元者，气之始也！一文了解氢能源利用安全性

1、概述

“元者，气之始也。”

人类的燃料从固态的柴薪、煤到液态石油，再进一步发展到气态的天然气、氢气，气态能源的利用也不断改变着我们的生活，提供了无限的可能。

2018年11月13日，路透社根据中国海关总署的数据测算认为，中国已超越韩国、日本成为世界第一大液化天然气进口国。预计2019年，天然气供应量将继续稳步增加，但随着“煤改气”的继续推进，天然气供需仍将处于“紧平衡”状态。氢气，作为绿色高效的二次能源，没有石油能源的地理差异，且在地球上资源丰富，随着环境保护、经济发展的压力，氢能将是人类理想的能源之一。

凡是燃料都具有能量，都隐藏着着火和爆炸的危险。大家谈“氢”色变的主要原因在于对氢的性质了解的欠缺。氢气在工业领域的安全使用已有100多年的历史和经验；氢气在人们生活中作为能源角色的扮演更是在天然气普及之前，城市人工煤气内氢气的体积含量高达56%；另外，航天领域内液氢用于发射火箭，氢气在医学界的研究应用等，都表明了在规范的制度下，氢气的使用风险是完全可控的。

2、氢能的特性

氢的原子质量为1.00794u，在0℃和1atm下的密度仅为空气的1/14，是自然界已知的最轻的元素。氢气是一种无色无味的气体，易泄漏扩散；氢气在常温常压空气中的可燃极限为4%～75%（体积分数），可燃范围宽；氢气在常温常压空气中的爆轰极限为18.3%～59%（体积分数），爆轰速度为1480～2150m/s，易爆炸；氢气对金属材料有劣化作用，易发生氢腐蚀和氢脆；氢气又是高能燃料，当与空气或其他氧化剂结合着火时，会释放出大量的能量。因此，氢的使用确实存在着较高的风险，但“知己知彼，方能百战不殆”，明确辨识了氢使用的危险因素，深化人们对氢气行为和特性的认识，对预防氢气应用中的危险事故具有积极的指导意义。

1.1 氢泄漏与扩散

氢气的泄漏根据泄漏源的不同分为液态氢泄漏和气态氢泄漏。目前氢气在燃料电池汽车、加氢站、分布式能源等的运用场景中主要以气态为主，本文主要介绍气态氢气的性质与特点。氢气从高压储存系统的泄漏将在出口外形成高压、欠膨胀射流，并形成被称为马赫盘的激波结构，其扩散长度及可燃范围是安全距离和危险区范围的重要影响因素。氢气在车库、加氢站、厂房等受限空间中泄漏后，易发生积聚，形成爆炸混合物，混合气体增长速率和浓度分布是决定应急时间和探测器分布的基本依据，可为氢气泄漏安全预警系统的设计提供参考。

国内外对氢气泄漏扩散规律方面的研究，因实验研究高危险、高费用不易开展等因素，目前多为数值模拟，清华大学柯道友等对不同尺寸泄漏口的水平和垂直方向的两种射流进行了研究，预测了基于可燃极限计算的储罐周围的安全区域；李雪芳等利用二维轴对称几何模型模拟了储存压力为10MPa和20MPa的高压氢气通过直径为1mm的小孔向周围环境泄漏的问题，得到了不同滞止压力下氢气的最低可燃轮廓和泄漏出口外的危险区域范围；杨灿剑等利用MATLAB高斯扩散程序得到爆炸危险区域的浓度曲线，利用CFD模拟了加氢站氢气泄漏场景，得出在无风和有风（10m/s）情况下氢气的扩散特点及爆炸危险区域；余照针对高压储氢容器在氢损伤条件下的受力特点，分析了高压氢气环境下裂纹稳定性及裂纹扩展的基础上，数值模拟量展现了氢气泄漏扩散流场特点。

