高压氢气泄漏相关安全问题研究与进展.pdf

化工学报 2021年 第72卷 第3期 |, 2021, 723 1217-CIESC Journal 高压氢气泄漏相关安全问题研究与进展 沈晓波 1，章雪凝1，刘海峰2， 3 （1华东理工大学资源与环境工程学院，国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室，上海 200237； 2 华东理工 大学国家能源煤气化技术研发中心，上海 200237； 3 华东理工大学上海煤气化工程技术研究中心，上海 200237） 摘要 氢能作为新能源领域的“明日之星” ，已经逐步在全球范围内发展与推广。然而，安全性依然是氢能全生 命周期的关键瓶颈问题，高压又是其中最为突出的风险要素，容易引发氢气泄漏、扩散，甚至燃烧、爆炸等重 大安全事故。基于此，重点总结了高压氢气泄漏扩散、泄漏自燃、喷射火和气云爆炸等典型事故演化过程及内 在机理的研究现状并归纳了当前的不足之处，提出了未来发展方向，对氢能安全科学研究及事故防控具有指导 意义。 关键词 氢；安全；高压储氢；泄漏；爆炸；现状与不足 中图分类号 X 937文献标志码 A 文章编号 0438-1157（2021）03-1217-13 Research and progress on safety issues related to high-pressure hydrogen leakage SHEN Xiaobo1, ZHANG Xuening1, LIU Haifeng2,3 1College of Resources and Environmental Engineering, State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control Chemical Process, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2National Energy Coal Gasification Technology Research and Development Center, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 3 Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China Abstract As a“star of tomorrow”in the field of new energy, hydrogen energy has been gradually developed and promoted globally. However, safety is still a key bottleneck problem in the entire life cycle of hydrogen energy, and high pressure is the most prominent risk factor among them, which is likely to cause major safety accidents such as hydrogen leakage, diffusion, and even combustion and explosion. Based on this, the research status of the evolution process and internal mechanism of typical accidents such as high-pressure hydrogen leakage and diffusion, leakage spontaneous combustion, jet fire and gas cloud explosion are summarized and the current shortcomings are summarized, and the future development direction is proposed, which may have guiding significance on the research of hydrogen