通矩形通風(fēng)孔與百葉窗通風(fēng)孔對(duì)周圍氣體濃度分布的影響。但高壓氫氣泄漏實(shí)驗(yàn)尺度受到安全性和經(jīng)濟(jì)性等多方面的限制，與實(shí)際事故情景還有較大的差距，數(shù)據(jù)的有效性還有待證實(shí)。
3.2 高壓氫氣泄漏自燃研究
有研究表明，61.98%的氫氣燃爆事故找不到點(diǎn)火源，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為是發(fā)生了氫氣自燃。但目前對(duì)氫氣自燃的發(fā)生機(jī)理還存在較大爭(zhēng)議。不同研究團(tuán)隊(duì)提出了多種可能的機(jī)理，包括：逆焦耳-湯姆遜效應(yīng)、靜電點(diǎn)火機(jī)理、擴(kuò)散點(diǎn)火機(jī)理、瞬時(shí)絕熱壓縮機(jī)理和熱表面點(diǎn)火機(jī)理等。然而，單一機(jī)理往往無法解釋所有高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象，因而其更可能是多個(gè)機(jī)理耦合作用的結(jié)果。
近年來，高壓氫氣泄漏自燃成為了氫安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如Kim等人在矩形透明管道中完整記錄了自燃火焰的形成過程（如圖4所示），在氫/空氣混合層前鋒面的后方管壁上發(fā)現(xiàn)高度混合點(diǎn)，自燃火焰首先在該處出現(xiàn)，隨后傳播至氫/空氣混合層的首尾部。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華課題組較早在國內(nèi)針對(duì)高壓氫氣泄漏自燃的部分影響因素開展了實(shí)驗(yàn)研究，主要考察了下游管道的橫截面形狀、爆破片的開口率以及雜質(zhì)氣體（如甲烷）對(duì)高壓氫泄漏自燃的影響機(jī)制。他們還基于擴(kuò)散點(diǎn)火理論（圖5）對(duì)高壓氫氣泄漏至下游管道后的自燃行為進(jìn)行了理論分析，建立了求解多個(gè)均勻區(qū)參數(shù)的數(shù)學(xué)方程，提出了理論點(diǎn)火臨界壓力。南京工業(yè)大學(xué)蔣軍成課題組詳細(xì)探究了激波對(duì)高壓氫氣泄漏自燃現(xiàn)象的作用機(jī)理，認(rèn)為激波是自燃發(fā)生的誘因，激波強(qiáng)度主要與釋放壓力和管道直徑有關(guān)。此外，他們還用不同直徑的下游管道和具有不同直角拐角位置的L 型管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，剖析了管徑和管道形狀等對(duì)自燃的影響。然而，高壓氫氣泄漏自燃的影響因素還有很多，各因素的耦合作用機(jī)制尚不清楚。
出于安全性和經(jīng)濟(jì)性的考量，數(shù)值模擬是研究高壓氫氣自燃的重要工具之一。如英國華威大學(xué)溫曉玲教授課題組使用五階WENO 格式對(duì)局部收縮的高壓氫氣管道內(nèi)發(fā)生泄漏自燃的過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)局部收縮的幾何結(jié)構(gòu)能使氣體溫度升高并增強(qiáng)湍流混合效應(yīng)從而促進(jìn)自燃。Xu等人考慮了不同管徑下自燃過程中激波的特性并分析了邊界層效應(yīng)，還與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。弓亮等人模擬研究了高壓氫氣在直管道內(nèi)泄漏自燃的微觀動(dòng)力學(xué)過程，他們認(rèn)為自燃最先發(fā)生在管道壁面處，隨后出現(xiàn)在管道中心并與壁面的火焰相融合。Liu等人通過大渦模擬研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中氫的自燃過程。華東理工大學(xué)沈曉波等人利用Fluent軟件模擬了高壓氫氣通過管道泄漏發(fā)生自燃的過程，捕捉到了氫氣射流的微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，溫度、密度、壓力和自由基分布等。雖然數(shù)值模擬可以展現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)的流場(chǎng)和反應(yīng)區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，但針對(duì)自燃問題，往往需要采用高階格式、超細(xì)網(wǎng)格和極小時(shí)間步長，因而計(jì)算周期長、資源消耗大，且結(jié)果可靠性缺乏驗(yàn)證。
另外，由于自燃過程的復(fù)雜性，涉及到湍流、邊界層混合、激波作用和微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，目前對(duì)高壓氫氣泄漏自燃的深度理論研究相對(duì)匱乏，還未能形成一套可以較好地解釋自燃現(xiàn)象及其根本成因的可靠理論體系。
3.3 高壓氫氣噴射火研究
