停车场内氢能客车氢泄漏爆炸事故及风险分析

陈国华 谢沐霖 张强 李戈良

（1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.广东省安全生产科技协同创新中心，广东 广州 510640）

氢作为新兴能源，其发展仍处于初级阶段。为了便于统一管控和使用，目前氢燃料电池汽车主要为氢燃料电池客车［1］。而氢燃料电池客车的储氢量大，其诱发事故的潜在风险更大［2］，为确保氢燃料电池客车运行的安全可靠，针对氢能客车开展氢泄漏扩散以及氢气云爆炸的安全性研究具有重要意义。

目前已有学者使用CFD软件对氢燃料电池汽车的氢气泄漏扩散行为进行研究，主要探讨封闭或半封闭空间内的氢燃料电池汽车发生氢气泄漏后氢气云的分布特性，并分析空间内容易发生气云积聚的区域。Shu 等［3］通过数学模型研究泄漏角度、泄漏速率和环境热分层现象对氢气射流运动轨迹的影响，提出了一种无量纲的氢气射流轨迹预测模型，预测事故后氢气射流的扩散特性；Ehrhart等［4］通过HAZOP 方法研究确定某修理厂中氢能汽车氢泄漏相关的危险场景，构建该危险场景的三维模型，分析了氢气泄漏位置以及通风条件对氢扩散行为的影响，通过对比现行消防规范要求，提出减小潜在危险的通风建议；Shen等［5］运用FLACS软件研究了氢能汽车热泄压装置（TPRD）失效诱发的不同孔径氢泄漏扩散行为，结果表明大孔径泄漏后在整个易燃区域中形成较大的氢浓度，容易导致更严重的意外后果；Huang 等［6］构建了实际大小的地下停车库三维模型，分析了氢气泄漏和扩散行为，研究表明泄漏后氢气浓度沿天花板分布不均匀，墙角对远场氢浓度分布没有显著影响，车库角落设置通风口的通风布局可以更迅速地去除氢气；Salva等［7］研究了氢能汽车发生氢泄漏后，机舱通风流量对氢气扩散行为的影响，分析了车内不同部位的氢浓度分布，提出了通风布局、氢气探测器放置的优化建议。

除了数值模拟研究外，一些学者对氢燃料电池汽车的氢气泄漏特性也进行了研究。由于氢气的易燃易爆特性，学者们使用与氢气物理特性相近的氦气进行泄漏扩散实验，进而预测封闭空间中的氢扩散行为。Chen等［8］在一个缩小的地下停车场模型中开展了非预期氢释放的研究，使用氦气代替氢气，分析了氦气泄漏后停车场中不同位置的氢浓度分布，实验结果提出了大型受限空间中氢浓度传感器的布置建议。

氢气云爆炸研究则主要集中在加氢、制氢以及大型储氢设备发生氢泄漏进而诱发氢气云爆炸事故方面，研究爆炸超压以及火灾热辐射对周边环境的影响［9］。Tanaka等［10］在密闭储藏室中研究了氢气以恒定速率泄漏后的氢气云分布特性，并构建了加氢站的全尺寸模型，开展了氢气泄漏扩散和爆炸实验，结果表明在加氢机位置发生8 mm 泄漏孔径的氢气泄漏后形成的氢气云浓度更高，爆炸后产生的爆炸超压受点火位置、点火时间的影响最为明显。Kim等［11］运用FLACS软件，基于不同泄漏压力和不同泄漏孔径条件，开展加氢站的氢泄漏行为的数值模拟研究，分析了爆炸压力的分布特征及爆炸方向性，提出了一套加氢设施系统的安全配置，确定允许超压下的安全距离。Middha 等［12］开展隧道内氢气车辆的爆炸风险研究，分析了不同隧道布局和不同通风条件下氢能汽车和氢能巴士的氢泄漏扩散行为特性，结果表明相对于传统假设化学当量比均匀混合可燃气云的爆炸后果，非均匀混合的可燃气云爆炸后形成的爆炸超压更小，显著降低了传统风险评估预测的危险。Merilo 等［13］研究了车库中汽车的存在对氢气云爆炸后果的影响，结果表明氢可燃气云能够通过汽车上的气隙扩散到客舱和发动机舱。氢可燃气云的爆燃不会使车辆或其任何部件着火，但爆炸冲击波会使得车辆变形、车窗破碎。