safety, and prevention and control of accidents. Key words hydrogen; safety; high-pressure hydrogen storage; leakage; explosion; status and shortcomings 综述与专论 DOI10.11949/0438-1157.20200874 收稿日期2020-07-02修回日期2020-09-05 通信作者刘海峰 （1971） ， 男， 博士， 教授， 第一作者沈晓波 （1986） ， 男， 博士， 副教授， 基金项目国家重点研发计划项目2018YFC0809300； 国家自然科学基金青年科学基金项目51604121 引用本文沈晓波, 章雪凝, 刘海峰. 高压氢气泄漏相关安全问题研究与进展J. 化工学报, 2021, 723 1217-1229 CitationSHEN Xiaobo, ZHANG Xuening, LIU Haifeng. Research and progress on safety issues related to high-pressure hydrogen leakageJ. CIESC Journal, 2021, 723 1217-1229 第72卷化工学报 引言 随着社会、 经济和科技的高速发展， 人类对于 能源的需求日益增大， 为了从根本上解决能源枯竭 及环境污染的双重危机， 亟需建立一个高效低碳的 可再生能源体系。与其他能源相比， 氢能具有不可 比拟的优点， 氢气来源广泛、 能量密度高、 燃烧产物 清洁零污染。20世纪中期以来， 发达国家逐步开展 了氢能源产业的研究工作。1970年， 美国首次提出 “氢经济” 概念1， 到2002年， 美国就出台了 国家氢 能路线图 2， 明确了氢能技术的发展蓝图和战略， 近年来， 为了推动氢能科研计划， 更是投入了大量 的资金， 如2019年， 美国能源部提供了3100万美元 来支持 “H2Scale” 计划。2019年年底， 美国氢经济 路线图执行概要报告指出 预计到2050年， 氢能可 占美国能源结构的 14。我国也高度重视氢能源 产业的发展， 2006年， 国务院颁布 国家中长期科学 和技术发展规划纲要 （20062020） ， 开始推广氢 能与燃料电池； 2014年，能源发展战略行动 （2014 2020年） 明确氢能与燃料汽车作为能源科技创 新战略方向。“十三五” 期间， 我国氢能产业发展进 入井喷期， 国家发布多项政策， 深入分析了氢能产 业基础设施的发展现状， 制定了其发展路线图3。 2020年4月， 在 中华人民共和国能源法征求意见 稿 中， 更是把氢能与煤、 石油、 天然气等归为一类， 首次从法律上承认其属于能源范畴； 2020年6月， 国 家又起草了 加氢站技术规范 （局部修订条文征求 意见稿） 和 汽车加油加气加氢站技术标准 （征求 意见稿） 并开始向社会公开征求意见。至此， 氢能 的能源地位得到进一步确认。 但是氢能产业发展面临两个主要瓶颈 制氢成 本与氢能安全。制氢成本受到多方面因素的掣肘， 各个地区的资源分布也大不相同， 因此制氢成本的 分析需要结合具体区域和项目。而对于普通民众 而言， 更为关心的是氢能安全问题。相较于常规能 源， 氢气有较多不利于安全的特性， 如氢气在空气 中具有较宽的燃烧范围 （体积分数4.174.1） ， 最小点火能极低 （仅为 0.02 mJ） ， 且氢气具有氢脆 性、 易泄漏和易扩散等性质。因而， 氢能利用中的 各个环节存在较大的火灾和爆炸风险。历年来， 国 内外氢气事故屡见不鲜， 甚至造成了重大的人员伤 亡和财产损失并对公众心理造成了不良影响， 使得 一部分人 “谈氢色变” 。安全问题已然成为了氢能 推广的重要瓶颈之一， 是包括我国在内的世界各国 亟需解决的重大挑战。迫切需要对氢能产业全生 命周期的关键安全科学问题进行全面系统的研究， 掌握事故发生和发展规律及机理， 在此基础上开发 切实可行的安全防控技术， 制定科学合理的安全标 准和规范， 最终为氢能经济的实现提供坚实保障， 促进社会的安全和可持续发展。 1氢气主要物化属性 早在 20世纪 90年代， 就有科学家研究了氢气 的泄漏特性， 表1列出了氢气的相对泄漏率及流动 参数4-6。