質(zhì)子交換膜燃料電池電站多米諾事故概率和風(fēng)險(xiǎn)研究*

徐圓圓，滕 越，趙 騫，王 締，易建新

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

傳統(tǒng)化石燃料資源枯竭、大氣污染加劇使人類(lèi)生存條件受到重大挑戰(zhàn)，在此背景下，氫能作為1種重要的清潔二次能源相繼被多國(guó)納入國(guó)家戰(zhàn)略[1]。隨著氫能的大力發(fā)展，氫能產(chǎn)業(yè)鏈逐步壯大，氫能的應(yīng)用場(chǎng)景逐漸多樣化。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)電站就是1種新型的利用氫氣作為燃料的電力輸出系統(tǒng)，其具有無(wú)污染、高效率的優(yōu)點(diǎn)[2]。然而，由于氫氣泄漏后易引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故，給氫能設(shè)施的廣泛應(yīng)用帶來(lái)一定挑戰(zhàn)[3]。與一般氫能基礎(chǔ)設(shè)施相比，氫能電站壓力等級(jí)更高，危險(xiǎn)源更多。另外，由于電站面積受限，生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、聯(lián)系緊密，單次事故可能引發(fā)多米諾效應(yīng)，造成事故后果擴(kuò)大化。然而，目前有關(guān)氫能電站的安全研究較少，主要為定性分析[4]以及故障概率分析[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于多米諾效應(yīng)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了深入的研究。例如，Zeng等[6]研究了化工園區(qū)在自然災(zāi)害作用下的多米諾事故概率以及風(fēng)險(xiǎn)水平；He等[7]針對(duì)化工廠多米諾效應(yīng)提出了1種基于場(chǎng)論和蒙特卡洛法的多米諾事故定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)新方法；黃海燕等[8]提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的多級(jí)多米諾效應(yīng)模型，考慮了事故之間的協(xié)同效應(yīng)。然而，現(xiàn)有多米諾效應(yīng)的研究主要針對(duì)于化工企業(yè)，質(zhì)子交換膜燃料電池電站作為新生事物，目前還非常缺乏氫氣泄漏的多米諾事故方面的研究。

基于此，本文在氫能電站風(fēng)險(xiǎn)分析中考慮多米諾效應(yīng)，將定量風(fēng)險(xiǎn)分析與設(shè)備受損概率模型[9]相結(jié)合，根據(jù)電站內(nèi)部的特性，構(gòu)建氫能電站多級(jí)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景以及多米諾概率模型，提出針對(duì)性的安全措施，以期為保障氫能電站的安全提供依據(jù)和參考。

1 氫能電站多米諾效應(yīng)概率與風(fēng)險(xiǎn)分析方法

世界上不同學(xué)者針對(duì)“多米諾效應(yīng)”做了不同解釋?zhuān)疚闹胁捎肦eniers等[10]提出的目前最為普遍接受的定義：1種初始事故在同一單元內(nèi)部或臨近單元間傳播的現(xiàn)象，可按順序或同時(shí)地觸發(fā)1個(gè)或多個(gè)二次事故(或多次事故)，最終造成事故總體后果大于初始事故。

本文主要在Cozzani等[9]在多米諾效應(yīng)機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備損壞概率模型，依據(jù)氫能電站內(nèi)多米諾效應(yīng)場(chǎng)景分析結(jié)果，建立多米諾效應(yīng)概率計(jì)算方法，再應(yīng)用到實(shí)際案例，最終通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)軟件將個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)圖直觀表達(dá)出來(lái)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

j代表多米諾效應(yīng)中設(shè)備受影響的次序

1.1 事故后果與風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

挪威船級(jí)社(Det Norske Verotas,DNV)公司開(kāi)發(fā)的SAFETI(Software for Assessment of Flammable,Explosive and Toxic Impacts)軟件集合了世界范圍內(nèi)多年來(lái)災(zāi)難事故(包括氫氣事故)，建立了泄漏事故數(shù)據(jù)庫(kù)[11]。該軟件既可以計(jì)算氫氣泄漏、火災(zāi)、爆炸事故后果影響范圍，也可以用于評(píng)估已知人員分布下的年人員死亡風(fēng)險(xiǎn)概率以及個(gè)人、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，并能夠輸出圖形文件，對(duì)本文研究有很好的適用性。

