（化工过程机械专业论文）高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究.pdf

摘要摘要随着化石能源的日益枯竭以及对环境问题的关注，氢能以其可再生、无污染等特性在未来可能成为重要的二次能源。目前高压储氢以其储氢容器结构简单、压缩氢气能耗少、充装和排放速度快等优点被绝大多数加氢站和氢能汽车采用，而高压供储氢在实际应用过程中存在一定的危险性，因此安全可靠的高压储氢技术是氢能广泛应用急需解决的关键问题之一。针对氢气快速充装温升、高压氢气泄漏扩散等储氢安全问题，本文在国家高技术研究计划( 8 6 3 ”计划) 目标导向课题项目“高压容器储氢技术和装备( 2 0 0 6 a a 0 5 2 1 4 3 ) ”、国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 课题“高密度车载储氢新体系及其安全性预测理论研究( 2 0 0 7 c b 2 0 9 7 0 6 ) ”和美国交通部资助的中美合作项目“s a f e t yi s s u e sr e l a t e dt ot r a n s p o r ta n ds t o r a g eo fh y d r o g e nf u e l si nn o r t h e r nc l i m a t e s ( g r a n tn o d t o s 5 9 0 6 g 0 0 0 4 8 ) ”的支持下，开展了相关的研究。主要研究内容和成果如下：( 1 ) 在氢气瓶快充温升理论分析的基础上，建立了氢气瓶快充温升理论分析模型，并对气瓶壁面绝热状态下的温升进行了分析计算，得到了绝热条件下的快充温升大小，即确定了充装过程可能的最高温升，同时得出了初始温度、初始压力等参数对绝热温升的影响规律。考虑到非绝热充装的复杂性，基于真实气体状态方程与s p a l a r t a l l m a r a s 湍流模型，建立了精度较高的氢气瓶快充过程温升数值计算模型，模型可用于不同充装参数下气瓶内温升的预测。( 2 ) 国内首次开展了氢气瓶快充温升试验研究，搭建了氢气瓶快充温升测试平台，得到了大量的快充温升数据。基于测试平台对氢气瓶快充过程的非定常流动进行了研究，得到了气瓶压力、储氢罐压力、气瓶内温度、加注流量等在快充过程中的变化规律，通过试验得出了气瓶初始压力、快充速率等参数对快充温升的影响规律。( 3 ) 针对3 5 m p a1 5 0 l 氢气瓶，依据试验与数值模拟结果，得出了较为精确的温升计算公式。基于公式，得出了不同充装参数下的充装速率限制值，并提出了控制快充温升的方法，研究结果表明通过控制充装速率或初始充装温度能有效地控制氢气瓶充装温升。得出了额定充装量下不同充装参数时的充装压力。i i i浙江大学博士学位论文( 4 ) 建立了高压氢气与天然气的泄漏扩散数值计算模型，对氢气和天然气的泄漏扩散进行了数值模拟研究。应用模型分析了泄漏位置、环境温度、环境风速、障碍物等对泄漏扩散的影响，并得出了相关的影响规律；得到了氢气不同于天然气的泄漏扩散性质。基于模型研究了储氢罐的防火间距，结果表明储氢罐与地面建筑的防火间距应较天然气罐小，与垂直距离相关的防火间距应略大于天然气罐。相关研究结论可以为加氢站等高压储氢场合的泄漏扩散应急处理提供理论依据。关键词：高压储氢，储氢安全，加氢站，氢气瓶，储氢罐，非定常流动，泄漏扩散，快速充装，温升，试验研究，数值计算，控制方法a b s t r a c ta b s t r a c td u et ot h es c a r c i t yo ff o s s i lf u e l sa n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s ，h y d r o g e ni sl i k e l yt ob eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc a r r i e r so fe n e r g yd u et oi t sr e n e w a b l ea n dn op o l l u t i n gp r o d u c t t h em o s tp o p u l a ra n dm o s th i g h l yd e v e l o p e ds t o r a g em e t h o df o rh y d r o g e nr e f u e l i n gs t a t i o na n df u e lc e l lv e h i c l e si sh i g hp r e s s u r eh y d r o g e ns t o r a g ed u et oi t st e c h n i c a ls i m p l i c i t ya n dl o wc o s t s a f ea n dr e l i a b l et r a n s p o r t a t i o na n ds t o r a g eo fh y d r o g e nf o rh y d r o g e ne n e r g yi so n eo ft h ek e yi s s u e sw h i c ha r en e e d e dt ob er e s o l v e d t