氢气比其他燃料或气体泄漏速率更快 在 层流状态下， 氢气的泄漏速率约为甲烷的1.26倍， 而在高压下， 氢气往往处于湍流状态， 此时它的泄 漏速率更快， 约为甲烷的2.83倍。另外， 氢气极易 扩散， 其在薄膜中的扩散速度约为甲烷的 3.8 倍。 在非受限空间内， 一旦发生意外泄漏， 由于氢气密 度比空气低， 会迅速上浮并向四周扩散。而在受限 空间， 泄漏的氢气易于在局部聚积， 由于其高扩散 性， 能够快速形成危险的可燃性混合物。 氢气的燃烧速度很快， 暴秀超等7发现在常温 常压 （27， 0.1 MPa） 下， 当燃空比为1时， 氢气的燃 烧速度可达2 ms-1左右， 而天然气的燃烧速度仅为 0.4 ms-1， 所以氢气常作为燃料的添加剂以提升体 系的层流燃烧速度8。在空气中， 氢气的燃烧范围 很宽， 一般为4.174.1。另外， 氢气点火能极低， 它的最小点火能量约为0.02 mJ， 约为汽油的1/10。 表2列出了氢气及一些常用燃料的燃烧特性参数9。 表1氢气的相对泄漏率及流动参数 Table 1Relative leakage rate and flow parameters of hydrogen 物质 甲烷 氢气 丙烷 相对泄漏率 扩散 1.0 3.8 0.63 层流 1.0 1.26 1.38 湍流 1.0 2.83 0.6 流动参数 （0， 101.3 kPa （标况） ） 空气中的扩散系数/cm2s-1 0.223 0.611 0.121 （丙烷为主的液化石油气） 密度/kgm-3 0.717 0.08985 2.02 动力黏度/Pas 10.3 8.42 7.95 （18） 1218 第3期 此外， 氢气还会引发特有的氢脆破坏。特别是 在高压氢气系统中， 随着压力增大， 高强度钢材长 期暴露在氢环境中很容易发生氢脆。有一种解释 是， 氢气会在钢材表面解离为氢原子并渗入， 在外 应力作用下， 氢聚集在钢内部造成应力集中从而引 发局部开裂10。若管道或储罐出现了裂缝， 高压氢 气会迅速泄漏和扩散， 一旦遇到点火源便会引发燃 爆灾害。为了避免氢脆事故， 应对氢能产业中相关 的高压管道和储存、 反应容器等进行合理的选材， 或是加入特定的元素降低其氢脆敏感性， 如铬、 钒等。 上述物化属性决定了氢气本身就具有较高的 安全风险。在氢能利用全生命周期的不同环节， 氢 气可能引发的事故类型又与其自身状态和所处环 境紧密相关。 2氢能利用的全生命周期 一个完整的氢能产业链包括制氢、 储氢、 运输 和使用四个环节。氢气可以通过不同的技术从各 类原材料中制备， 目前， 约有96的氢气是通过化 石燃料制备所得11。然而， 使用化石能源制氢无法 从源头上实现零碳排放， 科学家们正将重点放在绿 色清洁的电解水技术上， 这种方法现在只占制氢总 量的4， 但预计到2050年将会大幅增长至2212。 无论是天然气制氢、 煤炭制氢还是电解水制氢， 为 了提高氢气的转化率和产率， 一般都会选择在高压 条件下进行13-14， 如我国已实现商业化的碱性水电 解技术， 运行压力为1.55.0 MPa， 其能量效率可达 6282。生产的氢气将通过管道输运至下游工 艺或直接储存。氢气运输常用三种方式 管道拖 车、 长输管道和冷槽车。对于低温液态氢气的运输 一般采用绝热的冷槽车， 为了维持低温环境， 整个 运输过程中能耗非常高， 因而此方法主要应用于军 事及航空航天领域。而对于高压气态氢气的运输 一般通过管道拖车和长输管道， 管道拖车用于小规 模短距离输送， 长输管道适用于大规模长距离的输 送。其中， 长输管道的设计压力为2.54 MPa， 管道 拖车的运输压力更是高达 2070 MPa 15。在氢能 使用环节， 氢燃料电池是极具潜力的氢能末端应用 方式之一， 可用于航空航天、 交通、 发电等重要领 域。2002年， 我国开发了第一款氢燃料电池汽车， 预计到 2030 年， 氢燃料汽车保有量将达到 200 万 辆， 加氢站数量将超过1000座。高压储氢是车载供 氢系统和配套加氢站建设的核心技术， 目前国际上 应用比较广泛的车载储氢瓶压力等级主要有 35 MPa和70 MPa两种， 配套的加氢站储氢压力应高于 供氢系统。我国大多数在用或在建的是35 MPa加 氢 站 ， 但 未 来 从 35 MPa 提 升 至 70 MPa 是 必 然 趋势。 氢气储存贯穿于氢气生产、 运输和使用等各个 环节 （图1） 。