加氫站定量風險評估和防控策略研究

上海能源建設工程設計研究有限公司 胡 瑛

當前我國氫能產業(yè)正處于快速發(fā)展期，中央及地方政府的氫能政策密集出臺，氫燃料電池技術快速迭代，推動氫能在交通領域駛入快車道。其中加氫站是氫燃料電池汽車實現商業(yè)化的關鍵基礎設施，在氫能產業(yè)鏈中扮演著重要的角色。根據中國氫能源及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟統(tǒng)計，截至2022年底，我國累計建成加氫站358 座，其中在營245 座。2022年全國新建加氫站109 座，新增加氫站數量位居當年世界第一[1]。到2025年，我國加氫站的建設目標為至少1 000 座，到2035年加氫站的建設目標為至少5 000 座[2]。推進加氫站的規(guī)劃建設，是實現碳達峰、碳中和目標，完成能源結構轉型的重要舉措。

1 加氫站安全重要性

隨著氫能交通應用場景的快速拓展，加氫站建設數量日益增加，加氫站越來越頻繁地出現在公眾視線里。由于氫氣密度低、擴散系數大、自燃溫度低、爆炸范圍大(爆炸極限為4.0%～75.9%)，泄漏后極易擴散和自燃，若在有限空間泄漏后未及時消散，達到爆炸極限后經點火極易引發(fā)爆炸事故。安全是氫能產業(yè)健康有序發(fā)展的必要前提，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合印發(fā)的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021－2035年)》中明確提出“把安全作為氫能產業(yè)發(fā)展的內在要求”。

國內已出臺GB 50516－2010《加氫站技術規(guī)范(2021 版)》等現行標準，但該類標準對于加氫站安全距離的規(guī)定是基于加油加氣站的設計經驗，而對加氫站安全距離的控制缺少切實的理論依據。因此，本文研究中采用定量風險評估的方法，對加氫站氫氣火災和爆炸的后果進行定量化分析和計算，并采取必要的防護措施，能夠為加氫站的選址、設計提供參考依據。

2 加氫站風險識別

加氫站氫氣連續(xù)泄漏后產生的后果主要有噴射火、閃火、爆炸。在立即點燃時，氫氣燃燒形成的噴射火產生大量熱輻射。在延遲點燃時，若氣流沖擊波未出現明顯加速，則形成閃火；若氣流沖擊波速度足夠高并產生明顯的超壓時，則形成爆炸。若氫氣泄漏后沒有遇到點火源，將會安全擴散。氫氣連續(xù)泄漏事件樹，如圖1所示。

圖1 氫氣連續(xù)泄漏事件樹

GB/T 37243－2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》規(guī)定了不同熱輻射強度對人體造成的損害。表1 列出了4 種典型熱輻射強度(37.5 kW/m2、12.5 kW/m2、6.3 kW/m2、4.7 kW/m2)條件下，加氫站熱輻射對設備和人造成的后果。該標準對閃火的后果也做了相應規(guī)定：閃火火焰區(qū)域內，人員死亡概率為100%；閃火火焰區(qū)域外，熱輻射強度造成的后果隨距離增加而逐漸降低，直至對設備和人員沒有傷損。

表1 4 種典型熱輻射強度造成的后果

雖然現行加氫站標準中的防火距離考慮了熱輻射的影響，但從保障人員安全、減少對建筑破壞的角度出發(fā)，還須關注超壓對建筑和人員的影響。GB/T 37243－2019 分別規(guī)定了超壓對建筑物和人員的影響。表2 選取3 種典型超壓值對建筑的影響及2 種典型超壓值對人的影響，并在下文中重點分析加氫站超壓對建筑的影響后果。

表2 典型超壓值造成的后果

3 加氫站定量風險評估實例

本文以上海某氣態(tài)三級加氫站(站內儲氫容器容量≤3 000 kg)作為定量風險評估的對象。

3.1 加氫站概況

加氫站用地面積約0.3 hm2，距離南側道路邊線約13.0 m，距離東部丙類廠房建筑邊線約20.0 m，北側和西側為綠化、大棚等，如圖2所示。防火距離滿足GB 50516－2020《加氫站技術規(guī)范(2021版)》的有關規(guī)定。加氫站內分為3 個區(qū)域，分別是工藝區(qū)、加注區(qū)、綜合服務區(qū)。工藝區(qū)位于加氫站北側，設有2 臺45 MPa 壓縮機組、45 MPa 儲氫瓶組、20 MPa 長管拖車等；加注區(qū)位于加氫站南側，設有加氫機組(含2 臺雙槍35 MPa 加氫機)；綜合服務區(qū)位于加氫站西側，設有變配電間、控制室、值班室、衛(wèi)生間、便利店等。

