基于多標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證的城市加氫站定量風(fēng)險(xiǎn)分析

收稿日期：2022-08-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB2006305）

通信作者：王海清（1974—），男，博士、教授，主要從事新能源風(fēng)險(xiǎn)防控、工藝災(zāi)害分析等方面的研究。wanghaiqing@upc.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1206 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0459-06

摘 要：針對(duì)不同領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中安全距離計(jì)算的差異性問(wèn)題對(duì)某典型加氫站配置模型進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA），計(jì)算出加氫站設(shè)施與站外防護(hù)目標(biāo)安全距離和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域（氫能領(lǐng)域與危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域）標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證并通過(guò)揭示加氫站氫能標(biāo)準(zhǔn)和危化品標(biāo)準(zhǔn)的適配性差異，為加氫站的設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)控制提供多維度參考。

關(guān)鍵詞：氫；安全；加氫；定量風(fēng)險(xiǎn)分析；多標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：X937""""""""""" """""""""""" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國(guó)對(duì)氫能源需求日益增長(zhǎng)，促進(jìn)加氫站高速發(fā)展，保證加氫站建設(shè)安全是關(guān)鍵的問(wèn)題。目前已有文獻(xiàn)對(duì)加氫站（hydrogen refueling station，HRS）進(jìn)行研究，Ham等［1］總結(jié)出加氫站多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（包括定量風(fēng)險(xiǎn)分析（quantitative risk analysis，QRA））之間的差異和相同之處；Suzuki等［2］進(jìn)一步詳細(xì)構(gòu)建了加氫站內(nèi)外部模型并進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)分析，得出組件的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值；Kwon等［3］用Hy-KoRAM和Phast/Safeti兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分析軟件對(duì)加氫站進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

為了合理建設(shè)加氫站，并滿足《加氫站技術(shù)規(guī)范》（GB 50516—2010）［4］、《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)》（GB 36894—2018）［5］和《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》（GB/T 37243—2019）［6］等標(biāo)準(zhǔn)，需計(jì)算加氫站的安全距離與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值并比較評(píng)估不同標(biāo)準(zhǔn)的差異性、適配性和標(biāo)準(zhǔn)性。

1 加氫站模型及風(fēng)險(xiǎn)量化

1.1 加氫站內(nèi)部模型

加氫站內(nèi)部布局模型如圖1所示，圖中展示出傳統(tǒng)加氫站內(nèi)部模型的布局并描繪了主要設(shè)施具體位置。本文只考慮加氫站中壓縮機(jī)、氣瓶和分配器這3組設(shè)施的氫氣泄漏情景，不考慮加氫站內(nèi)部設(shè)施的3D結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響。假設(shè)每個(gè)設(shè)施的代表性泄漏點(diǎn)為其中心點(diǎn)，例如壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)的代表點(diǎn)在其中心。以加氫站的左下角為仿真研究的坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），相應(yīng)的壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫氣缸和分配器的坐標(biāo)點(diǎn)分別為（12.2，14.95）、（16.23，15.4）和（14.5，5）。

1.2 加氫站周邊模型

由于一般防護(hù)目標(biāo)環(huán)繞加氫站而建，具體分類見(jiàn)表1，防護(hù)目標(biāo)與加氫站之間的距離采用GB 50516—2010中第4部分的站址選擇中加氫站的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火距離，見(jiàn)表2。

表3為規(guī)定的加氫站各設(shè)施與防護(hù)目標(biāo)安全距離與坐標(biāo)（以加氫站左下角為原點(diǎn)），圖2描述了加氫站周邊防護(hù)目標(biāo)到加氫站中各設(shè)施的間距。

1.3 加氫站內(nèi)氫氣流程及設(shè)施組件

從外部供應(yīng)的氫氣由氫氣拖車運(yùn)送到加氫站。用于提供20 MPa的氫氣，然后通過(guò)壓縮機(jī)將氫氣增加到82 MPa以后，將氫氣儲(chǔ)存在氣缸中。將氫氣從氣缸輸送到分配器并充入燃料汽車的儲(chǔ)氫罐（氫氣壓力為82 MPa），在約3 min內(nèi)將氫氣壓力從10 MPa提升到82 MPa。

