基于系統(tǒng)因素作用理論的軌道加氫站Fine Kinney風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

李艷昆, 劉 晗

(1.中車工業(yè)研究院有限公司， 北京 100070； 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)煤炭科學(xué)研究總院應(yīng)急科學(xué)研究院， 北京 100013； 3.清華大學(xué)土木水利學(xué)院， 北京 100084)

伴隨著煤炭、石油等不可再生能源對(duì)人類環(huán)境的污染與破壞加劇，新型可再生能源的開發(fā)與利用得到越來越廣泛的認(rèn)同與關(guān)注[1]。氫能源作為目前全生命周期技術(shù)成熟的新型能源方案，不僅能夠通過綠色清潔資源制取，而且不會(huì)產(chǎn)生含碳物質(zhì)，在儲(chǔ)存與運(yùn)輸環(huán)節(jié)也具有很好的便利特性[2-3]。尤其在軌道交通運(yùn)輸中，氫能源已經(jīng)作為傳統(tǒng)能源燃料的最佳替代方案，在廣州佛山地區(qū)正式應(yīng)用。但是，由于氣態(tài)氫能源的能源密度較低，氫能源燃料常常需要以液態(tài)形式存儲(chǔ)在高壓氫氣瓶中儲(chǔ)存或運(yùn)輸。在常溫常壓下，氫氣呈氣態(tài)，但在低于 -252.6 ℃ 的溫度下，氫氣會(huì)液化。將液態(tài)氫分配給燃料電池列車的加注站被稱為“液態(tài)氫加油站”。與壓縮氫燃料加注站相比，液態(tài)氫燃料加注站是低壓的，并且由于使用的機(jī)器較少，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，為了適應(yīng)液態(tài)氫所需的低溫環(huán)境，軌道交通加氫設(shè)備需要雙壁儲(chǔ)罐、管道和分配軟管等關(guān)鍵部件，并且分配器必須配備用于處理低溫液體。與傳統(tǒng)燃料加油站的結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致液態(tài)氫能源加注站的安全風(fēng)險(xiǎn)存在一定的特殊性，亟需對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行準(zhǔn)確分析，進(jìn)而對(duì)各種影響因素可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)種類與等級(jí)進(jìn)行有效評(píng)估，確保軌道列車氫能源加注系統(tǒng)的安全運(yùn)行[4]。

在外國(guó)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)研究主要集中在氫及相關(guān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和安全方面，如氫基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)和可持續(xù)性[5]、與氫有關(guān)的事故分析[6-7]、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與氫有關(guān)的特定基礎(chǔ)設(shè)施[8]及氫和燃料電池的可靠性分析方面[9-10]。但是已有文獻(xiàn)沒有專門對(duì)軌道加氫領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)行研究。中國(guó)研究領(lǐng)域涉及軌道氫能源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究較少。李志勇等[9]對(duì)加氫站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究進(jìn)行了綜述。姜博耀[11]以氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的列車為研究對(duì)象，對(duì)密閉空間氫氣火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估。雖然中國(guó)范圍內(nèi)氫能源加注站數(shù)量正在快速發(fā)展[12-13]，但針對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)及其各種后果的判定與評(píng)估仍滯后于建設(shè)過程。

實(shí)際上，軌道加氫事故風(fēng)險(xiǎn)及其各種后果可能對(duì)可持續(xù)性的環(huán)境(如土地和水污染)、經(jīng)濟(jì)(如財(cái)產(chǎn)損失、業(yè)務(wù)中斷)和社會(huì)(如對(duì)人類健康的影響)產(chǎn)生重要影響。此外，具有較強(qiáng)通用性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)于在復(fù)雜的決策過程中支持利益相關(guān)者進(jìn)行計(jì)劃、設(shè)計(jì)及建立經(jīng)濟(jì)高效、可靠安全、可持續(xù)的供應(yīng)鏈至關(guān)重要。由此，需要一種綜合評(píng)估方法，采用系統(tǒng)觀點(diǎn)來組合和評(píng)估所有考慮因素，探索廣泛接受的軌道加氫設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估解決方案。然而，現(xiàn)有中外文獻(xiàn)未對(duì)用于軌道交通運(yùn)輸?shù)募託湔撅L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確量化評(píng)估。為此，以軌道交通燃料需求為背景，建立了Fine Kinney風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，對(duì)影響氫能源加注站安全風(fēng)險(xiǎn)的潛在因素及相互關(guān)系進(jìn)行分析，為軌道交通系統(tǒng)氫能源的安全與有效利用提供有益參考。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

