燃料電池汽車加氫站設(shè)計規(guī)范安全距離的分析研究

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司　孫永康

燃料電池汽車加氫站設(shè)計規(guī)范安全距離的分析研究

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計研究有限公司孫永康

加氫站是燃料電池汽車網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)，為順應(yīng)氣態(tài)高壓加注和液態(tài)低溫儲存的技術(shù)發(fā)展趨勢，以及緩解城區(qū)建站用地難的矛盾，建議國家標(biāo)準(zhǔn)《加氫站技術(shù)規(guī)范》引入定量風(fēng)險評估方法。針對不同的風(fēng)險控制對象、事故類型和泄漏尺度，全面評估了氣、液態(tài)兩類站的安全距離，并提出合理化建議，研究結(jié)果可作為今后的項目建設(shè)或規(guī)范修編參考。

定量風(fēng)險評估PHAST軟件基于風(fēng)險的檢查

加氫站是構(gòu)建未來燃料電池汽車網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)。據(jù)H2stations.org網(wǎng)站的統(tǒng)計，截至2016年1月，世界各地建成并正在運(yùn)行的加氫站共214座，另規(guī)劃有104座。我國先后建成包括上海安亭、北京奧運(yùn)會、上海世博會、深圳大運(yùn)會、鄭州宇通等5座加氫站。

隨著加氫技術(shù)的不斷進(jìn)步，氣態(tài)加注從35 MPa升至70 MPa，使得加注質(zhì)量增加、續(xù)航里程更長，-253 ℃深冷液氫儲存方式也已得到規(guī)?；圏c；同時，新技術(shù)對安全距離帶來了新的挑戰(zhàn)。

作為項目經(jīng)理，筆者負(fù)責(zé)了上海安亭、上海世博會等加氫站工程設(shè)計，也參編了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池汽車加氫站技術(shù)規(guī)程》(DGJ 08—2055—2009)及國家標(biāo)準(zhǔn)《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》(報批稿)，本文將結(jié)合自身在設(shè)計建造實踐及規(guī)范編制中的體會，采用定量風(fēng)險方法對至關(guān)重要的安全距離進(jìn)行分析，努力為今后工程開展及相關(guān)規(guī)范修編提供參考。

1　國內(nèi)外加氫站規(guī)范對比及安全風(fēng)險評估要求

世界上有10多個國家制定了加氫站法規(guī)，包括美國NFPA 2、英國BCGA CP33、法國la rubrique N1416、德國VdTüV Merkblatt 514、意大利Regulation 2006-08-31、韓國KGS FP216以及日本“高壓燃?xì)獗０卜ā保珒H美日涉及液氫。

ISO也正在制定加氫站的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，ISO TC197是專門負(fù)責(zé)氫能技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的委員會，其正在起草的加氫站通用要求文件“Gaseous hydrogen -Fueling Stations — Part 1: General requirements”提出設(shè)計階段宜進(jìn)行定量風(fēng)險評估(QRA)，在不滿足規(guī)范距離時采取措施，如提高安全儀表等級、增加壁厚或設(shè)置防護(hù)等，同樣達(dá)到安全使用目的。

2010年我國頒布了《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516—2010)，對國內(nèi)加氫站建設(shè)起到了指導(dǎo)作用。

表1參照ISO分類，對各國加氫站規(guī)范中的主要安全距離進(jìn)行了比較。

表1　各國規(guī)范的主要安全距離對比

我國規(guī)范取據(jù)為經(jīng)驗類比值，安全距離較大，且規(guī)定較細(xì)，強(qiáng)調(diào)絕對值控制，缺乏操作靈活性，遇到以下情況很難執(zhí)行。一是新加氫工藝的安全影響，需要兼顧高壓氣氫和液氫；二是中心城區(qū)建站困難，與周邊距離不足，普遍不滿足現(xiàn)行規(guī)范，難以推廣。

氫屬于?；罚鶕?jù)《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB 18218—2009)，≥5噸屬重大危險源；另據(jù)《關(guān)于開展重大危險源監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)協(xié)2004年56號文)，易燃介質(zhì)容器Pmax≥0.1 MPa且PV≥100 MPa·m3也屬重大危險源。

遵照《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(國安監(jiān)2011年40號令)第八條規(guī)定，重大危險源必須安全評估，并分為四級，一、二級采用定量方法。GB 50516—2010按儲氫量將建站規(guī)模分為三級：一級4~8噸，二級1~4噸，三級1噸以下。一級站應(yīng)整體納入重大危險源；20 MPa、水容積20 m3標(biāo)準(zhǔn)管束車是站內(nèi)的重大危險源。按最大8噸、計入易燃及人員暴露校正后，加氫站仍劃為四級。故在法規(guī)層面，我國對加氫站不強(qiáng)制開展定量風(fēng)險評估，一般采用定性或半定量方法。