若高壓氫氣泄漏后被點(diǎn)燃（外部點(diǎn)火源或發(fā)生氫氣自燃）則很可能引發(fā)噴射火。近期，Jiang 等人利用高速照相機(jī)記錄下了管道出口處自燃火焰轉(zhuǎn)化成噴射火的全過程（如圖6），在火焰?zhèn)鞑サ某跗?，距離噴嘴一定距離處會(huì)形成馬赫盤，其背面出現(xiàn)扁平火焰，隨后噴嘴處的火焰逐漸消失，而由馬赫盤下游的火焰繼續(xù)傳播并最終形成噴射火。除了火焰?zhèn)鞑ゼ捌滢D(zhuǎn)變過程外，噴射火特性參數(shù)的影響因素也是重點(diǎn)研究方向。閆偉陽等人探究了不同管長和泄放壓力下噴射火尺寸及火焰尖端平均速度變化。Henriksen等人使用圖像處理工具分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果并給出了噴嘴幾何形狀與火焰尺寸的定量關(guān)系式。Hooker等人通過改變氫氣釋放速率和排氣孔配置進(jìn)行了通風(fēng)罩內(nèi)氫氣噴射火的實(shí)驗(yàn)研究。但目前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也受到尺度的限制，且較少考察環(huán)境因素、障礙物，特別是不同點(diǎn)火機(jī)制（明火、電火花、高溫或氫氣自燃）等的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限。
數(shù)值模擬方面，Wang等人數(shù)值再現(xiàn)了噴嘴附近環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程（如圖7所示），發(fā)現(xiàn)初始階段在噴嘴附近形成的環(huán)形渦旋結(jié)構(gòu)是噴射火形成的關(guān)鍵要素。如果火焰沒有從馬赫盤下游區(qū)域移動(dòng)至大渦旋，則不會(huì)形成噴射火。一些學(xué)者還進(jìn)行了真實(shí)場(chǎng)景的模擬研究，如Gu等人模擬了隧道內(nèi)氫氣運(yùn)輸車輛泄漏引發(fā)噴射火行為，掌握了不同的通風(fēng)和泄漏條件對(duì)隧道內(nèi)溫度和噴射火附近氫氣擴(kuò)散的影響。Xiao等人針對(duì)核反應(yīng)堆和燃料電池系統(tǒng)的氫安全問題，利用GASFLOW-MPI代碼模擬了密閉空間內(nèi)的氫噴射火行為，較好地再現(xiàn)了噴射火燃燒產(chǎn)物溫度及熱輻射通量變化情況。Makarov等人基于CFD 技術(shù)模擬了90MPa 高壓氫氣噴射火，成功復(fù)現(xiàn)了Proust等人的實(shí)驗(yàn)，模擬預(yù)測(cè)的火焰尺寸與熱輻射通量結(jié)果都較為理想。然而目前高壓氫氣噴射火模型也面臨著計(jì)算效率低、工況單調(diào)及缺乏驗(yàn)證數(shù)據(jù)等問題。
理論研究方面，Makarov等人建立了計(jì)算高壓氫氣泄漏和噴射火壓力峰值的理論預(yù)測(cè)模型。周魁斌研究組對(duì)高壓氣體噴射火提出了多種可用的理論模型，用于預(yù)測(cè)高壓氣體瞬態(tài)泄漏和噴射火特性，包括火焰長度、熱輻射通量等參數(shù)。但現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型還是存在著很大的局限性，只在特定條件范圍內(nèi)具有較好的準(zhǔn)確性。
3.4 氫氣云爆炸研究
氫氣云爆炸的常用理論模型包括：TNT當(dāng)量法、TNO多能法、Baker-Strehlow-Tang（BST）法等。Ahumada等人總結(jié)了當(dāng)前的蒸汽云爆炸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括：TNO、BST 法等，分析了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢隽诵薷囊庖?。Mukhim等人則認(rèn)為傳統(tǒng)的理論模型具有較大缺陷，他們基于標(biāo)度律提出了一種預(yù)測(cè)非受限空間內(nèi)氫氣云爆炸超壓的新型方法，該方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度更高，能夠更好地預(yù)測(cè)氫氣云爆炸的后果。但總體而言，現(xiàn)有的較為常用的蒸汽云爆炸模型在對(duì)爆炸場(chǎng)景建模時(shí)都進(jìn)行了一定程度的簡化，因此都存在較大的缺陷與使用限制且計(jì)算精度不高。
實(shí)驗(yàn)研究方面，華東理工大學(xué)沈曉波團(tuán)隊(duì)針對(duì)氫氣、合成氣和氫氣/甲烷等清潔燃料的預(yù)混爆炸、火焰?zhèn)鞑?、反?yīng)動(dòng)力學(xué)和抑制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他們探究了管道中氫/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的變 化，圖8為高速紋影攝像技術(shù)所捕捉到的特殊火焰?zhèn)鞑バ袨?，他們還發(fā)現(xiàn)郁金香變形總是伴隨著火焰尖端速度的脈動(dòng)。除此之外，沈曉波等人還定義了火焰形變的新階段：如T形火焰和拉伸郁金香火焰等。重慶大學(xué)余明高團(tuán)隊(duì)也對(duì)氫氣、合成氣等在封閉管道中的火焰?zhèn)鞑ズ统瑝簞?dòng)力學(xué)開展了很多探索工作。
