加氢站高压氢气充装策略及泄漏爆炸后果预测研究

摘要

为了应对日益严峻的能源紧缺和环境污染问题，清洁、高效的氢燃料电池汽车是新能源汽车一个重要发展方向，加氢站作为氢燃料电池汽车商业化运行的必备基础设施，其关键技术和安全保障对氢燃料电池汽车的推广和利用具有重要意义。高压氢气在快速充装过程中温度升高明显，严重威胁车用储氢系统的安全，此外氢气易泄漏、易扩散和易燃易爆的特性也是加氢站安全建设中必须考虑的难题。
　　本文分别针对加氢站高压氢气快速充装策略和泄漏爆炸后果预测等氢能利用和储存的安全问题开展了较为系统的研究。主要研究内容如下:
　　(1)基于高压氢气快速充装过程的主要产热机制以及散热机制，综合考虑氢气真实气体性质，建立高压氢气快充温升的一维数值模型，并对Ⅲ型和Ⅳ型气瓶的各产热和散热机制进行量化计算，明确了产热和散热的主要影响因素。
　　(2)以不同充装条件和环境参数对快充结束后氢气温度的影响规律为基础，制定了适用于储氢质量为2～4 kg和5～7 kg、工作压力为70MPaⅢ型车用储氢系统的充装策略，该策略能够提高预冷温度等级，有助于节省设备投入和预冷能耗。
　　(3)利用三维CFD数值模拟软件FLACS对39MPa高压氢气发生泄漏后从扩散至点火爆炸的全过程进行模拟，并对可燃氢气云的扩散过程和爆炸后果进行定量分析。
　　(4)探究了不同环境风速、环境温度和点火时间、点火位置对爆炸强度和危害距离等事故后果评价指标的影响规律，明确了爆炸强度和危害距离的决定因素。
　　本文的研究成果可以为加氢站70MPaⅢ型车用储氢系统快速充装过程中工艺参数的选择提供指导，也能够为加氢站定量风险评价提供理论支持。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

符号说明

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 氢燃料电池汽车发展概述

1．1．2 车载复合材料氢气瓶发展概述

1．1．3 加氢站发展概述

1．2 快充温升规律及控制方法研究进展

1．3 加氢站高压氢气泄渭爆炸后果研究进展

1．4 目前存在的问题

1．4．1 车用氢气瓶快充温升规律和控制方法存在的不足

1．4．2 加氢站高压氢气泄漏爆炸后果研究存在的不足

1．5 研究内容和技术路线

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 数学模型

2．1 高压氢气快充温升数学模型

2．1．1 热力学过程分析

2．1．2 基本假设

2．1．3 控制方程

2．1．4 数值算法

2．1．5 模型验证

2．2 高压氢气泄渭爆炸数学模型

2．2．1 高压氢气泄漏爆炸过程分析

2．2．2 控制方程

2．2．3 数值算法

2．2．4 模型验证

3 高压氢气快充温升机制及充装策略研究

3．1 温升热物理机制研究

3．1．1 产热机制

3．1．2 散热机制

3．1．3 本节小结

3．2 温升影响规律研究

3．2．1 环境温度和瓶内氢气初始温度

3．2．2 充入氢气温度

3．2．3 初始充装压力

3．2．4 升压速率和充装时间

3．2．5 气瓶结构

3．2．6 本节小结

3．3 充装策略研究

3．3．1 充装要求

3．3．2 基本假设

3．3．3 充装策略制定

3．3．4 本节小结

3．4 本章小结

4 加氢站高压氢气泄漏爆炸后果预测研究

4．1 高压氢气泄漏爆炸过程分析

4．1．1 扩散模拟结果及分析

4．1．2 爆炸模拟结果及分析

4．1．3 本节小结

4．2 高压氢气泄漏爆炸后果影响规律研究

4．2．1 环境风速

4．2．2 环境温度

4．2．3 点火位置

4．2．4 点火时间

4．2．5 本节小结

4．3 本章小结

5 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间取得的科研成果