在每個(gè)設(shè)施中有各種類型的組件，例如氣瓶、閥門和管道等。通過(guò)組件數(shù)量和管道長(zhǎng)度估計(jì)分析事故場(chǎng)景頻率和風(fēng)險(xiǎn)。表4中提供了每個(gè)設(shè)施中的組件數(shù)量。

1.4 QRA方法

QRA可定量計(jì)算出事故的后果，加氫站的QRA操作步驟如圖3所示。

1）定義HRS模型并收集滿足QRA分析的數(shù)據(jù)。

2）危險(xiǎn)識(shí)別并選擇泄漏情景，例如導(dǎo)致噴射火或爆炸的設(shè)施氫氣泄漏情景。

3）風(fēng)險(xiǎn)分析，包括頻率分析、個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。后果分析，例如噴射火或爆炸超壓，超壓事故后果對(duì)站外更具殺傷力。

4）結(jié)合頻率和后果影響計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)人員長(zhǎng)期處于防護(hù)目標(biāo)場(chǎng)所且無(wú)保護(hù)，發(fā)生危險(xiǎn)化學(xué)品事故而導(dǎo)致的死亡頻率，通常由設(shè)施周圍的風(fēng)險(xiǎn)等值線來(lái)體現(xiàn)。

5）將獲得的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

2 氫能領(lǐng)域與危化品領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)管控要求

氫氣同時(shí)屬于氫能領(lǐng)域和?；奉I(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的范疇，因此有必要對(duì)加氫站基于定量風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)多領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證，以確定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)之間的適配性和準(zhǔn)確性。

危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)：

GB 36894—2018規(guī)定了危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值。

GB/T 37243—2019規(guī)定了危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法。

氫能領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)：

GB 50516—2010適用于新建、改建、擴(kuò)建的加氫站工程的設(shè)計(jì)、施工和建造。

2.1 不同領(lǐng)域多標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證

把氫氣視為新能源：采用新能源領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將QRA計(jì)算結(jié)果（安全距離和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值等）或直接與?；窐?biāo)準(zhǔn)對(duì)比。例如：1）采用GB 50156—2010的安全距離并使用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得出個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)再與GB 36894—2018的一般防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)對(duì)比。2）采用GB 50516—2010的安全距離與GB/T 37243—2019的外部安全防護(hù)距離公式計(jì)算得出各類防護(hù)目標(biāo)的安全距離對(duì)比。

把氫氣視為危化品：采用?；奉I(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將QRA計(jì)算結(jié)果（安全距離和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值等）或直接與氫能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。例如：采用GB 36894—2018的一般防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)通過(guò)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得出安全距離再與GB 50516—2010的安全距離對(duì)比。

2.2 同領(lǐng)域多標(biāo)準(zhǔn)交叉驗(yàn)證

采用?；奉I(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將QRA計(jì)算結(jié)果（安全距離和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值等）或直接與其他?；窐?biāo)準(zhǔn)對(duì)比。例如：采用GB 36894—2018求得的安全距離，并使用GB/T 37243—2019的外部安全防護(hù)距離公式計(jì)算得出各類防護(hù)目標(biāo)的安全距離，將計(jì)算得出的安全距離進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4為GB/T 37243—2019外部安全防護(hù)距離確定流程。因?yàn)槌鞘兄兄辉试S建造二級(jí)、三級(jí)加氫站，加氫站的站內(nèi)氫氣儲(chǔ)量不超過(guò)5 t，未達(dá)到危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源的標(biāo)準(zhǔn)，故采用事故后果法判別外部安全防護(hù)距離。

事故后果法是根據(jù)最嚴(yán)重事故情景以及GB/T 37243—2019給出的空氣沖擊波超壓安全閾值，按式（1）計(jì)算出外部安全防護(hù)距離。

[Δp=14×QR+4.3×Q（2/3）R2+1.1×Q（1/3）R3]" （1）

式中：[Δp]——空氣沖擊波閾值超壓值，Pa；[Q]—— 一次爆炸的梯恩梯炸藥當(dāng)量，kg；[R]——爆炸點(diǎn)距離防護(hù)目標(biāo)的距離（視作加氫站最外軸線），m。

