基于QRA法的氫氣管束車事故后果模擬分析

石羽峰，張?zhí)m，寧詩航，李瑞

(1.重慶科技大學(xué)，重慶 401331；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 401331)

0 引言

當(dāng)前，為響應(yīng)國家氫能源發(fā)展戰(zhàn)略，一些氣體生產(chǎn)經(jīng)營公司與能源研究院聯(lián)合共建氫燃料發(fā)動機(jī)耐久實驗項目(以下簡稱“實驗項目”)，通過采用魚雷管束車和管道供氫的方式對氫燃料電池發(fā)動機(jī)供氫，產(chǎn)出的氫氣用于補(bǔ)給實驗用氫管路，形成氫氣與電的循環(huán)利用。其中氫氣管束車由氫氣瓶組、管路、閥門和測量設(shè)備等組成。氫氣屬于易燃?xì)怏w，在空氣中最小點(diǎn)火能為0.019 MJ，在氧氣中最小點(diǎn)火能為0.007 MJ，一般情況下的撞擊、摩擦、不同電位之間的放電、各種易燃物的引燃、明火、熱氣流、高溫?zé)煔狻⒗纂姼袘?yīng)、電磁輻射等都能引起氫氣與空氣混合物的燃燒。因此，本文基于QRA評價法模擬分析氫氣管束車在作業(yè)過程中若發(fā)生氫氣泄漏可能造成的噴射火災(zāi)、蒸氣云爆炸和壓力容器爆炸等事故后果，并結(jié)合項目實際情況提出有針對性的安全對策措施和建議，具有一定實踐指導(dǎo)和參考意義。

1 項目概況

該項目位于重慶市大渡口區(qū)某工業(yè)園C區(qū)某氣體生產(chǎn)經(jīng)營公司東南角空地內(nèi)，主體裝置包括氫氣管束車、低壓撬裝式減壓系統(tǒng)、氫氣管網(wǎng)、試驗車間(甲類廠房)，其中氫氣管束車布置在場地東側(cè)、試驗車間布置在場地西側(cè)、調(diào)壓撬位于試驗車間與氫氣管束車之間、氫氣放空管位于調(diào)壓撬北側(cè)。由第三方供應(yīng)的氫氣管束車放置在管束車區(qū)域，通過低壓撬裝式減壓系統(tǒng)供應(yīng)至主管網(wǎng)，主管網(wǎng)壓力區(qū)間為2.0～4.0 MPa，減壓撬設(shè)置為雙通道，即一用一備，以便于更換管束車時保持穩(wěn)定供氣。

根據(jù)實驗用氣量，現(xiàn)場設(shè)置了一用一備兩個管束車停車位。依據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018年版)、GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(2021修訂版)等，該項目裝置、車間內(nèi)部總平面布置與周邊建構(gòu)筑物、道路的防火間距均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。周邊建構(gòu)筑物防火間距如表1所示。

表1 周邊建構(gòu)筑物防火間距一覽表

2 氫氣管束車危險、有害因素辨識

2.1 氫氣危險、有害因素

氫氣管束車中的氫氣無色無味、擴(kuò)散系數(shù)大，在不同條件下擴(kuò)散系數(shù)從6.1×10-5～6.8×10-5m2/s不等。泄漏后很難被發(fā)現(xiàn)，若泄漏后立即被點(diǎn)燃，會產(chǎn)生噴射火焰，若泄漏后發(fā)生延遲點(diǎn)燃，則會產(chǎn)生蒸氣云爆炸[1]。

氫氣密度很小，是空氣的0.07倍，因此泄漏后的氫氣會迅速向上擴(kuò)散，影響更大空間。氫氣屬于易燃?xì)怏w、燃燒范圍寬，在空氣中可燃范圍(20 ℃，101.325 kPa)為4.0%～74.5%。氫氣易與空氣形成爆炸性混合物，只要達(dá)到4.0%～75.0%的體積濃度，就可與空氣形成爆炸極限混合物。

