紧凑密闭氢电耦合系统中氢气泄漏扩散与爆炸事故后果的数值模拟研究

针对紧凑密闭氢电耦合系统(HECS)中复杂布局导致的氢气泄漏风险，研究人员通过数值模拟系统研究了泄漏位置、管径、容器尺寸及通风布局对氢气扩散特性的影响，发现固态储氢系统大规模泄漏可产生2630 kPa超压和25 m破坏半径，证实顶部通风设计较侧壁效率提升50%，为密闭空间氢安全防护提供了关键参数优化方案。

　　

氢能作为实现碳中和的关键清洁能源，其安全性一直是制约大规模应用的瓶颈。传统研究多聚焦加氢站、车库等开放或简单密闭空间，而氢电耦合系统(HECS)作为未来能源系统的重要形态，常被部署在设备密集的紧凑密闭容器中，其复杂环境下的氢气泄漏扩散规律和爆炸后果尚属空白。这种认知缺失导致实际工程中缺乏有效的安全防护标准，近年来全球氢能事故数据库(HIAD)显示，约32.28%的事故源于管道阀门泄漏，且密闭空间往往造成最严重的爆炸后果。

中国某研究机构团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究，首次建立了紧凑密闭HECS的完整数值模型。研究采用国际公认的FLACS爆炸风险评估软件，通过计算流体力学(CFD)模拟，系统分析了泄漏直径(1-10 mm)、容器尺寸(20-40 m³
)和通风布局(顶部/侧壁)等多参数组合场景。关键技术包括：基于压力峰值现象(PPP)的瞬态压力建模，考虑障碍物扰动的三维扩散模拟，以及符合NORSOK Z-013标准的爆炸后果评估。

数值模型
建立1:1尺寸的HECS三维模型，包含电解槽、固态储氢罐和燃料电池堆等核心组件。采用k-ε湍流模型处理复杂流场，通过用户自定义函数(UDF)实现泄漏速率动态计算。

结果与讨论
研究发现：1）在设备密集空间，泄漏氢气受障碍物阻挡形成局部积聚，与开放空间相比可燃气体云(FGC)体积增加3.2倍；2）10 mm泄漏直径下，固态储氢系统爆炸产生2630 kPa超压，破坏半径达25 m，远超70 MPa加氢站6 m的安全距离；3）容器容积从20 m³
增至40 m³
可使最高氢气浓度降低58%；4）顶部通风较侧壁设计效率提升52%，能更快将氢气浓度降至爆炸下限(4%)以下。

结论
该研究首次量化了紧凑密闭HECS的爆炸风险阈值，揭示空间约束与通风布局的协同防护机制。提出的"顶部强制通风+40 m³
最小容器"方案，为国际氢能安全标准制定提供了重要依据。Wenbo Li团队指出，未来需针对多泄漏点耦合场景开展研究，以进一步完善复杂工况下的安全防护体系。研究获得国家重点研发计划(2022YFB4202203)支持，相关成果已应用于多个氢能示范工程的设计优化。