除此之外，Shen等人記錄了兩次小尺度高壓氫氣罐破裂引發(fā)火災(zāi)爆炸的過程，綜合考察了超壓、沖擊波、熱輻射和飛散碎片等要素。Zhang等人在帶有泄爆裝置的球形容器中進(jìn)行了預(yù)混氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)，探究了泄放口處火焰形態(tài)的變化。Wang等人在具有單個(gè)孔板的圓柱形容器中進(jìn)行了氫/空氣混合氣的爆炸特性實(shí)驗(yàn)。為了降低氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)，惰性氣體對(duì)其燃燒特性的影響也是目前氫能安全的研究重點(diǎn)。沈曉波團(tuán)隊(duì)探究了二氧化碳和氮?dú)鈱?duì)預(yù)混氣體火焰的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)二氧化碳由于具有更大的比熱，更高的碰撞效率以及對(duì)氫燃燒反應(yīng)更強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，因而相比氮?dú)饩哂懈鼉?yōu)的抑制效果。Li等人考察了二氧化碳對(duì)密閉空間內(nèi)氫氣爆炸的惰性作用，結(jié)果表明最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊戎笜?biāo)都隨著二氧化碳添加量的增加而降低。由于設(shè)備、安全和成本的限制，氫氣云爆炸的實(shí)驗(yàn)規(guī)模都比較小，與真實(shí)的氫氣泄漏燃爆事故在 尺度上有較大差距，研究結(jié)論（如爆炸特征參量及其變化規(guī)律等）的可拓展性不強(qiáng)，也不能作為大尺度數(shù) 值模擬的有效論證依據(jù)。
數(shù)值模擬可以較好地再現(xiàn)爆炸前后預(yù)混氣體的流動(dòng)過程。如 Li 等人通過大渦模擬研究不同尺寸和位置的障礙物對(duì)爆炸的影響并闡明了其作用機(jī)制，認(rèn)為湍流作用能夠增強(qiáng)爆炸時(shí)的超壓效應(yīng)。Liang等人運(yùn)用FLACS軟件，針對(duì)國內(nèi)加氫站的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，模擬了不同風(fēng)速下氫氣泄漏和氣云爆炸過程，結(jié)果表明泄漏方向與風(fēng)向相反時(shí)，氫氣云爆炸事故的危害更大。目前，氫氣云爆炸過程數(shù)值模擬也存在計(jì)算量巨大和計(jì)算效率低的問題，特別是針對(duì)大型氫氣事故的模擬再現(xiàn)需求，現(xiàn)有模型往往表現(xiàn)得無能為力。
可見，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬都存在各自的局限和不足。因此，一些學(xué)者將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合來探究氫泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸現(xiàn)象及其動(dòng)力學(xué)機(jī)理。數(shù)值模擬可得到實(shí)驗(yàn)研究無法探測(cè)的爆炸參數(shù)（如火焰前鋒面的瞬時(shí)溫度），而實(shí)驗(yàn)研究可得到真實(shí)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象并能夠驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，使模型可靠性更高、適用性更廣。比如，為了闡明在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中輕質(zhì)墻壁、門窗等泄爆口的打開時(shí)間對(duì)氫氣爆炸特性的影響，Pang等人使用CFD技術(shù)，研究泄壓口的打開時(shí)間與超壓、燃燒速率和爆炸溫度的關(guān)系。他們將數(shù)值模擬的結(jié)果與 Bauwens等人的大規(guī)模氫氣爆炸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)定與實(shí)驗(yàn)相同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的相對(duì)誤差不大于6%，但是由于缺少結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，阻礙了聲學(xué)與結(jié)構(gòu)間的耦合， 因此該模擬未捕獲到與聲學(xué)相關(guān)的壓力瞬變，故兩者的超壓-時(shí)間曲線在第一個(gè)峰值后出現(xiàn)較大的差異。重慶大學(xué)張書豪等人模擬了城市公用隧道中氫氣/甲烷混合氣的爆炸場(chǎng)景，分析了爆炸超壓、沖擊波和氣體艙室火災(zāi)等情況。他們基于FLACS軟件的模擬結(jié)果與Hanson等人和Zhang等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)值都較為接近，進(jìn)一步證實(shí)了模型的可靠性。張?jiān)频热嗽诳梢暪艿乐羞M(jìn)行了甲烷/氫氣/空氣混合氣的爆炸實(shí)驗(yàn)并拍攝了管道中的火焰?zhèn)鞑D像，再利用Fluent 軟件模擬了混合氣的爆炸過程并獲得了火焰溫度分布、爆炸超壓分布等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
