上海能源建設(shè)工程設(shè)計(jì)研究有限公司 胡 瑛

當(dāng)前我國(guó)氫能產(chǎn)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(tái)，氫燃料電池技術(shù)快速迭代，推動(dòng)氫能在交通領(lǐng)域駛?cè)肟燔?chē)道。其中加氫站是氫燃料電池汽車(chē)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著重要的角色。根據(jù)中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，我國(guó)累計(jì)建成加氫站358 座，其中在營(yíng)245 座。2022年全國(guó)新建加氫站109 座，新增加氫站數(shù)量位居當(dāng)年世界第一[1]。到2025年，我國(guó)加氫站的建設(shè)目標(biāo)為至少1 000 座，到2035年加氫站的建設(shè)目標(biāo)為至少5 000 座[2]。推進(jìn)加氫站的規(guī)劃建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，完成能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要舉措。

1 加氫站安全重要性

隨著氫能交通應(yīng)用場(chǎng)景的快速拓展，加氫站建設(shè)數(shù)量日益增加，加氫站越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在公眾視線里。由于氫氣密度低、擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散和自燃，若在有限空間泄漏后未及時(shí)消散，達(dá)到爆炸極限后經(jīng)點(diǎn)火極易引發(fā)爆炸事故。安全是氫能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的必要前提，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021－2035年)》中明確提出“把安全作為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求”。

國(guó)內(nèi)已出臺(tái)GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021 版)》等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，但該類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于加氫站安全距離的規(guī)定是基于加油加氣站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)加氫站安全距離的控制缺少切實(shí)的理論依據(jù)。因此，本文研究中采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，對(duì)加氫站氫氣火災(zāi)和爆炸的后果進(jìn)行定量化分析和計(jì)算，并采取必要的防護(hù)措施，能夠?yàn)榧託湔镜倪x址、設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 加氫站風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

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

圖1 氫氣連續(xù)泄漏事件樹(shù)

GB/T 37243－2019《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》規(guī)定了不同熱輻射強(qiáng)度對(duì)人體造成的損害。表1 列出了4 種典型熱輻射強(qiáng)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(duì)設(shè)備和人造成的后果。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閃火的后果也做了相應(yīng)規(guī)定：閃火火焰區(qū)域內(nèi)，人員死亡概率為100%；閃火火焰區(qū)域外，熱輻射強(qiáng)度造成的后果隨距離增加而逐漸降低，直至對(duì)設(shè)備和人員沒(méi)有傷損。

表1 4 種典型熱輻射強(qiáng)度造成的后果

雖然現(xiàn)行加氫站標(biāo)準(zhǔn)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(duì)建筑破壞的角度出發(fā)，還須關(guān)注超壓對(duì)建筑和人員的影響。GB/T 37243－2019 分別規(guī)定了超壓對(duì)建筑物和人員的影響。表2 選取3 種典型超壓值對(duì)建筑的影響及2 種典型超壓值對(duì)人的影響，并在下文中重點(diǎn)分析加氫站超壓對(duì)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例

本文以上海某氣態(tài)三級(jí)加氫站(站內(nèi)儲(chǔ)氫容器容量≤3 000 kg)作為定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的對(duì)象。

3.1 加氫站概況

加氫站用地面積約0.3 hm2，距離南側(cè)道路邊線約13.0 m，距離東部丙類(lèi)廠房建筑邊線約20.0 m，北側(cè)和西側(cè)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(shù)規(guī)范(2021版)》的有關(guān)規(guī)定。加氫站內(nèi)分為3 個(gè)區(qū)域，分別是工藝區(qū)、加注區(qū)、綜合服務(wù)區(qū)。工藝區(qū)位于加氫站北側(cè)，設(shè)有2 臺(tái)45 MPa 壓縮機(jī)組、45 MPa 儲(chǔ)氫瓶組、20 MPa 長(zhǎng)管拖車(chē)等；加注區(qū)位于加氫站南側(cè)，設(shè)有加氫機(jī)組(含2 臺(tái)雙槍35 MPa 加氫機(jī))；綜合服務(wù)區(qū)位于加氫站西側(cè)，設(shè)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(zhǎng)管拖車(chē)將氫氣運(yùn)送到加氫站后，通過(guò)站內(nèi)壓縮機(jī)組將氫氣進(jìn)一步壓縮，再通過(guò)順序控制柜輸送至儲(chǔ)氫瓶組中進(jìn)行分級(jí)儲(chǔ)存。當(dāng)需要給燃料電池汽車(chē)提供加注服務(wù)時(shí)，氫氣從儲(chǔ)氫瓶組輸出至加氫機(jī)，加注至燃料電池汽車(chē)的儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)。