圖2 加氫站布局示意

3.2 加氫站工藝流程

加氫站的工藝流程如圖3所示。長管拖車將氫氣運送到加氫站后，通過站內壓縮機組將氫氣進一步壓縮，再通過順序控制柜輸送至儲氫瓶組中進行分級儲存。當需要給燃料電池汽車提供加注服務時，氫氣從儲氫瓶組輸出至加氫機，加注至燃料電池汽車的儲氫瓶內。

圖3 加氫站工藝流程示意

3.3 加氫站定量風險評估

3.3.1 風險模擬分析流程

本文運用Phast 軟件分析加氫站的火災和爆炸事故后果。首先分析加氫站的工藝流程，根據閥門位置把工藝流程劃分為不同的隔離單元；在設定氫氣設施泄漏頻率、泄漏孔直徑之后計算泄漏量等主要參數；然后在Phast 軟件中設置點火概率模型、根據加氫站設施布局的阻塞程度選取TNO 多能法爆炸強度曲線(該曲線共10 條，第1 條阻塞程度最弱，第10 條阻塞程度最強)等；接著開展模擬研究和影響評估；最后根據模擬結果判定后果是否可以接受，若不能接受則提出改進措施，重新進行分析和模擬。加氫站風險模擬分析流程，如圖4所示。

圖4 加氫站風險模擬分析流程

3.3.2 參數設置

根據閥門(如放空閥、安全閥)位置和操作條件，把工藝流程劃分為不同的隔離單元，見圖3，分析氫管道泄漏孔徑、泄漏頻率、泄漏流量等泄漏參數，在軟件中設置經計算的點火概率，選擇TNO 多能法爆炸強度曲線等。工藝流程主要參數設置見表3。

從表3 可看出，儲氫瓶組出口(管段⑤－⑥)泄漏流量大、發(fā)生頻率高。依據行業(yè)內中石化等大型企業(yè)以及美國、東南亞等國家和地區(qū)類似項目的取值經驗，除特殊說明外，本文火災和爆炸事故累積發(fā)生頻率取值為10－4/a，即萬年一次。

3.3.3 模擬結果

本文對加氫站噴射火、閃火及爆炸的后果進行模擬，并對模擬后果圖做了簡化，具體如下。

(1)噴射火。當氫氣泄漏后若立即點燃，形成噴射火，分布于儲氫瓶組、加氫機組等氫氣泄漏的位置。噴射火熱輻射模擬結果如圖5所示：火災熱輻射強度37.5 kW/m2的影響距離集中于氫氣泄漏出口；12.5 kW/m2的最大影響距離11 m(與氫氣長管拖車卸車位的相對距離)；6.3 kW/m2的最大影響距離16 m(與高壓儲氫瓶組的相對距離)；4.7 kW/m2的最大影響距離為20 m(與高壓儲氫瓶組的相對距離)。

(2)閃火。氫氣泄漏后若延遲點燃，即形成閃火，閃火范圍線如圖6所示。閃火后果影響區(qū)域分布在高壓儲氫瓶組和加氫機組附近，未超出工藝區(qū)和加注區(qū)范圍。

(3)爆炸。當氫氣泄漏后延遲點燃，若氣流沖擊波速度足夠高并產生明顯的超壓時，形成爆炸。爆炸模擬結果如圖7所示，34.5 kPa 范圍線位于加氫站工藝區(qū)內，6.9 kPa 范圍線大部分位于加氫站內，小部分位于加氫站北側空地，4.8 kPa 最大影響距離在儲氫瓶組北側約23 m 處，此范圍外人員基本無影響。東側工業(yè)廠房處于4.8 kPa 影響范圍外，能滿足正常生產需要。