2　加氫站安全距離研究

2.1研究現(xiàn)狀

我國學(xué)者在加氫站安全距離方面已有少量研究。

李靜媛等在《加氫站高壓氫氣泄漏爆炸事故模擬及分析》對上海世博會站進(jìn)行了蒸氣云爆炸分析，按超壓確定人員危害距離，但結(jié)論有待商榷。第一，評估風(fēng)速取至12 m/s，偏離實際，且高風(fēng)速不能形成穩(wěn)定氣云；第二，泄漏孔徑不符合API 581評估要求；第三，超壓按建筑倒塌100~150 kPa，偏高；第四，未能優(yōu)化防爆墻設(shè)計。李志勇等在《加氫站氫氣事故后果量化評價》對氣態(tài)氫進(jìn)行了爆炸、閃火和噴射火分析，按熱輻射和超壓確定有效影響距離。但結(jié)論同樣待完善。第一，瞬態(tài)熱輻射計閃火，但未計火球；第二、閃火濃度取爆炸下限100%，而我國規(guī)定50%；第三，采用的Baker-Strehlow模型未施加合理約束，結(jié)果偏大。路世昌等在《臨時加氫站火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估及防范對策》對深圳大運(yùn)會站進(jìn)行了蒸氣云和噴射火分析。該站與周邊距離不滿足規(guī)范，因而對重傷及死亡的控制半徑進(jìn)行了評估，滿足了項目落地。但其采用的TNT當(dāng)量法的近場超壓誤差大，也未計閃火，且該站臨時運(yùn)營12天，管控嚴(yán)格，系統(tǒng)失效概率低，故其較小的控制半徑不具代表性。

表2　國內(nèi)加氫站安全距離的相關(guān)研究對比

表2可見，相關(guān)國內(nèi)研究的結(jié)論差異極大，這源于兩方面局限。

(1)研究局限于安評單位(高校和研究所)，其在選用模型和準(zhǔn)則上隨意性強(qiáng)。這除其自身經(jīng)驗外，還有建設(shè)程序的原因，即我國的安評后置于設(shè)計，掌握實情的設(shè)計者未能直接參與，這影響了輸入條件的準(zhǔn)確性。

(2)研究局限于部分事故以及氣氫，未能綜合考慮各種事故疊加的最不利后果，且對于液氫領(lǐng)域仍是空白。

2.2基于風(fēng)險的安全距離研究

確定規(guī)范安全距離是一項復(fù)雜工作，筆者在此僅作初步分析。

研究方法嚴(yán)格遵循RBI，采用DNV的PHAST軟件。

2.2.1定義環(huán)境及事故傷害

(1)常規(guī)環(huán)境：海岸，溫度21℃，相對濕度75%，風(fēng)速3.57 m/s，大氣穩(wěn)定度D；

(2)事故傷害準(zhǔn)則：按中等偏高防護(hù)；

人員超壓≤35 kPa(耳損，骨折，1%死亡)，熱輻射≤12.5 kW/m2(1 min，1%死亡)，

設(shè)施超壓≤60 kPa(墻裂縫，可修復(fù))，熱輻射≤37.5 kW/m2(木材自燃)。

2.2.2計算模型選擇

超壓及熱輻射分別需要運(yùn)用爆炸及燃燒的計算模型。Phast內(nèi)嵌有多種模型，可根據(jù)需要選擇合適的模型。

2.2.2.1爆炸模型

分為三類：TNT當(dāng)量模型、TNO多能模型和Baker-Strehlow模型(簡稱B-S模型)。TNT近場和時程的計算結(jié)果較為粗糙，一般用于簡單分析，故不采用。TNO和B-S均能真實模擬爆炸壓力波，但TNO需輸入特定場景中多達(dá)9個層次的空間分布，而B-S僅需輸入空間維度和遮擋程度，以及爆源活性，后者更適合本文所需的通用結(jié)論。計算時空間維度取三維，遮擋程度取中級，氫爆炸取高活性。

2.2.2.2燃燒模型

根據(jù)燃燒方式可細(xì)分為噴射火、火球、閃火和池火，其中，噴射火和火球需要進(jìn)行模型選擇。

Phast噴射火模型有Shell和API521兩類。前者可模擬任意噴射角度，后者僅能模擬水平或垂直角度。本文按最不利水平噴射，兩種模型均可采用，但API521需要主觀輸入火焰長度，Shell模型則根據(jù)經(jīng)驗公式內(nèi)部計算。從通用研究角度，故采用Shell模型。

