氢能源网

您当前的位置:首页 > 氢能 > 综合

氢能安全研究现状与进展

时间:2011-07-14 17:10:16来源:中国氢能源网
伴随着全球能源需求的不断增长以及日益加剧的环境污染问题,新能源的开发与利用越来越受到人们的重视。氢能因具有来源广泛、清洁环保、循环利用等一系列优点而得到了世界各国科研机构、政府和企业的高度关注。在氢能经济的诸多前景中,氢燃料电池车被认为是最有可能实现产业化的应用之一,为此,各国政府相继实施了氢燃料电池车示范计划,而燃料电池车的普及需要与之相配套的氢能基础设施——加氢站同步发展,因此伴随着各国政府燃料电池车示范项目的实施,加氢站也在全球范围发展迅速。据fuel cell today 统计,截止至2009年末,全球加氢站总数达到150个。我国也相继建成了北京加氢站和上海加氢站两座示范运营站,这两座加氢站已成功服务于2008北京奥运会燃料电池示范车。在今年的世博会期间,上海加氢站将还将与新建的世博加氢站和两辆移动加氢车构成小型加氢网络,满足世博氢燃料电池汽车的供应要求,成为上海世博会上一道靓丽的风景线。(注:上海加氢站即上海安亭加氢站,由同济大学、上海舜华新能源系统有限公司等单位研发和承建,Linde(BOC)和Shell Hydrogen分别受聘承担技术(阶段)设计和技术顾问任务而参加了该项目的工作。目前,该加氢站由舜华新能源公司负责运营。)
尽管氢能在工业领域已应用多年,但作为公众民用能源还处于起步阶段,虽然氢在工业领域早已得到广泛的应用,但从未在公众范围内作为一种能源载体使用。因此,能否为公众提供足够的安全,至少安全性不低于传统化石燃料的水平,是氢能是否被大众广泛接受,从而进一步普及发展的关键所在。氢能安全问题作为氢能基础设施发展面临的挑战之一,一直是近几年国际上关注和研究的热点问题,主要研究领域集中在氢的行为、后果及其物理影响(Hydrogen behavior,consequences and physical effect),储氢材料安全(Materials Safety),及氢能安全相关标准与规范(Regulations, Codes and Standards)等方面。调研国外氢能安全研究现状,吸收借鉴其先进经验技术,对推动我国氢能基础设施建设,配合我国氢能相关产业的发展,具有重要意义。下面简要回顾总结国外氢能安全现状和进展。
1氢的行为和后果及其物理影响研究(Hydrogen behavior ,consequences and physical effect)
氢的行为及后果研究是氢能安全基础研究的重要组成部分,它是氢安全相关研究开展的基石。氢行为方面研究,主要包括氢的泄露、扩散、点火、自燃、爆燃、爆轰和瞬变效果(hydrogen release, dispersion, ignition, auto-ignition, deflagration, detonation, and transitional effect)。氢的后果方面研究,主要包括爆炸(explosion)、射流火焰(jet fire)、闪火(flash fire)以及火球(fireball)等方面的研究。物理影响主要包括由火灾或爆炸引起的热辐射、超压和碎片效应 (thermal, overpressure and missile effects)
1.1 氢气泄漏和扩散
法国环境与工业风险国家研究院(Institute National for Environmental and Industrial Risks,即INEIRS)J.M. LACOME等人对大尺度室内(80m3)氢气云团的形成进行了试验研究,测试了不同泄漏条件下(从0.2g/s到1g/s)浓度、温度和质量流,一些重要结论如氢气云团在顶部会先成层继而扩散,数小时后均均一化,对我们理解氢气泄漏和扩散行为有一定的帮助,还有诸如氢气和氦气测试表现出高度相似等结论,为可以用氦代替氢做泄漏试验提供了证据支持。还有一些结论是数据性的,可以用于模拟验证。由于该研究为氦代替氢作为试验介质提供了依据,因此他们这个团队在PROUS带领下,又进一步进行了液氢泄漏试验(用氦代替氢),以探讨液氢挥发扩散形成蒸气云的机制。
俄国Denisenko V.P在俄国科学和教育部和欧洲氢能许可项目(Russian Ministry of Science and Education and by the EU HYPER project)的资助下,对封闭圆柱容器内,进行了更为细致的氢气亚音速泄露和扩散试验。他空间分散布置24个氢气探头和24个温度探头用于实时追踪监视氢气浓度和温度场。通过分析空间点同步试验记录数据,给出基本流动样式,并区分了氢气亚音速泄露的不同阶段.他的试验除了帮助我们理解氢气扩散行为外,翔实的数据可为数值模拟验证提供基础数据,更重要的是,丰富的氢气探头也为室内氢气探头分布设置提供了指导。
