氢能源列车的风险评估

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摘要：目前，化石燃料已经提供了世界86%的能源，预计未来石油需求将会增加，同时，二氧化碳（CO2）的排放导致温室效应，因此，开发一种只需低成本基础设施同时碳排放低的新型机车，以此来减少对环境的影响。根据科学报告，氢能源，作为一种新型能源，是电力等能源的载体。但使用氢燃料电池驱动的列车可能会发生事故，因此，对密闭空间氢气火灾和爆炸的危险性进行评估具有重要意义。

Abstract： At present， fossil fuels have provided 86% of the world"s energy. It is expected that oil demand will increase in the future. At the same time， carbon dioxide （CO2） emissions will cause a greenhouse effect. Therefore， it is necessary to develop a new locomotive with low-cost infrastructure and low carbon emissions to reduce the impact on the environment. According to the scientific report， hydrogen energy， as a new type of energy， is a carrier of energy such as electricity. However， trains driven by hydrogen fuel cells may have an accident， so it is important to evaluate the risk of hydrogen fires and explosions in confined spaces.

关键词：氢能源列车;氢燃料电池;风险评估

Key words： hydrogen energy train;hydrogen fuel cell;risk assessment

中图分类号：TM911.43                                 文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2019）18-0052-02

0  引言

为了调查XQG45-600P机车用于商业运营是否安全，作者进行了一项关于铁路车辆安全问题的研究，并调查了氢储存和供应的潜在风险。

2013年，中国首次推出氢能源调车机车（Chen W.， 2013）。本案例之所以选择机车，是因为机车的设计师提供了XQG45-600P的详细参数。本案例研究概述了XQG45-600P及其安全性。本章通过风险评估，考察XQG45-600P在防止氢气爆炸的能力上是否足够安全。根据Chen（2013）的研究，调车机车是用于在编组场调车。XQG45-600P的框架是基于一种传统的内燃机车（Chen W.， 2013）。

1  氢能源调车机车结构

试验氢能源调车机车与普通铁路机车一样，由机械和电气两部分组成。具体组成部分见表1。

根据表1所示，整个系统包括供氢系统（储氢罐、PEMFC电板、管道）和动力系统（电池组、牵引逆变器、永磁同步电动机）。列车启动时，9个35MPa碳纤维钢瓶中的氢通过管道和压力调节阀供给燃料电池氢气（Chen W.， 2013）。质子交换膜燃料电池将氢转化为水，产生电能，从而为牵引式逆变器发电。运行状态下的PEMFC和电池组的温度高达80°C（Chen W .，2013）。牵引逆变器将直流电（DC）转换为三相交流电（AC），以供给牵引电机。该机车的驱动系统由四个主要的子系统组成，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、冷却子系统、氢气瓶列阵和牵引电机，如图1所示。

从图1可以看出，燃料电池动力调车机车最大的部件是氢气瓶列阵。储氢装置由9个35兆帕的碳纤维钢瓶组成，能够储存约23千克压缩氢气（Chen W.， 2013）。Chen（2013）还提到，每个氢气瓶工作压力为50MPa。当压力超过80MPa时，高压安全阀（HPSV）会释放氢气以避免氢气爆炸（Chen W.， 2013）。因此，如果HPSV无法工作，氢气的超压可能会导致氢气瓶破裂，增加氢气泄漏的可能性。车辆顶部有两个通风机和一个通风口 PEMFC模块顶部安装了氢探测器，主要用于检测机车内部的氢气泄漏。笔者对目前元器件布置的安全性进行了评估，如表2所示。

