杨 琨，邓贵德，梁海峰，张 强，吉梦霞

(1.太原理工大学 化学化工学院，山西 太原 030024； 2.中国特种设备检测研究院 结构研究所，北京 100029)

0 引言

氢气是重要的工业原料和特种气体，在能源和环境问题日益凸显的今天，清洁、高效、无污染、可再生的氢能有望成为21世纪最具价值的能源载体[1-2]。随着氢能行业的快速发展，各国正积极制定加氢站及其基础配套设施的发展战略。据统计，2019年底全球加氢站数量接近450座，截止2020年2月，我国已建成或运营的加氢站有66座，规划在建的加氢站为84座。然而，频发的火灾甚至爆炸事故对氢能的高效和安全利用提出了更高的要求。2019年6月10日，挪威首都奥斯陆郊外地铁站附近的1座加氢站发生爆炸，事故导致2人受伤，这是在短短20天内全球范围发生的第3起加氢站和燃料电池领域的爆炸事故。2020年6月，浙江蓝能自主研发的国内首台套45 MPa加氢站用储氢瓶式容器组通过验收，完成制造并交付。加氢站用高压储氢容器的安全性问题受到行业的广泛关注，但国内对于加氢站用储氢容器在意外火灾条件下安全性问题的相关研究仍存在不足。

高压储氢容器在使用过程中，由于意外事故等原因可能面对火灾工况，火灾下容器内高压氢气受外部火灾影响其温度和压力急速上升，容器材料受高温导致力学性能下降从而极易引发爆炸事故。氢气具有易燃易爆、燃烧热值大、极易扩散等特点，一旦高压储氢容器发生爆炸，对周围人员及公共财产将带来严重威胁。因此，在高压储氢气瓶的标准[3]中均对型式试验提出火烧试验的要求，储氢容器在使用过程中有可能遭遇火灾事故，有必要开展高压储氢容器火烧试验，以掌握火灾环境下容器的热响应规律并验证其在火灾条件下的安全性能，为高压储氢容器设计及火灾事故预防和事故救援等提供指导。

国内外在储氢气瓶火烧试验及数值模拟研究方面，Zheng等[4-6]对车用铝内胆全缠绕储氢气瓶进行整体和局部火烧试验，并结合数值模型对气瓶热响应及安全泄放装置动作规律进行研究。同时，浙江大学编制《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》(GB/T 35544—2017)标准[7]，填补我国在高压储氢气瓶标准上的空白。赵保頔等[8]进行大容积纤维缠绕气瓶及钢制气瓶火烧试验，并通过建立数值模型对气瓶在火灾环境下的安全性能进行研究。Hupp等[9]研究火焰温度、火焰冲击面积、初始充装压力对气瓶耐火性能的影响，试验采用7.5LⅣ型储氢气瓶，结果表明，气瓶壁面温度越高、受火面积越大、初始氢气压力越高，气瓶耐火性能越差。Tamura等[10]对火灾后气瓶的剩余强度和安全泄放装置(PRD)动作状态进行研究，结果表明，火灾后气瓶剩余爆破压力与公称压力比值均超过安全系数规定值2.25；即使PRD未动作，通过灭火使温度降到正常水平，气瓶没有破裂的风险。

本文以中国特种设备检测研究院所进行的气瓶火烧试验为基础，运用计算流体力学软件Fluent建立加氢站用45 MPa高压储氢瓶式容器火烧试验数值仿真模型，以低压气瓶存储空气介质的火烧试验模型验证该计算模型的准确性。同时，对高压储氢容器在火灾环境下的热响应进行研究，分析充装介质、环境压力、环境温度对于高压储氢容器安全泄放装置动作时间的影响，对于加氢站用高压储氢容器组的安全运行具有一定指导意义。

1 物理模型及假设

瓶式容器是指采用无缝钢管经热旋压而成的无缝瓶式压力容器，容器几何结构如图1所示。瓶式储氢容器在火烧条件下热响应过程可分为3个部分：外部火源、容器壁面热响应、容器内介质温度响应。外部火源包括喷射火流动、燃料燃烧及辐射和对流传热过程，主要以热对流的方式向容器传递热量，热量经过壁面热传导传递到容器内，介质受热导致其温度和压力不断上升，同时介质受对流及浮升力影响而流动。这个过程涉及多物理场耦合，过程较为复杂，因此，在模型建立过程中提出如下假设：

1-端塞；2-瓶式容器壳体；3-端塞图1 瓶式容器几何结构Fig.1 Geometric structure of cylinder vessel

1)燃烧模型中燃料为纯丙烷，燃烧过程为丙烷与氧气的单步完全反应，并且假设整个燃烧过程丙烷的流量不变；

2)忽略火烧过程中容器的几何变化，不考虑瓶阀、支撑结构、进出管路以及容器本身缺陷所带来的影响，模拟只考虑单个容器未考虑容器组的情况；

3)在火烧开始时，假设容器内介质温度与环境温度相同；

4)容器内介质的流动属于黏性气体的湍流流动，且气相在网格内均匀[11]。

2 有限元分析

2.1 几何模型

本文以某公司生产的型号为PR485-V-H2-45-01的加氢站用储氢容器建立模型，容器尺寸为φ485 mm×2 000 mm，公称容积205 L，重量87 kg，设计压力49.5 MPa，工作压力45 MPa，设计温度-40～85 ℃，设计壁厚35.4 mm，壳体材料为4130X，材料热力学参数见表1[12]。