氢能客车作为交通工具，其出现的主要场所为道路以及停车场。目前已有学者研究隧道内的氢燃料电池汽车发生碰撞后导致氢气泄漏以及爆炸的事故后果，结果表明相对于开阔的道路，在半密闭空间的隧道内发生氢气泄漏爆炸的事故后果更严重［14］。相对于隧道，氢能客车更常见的场所是停车场或者公交车站，大多数停车场和公交车站都是封闭或半封闭空间，氢燃料电池汽车一旦发生泄漏，氢气不易扩散到外界，发生火灾以及爆炸的风险会更大［6］。目前针对大型客车停车场等半封闭场景中氢气的泄漏爆炸特性研究较少，为此，本研究采用FLACS软件研究停车场内氢能客车的氢泄漏扩散行为，分析车载氢系统中TPRD 装置以及输氢管道上的减压阀失效导致氢泄漏扩散以及诱发氢气云爆炸的事故后果，为氢能客车氢浓度传感器的布局以及大型氢能客车停车场的规划建设提出合理建议；根据最严重事故后果的最大爆炸超压确定事故的危险区域范围，结合事故发生概率，预测停车场内的氢燃料电池汽车发生氢泄漏爆炸事故的风险，评估停车场内氢能客车发生氢泄漏的安全性。

1 氢能客车氢泄漏爆炸数值模拟

1.1 客车停车场模型的构建及网格划分

根据《城市道路公共交通站、场、厂工程设计规范》（CJJ15—2011 T）的要求，设计简单的客车首发站停车场。该停车场尺寸为46m×32m，围墙高2.6m；停车场内办公楼尺寸为6.82m×5m×7m，绿化带尺寸为35m×4m，路灯位于绿化带内，高度为10m；停车场内设有12个客车停车位，并假设停车位上均停放着氢能客车。客车模型参考目前已投产使用的某氢能客车，尺寸为10m×2.5m×3m，其车载储氢瓶位于客车顶部，储氢系统由6个储存压力为35 MPa、容量为140 L 的车载储氢瓶组成，相邻客车的间距为1m，停车场模型如图1所示。

图1 客车首发停车场三维模型Fig.1 3D model of bus starting station

考虑到停车场模型较大，通过对比不同网格大小的泄漏扩散数值模拟结果，根据FLACS 软件用户手册［5］，泄漏模块中网格划分建议1~1.5m 的网格尺寸用于高度大于8m 的三维模型。由于停车场模型高度（10m）大于8m，核心区域网格尺寸大小应选择1~1.5m。通过开展相同工况下核心网格尺寸为1.00、1.25、1.50m 的氢泄漏扩散数值模拟，在泄漏源附近的某监测点的最大氢气含量（体积分数，具体为氢气在空气中所占的体积比，下同）［5］分别为0.068、0.075、0.071，最大误差约为10%，如图2所示。同时，通过孔隙度分析发现核心网格尺寸为1.00m的孔隙度更高，计算结果更准确，因此最终选取核心网格的尺寸为1.00m。

对泄漏点附近的网格进行加密。考虑到氢气会扩散到车站以外的区域，模拟计算的区域需要大于车站的三维模型，如图3所示。最终网格划分的整体范围为+X方向40m、+Y方向65m、+Z方向11.2m，其中核心区域为车站停车区在X、Y、Z方向上的投影，其他区域则为延展网格区域，可用于模拟氢气在远场中的扩散。

图3 客车首发停车场三维模型的网格划分Fig.3 Grid of 3D model of bus starting station

1.2 氢泄漏爆炸事故条件设置

高压氢气泄漏后的扩散特性受泄漏位置、泄漏孔径、泄漏速率、泄漏方向、环境风以及周边环境的影响。通过查阅文献和现场调研，氢能客车TPRD 和输氢管道上的阀门失效可能会造成严重的事故后果［15］，因此重点研究TPRD 以及输氢管道阀门失效导致的氢泄漏扩散事故。由于TPRD 位于储氢瓶附近，因此研究TPRD 失效导致氢泄漏时，将泄漏位置设置在客车顶部，泄漏位置为（25m，20.5m，3.6m）处，泄漏方向为+Z方向，其位置如图4（a）所示；研究输氢管道阀门失效导致氢泄漏时，由于燃料电池电堆在客车后下方，因此泄漏位置设置在客车底部，泄漏位置为（25m，20.5m，0.6m）处，泄漏方向为-Z方向，其位置如图4（b）所示。