h e r ei sac e r t a i nd e g r e eo fr i s kf o rh i g h p r e s s u r eh y d r o g e ns t o r a g ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，s a f ea n dr e l i a b l eh i 【g hp r e s s u r es t o r a g eo fh y d r o g e ni sn e e d e dt ob eg o t t e nh o l do f t h i sp a p e ra i m e da tr e s e a r c ho nt e m p e r a t u r er i s ei nh y d r o g e nf a s tf i l l i n gp r o c e s sf o rc o m p o s i t eh y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e r s ，h i g h - p r e s s u r eh y d r o g e nl e a k a g ea n dd i f f u s i o nf u n d e db yt h en a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a m ( 8 6 3 ) o fc h i n a t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n to fh i g h - p r e s s u r eh y d r o g e ns t o r a g ev e s s e l s ( p r o j e c tn o ：2 0 0 6 a a 0 5 2 14 3 ) ，t h en a t i o n a lh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 9 7 3 ) o fc h i n a n e wh i g h d e n s i t yo n b o a r dh y d r o g e ns t o r a g es y s t e ma n di t st h e o r e t i c a ls a f e t yp r e d i c t i o nr e s e a r c h ”( p r o j e c tn o ：2 0 0 7 c b 2 0 9 7 0 6 ) ，a n dt h eu s d e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，o f f i c eo ft h es e c r e t a r y s a f e t yi s s u e sr e l a t e dt ot r a n s p o r ta n ds t o r a g eo fh y d r o g e ni nn o r t h e r nc l i m a t e s ”( g r a n tn o d t o s 5 9 一0 6 一g 一0 0 0 4 8 ) ，a n dm a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：( 1 ) e s t a b l i s hat h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lf o rt e m p e r a t u r er i s ei nh y d r o g e nf a s tf i l l i n gp r o c e s sf o rc o m p o s i t eh y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e r sb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h et e m p e r a t u r er i s ei na d i a b a t i cf i l l i n gp r o c e s sf o rt h ec y l i n d e rw a sa n a l y z e dw i t ht h em o d e la n dt h es e t t l e dt e m p e r a t u r er i s ew a so b t a i n e d ，t h a ti s ，t h em a x i m u mv a l u eo ft e m p e r a t u r er i s ei np r a c t i c a lf i l l i n gp r o c e s sw a sf o u n do u t b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ee f f e c to ft h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ea n di n i t i a lp r e s s u r ei nt h