氫能源列車風(fēng)險(xiǎn)評估分析

1、氫能源列車風(fēng)險(xiǎn)評估分析氫能源列車風(fēng)險(xiǎn)評估分析為了調(diào)查 XQG45-600P 機(jī)車用于商業(yè)運(yùn)營是否平安，作 者進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于鐵路車輛平安問題的研究，并調(diào)查了氫儲(chǔ) 存和供給的潛在風(fēng)險(xiǎn)。 2021 年， 中國首次推出氫能源調(diào)車機(jī) 車 ChenW.， 2021。本案例之所以選擇機(jī)車，是因?yàn)闄C(jī)車 的設(shè)計(jì)師提供了 XQG45-600P 的詳細(xì)參數(shù)。本案例研究概述 了 XQG45-600P 及其平安性。本章通過風(fēng)險(xiǎn)評估，考察 XQG45-600P在防止氫氣爆炸的能力上是否足夠平安。根據(jù) Chen 2021的研究，調(diào)車機(jī)車是用于在編組場調(diào)車。 XQG45-600P 的框架是基于一種傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車ChenW.，

2、2021。1 氫能源調(diào)車機(jī)車結(jié)構(gòu)試驗(yàn)氫能源調(diào)車機(jī)車與普通鐵路機(jī)車一樣，由機(jī)械和電 氣兩局部組成。具體組成局部見表 1。根據(jù)表 1 所示，整個(gè) 系統(tǒng)包括供氫系統(tǒng)儲(chǔ)氫罐、PEMFC電板、管道和動(dòng)力系統(tǒng)電池組、牽引逆變器、永磁同步電動(dòng)機(jī) 。列車啟動(dòng)時(shí)， 9個(gè)35MPa碳纖維鋼瓶中的氫通過管道和壓力調(diào)節(jié)閥供給燃 料電池氫氣ChenW，2021。質(zhì)子交換膜燃料電池將氫轉(zhuǎn) 化為水，產(chǎn)生電能，從而為牽引式逆變器發(fā)電。運(yùn)行狀態(tài)下的PEMFC和電池組的溫度高達(dá) 80 C ( ChenW.,2021)。牽引 逆變器將直流電(DC轉(zhuǎn)換為三相交流電(AC),以供給牽 引電機(jī)。該機(jī)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)主要的子系統(tǒng)組成，即

3、質(zhì) 子交換膜燃料電池(PEMFC、冷卻子系統(tǒng)、氫氣瓶列陣和牽 引電機(jī)，如圖 1 所示。從圖 1 可以看出，燃料電池動(dòng)力調(diào)車 機(jī)車最大的部件是氫氣瓶列陣。儲(chǔ)氫裝置由 9 個(gè) 35 兆帕的 碳纖維鋼瓶組成，能夠儲(chǔ)存約 23 千克壓縮氫氣( ChenW.， 2021)Chen(2021)還提到，每個(gè)氫氣瓶工作壓力為 50MPa 當(dāng)壓力超過80MPa時(shí)，高壓平安閥(HPSV會(huì)釋放氫氣以避 免氫氣爆炸(ChenW.，2021)。因此，如果 HPSV無法工作， 氫氣的超壓可能會(huì)導(dǎo)致氫氣瓶破裂，增加氫氣泄漏的可能 性。車輛頂部有兩個(gè)通風(fēng)機(jī)和一個(gè)通風(fēng)口PEMFC莫塊頂部安裝了氫探測器，主要用于檢測機(jī)車內(nèi)部的氫

4、氣泄漏。筆者對 目前元器件布置的平安性進(jìn)行了評估，如表 2 所示。2 氫氣儲(chǔ)存方式與風(fēng)險(xiǎn)眾所周知，氫可以以不同的方式儲(chǔ)存，如氣態(tài)氫、液氫 和金屬氫化物，大多數(shù)氫燃料鐵路車輛使用在儲(chǔ)存在氫氣瓶 中的壓縮氫，例如BNSF的燃料電池調(diào)車機(jī)車 (HessKS,2021) 和 NE的實(shí)驗(yàn)軌道車(TaketoF,2006 )。在 XQG45-600P中， 35MPa高壓氫氣瓶中有 9個(gè)安裝在機(jī)車本體內(nèi)，氫氣瓶陣列 安裝在機(jī)車中部。同時(shí)，PEMFC電池組和逆變器安裝在氫氣瓶陣列旁邊。根據(jù)筆者的理解，上述XQG45-600P的布置 是為了減小對機(jī)車重心的影響。然而，在平安方面，XQG45-600P氫氣瓶陣列布