图4 氢能客车氢泄漏方向Fig.4 Leakage orientation of hydrogen fuel bus

对于泄漏孔径，考虑到部件不同泄漏孔径的失效频率，选取失效频率较大的3种孔径分别为2、4和10 mm［16］。每个储氢瓶压力为35 MPa 且容量为140 L，输氢管道上的最大压力为2 MPa，考虑TPRD 和输氢管道阀门失效后发生氢泄漏的泄漏速率会随压力的下降而逐渐减小。研究10 种不同的泄漏工况，具体参数设置如表1 所示。对于TPRD失效泄漏，当泄漏孔径分别为2、4和10 mm时，其相应的初始泄漏速率为0.04、0.17和1.07 kg/s，然后随时间衰减，最终完全泄漏的时间分别为232.5、84.5和94.5s；对于输氢管道阀门的失效泄漏，假设泄漏量为140 L，当泄漏孔径分别为2和4 mm时，相应的初始泄漏速率为0.002 和0.01 kg/s，最终泄漏时间为219.5 和52.5 s。其中，假设案例Ⅸ为最严重的泄漏场景，考虑储氢系统中6个储氢瓶内的氢气全部泄漏，泄漏孔径为10mm。

表1 氢能客车氢泄漏的参数设置Table 1 Leakage scenario setting of hydrogen fuel bus

对于环境初始条件，考虑到泄漏后氢气扩散迅速，若环境风较大会使得氢气含量迅速下降，不利于分析氢气泄漏扩散特性以及后续的气云爆炸研究，参考我国已投放使用氢能客车某城市的天气，其年平均风速为2.2 m/s，且停车场周边建筑物对环境风有一定的阻挡作用，最终选择环境风速为1 m/s。同时，为保守估计氢泄漏扩散以及爆炸后果，将环境风风向设置为朝向停车场办公楼，环境风向分别为-Y、-X。环境温度为20 ℃，环境压力为0.1 MPa，大气稳定度为稳定（F）。

针对数值模拟输出控制，由于泄漏后期氢可燃气云含量过低，不利于分析氢气扩散特性，结合各泄漏孔径下氢气完全泄漏的时间，将模拟时间设置为70 s，模拟结果输出的时间间隔为1 s。氢泄漏扩散模拟时每10 s输出一次可燃气云数据，用于后续氢气云爆炸的数值模拟。

为验证FLACS 软件计算泄漏速率以及泄漏时间的准确性，选用参考文献［5］中所述的，在储存压力为35 MPa、容量为171 L 的储氢罐中发生泄漏孔径为4.2 mm 的氢气泄漏事故进行分析。其氢气完全泄漏的时间约为108 s，而同样的氢泄漏场景在FLACS中进行计算，得出氢气总泄漏时间为96.5 s，两者结果的误差为11%。FLACS软件是基于理想气体状态方程前提下进行氢泄漏模拟计算，参考文献［5］的高压氢泄漏实验，泄漏过程中与空气中尘埃和杂质的摩擦作用会损失部分动能，所以相较于氢泄漏实验，氢泄漏数值模拟的泄漏速率更大，在泄漏量相同的情况下泄漏时间更短。

1.3 数值模拟结果与分析

1.3.1 泄漏孔径对泄漏扩散的影响

泄漏孔径的大小影响氢气的泄漏速率以及泄漏时间，进而影响氢气的泄漏扩散特性。由于泄漏后氢气扩散速度快，空间中氢气含量较低，为了更直观地观察氢泄漏扩散行为，选取氢气含量范围从0.02到0.04。图5（a）表示在不同泄漏孔径下TPRD发生泄漏15 s 后氢气云的分布情况。在泄漏初期，由于氢气的泄漏速率可达697.4 m/s（0.17 kg/s），而环境风速为1 m/s，因此环境风的作用效果不明显，氢气泄漏后竖直射向停车场的顶棚，受到顶棚的阻碍作用后氢气云开始朝四周呈圆形扩散。高压射流氢气碰到顶棚后速度迅速减小，顶棚上的氢气云受环境风的影响明显，会随着环境风的方向扩散，如图5（b）所示。在相同泄漏条件下，若无环境风的作用，氢气接触顶棚后在顶棚的阻碍作用下氢气云始终呈圆形向四周扩散，氢气含量从圆心到边缘逐渐降低，随着泄漏的持续，氢气云分布面积逐渐减小，如图6所示。

