定量風(fēng)險(xiǎn)分析(QRA)在加氫站安全評(píng)估中的應(yīng)用

佛燃能源集團(tuán)股份有限公司 李 彤

加氫站是交通氫產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。截止2021年年底，我國(guó)已建成的加氫站超250座。佛山市作為廣東氫車(chē)示范群的牽頭市，積極謀劃交通氫能，目前已具有國(guó)內(nèi)數(shù)量最多的加氫站網(wǎng)絡(luò)。作為佛山的能源支柱企業(yè)，佛燃能源集團(tuán)正由城燃向綜合能源企業(yè)轉(zhuǎn)型，南莊和明城“制加氫一體站”對(duì)華南乃至國(guó)內(nèi)加氫站的發(fā)展都具有里程碑意義。

1 QRA流程

定量風(fēng)險(xiǎn)分析QRA(Quantitative Risk Analysis)是評(píng)估國(guó)際加氫站安全距離的通用方法，國(guó)內(nèi)已在化工領(lǐng)域普遍應(yīng)用。QRA可準(zhǔn)確識(shí)別和量化分析各類(lèi)裝置的泄漏、火災(zāi)、爆炸及中毒等事故發(fā)生頻率及其后果嚴(yán)重程度，并描述裝置危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)概率。

氫是一種點(diǎn)火能極低、爆炸極限寬的易燃易爆介質(zhì)，發(fā)生事故也會(huì)造成嚴(yán)重后果。國(guó)家雖已頒布了GB 50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021版)》和GB 50156-2021《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，但上述標(biāo)準(zhǔn)主要沿用加油加氣站經(jīng)驗(yàn)，其站外防火距離缺乏實(shí)證支撐，對(duì)我國(guó)更大范圍地普及加氫站有一定制約。因此有必要在加氫站選址中引入QRA作為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。

加氫站QRA的具體工作流程，如圖1所示。

圖1 加氫站QRA的工作流程

工作流程即先確定涉氫的風(fēng)險(xiǎn)模型，包括基本模型、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和量化傷損等；再針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目，掌握其設(shè)計(jì)條件和自然條件，即獲取平面布置、工藝流程和設(shè)備配置；然后將兩類(lèi)條件作為參數(shù)輸入數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；最后依據(jù)分析結(jié)果評(píng)估項(xiàng)目的安全性(如站外防護(hù)距離)，從而為項(xiàng)目選址提供可量化的決策。

2 風(fēng)險(xiǎn)模型

涉氫的風(fēng)險(xiǎn)模型，包括基本模型、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和量化傷損等。

2.1 基本模型

基本模型主要包括：氫點(diǎn)火概率模型、爆炸模型(如TNO)和氫射流模型。

2.1.1 氫點(diǎn)火概率模型

傳統(tǒng)氫點(diǎn)火概率是氫釋放量的階梯函數(shù)。該類(lèi)函數(shù)只取決于初始釋放速率，未計(jì)入氫積累影響。為此，挪威民防局建議使用修正后的HYEX函數(shù)[1]。其修正依據(jù)是在較大泄漏流量下，氫在漏點(diǎn)停滯時(shí)間更長(zhǎng)，湍流會(huì)變小，導(dǎo)致點(diǎn)火能降低，因此點(diǎn)火概率會(huì)增加，更趨平滑。本文取修正后的HYEX函數(shù)。對(duì)于點(diǎn)火概率分配方面，可把2/3認(rèn)為是立即點(diǎn)火，1/3是人為延遲點(diǎn)火。

2.1.2 TNO模型

蒸汽云爆炸有TNT、TNO及基于各類(lèi)CFD的模型。本文取TNO模型。TNO模型針對(duì)不同燃燒速度下的蒸汽云爆炸，對(duì)應(yīng)有一組能量曲線(xiàn)，編號(hào)由1到10，1號(hào)最弱，10號(hào)最強(qiáng)，可精確區(qū)分氫爆炸強(qiáng)度[2]。開(kāi)放空間的氫擴(kuò)散存在爆燃效果，可選5號(hào)曲線(xiàn)。加氫站工藝區(qū)因長(zhǎng)管拖車(chē)、壓縮機(jī)及儲(chǔ)氫容器分布較密，氫泄漏后會(huì)沖擊實(shí)體、形成火焰加速效應(yīng)，可能存在微爆轟效果，故選擇8號(hào)曲線(xiàn)。

2.1.3 氫射流模型

早年開(kāi)發(fā)的半經(jīng)驗(yàn)射流模型主要針對(duì)甲烷等碳?xì)浠衔?，而?duì)于氫射流，原模型已不適用。美國(guó)AP公司的Miller于2017年提出了針對(duì)氫的專(zhuān)用射流模型。該模型較好地考慮了側(cè)風(fēng)及火焰抬升效應(yīng)，并得到挪威船級(jí)社(DNV)和 AP公司實(shí)證。本文采用這種針對(duì)氫的專(zhuān)用射流模型。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)區(qū)分個(gè)人和社會(huì)兩種。