圖3 加氫站工藝流程示意

3.3 加氫站定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.3.1 風(fēng)險(xiǎn)模擬分析流程

本文運(yùn)用Phast 軟件分析加氫站的火災(zāi)和爆炸事故后果。首先分析加氫站的工藝流程，根據(jù)閥門(mén)位置把工藝流程劃分為不同的隔離單元；在設(shè)定氫氣設(shè)施泄漏頻率、泄漏孔直徑之后計(jì)算泄漏量等主要參數(shù)；然后在Phast 軟件中設(shè)置點(diǎn)火概率模型、根據(jù)加氫站設(shè)施布局的阻塞程度選取TNO 多能法爆炸強(qiáng)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(qiáng))等；接著開(kāi)展模擬研究和影響評(píng)估；最后根據(jù)模擬結(jié)果判定后果是否可以接受，若不能接受則提出改進(jìn)措施，重新進(jìn)行分析和模擬。加氫站風(fēng)險(xiǎn)模擬分析流程，如圖4所示。

圖4 加氫站風(fēng)險(xiǎn)模擬分析流程

3.3.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)閥門(mén)(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(jiàn)圖3，分析氫管道泄漏孔徑、泄漏頻率、泄漏流量等泄漏參數(shù)，在軟件中設(shè)置經(jīng)計(jì)算的點(diǎn)火概率，選擇TNO 多能法爆炸強(qiáng)度曲線等。工藝流程主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

從表3 可看出，儲(chǔ)氫瓶組出口(管段⑤－⑥)泄漏流量大、發(fā)生頻率高。依據(jù)行業(yè)內(nèi)中石化等大型企業(yè)以及美國(guó)、東南亞等國(guó)家和地區(qū)類(lèi)似項(xiàng)目的取值經(jīng)驗(yàn)，除特殊說(shuō)明外，本文火災(zāi)和爆炸事故累積發(fā)生頻率取值為10－4/a，即萬(wàn)年一次。

3.3.3 模擬結(jié)果

本文對(duì)加氫站噴射火、閃火及爆炸的后果進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬后果圖做了簡(jiǎn)化，具體如下。

(1)噴射火。當(dāng)氫氣泄漏后若立即點(diǎn)燃，形成噴射火，分布于儲(chǔ)氫瓶組、加氫機(jī)組等氫氣泄漏的位置。噴射火熱輻射模擬結(jié)果如圖5所示：火災(zāi)熱輻射強(qiáng)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(zhǎng)管拖車(chē)卸車(chē)位的相對(duì)距離)；6.3 kW/m2的最大影響距離16 m(與高壓儲(chǔ)氫瓶組的相對(duì)距離)；4.7 kW/m2的最大影響距離為20 m(與高壓儲(chǔ)氫瓶組的相對(duì)距離)。

(2)閃火。氫氣泄漏后若延遲點(diǎn)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(chǔ)氫瓶組和加氫機(jī)組附近，未超出工藝區(qū)和加注區(qū)范圍。

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

圖7 爆炸熱輻射強(qiáng)度范圍線

在加氫站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)對(duì)外界的影響。在加氫站內(nèi)部布置工藝區(qū)困難時(shí)，可將工藝區(qū)布置在其相鄰?fù)獠靠臻g為空地或人員極少到達(dá)的區(qū)域。

