氫安全視角下的高壓儲氫系統主動安全措施

高壓儲氫系統作為氫能源存儲的關鍵技術之一，其安全性更是不可忽視的核心問題。本文將從氫安全的視角，深入探討高壓儲氫系統的主動安全措施，特別是針對泄放裝置的實際泄放能力與理論泄放能力之間的差異及其影響因素。

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氫安全挑戰與應對措施

高壓儲氫系統存儲壓力可高達70MPa甚至更高，這一高壓力環境對系統的安全性提出了極高要求。為應對潛在的超壓風險，高壓儲氫系統通常配備超壓泄放裝置，如安全閥和爆破片，以確保在異常情況下能迅速釋放壓力，保障系統安全。

我們選取了兩種常用的超壓泄放裝置-安全閥和爆破片，評估一個泄壓裝置泄放能力和泄放面積的基本要求是：一旦容器發生超壓，泄放裝置的泄放面積（額定泄放量）應大于或等于容器的安全泄放量，即W≥WS。根據GB 150和《固容規》，有關盛裝壓縮氣體或水蒸氣的容器安全泄放量的計算公式如下：

WS=2.83×10-3ρvd2

ρ—泄放條件（設定溫度與設定壓力）下的介質密度；v—容器進料管內的流速，m/s；d—容器進料管內直徑，mm。

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泄放裝置的實際挑戰

然而，在實際應用中，泄放裝置的實際泄放能力往往低于理論計算值，這一現象在氫安全領域尤為關鍵。造成這一差異的原因主要包括：

泄壓口結構與介質流動狀態

泄放裝置的泄壓口設計、介質在流動過程中的阻力和速度變化等因素，均會顯著影響實際泄放效果。

介質的特性參數

氫氣的物理和化學特性，如密度、熱導率、爆炸極限等，對泄放裝置的性能有直接影響。在理論計算時，這些參數往往基于理想條件，而實際工況下可能存在偏差。

系統設計與制造差異

工程上安裝使用的泄壓裝置及其進出口管路系統與單一泄壓裝置模型存在差異，同時與制造廠測試系統以及測試介質也不相同，這些差異會導致實際泄放能力難以準確預測。

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安全閥與爆破片的組合應用

為提升高壓儲氫系統的安全性，安全閥和爆破片常采用串聯組合的方式使用。然而，這種組合也帶來了新的挑戰——介質流動阻力損失的增加。這可能導致安全閥的泄放能力下降，從而影響整個系統的安全性能。

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泄放能力的計算方法

為解決上述問題，國內外制定了相應的規范以計算泄放能力。我國主要采用泄放系數法，通過理論泄放量乘以額定泄放系數K來得出實際泄放量。國外則采用比率系數法或流動阻力系數法。這些方法各有優缺點，但共同目標是為高壓儲氫系統提供可靠的安全保障。

現統一用額定泄放系數K表示額定泄放量與理論泄放量之比值，額定泄放量W等于理論泄放量乘以額定泄放系數K，即W=KWT。

目前國內外有關規范中安全閥和爆破片裝置額定泄放量計算公式基本相同，額定泄放系數的確定方法有區別，詳見表1和表2。通過計算求出容器安全泄放量W后，可根據泄放能力設計集的基本要求并利用額定泄放量計算公式求出所需的排放面積A（見表1）。

表1 額定泄放量和泄放面積計算公式

注：C和C1為氣體特征系數，,

K—泄放裝置的泄放系數；k—氣體絕熱系數，查表3；M—氣體的摩爾質量，kg/kmol；P0—泄放裝置出口側壓力（絕壓），MPa；Pi—泄放裝置的泄放壓力（絕壓），包括設計壓力和超壓限度兩部分,MPa；Z—氣體的壓縮系數，對于空氣Z=1.0；T—泄放裝置泄放溫度；WS—容器的安全泄放量,Kg/h。

表2 額定泄放系數K

表3 部分氣體的性質

通過深入分析高壓儲氫系統泄放裝置的實際泄放能力與理論泄放能力之間的差異及其影響因素，并采取有效的主動安全措施，可以顯著提升高壓儲氫系統的安全性能。