定量风险分析(QRA)在加氢站安全评估中的应用

佛燃能源集团股份有限公司 李 彤

加氢站是交通氢产业链的重要环节。截止2021年年底，我国已建成的加氢站超250座。佛山市作为广东氢车示范群的牵头市，积极谋划交通氢能，目前已具有国内数量最多的加氢站网络。作为佛山的能源支柱企业，佛燃能源集团正由城燃向综合能源企业转型，南庄和明城“制加氢一体站”对华南乃至国内加氢站的发展都具有里程碑意义。

1 QRA流程

定量风险分析QRA(Quantitative Risk Analysis)是评估国际加氢站安全距离的通用方法，国内已在化工领域普遍应用。QRA可准确识别和量化分析各类装置的泄漏、火灾、爆炸及中毒等事故发生频率及其后果严重程度，并描述装置危险性风险概率。

氢是一种点火能极低、爆炸极限宽的易燃易爆介质，发生事故也会造成严重后果。国家虽已颁布了GB 50516-2010《加氢站技术规范(2021版)》和GB 50156-2021《汽车加油加气加氢站技术标准》，但上述标准主要沿用加油加气站经验，其站外防火距离缺乏实证支撑，对我国更大范围地普及加氢站有一定制约。因此有必要在加氢站选址中引入QRA作为现行标准的补充。

加氢站QRA的具体工作流程，如图1所示。

图1 加氢站QRA的工作流程

工作流程即先确定涉氢的风险模型，包括基本模型、风险指标、风险识别和量化伤损等；再针对实际项目，掌握其设计条件和自然条件，即获取平面布置、工艺流程和设备配置；然后将两类条件作为参数输入数值模拟软件，进行风险评估；最后依据分析结果评估项目的安全性(如站外防护距离)，从而为项目选址提供可量化的决策。

2 风险模型

涉氢的风险模型，包括基本模型、风险指标、风险识别和量化伤损等。

2.1 基本模型

基本模型主要包括：氢点火概率模型、爆炸模型(如TNO)和氢射流模型。

2.1.1 氢点火概率模型

传统氢点火概率是氢释放量的阶梯函数。该类函数只取决于初始释放速率，未计入氢积累影响。为此，挪威民防局建议使用修正后的HYEX函数[1]。其修正依据是在较大泄漏流量下，氢在漏点停滞时间更长，湍流会变小，导致点火能降低，因此点火概率会增加，更趋平滑。本文取修正后的HYEX函数。对于点火概率分配方面，可把2/3认为是立即点火，1/3是人为延迟点火。

2.1.2 TNO模型

蒸汽云爆炸有TNT、TNO及基于各类CFD的模型。本文取TNO模型。TNO模型针对不同燃烧速度下的蒸汽云爆炸，对应有一组能量曲线，编号由1到10，1号最弱，10号最强，可精确区分氢爆炸强度[2]。开放空间的氢扩散存在爆燃效果，可选5号曲线。加氢站工艺区因长管拖车、压缩机及储氢容器分布较密，氢泄漏后会冲击实体、形成火焰加速效应，可能存在微爆轰效果，故选择8号曲线。

2.1.3 氢射流模型

早年开发的半经验射流模型主要针对甲烷等碳氢化合物，而对于氢射流，原模型已不适用。美国AP公司的Miller于2017年提出了针对氢的专用射流模型。该模型较好地考虑了侧风及火焰抬升效应，并得到挪威船级社(DNV)和 AP公司实证。本文采用这种针对氢的专用射流模型。

2.2 风险指标

风险指标区分个人和社会两种。

GB 36894-2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》之3.2节规定了危险化学品产储设施的个人风险，适用于化工项目选址的风险判定。本文遵循其个人风险基准，把一般防护目标中的一类目标作为加氢站的风险判定，取值3×10-7次/a。

社会风险体现于群体在危险区承受伤害的频发程度，与区内人口数、风险接受程度等相关，需具体项目逐一分析，本文不做考虑。

2.3 风险识别

本文以常规气态加氢站为对象，构建事件树进行风险识别，如图2所示。

图2 气态加氢站事件树

气态氢气泄漏的后果主要有喷射火、闪火、蒸汽云爆炸及火球(液氢另考虑有池火)。初始事故风险时，立即点火会产生喷射火，延迟点火会出现闪火和蒸汽云爆炸，其中喷射火和闪火的后果影响距离对应于现行标准的防火距离。