3.3.4 采取措施后模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果可以看出，在累積發(fā)生頻率為萬(wàn)年一次的前提下，該加氫站火災(zāi)和爆炸事故不會(huì)對(duì)站外人員產(chǎn)生死亡風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需采取額外的防控措施。但考慮到加氫站建設(shè)條件的差異性，部分加氫站因安全距離因素導(dǎo)致選址困難，進(jìn)一步研究后提出兩項(xiàng)措施：一是在加氫站工藝設(shè)施區(qū)構(gòu)建防護(hù)墻(工藝范圍見(jiàn)圖3 中②－⑥)，防護(hù)墻高度3 m。防護(hù)墻能夠把泄漏氫氣的擴(kuò)散范圍及噴射火強(qiáng)熱輻射范圍限制在防護(hù)墻內(nèi)。二是在儲(chǔ)氫瓶組下游側(cè)增設(shè)過(guò)流切斷閥(圖3 標(biāo)注的A 位置)，在管道泄漏、氫氣流速過(guò)大時(shí)及時(shí)切斷。

(1)噴射火。采取措施后的噴射火熱輻射模擬結(jié)果(參照?qǐng)D5)：火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度12.5 kW/m2的范圍線從11 m(與氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)卸車(chē)位的相對(duì)距離)降至3 m，6.3 kW/m2的范圍線從16 m(與高壓儲(chǔ)氫瓶組的相對(duì)距離)降至6 m，4.7 kW/m2的范圍線從20 m(與高壓儲(chǔ)氫瓶組的相對(duì)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(wú)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(nèi)已無(wú)累積發(fā)生頻率為10－4/a 的爆炸后果，防護(hù)墻有效降低爆炸對(duì)于防護(hù)墻外的影響。

4 加氫站安全風(fēng)險(xiǎn)防控策略

根據(jù)加氫站定量風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及定量風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果，本文對(duì)加氫站提出如下風(fēng)險(xiǎn)防控建議措施：

(1)優(yōu)化站點(diǎn)建設(shè)布局。加氫站在選址階段應(yīng)根據(jù)城鎮(zhèn)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源、消防安全等要求進(jìn)行站點(diǎn)布局，應(yīng)該設(shè)置在交通方便的位置，且應(yīng)避開(kāi)多塵或有腐蝕性氣體及地勢(shì)低洼和可能積水的場(chǎng)所。

(2)采取工程保護(hù)措施。加氫站工程保護(hù)措施包括設(shè)置過(guò)流切斷閥、合理布局站內(nèi)建構(gòu)筑物、采用防火防爆材料等。過(guò)流切斷閥可以在泄漏事故發(fā)生時(shí)及時(shí)切斷，減小火災(zāi)和爆炸事故的影響范圍；根據(jù)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定的爆炸沖擊波壓力梯度分布，在總圖設(shè)計(jì)時(shí)更合理地布置站內(nèi)建構(gòu)筑物；加氫站內(nèi)的設(shè)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(qiáng)化站內(nèi)安全管理。加氫站內(nèi)安全管理手段包括定期檢查氫氣工藝和自控等設(shè)施、加強(qiáng)工作人員的培訓(xùn)、建立站外應(yīng)急管理聯(lián)動(dòng)機(jī)制等。加氫站內(nèi)成套設(shè)備設(shè)施應(yīng)由具有資質(zhì)的單位生產(chǎn)并具有合格證明文件，合格驗(yàn)收后方可進(jìn)入調(diào)試階段，并在投入運(yùn)行后定期進(jìn)行設(shè)備檢查；提高加氫站工作人員的操作技術(shù)和安全意識(shí)，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(yīng)急聯(lián)動(dòng)工作機(jī)制，加強(qiáng)站內(nèi)外突發(fā)事件信息共享，統(tǒng)籌調(diào)配力量物資，確保能第一時(shí)間聯(lián)合應(yīng)對(duì)處置。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)要堅(jiān)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，強(qiáng)化重大安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和管控，提升全過(guò)程安全管理水平，確保氫能利用安全可控。采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，科學(xué)量化加氫站的火災(zāi)和爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)，可作為加氫站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、審批的輔助決策依據(jù)。同時(shí)，采取必要的風(fēng)險(xiǎn)防控策略，進(jìn)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(shè)計(jì)提供更多選擇。