3 案例分析

案例中使用HyRAM軟件工具包來(lái)執(zhí)行QRA分析。HyRAM整合了公開(kāi)可用的相關(guān)數(shù)據(jù)和模型來(lái)評(píng)估氫在使用、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等基礎(chǔ)設(shè)施的安全性，并在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算中結(jié)合壓縮氣體和液化燃料的不同設(shè)施組件故障的概率［7］以及熱通量和超壓對(duì)人的影響的概率模型［8］。案例分析步驟為：

1）篩選出9種組件并統(tǒng)計(jì)各設(shè)備組件的數(shù)量，見(jiàn)表4。管道外徑、管道壁厚等其他數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

2）暴露人員位置和數(shù)量由用戶輸入定義。通過(guò)定義每個(gè)人員的每個(gè)維度（[x，y，z]）精確地分配人員位置或使用隨機(jī)采樣的概率分布（均勻或正態(tài)概率分布）在指定范圍定義用戶位置。為貼合實(shí)際情況，目標(biāo)防護(hù)物中暴露人員的分布類型應(yīng)為均勻分布。

3）輻射熱通量的危害和超壓危害通常用熱劑量單位（V）通過(guò)式（2）來(lái)表示熱通量強(qiáng)度和暴露時(shí)間的關(guān)系：

[V=I （4/3）×t]"" （2）

式中：[V]——熱劑量，（W·s）/m；[I]——輻射熱通量，W/m；[t]——暴露持續(xù)時(shí)間，s。

指定的熱概率模型為Tsao，計(jì)算熱劑量函數(shù)的死亡概率[Y1]：

[Y1=-36.38+2.56×lnV]"""""" （3）

式中：[Y1]——熱劑量函數(shù)的死亡概率。

超壓概率模型為lung（Eisenberg），計(jì)算暴露于超壓的死亡概率[Y2]：

[Y2=-77.1+6.91×lnPS]"""""" （4）

式中：[Y2]——暴露于超壓的死亡概率；[pS]——峰值超壓，Pa。

設(shè)計(jì)方案的所有參數(shù)見(jiàn)表5，其他未標(biāo)注的參數(shù)均采用HyRAM中自帶的默認(rèn)值。

3.1 基于不同領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析

如圖2所示，在加氫站四周布置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)中的一般防護(hù)物中各級(jí)別的防護(hù)目標(biāo)，防護(hù)目標(biāo)到加氫站中各設(shè)施的間距采用GB 50516—2010加氫站的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)建物的防火距離。使用HyRAM軟件計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)并與GB 36894—2018的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)對(duì)比。

將表4和表5的數(shù)據(jù)輸入HyRAM計(jì)算得出個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值見(jiàn)表6。將總個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值與GB 36894—2018中防護(hù)目標(biāo)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)中的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表7。各種防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)總和均小于相應(yīng)的各類防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，根據(jù)GB 36894—2018和GB 50516—2010的交叉驗(yàn)證可得出：采用GB 50516—2010加氫站技術(shù)規(guī)范規(guī)定的外部安全距離完全滿足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)。但直接依據(jù)GB 50516—2010規(guī)劃城市中加氫站的周邊建筑，無(wú)法合理規(guī)劃城市中加氫站周邊建筑的布局，根據(jù)GB 36894—2018中各類別防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，使用HyRAM軟件計(jì)算出外部安全距離（采用保守的安全距離）。結(jié)合圖1繪制加氫站及其周邊個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)圖，結(jié)果如圖5所示。最內(nèi)層區(qū)域代表個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)大于3×10-5（次/a）是無(wú)防護(hù)目標(biāo)區(qū)，次內(nèi)層區(qū)域代表個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)介于1×10-5（次/a）和3×10-5（次/a）之間，是三類防護(hù)目標(biāo)區(qū)，只可設(shè)三類防護(hù)目標(biāo)，次外層區(qū)域代表個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)介于1×10-5（次/a）和3×10-6（次/a）之間，可設(shè)二類和三類防護(hù)目標(biāo)，最外層區(qū)域代表個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)小于3×10-6（次/a），可設(shè)全部類別防護(hù)目標(biāo)。