Phast火球模型有DNV、TNO(yellow book)和HSE三類。前兩者相差不大，均假設(shè)發(fā)生事故時整個球體位于地面以上，而HSE假設(shè)僅半個球體位于地面以上，因此HSE計算熱輻射結(jié)果相對偏低。本文從保守分析考慮，采用DNV模型。

2.2.3事故分類及選擇

2.2.3.1事故均始發(fā)于泄漏

泄漏源：容器(失效優(yōu)先)；氣氫為35 MPa和70 MPa常溫高壓容器，一、二、三級站單罐容量分別取2 000、1 000和500 kg，另含20 MPa、20 m3管束車；液氫為-253 ℃低溫常壓容器，單罐設(shè)定容積不超1 m3(70 kg)。

泄漏尺度：三級，6.35 mm(小)，25.4 mm(中)，破裂(大)；氣態(tài)按全尺度，液態(tài)氣化后利用，按中、大尺度；站內(nèi)影響按小尺度，站外影響按中、大尺度。

泄漏時間：瞬時，按60 s。持續(xù)，小尺度20 min，中、大尺度10 min。

泄漏方向：氣態(tài)，小、中尺度按水平；液態(tài)，垂直蒸發(fā)。

2.2.3.2事故分類

氣態(tài)。瞬時：閃火(FF)和火球(BL)；持續(xù)：噴射火(JF)、閃火、蒸氣云爆炸(VCE)。另，VCE隨時間及風(fēng)速變化，按響應(yīng)差異，站內(nèi)按前期(VCE1)，站外按后期(VCE2)。

液態(tài)。持續(xù)：閃火、池火(PF)、蒸氣云爆炸及沸騰液體膨脹火球(BLEVE)。

2.2.3.3風(fēng)險概率

綜合物性、失效和發(fā)生率等多因素判定事故的風(fēng)險概率。

表3　各類事故的風(fēng)險概率

可接受風(fēng)險按我國《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(國安監(jiān)公告2014年13號)(見表4)。對表3中明顯高于可接受概率(>±10%)的事故進(jìn)行歸類，并遵循上述的站內(nèi)外泄漏尺度分級。

表4　新建設(shè)施的可接受風(fēng)險概率

2.2.4安全距離的評估數(shù)值

根據(jù)定義的事故類型和傷害準(zhǔn)則，對表4中的事故安全距離進(jìn)行評估，見表5~表8.

表5　氣態(tài)噴射火、火球、閃火(小、中尺度)的評估數(shù)值

表6　氣態(tài)閃火(大尺度)的評估數(shù)值

表7　氣態(tài)蒸氣云爆炸的評估數(shù)值

表8　液態(tài)閃火、池火、蒸氣云爆炸及沸騰液體火球的評估數(shù)值

3　結(jié)果與討論

按上述事故分類原則，將表5~表8中的評估數(shù)值與GB 50516—2010進(jìn)行對比，見表9、表10。

表9　站內(nèi)主要安全距離的對比

表9可見，規(guī)范要求的與站房及明火之間的安全距離與評估數(shù)值基本一致，但規(guī)范要求的與工藝設(shè)備的安全距離高出評估數(shù)值近一倍，這從側(cè)面解釋了為何筆者所了解的國外加氫站其工藝布置更為緊湊。因此，我國規(guī)范的工藝設(shè)備之間的安全距離仍有縮減空間，從而更以利于用地布局。

表10　站外主要安全距離的對比

對于氣態(tài)：現(xiàn)行規(guī)范與評估數(shù)值基本一致。容器壓力與安全距離相關(guān)，壓力由35 MPa增至70 MPa，評估數(shù)值普遍增加20%，故建議今后規(guī)范按壓力區(qū)別對待，低壓儲氫的安全距離可適當(dāng)放寬(如80%)，以便于項目實施。

對于液態(tài)：25.4 mm泄漏尺度對應(yīng)于一般建筑的可承受風(fēng)險，其安全距離符合規(guī)范。但與容器破裂相對應(yīng)的重要公建安全距離大于現(xiàn)行規(guī)范要求，尤其是延遲點燃的后期蒸氣云爆炸(VCE2)及閃火(FF)。以70 kg質(zhì)量液態(tài)為例，見圖1。

