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加氢站安全风险及评估方法综述

日期：2023-01-06 作者：admin 浏览：55 评论：0

核心提示：作者简介莫皓，男，硕士，工程师。主要从事工程项目管理、规划计划等方面工作。E-mail：.cn。加氢站安全风险及评估方

作者简介

莫皓，男，硕士，工程师。主要从事工程项目管理、规划计划等方面工作。E-mail：.cn。

加氢站安全风险及评估方法综述

莫皓 ¹ ，贾佳 ¹ ，杨丹 ¹ ，李勤 ¹ ，易伟 ¹ ，宁佳楠 ¹ ，周莹 ²

1.中国石油天然气股份有限公司西南油气田燃气分公司；2.西南石油大学新能源与材料学院

摘要

作为氢能中下游产业链的关键一环，加氢站的建设对氢能的推广使用至关重要。其中，安全风险评估是加氢站建设中的关键环节。简要概述了加氢站的安全风险及评估方法，从氢的基本属性、加氢站潜在风险分析、风险评估方法及其研究现状、加氢站安全标准体系构建等方面分别进行了详实具体的评述，指出未来加氢站标准体系的完善、临氢设备和材料等关键技术革新、人工智能与大数据技术是保障加氢站安全的重要发展方向。

关键词

加氢站；安全风险；评估方法

0 引言

氢能的开发利用能够有效缓和不断增长的能源需求和化石能源造成的环境污染问题 ^［1 ^- ^2］。世界主要发达国家，如美国、日本、韩国以及部分欧洲国家，均以氢能作为未来能源战略中心，相继规划氢能发展路线，明确氢能政策导向，逐步细化完善氢能政策或规划内容，形成了相关的氢能标准体系 ^［3］。

氢能的开发利用是助力中国早日实现“双碳”目标的重要手段。截至2022年10月，中国已有40个城市及地区发布了氢能发展战略和规划 ^［4］。在氢能相关经济产业中，氢燃料汽车被认为是最有前景实现商业化的氢利用方式之一 ^［5］。伴随着氢燃料汽车相关技术的开发和示范应用，关于储氢加氢的基础设施也在全国范围内迅速发展 ^［6-7］。

根据香橙会氢能数据库统计，截至2021年12月，中国氢能源汽车保有量为8 938辆，位居世界第三。根据未来智库统计数据，截至2022年7月，中国已建272座加氢站。预计到2030年，中国氢燃料电池汽车保有量将达到1×10 ⁶ 辆，加氢站数量达到1 000座 ^［8］。

未来中国加氢站数量必将随着氢燃料汽车的崛起而加速上升，同时势必向人口密度更高的城市区域发展 ^［9］，但是加氢站建设能否为公众提供足够安全的、风险水平不高于传统油气站的技术保障，已经成为其进一步普及发展的瓶颈。因此，加氢站风险评价已成为国内外氢能相关科研机构的研究热点。本文将依次从氢的基本属性、加氢站分类及其潜在风险分析、风险评估方法及其研究现状、加氢站安全标准体系构建方面展开论述。

1 氢的基本属性

氢气的特性不可避免地导致氢能“制-储-运-加-用”全流程均存在一定风险。氢的基本属性与两种常用燃料的对比见表1。

表1　氢气与两种常用燃料的基本属性对比及氢气特性

虽然氢气的燃烧范围下限较低（4.1%），但与其爆炸范围下限（18.3%）之间仍有较大差值。如果能对氢气进行泄漏检测并避免氢气积聚，同时切断氢气爆炸可能引起的连锁反应，就能有效避免氢气爆炸，从而有效保障人员安全和避免大范围的经济损失。扩散模拟研究结果表明氢气不易在地面聚集形成爆炸气氛 ^［10］，这是由于氢气的密度只有空气的1/14，从表1可以得知，其扩散速度要远超两种常用的燃料——甲烷和汽油。然而，氢气容易在封闭空间的顶部发生聚集。为了避免这一问题，可以从建筑物结构设计方面出发，通过控制建筑物几何结构来避免氢气积聚，例如用带倾角罩棚形式的加氢站代替传统罩棚形式建筑，可以有效减少氢气积聚 ^［11］。

除了氢气自身的性质容易造成安全事故外，氢气还会降低储氢容器的材料机械性能，造成残余应力集中和裂纹的拓展（氢脆/蓝脆），进而引发安全问题。具体而言，氢气的压力、纯度、温度等因素都可能会对运输管道和储氢容器造成损伤。导致运输管道损伤的原因主要是在运输过程中管内压力起伏过大，从而增加氢脆发生的概率 ^［12］。导致储氢容器发生氢脆的主要因素除了氢气纯度、氢气压力、温度和应变速率等影响外，还受材料本身的强度、显微组织、表面粗糙度、化学成分、晶粒度和缺陷引起的残余应力集中等影响。加氢站中高压临氢系统长期工作在高压、高纯氢气环境下，往往会发生金属的延性和塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加剧以及氢致断裂行为。这些行为造成的氢泄漏燃爆事故会产生严重的人员伤亡和经济财产损失。

为探明高压氢气泄漏带来的燃爆风险，研究者们从氢的泄漏自燃行为、喷射火行为等方面进行了广泛的研究工作，结果表明氢气高速泄放时极易发生自燃引发喷射火，其自燃行为通常被认为是多种机理共同作用的结果 ^［13］。

