氢燃料动力船岸基式加注作业泄漏扩散模拟及影响因素分析

冯雨翔，曹蛟龙，吴顺平，石国政

(中国船级社武汉规范研究所，湖北 武汉 430000)

0 引言

2020年9月，中国政府在联合国大会上提出2060年实现碳中和的碳减排目标。为实现这一宏伟蓝图，航运界从各方面寻找可有效降低碳排放的低碳路径。其中，氢燃料作为代谢产物只有水的零碳能源，逐渐走进航运界视野。目前，氢燃料上船由于受氢燃料电池容量的限制，仍局限于内河等续航能力要求不高的地区[1]，但内河航道较为狭窄、通航密度较大，且沿线人口密度、建筑物密度较大，由于氢气的点燃能量较低(仅为0.017 mJ)[2]，氢燃料加注时一旦发生泄漏，被点燃后将有可能引发火灾、爆炸等严重事故，因此，需要对氢燃料加注作业安全性进行研究。

氢燃料加注形式包括岸基式加注、氢气长管拖车加注、趸船加注以及船对船加注。另外，岸上加氢站和充装站基础设施存在储氢模块更换方式的设计，但船舶相较于汽车要求储氢量更大，氢燃料动力船舶的储氢罐数目相较氢燃料动力车更多，由于整体换罐每次管路重新连接需要再次做气密性试验，储罐系统与供气管路频繁对接会带来额外风险，考虑到氢燃料在水上应用正处于起步阶段，暂不推荐采用此种方案。目前具有可行性的加注模式是氢气长管拖车以及岸站，未来可能会出现趸船-船的加注模式以及船-船加注模式。考虑到岸基式加注站具有一次加注量较大、加注较为快速[3]且加注站固定有利于风险控制的特点，因此，本文将岸基式加注站加注方式作为研究对象。

国内外学者在氢气泄漏扩散方面做了相关研究：柯道友等[4]建立氢气泄漏扩散和运动的数值模型，通过与前人实验结果相比较，吻合度较高；李云浩等[5]运用FLUENT软件对车库内不同通风口面积、不同横梁间距下氢气的连续泄漏进行模拟；刘延雷等[6]基于有限体积法模拟管道运输氢气和天然气不同的泄漏扩散特性；李雪芳等[7]基于二维轴对称几何模型模拟高压氢气管道小孔泄漏后的气流参数；李峰[8]运用FLUENT软件模拟氢气在氢燃料客船舱室中的泄漏，并提出通风系统设计建议；Ahn等[9]建立数值模型，分析燃料电池汽车在隧道内泄漏扩散范围，评价隧道通风系统缓解泄漏氢气积聚的有效性；Hao等[10]在密闭空间内对燃料电池车进行静态氢气泄漏和氢排放实验，基于实验结果对密闭空间燃料电池汽车的氢安全标准提出建议。

综上，学者在车库、舱室、隧道等场景的氢气泄漏扩散做了深入研究，但对于氢燃料动力船岸基式加注作业泄漏扩散分析的研究较少。因此，本文拟基于FLACS软件构建氢燃料动力船岸基式加注作业模型，通过对比模型与实验结果验证模型准确性，分析各因素对氢气泄漏扩散的影响，并基于以上结果划定加注作业区域，提出在各区域内相应的风险控制措施，优化水上加氢站平面布局，并保障氢燃料动力船岸基式加注作业安全平稳进行。

1 数值模拟模型

1.1 物理模型

本文采用流体力学(CFD)软件FLACS，软件在石油公司BP、Conocophillips、ExxonMobil、Statoil等资助和指导下完成研发[11]。FLACS是国际主要油气公司指定的泄漏扩散评估工具，借助FLACS可满足相关国际标准对风险评估的要求[12]。

本文以某船舶设计院设计的2 000吨级散货氢燃料动力船及配套水上加氢站为例，该船长70.5 m、宽13.9 m、吃水3.1 m，对其进行加注作业风险评估，根据相应图纸资料建立FLACS分析模型，如图1所示。

图1 氢燃料动力船岸基式加注作业FLACS模型Fig.1 FLACS model for shore-based bunkering operation of hydrogen powered ship

1.2 计算条件

加注作业所在地年平均温度20 ℃，年平均湿度77%，大气压101 325 Pa，年均风速2.2 m/s，最大风速27 m/s。船-岸间加注软管内径为8.5 mm，传输压力为35 MPa。泄漏场景为船-岸间加注软管中部发生全尺寸泄漏。出于保守角度考虑，从泄漏开始至ESD阀关闭的泄漏响应时间取60 s。选取可燃气体在空气中的体积浓度为可燃下限的50%(氢气为2%)作为扩散边界。

1.3 数学模型

氢气自泄漏后，不断与空气相混合形成湍流，该过程中混合气体的流动遵循连续性方程、能量方程和动量方程，各组分遵循组分输运方程如式(1)所示：

(1)