图5 氢能客车TPRD 失效后发生不同孔径氢泄漏的氢气云分布情况Fig.5 Vapor cloud distribution of hydrogen leakage with different apertures after TPRD failure of hydrogen fuel bus

图6 氢能客车TPRD 失效后发生氢泄漏的氢气云分布情况（无环境风）Fig.6 Vapor cloud distribution of hydrogen leakage after TPRD failure of hydrogen fuel bus （no wind）

总体来说，规格为140 L、35 MPa 的储氢瓶上发生TPRD 失效导致较小孔径的氢泄漏事故后，由于环境风加速扩散和停车场顶棚阻碍作用，2 和4mm 的孔径泄漏后的最大氢气含量分别为0.16 和0.28，且泄漏后氢气扩散迅速，大部分区域氢气的含量为0.04~0.16，该含量靠近氢气的可燃下限含量，诱发爆炸的风险较小。

有研究表明，空气中氢的最大可检测含量极限为0.11~0.59［17］，而泄漏后形成的氢气含量较低，如果氢传感器安装位置不合适，则无法准确迅速探测出氢气的泄漏。通过上述分析可知，氢能客车应在储氢瓶的TPRD 装置附近安装氢传感器。对于停车场的氢传感器，氢能客车顶部发生氢泄漏后氢气云会在停车场顶棚积聚，氢气云团中心的含量最高，而储氢瓶一般位于客车的后上方，因此可在各个停车位中心偏后位置对应的顶棚上安装灵敏度高的氢传感器，以提高实时监测停车场内氢气泄漏的精准度，感知氢气泄漏并发出警报，帮助工作人员迅速采取应急措施。

1.3.2 环境风对泄漏扩散的影响

氢气的质量轻、密度小，环境风的存在会显著影响氢气的扩散。通过对比图5（a）与图5（b）中的案例Ⅰ、案例Ⅲ和案例Ⅱ、案例Ⅳ，氢气泄漏后的15 s到35 s内，在环境风速同为1 m/s 的情况下，环境风向平行于停车场的纵向时（风向为-Y方向）对泄漏初期的氢气云分布影响不大；而环境风向垂直于停车场的纵向（风向为-X方向）时氢气云团的扩散受环境风的影响较大。在环境风的影响下，氢气云团会明显沿着顺风的方向扩散，氢气云团的含量也下降得更快。上述现象是由于环境风向平行于停车场的纵向（风向为-Y方向）时，环境风与氢气云团的接触面积更小，且由于顶棚与氢气云团接触后摩擦力的作用，顶棚对氢气云团扩散具有阻挡作用，环境风无法在短时间内把氢气吹离停车场顶棚，如图7所示。同样原理，当环境风向垂直于停车场的纵向（风向为-X方向）时，一方面由于环境风与氢气云团的接触面积增大，另一方面由于停车场顶棚横向长度较短，顶棚对氢气云团扩散的阻挡作用也减小，在两者的共同作用下，环境风在短时间内降低了氢气云团的含量。综上所述，环境风向和停车场的朝向都会影响到TPRD 失效后的氢泄漏事故后果，在修建氢能客车停车场时要考虑环境风的影响。参考当地的常年风向，停车场的纵向应尽量与当地的常年风向垂直，从而有效降低停车场内氢能客车发生氢泄漏后的氢气云团含量，降低发生氢火灾爆炸事故的风险。

图7 环境风平行于停车场纵向时氢泄漏的氢气云分布情况Fig.7 Distribution of gas cloud of hydrogen leakage when the ambient wind is parallel to the length direction

1.3.3 输氢管道失效的氢泄漏扩散特性分析

输氢管道的压力为2 MPa，在泄漏孔径以及泄漏量相同的情况下，其泄漏速率较TPRD 失效后的泄漏速率要小。为了更直观地观察客车底部输氢管道阀门失效后氢气云团的扩散行为，图8选取氢气含量量程为0~0.02。

图8 输氢管道阀门失效导致氢泄漏的氢气云分布情况Fig.8 Distribution of gas cloud of hydrogen leakage caused by valve failure of hydrogen transmission pipeline