在初始事故作用下，时空间维度上都可能产生次生事故，引发多米诺效应，从而导致叠加风险。如在延迟点火时，蒸汽云爆炸后会再引发喷射火、闪火或火球。但鉴于蒸汽云爆炸影响(超压)不涉及现行标准的防火距离，故本文将计入多米诺及蒸汽云爆炸后的影响距离定义为防护距离，以示区别。

2.4 量化伤损

GB 50516-2010中规定的防火距离主要针对火灾，伤害原因是高温火焰的热辐射。表1摘录了典型热辐射强度(依次为37.5 kW/m2、12.5 kW/m2、4.7 kW/m2)所对应的伤损值。

表1 典型热辐射强度所对应的伤损值

虽然现行标准中的防火距离只针对热辐射，但对易爆的氢而言，玻璃破碎、房屋破坏及人员内脏损伤等超压影响不容忽视，具体见表 2。建议计算防护距离时一并考虑。

表2 超压的伤损值

2.5 数值模拟软件

常用软件包括Phast、FLACS和Fluent等。本文先采用Phast & SAFETI软件模拟，再通过频率归集，最终确定影响范围。Phast & SAFETI软件由挪威船级社(DNV)开发，是世界公认最全面的危害分析平台。其计算覆盖初始泄漏到远场扩散的全过程，对氢射流模型也进行了优化，更趋于实际，能有效模拟氢泄漏引起的热辐射和超压等后果。

3 实例项目条件

加氢站QRA分析可按照图1所示的工作流程，在确定风险模型前提下，输入项目的设计条件和自然条件。本文以华南地区日加注能力1 000 kg的某加氢站为例进行说明。

3.1 平面布置

该加氢站用地面积约3 000 m2，东侧与丙类厂房相距21 m，南侧距市政道路12 m(路东南有一处公寓，限于图幅未显示)，西靠鱼塘及棚屋，北侧为农田，如图3所示。

图3 华南某加氢站的平面布置(m)

站内工艺设施已遵循 GB 50516-2010之表4.0.4A，与站外的重要公共建筑、民用建筑、厂房及道路等均保持最小防火距离。

加氢站平面分三个区域：生产区、辅助区及加氢区。生产区布置长管拖车车位、储氢容器、压缩机及其配套冷却机组；辅助区是站内的运营管理用房，包括值班室、控制室及机柜室；加氢区由罩棚及位于其下的凸岛和加氢机组成。

该项目自当地气象部门获取了风力条件，其风频风向数据位于图右上角。

3.2 工艺流程及设备配置

加氢站内的主要工艺设备包括长管拖车、卸气柱、压缩机、储氢容器和加氢机。35 MPa加氢站工艺流程如图4所示。

图4 35 MPa加氢站工艺流程

长管拖车将压力不高于20 MPa的高压气氢由氢源地运至加氢站，再通过站内压缩机将氢增压至站内45 MPa储氢容器。外来燃料电池汽车加氢时，由储氢容器输出氢，再通过加氢机加注到车辆的车载储氢瓶中；70 MPa加氢站再增设一级压缩，工艺流程基本同35 MPa加氢站。

35 MPa加氢站工艺流程分5段，各段处于相应压力、温度时所对应的泄漏口径、泄漏流量、泄漏频率和点火概率参数见表3，工艺设备具体配置见表4。

表3 工艺流程各段对应参数

表4 工艺设备配置

4 QRA分析

本文根据图1输入风险模型和项目条件后进行过程分析和结果分析，

4.1 过程分析

氢泄漏后的场景包括三个层次，依次为泄漏扩散、初始事故风险以及多米诺效应引发的叠加风险。以下是各层次过程分析的示例。

4.1.1 泄漏扩散

GH1为卸气柱到压缩机前的管段，漏孔尺寸5 mm，泄漏质量流量0.2 kg/s。以该管段为例分析氢泄漏扩散场景。

根据计算，100% LFL(可燃浓度下限)主要集中在站内，50% LFL扩展至站外20 m处。当漏孔高度1 m时，100% LFL的氢扩散距离为13.5 m，50%LFL的氢扩散距离为29 m，尤其是50% LFL的氢云有明显“抬升”现象，与氢射流模型形态相似。