1.1 Fine Kinney風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架

Fine Kinney方法源于美國(guó)國(guó)土安全草案，逐漸發(fā)展成為對(duì)軍事工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的有效分析方法。根據(jù)軌道交通氫能加注站的特點(diǎn)，在Fine Kinney框架中歸納3個(gè)必備因素，包括氫能加注站事故種類相似度(P)、氫能風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境暴露度(E)和氫能事故可能導(dǎo)致的后果(C)3個(gè)參數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)(R)由三者相乘得到。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要素

根據(jù)Fine Kinney方法，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架中構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)種類相似度準(zhǔn)則、暴露度準(zhǔn)則和災(zāi)害后果準(zhǔn)則的三要素，如圖1所示。

1.2.1 種類相似度準(zhǔn)則

為了建立種類相似度準(zhǔn)則，首先對(duì)軌道交通的氫能加注系統(tǒng)的主要構(gòu)成進(jìn)行分析。軌道交通的氫能加注系統(tǒng)主要包含氫氣瓶、高壓安全閥(high pressure safety valve，HPSV)、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥和消防設(shè)備。氫氣瓶用于儲(chǔ)存列車驅(qū)動(dòng)氫能；HPSV通過自動(dòng)開啟并排氣，用于保護(hù)系統(tǒng)免受超壓。減壓閥用于降低進(jìn)口壓力，使閥門輸出的壓力保持穩(wěn)定；壓力調(diào)節(jié)閥用于保持輸出平穩(wěn)；消防設(shè)備用于測(cè)試氫氣瓶溫度，起到熱活化功能。因此，軌道交通的氫能加注系統(tǒng)的可能事故種類包含：HPSV設(shè)備故障、安全法故障和消防系統(tǒng)故障。

1.2.2 暴露度準(zhǔn)則

暴露度準(zhǔn)則的目標(biāo)層包含自然環(huán)境因素、主動(dòng)安全設(shè)計(jì)因素、輔助減災(zāi)設(shè)施因素以及場(chǎng)所安全制度。應(yīng)用Dematel因素相互作用理論進(jìn)行分析，得到暴露度準(zhǔn)則下的因素作用關(guān)系，如圖2所示。

(1)自然環(huán)境因素的影響：由于液氫加油站的儲(chǔ)罐和管道材料都在室外使用，并且與低溫液氫接觸。如果沒有采取適當(dāng)?shù)拇胧?，雨水和氫?duì)金屬具有腐蝕性，低溫脆化也可能造成材料裂紋和損毀，導(dǎo)致大量液態(tài)氫泄漏。如果在地震中加氫站的地面開裂，則所產(chǎn)生的地平面差異可能會(huì)導(dǎo)致管道破裂。為了防止由于地震和不同的地面高度而產(chǎn)生的裂縫，可將儲(chǔ)罐到分配器的站臺(tái)應(yīng)建立在一個(gè)基礎(chǔ)上。

(2)主動(dòng)安全驅(qū)動(dòng)因素的影響：儲(chǔ)罐和管道材料的鋼材類型能夠有效抵御腐蝕和氫脆；將管道鋪設(shè)在溝槽中，而不是在液態(tài)氫存儲(chǔ)裝置與地下分配器之間鋪設(shè)管道，可以防止在車輛駛過時(shí)損壞管道，并可以檢查管道。防震儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)在發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，必須采取措施防止大的泄漏，可根據(jù)需要安裝地震儀，該地震儀在發(fā)生地震時(shí)可以監(jiān)測(cè)地震并自動(dòng)關(guān)閉加氫站。防撞裝置的安裝為了防止慢速行駛的列車與分配器碰撞，可在分配器周圍安裝防撞裝置。如果列車在用液態(tài)氫加油時(shí)意外地從分配器移開，分配器軟管將被拉下，導(dǎo)致大量液態(tài)氫泄漏出去。因此，可安裝可拆卸設(shè)備以降低風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 氫能源加注站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架Fig.1 Hydrogen station risk assessment framework