1.1.1 事故后果影響范圍分析

PEMFC電站的主要事故后果來(lái)源于壓力容器、管道、設(shè)備氫氣泄漏所產(chǎn)生的火災(zāi)、爆炸事故。氫氣的泄漏可分為瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏2種模式。瞬時(shí)泄漏指氫氣設(shè)備的突然爆裂，氣體壓強(qiáng)迅速下降并形成蒸氣云，在擴(kuò)散過(guò)程中被點(diǎn)燃會(huì)形成蒸氣云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)或閃火事故。連續(xù)泄漏的氫氣由于壓差，在泄漏過(guò)程中出現(xiàn)射流，若立即點(diǎn)燃會(huì)形成噴射火，若延遲點(diǎn)燃則會(huì)形成VCE或閃火。初始事故通過(guò)物理效應(yīng)產(chǎn)生的擴(kuò)張向量作用于下一單元，VCE和噴射火對(duì)周?chē)O(shè)備的主要損害方式分別為沖擊波以及熱輻射，由于閃火作用時(shí)間較短，一般不認(rèn)為會(huì)引發(fā)多米諾事故[12]。

根據(jù)危險(xiǎn)單元的受損閾值可確定火災(zāi)、爆炸對(duì)臨近單元的影響范圍，本文分別取造成設(shè)備損壞的熱輻射和超壓閾值為37.5 kW/m2和20 kPa[13]。

1.1.2 個(gè)人、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)指在火災(zāi)爆炸事故后果中某位置處人員個(gè)體死亡概率，采用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線來(lái)表示，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)代表單位時(shí)間內(nèi)(通常為a)1次事故后果中死亡人數(shù)(N)的可能性(F)，取決于個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果與人員密度分布情況，通常用社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線(F-N曲線)表示[14]。

1.2 多米諾效應(yīng)概率計(jì)算方法

在計(jì)算多米諾效應(yīng)概率前，首先需要確定初始事件概率fc，即初始單元X0發(fā)生火災(zāi)爆炸的概率，火災(zāi)、爆炸事故來(lái)源于氫氣的泄漏，初始事件概率fc為氫氣泄漏后發(fā)生各類(lèi)事故的概率與危險(xiǎn)單元自身失效概率fl的乘積。

1.2.1 初始事件概率分析

氫氣泄漏后是否發(fā)生火災(zāi)爆炸與點(diǎn)火概率相關(guān)。立即點(diǎn)火的概率參考“紫皮書(shū)”[15]中給出的數(shù)據(jù)，對(duì)于氫氣取0.2，MHIDAS數(shù)據(jù)庫(kù)[16]中建議延遲點(diǎn)火概率對(duì)生產(chǎn)單元取0.85，儲(chǔ)存單元取0.73，綜合考慮取0.8。其中氣體泄漏后蒸氣云爆炸(VCE)的發(fā)生概率取SAFETI軟件的默認(rèn)值0.4，利用事件樹(shù)可得到氫氣泄漏后各類(lèi)初始事故發(fā)生概率。事件樹(shù)分析如圖2所示，事故發(fā)生概率如表1所示。

圖2 事件樹(shù)分析

表1 發(fā)生氫氣泄漏后各類(lèi)事故發(fā)生概率

1.2.2 擴(kuò)張概率分析

目標(biāo)單元的失效概率通過(guò)設(shè)備損壞的概率模型計(jì)算公式[17]進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示。其中概率單位Y的計(jì)算參考Cozzani等[18]建立的設(shè)備損壞概率單位模型。概率單位見(jiàn)表2。

表2 熱輻射和超壓引發(fā)的設(shè)備損壞概率單位

(1)