es t o r a g ec y l i n d e ro nt h et e m p e r a t u r er i s ew a so b t a i n e d e s t a b l i s han u m e r i c a lm o d e lf o rt e m p e r a t u r er i s ei nh y d r o g e nf a s tf i l l i n gp r o c e s sf o rc o m p o s i t eh y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e r sb a s e do nr e a lg a ss t a t ee q u a t i o n t h em o d e lw a sa l la c c u r a t ea n dv i s u a l l yd i s p l a y e dm o d e lt of o r e c a s tt h et e m p e r a t u r er i s ei nt h ef a s tf i l l i n gp r o c e s su n d e rd i f f e r e n tf i l l i n gp a r a m e t e r s v浙江大学博士学位论文( 2 ) f i r s tc a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt e m p e r a t u r er i s ei nt h eh y d r o g e nf a s tf i l l i n gp r o c e s sf o rh y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e r si nc h i n a t e s t i n gp l a t f o r mf o rt e m p e r a t u r er i s ei nf a s tf i l l i n gp r o c e s sw a sb u i l da n dm u c he x p e r i m e n t a ld a t aw a so b t a i n e d b a s e do nt h et e s t i n gp l a t f o r m ，t h eu n s t e a d yf l o wi nf a s tf i l l i n gp r o c e s sf o rh y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e rh a db e e ns t u d i e d a n dt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo fp r e s s u r ei nt h ec y l i n d e ra n ds t o r a g et a n k ，t e m p e r a t u r ei nt h ec y l i n d e r , m a s sf i l l i n gr a t ei nf i l l i n gp r o c e s sw a so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fi n i t i a lt e m p e r a t u r ei nt h ec y l i n d e r ,m a s sf i l l i n gr a t eo nt h et e m p e r a t u r er i s ew a sf o u n do u tw i t ht h et e s t i n gp l a t f o r m ( 3 ) b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t a ，a ne q u a t i o nf o rt e m p e r a t u r er i s ec a l c u l a t i o no f3 5 m p a15 0 ls t o r a g ec y l i n d e rw a sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，a ne q u a t i o nf o rf u l f i l lr a t ec a l c u l a t i o no ft h ec y l i n d e rw a so b t a i n e d t h el i m i t e dm a s sf i l l i n gr a t ei nd i f f e r e n tf i l l i n gp a r em e t e r sw a so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t r o lm e t h o df o rt e m p e r a t u r er i s ew a sb r o u g h to u t i tc o u l db ei m p l e m e n t e db