圖2 暴露度影響因素的相互作用關(guān)系Fig.2 Relationships of factors affecting exposure degree

(3)輔助減災(zāi)完備性因素的影響：在液態(tài)氫燃料加注站周圍場(chǎng)地邊界建設(shè)2 m高的防火墻包圍，并在現(xiàn)場(chǎng)豎立屏障，能夠有效降低災(zāi)害的暴露風(fēng)險(xiǎn)。防火墻能夠起到隔離作用，防止加注站的火災(zāi)對(duì)邊界以外的區(qū)域產(chǎn)生不利影響，并防止附近的任何火災(zāi)影響加注站。另外，在加注站的壓縮機(jī)和蓄能器的區(qū)域設(shè)置屏障，也可以最大程度地減少氫氣泄漏事件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的影響。由于從排氣管線排出的氫氣存在超過一定量的高風(fēng)險(xiǎn)，因此布設(shè)檢測(cè)設(shè)備實(shí)施監(jiān)控真空絕緣層中的真空度異常。

此外，風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)不強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)觀念不牢、風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)技能匱乏等人員安全素質(zhì)因素，以及風(fēng)險(xiǎn)教育缺乏、風(fēng)險(xiǎn)培訓(xùn)缺失、風(fēng)險(xiǎn)自查不夠等災(zāi)害場(chǎng)所安全制度問題，也會(huì)對(duì)災(zāi)害事故的發(fā)生造成較強(qiáng)的致災(zāi)后果；日常風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)督、風(fēng)險(xiǎn)行為糾正、風(fēng)險(xiǎn)隱患消除等風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管因素對(duì)于軌道氫能系統(tǒng)損失降低亦能夠發(fā)揮重要作用。

1.2.3 災(zāi)害后果準(zhǔn)則

軌道交通加氫站風(fēng)險(xiǎn)后果準(zhǔn)則可由氫能源危險(xiǎn)性指標(biāo)、災(zāi)害潛在規(guī)模指標(biāo)和歷史記錄損失比例指標(biāo)來描述。軌道交通氫能爆炸后果有兩種爆炸形式。一種是擴(kuò)散爆炸，其中泄漏的液態(tài)氫蒸發(fā)并與空氣混合并點(diǎn)燃，從而導(dǎo)致擴(kuò)散爆炸，另一種是預(yù)混合爆炸，其中泄漏的液態(tài)氫保留在殘留區(qū)域上，并與空氣和點(diǎn)燃劑混合，從而進(jìn)行了預(yù)混合爆炸。根據(jù)每種事故場(chǎng)景下的泄漏狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)谋ㄐ问?，通過計(jì)算出每種爆炸的爆炸壓力進(jìn)而評(píng)估后果水平。在氫能潛在風(fēng)險(xiǎn)規(guī)模指標(biāo)方面，主要包括氫能加注站場(chǎng)所的潛在受災(zāi)面積與潛在受災(zāi)人口。歷史記錄指標(biāo)方面，需要考慮氫能源歷史災(zāi)害的死傷人數(shù)損失與財(cái)物損失。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟

2.1 評(píng)估種類相似度的權(quán)重取值

基于種類相似度準(zhǔn)則，采用定量與定性方法對(duì)軌道交通氫能加注站進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。考慮到風(fēng)險(xiǎn)事故的潛在突發(fā)性，邀請(qǐng)專家對(duì)軌道交通氫能風(fēng)險(xiǎn)種類相似度權(quán)重(αh)進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果如表1所示。

2.2 評(píng)估環(huán)境暴露度的權(quán)重與取值

隨后，將風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境暴露度矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與歸一化處理，得到種類為h的風(fēng)險(xiǎn)在g種環(huán)境暴露因素的權(quán)重(ωh,g)。

(1)

種類為h的風(fēng)險(xiǎn)在g種環(huán)境暴露因素暴露度取值決策矩陣為

(2)

式(2)中：λh,g為種類為h且環(huán)境暴露種類為g種的暴露度取值。

表1 因素直接影響關(guān)系轉(zhuǎn)換

表2 種類風(fēng)險(xiǎn)概率

表3 風(fēng)險(xiǎn)暴露度

2.3 災(zāi)害后果取值

設(shè)種類為h的風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性指標(biāo)參數(shù)為γh。風(fēng)險(xiǎn)潛在規(guī)模等級(jí)為共有s個(gè)，種類為h的風(fēng)險(xiǎn)具有潛在規(guī)模等級(jí)為s指標(biāo)權(quán)重為?h,s。表4為不同規(guī)模與等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重指標(biāo)。

fh,m為種類為h的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生損失等級(jí)為m災(zāi)害后果權(quán)重。災(zāi)害損失等級(jí)權(quán)重見φh表5所示。φh,m為種類為h的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生等級(jí)為m災(zāi)害后果的歷史損失比例，其計(jì)算公式為