火源根据试验设置燃烧排，燃烧排由9根相同燃料管组成，管长1 650 mm，每根燃料管开孔数为16，孔径为2 mm。本文根据储氢容器尺寸以及燃烧排长度建立边长为5 m的正方形燃烧区域。为简化模型，容器与燃烧排的位置以及燃料孔的数量和孔径均与试验保持一致，容器水平置于燃烧排上部，下端距火源100 mm，燃烧排底部距地面400 mm，火源中心与容器中心位于同一轴线。储氢容器火烧模型如图2所示。

表1 4130X热力学参数Table 1 Thermodynamic parameters of 4130X

图2 储氢容器火烧模型Fig.2 Fire test model of hydrogen storage vessel

将模拟分为火源燃烧稳态传热模拟和容器壁及容器内气体介质瞬态热响应模拟，稳态燃烧场模拟计算得到的容器外壁面热流密度作为瞬态热响应模拟的边界条件。燃烧模拟中考虑湍流、空气对流和辐射换热的影响，燃烧模型采用平衡混合分数(PDF)的非预混燃烧模型；湍流模型采用Realizablek-ε模型；考虑气体的辐射换热和局部热源影响辐射模型采用P1模型。容器内介质传热瞬态模拟中，湍流模型采用RNGk-ε模型；为考虑封闭腔体内的辐射传热辐射模型选用S2S模型。容器内壁面与氢气接触面设置为耦合壁面。

2.2 基本控制方程

高压储氢容器火烧试验模拟过程中涉及燃料燃烧、介质流动、容器壁及氢气传热等过程，模型遵循质量、动量、能量守恒定律。

其中，质量守恒方程如式(1)所示：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；xi为i方向上的位移量，mm；ui分别为x，y和z方向上的速度分量，m/s。

能量守恒方程如式(2)所示：

(2)

式中：E为总能量，J；p为单位压力，Pa；xj为j方向上的位移量，mm；λeff为有效热传导系数，W/(m·K)；T为流体温度，K；(τij)eff为应力张量分量，N/m2；Sh为自定义源项。

动量守恒方程如式(3)所示：

(3)

式中：μ为动力黏度，m/s2；δij为应力张量，N/m2；k为湍流动能，J；uk为湍流速度分量，m/s；xk为湍流位移分量，mm。

丙烷燃烧控制方程如式(4)所示：

(4)

壁面传热控制方程如式(5)所示：

(5)

式中：h为显焓，kJ/kg；λ为导热系数，W/(m·K)。

氢气气体状态方程[13]如式(6)所示：

(6)

式中：V为气体体积，m3；R为气体常量，J/(mol·K)；α为系数，K/Pa，取1.915 5×10-6K/Pa。

2.3 模拟结果及分析

验证模型基于火烧试验[8]所用气瓶建立，气瓶几何尺寸为φ559 mm×2 540 mm×16.5 mm，气瓶材料为4130X，工作压力为20 MPa。整个燃烧模拟区域火焰温度分布如图3所示，可以看出火焰将气瓶完全包围，受到风力影响火焰向右侧略微偏移，火焰温度随高度逐渐升高继而降低。剖切面Y=0的温度场分布如图4所示，剖切面X=0的温度场分布如图5所示，气瓶在中心附近区域温度相对较低，火焰上部温度接近1 600～2 000 K，最高温度近2 060 K。

图3 燃烧模拟温度云图Fig.3 Nephogram of combustion simulation temperature

图4 剖切面Y=0温度场Fig.4 Temperature field at cutting plane Y=0

图5 剖切面X=0温度场Fig.5 Temperature field at cutting plane X=0

瓶内设置与火烧试验一致初始压力为19.24 MPa的高压空气，计算域初始温度设为293 K。在火烧试验开始613 s后安全泄放装置动作泄压，泄放时间近300 s，火烧时间共920 s。试验中泄压装置为爆破片和易熔合金塞组合方式，容器两端加装钢板，保护瓶阀和泄放装置不直接受火。

613 s时容器及瓶内空气介质在Y=0剖切面上的温度分布如图6所示。由图6可知，火烧条件下火焰热流密度不均匀导致容器壁面温度分布的不均匀，容器下部受火位置温度较高，介质温度分布受对流及浮升力的影响呈现不均匀状态。火烧过程中内压变化模拟数据与试验数据对比情况如图7所示。由图7可知，压力在前50 s内变化不大，之后迅速升高。模拟数据整体压力上升趋势与试验数据基本一致，在初始及压力上升阶段误差较小，试验压力与模拟压力在613 s以内最大压力差为1.1 MPa，相对误差为3.9%，误差在可接受范围内，验证了模型的准确性。

