氢能电车在地下区间行驶安全性分析研究

氢能电车在地下区间行驶安全性分析研究

张亚卓

中国铁路设计集团有限公司 天津 300142

摘要：氢气作为典型的可燃性气体，在隧道等封闭空间中泄漏处于爆炸极限范围有可能产生剧烈爆炸，危害人身安全。为分析氢能电车在地下区间中行驶各种工况下的安全性，本文以某项目为例建立模型进行模拟计算，分析氢能电车在有无风井位置行驶及停止时隧道内氢气浓度，基于氢气爆炸极限分析其安全性。研究结果表明，列车氢燃料系统正常情况下在隧道内行驶及短时间停在隧道中隧道内浓度在爆炸极限4%以下；列车氢气泄漏情况下隧道中继续行驶会有一定范围长度浓度处于爆炸极限范围，但范围相对不大；列车氢气泄漏停在隧道中则需进行大量通风换气以稀释氢气，以有效控制爆炸风险。

关键词：氢能，有轨电车，爆炸极限，安全性，数值模拟

0引言

近年来，我国氢能大力发展政策不断明确清晰。氢能源有轨电车作为一种新型有轨电车，采用氢燃料电池为列车提供动力，具有节能环保、续航里程长、运载量大、舒适便捷、建设周期短、成本低、实用性强等优势。通过燃料电池内氢和氧相结合化学反应产生电能，为列车提供动力。

氢气作为一种可燃性气体，与天然气等其它可燃气体存在相同的问题，在有效控制其不利因素的情况下发挥其价值。氢气作为系统能源，在轨道交通领域中的应用案例较少，尤其在地下空间中可参考经验不足。氢能电车在地下区间隧道中行驶，其易燃易爆特性给设计、建设及运营带来较多问题。

目前对氢能电车在地下区间隧道行驶过程的安全性进行分析研究极少，为合理分析其行驶过程中氢气正常释放及泄漏产生的危害，并采取有效措施避免灾害发生，具有重要研究价值。

1模型建立

本研究根据某工程项目情况建立模型，包含隧道有风井部分、无风井部分、地下车站。隧道进出口、风井口、车站出入口及车站顶部天窗设置为与室外空气连通。

列车储氢系统位于列车中间位置。模型中对氢气泄漏源进行简化，在列车中间位置车顶设置氢气泄漏源，尺寸按储氢系统部分考虑。列车在隧道中行驶速度根据车辆总体技术参数，最高运行速度按70km/h考虑。

根据对氢能源车辆的调研信息，列车释放氢气的工况：

1）一辆氢能源车辆氢燃料电池电化学反应随反应后水蒸气排出的氢气量约为0.00109g/s（排气约每5s排放一次气体，阀开启时间0.5s~1s不等）；

2）正常情况储氢系统全部氢气释放完的氢气释放速度3.3g/s；

3）当列车普通管道或阀门故障时，按照3/8in管道考虑，起始压力35MPa，泄漏程度百分比10%~100%，对应泄漏速度6.3g/s~169.2g/s。可知氢气泄漏量最大时是普通管道或阀门故障时，按照单个泄漏点泄漏程度100%，对应最大氢气释放速度为169.2g/s。按氢气泄漏到瓶外在正常大气压内的密度为0.089kg/m³，此时氢气泄漏量最大为1.9m³/s。

为确定不同工况下车站及隧道内是否安全，按对本系统建立模型，对各种工况进行计算分析。

2正常行驶工况

当列车氢燃料系统正常情况下停在车站中，氢燃料电池电化学反应随反应后水蒸气排出的氢气量0.00109g/s，该工况下，泄漏气体为氢气、反应产生的水蒸气、空气反应后剩余的氮气等气体的混合物；燃料电池系统额定功率为200kW，经计算，电池反应后排除的混合气体中氢气的质量浓度约为9×10-6。排气每5s排放一次气体，阀开启时间按1s考虑,每次放气后氢气浓度达到最高。对系统建立模型并进行计算，氢气由泄漏点向上扩散；因氢气浓度低于空气且泄漏点上方无遮挡，且氢气泄漏量极小，仅0.00109g/s，泄漏点附近浓度低于1×10-4，浓度远小于爆炸极限4%。