式中：Pk為熱輻射(或沖擊波超壓)引起的設(shè)備損壞概率；Y為熱輻射(或沖擊波超壓)的概率單位；x為設(shè)備損壞概率的積分變量。

1.2.3 多米諾效應(yīng)概率模型

多米諾效應(yīng)具有不確定性，為了預(yù)測(cè)多米諾事故擴(kuò)張順序，事故鏈的發(fā)展可基于以下假設(shè)：即受火災(zāi)爆炸影響的二次及以上目標(biāo)單元Xj發(fā)生災(zāi)難性破裂。閃火通常不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，受損單元將以VCE產(chǎn)生的沖擊波作用于下一單元，參考表1中VCE的概率為0.4。通過(guò)以上分析，得到由初始單元X0引發(fā)的多米諾事故場(chǎng)景中，危險(xiǎn)單元Xj發(fā)生多米諾效應(yīng)的概率計(jì)算公式fε(Xj)如式2所示。

(2)

式中：i≥1，j≥0；i為多米諾效應(yīng)等級(jí)；ε為具體事故場(chǎng)景；JF為噴射火(Jet Fire)。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

針對(duì)某在建兆瓦級(jí)氫儲(chǔ)能電站的安全性進(jìn)行研究。該項(xiàng)目利用電解水技術(shù)經(jīng)PEM燃料電池發(fā)電，站內(nèi)最高氫氣壓力等級(jí)為21 MPa。電站布置如圖3所示。經(jīng)辨識(shí)，站內(nèi)危險(xiǎn)單元涉及壓力管道、壓力容器、壓縮機(jī)等，危險(xiǎn)單元信息如表3所示。各危險(xiǎn)單元間的中心距離如表4所示。

表3 危險(xiǎn)單元信息

表4 危險(xiǎn)單元之間的中心距離

圖3 氫能電站平面布置

2.2 初始事故場(chǎng)景與影響范圍分析

根據(jù)氫氣泄漏模式針對(duì)站內(nèi)危險(xiǎn)單元設(shè)定初始事件情景如表5所示。本文取環(huán)境溫度25 ℃、濕度70%、風(fēng)速1.5 m/s、大氣穩(wěn)定度為D的天氣條件，將相關(guān)參數(shù)輸入SAFETI 8.22軟件進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)超壓和熱輻射對(duì)設(shè)備的傷害閾值。初始事故影響范圍的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

表5 初始事故模擬參數(shù)

圖4 不同事故場(chǎng)景下的設(shè)備影響范圍

圖4為不同事故對(duì)設(shè)備的最大傷害距離。VCE事故中的最大傷害距離由場(chǎng)景6中T01瞬時(shí)泄漏造成，達(dá)到了26.46 m。噴射火的最大傷害距離為13.16 m。由此可知在氫能電站氫氣泄漏事故后果中，設(shè)備受損威脅主要來(lái)源于氣云爆炸產(chǎn)生的超壓。

2.3 多米諾效應(yīng)擴(kuò)展場(chǎng)景分析

將圖4中得到的多米諾傷害半徑與電站設(shè)備之間距離(如表4所示)進(jìn)行比較，確定潛在多米諾事故單元，其中壓力管道的多米諾效應(yīng)研究較少，并且通常采用埋地敷設(shè)，在此不作為目標(biāo)單元進(jìn)行分析。經(jīng)分析得到電站內(nèi)所有危險(xiǎn)單元的多米諾效應(yīng)擴(kuò)展模式以及目標(biāo)單元如表6所示。

表6 多米諾事故擴(kuò)展場(chǎng)景

表6中給出由各初始單元引發(fā)多米諾效應(yīng)的擴(kuò)展場(chǎng)景，X0，X1，X2分別代表初始單元、二次事故單元與三次事故單元。除F01和T03外，其余設(shè)備失效均可能引發(fā)多米諾效應(yīng)，事故升級(jí)模式主要為超壓→超壓。站內(nèi)多米諾效應(yīng)最高等級(jí)為二級(jí)。