yc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r eo fh y d r o g e nb e f o r ei n t ot h ec y l i n d e ra n dm a s sf i l l i n gr a t e t h es e t t l e dp r e s s u r ef o rm a s sr e q u i r e m e n tw i t hv a r i o u sf i l l i n gp a r a m e t e r sw a so b t a i n e d ( 4 ) e s t a b l i s han u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lf o ra n a l y s i so fl e a k a g ea n dd i f f u s i o no f1 l i g h p r e s s u r eh y d r o g e na n dn a t u r a lg a sd u et op i p e l i n eo rs t o r a g et a n kf a i l u r eb a s i n gr e l i a b l ek - - 6t u r b u l e n tm o d e l t h ee f f e c to fl e a k a g ep o s i t i o n ，d i a m e t e ro fl e a k a g eh o l e ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a m b i e n tw i n dv e l o c i t ya n do b s t a c l eo nt h ed i f f u s i o no fh y d r o g e nd u et os t o r a g et a n kf a i l u r ew a sa l s oo b t a i n e d a n dc o r r e s p o n d i n gl a ww a sf o u n do u t a l s ot h ed i f f e r e n td i f f u s i o np r o p e r t i e so fh y d r o g e nt on a t u r a lg a sw e r eo b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n a t u r a lg a si sm o r ed a n g e rt h a nh y d r o g e n t h er a t i o n a l i t yo fs a f e t yd i s t a n c ef o rh y d r o g e ns t o r a g et a n k sw a sa n a l y z e d t h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t sc o u l dp r o v i d er e f e r e n c ef o rd e a l i n gw i t he m e r g e n c yi nh i g hp r e s s u r eg a s e o u sh y d r o g e no c c a s i o n ss u c ha si nh y d r o g e nr e f u e l i n gs t a t i o n s k e y w o r d s ：h i g h - p r e s s u r eh y d r o g e ns t o r a g e ，h y d r o g e ns t o r a g es a f e t y , h y d r o g e n a t i o nr e f u e l i n gs t a t i o n ，h y d r o g e ns t o r a g ec y l i n d e r s ，h y d r o g e ns t o r a g et a n k ，u n s t e a d yf l o w ,t h el e a k a g ea n dd i f f u s i o n ，f a s tf i l l i n g ，t e m p e r a t u r er i s e ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n t r o lm e t h o d sv l符号说明符号说明常数；常数：常数；常数；常数；常数；常数；常数：常数；常数；定压比热，j ( k g ) ；定容比热，j ( k g ) ：f 物种的热扩散系数，m 2 s ；常数；内能，j ；常数；f 方向上的体积力，n ；粘性衰减函数；湍流粘度生成项；防向上的重力，n ；高度，m ；危险区域传播高度，1 1 1 ；水平方向危险区域传播距离，m ：，2fdfm甜口6qqgccgec勺岛巩jep鼻厶瓯毋h玩也浙江大学博士学位论文比焓，j k g ；氢气内衬热传递系数，w ( m 2 k ) ；内衬复合材料的壁面热传递系数，w ( m 