text: 氢安全系列之三十七：室外非点火氢气释放
  从这一期开始会进入一个新的阶段。在这个阶段我们会系统性的介绍氢安全的基础知识和基本防护技术。
  先来捋一捋。首先从安全角度，氢气的一个显著特性是氢的易燃易爆性。氢安全的一个重要目标是防止氢气起火和爆炸。而爆炸发生有三个要素，即可燃性物质，氧化剂（氧气）和点火源，三要素缺一不可。
  图片：爆炸三要素（图片：自制）
  在很多情况下，完全避免爆炸三要素一起出现非常困难，但是如果可以控制空气中爆炸性物质的浓度在爆炸浓度下限(LEL或LFL)以下，或者使氧浓度足够低，或者控制电火源(火花)可能出现的最大能量不超过爆炸性物质的最小点火能量(MIE)也可以实现防爆的目的。
  图片：氢的爆炸下限/炸上限与最小点火能量（图片来源:http://www.hazardousareas.net）
  涉氢的应用场景中，氢（氢气或液氢）都是被限定在密闭的空间，包括储罐，管路和反应容器（比如燃料电池的电堆和电解槽）中，氢的状态可能是高压气态或超低温液态。一般情况下密闭空间都是排除氧气的，因此不会发生爆炸。在两种异常情况下可能发生爆炸，一是有氧气渗入储罐，管路或容器内部，二是氢气泄漏到外部大气环境中。由于储罐，管路或容器内部往往是高压的，系统正常运行时外部氧气不可能进入内部空间，氧气进入储罐，管路或容器内部往往是在系统启用前或停机时，所以一般涉氢系统在首次使用或停机后重启使需要使用惰性气体或氮气吹扫。相对而言，氢气泄漏到外部大气环境的可能性会比较高，一方面氢气的高渗透性，容易从阀门，管路连接处逸出，另一方面在故障状态下（比如管路密封失效，储罐破裂等情况）氢气也可能发生泄漏。
  在氢气发生泄漏的情况下，氢气被点火和没有发生点火的后果是完全不同的。在氢气泄漏到外部大气环境时，要防止氢气被点着而发生爆炸，一种方法是尽量避免周围环境中氢气浓度超过氢气的最小点火浓度，另一种方法是排除或控制环境中可能出现的点火源。
  这两种方法都可以避免氢气发生爆炸，但是降低浓度的措施应该是优先于排除点火源的措施的。因为从安全的基本原则来说，避免出现爆炸性的环境是首要措施，在不能完全排除爆炸性环境出现的可能性时，再采取排除点火源的措施的二级措施，避免点火，如果爆炸的可能性也不能完全避免，再采用避免爆炸伤害和减少爆炸损失的三级措施。
  图片：爆炸防护措施（图片：自制）
  按涉氢场地出现爆炸性危险环境的可能性，场地的不同区域可以分成不同的爆炸危险等级。不同爆炸危险分区的安全等级要求不同。
  另外氢气泄漏发生在室内和室外也有很大区别。
  所以这个阶段的文章主题将包括室外非点火氢气释放，点火源分析和预防点火的措施，室内氢气危险，防爆分区。此外氢气对人体的伤害阈值也将会有一篇专题文章介绍，氢气探测作为一个重要的氢安全技术也将会有一篇专题文章介绍。
  以上就是这个阶段的计划。
  第一篇文章是室外非点火氢气释放。
  对于氢气的意外释放，首要的问题是要尽量避免形成爆炸性混合气体环境。对于受限空间，要考虑的是不让氢气聚集，浓度超过爆炸浓度下限LEL（或LFL），对于开放性的空间，则需要考虑氢气喷射在空气中暂时形成的爆炸性混合气体空间的形状。（特别是长度以决定安全距离）
  氢气的释放大致可以分成两种类型，一种是渗透性泄漏，另一种是高压喷射。高压喷射释放又分为两种情况，一种情况是通过泄压保护装置(PRD或者TPRD)泄压，喷射的位置，方向是设计好的（安全释放），另一种是从非预期的位置喷射（意外释放）。
  按喷射的速度高压喷射释放也可以分为亚音速，音速和超音速喷射；按喷射的现象分为膨胀喷射和欠膨胀喷射(Expanded and under-expanded jets)；或者动量控制的喷射（momentum-controlled jet）和浮力控制的喷射（buoyancy-controlled jets）。
  以下是EIGA（2007）中总结的设备/部件或结构发生泄漏的可能类型。
  图片：泄漏类型
  不同场景下泄漏率（流量）相差很大，从渗透性泄漏的10^-5 g/s到高压氢气管道泄漏的10^5 g/s不等。
  对于渗透性泄漏，由于泄漏率非常小，在开放性空间往往没有危险，但是对于受限空间则需要考虑渗透率。一辆燃料电池车辆FCV在20°C时的渗透性泄漏的安全阈值是每升（储氢瓶容量）6mL/小时。对于170升的储氢瓶，换算的流量率是25.3 x 10^-6g/s。
  相比之下低压系统在故障下的泄露率要远大于渗透性泄漏，一个150kW的燃料电池内部低压管路破损泄漏流量率是大约3g/s。
  而一个2.5MPa，直径30cm的工业管道的流量率可以达到100Kg/s!