GB 36894-2018《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》之3.2節(jié)規(guī)定了危險(xiǎn)化學(xué)品產(chǎn)儲(chǔ)設(shè)施的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，適用于化工項(xiàng)目選址的風(fēng)險(xiǎn)判定。本文遵循其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)，把一般防護(hù)目標(biāo)中的一類(lèi)目標(biāo)作為加氫站的風(fēng)險(xiǎn)判定，取值3×10-7次/a。

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)體現(xiàn)于群體在危險(xiǎn)區(qū)承受傷害的頻發(fā)程度，與區(qū)內(nèi)人口數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)接受程度等相關(guān)，需具體項(xiàng)目逐一分析，本文不做考慮。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

本文以常規(guī)氣態(tài)加氫站為對(duì)象，構(gòu)建事件樹(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，如圖2所示。

圖2 氣態(tài)加氫站事件樹(shù)

氣態(tài)氫氣泄漏的后果主要有噴射火、閃火、蒸汽云爆炸及火球(液氫另考慮有池火)。初始事故風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，立即點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生噴射火，延遲點(diǎn)火會(huì)出現(xiàn)閃火和蒸汽云爆炸，其中噴射火和閃火的后果影響距離對(duì)應(yīng)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的防火距離。

在初始事故作用下，時(shí)空間維度上都可能產(chǎn)生次生事故，引發(fā)多米諾效應(yīng)，從而導(dǎo)致疊加風(fēng)險(xiǎn)。如在延遲點(diǎn)火時(shí)，蒸汽云爆炸后會(huì)再引發(fā)噴射火、閃火或火球。但鑒于蒸汽云爆炸影響(超壓)不涉及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的防火距離，故本文將計(jì)入多米諾及蒸汽云爆炸后的影響距離定義為防護(hù)距離，以示區(qū)別。

2.4 量化傷損

GB 50516-2010中規(guī)定的防火距離主要針對(duì)火災(zāi)，傷害原因是高溫火焰的熱輻射。表1摘錄了典型熱輻射強(qiáng)度(依次為37.5 kW/m2、12.5 kW/m2、4.7 kW/m2)所對(duì)應(yīng)的傷損值。

表1 典型熱輻射強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的傷損值

雖然現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的防火距離只針對(duì)熱輻射，但對(duì)易爆的氫而言，玻璃破碎、房屋破壞及人員內(nèi)臟損傷等超壓影響不容忽視，具體見(jiàn)表 2。建議計(jì)算防護(hù)距離時(shí)一并考慮。

表2 超壓的傷損值

2.5 數(shù)值模擬軟件

常用軟件包括Phast、FLACS和Fluent等。本文先采用Phast & SAFETI軟件模擬，再通過(guò)頻率歸集，最終確定影響范圍。Phast & SAFETI軟件由挪威船級(jí)社(DNV)開(kāi)發(fā)，是世界公認(rèn)最全面的危害分析平臺(tái)。其計(jì)算覆蓋初始泄漏到遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散的全過(guò)程，對(duì)氫射流模型也進(jìn)行了優(yōu)化，更趨于實(shí)際，能有效模擬氫泄漏引起的熱輻射和超壓等后果。

3 實(shí)例項(xiàng)目條件

加氫站QRA分析可按照?qǐng)D1所示的工作流程，在確定風(fēng)險(xiǎn)模型前提下，輸入項(xiàng)目的設(shè)計(jì)條件和自然條件。本文以華南地區(qū)日加注能力1 000 kg的某加氫站為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 平面布置

該加氫站用地面積約3 000 m2，東側(cè)與丙類(lèi)廠(chǎng)房相距21 m，南側(cè)距市政道路12 m(路東南有一處公寓，限于圖幅未顯示)，西靠魚(yú)塘及棚屋，北側(cè)為農(nóng)田，如圖3所示。

圖3 華南某加氫站的平面布置(m)

站內(nèi)工藝設(shè)施已遵循 GB 50516-2010之表4.0.4A，與站外的重要公共建筑、民用建筑、廠(chǎng)房及道路等均保持最小防火距離。

加氫站平面分三個(gè)區(qū)域：生產(chǎn)區(qū)、輔助區(qū)及加氫區(qū)。生產(chǎn)區(qū)布置長(zhǎng)管拖車(chē)車(chē)位、儲(chǔ)氫容器、壓縮機(jī)及其配套冷卻機(jī)組；輔助區(qū)是站內(nèi)的運(yùn)營(yíng)管理用房，包括值班室、控制室及機(jī)柜室；加氫區(qū)由罩棚及位于其下的凸島和加氫機(jī)組成。