5、局可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，這是因?yàn)闅錃饪赡軙?huì)聚集主隔間等限制區(qū)域，從而增加爆炸的可 能，尤其是當(dāng)泄漏的氫氣接近電氣設(shè)備時(shí)。同時(shí)，氫氣燃燒 會(huì)形成向上的火焰，燃燒機(jī)車的內(nèi)部設(shè)施，如氫氣瓶列陣上 方的通風(fēng)機(jī)或安裝在 PEMFCh的鋰離子電池。由于目前氫氣 瓶安裝位置在車輛中部，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生這種事故的風(fēng)險(xiǎn)增 加。例如，在儲(chǔ)存裝置中，如果氫氣瓶陣列底部氫氣著火， 火焰會(huì)向上燃燒所有的氫氣瓶。此外，持續(xù)的大火可能會(huì)損 壞周圍的設(shè)施，比方 PEMF(和電池組。由于 PEMF(在工作階 段需要使用氫來發(fā)電，所以，如果火焰蔓延到PEMFC可能會(huì)導(dǎo)致另一次爆炸或更大的火災(zāi)事故。因此，作者建議采用 車頂線性存儲(chǔ)方

6、式，比方使用擺放在車輛頂部的 1X9 列陣， 而不是使用當(dāng)前 XQG45-600P采用的3X 3列陣。氫氣瓶的頂 部線性儲(chǔ)存是比擬理想的，因?yàn)樗试S泄漏的氫氣向上擴(kuò) 散。此外，沿著車頂線性擺放氫氣瓶可以使脫軌和碰撞等事 故造成損害的可能性降到最低( Hess， 2021)。 XQG45-600P 采用35mpa氫氣瓶。如Rodionov (2021)所述，儲(chǔ)氫供給系 統(tǒng)由氫氣瓶、管道、高壓平安閥(HPSV、減壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥組成。 每個(gè)組件的功能如表 3 所示。根據(jù) Kesheng( 2021) 所說，如果火災(zāi)發(fā)生在氫氣瓶上 , 熱量會(huì)傳到消防設(shè)備，消 防設(shè)備會(huì)在溫度過高時(shí) (600()釋放氫

7、氣。 Kesheng(2021) 提到，如果火災(zāi)發(fā)生在圖 2中的紅色區(qū)域，熱量將緩慢傳遞 到消防設(shè)備處。在這種情況下，消防設(shè)備可能會(huì)達(dá)不到足夠 的熱量，從而不能及時(shí)釋放氫氣。同時(shí)，氫燃料箱外表可能 因過熱而破裂 800 C Kesheng， 2021。泄漏的高壓氫 氣和瓶內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)會(huì)引起嚴(yán)重的爆炸 損壞探測面積為 30 米。通過對上述對氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的研究，筆者對儲(chǔ)氫系統(tǒng) 的潛在風(fēng)險(xiǎn)評估如表 4 所示。3 事故分析如果釋放的氫氣在一個(gè)開放的區(qū)域被點(diǎn)燃，氫氣會(huì)形成 向上的火焰，不會(huì)對機(jī)車造成任何可見的損壞。這是好的， 因?yàn)槿紵龝r(shí)機(jī)車附近的溫度不會(huì)過熱，機(jī)車的部件也不會(huì)損 壞。如果受影響區(qū)域的氫濃

8、度相對較低，即使在開放環(huán)境中 發(fā)生火災(zāi)，氫氣也不會(huì)爆炸。然而，如果在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大 量的氫氣溢散，那么會(huì)由于氫氣濃度高而引起爆炸。特別是在 封閉的空間，例如在隧道中，氫氣的密度可以超過18.3%，由于氫氣不能自由逃逸，所以會(huì)在封閉空間的頂部聚集。如 果發(fā)生火災(zāi)，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的爆炸。4 結(jié)論使用環(huán)保的氫燃料列車可以減少鐵路對石油燃料的依 賴。然而，作為一種新型的交通工具，大多數(shù)氫能源驅(qū)動(dòng)的 列車沒有投入商業(yè)使用。因此，在現(xiàn)代鐵路市場上，需要對 氫能源列車的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。作者推薦在車頂線性擺放 1X9氫氣瓶，而不是使用當(dāng)前XQG45-600P采用的3X3氫氣瓶列陣。這是由于在泄漏的情況下氫氣會(huì)