2  氢气储存方式与风险

众所周知，氢可以以不同的方式储存，如气态氢、液氢和金属氢化物，大多数氢燃料铁路车辆使用在储存在氢气瓶中的压缩氢，例如BNSF的燃料电池调车机车（Hess K S， 2008）和NE的实验轨道车（Taketo F， 2006）。在XQG45-600P中，35MPa高压氢气瓶中有9个安装在机车本体内，氢气瓶阵列安装在机车中部。同时，PEMFC、电池组和逆变器安装在氢气瓶阵列旁边。根据笔者的理解，上述XQG45-600P的布置是为了减小对机车重心的影响。然而，在安全方面，XQG45-600P氢气瓶阵列布局可能会导致严重的事故，这是因为氢气可能会聚集主隔间等限制区域，从而增加爆炸的可能，尤其是当泄漏的氢气接近电气设备时。同时，氢气燃烧会形成向上的火焰，燃烧机车的内部设施，如氢气瓶列阵上方的通风机或安装在PEMFC上的锂离子电池。由于目前氢气瓶安装位置在车辆中部，可能会导致发生这种事故的风险增加。例如，在储存装置中，如果氢气瓶阵列底部氢气着火，火焰会向上燃烧所有的氢气瓶。此外，持续的大火可能会损坏周围的设施，比如PEMFC和电池组。由于PEMFC在工作阶段需要使用氢来发电，所以，如果火焰蔓延到PEMFC，可能会导致另一次爆炸或更大的火灾事故。因此，作者建议采用车顶线性存储方式，比如使用摆放在车辆顶部的1X9列阵，而不是使用当前XQG45-600P采用的3×3列阵。氢气瓶的顶部线性储存是比较理想的，因为它允许泄漏的氢气向上扩散。此外，沿着车顶线性摆放氢气瓶可以使脱轨和碰撞等事故造成损害的可能性降到最低（Hess，2010）。XQG45-600P采用35mpa氢气瓶。

如Rodionov（2010）所述，储氢供应系统由氢气瓶、管道、高压安全阀（HPSV）、减压阀和压力调节阀组成。每个组件的功能如表3所示。

根据Kesheng（2014）所说，如果火灾发生在氢气瓶上，热量会传到消防设备，消防设备会在温度过高时（600°C）释放氢气。Kesheng（2014）提到，如果火灾发生在图2中的红色区域，热量将缓慢传递到消防设备处。

在这种情况下，消防设备可能会达不到足够的热量，从而不能及时释放氢气。同时，氢燃料箱表面可能因过热而破裂（800°C）（Kesheng，2014）。泄漏的高压氢气和瓶内发生的火灾会引起严重的爆炸（损坏探测面积为30米）。

通过对上述对氢气储存系统的研究，笔者对储氢系统的潜在风险评估如表4所示。

3  事故分析

如果釋放的氢气在一个开放的区域被点燃，氢气会形成向上的火焰，不会对机车造成任何可见的损坏。这是好的，因为燃烧时机车附近的温度不会过热，机车的部件也不会损坏。如果受影响区域的氢浓度相对较低，即使在开放环境中发生火灾，氢气也不会爆炸。然而，如果在短时间内发生大量的氢气溢散，则会由于氢气浓度高而引起爆炸。特别是在封闭的空间，例如在隧道中，氢气的密度可以超过18.3%，由于氢气不能自由逃逸，所以会在封闭空间的顶部聚集。如果发生火灾，这可能会导致严重的爆炸。

4  结论

使用环保的氢燃料列车可以减少铁路对石油燃料的依赖。然而，作为一种新型的交通工具，大多数氢能源驱动的列车没有投入商业使用。因此，在现代铁路市场上，需要对氢能源列车的风险进行评估。

作者推荐在车顶线性摆放1X9氢气瓶，而不是使用当前XQG45-600P采用的3X3氢气瓶列阵。这是由于在泄漏的情况下氢气会向上消散，所以采用顶部流线式贮存方式更为可取。 作者推荐直接在通风口下方安装质子交换膜燃料电池。在这种组件布局中，由于氢气的浮力，燃料电池泄露出的氢气将直接进入通风出口排放到外界。否则，释放的氢气可能会堆积在机车XQG45-600P的密闭区域。

参考文献：

[1]Rodionov， A. （2011）. Risk assessment of hydrogen explosion for private car with hydrogen-driven engine. International journal of hydrogen energy， pp. 2398-2406.

[2]A Hoffrichter， P. F. （2014， 3 15）. Performance evaluation of the hydrogen-powered prototype locomotive ‘Hydrogen Pioneer’. Journal of Power Sources， pp. 120-127.

[3]Abdel-Aal， H. （2005）. a new approach to utilize hydrogen as a safe fuel. international journal of hydrogen energy.

[4]Chen， W. （2013）. System integration of China’s first PEMFC locomotive.

[5]Department of Energy. （2009）. Fuel Cells for Transportation. U.S.： Department of Energy.

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