在泄漏后的前5 s，由于泄漏的初始速率较快，泄漏出来的氢气主要积聚在汽车底部，当泄漏到15 s 时，氢气云团开始有明显向上方扩散的趋势，并且氢气含量逐渐下降，最终随着泄漏时间的延长，在环境风作用下，氢气云团扩散到停车场顶棚后开始沿着停车场的纵向（-Y）扩散，直至含量下降为0。虽然客车底部发生氢泄漏后会有更多的氢气云团覆盖在客车周围，但是整个泄漏过程的最大氢含量约为0.02。该含量低于氢气的爆炸浓度下限，所以该泄漏情况下发生氢气爆炸的风险会更低。

1.4 氢气云爆炸数值模拟

1.4.1 点火位置的选择

由于输氢管道阀门失效后导致氢泄漏事故的氢气云含量小于氢气爆炸极限浓度，无法点燃诱发氢气云爆炸事故，本部分重点研究TPRD 失效导致氢泄漏的氢气云爆炸事故后果。为确保氢气云团能被点燃，点火位置选择氢气云含量较高区域［18］，通过对比不同高度平面上氢可燃气云的分布，发现在不同泄漏时间下，高度为6.827 m 处的氢可燃气云含量最大，且各浓度梯度明显，因此基于此高度在泄漏点附近区域内选取合适的点火位置，研究不同点火工况下氢气云爆炸特性。由泄漏结果可知，泄漏前10 s 的泄漏量小且氢气云分布范围较小，10 s 后氢气云分布趋于稳定，氢浓度传感器更容易检测到氢气泄漏，因此假设氢泄漏后切断氢气泄漏的时间至少为10 s，在此基础上研究氢气云爆炸特性。最终点火位置的选择如表2所示，选取的泄漏场景为案例Ⅳ。

表2 不同泄漏时间下点火位置的选择Table 2 Selection of ignition positions under different leakage time

1.4.2 数值模拟结果与分析

对上述不同点火位置下的氢气云爆炸场景进行数值模拟，氢气云爆炸对人员与建筑的主要伤害模式是爆炸冲击波，重点关注不同点火时间下爆炸超压的分布以及爆炸所产生的最大爆炸超压。不同点火位置下的爆炸超压数值模拟结果如表3所示。

表3 不同点火时间下的最大爆炸超压Table 3 Maximum overpressure at different ignition time

由于在点火位置相近的情况下氢气云含量越大，点燃后产生的爆炸超压也越大，所以选取表3中场景1 点火场景的数值模拟结果进行分析，如图9所示。

图9 TPRD失效后导致氢泄漏氢气云爆炸的最大超压分布Fig.9 Maximum overpressure distribution of leakage gas cloud explosion after TPRD failure

由于环境风的作用以及氢气的快速扩散特性，氢气云团点燃后爆炸超压也会从点火位置向四周呈球形扩散传播，但受到停车场顶棚和客车车顶的阻碍作用，爆炸超压在两者之间反射叠加［19］，最终在客车顶部和停车场顶棚出现明显的爆炸超压聚积。由于氢气云团含量较小，以上氢气云爆炸场景中最大爆炸超压值约为1.9 kPa，且最大爆炸超压的作用区域也较小。爆炸冲击波对人员造成轻伤的阈值为10 kPa，所以泄漏孔径为4 mm 的TPRD 失效泄漏后的氢气云团引发氢气云爆炸产生的爆炸冲击波对周边人员和建筑的破坏作用很小。

对于最危险的泄漏场景案例Ⅸ，同样选取合适的点火位置，点火位置处的当量比为0.8，不同点火位置下的爆炸超压数值模拟结果如表4所示。

表4 不同点火时间下的最大爆炸超压（案例Ⅸ）Table 4 Maximum overpressure at different ignition time（CaseⅨ）

由于泄漏初期的泄漏速率快，相同时间下泄漏初期的氢气泄漏量更大，如图10（a）所示。其次，环境温度不变的情况下，氢气的扩散速率变化不明显，随着泄漏速率的下降，氢气云团的含量会随着泄漏时间的延长逐渐下降，所以泄漏初期点火后产生的爆炸超压最大，约为12.38 kPa。最大爆炸超压的作用范围为4 m2，出现在车辆顶部，如图10（b）所示。

图10 最严重氢泄漏场景下的氢气云含量分布以及最大爆炸超压分布Fig.10 Gas cloud distribution and maximum overpressure distribution under the most fatal leakage scenario