美国Sandia国家实验室进行了试验和数值模拟联合研究,旨在表征和预测氢气泄露行为。除了研究未点燃的氢气的浓度场和可燃区域外,他们还进一步研究了点燃氢气情况下射流火焰形成,火焰长度和热辐射通量等对安全距离至关重要的物理量。试验中还涉及到了射流火焰和障碍物的作用过程。为了更好的理解试验结果,作者还把N-S方程计算结果与试验结果作了比较。从另一角度来说,这种比较也是对计算结果的验证。
日本Kouchi, A.等试验研究了高压氢气从管道小孔泄露到大气的情形。与美国Sandia国家实验室研究不同的是,他们没有基于CFD原理解释氢气行为,而是把浓度分布简化为一个方程。为了理解高压氢气扩散的基本行为,他们测试了基于时间平均的浓度,发现氢气浓度沿着扩散羽流轴的方向可以表示为一个简单方程。这一方程是下游距离X和当量泄露直径θ的函数。这一公式可以允许我们简单的预测出下游轴向某点最大浓度。这一简单方程,为快速预测氢气泄露后果提供了依据。
1.2 自燃、爆燃,爆轰及瞬变效应研究
关于氢气点燃的起因,大致有五种机制:氢气的负焦汤效应(inverse effect of Joule-Thompson)、静电释放(electrostatic discharge)、传播点燃(diffusion ignition)、瞬间绝热压缩(sudden adiabatic compression)和热表面点燃(ignition by hot surface)。
对于加氢站泄漏事故而言,最关心的是传播点燃(diffusion ignition),因此很多人针对氢气射流自燃开展了研究,如俄国Golub,Bazhenova等研究了亚音速氢气射流自燃现象,他们的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。还有部分科学家等专门对爆破片破裂引起的氢气泄漏自燃现象进行了研究。氢气点燃后,剧烈的燃烧可能引起爆燃(deflagration)和爆轰(detonation),引起的超压(overpressure)可能带来比氢气燃烧本身更大的危害。爆燃和爆轰都是剧烈的燃烧过程,其区别在前端的冲击波爆燃是亚音速的,而爆轰则是超音速的。不少科学家对氢气泄漏到开放或半封闭空间引起的爆燃进行了试验研究,一些科学家研究了燃爆的条件并得出了相应的标准。
上述这些研究都为氢气爆燃和燃爆的模拟提供了一些经验参数及验证数据。对于二者的转换(Deflagration to Detonation Transition,即DDT),德国Friedrich等试验研究了转换的临界条件,Gexcon公司的Middha还进行了一系列的试验和数值模拟研究,以便更好的预测和理解这一过程。
总之,氢行为及其后果研究是氢安全基础研究的重要内容,其研究分为试验研究和数值模拟研究两个方面,二者实际上又是相互促进,相辅相成的。试验研究是为了更好的了解氢气行为特性,以便修正控制方程相关参数,从而更精确的模拟氢气事故后果;数值模拟则为更好的开展试验(试验内容设计、氢气探头布点等)提供指导。两方面的研究不断深化人们对氢气行为和特性的认识,为预测氢气事故后果奠定了基础。
1.3 氢事故后果及其物理影响
氢事故的后果,主要包括爆炸(explosion)、射流火焰(jet fire)、闪火(flash fire)以及火球(fireball)等。其物理影响主要包括由火灾或爆炸引起的热辐射、超压和碎片效应 (thermal, overpressure and missile effects)。爆炸方面的研究很多,包括上面爆燃和燃爆方面的研究实际上也属于爆炸的研究内容,只是上面关注的是爆炸行为,而这里关注的是爆炸后果,也就是这里爆炸关注的重点主要是超压(overpressure)及其影响范围。
乌克兰风险调查研究中心(Scientific Center of Risk Investigations)专门针对爆炸引起的超压进行了研究,在N-S方程的基础上给出了超压计算的数学物理模型,可以用于预测爆炸引起的超压分布。日本大阪燃气有限公司工程部Tanka等对加氢站氢气泄漏可能引起的爆炸情形进行了试验研究,结果表明1.2s点火时超压最大,并且氢气浓度是决定火焰速度和爆炸超压的主导因子。日本三菱重工进行了40MPa氢气泄漏点火爆炸试验,发现爆炸能量不光取决于氢氧混合物的浓度,而且强烈受点火前的湍流特性的影响。它们试验中测试的浓度、超压等数据均可用于数值模拟验证,同时也为氢能设施风险评估提供了基础参照。
