谢蔓妮
中国石化销售股份有限公司广东佛山石油分公司 广东省 528000
摘要：文章利用CFD软件，对氢气在油氢合建站内发生泄漏事故的情况进行了模拟。探究了通风口布置位置、罩棚形状对油氢合建站氢气泄露扩散过程中氢气体积浓度峰值、体积浓度分布的影响。并结合氢气泄露扩散模拟结果，对氢气泄露过程中油氢合建站通风口布置、罩棚设置方案进行了优化分析，希望为今后油氢合建站的优化设计以及受限空间内氢气泄露研究提供一些借鉴。
关键词：油氢合建站；氢气；罩棚
前言：近几年，在我国能源消费水平持续提升进程中，环境污染问题日益显著。氢能作为新式能源兼具高效率、无污染的特点正逐渐被人们所关注。其中油氢合建站是氢能应用的主要发展方向之一。由于氢气具有易燃易爆性，氢气泄露成为油氢合建站发展的主要阻碍因素之一。对于高压氢气在油氢合建站泄露进行研究也成为油氢合建站得以大面积建设的必要前提。
一、数据计算模型与模拟设置
考虑到完全模拟真实的油氢合建站泄露情况核算难度较大，为简化模拟过程，可以假定氢气、空气混合后气体均为理想气体，与理想气体方程相符，且初始泄露速度决定了整个氢气泄露过程中速度（湍流流动状态），环境为常温，环境中气体不与氢气发生化学反应及热量交换[1]。整个氢气泄露过程中所遵循的基本控制方程为引入向量算子▽的连续方程，即：
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-1中ρ、u分别为密度、速度矢量，、v、w分别为速度矢量在x、y、z方向的分量[2]。
在数据计算模型确定之后，可以利用CFD软件，进行真实的油氢合建站三维全尺寸物理模型构建，并将加油机、氢气长管拖车、储氢瓶、站房、加氢机、加油岛、罩棚的逐一设置。在三维模型中，根据连续模型可以进行氢气湍流物理模型设置[3]。即油氢合建站为一个立方体空间，在空间前壁面分别在25.00cm、125.00cm、225.00cm高度位置布设了两个边长为0.20m的通风口，通风口为正方形，根据模拟需要可以进行开启/关闭。在空间底部正中心位置进行了一个泄漏口布置，泄漏口边长为20.00mm，在压力为45MPa时，氢气以每秒3760g的速度由泄漏口进入空间内部，用以模拟因安全阀门失灵或者汽车启动时没有拔出加氢枪而导致的高压储氢瓶仪表管道损坏、加注机软管断裂后氢气泄露扩散情况。
二、基于扩散模拟结果的油氢合建站氢气泄漏扩散影响因素分析
1、通风口布置位置
由于油氢合建站氢气泄露扩散模拟为非稳态模拟，可以选择标准k－模型作为湍流模型，设定标准壁面函数[4]。假定为理想气体的空气、氢气混合气体流动规律适用于组分运输模型。同时将油氢合建站外部空间表面设置为压力出口，氢气泄漏口位置设置为质量流动入口。根据模拟需求的差异，通风口边界条件可以划分为不同的算例。算例1为仅开启125.00cm高度两个通风口；算例2为225.00cm高度位置设置两个通风口；算例3为仅开启25.00cm高度两个通风口；算例4为分别开启左侧225.00cm高度通风口、右侧25.00cm高度通风口。为探明不同通风口高度、位置对油氢合建站内部氢气泄露扩散时体积浓度分布、体积浓度峰值的影响，设定时间步长为0.0025s，总模拟时长为12.56s，运用SIMPLIE算法进行压力及速度耦合计算，得出结果如下：
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如表1所示，氢气泄露开始后，算例1氢气体积浓度呈现缓慢上升态势，且浓度较低，可能是由于算例1的通风口均位于225.00cm的高位，在氢气泄露后可以很快由通风口扩散到外部；算例2在2.0s-8.0s氢气浓度上升速度较快随后减慢，可能时由于算例2通风口位于125.00cm位置，氢气泄露开始时无法扩散到通风口位置，在扩散到一定高度后可以由通风口向外部扩散；算例3氢气体积浓度在短时间内上升，增长速度较快，可能是由于算例3通风口布置在25.00cm位置，氢气在高出聚集后无法向外部扩散，导致内部氢气浓度在短时间内上升；算例4氢气浓度在8.0s后迅速增长，推测是由于算例4在225.00cm位置仅有一个通风口，无法满足氢气大量聚集后扩散要求。因此，可以优先选择高处通风口布置方式，即在125.00cm高度位置进行两个通风口布置并适时开启。
2、罩棚形状
当前常见的油氢合建站是由加油站改造而来，包括平顶棚、普通罩棚、带倾角罩棚三种类型，可以设定氢气泄露扩散时风速为每秒0.20m，进行扩散情况模拟，结果如下：
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如表2所示，前2.0s内，由于氢气气体泄漏扩散还没有到达罩棚边缘，罩棚形状对氢气扩散体积浓度没有较大影响。而随着氢气泄露时间的延长，氢气气体到达罩棚边缘并开始向周边运动，普通罩棚与平顶棚、带倾角罩棚下氢气体积浓度之间的差距也不断拉大，而平顶棚与带倾角罩棚下的氢气体积浓度差异不明显。在油氢合建站氢气泄露扩散10.0s时，带倾角罩棚下氢气体积分数（浓度）上升到14.00%，普通罩棚下氢气体积分数上升到35.00%，普通罩棚平顶棚下氢气体积分数上升到15.00%。由于普通罩棚为带侧板的网架结构，氢气在罩棚下方扩散程度较为缓慢，聚集着大量超过爆炸下限的氢气云团；而平顶棚、带倾角罩棚下方，氢气可以向顶棚周边扩散，氢气体积浓度明显下降。因此，根据需要，可以优先选择带倾角罩棚或者平顶棚，避免沿用普通罩棚。
总结：
综上所述，由上述扩散模拟结果可知，通风口布置位置、罩棚形状均会对油氢合建站氢气泄露扩散空间内浓度分布、空间内部体积浓度峰值产生了影响。因此，在油氢合建站规划建设期间，相关人员应注重进行通风口布置位置的优化调整，优先选择平顶棚或带倾角顶棚。根据环境风速风向观测结果，进行通风口的适时开启/闭合，最大限度降低油氢合建站氢气泄露风险，保证油氢合建站的安全、平稳运转。
参考文献：
[1]李峰,袁裕鹏,严新平,刘翰林.燃料电池船舶舱内氢气泄漏数值模拟研究[J].交通信息与安全,2017(06):60-66.
[2]余亚波,邓亚东.燃料电池客车高压舱氢气泄漏扩散[J].浙江大学学报(工学版),2020(02):381-388.
[3]郭天宇,刘诚,姚心.CFD仿真在萃取箱设计上的应用[J].有色冶金节能,2021(01):43-49.
[4]王雅文,陈延伟,赵惠平,熊言义.空间约束对液氢泄漏扩散过程的影响研究[J].低温工程,2020(06):18-25.