圖1　70 kg液氫容器破裂后的濃度擴(kuò)散分布模擬

液態(tài)容器破裂后的擴(kuò)散濃度場有明顯的尖峰效應(yīng)，形似棒槌，這是由于低溫氣體密度較大，在遠(yuǎn)場過程中還會產(chǎn)生二次地面沉降，因而為防止其引發(fā)VCE2或FF所需的安全距離均達(dá)到340 m(按50%LFL/20 000×10-6）。而氣態(tài)容器破裂后的常溫氣體為均勻擴(kuò)散，見圖2。

圖2　500 kg氣氫容器破裂后的濃度擴(kuò)散分布模擬

水平濃度截面為扁圓狀，經(jīng)測算500 kg質(zhì)量氣氫的安全距離為56 m。若液氫質(zhì)量也按500 kg，安全距離則需1 500 m。因此，現(xiàn)行規(guī)范并不能有效約束液氫安全。故建議今后規(guī)范需要研究和控制液氫建站規(guī)模，并確保周邊500 m范圍沒有重要公共建筑。

3.3特殊場所

特殊場所指造成群死群傷的場所(見表4)，此類場所在城市較為常見。包括學(xué)校操場、公園綠地、室外健身場地、城市交通廣場和高速公路服務(wù)區(qū)等。其社會風(fēng)險發(fā)生概率雖低，但從定量風(fēng)險角度，仍符合重大事故的風(fēng)控要求。

表11　站外特殊場所的安全距離評估

GB 50516—2010對站外最大安全距離按重要公共建筑控制，各級站均為50 m。表11可見，50 m對于特殊場合仍顯不足。故建議今后規(guī)范應(yīng)增設(shè)對群聚場合安全距離的控制要求。根據(jù)本次評估結(jié)果，一、二、三級氣態(tài)站宜分別按100 m、80 m和60 m控制，液態(tài)站應(yīng)在選址時按500 m半徑盡量避讓此類場所。

3.4實際項目

上述評估數(shù)值均來源于常規(guī)的開敞式設(shè)計。若規(guī)范允許采用定量風(fēng)險方法，實際采取措施后的安全距離還可減少。例如，儲罐置于地下空間(相當(dāng)于四面防護(hù)擋墻)，安全距離也可適當(dāng)縮減。因此建議實際項目應(yīng)根據(jù)按采取的措施來確定安全距離。

4　結(jié)語

(1)采用API風(fēng)險量化方法，計算加氫站各類事故的發(fā)生概率，按站內(nèi)外對象的風(fēng)險接受程度，定義了不同對象可接受事故的類型和尺度。

(2)應(yīng)用RBI規(guī)則和Phast軟件，按不同尺度，全面評估了包括噴射火、火球、閃火、蒸氣云爆炸、池火和沸騰液體燃燒等各類氣、液態(tài)事故的安全距離。

(3)對比規(guī)范要求和評估數(shù)值，對于氣態(tài)站，兩者數(shù)據(jù)基本一致，但對于液態(tài)站，現(xiàn)行規(guī)范還不能確保安全，需要進(jìn)一步增加與重要公共建筑和人群聚集的特殊場所之間的距離。

(4)提出對今后規(guī)范的改進(jìn)建議，包括采用定量風(fēng)險方法確定安全距離，站內(nèi)工藝設(shè)備距離適當(dāng)縮減，氣態(tài)站按壓力分級，液態(tài)站控制規(guī)模和影響半徑，以及增加群聚特殊場合的距離要求等。

(5)在實際工程中，筆者認(rèn)為還是需通過適當(dāng)提高設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如設(shè)備與材料選型等級、焊接要求等。同時加強(qiáng)對施工質(zhì)量的控制，并在制定詳細(xì)應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格加強(qiáng)運(yùn)行安全管理，以確保系統(tǒng)本質(zhì)安全，而非片面擴(kuò)大安全距離。

Research on Safe Distance in Design Code for Hydrogen Fueling Station

Shanghai Gas Engineering Design and Research Co., Ltd.Sun Yongkang

The hydrogen fueling station is an important part of the network for fuel cell vehicles. To meet the technology development of gaseous high-pressure injection and liquid low-temperature storage, and to lower the difficulty of station construction in urban areas, the author suggests that the state standard "Technical Ccode for Hydrogen Fuelling Station" should introduce quantitative risk assessment (QRA) method. This article makes a comprehensive evaluation of the safe distance for the gaseous and liquid stations. It also puts forward some useful suggestions. The results can be used as a reference for project construction or code modification in future.

Quantitative risk assessment, PHAST software, Risk-based inspection