式中：φ为通用变量；τ为时间，s；uj为速度沿x、y、z方向的分量，m/s；ρ为混合气体密度，kg/m3；Γ为扩散系数；S为源项。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

为验证FLACS模型的准确性，将FLACS模拟结果和氢气泄漏射流实验结果[13-14]进行对比。实验中氢气管道直径为63.5 mm，泄漏口直径为1.9 mm，泄漏速度为133.9 m/s，实验环境无风、温度21 ℃、大气压100 kPa。实验得到垂直氢气射流沿射流中心线的不同轴向位置处的径向氢质量分数浓度。建立同等初始条件下的FLACS模型，得出氢气射流轴向Z/D=10处径向氢质量分数，实验结果和模拟结果如图2所示。由图2可知，FLACS模拟结果和实验结果吻合较好，模拟结果可信度较高。

图2 氢气射流轴向Z/D=10处径向氢质量分数的实验和模拟结果Fig.2 Experimental and simulation results of radial hydrogen mass fraction at Z/D=10 of hydrogen jet axial direction

2.2 泄漏方向的影响

本节将针对加注作业期间风速为5 m/s、破口尺寸为全口径破裂、大气稳定度为D(中性)、泄漏方向分别为垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右时进行氢气泄漏扩散范围模拟，模拟结果如图3所示。

图3 不同泄漏方向下氢气泄漏扩散范围模拟结果Fig.3 Simulation results of hydrogen leakage diffusion ranges under different leakage directions

对于不同泄漏方向下氢气扩散范围可知：

1)针对垂直方向上的泄漏，对于垂直向上泄漏，由于氢气密度远小于空气，气体云团迅速向上扩散，危险区域远离地面及操作人员；对于垂直向下泄漏，受水面及码头等障碍物的影响，气体云团在水平方向逐渐积聚，并覆盖部分船舶区域及水上加氢站靠船区域。

2)针对水平方向上的泄漏，对于水平向右泄漏(顺风方向)，气云主要沿船长和船宽方向扩散，扩散距离(水平方向)最远；对于水平向左泄漏(逆风方向)，在泄漏初始速度和风速的双重作用下，氢气云覆盖大部分水上加氢站、加注控制室及船尾区域，具有较高的火灾爆炸危险性，最大扩散范围为沿船长方向31 m，沿船宽方向37 m。通过与目前水上加氢站平面布置图比对，建议该加氢站的控制室应在原先设计基础上向内侧移动5 m以上，以降低氢气泄漏后的点燃风险。

根据模拟结果，在以上设定条件下，氢气的瞬时泄漏速度可达782 m/s，将对加氢软管产生巨大的喷射反作用力，鉴于目前氢气加注通常在靠近加氢站侧设有拉断阀，当作用力超过设定值时拉断阀自动脱离，这会导致发生泄漏后的长且柔的加氢软管以较高速度甩动，威胁周边加注作业人员及设施安全，故可考虑为船-岸间加氢软管设置适当的保护措施，如加装防甩支架，或在软管固定装置上设置由高效吸能材料制成的吸能件等。

2.3 大气稳定度影响

为研究大气稳定度对氢气泄漏扩散的影响，进一步模拟风速为5 m/s、破口尺寸为全口径破裂、泄漏方向水平向右时，A、B、C、D、E、F6种不同帕斯卡尔大气稳定度下氢气泄漏扩散范围。由于大气稳定度对氢气云的扩散影响较小，云图差距不明显，故用折线图表现氢气扩散变化规律。其中A代表大气强不稳定，F代表大气稳定。模拟结果如图4所示。

图4 大气稳定度对氢气扩散的影响Fig.4 Influence of atmospheric stability on hydrogen diffusion

综上，大气稳定度对氢气云的扩散影响较小。随着大气逐步趋于稳定，扩散距离(船长方向)小幅度增加，这是由于大气越稳定，大气湍流效应受到抑制，气云不易向高空扩散，偏向在近地面积聚；大气越不稳定，其垂直对流作用越强，气云越易向高空扩散[15]。即大气越稳定，氢气云越易贴近地表扩散，增加气云的点燃风险。

2.4 风速的影响

根据上述计算结果，选取最危险场景，在风速分别为2，5，7，9，11，14，18，22，27 m/s时进行泄漏方向为顺风方向、破口尺寸为全口径破裂、大气稳定度为F(稳定)时共9个场景氢气扩散范围模拟，如图5所示。