4.1.2 初始事故风险

(1) 热辐射。以喷射火为例。氢泄漏后立即点火会产生喷射火，其引发的热辐射会对设施和人员造成伤损。

根据模拟计算，热辐射强度37.5 kW/m2的影响范围集中在站内压缩机及储氢容器附近。此范围内的设备将会发生损害，人员也将在1 min内100%死亡，但对站外设施及人员没有影响。热辐射强度4.7 kW/m2的影响范围为(站外)压缩机北侧33 m处及长管拖车东侧24 m处。此范围内人员暴露16 s，裸肤有痛感，也应考虑防护。东侧厂房和东南角公寓则处于4.7 kW/m2影响范围外，不受影响，能满足各自的生产生活需要。

(2) 超压。对蒸汽云爆炸的超压后果进行模拟，其行业爆炸风险累计频率位于10-4次/a至10-5次/a之间，并取2 kPa作为安全阈值(对应窗玻璃破碎)。

结果显示，在10-4次/a累计频率时，2 kPa最大影响距离在储氢瓶组北侧61 m处，而累计频率为10-5次/a时，2 kPa最大影响距离迅速扩大至压缩机西侧133 m处。因此，超压冲击波对频率取值十分敏感，需在分析中重视，建议取中间值，如5×10-4次/a。

4.1.3 叠加风险

以喷射火为例，考虑多米诺效应后的叠加风险，初始风险与叠加风险的防护距离对比见表5。

表5 初始风险与叠加风险的防护距离对比 m

可见，叠加风险后的防护距离与初始风险防护距离相比，增量只有1～3 m，部分项甚至不变(如热辐射强度为4.7 kW/m2)，均满足加氢站标准的防火距离。

初步推断，叠加风险影响并不显著，所以对于实际项目，建议可按初始风险计算防护距离，以便简化过程分析。但当计算值接近标准的防火距离时，还应校核叠加风险影响。

4.2 结果分析

通过泄漏、热辐射、超压及其多米诺效应等后果的多重场景叠加，最终得到基于个人风险的防护距离。我国对一般防护目标特定风险概率规定：一类风险为3×10-7/a，二类风险为3×10-6/ a，三类风险为 1×10-5/ a。

按照3×10-7/ a的风险基准，东南西北各侧的防护距离依次为77 m、66 m、76 m和81 m，站外防护距离的变化受到站内设备布置及当地风力条件的共同作用。站外道路南侧的公寓属于民用建筑，应当满足一类风险要求。站外东侧的厂房属于工业建筑，应满足二类或三类风险要求。其中，二类要求当班人数可大于100人，三类必须小于100人。该厂房实际位于3×10-6/a风险基准线范围外，满足二类要求的风险防护距离，不需要限制其当班人数。但如果位于1×10-5/a基准线之间，则加氢站选址建议退让或该厂房当班人数应作限制。

最终，该加氢站与周边设施及人员均满足QRA防护距离的各项风险控制要求，选址合理，从而降低了今后可能发生的事故所引发的伤损。

5 安全对策

QRA结果还能反馈至加氢站的设计条件，建议采用的安全对策如下：

(1) 设置过流阀。控制氢泄漏量能减小热辐射范围及对应防护距离。无措施时管道泄漏时间可能长达 40 min，过流阀能在泄漏后及时切断(现仅为GH5段选装件)。如在工艺流程各段增设过流阀(尤其是涉及储氢的GH1和GH3段)，可有效控制单次泄漏量，缩短泄漏时间，从而降低伤损。

(2) 优化防爆墙方位。现行标准仅要求卸车位设防爆墙。QRA表明，应针对站外的特定风险要素(建筑及人员聚集点)及其风险偏好，再优化结构墙的布置方位，实现主动防御功能。

(3) 附加防火材料。氢泄漏后的水平射流长，会造成周边设施烧毁，进而引发更大的泄漏和危害。为根本上消除该类风险，建议站内设施(含管系)有条件的可包裹阻燃材料(如泡沫玻璃)或涂敷有效耐火涂料。

(4) 探索地下储氢。目前绝大多数加油站和部分加气站已设置为地下储罐，可基本消除火灾蔓延的多米诺效应。加氢站也可探索设置埋地覆土罐或地下井的型式，以降低叠加次生事故风险。

6 结语

2022年3月国家发展改革委发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，氢作为清洁绿色的零碳能源受到极度重视，从而促进了加氢站的飞速发展。在加氢站的安全风险评估过程中，QRA法能对加氢站的事故风险及其后果进行科学量化。本文通过实例，提供了该方法的具体操作步骤，也验证了其有效性。建议今后在加氢站的选址和设计中，应用QRA作为现行标准外的辅助决策工具。