绿氢工厂防护屏障对氢气扩散及爆炸后果影响的数值模拟研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Numerical investigation of protective-barrier effects on hydrogen dispersion and explosion consequences at a green hydrogen plant

　　

•基于特定场地的CFD分析将氢气扩散与爆炸后果耦合。•防护屏障增加了点火前局部氢气滞留量。•加装屏障后，受保护区峰值超压从1.61降至0.14 kPa。•加装屏障后，受保护区正冲量降低87.6%。•迎气面正冲量增加34.7%，表明危害存在重新分配现象。引言绿氢正被用作交通、工业和电力系统脱碳的战略能源载体，加速全球向低碳能源系统的转型。绿氢通过水电解制取，为难以直接电气化的行业降低碳强度提供了一条途径，其在燃料电池电动汽车、加氢站、氨合成以及分布式清洁能源系统领域尤为相关。Wappler等人[1]回顾了18项氢气需求研究和25个国家氢能路线图，表明氢气已从边缘工业原料转变为未来能源系统的战略组成部分。市场分析也显示绿氢行业正快速扩张。一项预测预计该行业将从2025年的27.9亿美元增长至2032年的748.1亿美元，复合年增长率达60%[2]。2020年全球已安装的电解能力仅为约0.3 GW，而满足预期的2030年绿氢需求则需要大约48至720 GW，具体取决于需求假设和电解槽运行小时数[1]。因此，绿氢市场的扩张不仅限于需求增长，还需要快速大规模发展配套设施，包括电解槽、可再生电力供应、氢气压缩与储存系统、管道、加氢站以及终端使用设施。这种大规模建设提高了氢气安全工程的重要性，因为更大的生产和分配网络不可避免地增加了泄漏、扩散、点火和爆炸的潜在场景数量。因此，绿氢市场的发展必须辅以严格的风险评估和减缓策略，尤其是对于高压氢气储存或处理设备、屏障、建筑物或公共接口附近的设施。氢气的可燃范围很宽，为4%至75%（体积分数），点火能量低、扩散性强且密度低，使得意外泄漏难以探测且潜在危险，尤其是在墙壁、屋顶、设备或附近结构限制了扩散的情况下。此外，氢火焰几乎不可见，这使得早期探测和缓解尤为困难[3]。这些危害在户外工业设施中尤为关键，因为这些设施中的氢设备通常位于有人活动区域附近，周边建筑和结构的布置仍可能在工作人员察觉或响应泄漏之前导致局部可燃性积聚和快速升级。近期的综述强调，氢能安全必须在全氢价值链中处理泄漏、可燃性、氢脆、爆炸、通风、检测和应急响应等方面的需求[4]。在加氢站中，高压储存和快速加注操作进一步凸显了定量风险评估和工程缓解系统的重要性。近期对加氢站内70 MPa氢气储存罐的计算流体力学（CFD）研究表明，氢气最初表现为高动量射流，但在与障碍物相互作用后，其扩散逐渐受扩散作用、风况和几何约束支配[5]。因此，工程缓解措施对于氢能的安全部署至关重要。通风、泄压、惰性气体吹扫、优化围护几何结构和防护屏障已被提出用于降低点火概率或爆炸后果。在一项加氢站研究中，安装氮气出口并降低围护墙高度减小了氢气云体积，证明几何和流动控制措施可大幅降低爆炸风险[5]。Bae等人[6]的一项设施尺度CFD研究在半封闭绿氢生产设施中探讨了屋顶通风作为替代爆炸缓解策略。在理想化的点火时全屋顶瞬时开启条件下，峰值超压和最大内部正冲量分别降低了62.4%至98.3%和91.0%至95.1%。然而，墙壁和屏障具有双重作用：它们可以屏蔽人员和设备免受冲击波传播的影响，但如果设计不当，也可能阻碍扩散并促进局部氢气积聚。同样，这些作者报告称，即使在有环境风的情况下，墙壁也会阻碍氢气扩散，并在墙角内部形成大量氢气云。这种双重性使得屏障设计成为一个需要耦合扩散和爆炸分析的非平凡安全问题。防护墙被广泛认为是加氢站和其他氢气处理设施的实用保障措施，因为它们可以阻挡射流火焰、衰减冲击波传播并减少对下游设备或有人区域直接暴露的风险。近期的研究表明，其缓解效果强烈取决于墙体几何形状、高度、朝向、材料响应以及相对于泄漏或爆炸源的位置。对于氢射流火灾，Yu等人[7]表明屏障墙可以缩短可见火焰长度并将火焰偏转至保护区之外，尽管过高的墙体高度可能会增加火焰辐射分数，并且在一定高度以上额外益处递减。在大型基础设施系统的氢气燃烧场景中也有类似的缓解效果报道。