图6 储氢容器及其介质温度分布云图Fig.6 Temperature distribution nephogram of hydrogen storage vessel and medium in vessel

图7 容器内压升模拟数据与试验数据对比Fig.7 Comparison of pressure rise in vessel between simulation data and test data

3 不同因素对安全阀动作的影响

加氢站用储氢瓶式容器组对于安全泄放装置要求宜设置集中排放管路，安全泄放装置采用安全阀。模拟过程中考虑不同因素对安全阀装置动作时间的影响，安全阀的额定排放压力不高过整定压力的1.10倍，整定压力为瓶式容器工作压力的1.05～1.1倍，安全阀额定排放压力为49.5 MPa。

3.1 充装介质

在储氢气瓶火烧试验对于充装介质的要求上，Tamura等[14]提出氦气和氮气作为替代气体进行火烧试验并不合适，Zheng等[4]、刘岩等[11]则提出可以将空气作为充装介质替代氢气进行火烧试验。因此，在对高压储氢容器火烧试验模拟时考虑当容器分别充装空气、氢气和氮气进行火烧试验时，不同充装介质对于储氢容器安全阀动作时间的影响，初始压力为工作压力45 MPa，环境温度为293 K。

容器内压力和监控点介质温度的变化情况如图8(a)～(b)所示。由图8(b)可知，在充装不同介质时监测点的温度变化情况基本一致，即介质温升速率主要受到火源影响。在充装介质不同时整体的压升趋势相近，安全阀动作时间最大相差26 s，460 s时的最大压力差为0.3 MPa。可以看到不同充装介质对于介质整体温升及压升速率的影响较小，对安全泄放装置动作时间的影响不大。为降低充装高压氢气进行火烧试验的风险，在研究安全泄放装置动作影响时可以选择将高压空气作为充装介质进行试验，但在后续的氢气泄放规律及其危险性分析时，结果与充装空气等其他介质时相比差距较大，试验仍需充装氢气介质。

图8 不同充装介质下容器内压力与介质温度变化Fig.8 Change of pressure and medium temperature in vessel under different filling mediums

3.2 充装压力

高压储氢气瓶关于型式试验的相关标准中要求充装气体介质至公称压力后进行火烧试验。在储氢容器的实际使用过程中受氢气的消耗及充装水平的影响，实际压力往往会低于工作压力[15]。因此，在模拟计算时考虑远低于公称压力等不同充装压力情况对高压储氢容器安全阀动作时间的影响。设置初始充装压力分别为10，25，45 MPa，计算域初始温度为293 K。

不同充装压力下容器内压力与介质监测点温度情况变化对比如图9(a)～(b)所示。容器内介质热力学响应参数见表2，不同充装压力对于容器内介质压升的影响较大，随着充装压力的提高平均压升速率不断增大，充装压力为45 MPa时最大平均压升速率为0.009 75 MPa/s。

图9 不同充装压力下容器内压力与介质温度变化Fig.9 Change of pressure and medium temperature in vessel under different filling pressures

表2 容器内介质热力学响应参数Table 2 Thermodynamic response parameters of medium in vessel

介质平均温升速率随着充装压力的增加而降低，但整体降低幅度不大。相同规格的储氢容器，当充装水平较低时，容器内介质受火灾影响平均压升速率小于工作压力下介质的平均压升速率，即储氢容器在较高的充装压力下遇火时安全阀能更快动作，而在较低的充装压力下介质的温升速率更快。因此可以考虑设置安全阀与易熔合金的组合结构，在高压储氢容器处于不同充装压力时安全性更高。

3.3 环境温度

火烧试验模拟中的环境温度为293 K，但实际使用中环境温度并不是固定不变的，有可能面对严寒或者高温等不同工况。因此，考虑不同的环境温度对安全阀动作时间的影响。模拟计算中设置容器内初始充装压力为公称压力45 MPa，环境温度分别设为263，273，293，303 K。

不同环境温度下容器内压力和介质温度变化情况对比如图10(a)～(b)所示。不同环境温度下安全阀动作时间最大相差60 s，环境温度为273 K时安全阀最快动作在425 s。介质平均温升速率随着环境温度的升高逐渐增大，但整体变化幅度不大。

图10 不同环境温度下容器内压力与介质温度变化Fig.10 Change of pressure and medium temperature in vessel under different environmental temperatures

4 结论

1)以低压存储空气介质的火烧试验模型得到瓶内介质温度与压力变化情况，在613 s以内最大压力差为1.1 MPa，相对误差为3.9%，误差在可接受范围内，验证了模型的准确性。

2)通过对比不同充装介质对气体介质压升和温升速率的影响，可以看到充装介质对安全泄放装置动作时间的影响不大。

3)容器处于较高的充装压力下安全阀能够更快动作，在较低的充装压力下容器内介质温升较快，可以在不同充装压力时考虑设置安全阀与易熔合金的组合结构以提高安全性。

4)环境温度为273 K时储氢容器安全阀最快动作，动作时间为425 s。