德国核能源技术研究所对氢气泄漏初始阶段较大速度的动量驱动型氢射流开发了non-Boussinesq工程模型；Denisenko等总结了氢气在受限空间内分为Filing box和Fading up box两种扩散模式；Prasad，Pitts等研究了通风条件、障碍物（如车辆等）对氢气在受限空间内扩散的影响。

1.2 氢燃烧与爆炸

高压储氢发生泄漏释放后，易引发火灾爆炸事故，氢气的燃烧爆炸会产生较高的温度场或压力场，对周围的人员、财产产生巨大危害。对燃烧爆炸问题的有效预测对于确定安全距离、保证安全操作、保护人身财产安全具有重大意义。

关于氢气泄漏自燃的机制，目前国际普遍接受的是氢气的负焦汤效应（inverse effect of Joule-Thompson）、静电释放（electrostatic discharge）、扩散点燃（diffusion ignition）、瞬间绝热压缩（sudden adiabatic compression）和热表面点燃（ignition by hot surface）。

泄漏自燃多由多个自燃机理共同作用导致的，对于加氢站泄漏事故而言，扩散点燃是研究侧重点，主要探究在这种机理下氢气泄漏自燃发生所需的条件及影响因素。

国外进行了高压氢气通过爆破片从管道喷射至空气中的扩散点火试验研究。Mogi等通过对高压氢气从下游管道泄漏到空气中的自燃实验发现，自燃发生所需最小爆破压力随着管道长度的增加而降低；Gloub等通过实验得出影响高压氢气自燃的条件有初始压力、初始温度、管道长度、管道直径、形状以及高压储罐与喷出管道接口形状等。Golovastov等通过试验研究了爆破片破裂过程对氢气脉冲泄放过程自燃的影响，爆破片破裂速率越快，激波形成越早，自燃产生速度越快，当爆破片破裂时间最短为5μs时，氢气在泄漏后23μs便发生自燃。俄国Golub，Bazhenova等研究了亚音速氢气射流自燃现象，团队还进一步对高压氢气射向空气的自燃现象进行了详细的数值分析。

国内的研究基本偏向于数值模拟。段强领等运用扩散点火理论，建立了高压氢气泄漏到下游管道后激波传播速度、均匀区温度和压力的数学方程，以及判断是否发生自燃点火的函数表达式，探讨了高低压段初始压力比、下游管道几何参数、隔膜破裂过程等因素影响；苟小龙等利用开源程序包OpenFOAM对激波管内的高压氢气泄漏自燃现象进行数值模拟，得出氢气的初始压力和初始温度,下游管道的直径和长度等条件均会影响管内激波的产生与传播，从而对高压氢气泄漏自燃现象产生重要的影响。

氢气点燃后，剧烈的燃烧可能引起爆燃爆轰，爆燃过程中，火焰的不断加速形成爆轰，引起的超压可能带来比氢气燃烧本身更大的危害。区别在前者的冲击波爆燃是亚音速的，而爆轰则是超音速的。浙江大学郑津洋教授详细总结了国内外的研究成果，得出由氢气与空气形成的蒸气可燃云爆炸过程中火焰加速(FA)和爆燃爆轰转变(DDT)是影响爆炸强度的关键因素，而引发火焰加速的多个原因中，传播过程中的空间受限程度和障碍物的影响更为显著，为预测氢气事故后果奠定了基础。

1.3 氢与金属材料的相容性

氢环境下金属材料性能试验是氢气相关容器设计选型的基本依据，试验类型主要含拉伸试验、断裂韧性、裂纹扩展试验和圆盘试验等。全球范围内主要测试平台见表1。

表1全球范围内主要测试平台

ASMEBPVCⅧ-3KD-10《临氢容器的特殊要求》、ASMEB31.12—2011《氢气管线及管道》、ANSI/CSACHMC1—2014《高压氢气环境中材料与氢相容性评估试验方法》等规范均在氢材料作了具体规定。