氫氣反應(yīng)活性較強(qiáng)，可與空氣、氧氣、鹵素和強(qiáng)氧化劑發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生火焰、高熱甚至爆炸，某些金屬催化劑會加速這些反應(yīng)進(jìn)行。氫氣體積與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度升高時體積增大，因此高壓氫氣容器若過熱，會導(dǎo)致內(nèi)壓升高，可能引起容器爆炸與氫氣泄漏。

2.2 氫氣管束車危險、有害因素

該項目氫氣管束車運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的主要危險、有害因素情況如表2所示。

表2 氫氣管束車危險、有害因素

3 QRA評價法介紹

定量風(fēng)險評價法(QRA)是通過建立物理模型并結(jié)合數(shù)學(xué)計算對設(shè)備可能發(fā)生的災(zāi)害后果進(jìn)行風(fēng)險評價，為風(fēng)險控制決策提供依據(jù)[2]。QRA法是對某一設(shè)施或作業(yè)活動中發(fā)生的事故頻率和后果進(jìn)行定量分析[3]，其評價范圍廣，可以對較多類型的風(fēng)險進(jìn)行定量分析。QRA法已廣泛用于工區(qū)危險、有毒有害物質(zhì)運(yùn)輸，環(huán)境中有毒物質(zhì)濃度及評價發(fā)生概率小而后果嚴(yán)重的事故中[4]。

本文采用南京安元QRA定量風(fēng)險評價軟件，測算出個人風(fēng)險、社會風(fēng)險及其安全范圍，并以圖形表示。輸入環(huán)境參數(shù)、裝置信息參數(shù)以及周邊人口區(qū)域分布信息后，可模擬出不同事故類型的后果[5]。

4 事故后果模擬分析

對該項目中氫氣管束車可能發(fā)生的事故后果進(jìn)行模擬，共模擬了噴射火災(zāi)、蒸氣云爆炸以及壓力容器爆炸三種事故后果，得出各事故安全范圍，裝置基本參數(shù)如表3所示。

表3 裝置基本參數(shù)

4.1 事故后果模擬結(jié)果

使用南京安元QRA定量風(fēng)險評價軟件進(jìn)行事故后果模擬，其中氫氣管束車事故后果模擬中輸出距離是距離裝置原點(diǎn)的距離。

4.1.1 噴射火災(zāi)事故后果模擬

噴射火災(zāi)事故后果模擬的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 噴射火災(zāi)相關(guān)參數(shù)

事故后果分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 噴射火災(zāi)事故后果模擬圖

由圖1可以看出，噴射火災(zāi)事故死亡半徑為26.27 m，重傷半徑為32.23 m，輕傷半徑為48.63 m。

4.1.2 蒸氣云爆炸事故后果模擬

蒸氣云爆炸事故后果模擬的相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 蒸氣云爆炸相關(guān)參數(shù)

事故后果分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 蒸氣云爆炸事故后果模擬圖

由圖2可以看出，蒸氣云爆炸事故死亡半徑為3.43 m，重傷半徑為13.83 m，輕傷半徑為26.90 m。

4.1.3 壓力容器物理爆炸事故后果模擬

壓力容器物理爆炸事故后果模擬的相關(guān)參數(shù)如表6所示。

表6 壓力容器物理爆炸相關(guān)參數(shù)

事故后果分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，壓力容器物理爆炸事故死亡半徑為8 m，重傷半徑為10 m，輕傷半徑為13.5 m。

由模擬計算可知，該項目發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故時，最大影響半徑為48.63 m，在此范圍之內(nèi)，并無人員密集場所。

4.2 各裝置的多米諾半徑模擬結(jié)果圖

觸發(fā)多米諾效應(yīng)的重大事故具體形式主要為：火災(zāi)(池火、噴射火)、爆炸(早期點(diǎn)火爆炸、晚期點(diǎn)火爆炸)，其中池火和噴射火的多米諾效應(yīng)為熱輻射作用，而爆炸所引起的多米諾效應(yīng)是沖擊波超壓和爆炸碎片相互結(jié)合的效果[6]。