目前主要的氢气储存方式有三种 高 压气态储氢、 低温液态储氢和固态储氢。高压气态 储氢是指通过高压压缩方式将气态氢储存于容器 中， 该方式工艺简单且成本低。而低温液态储氢是 指通过低温将氢气液化并将液态氢储存于特定的 容器中。液态氢的体积密度为气态氢的845倍， 因 此液态储氢的最大优势就是储氢量大， 但为了保 证-250低温液态储氢条件， 需要配备极高要求的 绝热和冷却设施， 因此， 液态储氢的能耗非常高。 有研究表明， 每千克液态氢的液化装置的功耗可达 1015 kWh， 而高压气态氢在运输过程中每千克 氢气的加压总功耗仅为2.3 kWh16。固态储氢是指 通过化学反应或物理吸附将氢气储存于特定材料 中。常用的储氢材料包括 金属合金、 碳质材料和 有机物等。目前国内外对于固态储氢技术的研究 还不够成熟， 仍处于理论探索阶段， 面临的主要难 题包括材料制备工艺复杂、 反应放氢困难和可逆性 差等。因此， 与低温液态储氢相比， 高压气态储氢 具有能耗低、 成本低的优势； 与固态储氢相比， 高压 气态储氢具有技术成熟、 工艺流程简单、 储氢量大 表2氢气与甲烷、 汽油的燃烧特性对比 Table 2Combustion characteristics of hydrogen， methane， and gasoline 燃料 氢气 甲烷 汽油 分子式 H2 CH4 C4C12 燃烧极限/ （vol） 4.174.1 5.315 1.36.0 最低点火能/ mJ 0.02 0.3 0.3 燃烧速度/ ms-1 2.1 0.4 0.3 引燃 温度/ 400 538 415530 图1氢能利用四大环节 Fig.1Four links of hydrogen energy utilization 1219 第72卷化工学报 的优点。综合考虑成本、 储氢密度、 工艺等多方面 因素， 高压气态储氢是最高效和最经济的储氢方 法， 也是目前主流的储氢方式。 然而， 安全性一直是氢能全生命周期运行的突 出瓶颈问题。由以上可知， 高压又是其中最为突出 的风险要素。无论是高压制氢、 高压储氢还是高压 运氢环节， 如遇到高温、 氢脆破坏或外部撞击等， 极 易引发高压氢气的泄漏和扩散， 甚至更为严重的火 灾和爆炸事故灾害。根据高压氢气的泄漏行为， 可 将事故总体分为无燃烧泄漏扩散和有燃烧泄漏两 种， 如图2所示。无燃烧泄漏扩散， 即高压氢气只发 生单纯的泄漏扩散， 未遇点火源或发生自燃。有燃 烧泄漏则可分为三种情形 一是当氢气泄漏形成射 流后， 遇到点火源引发喷射火； 二是虽无外部点火 源， 但高压氢气发生了自燃， 并且可能发展为喷射 火； 三是氢气泄漏后先是在一定空间内与空气混合 形成气云， 此时若遇到点火源， 则极易发生氢气云 爆炸。仅2019年， 挪威、 美国就相继发生多起氢气 爆炸17， 事故起因分别是氢气云爆炸和氢气自燃引 发的连锁爆炸， 这些再一次引发公众对氢能安全的 广泛关注、 担忧甚至恐慌。亟需对高压氢气的安全 问题开展系统的研究和阐述， 充分掌握事故演化规 律， 为氢能安全防控技术开发及安全标准制定提供 科学依据和有力工具。 3高压氢气泄漏的安全问题研究 3.1高压氢气泄漏和扩散研究 根据气体泄漏源的压力与环境压力的比值， 泄 漏产生的气流可分为不同的类型18， 而高压储罐/管 道泄漏一般会形成高压欠膨胀射流。Xiao等19假定 存在一个气流绝热膨胀至大气压的过程 （图3） ， 在 自由射流模型中引入虚拟出口， 探究泄漏源附近的 浓度场和速度场变化情况。Zhang等20基于等熵膨 胀过程和真实气体状态方程计算了出口处射流的 特性参数。Zou等21考虑了高压氢气泄漏过程中的 热交换现象， 使用范德华方程和焓方程建立 HEC （热交换） 模型， 并将此模型与基于等熵过程假设的 模型进行比较。但现有的理论模型都仅对开敞空 间有一定的适用性， 而对受限空间以及有障碍物的 情况则很难给出合理的预测。 数值模拟研究方面， 一些学者建立了加氢站、 车库以及燃料汽车等小规模高压氢气泄漏场景， 考 察各类因素对氢气泄漏和扩散的影响。如 Liang 等22用FLACS建立了不同风速、 风向和泄漏点等多 个场景， 系统模拟了加氢站的高压氢气泄漏过程， 获得了可能发生爆炸的有害区域与致死区域 （有害 区域 死亡概率 1； 致死区域 死亡概率 100） 。 