1.4氢与其他燃料的特性对比

氢气与天然气、汽油常规燃料与安全有关的物性参数比较见表2。

表2物性参数表

由表2可知，与天然气、汽油相比，氢气可燃范围宽，点火能小，火焰传播速度快，但是氢气密度小，只要泄放装置完好，氢气比天然气和汽油的安全性要高。

另外，氢气在空气中扩散系数大，散逸能力强，有利于泄漏后的迅速扩散，不易发生可爆炸气雾，燃烧后火焰向上，生成物无毒。

氢气的单位质量能量密度很高，但是单位体积能量密度非常低，即使储存压力极高，氢气的单位体积能量密度也远低于天然气、汽油等传统能源。

迈阿密大学试验比较了分别使用氢气和汽油为燃料的汽车在发生燃料泄漏及点燃后所存在的风险进行了对比分析。燃料泄漏后，氢气由于浮力的作用，氢气火焰几乎是垂直向上的，从而没有在车辆底部等相对狭窄的空间内形成高浓度的可燃混合气，而汽油车则由于车辆底部的汽油聚集而发生了剧烈燃烧，见图1。

图1氢气车和汽油车泄漏并点燃后不同时刻的情景

浙江大学刘延雷博士曾模拟计算了高压氢气管道和天然气管道的泄漏扩散情况，模拟参数为：管径1m，泄漏管长200m，埋深1m，泄漏孔径0.05m，环境及管内温度30℃，环境压力0.1MPa，管内介质绝对压力为1MPa，环境风速0m/s，模拟区域范围长×高=200m×350m。

由图2曲线可知，泄漏初始，氢气泄漏速度远大于天然气的泄漏速度，接近8s时，两者速度一致；随后两者速度不断减小，但氢气减小幅度更大，更为快速达到0m/s。泄漏云团扩散距地高度定义为宽度大于10m云团的距地面高度，当大于5s后，随着气体逐渐扩散，氢气的扩散危险区域主要集中在高空位置，泄漏后天然气在近地区域危险性大于氢气。

图2（a）氢气、天然气泄漏口泄漏速度随时间变化曲线(b)氢气、天然气危险范围内扩散云团距地高度随时间变化曲线图

3、氢能源的利用及风险评估

目前，氢能源主要以高压气体的形式被利用在加氢站和车载储氢系统。

从全球加氢站建设情况来看，截至2018年底，全球加氢站数目达到369座，其中对外商业营业的加氢站共有273座，全球加氢站分地区统计见图3。

图3全球加氢站分地区统计图

其中，日本、德国和美国的加氢站数量位居前三位，三国加氢站共有198座，占全球总数的54%。中国排名第四，大陆加氢站保有量为28座（含2座临时加氢站），主要集中在广东、江苏、上海。2018年全球加氢站新增48座，同时，各国在短期内都有部署更多加氢站计划，其中，德国38座、荷兰17座、法国12座、加拿大7座、韩国27座、中国18座。

加氢站作为一个集压缩、高压储存、高压加注氢气于一体的场所，为尽可能降低危险性，加氢站从建设安全设计、设备本质安全、安防控制系统设计、电气防爆设计、防爆墙安全间距等五个层次进行安全防范。除此之外，有着完善的安全规章制度和严谨的操作规范。

基于目前初级发展阶段，加氢站的风险评价往往更注重人员伤亡情况，安全第一。人员伤亡风险主要为第一方加氢站员工风险、第二方顾客风险、第三方周边邻居及路人所面临的风险。国际惯用的评价方法有定性的快速风险评级（RRR）和定量的风险评价(QRA)。RRR即由一组有经验的专家对氢能设施分析讨论，速度上会有优势，但主观性较强，不能对风险等级高的事故作更细致的评价；QRA是量化分析科学地评价设施或某一具体事故的风险，可为降低风险提供建议，更可用于直接制定氢能安全相关标准。量化风险评价流程见图4。