基于上述模拟结果，绘制船长(水平)方向以及高度方向氢气扩散范围随风速变化曲线，如图5所示。

图5 风速对氢气扩散的影响Fig.5 Influence of wind speed on hydrogen diffusion

对于不同风速下氢气扩散范围可知：

1)船长(水平)方向上，在小风速下(风速小于5 m/s)，氢气扩散范围随风速增大而增大，当风速增大到一定程度时(风速为5～22 m/s)，氢气扩散范围随风速的增大而缓慢降低；当风速大于22 m/s时，氢气扩散范围随风速的增大而迅速降低。这是由于风速对氢气扩散的影响主要体现在对气云的平流输送作用以及对气云的稀释作用[16]。在小风速下，风速越大，风对气云的输运作用越强，气云在下风方向的扩散速度越快，导致在同一时刻，气云在下风方向运动的距离越远。当风速增大到一定程度时，气云的稀释作用相对于输运作用占主导地位，风速越大，对气云的稀释作用越强，氢气难以富集，导致形成的危险区域范围越小。

2)在高度(垂直)方向上，随风速增加，扩散距离减小，可见高风速吹散在垂直方向上的气云，氢气难以富集[17]，即高风速对于氢气在垂直方向上的扩散稀释具有促进作用。

3)从扩散范围俯视图可以看出，泄漏的可燃气体云团并非呈对称分布，且风速越大，气体云团整体呈向船舶方向偏移的趋势越明显。这是由于船上的氢瓶储存间(上层建筑)可视为较大的障碍物，障碍物的存在对大气运动产生较大的影响，一方面会改变大气运动的方向，另一方面会增加大气湍流程度，进而对气云扩散后范围造成影响。氢瓶储存间这一障碍物对风速具有阻碍作用，将在其后侧形成低风速区域，而加注站侧较为空旷风速较大，气体云团整体呈向船舶方向偏移的扩散范围，即在各场景下，船舶侧存在可燃气云的面积相对岸上加注站侧存在可燃气云的面积更大[17]。这要求加注时，氢燃料动力船上应采取比岸上更为严格的泄漏监测措施。

3 加注区域划定

3.1 加注限制区域划定

限制区域系指在加注作业期间，该区域可能存在燃料泄漏，如遇点火源可发生火灾、爆炸等事故[18]。

根据模拟分析中最危险场景的最大扩散范围取包络线作为限制区域：沿船长方向125 m(自加注站算起)、沿船宽方向21 m(自加注站算起)、沿垂直方向24 m(自受注船主甲板算起)。作业期间应对该区域采用相应的标识予以警示，并由专门人员进行管理围护，进入该区域的人员必须进行登记且穿戴PPE，并保持联络畅通，在该区域内禁止任何动火作业且禁止引入任何形式的点火源。

3.2 加注警戒区域划定

警戒区域系指在加注作业过程中需要控制活动和操作的区域，在设置该区域时，应考虑可能危及加注作业或恶化紧急情况的活动和设施。

警戒区域通常由港口当局根据实际场地划定，参考我国《液化天然气码头设计规范》(JTS 165-5—2021)[19]相关要求，结合项目实际情况，本文建议将长度方向以该船泊位前后系揽桩为界，宽度方向为距该船100 m作为警戒区域。在该区域内，对过往船舶实施监控管理；并严密监视区域内的路面交通情况、工业设施和公共设施，一旦发生火灾、爆炸、危险货物泄漏、可燃气体扩散等可能危及加注作业的意外情况，应及时停止加注作业。

4 结论

1)基于不同泄漏方向的模拟结果，建议该水上加氢站的控制室在原先设计的基础上向内移动5 m以上以保证控制室的安全。

2)加氢软管发生全口径破裂时，氢气的瞬时泄漏速度为782 m/s，长且柔的软管在巨大的喷射反力作用下可能发生甩击，并严重威胁到周围设备和人员的安全，可考虑通过设置防甩支架或在软管固定装置上加装吸能件，以有效实现防甩保护。

3)随大气逐步趋于稳定，船长方向扩散距离小幅度增加，气云不易向高空扩散，偏向在近地面积聚；大气越不稳定，其垂直对流作用越强，气云越易向高空扩散，即稳定的大气增加气云在近地面的点燃风险。

4)船长方向上，小风速下氢气扩散范围随风速的增大而增大，当风速增大到一定程度时(5 m/s)，氢气扩散范围随风速增大而缓慢降低，当风速大于22 m/s时，氢气扩散范围随风速的增大而迅速降低；船高方向上，高风速对于氢气在垂直方向上的扩散稀释具有促进作用。

5)在加注作业期间内，建议取沿船长方向125 m(自加注站算起)、沿船宽方向21 m(自加注站算起)、沿垂直方向24 m(自受注船主甲板算起)为包络线设置加注限制区域，该区域内禁止无关人员进入，并严格禁止任何形式的点火源；此外，建议将长度方向以该船泊位前后系揽桩为界，宽度方向为距该船100 m作为警戒区域，对区域内过往船舶实施监控管理，并严密监视区域内的生产储存设施情况。