Yu等23模拟了不同风速下氢燃料电池汽车的储氢 泄漏场景， 发现车辆内部氢气浓度受风速影响很 大。Li等24运用CFD技术模拟了正方形和矩形喷嘴 外形成的高压欠膨胀氢气射流， 认为针对非圆形喷 嘴， 在分析射流衰减率时应引入适当的比例因子。 Sathiah等25利用FRED软件预测了氢气射流不同位 置的速度和浓度衰减状况。目前， 高压氢气泄漏扩 散过程数值模拟的可靠性还有待实验或事故数据 的进一步验证。 高压氢气泄漏的实验研究主要考察泄漏点附 近的气体浓度分布以及影响因素。de Stefano等26 在封闭空间内对高压氢气小规模泄漏的浓度场进 行了实验观测， 分析了泄漏位置、 障碍物等因素的 影响机制。Kobayashi等27研究了低温压缩氢气的 泄漏特性， 发现氢气的供给温度越低， 氢气泄漏的 流量越大。Malakhov等28用含有通风管道的集装箱 模拟了地下采矿隧道场景， 利用氢气传感器探测得 到了箱内的浓度分布。Ghatauray 等29考察了小型 燃料电池外壳上不同通风口的设计， 比较了普通矩 形通风孔与百叶窗通风孔对周围气体浓度分布的 影响。但高压氢气泄漏实验尺度受到安全性和经 济性等多方面的限制， 与实际事故情景还有较大的 图3基于虚喷管法的泄漏模型 Fig.3Leakage model based on virtual nozzle 图2高压氢气泄漏事故类型 Fig.2Types of high-pressure hydrogen leakage accidents 1220 第3期 差距， 数据的有效性还有待证实。 3.2高压氢气泄漏自燃研究 有研究表明， 61.98的氢气燃爆事故找不到点 火源30， 国内外学者普遍认为是发生了氢气自燃。 但目前对氢气自燃的发生机理还存在较大争议。 不同研究团队提出了多种可能的机理， 包括 逆焦 耳-汤姆逊效应、 静电点火机理、 扩散点火机理、 瞬 时绝热压缩机理和热表面点火机理等31。然而， 单 一机理往往无法解释所有高压氢气泄漏自燃现象， 因而其更可能是多个机理耦合作用的结果32。 近年来， 高压氢气泄漏自燃成为了氢安全领域 的研究热点。如Kim等33在矩形透明管道中完整记 录了自燃火焰的形成过程 （图4） ， 在氢/空气混合层 前锋面的后方管壁上发现高度混合点， 自燃火焰首 先在该处出现， 随后传播至氢/空气混合层的首尾 部。Sun等较早针对高压氢气泄漏自燃的部分影响 因素开展了实验研究， 主要考察了下游管道的横截 面形状、 爆破片的开口率以及杂质气体 （如甲烷） 对 高压氢泄漏自燃的影响机制34-36。他们还基于扩散 点火理论 （图5） 对高压氢气泄漏至下游管道后的自 燃行为进行了理论分析， 建立了求解多个均匀区参 数的数学方程， 提出了理论点火临界压力37。Jiang 等38详细探究了激波对高压氢气泄漏自燃现象的作 用机理， 认为激波是自燃发生的诱因， 激波强度主 要与释放压力和管道直径有关。此外， 他们还用不 同直径的下游管道39和具有不同直角拐角位置的L 图4矩形透明管道内自燃火焰的形成与传播 Fig.4ation and propagation of spontaneous flame in rectangular transparent pipe 1221 第72卷化工学报 型管道40进行实验， 剖析了管径和管道形状等对自 燃的影响。然而， 高压氢气泄漏自燃的影响因素还 有很多， 各因素的耦合作用机制尚不清楚。 出于安全性和经济性的考量， 数值模拟是研究 高压氢气自燃的重要工具之一。Wen等41使用五阶 WENO 格式对局部收缩的高压氢气管道内发生泄 漏自燃的过程进行了模拟， 发现局部收缩的几何结 构能使气体温度升高并增强湍流混合效应从而促 进自燃。Xu等42考虑了不同管径下自燃过程中激 波的特性并分析了边界层效应， 还与实验数据进 行了对比。弓亮43模拟研究了高压氢气在直管道 内泄漏自燃的微观动力学过程， 认为自燃最先发 生在管道壁面处， 随后出现在管道中心并与壁面 的火焰相融合。Liu等44通过大涡模拟研究了超燃 冲 压 发 动 机 中 氢 的 自 燃 过 程 。 Shen 等45利 用 Fluent 软件模拟了高压氢气通过管道泄漏发生自 燃的过程， 捕捉到了氢气射流的微观流场结构， 温 度、 密度、 压力和自由基分布等。