4.2.1 常壓容器

當(dāng)目標(biāo)裝置類型為常壓容器時，半徑為70.775 m，模擬圖如圖4所示。

4.2.2 壓力容器

當(dāng)目標(biāo)裝置類型為壓力容器時，半徑為38.765 m，模擬圖如圖5所示。

圖5 壓力容器半徑38.765 m時事故后果模擬圖

4.2.3 長型設(shè)備

當(dāng)目標(biāo)裝置類型為長型設(shè)備時，半徑為17.408 m，模擬圖如圖6所示。

圖6 長型設(shè)備半徑17.408 m時事故后果模擬圖

4.2.4 小型設(shè)備

當(dāng)目標(biāo)裝置類型為小型設(shè)備時，半徑為15.449 m，模擬圖如圖7所示。

圖7 小型設(shè)備半徑15.449 m時事故后果模擬圖

由計算可知，該項目氫氣管束車發(fā)生事故時，導(dǎo)致的多米諾事故會影響該項目試驗車間，但不會對企業(yè)其他生產(chǎn)裝置、設(shè)施造成影響。

5 安全對策措施與建議

事故模擬結(jié)果表明，本項目氫氣管束車發(fā)生火災(zāi)爆炸事故后的最大影響半徑為48.63 m，并且事故導(dǎo)致的多米諾效應(yīng)會對試驗車間造成影響。為提升氫氣管束車使用過程中的安全性，根據(jù)本項目事故后果模擬，提出以下安全對策措施與建議。

(1)調(diào)整試驗車間位置間距。確保氫氣管束車與周邊其他建構(gòu)筑物的防火間距滿足安全范圍和法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

(2)強(qiáng)化安全教育和培訓(xùn)。對企業(yè)內(nèi)部人員進(jìn)行氫危害的宣傳及安全教育培訓(xùn)，以增強(qiáng)員工的安全意識及規(guī)范作業(yè)的能力。

(3)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。制定科學(xué)合理的操作規(guī)程和管理制度，嚴(yán)格執(zhí)行各項操作規(guī)程，杜絕非標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

(4)完善安全監(jiān)控。在車輛上安裝泄漏、火災(zāi)、壓力等安全監(jiān)控裝置，實時監(jiān)測危險因素，一旦出現(xiàn)預(yù)警情況及時采取應(yīng)急措施。

(5)加強(qiáng)定期維護(hù)。制定完善的維護(hù)保養(yǎng)制度，定期對設(shè)備和管路進(jìn)行維護(hù)檢查，發(fā)現(xiàn)問題要及時修復(fù)，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

(6)配備應(yīng)急設(shè)備。車上應(yīng)配備消防、搶修、通風(fēng)等應(yīng)急裝置，并定期檢查維護(hù)，確保在事故發(fā)生時能夠立即啟動并發(fā)揮作用。

(7)定期開展事故應(yīng)急演練。檢驗和提高員工的應(yīng)急處置能力，優(yōu)化應(yīng)急預(yù)案，掌握科學(xué)有效的救援方法。

(8)加強(qiáng)管理和監(jiān)督。相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對氫氣管束車的管理和監(jiān)督，制定出臺更嚴(yán)格的安全規(guī)章制度，并定期進(jìn)行安全檢查，確保各項規(guī)定得以落實。

(9)在可行區(qū)域內(nèi)設(shè)置專用行駛道路，避開人口密集區(qū)和易燃易爆區(qū)域。

(10)超負(fù)荷運(yùn)輸前應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險評估，采取必要的安全防護(hù)措施。

6 結(jié)語

本文通過實例，證明QRA法能對氫氣管束車事故后果進(jìn)行科學(xué)量化，也驗證了其有效性。利用QRA定量風(fēng)險評價軟件模擬氫氣管束車可能發(fā)生的事故后果，研究結(jié)果表明，氫氣管束車發(fā)生噴射火災(zāi)、蒸氣云爆炸以及壓力容器爆炸三種事故時，最大影響半徑為48.63 m，事故所導(dǎo)致的多米諾事故僅會對該項目試驗車間造成影響，并且提出了相應(yīng)安全對策措施與建議。