3.5 氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化研究
氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與推廣是極為重要的，因此國內(nèi)外都非常重視氫能安全的標(biāo)準(zhǔn)化。國際上主要是氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（ISO/TC197）來負(fù)責(zé)氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。而中國則是在2008年成立了全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（ SAC/TC309 ） 和全國燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（SAC/TC342），承擔(dān)氫能的主要標(biāo)準(zhǔn)化工作。氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化是整個(gè)氫能標(biāo)準(zhǔn)體系中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)， 無論是制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫還是用氫過程，都需要規(guī)范化以確保安全性。從全球范圍來看，氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn) 業(yè)中超過 50%的為氫能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，而氫能安全方面的標(biāo)準(zhǔn)較少，只有不到10%。在氫能安全方面，氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技委會(huì)（ISO）發(fā)布了5項(xiàng)左右的標(biāo)準(zhǔn)，包括：氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)、氫氣分離和提純的安全標(biāo)準(zhǔn)、氫燃料電池汽車安全規(guī)范等。一些發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)中期就意識(shí)到氫能發(fā)展的重要性，因此氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化的制定工作也起步較早，ISO/TR 15916是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在 2004 年出臺(tái)的首部氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國仍處于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，但經(jīng)過過去十多年的努力，我國氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作已在全球保持領(lǐng)先地位。GB/T29729-2013是我國首部氫系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，適用于氫氣的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)。與ISO/TR15916相比，GB/T29729-2013使用范圍更廣，首次介紹了氫漿系統(tǒng)和固態(tài)氫系統(tǒng)的安全要求。表3還列出了更多的氫能領(lǐng)域國家安全標(biāo)準(zhǔn)，與國外同類標(biāo)準(zhǔn)相比，我國的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量更多，覆蓋面更廣,基本涵蓋了所有涉及到氫能安全的場(chǎng)景，包括加氫站安全、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安全等。