虽然数值模拟可 以展现更多实验难以观测的流场和反应区微观结 构， 但针对自燃问题， 往往需要采用高阶格式、 超 细网格和极小时间步长， 因而计算周期长、 资源消 耗大， 且结果可靠性缺乏验证。 另外， 由于自燃过程的复杂性， 涉及湍流、 边界 层混合、 激波作用和微观反应动力学， 目前对高压 氢气泄漏自燃的深度理论研究相对匮乏， 还未能形 成一套可以较好地解释自燃现象及其根本成因的 可靠理论体系。 3.3高压氢气喷射火研究 若高压氢气泄漏后被点燃 （外部点火源或发生 氢气自燃） 则很可能引发喷射火。近期， Jiang等39 利用高速照相机记录下了管道出口处自燃火焰转 化成喷射火的全过程 （图6） ， 在火焰传播的初期， 距 离喷嘴一定距离处会形成马赫盘， 其背面出现扁平 火焰， 随后喷嘴处的火焰逐渐消失， 而由马赫盘下 游的火焰继续传播并最终形成喷射火。除了火焰 传播及其转变过程外， 喷射火特性参数的影响因素 也是重点研究方向。闫伟阳等46探究了不同管长和 泄放压力下喷射火尺寸及火焰尖端平均速度变化。 Henriksen 等47使用图像处理工具分析了实验结果 并给出了喷嘴几何形状与火焰尺寸的定量关系式。 Hooker等48通过改变氢气释放速率和排气孔配置进 行了通风罩内氢气喷射火的实验研究。但目前相 关的实验研究也受到尺度的限制， 且较少考察环境 因素、 障碍物， 特别是不同点火机制 （明火、 电火花、 高温或氢气自燃） 等的影响， 实验结果具有一定的 局限。 图5扩散点火机理示意图 Fig.5Schematic diagram of diffusion ignition mechanism 图6高压氢气喷射火形成过程 Fig.6ation process of high-pressure hydrogen jet fire 1222 第3期 数值模拟方面， Wang等49数值再现了喷嘴附近 环形涡旋结构的发展过程 （图7） ， 发现初始阶段在 喷嘴附近形成的环形涡旋结构是喷射火形成的关 键要素。如果火焰没有从马赫盘下游区域移动至 大涡旋， 则不会形成喷射火。一些学者还进行了真 实场景的模拟研究， 如Gu等50模拟了隧道内氢气运 输车辆泄漏引发喷射火行为， 掌握了不同的通风和 泄漏条件对隧道内温度和喷射火附近氢气扩散的 影响。Xiao等51针对核反应堆和燃料电池系统的氢 安全问题， 利用GASFLOW-MPI代码模拟了密闭空 间内的氢喷射火行为， 较好地再现了喷射火燃烧产 物温度及热辐射通量变化情况。Makarov等52基于 CFD技术模拟了90 MPa高压氢气喷射火， 成功复现 了 Proust等53的实验， 模拟预测的火焰尺寸与热辐 射通量结果都较为理想。然而目前高压氢气喷射 火模型也面临着计算效率低、 工况单调及缺乏验证 数据等问题。 理论研究方面， Makarov等54建立了计算高压氢 气泄漏和喷射火压力峰值的理论预测模型。Zhou 等55-56对高压气体喷射火提出了多种可用的理论模 型， 用于预测高压气体瞬态泄漏和喷射火特性， 包 括火焰长度、 热辐射通量等参数。但现有的预测模 型还是存在着很大的局限性， 只在特定条件范围内 具有较好的准确性。 3.4氢气云爆炸研究 氢气云爆炸的常用理论模型包括 TNT当量法、 TNO 多 能 法 、 Baker-Strehlow-Tang（BST）法 等 。 Ahumada等57总结了当前的蒸汽云爆炸经验模型， 包括TNO、 BST法等， 分析了各类方法的优缺点并对 部分经验模型提出了修改意见。Mukhim等58则认 为传统的理论模型具有较大缺陷， 他们基于标度律 提出了一种预测非受限空间内氢气云爆炸超压的 新型方法， 该方法与实验数据的吻合程度更高， 能 够更好地预测氢气云爆炸的后果。但总体而言， 现 有的较为常用的蒸汽云爆炸模型在对爆炸场景建 模时都进行了一定程度的简化， 因此都存在较大的 缺陷与使用限制且计算精度不高。 实验研究方面， Shen等59-61针对氢气、 合成气和 氢气/甲烷等清洁燃料的预混爆炸、 火焰传播、 反应 动力学和抑制技术等进行了系统的研究。他们探 究了管道中氢气/空气预混火焰传播形态的变化， 图 8为高速纹影摄像技术所捕捉到的特殊火焰传播行 为， 他们还发现郁金香变形总是伴随着火焰尖端速 度的脉动59。除此之外， Shen等60还定义了火焰形 变的新阶段 如T形火焰和拉伸郁金香火焰等。