2 风险评估

2.1 氢泄漏点火概率

本部分考虑将静止过程中的部件失效概率总和作为氢泄漏概率。氢能客车在静止情况下会引发氢泄漏事故的关键部件有TPRD、输氢管道上的减压阀以及氢气储罐。目前还没有关于氢能源汽车TPRD 故障的相关数据统计，但在非电子零部件可靠性数据库（NPRD）中，将泄压装置（PRD）的随机失效概率确定为6.04×10-3次/年。在FireComp 风险评估项目研究中，考虑火灾事故导致的TPRD 失效概率时，是使用NPRD 数据库中的泄漏失效概率6.04×10-3次/年为基础，通过实验结果对该基础失效概率进行修正［20］。研究停车场内氢能客车的氢泄漏事故概率时，由于静止状态下的氢泄漏概率较低，故最终选用6.04×10-3辆/年作为TPRD 的泄漏失效概率。

输氢管道是供氢系统的重要组成部分，输氢管道将储氢瓶内的氢气通过减压阀降压后输送到燃料电池中，由于氢能客车中输氢管道较长且与管道相连的安全阀件较多，所以同样容易发生部件失效进而导致氢泄漏事故。针对输氢管道的部件失效概率，主要可分为输氢管道泄漏失效以及安全阀件的失效，由于目前氢能客车的事故数据缺乏，部件的故障概率和频率选自海上石油、过程化学和核电行业的通用泄漏数据［20］。选取输氢管道的泄漏概率值为4.57×10-6次/年，安全阀件泄漏概率值为5.71×10-3次/年。由于停放状态下氢能客车的各关键部件的泄漏概率较小，几个部件同时失效的场景不太可能发生，所以假设每种部件都是单独失效，停放状态下氢能客车发生氢泄漏事故的总概率用式（1）计算。

式中，FL为泄漏的总概率，PTP为TPRD 失效概率，FC为氢系统其他部件的失效概率。

由于TPRD 的失效概率为6.04×10-3次/年，输氢管道的泄漏概率值为4.57×10-6次/年，安全阀件的泄漏概率值为5.71×10-3次/年，所以氢能客车氢泄漏的总概率的计算如式（2）所示：

根据《SAND2009-0874》［20］，氢气点火概率可从两个项目的研究结果中获得。由于氢泄漏场所为半封闭空间的停车场，发生氢泄漏事故后空间内压力变化不明显，因此受压力影响的氢点火概率预测不适用。重点关注泄漏后发生氢气云爆炸的概率，所以选择不同泄漏速率下的氢延迟点火概率作为氢点火概率（PIG），最终氢泄漏点火概率（P）的计算如式（3）所示：

式中，PIG，1为TPRD在不同泄漏速率下的点火概率，PIG，2为氢系统其他部件在不同泄漏速率下的点火概率。

2.2 爆炸风险计算

针对氢气泄漏扩散以及氢气云爆炸事故，事故后果的表现形式主要体现在氢可燃气云含量分布以及氢气云爆炸后的爆炸超压分布。多数情况下，冲击波的破坏伤害作用是由超压引起的。通过分析氢气云爆炸数值模拟结果得到最严重事故场景下的最大爆炸超压以及最大爆炸超压的分布范围，确定氢气云爆炸危险距离内的区域，结合事故的发生概率预测氢能客车发生氢泄漏爆炸的风险。

潜在伤害人数用式（4）计算［21］：

式中，N0为事故地点的人口密度，Aeffect为危险距离内的区域面积。查询中国已经投放氢能客车的某城市人口密度，通过计算得到N0约等于0.021 人/m2。根据前文的数值模拟结果，选取爆炸超压最大的氢泄漏场景进行风险计算，根据最大爆炸超压的分布确定氢气云爆炸后危险区域范围Aeffect为4 m2，则该区域潜在伤害人数计算如式（5）所示：

参考爆炸超压伤害死亡概率模型，考虑到停车场内为半封闭空间，选用TNO-Structure Collapse 超压死亡伤害概率模型。根据氢气云爆炸的数值模拟结果，停车场内氢能客车发生氢气泄漏最危险场景下发生气云爆炸后的最大爆炸超压为12.38 kPa，并且通过分析结果可知，最大爆炸超压的作用时间为21.5 ms，根据式（6）、（7），利用Probit模型计算死亡伤害概率［22］，最终用式（8）计算死亡伤害概率（Pf）。