2 k ) ；壁面空气的壁面热传递系数，w ( m 2 k ) ；物种；i 物种的质量扩散速率，m o u s ；热传导系数，w ( m ) ；紊动能生成率；材料l 的热传导系数，w ( m ) ；材料2 的热传导系数，w ( m ) ；复合材料热传导系数，w ( m ) ；长度，m ；材料1 沿壁面厚度占总厚度的分数；材料2 沿壁面厚度占总厚度的分数；危险区域传播距离，m ；水平方向危险区域传播距离，m ；质量，g 或k g ,物种数；压力，m p m气瓶内压力，m p a储氢罐压力，m p a ；气瓶初始压力，m p a ；气瓶终止压力，m p a ；入口气体压力，m p a ；湍流普朗特数；热量，j ；矗肘枷胁，万k七k如k厶厶kum疗尸r疡竹岛b耽q符号说明9g尺，ss “丁乃乃乃fu“、，yy。m 矿。p圪1 ，xk匕y口五气瓶内气体的质量，k g ；氢气流量，s ；气体常数，j ( k g - ) ；半径，m ；自定义项；湍流施密特数；温度，：入口气体的温度，；温升，；气瓶内气体的温度，；应力张量；时间，s ，m i n ，h ；内能，j ；比内能，j k g ；流动速度，m s ；车载容器容积，m 3 ；充装速率，s ；玻璃纤维所占体积比；树脂所占体积比：分子运动粘性，m 2 s ；坐标方向；f 物种的质量，g ；湍流粘性耗散项；坐标方向；真实其它状态方程相关系数，k p a ；氢气导热系数，w ( m ) ；浙江大学博士学位论文常数：常数；湍流黏性，p a s ；密度，k g m 3 ；材料1 的密度，k g m 3 ；材料2 的密度，k g m 3 ；切应力，p a ：紊动耗散率。吼qpn仍f占浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：步1 适靥签字同期：d 一年f 月o 同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，町以采h j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：辩嗍：岬年l 蛎f 月f 勺日致谢致谢三年的博士生活令我收益匪浅，在此首先感谢我的导师郑津洋教授，正是导师的严谨治学的态度，锐意创新的科学研究精神，指引我走上了科研的道路。博士期间，我在学习、科研、工作和社会阅历各方面的进步和成长都得益于郑老师的指导和帮助，与郑老师的求学期间，不仅掌握了一定的科研能力还学会了如何做人的道理。在此，我谨向郑老师表示最诚挚的感谢和最崇高的敬意!感谢赵永志副教授，感谢他在我的试验与数值模拟以及论文写作方面给予的深入帮助和指导，感谢北京飞驰绿能公司的张立芳副总经理、赵辉工程师、盛润华工程师、谢添工程师、安全生产经理胡东浩等，感谢他们在快充氢气温升试验测试方面给予的帮助。感谢氢能课题组! 这个团结、上进的集体给了我无穷的力量。感谢课题组成员徐平副教授、杨健副教授、刘鹏飞副教授、叶建军博士、陈虹港博士、别海燕博士、刘贤信博士、赵磊博士以及毕业的开方明博士与李磊、陈瑞硕士对我学习上的帮助，和他们的交流探讨经常给我以启发! 感谢他们在论文写作上给予我的帮助，发表的每一篇论文都离不开着他们的帮助。感谢马歆博士、马利博士后、邓贵德博士、陈勇军博士、李翔博士后、董奇博士、刘仲强硕士、吴晓丹硕士、马圆圆硕士、秦永泉、缪存坚、江茂强、吴琳琳、李雅娴、王非、周宁、郝宇杰，还有已经毕业的卢玉斌硕士、张永硕士、林秀峰硕士、李磊硕士、王卉硕士、杜伟硕士、周高斌硕士、朱彦聪硕士、徐阳硕士、许辉庭硕士和高永建硕士。感谢大庆石油学院戴光教授、李伟教授、张颖副教授、龙飞飞副教授、杨志军副教授、赵俊茹老师对我的关注与支持! 感谢徐彦廷副教授、王亚东、王兵、王君、付本金等对我生活上的帮助!深深地感谢我的父亲母亲，他们崇尚知识的理念和热爱生活的态度对我影响至深! 从入学至今，他们一直尽全力支持和鼓励我上学求知；在我面临工作、读博的抉择时，是他们毅然决然的态度使我不再犹豫攻读博士的道路；是他们含辛茹苦却无怨无悔的默默奉献让我得以顺利完成学业! 感谢我的爱人杨薇，她的温柔体贴陪伴我度过了幸福快乐的学习生活，感谢她对我的论文第一稿的浙江人学博上学位论文修改和建议。她的信任、理解和支持在生活中给予了我无比的信心! 感谢我的岳父岳母，他们的默默支持与无私奉献给予了我无比的动力。最后，我再次向所有关心和帮助过我的人表示衷心的感谢!支u 延雷二零零九年三月于求是园文献评述1文献评述1 1 引言1 1 1氢能及其发展随着石油、天然气等化石能源的日益枯竭以及对环境问题的关注，氢以其可再生、无污染等优势在未来可能成为重要的二次能源。在传统应用方面，氢主要应用在石油化工领域，以及电子加工、钢铁生产、玻璃加工和食品生产等方面。作为能源燃料，氢主要被用在航空领域。由于氢作为能源载体的有效性以及利用中的低污染，氢将在能源利用方面起到重要的作用【l 】。这主要由氢的特点决定：首先，氢资源丰富，地球上的氢主要以化合物水的形式存在，而地球表面7 0 以上被水覆盖，即使在大陆，也有丰富的地表水和地下水；其次，氢的来源广泛，如图1 1 所示，可以通过化石燃料，如天然气、煤、煤层气等制得，也可以通过可再生能源，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热，或者二次能源( 如电力) 来发电，然后电解制氢。