如圖5所示，針對(duì)加氫站北方向的一類防護(hù)目標(biāo)，滿足其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)為3×10-6次/a時(shí)，可將距離加氫站最外軸線的安全距離從24.95 m縮短到12 m。對(duì)于加氫站西方向的二類防護(hù)目標(biāo)，滿足其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)為1×10-5次/a時(shí)，可將距離加氫站最外軸線的安全距離從17.8 m縮短到5 m。至于加氫站南方向的三類防護(hù)目標(biāo)，在滿足其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)為3×10-5次/a時(shí)，可將距離加氫站最外軸線的安全距離從原來(lái)的15.05 m縮短到1 m。

通過(guò)圖5不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)計(jì)算出加氫站周邊各類防護(hù)目標(biāo)的保守安全距離，結(jié)果如表8所示。

3.2 基于同領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析

將表8中的外部安全距離與表9中的外部安全距離進(jìn)行對(duì)比，由表10可知GB 36894—2018的安全距離在一類防護(hù)目標(biāo)的安全距離比GB/T 37243—2019的安全距離在一、二類防護(hù)目標(biāo)的安全距離長(zhǎng)，GB 36894—2018更保守。而GB/T 37243—2019的安全距離在一類防護(hù)目標(biāo)的安全距離比GB36894—2018的安全距離在一、二類防護(hù)目標(biāo)的安全距離長(zhǎng)，GB50516—20251的安全距離是最長(zhǎng)的，是最保守的安全距離。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)詳細(xì)比對(duì)和驗(yàn)證GB 36894—2018、GB 50516—2010和GB/T 37243—2019這3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫氣設(shè)施的安全距離和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值要求，采用國(guó)際知名的HyRAM軟件定量對(duì)加氫站進(jìn)行QRA，對(duì)上述多領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)控制要求進(jìn)行了交叉分析驗(yàn)證，得到以下主要結(jié)論：

1）氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)GB 50516—2010中規(guī)定的安全距離是3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中最保守的，采用該標(biāo)準(zhǔn)的安全距離將完全符合危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，但可能會(huì)由于過(guò)于保守而浪費(fèi)城市土地及建站與供氫成本激增。

2）針對(duì)傳統(tǒng)危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域，通過(guò)GB 36894—2018和GB/T 37243—2019兩個(gè)?；奉I(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，GB/T 37243—2019規(guī)定的三類防護(hù)目標(biāo)的安全距離更保守，GB 36894—2018規(guī)定的一、二類防護(hù)目標(biāo)的安全距離更保守。加氫站可依據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)GB 36894—2018的各類防護(hù)目標(biāo)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，通過(guò)HyRAM計(jì)算出各類防護(hù)目標(biāo)的安全距離。

3）危險(xiǎn)化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)適用范圍更廣，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)若用于加氫站的設(shè)計(jì)和建造，風(fēng)險(xiǎn)值會(huì)偏大。而氫能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫安全更加細(xì)致保守，風(fēng)險(xiǎn)值更小，更加適用于氫能源化工企業(yè)。不同標(biāo)準(zhǔn)交互比對(duì)可讓優(yōu)勢(shì)最大化，使QRA結(jié)果更加可靠。為交叉分析方法在其他新能源加工領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

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QUANTITATIVE RISK ASSESSMENT OF URBAN HYDROGEN FUELLING STATIONS BASED ON MULTI-STANDARD CROSSANALYSIS

Wang Haiqing1，Zuo Honge1，Zheng Wei2，Ma Jiawen1

（1. Department of Safety Science amp; Engineering， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China；

2. Hangzhou Hande Quality Certification Service Co.， Ltd.， Shanghai Branch， Shanghai 200072， China）

Abstract：Addressing the variability of safety distance calculations in national standards for different fields quantitative risk analysis （QRA） was carried out on a typical hydrogen fuelling station configuration model， and the safety distance and personal risk between the hydrogen fuelling station facilities and the protection targets outside the station were calculated. The cross-validation of standards in many fields （hydrogen energy field and hazardous chemicals field） was realized， and the adaptability difference between hydrogen energy standards and hazardous chemicals standards in hydrogen fuelling stations was revealed， which provided a multi-dimensional reference for the design， construction and risk control of hydrogen fuelling stations.

Keywords：hydrogen； safety； hydrogenation； quantitative risk assessment； multi-standard crossanalysis