摘要
加氢站是实现低（零）碳交通转型和推动氢能源机车普及的关键基础设施。目前，加氢站普遍采用高压气态储罐（GH）进行氢气储存，但此方法需占用较大空间并伴随高昂的加压成本，同时在安全管理及材料耐压性能方面面临挑战。近年来，液氢（LH）和氨（NH3）作为高效储氢方式逐渐受到认可。LH因其高能量密度而备受青睐，但需要低温度储存，加大了技术复杂性及成本;而NH3作为间接储氢方式，尽管目前转换效率较低，但其常温常压下的稳定性和较低的运输与储存风险，带来出独特的经济性和安全优势。然而，尽管对GH，LH和NH3作为储氢方式的研究已较为深入，全面概览特别是安全性方面的比较分析仍然不足。本论文通过以下几个方面深入探讨: 1）采用建筑信息模型技术，参考国内外加氢站布局，构建了 GH,LH和NH3加氢站三维模型。该模型覆盖加氢站内的关键组件，如加氢机，车轨，车站顶棚等重要设施，为后期计算流体力学（CFD）模拟提供真实的计算域。 2）构建了 CFD模型，模拟GH,LH和NH3在特定空间结构下加氢站发生泄漏时的扩散过程，并深入分析了 LH和NH3泄漏形成的池及其蒸发扩散行为。通过对比GH，LH和NH3这三种不同储氢方式下的泄漏后蒸发与扩散行为，分析储罐泄漏情况下危险（有害）气体的扩散范围，揭示了加氢站内氨气有毒性浓度分布和氢气扩散特性及其随时间的变化规律，为加氢站的安全管理提供了科学指导。 3）通过耦合简化的燃烧机理与CFD技术，评估泄漏后危险气体燃烧潜在风险。详细分析氨气与氢气燃烧的火焰范围，可燃范围以及点火区域的差异，讨论这些因素如何决定燃烧过程中火焰的温度和分布，影响火灾情况下人员安全距离。同时，深入讨论氨气的毒性范围与燃烧危害范围的差异，重点关注其潜在毒性。 4）探索加氢站能源经济性，着重比较不同存储方式储运成本。通过精确计算GH,LH和NH3的总成本并进行比较，全面评估加氢站的经济性，为经济性决策提供重要参考。成本分析结果表明，GH具有最低成本，而LH成本最高;NH3在长距离运输中展现出经济优势。 研究结果显示，氢气和氨气在泄漏后的扩散轨迹及点火区域存在显著差异,且在特定条件下，氨气倾向于在较低位置聚集，而氢气分布于较高位置;氢燃烧产生的高温可达1900K,而氨的燃烧温度则相对较低，为1400K;氨气的有毒性气体范围较广，远大于氨气燃烧范围。成本分析结果表明，GH储存方式具有最低的成本（15.65元/kgH2），而LH储存成本最高（约43.04元/kgH2）。在运输成本方面，Ammonia在500km与1000km的运输距离中成本最低，展现出其在长距离运输中的经济优势。
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