Yu 等62-63也对氢气、 合成气等在封闭管道中的火焰传 播和超压动力学开展了很多探索工作。除此之外， Shen等64记录了两次小尺度高压氢气罐破裂引发火 灾爆炸的过程， 综合考察了超压、 冲击波、 热辐射和 飞散碎片等要素。Zhang等65在带有泄爆装置的球 形容器中进行了预混氢气爆炸实验， 探究了泄放口 处火焰形态的变化。Wang等 66在具有单个孔板的 圆柱形容器中进行了氢/空气混合气的爆炸特性实 验。为了降低氢气燃爆风险， 惰性气体对其燃烧特 性的影响也是目前氢能安全的研究重点。Shen 等67-68探究了二氧化碳和氮气对预混气体火焰的影 响机制， 发现二氧化碳由于具有更大的比热容， 更 高的碰撞效率以及对氢燃烧反应更强的动力学效 应， 因而相比氮气具有更优的抑制效果。Li等69考 察了二氧化碳对密闭空间内氢气爆炸的惰性作用， 结果表明最大爆炸压力、 火焰传播速度等指标都随 着二氧化碳添加量的增加而降低。由于设备、 安全 和成本的限制， 氢气云爆炸的实验规模都比较小， 与真实的氢气泄漏燃爆事故在尺度上有较大差距， 研究结论 （如爆炸特征参量及其变化规律等） 的可 拓展性不强， 也不能作为大尺度数值模拟的有效论 证依据。 数值模拟可以较好地再现爆炸前后预混气体 的流动过程。如Li等70通过大涡模拟研究不同尺寸 和位置的障碍物对爆炸的影响并阐明了其作用机 制， 认为湍流作用能够增强爆炸时的超压效应。 Liang等22运用FLACS软件， 针对国内加氢站的储氢 系统， 模拟了不同风速下氢气泄漏和气云爆炸过 图7环形涡旋结构的发展过程 Fig.7The development process of the ring vortex near the nozzle 1223 第72卷化工学报 程， 结果表明泄漏方向与风向相反时， 氢气云爆炸 事故的危害更大。目前， 氢气云爆炸过程数值模拟 也存在计算量巨大和计算效率低的问题， 特别是针 对大型氢气事故的模拟再现需求， 现有模型往往表 现得无能为力。 可见， 实验研究和数值模拟都存在各自的局限 和不足。因此， 一些学者将实验研究与数值模拟相 结合来探究氢泄漏引发的火灾爆炸现象及其动力 学机理。数值模拟可得到实验研究无法探测的爆 炸参数 （如火焰前锋面的瞬时温度） ， 而实验研究可 得到真实的数据和现象并能够验证数值模拟的有 效性， 使模型可靠性更高、 适用性更广。比如， 为了 阐明在实际工业环境中轻质墙壁、 门窗等泄爆口的 打开时间对氢气爆炸特性的影响， Pang 等71使用 CFD技术， 研究泄压口的打开时间与超压、 燃烧速 率和爆炸温度的关系。他们将数值模拟的结果与 Bauwens等72的大规模氢气爆炸实验的结果进行比 较， 数值模拟的参数设定与实验相同， 结果发现两 者的相对误差不大于6， 但是由于缺少结构响应 模型， 阻碍了声学与结构间的耦合， 因此该模拟未 捕获到与声学相关的压力瞬变， 故两者的超压-时 间曲线在第一个峰值后出现较大的差异。Zhang 等73模拟了城市公用隧道中氢气/甲烷混合气的爆 炸场景， 分析了爆炸超压、 冲击波和气体舱室火灾 等情况 。他们基于 FLACS 软件的模拟结果与 Hanson等74和Zhang等75的实验数值都较为接近， 进 一步证实了模型的可靠性。Zhang等76在可视管道 中进行了甲烷/氢气/空气混合气的爆炸实验并拍摄 了管道中的火焰传播图像， 再利用Fluent软件模拟 了混合气的爆炸过程并获得了火焰温度分布、 爆炸 超压分布等多个关键参数。 3.5氢能安全标准化研究 氢能领域的标准化研究对于氢能产业链的发 展与推广是极为重要的， 因此国内外都非常重视氢 能安全的标准化。国际上主要是氢能技术标准化 技委会 （ISO/TC197） 来负责氢能相关标准制定。而 中国则是在2008年成立了全国氢能标准化技委会 （SAC/TC309） 和全国燃料电池及液流电池标准化技 委会 （SAC/TC342） ， 承担氢能的主要标准化工作。 氢能安全标准化是整个氢能标准体系中很重要的 一个环节， 无论是制氢、 储氢、 运氢还是用氢过程， 都需要规范化以确保安全性。从全球范围来看， 氢 能技术标准产业中超过50的为氢能应用标准， 而 氢能安全方面的标准较少， 只有不到1077。在氢 能安全方面， 氢能技术标准化技委会 （ISO） 发布了 多项标准， 包括 氢系统安全标准、 氢气分离和提纯 的安全标准、 氢燃料电池汽车安全规范等。