图4氢能设施量化风险评价流程

ZhiyongL等对安亭加氢站、世博加氢站均作了QRA风险评价。以世博加氢站为例，该站位于世博园区附近，压力为35MPa，主要为2010年世博会的燃料电池汽车加油。平面布置图见图5。加氢站位于济阳路西侧，长60m，宽50m。车站的北侧和西侧是露天场地。南面是东体育场的临时办公楼。济阳路东侧有几栋民居。可以看出，站外有三个潜在的易受伤害目标：临时办公楼的工人、济阳路的行人和道路对面的城市居民。

图5世博加氢站位置图

采用HAZOP危险辨识技术，事件树分析，建模计算后得到风险概率值见表3，数据表明了压缩机和氢气加注机的泄漏对站内控制室和加氢机这两个地点造成的风险最大。因此，为降低风险，在压缩机上实施的附加安全屏障系统包括压缩机的泄漏检测和关闭系统、靠近压缩机并连接至电站自动紧急关闭（ESD）系统的氢气传感器，以及分布在加氢站不同位置的手动ESD按钮。氢气加注机的附加安全屏障系统类似于压缩机。

表3站内人员控制室和加氢机旁风险概率

随着安全措施的增加，对各方风险计算结果见表4，第三方风险示意图见图6。

表4风险评价概率结果

图6加氢站个人风险轮廓线（风险概率10-6/a）

根据E1HP2（European Integrated Hydrogen Programmer 2即欧盟整体氢计划第二阶段）风险可接受标准，对于第一方风险，加氢站员工个人死亡概率不应超过每年10-4；对于第二方风险，每年造成客户一人或多人死亡的重大事故概率不得超过10-4；对第三方而言，应考虑个人和社会风险，个人风险可接受标准为10-6，社会风险可接受FN曲线可表示为每年F≤10-3N-2，见图7。

图7社会风险评价FN曲线图

因此，增加安全措施后，世博加氢站的风险是在可接受标准内的，低于风险接受标准的值。相关标准要求见表5。

表5满足风险概率10-6/a的加氢站安全距离及相关标准要求

油气站有关风险数据有限，目前获得的数据为如1万座加油站统计数据表明,单个加油站火灾的发生频率为7.4×10-2/a，其中多数由车辆着火引起，约为4.6×10-2/a，占比62%，由汽油泄漏引起的约为3×10-3/a，占比4%；单个加油站每年发生的事故中由火灾导致的致死风险为2×10-5/(a人)，致伤风险为7×10-4/(a人)。

由上述数据可见，只要有合理的保障措施，加氢站的危险性并不高于常规的加油站。

Shigeki Kikukawa等对70MPa等级的加氢站也进行了模拟风险评价，采用HAZOP（危险和可操作性研究）和FMEA（失效模式和影响分析）相结合的识别失效场景方法，分析721个故障场景，还估计了所有失效情况的后果严重性等级和概率等级。通过外推法，估算了80MPa冲击压力和射流火焰发生率的影响。此外，还根据评估为处于高风险水平的故障情况，对安全措施进行了检查。研究结果表明，在风险评估期间确定的安全措施，如果准确应用于氢燃料站，将提供高度的安全性，并且安全距离为6m（与35MPa氢燃料站相同）是足够的。

同时，Hirayama Makoto等通过结合FMEA和HAZOP的方法，分别识别出28个和31个与加氢机、加油机模型相关的潜在事故场景。对每个场景进行定性风险评估，并将结果组织成风险矩阵。通过对加氢机、加油机与安全措施风险矩阵的比较分析，发现现有的安全措施（如防火墙、安全间距、消除静电、探测器和切断阀等）是有效的，风险水平是相当的。因此，可以得出在公共区域安装加氢机的风险是可以接受的，见图8和图9。

