【摘 要】
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氢能作为一种清洁、高效、可持续性的能源载体,已成为未来能源发展的主要方向之一。大力推广氢能利用,有利于降低碳排放,保护环境,具有良好的环境和社会效益。加氢站作为给氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施,是氢能利用中必不可缺少的一环,但因氢气具有易燃易爆、密度极小、爆炸极限浓度范围很宽等特点,其安全性饱受各方质疑,制约了氢能系统的发展。分析研究加氢站氢气泄漏燃烧爆炸的影响因素,对于提高加氢站的安全性及加快
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氢能作为一种清洁、高效、可持续性的能源载体,已成为未来能源发展的主要方向之一。大力推广氢能利用,有利于降低碳排放,保护环境,具有良好的环境和社会效益。加氢站作为给氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施,是氢能利用中必不可缺少的一环,但因氢气具有易燃易爆、密度极小、爆炸极限浓度范围很宽等特点,其安全性饱受各方质疑,制约了氢能系统的发展。分析研究加氢站氢气泄漏燃烧爆炸的影响因素,对于提高加氢站的安全性及加快推动氢能产业健康发展,具有重要的理论和现实意义。本文以外供压缩氢加氢站为研究对象,根据加氢站工艺流程和国内外氢气事故,对加氢站进行危险源辨识和危险源等级划分,得出加氢站中最大的危险源为爆炸事故。结合现有部分加氢站调研结果和爆炸事故,构建加氢站爆炸事故树模型,分析氢气爆炸影响因素。通过对事故树模型定性分析主要得出,预防氢气泄漏能够显著降低爆炸事故发生的概率,氢气泄漏报警装置、爆炸危险场所通风条件、设备设施定期检修和维护在加氢站爆炸事故预防中具有非常重要的作用,能够显著提高加氢站的安全性。通过对FLACS软件分析,确定氢气泄漏燃烧爆炸所需要的控制方程和虚喷嘴模型,通过与其他研究成果对比,验证FLACS软件对氢气泄漏扩散及爆炸过程模拟的适用性。结合实际加氢站工程,利用FLACS软件建立模型,并进行网格划分、初始条件和边界条件设置,模拟分析加氢站内氢气泄漏燃烧爆炸的影响因素。结果表明:(1)加氢站内氢气泄漏扩散,可燃氢气云的形状和体积受泄漏方向上障碍物、储氢压力和风速的影响,泄漏方向上障碍物拥堵,则形成可燃气云形状不规则且体积较大;储氢压力越低,可燃氢气云的体积越小;风能够加快可燃氢气云的稀释和扩散,风速越大可燃氢气云越小。加氢站的隔墙能将可燃氢气云限制在工艺区,使泄漏的氢气主要在竖直方向上扩散,保证站内其它区域和站外的安全。加氢站中采用平顶罩棚比采用凹顶罩棚安全性高。(2)加氢站内氢气泄漏后爆炸,爆炸产生的压力和火焰温度与泄漏氢气浓度和扩散空间的拥堵程度有关。隔墙能阻挡爆炸火焰的传播,但不能完全阻挡爆炸压力的传播。爆炸火焰温度最高达到2436K,压力最高达到0.8bar,超压能够造成砖墙倒塌,钢混屋面塌下,会对人体造成严重伤害,导致心肌撕裂、脱臼等。(3)受限空间内氢气爆炸产生的最高压力和最高温度受氢气的初始浓度、泄压口面积、泄压口形状和环境温度的影响,其中氢气初始浓度、泄压口面积的影响较为显著,泄压口形状和环境温度的影响较小。爆炸最高压力和最高温度均随氢气初始浓度的增加先升高后降低,变化曲线呈倒V型,在氢气初始浓度为29.45%(氢气燃烧化学计量比)时均达到最大值。爆炸最高压力分别随泄压口面积的增大和环境温度的升高而降低。正方形和圆形泄压口的泄压效果较好。本文通过分析加氢站氢气泄漏燃烧爆炸的影响因素,提出了加氢站氢气泄漏爆炸事故预防措施,研究结论可为今后加氢站风险防范措施的建设提供指导和参考,具有一定的理论和工程实用价值。
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