一些发 达国家在20世纪中期就意识到氢能发展的重要性， 因此氢能安全标准化的制定工作也起步较早， ISO/ TR 15916是国际标准化组织在2004年出台的首部 氢系统安全标准。虽然我国仍处于氢能产业发展 的初期， 但经过过去十多年的努力， 我国氢能技术 标准化工作已在全球保持领先地位。GB/T 29729 2013是我国首部氢系统安全标准78， 适用于氢气的 制备、 储存和运输系统。与ISO/TR 15916相比， GB/ T 297292013使用范围更广， 首次介绍了氢浆系统 图8密闭管道内预混氢气/空气火焰高速纹影图像 （当量比为1.17） Fig.8High-speed schlieren images of premixed hydrogenair flame in a closed duct 1.17 1224 第3期 和固态氢系统的安全要求79。表3还列出了更多的 氢能领域国家安全标准， 与国外同类标准相比， 我 国的氢能安全标准数量更多， 覆盖面更广， 基本涵 盖了所有涉及氢能安全的场景， 包括加氢站安全、 燃料电池发电系统安全等。 在 GB/T 297292013 氢系统安全的基本要 求 中， 将氢泄漏列为氢系统的危险因素之一， 无论 是制氢、 储氢、 运氢还是用氢过程中都有可能发生 氢泄漏。因此， 在大多数氢能安全标准中， 为了降 低氢泄漏发生的可能性， 规定了氢系统用金属材料 的性能、 管件的选取及管道的连接方式等， 提升系 统的本质安全度。在事故防控方面， 部分标准中还 会提出氢泄漏检测、 氢火焰检测、 报警装置、 火灾和 爆炸风险控制等方面的具体要求。但是目前专门 针对氢泄漏的安全标准鲜有报道。 近日， 我国政府又相继出台了 8 项氢能领域 的标准， 其中就包含 加氢站安全技术规范 、氢 氧发生器安全技术要求 等多项安全标准。2020 年 6 月， 国家新发布了 加氢站技术规范 （局部修 订条文征求意见稿） 和 汽车加油加气加氢站技 术标准（征求意见稿） ， 正在向社会公开征求 意见。 然而， 我国的氢能安全标准化工作仍存在较多 薄弱环节， 比如有较大一部分是直接参考国外标准 或是天然气标准， 缺乏科学依据和可操作性。这就 迫切需要针对氢气事故发生、 发展模式和机理以及 防控技术开展系统的量化研究， 从而有力提升我国 氢能安全标准化工作的科学性、 系统性和广泛适用 性， 助力氢能产业的蓬勃发展。相关成果也可为世 界各国或地区的氢能安全标准化建设提供参考和 依据。 4结论 安全性是氢能产业全生命周期的关键瓶颈问 题之一， 而高压又是其核心风险要素， 涉及制氢、 储 氢、 运输和使用等各个环节。近年来， 氢气事故频 发， 更是引起了世界各国对氢能安全的关注与重 视。本文介绍了国内外学者对各类高压氢气泄漏 事故所开展的前沿工作， 总结了当前研究存在的不 足。未来可从以下几个方向进一步拓展和完善高 表3国内外氢能安全标准概况 Table3Overview of domestic and overseas hydrogen energy safety standards 组织 中国国家标准化管理委员 （SAC） 国际标准化组织 （ISO） 美国国家标准协会 （ANSI） 标准号 GB/T 23751.12009 GB/T 245492009 GB/T 27748.12017 GB/T 297292013 GB/T 300842013 GB/T 310362014 GB/T 31037.12014 GB/T 311392014 GB/T 345392017 GB/T 345442017 GB/T 345832017 GB/T 345842017 GB/T 362882018 ISO/TR 159162015 ISO 1611012007 ISO/TS 198832017 ISO 2126612018 ISO 232732013 ANSI/AIAA G095A2017 标准名称 微型燃料电池发电系统 第1部分 安全 燃料电池电动汽车安全要求 固定式燃料电池发电系统 第1部分 安全 氢系统安全的基本要求 便携式燃料电池发电系统安全 质子交换膜燃料电池备用电源系统安全 工业起升车辆用燃料电池发电系统 第1部分 安全 移动式加氢设施安全技术规范 氢氧发生器安