表4 不同規(guī)模與等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重指標(biāo)

表5 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)權(quán)重表

(3)

(4)

歷史損失比例矩陣為

(5)

2.4 計(jì)算災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值

采用Fine Kinney風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估公式，對(duì)每一潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，厘清影響系統(tǒng)效能的各因素間相互作用關(guān)系，綜合了此領(lǐng)域權(quán)威專家的意見，得出可靠的系統(tǒng)影響因素評(píng)估結(jié)果，最終求得求解災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，參照表6確定災(zāi)害點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表6 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)等級(jí)

3 案例應(yīng)用

以中國(guó)佛山市某氫能源調(diào)車機(jī)車氫站為對(duì)象，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估對(duì)象投入1 550×104元建設(shè)而成，占地面積4 467 m2，配置有儲(chǔ)存區(qū)、加注區(qū)、加氫機(jī)等功能區(qū)和設(shè)備，為市屬重點(diǎn)安全單位，一旦發(fā)生氫能源泄露或爆炸事故，可能造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)象地處三角洲河網(wǎng)地區(qū)，降雨頻繁，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫23.2 ℃。單位氫能源加注裝置能夠儲(chǔ)存23 kg壓縮氫氣,氫氣瓶的正常工作壓力為50 MPa，高壓安全閥在80 MPa以上將進(jìn)行排氣程序避免爆炸。研究對(duì)象安裝有中央安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)加注機(jī)、壓縮機(jī)、制氫設(shè)備內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可以記錄加氫站每次加氫量、加注時(shí)間、環(huán)境溫度、設(shè)備壓力等系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。加氫站設(shè)有較為完善的安全運(yùn)行管理制度，包括加氫站現(xiàn)場(chǎng)管理制度、操作人員安全規(guī)程、進(jìn)出人員管理制度、現(xiàn)場(chǎng)氫氣純度控制制度、設(shè)備管理制度、安全檢查制度及手機(jī)安全使用規(guī)程。加氫站預(yù)設(shè)應(yīng)急方案包括緊急逃生撤離預(yù)案，失火、泄露、停電等常見緊急事故應(yīng)急預(yù)案，以及暴雨、地震等自然災(zāi)害與人為破壞應(yīng)急方案。員工熟悉安全法律法規(guī)，了解本崗位安全風(fēng)險(xiǎn)屬性，具有及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患的安全意識(shí)，懂得預(yù)防火災(zāi)的措施與撲救火災(zāi)、逃生自救方法。重點(diǎn)工種人員遵守消防安全規(guī)定，熟練掌握安全操作規(guī)程。但是，加氫站周邊車輛與人員較多且流動(dòng)性大，具有一定的外部安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)研究對(duì)象的氫能源災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子信息，有五位氫能安全專家對(duì)研究對(duì)象的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)參數(shù)和權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià)，其指標(biāo)評(píng)分如表7所示。采用上文提出的方法進(jìn)行計(jì)算，得到此氫能源加注站的評(píng)估指數(shù)為3.116，事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)水平較低。結(jié)果表明，氫能不穩(wěn)定特性與周邊較為頻繁流動(dòng)車輛和人員，給軌道交通加氫站帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在加氫站運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)高度關(guān)注，確保加氫站全過程全態(tài)勢(shì)運(yùn)行安全。

表7 加氫站災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)暴露度評(píng)估指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)評(píng)分

4 結(jié)論

通過對(duì)軌道交通系統(tǒng)氫能源利用特殊性進(jìn)行闡述，引出了軌道交通加氫站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性?；贔ine Kinney理論建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架確保了更準(zhǔn)確的相似度匹配。采用Dematel方法分析因素作用關(guān)系構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)暴露度準(zhǔn)則。最后，結(jié)合后果準(zhǔn)則得出了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和指標(biāo)。本文以某列車加氫站作為案例，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行了準(zhǔn)確評(píng)估，驗(yàn)證了氫能源加注站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的有效性，為行政與商業(yè)決策提供理論支持。