該項(xiàng)目自當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)獲取了風(fēng)力條件，其風(fēng)頻風(fēng)向數(shù)據(jù)位于圖右上角。

3.2 工藝流程及設(shè)備配置

加氫站內(nèi)的主要工藝設(shè)備包括長(zhǎng)管拖車(chē)、卸氣柱、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫容器和加氫機(jī)。35 MPa加氫站工藝流程如圖4所示。

圖4 35 MPa加氫站工藝流程

長(zhǎng)管拖車(chē)將壓力不高于20 MPa的高壓氣氫由氫源地運(yùn)至加氫站，再通過(guò)站內(nèi)壓縮機(jī)將氫增壓至站內(nèi)45 MPa儲(chǔ)氫容器。外來(lái)燃料電池汽車(chē)加氫時(shí)，由儲(chǔ)氫容器輸出氫，再通過(guò)加氫機(jī)加注到車(chē)輛的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶中；70 MPa加氫站再增設(shè)一級(jí)壓縮，工藝流程基本同35 MPa加氫站。

35 MPa加氫站工藝流程分5段，各段處于相應(yīng)壓力、溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的泄漏口徑、泄漏流量、泄漏頻率和點(diǎn)火概率參數(shù)見(jiàn)表3，工藝設(shè)備具體配置見(jiàn)表4。

表3 工藝流程各段對(duì)應(yīng)參數(shù)

表4 工藝設(shè)備配置

4 QRA分析

本文根據(jù)圖1輸入風(fēng)險(xiǎn)模型和項(xiàng)目條件后進(jìn)行過(guò)程分析和結(jié)果分析，

4.1 過(guò)程分析

氫泄漏后的場(chǎng)景包括三個(gè)層次，依次為泄漏擴(kuò)散、初始事故風(fēng)險(xiǎn)以及多米諾效應(yīng)引發(fā)的疊加風(fēng)險(xiǎn)。以下是各層次過(guò)程分析的示例。

4.1.1 泄漏擴(kuò)散

GH1為卸氣柱到壓縮機(jī)前的管段，漏孔尺寸5 mm，泄漏質(zhì)量流量0.2 kg/s。以該管段為例分析氫泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景。

根據(jù)計(jì)算，100% LFL(可燃濃度下限)主要集中在站內(nèi)，50% LFL擴(kuò)展至站外20 m處。當(dāng)漏孔高度1 m時(shí)，100% LFL的氫擴(kuò)散距離為13.5 m，50%LFL的氫擴(kuò)散距離為29 m，尤其是50% LFL的氫云有明顯“抬升”現(xiàn)象，與氫射流模型形態(tài)相似。

4.1.2 初始事故風(fēng)險(xiǎn)

(1) 熱輻射。以噴射火為例。氫泄漏后立即點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生噴射火，其引發(fā)的熱輻射會(huì)對(duì)設(shè)施和人員造成傷損。

根據(jù)模擬計(jì)算，熱輻射強(qiáng)度37.5 kW/m2的影響范圍集中在站內(nèi)壓縮機(jī)及儲(chǔ)氫容器附近。此范圍內(nèi)的設(shè)備將會(huì)發(fā)生損害，人員也將在1 min內(nèi)100%死亡，但對(duì)站外設(shè)施及人員沒(méi)有影響。熱輻射強(qiáng)度4.7 kW/m2的影響范圍為(站外)壓縮機(jī)北側(cè)33 m處及長(zhǎng)管拖車(chē)東側(cè)24 m處。此范圍內(nèi)人員暴露16 s，裸膚有痛感，也應(yīng)考慮防護(hù)。東側(cè)廠(chǎng)房和東南角公寓則處于4.7 kW/m2影響范圍外，不受影響，能滿(mǎn)足各自的生產(chǎn)生活需要。

(2) 超壓。對(duì)蒸汽云爆炸的超壓后果進(jìn)行模擬，其行業(yè)爆炸風(fēng)險(xiǎn)累計(jì)頻率位于10-4次/a至10-5次/a之間，并取2 kPa作為安全閾值(對(duì)應(yīng)窗玻璃破碎)。

結(jié)果顯示，在10-4次/a累計(jì)頻率時(shí)，2 kPa最大影響距離在儲(chǔ)氫瓶組北側(cè)61 m處，而累計(jì)頻率為10-5次/a時(shí)，2 kPa最大影響距離迅速擴(kuò)大至壓縮機(jī)西側(cè)133 m處。因此，超壓沖擊波對(duì)頻率取值十分敏感，需在分析中重視，建議取中間值，如5×10-4次/a。

4.1.3 疊加風(fēng)險(xiǎn)

以噴射火為例，考慮多米諾效應(yīng)后的疊加風(fēng)險(xiǎn)，初始風(fēng)險(xiǎn)與疊加風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)距離對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 初始風(fēng)險(xiǎn)與疊加風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)距離對(duì)比 m