式中，Ps为超压峰值，i为超压冲量，V为热剂量，ϕ为标准正态分布函数。

综上所述，停放状态下氢能客车发生氢泄漏爆炸死亡风险用式（9）计算：

根据已有研究，社会人员的风险可接受水平为1.0×10-5次/年［21］，经计算，在该停车场下氢能客车发生氢泄漏后诱发氢气云爆炸的死亡风险近似为3.64×10-7次/年。由于氢能客车相关部件的可靠性比石油化工行业的相关部件可靠性更高，真实的零部件失效概率会更低，所以相应的风险水平也会更低。综上所述，该停车场停放的氢能客车发生小孔泄漏爆炸事故风险较小。该停车场内氢能客车的氢泄漏诱导氢气云爆炸事故的风险在可接受范围内。

2.3 爆炸风险防控建议

停车场内氢能客车发生氢泄漏爆炸事故是车载氢系统部件失效导致氢气泄漏，并与空气预混后点火而引发的。结合风险计算结果，该停车场内氢能客车的氢泄漏诱导氢气云爆炸事故风险在可接受范围内，为进一步提升停车场的安全水平，从降低事故发生概率、减小事故后果两方面入手提出风险防控建议。

（1）对于降低事故发生概率，停车场内氢能客车发生氢泄漏爆炸的主要伤害源自爆炸产生的超压冲击波，因此停车场内应禁止烟火，杜绝点火源，从而降低停车场内的点火概率；其次是在停车场内停放的氢能客车需通过氢排放检测，氢排放达标后方可进入停车场，以降低发生氢泄漏的概率。

（2）对于减小事故后果，停车场在规划建设时可考虑停车场的纵向与该地区的常年风向相垂直，停车区域应布局在该地方最小频率风向的上风侧，以便氢能客车发生氢泄漏后氢气的扩散，从而迅速降低氢气含量，避免气云堆积诱发氢气云爆炸事故；停车场内空气流通差的区域可增设防爆排气扇，停车区域应布局在该地方最小频率风向的上风侧，防止停车场内氢气的积聚；其次是在停车场内氢能客车的停车区域上方增设氢含量传感器，提升氢气泄漏监测的准确性，便于迅速采取应对措施，减小事故后果；停车场的停车区域应尽量远离办公区域，无关人员不得进入停车场，以减少可能受事故伤害的人员数量。

3 结论

本文对一个长64 m、宽32 m的客车停车场进行氢泄漏爆炸和风险分析，氢泄漏的场景为TPRD 失效和输氢管道阀件失效导致小孔泄漏；同时考虑泄漏速率随时间的变化，研究了3 种泄漏孔径、3 种泄漏方向以及两种环境风向对氢泄漏以及氢气云爆炸事故后果的影响，得到的主要结论如下。

（1）停车场内氢能客车发生氢泄漏事故后氢气会迅速扩散，泄漏源附近的氢气云含量最高。环境风向和停车场顶棚的长度方向会影响氢泄漏后的氢气云分布，当环境风向与停车场顶棚长度方向垂直时最有利于氢气的扩散。停车场内障碍物的存在有利于氢气的积聚，由于氢气自身扩散性强，发生小孔泄漏后的氢气云团整体含量较低，点火引发氢气云爆炸后的爆炸冲击波威力较小，在最严重的泄漏场景下最大爆炸超压约为12.38 kPa。

（2）通过预测停车场内氢能客车的氢泄漏概率，结合氢泄漏爆炸数值模拟结果开展停车场内氢能客车的风险评估，计算得出停车场内氢能客车在最危险氢泄漏爆炸场景下的死亡风险水平近似为3.64×10-7次/年，小于社会人员的风险可接受水平，因此，该停车场停放氢能客车发生氢小孔泄漏爆炸事故的安全风险在可接受范围内。

（3）符合规定的前提下，在氢能客车储氢瓶TPRD 装置附近以及停车位中间偏后对应的顶棚位置上安装灵敏度高的氢传感器，以提高实时监测氢气泄漏的灵敏度；规划建设停车场时停车场纵向建议与该地区的常年风向垂直，停车区域应布局在最小频率风向的上风侧，以便氢泄漏后氢气的扩散，迅速降低氢气含量，避免氢气云堆积诱发爆炸事故。