在这些场景中，防护墙降低了承压结构处的压力冲量、火焰温度和表面温度[8]。对于爆炸和冲击波场景，防护屏障在墙后也能提供显著的压力衰减，但可能同时增加暴露面的局部载荷。Myilsamy等人[9]数值研究了70 MPa高压氢气罐爆炸的冲击波墙配置，发现冲击波墙可以降低墙后的峰值超压并延迟压力波到达。然而，该研究还表明，多道墙会产生复杂的反射波相互作用，并且压力可能在屏障前方斜向增加，具体取决于墙体朝向和配置。Yu等人[10]同样报告称，在高压氢气罐破裂场景中，防爆墙使墙后峰值超压降低了94%，同时将爆炸泄放方向的峰值超压增加了19%。Han等人[11]进一步证明，屏障几何形状和布置决定了防护墙后的冲击波衰减，并可能在近场和远场保护之间引入权衡。特别是，单墙配置仍可能使墙后的区域暴露于衍射和反射压力波。增加墙体高度也可能在冲击波降低方面产生递减效应，并增加结构需求或对倾覆的易损性。总体而言，这些发现表明墙体几何形状和布置是重新分配而非均匀降低屏障周围的冲击载荷。尽管取得了这些进展，但仍很少有研究在屏障实际安装之前，使用真实的工厂几何结构和指定的风况将扩散和爆炸分析耦合起来评估防护墙的位置相关安全影响。在此背景下，本研究在韩国城南市的绿氢生产工厂安装了拟建的防护墙之前，提供了基于特定场地CFD的安全评估。该工厂在户外区域运行一个氢气缓冲罐，毗邻工艺设备。本研究的创新之处在于使用数值模拟作为设计前决策工具，评估所选工厂场景中拟建防护屏障的位置相关益处和不利影响。分析耦合了氢气泄漏扩散和爆炸建模。扩散分析评估了墙体和环境风对超过选定浓度阈值的氢气云体积、氢气浓度分布和局部积聚区域的影响。爆炸分析评估了墙体对无风条件下峰值超压、冲量、热效应和爆炸后果空间分布的影响。通过比较有无拟建墙体在风和无风条件下的扩散工况，以及无风条件下的爆炸工况，本研究识别了屏障的预期保护功能和可能的不利影响。这些影响包括局部氢气滞留增强、扩散路径改变以及屏障暴露面冲击载荷增加。研究结果为支持城南工厂以安全为导向的屏障设计和实施提供了定量证据。章节摘要几何模型计算几何结构基于城南绿氢生产设施的实际布局构建。图1(a)展示了真实设施，包括制氢建筑、集装箱式设备模块、外部储存和公用区域以及周围开阔空间。图1(b)展示了本研究中使用相对应的简化三维（3-D）CFD模型。数值几何保留了能够影响主导阻塞、约束和扩散的主要结构和设备特征。屏障和风对可燃氢气云形成的影响图7展示了在建模半球域内浓度阈值4% v/v和18% v/v及以上氢气云体积随时间的演变。4% v/v阈值对应氢气在空气中的可燃下限（LFL），而18% v/v阈值近似于爆轰下限（LDL），在本研究中用于识别富氢区域。图7(a)表示达到或超过可燃下限的氢气云体积，图7(b)研究局限性尽管本模拟为城南绿氢生产厂的氢气扩散和爆炸后果提供了特定场地的评估，但在解释结果时应考虑一些局限性。分析使用简化后的工厂几何结构表示。主要建筑、设备块、缓冲罐、周围模块和防护墙均被包含在内，以保留主导性的阻塞、约束和扩散特征。结论本研究使用基于特定场地的CFD模拟评估了城南绿氢生产厂的氢气扩散和爆炸后果，特别关注拟建防护屏障的安全影响。扩散模拟与后续爆炸计算耦合，以评估屏障在点火前对氢气扩散以及点火后冲击波和热后果的影响。扩散结果表明，防护屏障CRediT作者贡献声明B.H.B.P.D. Baddegamage：撰写——原始草稿、验证、调查。Seong Jong Bae：撰写——原始草稿、方法论、形式化分析。Hyeon Woo Nam：可视化、软件、数据管理。Sung Hoon Choo：撰写——审查与编辑、监督、概念化。Min Yoon：撰写——审查与编辑、监督、概念化。利益冲突声明作者声明没有已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢本研究得到韩国能源技术评估与规划院（KETEP）和韩国气候、能源与环境部（MCEE）（RS-2021-KP002454）以及韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府（MSIT）资助）（RS-2024-00452766和RS-2026-25504205）的支持。B.H.B.P.D. Baddegamage|Seong Jong Bae|Hyeon Woo Nam|Sung Hoon Choo|Min Yoon