可見(jiàn)，疊加風(fēng)險(xiǎn)后的防護(hù)距離與初始風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)距離相比，增量只有1～3 m，部分項(xiàng)甚至不變(如熱輻射強(qiáng)度為4.7 kW/m2)，均滿(mǎn)足加氫站標(biāo)準(zhǔn)的防火距離。

初步推斷，疊加風(fēng)險(xiǎn)影響并不顯著，所以對(duì)于實(shí)際項(xiàng)目，建議可按初始風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算防護(hù)距離，以便簡(jiǎn)化過(guò)程分析。但當(dāng)計(jì)算值接近標(biāo)準(zhǔn)的防火距離時(shí)，還應(yīng)校核疊加風(fēng)險(xiǎn)影響。

4.2 結(jié)果分析

通過(guò)泄漏、熱輻射、超壓及其多米諾效應(yīng)等后果的多重場(chǎng)景疊加，最終得到基于個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)距離。我國(guó)對(duì)一般防護(hù)目標(biāo)特定風(fēng)險(xiǎn)概率規(guī)定：一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)為3×10-7/a，二類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)為3×10-6/ a，三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)為 1×10-5/ a。

按照3×10-7/ a的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)，東南西北各側(cè)的防護(hù)距離依次為77 m、66 m、76 m和81 m，站外防護(hù)距離的變化受到站內(nèi)設(shè)備布置及當(dāng)?shù)仫L(fēng)力條件的共同作用。站外道路南側(cè)的公寓屬于民用建筑，應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足一類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)要求。站外東側(cè)的廠(chǎng)房屬于工業(yè)建筑，應(yīng)滿(mǎn)足二類(lèi)或三類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)要求。其中，二類(lèi)要求當(dāng)班人數(shù)可大于100人，三類(lèi)必須小于100人。該廠(chǎng)房實(shí)際位于3×10-6/a風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)線(xiàn)范圍外，滿(mǎn)足二類(lèi)要求的風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)距離，不需要限制其當(dāng)班人數(shù)。但如果位于1×10-5/a基準(zhǔn)線(xiàn)之間，則加氫站選址建議退讓或該廠(chǎng)房當(dāng)班人數(shù)應(yīng)作限制。

最終，該加氫站與周邊設(shè)施及人員均滿(mǎn)足QRA防護(hù)距離的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)控制要求，選址合理，從而降低了今后可能發(fā)生的事故所引發(fā)的傷損。

5 安全對(duì)策

QRA結(jié)果還能反饋至加氫站的設(shè)計(jì)條件，建議采用的安全對(duì)策如下：

(1) 設(shè)置過(guò)流閥?？刂茪湫孤┝磕軠p小熱輻射范圍及對(duì)應(yīng)防護(hù)距離。無(wú)措施時(shí)管道泄漏時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá) 40 min，過(guò)流閥能在泄漏后及時(shí)切斷(現(xiàn)僅為GH5段選裝件)。如在工藝流程各段增設(shè)過(guò)流閥(尤其是涉及儲(chǔ)氫的GH1和GH3段)，可有效控制單次泄漏量，縮短泄漏時(shí)間，從而降低傷損。

(2) 優(yōu)化防爆墻方位?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅要求卸車(chē)位設(shè)防爆墻。QRA表明，應(yīng)針對(duì)站外的特定風(fēng)險(xiǎn)要素(建筑及人員聚集點(diǎn))及其風(fēng)險(xiǎn)偏好，再優(yōu)化結(jié)構(gòu)墻的布置方位，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御功能。

(3) 附加防火材料。氫泄漏后的水平射流長(zhǎng)，會(huì)造成周邊設(shè)施燒毀，進(jìn)而引發(fā)更大的泄漏和危害。為根本上消除該類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)，建議站內(nèi)設(shè)施(含管系)有條件的可包裹阻燃材料(如泡沫玻璃)或涂敷有效耐火涂料。

(4) 探索地下儲(chǔ)氫。目前絕大多數(shù)加油站和部分加氣站已設(shè)置為地下儲(chǔ)罐，可基本消除火災(zāi)蔓延的多米諾效應(yīng)。加氫站也可探索設(shè)置埋地覆土罐或地下井的型式，以降低疊加次生事故風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

2022年3月國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》，氫作為清潔綠色的零碳能源受到極度重視，從而促進(jìn)了加氫站的飛速發(fā)展。在加氫站的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，QRA法能對(duì)加氫站的事故風(fēng)險(xiǎn)及其后果進(jìn)行科學(xué)量化。本文通過(guò)實(shí)例，提供了該方法的具體操作步驟，也驗(yàn)證了其有效性。建議今后在加氫站的選址和設(shè)計(jì)中，應(yīng)用QRA作為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)外的輔助決策工具。