  一个35MPa储氢瓶通过直径5.08mm的PRD泄压的释放流量率可以达到390g/s。
  渗透性泄漏的流量率非常小，通常是均匀的从储罐表面逸出。渗透性流量率由温度，内部压力以及壁厚决定。逸出氢气的发散由三种现象驱动：上浮，扩散和自然通风。
  高压氢气的喷射气流可以是膨胀性的或者欠膨胀性的。对于相对低压的氢气系统，在喷嘴处的压力与大气压力相同，产生膨胀喷射气流。在更高的内部压力下，如果喷嘴处的压力还没有掉到大气压，则产生欠膨胀湍流气流，欠膨胀的气流在喷嘴出口处可以达到音速，在出口外逐渐降至常压，其特性与出口压力等于常压的膨胀性气流相差很大。
  图片：高压喷射气流示意
  按氢气喷射气流受上浮影响的情况可以分为三种情况，完全受动量控制的喷射气流（在动量消失后直接转向上浮），完全受上浮力控制的喷射气流以及在出口处受动量控制但是在气流速度减弱以后逐渐由上浮力控制的喷射气流。
  如下图水平喷射的气流形状所示。
  图片：动量控制或上浮力控制的喷射气流的形状
  从安全的角度，知道动量控制到浮力控制转换的时间是重要的，因为可以由此计算出安全距离。一般来说转换时间与喷嘴的方向，喷嘴的口径，喷嘴出口气流的速度相关。计算的原理和方法比较复杂，这里就不讨论了。
  了解了氢气高压喷射的类型（扩散性或欠扩散性；动量控制或浮力控制），我们就可以来讨论安全距离了。
  安全距离是场地安全设计的一个非常重要的指标，是一系列保护措施的基础。知道了安全距离，可以在涉氢场地的设计中留下足够的安全缓冲区：
  氢气高压喷射后，无论是哪种类型，喷射气流的压力和氢气浓度是逐渐衰减的。为了确定安全距离，需要预测和大致计算氢浓度高于LEL的爆炸性混合气团的形状。
  图片：高压喷射产生的爆炸性混合气团形状示意（黑色为扩散性喷射产生的气团，红色为欠扩散性喷射产生的气团。）
  要注意一下安全距离是要大于爆炸性气团的最远距离的，因为爆炸发生后可能会出现爆燃爆轰转换，火焰和爆炸的热冲击波也会超越爆炸性气团的范围。
  安全距离的具体计算原理和方法相当复杂，影响因素很多*，这里就不讨论了。一般情况下安全工程人员只需要根据一些初始条件通过各类安全标准查表即可获得。记住一点就好，安全距离与氢气管路的管径相关，因为管径决定了在最恶劣情况下泄漏点的口径，如果想减小安全距离，可以在可能的情况下尽量限制管径大小。
  *影响安全距离的因素有很多，主要包括危险的特性，场地和设施的设计和运行条件，保护的目标（人，环境，设施）等等。
  除了以上介绍的在氢气泄漏发生情况下的保护措施，氢气泄漏的预防也是非常重要的安全措施。通过预防措施增加系统和设备的可靠性，可以减少危险事件发生的概率。
  以下是一些常用的预防措施：
  *因为很多氢泄漏的灾难事故是在储氢系统外部先发生火灾或爆炸，导致储罐遭到火焰攻击或爆炸冲击而导致储罐失效，进而导致大规模氢气泄漏。所以防止爆炸性混合气体环境和排除点火源也可以被认为是预防措施。
  **涉氢系统的本质安全设计和设备的安全确认一般需要通过各种测试来进行验证，比如性能测试，环境测试，循环耐久测试等等。循环耐久测试可以依据生命周期的操作次数来确定，比如一个零部件生命周期预计有1万次的操作，那么可以进行5万次的循环耐久测试（这个数字只是打个比方，具体要看安全标准规定。）
  在氢气泄漏已经发生的情况下，可以通过缓解措施来缓解或降低事故后果的严重程度。
  常见的缓解措施包括:
  由于氢气无色无味，氢气传感器是涉氢场地和设备的重要安全器件。氢气探测技术和氢气传感器会有一个专题文章介绍。这里仅列举选择氢气传感器的原则作为参考：
  以上是这篇文章的主要内容，如果有兴趣，可以再看一下前期的事故分析文章，对于氢气泄漏事故就有更具体的认识。https://zhuanlan.zhihu.com/p/572608100
  这篇文章主要讨论的是室外的情况。室内出现氢气泄漏的情况相对来说更加危险，后面会有一篇专题文章介绍，不过这篇文章的一些原理也适用于室内情况。
  这些介绍仅是最基本的安全知识，如果读者看完有一种原来这么简单，我也行的感觉，那就是笔者的成功了，因为这个系列的文章的目的并不是炫耀专业知识，也不是针对专业人员，而是面向普通的工程人员或者工科学生的科普读物。所以这些文章都会尽量写的平实，尽可能的多做一些原因分析，希望读者在不需要深入学习的情况下，理解一个学科的基本原理，并且通过阅读锻炼思考和分析能力。
  实际的涉氢设备或系统的设计可能会非常复杂，比如一辆在室内使用燃料电池叉车，其泄压保活装置PRD或TPRD该如何设置，包括安装的位置和泄压的方向？假定氢燃料电池叉车的高压储氢瓶存储压力为35MPa，从泄压口到天花的距离是10米，那么泄压保护装置泄压喷嘴的口径应该是多少？储氢瓶的耐火性能该如何要求？
  这些问题才是专业的安全设计人员需要面对和解决的具体问题，而这些问题的解决需要扎实的专业知识和丰富的工程实践。这些问题的讨论不在这个专栏的计划范围。
  下篇文章将介绍在发生氢气泄漏的情况下如何避免火灾和爆炸的发生。
  Lecture note: Unignited hydrogen releases, their prevention and mitigation, HyResponse
  E book: Fundamentals of hydrogen safety engineering, Molkov, V (2012)
  注：本文图片如无特别注明，均来自以上参考资料。