当列车氢燃料系统正常情况下停在隧道有风井位置，氢燃料电池电化学反应随反应后水蒸气排出的氢气量0.00109g/s，排气每5s排放一次气体，阀开启时间按1s考虑，对系统建立模型并进行计算，氢气由泄漏点向上扩散至隧道顶部至旁边风井附近；因氢气浓度低于空气，泄漏点上方存在隧道顶部遮挡，因此氢气由泄漏点向上流至隧道顶部，由旁边风井流出隧道外；且氢气泄漏量极小，仅0.00109g/s，泄漏点附近浓度低于1×10-4，浓度远小于爆炸极限4%

当列车氢燃料系统正常情况下停在隧道无风井位置，对系统建立模型并进行计算，因氢气浓度低于空气，泄漏点上方存在隧道顶部遮挡，氢气由泄漏点向上扩散至隧道顶部并向两边扩散；因正常情况下氢气泄漏量极小，仅0.00109g/s，泄漏点附近浓度低于1×10-4，浓度远小于爆炸极限4%。

3氢气泄漏工况

当列车氢气泄漏情况下在隧道中有风井处行驶，泄漏量按169.2g/s，即1.9m³/s进行考虑，对系统建立模型并进行计算，氢气主要集中在泄漏点列车行驶后方车顶附近。氢气浓度低于空气，但泄漏点上方存在隧道顶部遮挡，因此列车行驶后方氢气由泄漏点泄漏后在隧道顶部并逐渐扩散。由于活塞效应，列车后方风井气流方向为由隧道外吹向隧道内，因此氢气无法及时排出，但进入隧道的隧道外空气会吹散并稀释氢气，使其浓度降低；隧道内氢气泄漏点后方至车尾后方风井附近浓度大于爆炸极限4%，风井间距12m时隧道内浓度超过爆炸极限的范围长度约为25m；此范围仅存在于车顶附近，范围相对不大。被车尾风井吹散后氢气浓度低于爆炸极限，列车远离后浓度逐渐降低，隧道内活塞效应减弱后由风井流出隧道外。

图1 列车氢气泄漏情况下在隧道中有风井处行驶氢气浓度

当列车氢气泄漏情况下在隧道中无风井处行驶，氢气集中在泄漏点列列车行驶后方车顶附近。列车行驶后方氢气由泄漏点泄漏后积聚在隧道顶部并逐渐扩散。区间段无风井，氢气在隧道内积聚，并随列车活塞效应向前移动；隧道内氢气泄漏点后方存在小部分区域浓度大于爆炸极限4%，仅存在于车顶附近范围相对不大；由于列车持续泄漏氢气，随列车在隧道内行驶时间延长，氢气超标范围逐渐加大，列车驶离隧道前氢气浓度超标范围及浓度达到最大。列车驶离隧道后，隧道内氢气被活塞风吹出隧道，浓度在迅速降低至爆炸极限以下；随着列车离开，隧道内氢气浓度逐渐降低。

图2 列车氢气泄漏情况下在隧道中有风井处行驶氢气浓度

当列车氢气泄漏情况下停在隧道中，向两边扩散至两端的连通隧道外的风井或隧道口之间，由风井或隧道口流出隧道外；因氢气泄漏量较大，泄漏点上方浓度随停车时间增加逐渐增大，直至氢气扩散至风井或隧道口流出隧道外趋于稳定。隧道顶部泄漏点两侧隧道内氢气浓度处于爆炸极限内，并向两边蔓延。需进行大量通风换气以稀释氢气，以有效控制爆炸风险。

4研究结论

通过对列车正常情况及氢气泄漏情况下在地下段的模拟计算分析，可得出以下结论：

1）列车氢燃料系统正常情况下在隧道内行驶及短时间停在隧道中，氢燃料电池电化学反应随反应后排出的氢气量因泄漏量极小，隧道内浓度在爆炸极限4%以下。

2）列车氢气泄漏情况下，当在有风井处行驶，隧道内氢气泄漏点后方至车尾后方风井附近浓度大于爆炸极限，随列车运动向前移动，范围相对不大。

3）列车氢气泄漏情况下，当在无风井处行驶，隧道内氢气泄漏点后方浓度大于爆炸极限，随列车在隧道内行驶时间延长范围逐渐加大，列车驶离隧道前氢气浓度超标范围达到最大，范围相对不大。

4）列车氢气泄漏情况下停在隧道中，泄漏点上方浓度随停车时间增加逐渐增大并处于爆炸极限内，需进行大量通风换气以稀释氢气，以有效控制爆炸风险。

综上，当列车在隧道发生氢气泄漏时，应迅速行驶至地面，同时氢气浓度超标时隧道内应保证无明火，避免爆炸危险发生。此外，建议提高阀件等相应配件的质量，减小氢气泄漏发生爆炸的风险。

参考文献

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