圖7 爆炸熱輻射強度范圍線

在加氫站規(guī)劃設計時，建議加氫站工藝區(qū)布置不宜靠近圍墻邊界，減少事故發(fā)生時對外界的影響。在加氫站內部布置工藝區(qū)困難時，可將工藝區(qū)布置在其相鄰外部空間為空地或人員極少到達的區(qū)域。

3.3.4 采取措施后模擬結果

從模擬結果可以看出，在累積發(fā)生頻率為萬年一次的前提下，該加氫站火災和爆炸事故不會對站外人員產生死亡風險，無需采取額外的防控措施。但考慮到加氫站建設條件的差異性，部分加氫站因安全距離因素導致選址困難，進一步研究后提出兩項措施：一是在加氫站工藝設施區(qū)構建防護墻(工藝范圍見圖3 中②－⑥)，防護墻高度3 m。防護墻能夠把泄漏氫氣的擴散范圍及噴射火強熱輻射范圍限制在防護墻內。二是在儲氫瓶組下游側增設過流切斷閥(圖3 標注的A 位置)，在管道泄漏、氫氣流速過大時及時切斷。

(1)噴射火。采取措施后的噴射火熱輻射模擬結果(參照圖5)：火災熱輻射強度12.5 kW/m2的范圍線從11 m(與氫氣長管拖車卸車位的相對距離)降至3 m，6.3 kW/m2的范圍線從16 m(與高壓儲氫瓶組的相對距離)降至6 m，4.7 kW/m2的范圍線從20 m(與高壓儲氫瓶組的相對距離)降至7 m。站外建筑和人員幾乎不受影響。

(2)閃火。采取措施后，工藝區(qū)已無累積發(fā)生頻率為10－4/a 的閃火后果，站外建筑和人員也不受影響。

(3)爆炸。采取措施后，工藝區(qū)內已無累積發(fā)生頻率為10－4/a 的爆炸后果，防護墻有效降低爆炸對于防護墻外的影響。

4 加氫站安全風險防控策略

根據加氫站定量風險識別及定量風險模擬結果，本文對加氫站提出如下風險防控建議措施：

(1)優(yōu)化站點建設布局。加氫站在選址階段應根據城鎮(zhèn)規(guī)劃、環(huán)境保護和節(jié)約能源、消防安全等要求進行站點布局，應該設置在交通方便的位置，且應避開多塵或有腐蝕性氣體及地勢低洼和可能積水的場所。

(2)采取工程保護措施。加氫站工程保護措施包括設置過流切斷閥、合理布局站內建構筑物、采用防火防爆材料等。過流切斷閥可以在泄漏事故發(fā)生時及時切斷，減小火災和爆炸事故的影響范圍；根據定量風險評估確定的爆炸沖擊波壓力梯度分布，在總圖設計時更合理地布置站內建構筑物；加氫站內的設施在有條件的情況下可采用防火防爆材料或涂敷耐火涂料。

(3)強化站內安全管理。加氫站內安全管理手段包括定期檢查氫氣工藝和自控等設施、加強工作人員的培訓、建立站外應急管理聯動機制等。加氫站內成套設備設施應由具有資質的單位生產并具有合格證明文件，合格驗收后方可進入調試階段，并在投入運行后定期進行設備檢查；提高加氫站工作人員的操作技術和安全意識，制定完善的加氫操作規(guī)程、檢維修作業(yè)規(guī)程并監(jiān)督執(zhí)行；建立突發(fā)事件應急聯動工作機制，加強站內外突發(fā)事件信息共享，統(tǒng)籌調配力量物資，確保能第一時間聯合應對處置。

5 結語

發(fā)展氫能產業(yè)要堅持安全優(yōu)先的基本原則，建立健全氫能安全監(jiān)管制度和標準規(guī)范，強化重大安全風險的預防和管控，提升全過程安全管理水平，確保氫能利用安全可控。采用定量風險評估的方法，科學量化加氫站的火災和爆炸事故風險，可作為加氫站規(guī)劃、設計、審批的輔助決策依據。同時，采取必要的風險防控策略，進一步降低事故發(fā)生可能性和后果影響程度，并可為加氫站的選址、設計提供更多選擇。