地球各处都有可再生能源，而它们是取之不尽、用之不竭的。同时太阳能、核能等也可直接分解水制得氢气；再次，氢能是最环保的能源且具有可存储性。利用低温燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水，没有任何污染，而使用氢燃料内燃机，也是显著减少污染的有效方法。氢可以被大规模储存，这是氢能和电、热等能源最大的不同。在电力过剩的时间和地方，可以用氢的形式将电能或热能储存起来。这也使氢在可再生能源的应用中起到其它能源载体所起不到的作用；最后，氢具有可再生性，通过化学反应产生电能或热能并生成水，而水又可由电解转化成氢和剥2 8 】。氢气是宇宙中最小的分子。气态氢无色、无臭、无味、无毒。氢气与氧气发生氧化反应( 燃烧) 生成水，同时释放出大量的反应热。氢气的密度很小，在标准状态( o ，0 1 m p a ) 下，氢气的密度为o 0 8 9 9 k g m 3 ，极易散逸，氢气不会在地面堆积，不会污染地表水或被其他物质吸收。在2 5 2 7 c 时氢气将转变为液氢，若将压力增大到数百万个大气压，液氢可变为固态，固态氢具有超导性能。氢气作为燃料已经在航空航天领域得到了广泛的使用。氢能作为二次能源是目前能源l新太# 博学位论文发展的一个重要方向【9 4 ”。目前核能转电过程中剩电的储存基本靠转化为水的势能来实现，其储存后再利用的效率比较低。因此也有专家提出将多余核电转换为氢能的构想l “】。n - f i n * 能量利用率得到了有效的提高，同时净化了环境，提高了社会效益回斟船避龊匪i 亟亟习图1 1 氢的来源f i g1 1s o u r c eo f h y d r o g c n图l2 不同燃料质量能量密度f i g1 2 m a s se n e r g yd e n s i t ，o f f u e l s图12 为单位质量不同燃料完全燃烧后释放的能量，从图中可以看出，氢气的燃烧热较其它燃料明显高。但从图1 3 中可以看出，氢气由于其密度低，单位体积的燃烧热较其它燃料少。从图中还可以看出通过提高氢气的储存压力能明显文献评述提高其体积密度。目前车载储氢的压力逐渐提高，以提高单位体积的储氢密度。广l1 卜门l门3 5 氢m p a天然3 5 k l p 气a7 0 氢m p a7 天然0 m p 气a液氢甲醇液化夭然：化丙烷汽油柴油隈璺中野蒲化丙l 烯! 佃不佃图1 3 不同燃料体积能量密度【16 】f i g1 3v o l u m e t r i ce n e r g yd e n s i t yo ff u e l s为了克服氢气利用中的困难，推动氢能经济向实用化方向发展，各国科学技术工作者以及能源政策专家在诸多领域对氢能的利用展开了大量的研究工作。总结起来，氢能利用需要解决的主要问题包括：氢能制备、氢能储运、氢能使用、氢能教育、氢能标准，每个环节都不可或缺【1 7 1 。w i l l i a mm c d o w a l l 和m a l c o l me a m e s 对现有的氢能宏观发展模式进行了研究，将其分为6 种相互交错的研究类型，其中三种为可描述性研究：预测分析( 用定量的推理法得出现有的发展趋势) 、典型探索( 从驱动力入手探求能否完成氢能研究) 、技术路线分析( 从现有的技术及其可靠性研究着手，分析氢能发展可能采用的技术路线) ；以及三种层次的标准化研究：现象研究( 对已有技术产生的结果) 、预设目标可行性研究( 设定目标下的可靠发展方向) 、路线图研究( 整体发展的交互关系) 1 1 8 1 。1 1 1 1 国外氢能发展世界主要发达国家，包括美国、加拿大、日本、欧盟等过去7 年时间内在氢能领域的开发投入达到了年增2 0 以上，在如何利用氢气、发展氢能经济上提出了各自的主张，并在此基础上，成立了很多国家和地区性组织【1 9 , 2 0 1 。2 0 0 2 年美国能源部综合了政府、科研机构、大学、企业和环境组织等的各自条件，提出了氢能发展路线图，主要包括氢气的制备、运输、储存、转换、利用以及公众教育等具体技术，明确各个领域的发展目标，并对基本技术路线进行了详细的说吲2 。2 0 0 3 年，美国总统布什在国会宣布用1 2 亿美元来开拓氢能经济发展的技术研究。同时美国交通运输部、环境部以及加利福尼亚、内华达、密西根等州也都制定了相应的研究计划参与到氢能相关技术研究中【2 2 2 3 1 。加拿大负责氢能计划的官方机3舢咖舢帅姗咖舢o3322ll童n善毯帮一掣饔教浙江人学博上学位论文构为国家氢能协会( n a t i o n a lh y d r o g e na s s o d a f i o n ，简称n h a ) ，该协会组织了工业部( i n d u s t r y - c 卸a d a ) 和自然资源部( d e p a r t m e n t o f n a t u r a l r 脚u r c e s c a n a d a )以及多家公司，开展了多项氢能计划，包括氢能示范村计划、氢高速走廊计划等等，其投资也达到了数亿美元，同时还有加拿大氢能协会( c m a d i mh y d r o g e na s s o c i a t i o n ，简称c h a ) 等非官方组织积极推动氢能发展【2 4 】。