射流火焰和闪火的研究实际上和氢气泄漏研究的延续,泄漏射流(release jet)如果迅速被点燃,就形成了射流火焰(jet fire),如果推迟点燃,则可能形成蒸汽云火,或叫做闪火(vapor cloud fire or flash fire)。为预测射流火焰,壳牌专门开发针对射流火焰的模型(Jet fire Model),可以用于计算火焰辐射值。氢气能否像碳氢化合物那样产生火球,目前还没有直接的证据,大多数风险评价并未考虑火球情形,但也有些风险评价中已采用以往的碳氢化合物火球计算模型来评估氢气火球可能产生的危害。
对于闪火伤害标准,目前人们通常以氢气浓度4%作为标准,或采用采用2%为保守评价使用。关于超压和热辐射对人体的伤害标准,存在争议,在后面QRA部分会予以详述。
2 储氢材料安全(Materials Safety)
氢脆是指高压氢气可以渗入容器材料内部,改变材料的机械性能,引起材料脆化的现象。氢脆会导致容器破裂,引发安全事故,从而备受人们关注。氢脆可分为内部氢脆(internal hydrogen embrittlement)、外部氢脆(external hydrogen embrittlement)和氢反应脆化(hydrogen reaction embrittlement)。内部氢脆发生在材料加工时,氢进入材料内部,导致材料结构失效。内部氢脆在温度173K~373K之间都会发生,但在室温下最为严重。外部氢脆发生主要发生在材料处在氢环境的情况下,比如说储氢瓶,吸收或吸附的氢会修改材料的机械属性,引起脆化。外部氢脆主要取决于氢环境施加在材料上的力(如氢气压力)的大小。外部氢脆同样在室温条件下最为严重。氢反应脆化是指氢与金属中的元素发生反应,生成了新的微观结构相,比如说氢与金属中的碳反应生成甲烷气泡,气泡的积累会导致材料力学属性骤变,引起各种失效事件。
氢脆事故最早见于上个世纪60年代高强度钢容器,当时并不知道是由于氢脆引起的容器破裂,直到1981欧洲工业界才发布文件,指出此类事故是由于氢脆导致。由于引起破裂的极限应力通常低于材料屈服应力,因此,往往在在材料没有发生显著变形就可以发生灾难性故障(catastrophic failure),这使得氢脆事故的发生往往没有任何先兆。众多氢脆事故表明,最容易发生氢脆的是高压容器,加注连接部件、阀门及其配件。因此,科学家更多的是针对连接摩擦部件开展安全研究。
德国柏林材料与测试联邦研究院(Federal Institute for Materials Research and Testing)专门组织项目,研究各种条件下氢对摩擦部件的影响。液化空气集团(Air Liquide)还专门开发了针对1400bar至3500bar的氢瓶爆破快速测试平台,这个平台也可以运行在各种控制温度条件下,用于模拟氢瓶及其它部件老化。对于加氢站而言,要求零部件要求要能长时间耐受-40℃到+85温度变化,以及短时间内140的高温(快速加注)。因此,部件材料究竟是否符合需求,通常需要严格的测试,液化空气集团开发的该平台正好就可用于加氢站部件的安全测试。为确保氢环境下材料的使用安全,单纯的安全测试是不够的,需要建立相应的预防氢脆事故的规范和标准,因此法国Barthélémy, H.专门详细研究了各种环境因素对氢脆的影响,他的研究建议制定规范应包含以下几个方面内容:(1)氢气压力、温度和氢气纯度;(2)材料机械属性和化学组成;(3)设备的应力水平;(4)表面缺陷和光滑属性;(5)焊接程序。
3 氢能安全相关标准与规范研究(Regulations, Codes and Standards)
国际上主要有两个组织在参与氢能标准规范的制定,分别是:国际标准组织(International Organization for Standardization, ISO)和国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)。ISO下属TC197技术委员会主要关注氢技术相关标准的制定,IEC在氢能方面则专门针对燃料电池方面的标准。ISO TC197它下面有9个工作组,WG #1、#5~#12分别专攻液氢道路汽车燃料罐、气态氢混合和加氢站及连接装置、气态氢混合和氢燃料道路汽车燃料罐、氢能系统安全性的基本考虑、电解用氢能发生器、用燃料处理技术制氢的安全性和操作试验方法、可逆性金属氢化物储氢、气态氢服务站、氢燃料—产品规范。IEC下属TC105技术委员会,最初致力于固定式燃料电池发电站的标准,现在也开始制定与便携式燃料电池和动力系统用燃料电池的标准。