图8安全措施前后加氢机风险矩阵图

图9安全措施前后加油机风险矩阵图

对于氢燃料电池汽车而言，已形成初具规模的产业链。在制氢储氢方面，有成熟的商业化技术（电解、天然气裂解、煤气制取、脱氢技术）和完整的标准体系，几十年的工业气体工业化生产经验和十多年的燃料氢气经验。在加氢站方面，有成熟的储运技术，十几个相关标准、成熟建站能力和安全营运历史。在车辆研发方面，截至2018年12月，已有17家车企共开发有77款车型氢燃料电池汽车纳入工信部新能源车辆管理体系，2018年以客车和专用车为主的氢燃料电池汽车产量达到了1619辆；国内外对燃料电池汽车自身储氢系统、防泄漏安全系统、汽车碰撞模拟等氢安全问题上均有较多的研究，推动着氢燃料电池汽车的发展。因此，在现有产业链安全体系前提下，可以按照燃油车使用习惯使用氢燃料电池。

4、国内相关标准规范

随着氢能技术在我国的逐渐发展，我国对于氢能利用的相关规范也在不断制定发展，表6罗列了我国近年来制定的一些加氢站相关标准规范。截至2018年底，现有燃料电池领域国家标准36项，国家标准指导性技术文件3项，团体标准2项，燃料电池汽车方面的标准共计14项，车用高压燃料气瓶标准1项，加氢站相关标准规范14项。

表6我国加氢站相关标准规范列表

另外，早在2013年我国首次发布了《氢系统安全的基本要求》，内容涵盖了氢脆、燃烧和爆炸等影响氢系统安全的所有因素及指导氢系统设计、制造和使用等风险控制方法，对促进氢能技术发展及提高其市场和社会认可度等方面发挥积极作用。

5、国内外加氢站规范安全距离对比

根据世界上主要国家制定的加氢站法规，包括中国的加氢站技术规范、美国NFPA2、德国VdT ü V Merkblatt、日本的“高压气体保安法”、英国的BCGA CP33，参照ISO分类，对规范中的安全距离整理见表7。

表7国内外规范内主要安全距离对比分析

由表7可见，各国对于加氢站安全距离有较为明显的差异。总体而言，我国对于加氢站的安全距离较为保守，强调绝对值控制，缺乏操作灵活性。

欧美各国为利于推动氢能产业发展，ISO TC 197制定了ISO TO 19880-1：2016《气态氢之加氢站》。日本原法规规定加氢站应建设在工业区，且要求加氢站与道路的安全距离至少为8m，否则要设防护围栏，2012年法规修订，允许加氢站建在住宅区且靠近加气站；2014年，日本法规对于材料、距离、建置地点、营运、运输等方面均作了修改，放宽了加氢站商业标准制定。

6、结语

氢气易燃易爆、无色无味，在我国至今仍作为危化品而存在，但日韩德美等国对于氢能的积极发展态势及日本等对氢利用安全规范的逐步放宽，让我们不得不重新去审视过往对于氢气利用安全性的“偏见”。

本文总结介绍了氢气泄漏与扩散、燃烧与爆炸、与金属相容性这三个主要特性及国内外对其的研究现状，并将氢气与常规能源天然气和汽油进行了对比分析，因氢气密度最小，扩散性强的特点，而使氢气在实际运用中某些方面安全性并不低于常规能源。同时，针对氢气主要用于加氢站和燃料电池汽车的使用现状，总结分析了国内加氢站的风险评价及日本的相关研究，表明加氢站的风险是可以达到可接受范围的，加氢机与加油机的风险相当。氢气并非不可捉摸，其安全风险可控。

氢能利用的安全研究、安全科普任重道远，希望专家学者进一步加强氢能的制、储、运、用各环节的安全性的技术研究，对于安全性的研究要在理论的基础上更多试验模拟研究，使之更好地为工程运用服务；加快完善并努力践行关于氢能应用的技术标准体系和安全技术法规体系；加强行业监管，使氢能应用健康有序地发展；再者，加强氢安全的科普宣传，消除大众对氢的恐惧心理。