日本的经济产业省( m e t i ) 联合了t o y o t a 、n i s s a n 、h o n d a 、m i t s u b i s h i 、s u 月a k i 等汽车公司，以及n i p p o n 、c o s m o 、s h o w as h e l ls e l 【i y ukk 、t o k y og a sc o 、l t d 、1 w a m n ii n t e m a t i o n a lc o r p o r a t i o n 、j a p a n a i r g a s e s ，l t d 等化学化工和气体公司，制定了r本氢能和燃料电池示范项目j h f c 计划( j a p a nh y d r o g e na n df u e lc e l ld e m o n s t r a t i o np r o j e c t ) ，并按计划从2 0 0 3 年4 月起到2 0 0 7 年，投资2 5 亿美元，实行新的氢能发展计划，包括颁布氢能使用及安全评估的法律法规和标准，发展相关技术，建立氢能利用所需的基础设施旧。欧盟成立后，将原有欧洲各个国家的氢能研究机构进行了整合，成立了e i h p l ( e u r o p e a ni n t e g r a t e dh y d r o g e np r o g r a m m e r1 ，1 9 9 8 年) ，并制定了相应的氢能路线图 2 ”，从制氢、储氢、输氢、基础设施、安全、规范标准等各个方面研究氢能发展。随着成员国的增加和氢能研究的深入，e i h p 已经从e i h p l 过渡到e i h p 2 其f 分为5 个工作组，分管总体、加氧站、充装气体装置、汽车、安全和标准五个方面的工作。其组织举办的每两年一次的欧盟氢能安全会议主要针对氢能利用中遇到的安全问题进行探讨。国际标准组织也对氢能的相关特性以及应用过程中可能存在的安全问题进行了研究，拟通过相关研究来制订氢利用过程中安全方面的相关标准f 2 ”。图14 本矾公司f c x v 4 氢燃料汽车图l5 奔驰公司b c e l l 燃料电池汽车f i 9 1 _ 4f c x v 4 0 f h o n d af i 9 15 b - c e l lf c v o f b e r g图1 4 与l5 为本旰1 公司与奔驰公司研制的氢能燃料电池汽车1 2 ”。目前该类汽车己批量生产，但由于价格昂贵，且各地加氧设施不完善，还没有得到广泛使文献评述用。相信随着氢能的迅速发展，氢能汽车会在汽车领域占有自己的一片市场。同时由于其独有的环保性能必将引起越来越多消费者的青睐i z 9 1 。印度、巴西和我国等为主的发展中国家也从各自的能源和全球环境问题的考虑，提出了相应的氢能战略。1 1 1 2 国内氢能发展2 0 0 7 年中国已成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。与此同时，汽车燃油消耗也达到8 0 0 0 万吨，约占中国石油总需求量的1 4 。在能源供应日益紧张的今天，发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢能作为汽车的燃料无疑是最佳选择。我国在氢能和燃料电池技术领域取得了一系列成果，研发水平排在第一梯队，仅次于日本、美国、加拿大、德国。但是，我国氢能研究起步较晚，在基础研究、仪器设施、应用体系、开发路线、研发经费等许多方面与这些国家还有较大差距。我国对氢能的研究与发展可以追溯到2 0 世纪6 0 年代初，中国科学家为发展本国航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产、h 2 0 2 燃料电池的研制与开发进行了大量卓有成效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，则是从2 0 世纪7 0 年代开始的。截止至1 9 9 7 年，我国己在1 5 个城市着手清洁汽车计划，2 0 0 1 年我国又开始了电动汽车计划。2 0 0 0 年以来，科技部先后设立9 7 3 计划“氢能的规模制备、储存及相关燃料电池基础研究”和“可再生能源制氢”项目，以及8 6 3 计划“电动汽车”重大专项课题。在国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 ，2 0 2 0 ) 中又迸一步明确我国在“十一五”期间将混合动力电动汽车、氢燃料电池汽车作为十分重要的发展方向【3 0 3 2 1 。在加紧氢能和燃料电池自主研发的同时，我国还积极参与国际合作。2 0 0 3 年1 1 月，包括我国在内的1 5 个国家和欧盟共同发起“氢能经济国际合作伙伴”计划，以协调和促进世界各国在氢能和燃料电池方面的研发工作。另外，在联合国发展计划署和全球环境基金的资助下，科技部、北京市和上海市政府联合实施“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”，采用全球招标方式购买了3 辆燃料电池公共汽车，目前已在北京试运行。通过科研工作者们的努力攻关，我国氢能和燃料电池技术正在不断发展【3 3 。5 1 。继德国、美国、日本之后，我国自主开发出燃料电池系统及燃料电池轿车和城市客车( 如图1 6 、1 7 所示) ，其关键技术指标已达到国际先进水平。