目前，化石燃料已經(jīng)供應(yīng)了世界86%的能源，預(yù)計(jì)未來(lái)石油需求將會(huì)新增，同時(shí)，二氧化碳（CO2）的排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)，因此，開(kāi)發(fā)一種只需低成本基礎(chǔ)設(shè)施同時(shí)碳排放低的新型機(jī)車(chē)，以此來(lái)減少對(duì)環(huán)境的影響。根據(jù)科學(xué)報(bào)告，氫能源，作為一種新型能源，是電力等能源的載體。但使用氫燃料鋰電池驅(qū)動(dòng)的列車(chē)可能會(huì)發(fā)生事故，因此，對(duì)密閉空間氫氣火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。

引言

為了調(diào)查XQG45-600P機(jī)車(chē)用于商業(yè)運(yùn)營(yíng)是否安全，作者進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于鐵路車(chē)輛安全問(wèn)題的研究，并調(diào)查了氫儲(chǔ)存和供應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。2013年，我國(guó)首次推出氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)（ChenW.，2013）。本案例之所以選擇機(jī)車(chē)，是因?yàn)闄C(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)師供應(yīng)了XQG45-600P的詳細(xì)參數(shù)。本案例研究概述了XQG45-600P及其安全性。本章通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，考察XQG45-600P在防止氫氣爆炸的能力上是否足夠安全。根據(jù)Chen（2013）的研究，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)是用于在編組場(chǎng)調(diào)車(chē)。XQG45-600P的框架是基于一種傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)（ChenW.，2013）。

氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)氫能源調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)與普通鐵路機(jī)車(chē)一樣，由機(jī)械和電氣兩部分組成。具體組成部分見(jiàn)表1。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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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(chē)啟動(dòng)時(shí)，9個(gè)35MPa碳纖維鋼瓶中的氫通過(guò)管道和壓力調(diào)節(jié)閥供給燃料鋰電池氫氣（ChenW.，2013）。質(zhì)子交換膜燃料鋰電池將氫轉(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.,2013）。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(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四個(gè)重要的子系統(tǒng)組成，即質(zhì)子交換膜燃料鋰電池（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，燃料鋰電池動(dòng)力調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)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.，2013）。Chen（2013）還提到，每個(gè)氫氣瓶工作壓力為50MPa。當(dāng)壓力超過(guò)80MPa時(shí)，高壓安全閥（HPSV）會(huì)釋放氫氣以避免氫氣爆炸（ChenW.，2013）。因此，假如HPSV無(wú)法工作，氫氣的超壓可能會(huì)導(dǎo)致氫氣瓶破裂，新增氫氣泄漏的可能性。車(chē)輛頂部有兩個(gè)通風(fēng)機(jī)和一個(gè)通風(fēng)口PEMFC模塊頂部安裝了氫探測(cè)器，重要用于檢測(cè)機(jī)車(chē)內(nèi)部的氫氣泄漏。筆者對(duì)目前元器件布置的安全性進(jìn)行了評(píng)估，如表2所示。

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(chē)輛使用在儲(chǔ)存在氫氣瓶中的壓縮氫，例如BNSF的燃料鋰電池調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)（HessKS,2008）和NE的實(shí)驗(yàn)軌道車(chē)（TaketoF,2006）。在XQG45-600P中，35MPa高壓氫氣瓶中有9個(gè)安裝在機(jī)車(chē)本體內(nèi)，氫氣瓶陣列安裝在機(jī)車(chē)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(duì)機(jī)車(chē)重心的影響。然而，在安全方面，XQG45-600P氫氣瓶陣列布局可能會(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，從而新增爆炸的可能，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(chē)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PEMFC上的鋰離子電池。由于目前氫氣瓶安裝位置在車(chē)輛中部，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生這種事故的風(fēng)險(xiǎn)新增。例如，在儲(chǔ)存裝置中，假如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?chē)脑O(shè)施，比如PEMFC和電池組。由于PEMFC在工作階段要使用氫來(lái)發(fā)電，所以，假如火焰蔓延到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(chē)頂線性存儲(chǔ)方式，比如使用擺放在車(chē)輛頂部的1X9列陣，而不是使用當(dāng)前XQG45-600P采用的3×3列陣。氫氣瓶的頂部線性儲(chǔ)存是比較理想的，因?yàn)樗试S泄漏的氫氣向上擴(kuò)散。此外，沿著車(chē)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，2010）。XQG45-600P采用35mpa氫氣瓶。

如Rodionov（2010）所述，儲(chǔ)氫供應(yīng)系統(tǒng)由氫氣瓶、管道、高壓安全閥（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。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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根據(jù)Kesheng（2014）所說(shuō)，假如火災(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(guò)高時(shí)（600°C）釋放氫氣。Kesheng（2014）提到，假如火災(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)，氫燃料箱表面可能因過(guò)熱而破裂（800°C）（Kesheng，2014）。泄漏的高壓氫氣和瓶?jī)?nèi)發(fā)生的火災(zāi)會(huì)引起嚴(yán)重的爆炸（損壞探測(cè)面積為30米）。

通過(guò)對(duì)上述對(duì)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的研究，筆者對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如表4所示。

事故分析

假如釋放的氫氣在一個(gè)開(kāi)放的區(qū)域被點(diǎn)燃，氫氣會(huì)形成向上的火焰，不會(huì)對(duì)機(jī)車(chē)造成任何可見(jiàn)的損壞。這是好的，因?yàn)槿紵龝r(shí)機(jī)車(chē)附近的溫度不會(huì)過(guò)熱，機(jī)車(chē)的部件也不會(huì)損壞。假如受影響區(qū)域的氫濃度相對(duì)較低，即使在開(kāi)放環(huán)境中發(fā)生火災(zāi)，氫氣也不會(huì)爆炸。然而，假如在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大量的氫氣溢散，則會(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(guò)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。假如發(fā)生火災(zāi)，這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的爆炸。

結(jié)論

使用環(huán)保的氫燃料列車(chē)可以減少鐵路對(duì)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(chē)沒(méi)有投入商業(yè)使用。因此，在現(xiàn)代鐵路市場(chǎng)上，要對(duì)氫能源列車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

作者推薦在車(chē)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)向上消散，所以采用頂部流線式貯存方式更為可取。作者推薦直接在通風(fēng)口下方安裝質(zhì)子交換膜燃料鋰電池。在這種組件布局中，由于氫氣的浮力，燃料鋰電池泄露出的氫氣將直接進(jìn)入通風(fēng)出口排放到外界。否則，釋放的氫氣可能會(huì)堆積在機(jī)車(chē)XQG45-600P的密閉區(qū)域。