2.4 多米諾效應(yīng)概率分析

選取P01為初始單元X0，P01在距離T01 1 m位置處發(fā)生氫氣泄漏，通過(guò)模擬計(jì)算得到P01爆炸沖擊波產(chǎn)生的超壓與距離的關(guān)系。超壓與距離曲線如圖5所示。此時(shí)T01受到的超壓值為360 kPa，類(lèi)似地，計(jì)算出二級(jí)單元T03和F01所受的超壓值分別為60，30 kPa。確定目標(biāo)單元所受超壓值后，代入式(1)可求得設(shè)備受損概率。再根據(jù)“紫皮書(shū)”[15]得到P01自身失效概率1×10-6，利用式(1)～(2)計(jì)算可得到多米諾效應(yīng)概率。多米諾效應(yīng)概率如表7所示。

表7 多米諾效應(yīng)概率分析

圖5 沖擊波超壓與距離關(guān)系

2.5 風(fēng)險(xiǎn)定量分析

風(fēng)險(xiǎn)分析包括概率及后果分析，本文運(yùn)用SAFETI 8.22進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析。輸入設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，天氣以及人員分布情況。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線

圖7 不考慮多米諾效應(yīng)、考慮一級(jí)多米諾效應(yīng)下的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)等值線

2.5.1 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)分析

圖6中實(shí)線和虛線分別代表風(fēng)險(xiǎn)值1×10-8/a,1×10-9/a。圖6(a)中未考慮多米諾影響，考慮一級(jí)多米諾效應(yīng)后對(duì)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，1×10-8/a,1×10-9/a風(fēng)險(xiǎn)等值線的區(qū)域均顯著擴(kuò)大，而考慮二級(jí)多米諾效應(yīng)后與一級(jí)多米諾效應(yīng)相比風(fēng)險(xiǎn)等值線范圍無(wú)明顯變化。

2.5.2 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析

電站的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)潛在傷害人員分為2類(lèi):站內(nèi)的工作人員和站外的居民。本文設(shè)電站周?chē)资軅θ丝诰鶆蚍植迹芏葹?.01人/m2，站內(nèi)控制室內(nèi)設(shè)有工作人員3人，計(jì)算得出社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線(F-N曲線)如圖7所示。在不考慮多米諾效應(yīng)時(shí)，僅P01發(fā)生爆炸，造成3人死亡。當(dāng)僅考慮一級(jí)多米諾效應(yīng)時(shí)，最大死亡人數(shù)從3人上升至13人，同時(shí)，考慮一級(jí)多米諾效應(yīng)后曲線整體上升，風(fēng)險(xiǎn)概率整體提高，此時(shí)死亡3人的概率由5×10-8/a上升至7.8×10-8/a，增加了56%。

3 結(jié)論

1)氫能電站由于其布局以及工藝的特殊性，事故的不確定性增加，在氫氣泄漏后可能引發(fā)多米諾效應(yīng)。本文基于多米諾理論，通過(guò)設(shè)備受損概率模型、事件樹(shù)分析針對(duì)氫能電站建立多米諾事故概率模型，通過(guò)此模型可以更詳細(xì)地了解氫能電站設(shè)備受損概率。

2)針對(duì)實(shí)際案例辨識(shí)氫能電站內(nèi)的危險(xiǎn)單元，構(gòu)建多米諾事故場(chǎng)景，分析多米諾事故發(fā)生擴(kuò)展模式，結(jié)果表明，氫能電站內(nèi)危險(xiǎn)設(shè)備較集中，易引發(fā)多米諾事故，多米諾事故升級(jí)模式主要為超壓→超壓，多米諾效應(yīng)等級(jí)最高為二級(jí)。該結(jié)果可為氫能電站的風(fēng)險(xiǎn)防控提供參考。

3)在氫能電站風(fēng)險(xiǎn)分析中，考慮多米諾效應(yīng)能更準(zhǔn)確地反應(yīng)事故危險(xiǎn)性。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可為氫能電站的布局規(guī)劃以及安全屏障的合理分配提供理論參考。