在 GB/T29729-2013《氫系統(tǒng)安全的基本要求》中，將氫泄漏列為氫系統(tǒng)的危險(xiǎn)因素之一，無論是制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫還是用氫過程中都有可能發(fā)生氫泄漏。因此，在大多數(shù)氫能安全標(biāo)準(zhǔn)中，為了降低氫泄漏發(fā)生 的可能性，規(guī)定了氫系統(tǒng)用金屬材料的性能、管件的選取及管道的連接方式等，提升系統(tǒng)的本質(zhì)安全度。在事故防控方面，部分標(biāo)準(zhǔn)中還會(huì)提出氫泄漏檢測(cè)、氫火焰檢測(cè)、報(bào)警裝置、火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)控制等方面 的具體要求。但是目前專門針對(duì)氫泄漏的安全標(biāo)準(zhǔn)鮮有報(bào)道。
近日，我國政府又相繼出臺(tái)了8項(xiàng)氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，其中就包含《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》、《氫氧發(fā)生器安全技術(shù)要求》等多項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)。2020年6月，國家新發(fā)布了《加氫站技術(shù)規(guī)范（局部修訂條文征求意見稿）》和《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，正在向社會(huì)公開征求意見。
然而，我國的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化工作仍存在較多薄弱環(huán)節(jié)，比如有較大一部分是直接參考國外標(biāo)準(zhǔn)或是天然氣標(biāo)準(zhǔn)，缺乏科學(xué)依據(jù)和可操作性。這就迫切需要我們針對(duì)氫氣事故發(fā)生、發(fā)展模式和機(jī)理以及防控技術(shù)開展系統(tǒng)的量化研究，從而有力提升我國氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化工作的科學(xué)性、系統(tǒng)性和廣泛適用性，助力氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。相關(guān)成果也可為世界各國或地區(qū)的氫能安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供參考和依據(jù)。
4 結(jié) 論
安全性是氫能產(chǎn)業(yè)全生命周期的關(guān)鍵瓶頸問題之一，而高壓又是其核心風(fēng)險(xiǎn)要素，涉及制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸和使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。近年來，氫氣事故頻發(fā)，更是引起了世界各國對(duì)氫能安全的關(guān)注與重視。本文介紹了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類高壓氫氣泄漏事故所開展的前沿工作，總結(jié)了當(dāng)前研究存在的不足。未來可從以下幾個(gè)方向進(jìn)一步拓展和完善高壓氫氣泄漏相關(guān)安全問題研究：
（1） 針對(duì)反應(yīng)器、儲(chǔ)罐、管道等大型工業(yè)設(shè)備，開展中、大尺度實(shí)驗(yàn)，完善氫氣燃爆數(shù)據(jù)庫，為仿真模型開發(fā)和驗(yàn)證提供可靠依據(jù)。
（2） 從網(wǎng)格、湍流模型和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型等方面，優(yōu)化數(shù)值模擬方法，提高其針對(duì)大中型氫氣事故模擬的效率。還可結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法，建立事故源-受體的雙向快速預(yù)測(cè)-溯源模型，從而部分替代 CFD 技術(shù)，為氫氣事故模擬和事故調(diào)查提供全新的思路和方法，這也將是未來的發(fā)展大勢(shì)。
（3） 建立通用的高壓氫氣泄漏理論體系，使其適用于各環(huán)節(jié)不同場(chǎng)景的高壓氫氣泄漏預(yù)測(cè)。
（4） 加強(qiáng)高壓氫氣泄漏自燃的多機(jī)理耦合研究，全面揭示高壓氫氣泄漏自燃的本質(zhì)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。此外，目前對(duì)高壓氫氣泄漏自燃防控技術(shù)的研究較弱，應(yīng)開發(fā)有效的自燃抑制方法，如清潔抑制劑和高效施放手段等。
（5） 開展高壓氫氣泄漏自燃向噴射火焰轉(zhuǎn)捩的機(jī)理研究，拓展氫氣自燃和噴射火理論體系，改進(jìn)現(xiàn)有高壓氫氣噴射火尺寸和熱輻射通量預(yù)測(cè)模型，引入環(huán)境因素、障礙物和不同點(diǎn)火機(jī)制，進(jìn)一步提升其適用性。
來源丨《化工學(xué)報(bào)》 單位：華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；華東理工大學(xué)國家能源煤氣化技術(shù)研發(fā)中心；華東理工大學(xué)上海煤氣化工程技術(shù)研究中心