在科技部“电动汽车重大科技专项”和氢能源燃料电池领域项目支持下，清华大学汽车安全与节能国家实验室已经自主研发了5 辆燃料电池城市客车，它们的关键技术指标可与国际主5浙 学博l 学位论女流车型相媲美，而造价只有国外平均水平的1 ，4 目前累计运行犀程己超过5 爿公罩，引起了国内外的，。泛关注。国内研制的i5 l 长安杰勋h e v 混台动力车也已上市( 如图1 8 所示) ，同时该车是中国首款自主品牌混合动力轿车与原汽油机汽车比较，成本增加不超过2 0 ；( 用户投资回收期为25 年左右，其中每年按3 万公里行驶里程计算) 3 6 1 。国16 清华氢能燃料电池大巴车f i 9 16 h y d r o g e n f u e lc e l l b u s o f t s i n g h u a中国目前氢气的年产量已达8 0 0多万吨成为仅次于美国的世界第二大氢气生产国；中国计划到2 0 i o 年总发电量中可再生能源发电的比例将提高到1 0 ，可再生能源发电达到2 亿k w ，到2 0 2 0 年增长到3 6 亿k w ；中国正在为实现到2 0 2 0 年使可再生能源消费量达到总能源消费量1 5 的目标而努力，其中氢能将扮演十分重要的角色。1 1 2高压储氢安全图17 长安氢能燃料电池轿车f i g l7 h y d r o g e nf c v o f c h a n g a n图1 8 长安混合动力轿车f i g18h y b r i dv e h i c l e so f c h a n g a n目前氢主要以高压氢气的形式被利用。高压氢气在储存利用过程中存在一定的危险性，目前仍被公众所惧怕。关于氢气利用安全的研究引起了社会的广泛重视即 。目前大部分研究主要针对加氢站、车载储氢系统等进行【3 8 。4 0 】。按危险形式不同，可分为：6文献”述( 1 ) 泄漏容器发生破坏或管道接头连接不好时氢气就会发生泄漏同时氢气渗透性强，易发生渗漏。由于氢气是一种无色无味的气体，氢气的微量泄漏不易发觉，若在通风不好的情况下发生积浆遇到明火后就会发生危险。易发生氢气泄漏的位置应注意通风与实时监测，防止氢气浓度过高。研究氢气的泄漏扩散也是研究其泄漏后发生火灾及爆炸的基础。掌握氢气泄漏扩散的性质具有十分重要的意义1 4 1 4 s 】。( 2 ) 火灾火灾主要分为氢气自身引发的火灾以及外界环境引发的火灾。氢气自身引发的火灾主要指氢气发生泄漏后纯度较高的氢气遇到明火发生的喷射火灾。外界环境引发的火灾主要指环境可燃物发生火灾。外界火灾会对高压氢气储存装置构成危险1 4 6 - 。i 。( 3 ) 爆炸氢气体积浓度在爆炸极限内( 4 - - 7 42 ) 时遇到明火就会发生爆炸。爆炸又分为爆燃和爆轰，当氢气在敞开环境下的点燃爆炸般为爆燃。当爆燃气体遇到障碍物时，或在密闲空间内传播时就会导致爆轰。爆轰的危害性较爆燃太得多( 5 4 5 5 i 。按其不同危险源可分类为以下：( 1 ) 容器失效在容器使用过程中，由于初始制潍造缺陷在使用过程中发生扩展、频繁加载导致容器疲劳、氢脆以及介质腐蚀等原因导致容器友生破坏。其中氢脆是材料在使用中失效乃至发生灾难性断裂事故的重要原因之一。氢脆是由氢引起的材料塑性降低而脆化图19 某加氢站储氢罐爆炸后场景f i 9 19f a c t o r y a l t e rr u p t u r ea n de x p l o s i o no f af a n r o g e ns t o r a g et a n k的现象i s 6 , s 1 。可能失效的装置主要包括站内输运管道、储氢罐以及氢气瓶等。图1 9 为某加氢站储氢罐疲劳裂纹扩展引起爆炸后的场景，由该爆炸引起的经济损失达5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 美元唧1 。据统计设备失效7 1 起的氢气事故占事故总数的1 8 6 7 t 蜘。浙江大学坤j 学位论史( 2 ) 输运接点泄漏由于加氢站内输运管道较多，管道h j 或管道与其它容器间接头多。因此接头发生泄漏的概率较大。目前在加氢站内多采用透风好的建筑设计，使泄漏气体及时排到大气中去。且在易泄漏位置采用实时监测，防止氢气大量聚集引起事故【5 9 舯l 。图11 0 为某街道l 自i 氢气装载车上气瓶发生泄漏导致爆炸后的场景。( 3 ) 操作单元失效或误操作加氢站或其它氢气应用场合存在大量的操作控制装置，若操作单元失效而没有及时的应急措施就容易导致危险事故。加氢站圈l1 0 氢气装载车爆炸事故场合般都设置应急手动装置或过压保护装置，防止储氢装置超压等危险情况的发生。操作人员的误操作也可能引起危险事故。据统计约2 56 的氢气事故与误操作有关6 2 】。近年来关于氧气应用安全的研究较多大部分集中在欧美日等地区的研究院所1 6 4 1 。目前的主要研究内容有以下几方面：( 1 ) 氢气泄漏扩散燃烧爆炸特性研究，主要包括高压氢气泄漏后的扩散规律与氢气遇点火源的燃烧爆炸规律研究。( 2 ) 氢气瓶快充氢气温升规律研究，研究氢气瓶快充过程各参数( 压力、温度、流量等) 在充装过程中的变化规律以及充装参数对温升的影响并提出控制快充过程温升的方法。( 3 ) 储氢罐氢气瓶安全性能研究，主要包括氢气瓶材料安全性能研究、氢气瓶疲劳特性研究、氢气瓶耐火烧性能试验研究、气瓶枪击试验与跌落试验研究等；( 4 ) 加氢站安全评价与相关安全标准研究，包括加氢站m 险评价方法的研究、加氢站风险分析以及相关安全标准的制订1 6 s - 7 3 1 。以上相关的氢能利用安全研究在国