因此IEC制定的标准与加氢站虽不直接相关,但由于涉及车用燃料电池加注及其相关安全性,因此与加氢站也间接相关。ISO制定的标准中,与加氢站最相关的标准包括:ISO/PAS 15594 机场加氢设施操作(Airport Hydrogen Fuelling Facility Operation);ISO TC197 WG#11气态氢服务站(Gaseous Hydrogen – Service Station); ISO 17268 压缩氢气车辆加注接口(Compressed Hydrogen Surface Vehicle Refueling Connection Devices)。
欧洲参与氢能相关标准规范的制定组织主要是欧洲工业气体协会(EIGA,European Industrial Gases Association)和欧洲一体化氢能计划(EIHP,European Integrated Hydrogen Project)。EIGA借助专家的建议对工业和医药上应用的气体的生产、运输、储存和使用提供权威和标准化的规范,通过工业气体企业,促进安全、健康、环境和技术标准的协调。为了这个目的,欧洲工业气体协会EIGA 的分支机构工业气体委员会(IGC,Industrial Gases Council)于2005年编制了“氢气站”标准(IGC 15/05/E,Gaseous hydrogen stations,该标准提供了一份氢气加注站技术指南。这份文件涉及氢气的压缩、净化和储存,定义了确保加注站正确操作和建立安全距离必须安装的部件以及站的维护必须遵循的程序。EIHP致力于制定加氢站基础设施和相关接口(interfaces)的标准,并希望制定出该领域通用的国际性的标准。EIHP2已编写出燃料电池汽车高压氢气加注站的标准草案,虽然该标准草案被ISO TC197采用做为ISO标准的参考依据,但该标准尚未被欧盟成员国采纳为具有法律效力的文件。为弥补这一缺憾,欧盟组织实施 “HyApproval”的加氢站标准项目,我国的中科院理化所也是该项目参与成员之一,该项目成果《加氢站审批手册》(Handbook for Approval of Hydrogen Refueling Stations)把我国北京和上海加氢站的审批程序也作为案例列入其中。
美国是在氢能标准规范制定上投入最积极的国家。美国政府在其2002年颁布的《国家氢能发展路线图》中将“规范与标准(Codes & Standards)”列入氢能系统的七个组成元素之一,其余六个元素分别是:生产(Production)、输送(Delivery)、储存(Storage)、转化(Conversion)、应用(Applications)和教育(Education and outreach)。该路线图指出,在氢能技术体系的设计、制造和操作等环节建立统一的规范和标准,将显著加速氢能技术从实验室走向市场的脚步,而政府和业界的合作将加速规范和标准的制定过程,促进国际性统一标准的形成。美国参与氢能相关标准规范的制定的组织比较多,大概有十多个,如美国国家标准研究院(ANSI),压缩气体协会(CGA)、国家防火协会(NFPA )等。为阐明众多组织在编制标准体系中的角色和任务,美国能源部(DOE)下属的氢规范标准协调委员会(Hydrogen Codes and Standards Coordination Committee)专门制作了规范各组织的国家模版(National Template)。

虽然各国关于氢能规范和标准的制定活动非常活跃,但大多数标准多为推荐标准,只有少数以法规形式颁布。各标准之间存在很大差异,如加氢站安全距离,欧洲IGC(Industrial Gases Council)推荐的加氢站火源安全距离为5m,意大利加氢站指导文件(Italian guideline for hydrogen filling stations)给出的则达10m,美国NFPA(National Fire Protection Association)的建议值为7.5m。标准的不统一,给氢能设施如加氢站的普及推广带来一定困难,因此建立公认的国际性的标准和法规,是目前氢能安全相关标准制定和研究的方向。

 

发表评论共有条评论

关于我们-联系我们-广告合作-投稿须知-留言咨询-隐私声明-友情链接

Copyright©2011 SUNWISE.SH.CN. All Rights Reserved. 中国氢能源网版权所有

主办方:中国氢能源网承办方:上海舜华新能源系统有限公司上海氢能利用工程技术研究中心备案号:沪ICP备09045381号