2 加氢站概述

2.1　加氢站分类及工作流程

加氢站是氢燃料汽车充装氢燃料的专门场所，是发展氢能产业的关键环节。加氢站可根据多种不同方式进行分类。例如，根据是否可以移动，加氢站可分为固定式、橇装式和移动式；根据加注方式，加氢站可分为单级加注加氢站和多级加注加氢站；根据站内提供能源种类，加氢站可分为纯氢站和合建站，根据氢气来源，加氢站可分为站外制氢加氢站和站内制氢加氢站 ^［14］。

目前，中国大多数加氢站为站外制氢站，主要采用长管拖车外供、高压储存气氢，具体工艺流程见图1。管束拖车将压缩后的氢气运送到站内的氢气压缩机中，氢气被进一步加压，随后被储存在储氢罐中，再结合顺序控制盘连接加氢机，给氢能燃料汽车进行氢气加注 ^［15］。

图1　典型加氢站工艺流程示意图

2.2　潜在风险分析

目前国内外加氢站主要采用的工艺流程是基于高压气态氢的储运方式（见图2）。在加氢站整个工艺流程中有以下几点风险：一是易点燃。当氢气在高压下突然泄漏到狭窄环境中，例如管路，由于氢气射流前端导激波效应，无需外部点燃源，在喷出的过程中就会发生自燃。在一定的管道直径和长度下，引起点燃的最低释放压力仅为3.7 MPa，远小于加氢装置各位置的工作压力。二是高压力。中国多数加氢站采用站外供氢方式，运输氢气的长管车气瓶压力通常为20 MPa，而加氢机供给用气车辆的加氢压力为35 MPa或70 MPa，压力远超LPG、CNG。面对如此高的压力，为确保压缩过程所使用的管路、容器和接头的可靠性，采用较高规格的材料和更好的加工工艺是必要的。三是泄漏范围大、速率高。当氢气泄漏到环境中，由于其比重小，会迅速上升和扩散，浓度很快到达爆炸下限。当氢气高压泄漏后，其喷射速度极快，能迅速达到声速，并且形成一个大范围的爆炸。氢气在扩散过程中，遇到人体静电、电气设备电路能量和车辆高温表面均能引起爆炸。

图 2　加氢站工艺流程示意图

一般而言，加氢站潜在风险主要存在于氢气的储运、加注和使用3个环节，包含氢的燃爆特征引发的风险和典型场景下氢与环境相互作用引发的风险 ^［16］（见图3）。

图 3　加氢站潜在风险

高压氢气储运过程主要存在高压风险、物理超压爆炸风险、超温风险、失效风险、泄放风险和交通事故风险。氢气自身的风险与高压储存（20 ~ 50 MPa）风险耦合，加上储氢量大，一旦发生泄漏、燃烧、爆炸，造成的后果极为严重。氢气具有独特的逆“焦-汤”效应，充装过程温度会显著升高，易出现超温现象。高长径比储氢容器由于远离高压泄放阀部位，易造成其受热时不能及时泄压。除此之外，高压氢气管束因质量大，在急刹车、高速转弯时易发生脱落等事故。

氢气加注过程存在的主要风险包括高压氢气储存、频繁充氢和卸氢过程工艺失控、氢气加注以及串压等风险。卸氢操作时，由于氢气置换步骤繁琐、耗时长，无法保障人员随时值守，同时，人员误操作可能导致卸氢软管连接不到位，造成氢气泄漏并引发火灾爆炸事故，因此对工作人员的专业技术要求较高。氢气加注过程中，加氢软管可能因外力破坏、疲劳等原因发生破裂。

用氢过程也存在受限空间风险、氢-电耦合风险、高温风险等。如燃料电池汽车在隧道、地下停车场等受限空间内发生氢气泄漏、燃烧或爆炸等事故。燃料电池汽车中的高、低压氢气容器和管线与电池紧密放置，发生交通事故后可能引燃氢气。氢燃料汽车工作时，固体氧化物燃料电池工作温度高达1 000 ℃，远超氢气自燃点，一旦发生泄漏，易引发氢气燃烧事故。

此外，还有一些其他因素也可能造成加氢站的风险，比如制氢加氢设备的自动化程度过高引起的无人值守问题，尤其是欧洲不少加氢站以全自动方式运行，过程中无人值守，可能导致阀门等出现问题不能被及时发现并处置。如挪威Sandvika的Unox加氢站2019年因无人值守发生事故，虽然其建筑还基本完整、无人伤亡、现场火苗自己逐渐减弱，但巨大的震动导致附近汽车的气囊弹出，建筑隔板倒伏在房子附近。相比之下，中国、日本和韩国的加氢站都有工作人员值守，加注氢气都靠工作人员手动操作，安全性要高很多，但仍有多例氢气爆炸事故发生。例如：2021年位于辽宁省沈阳市经济技术开发区1个加氢站的氢气罐车软管破裂导致爆燃，现场冒出大量浓烟；2020年韩国江原道江陵市一家工厂因氧气进入水箱后产生火花而引发氢气罐爆炸事故，造成2人死亡，多人受伤。

安全无小事，多次发生的加氢站安全事故发出了强烈警示信号。由于氢燃料本身的复杂性及危险性，必须将其安全放在首位。这也要求在加快发展氢能的同时必须提升对其安全问题的重视。政府相关部门应当出台一系列氢能安全防范文件，相关技术部门也应在建设加氢站前对加氢站进行风险评估，以便将潜在风险消灭在萌芽状态。

3 加氢站风险评估

3.1　加氢站风险评估内容及方法

加氢站风险评估内容主要包括人员伤亡、设备损害、财产损失及环境影响等 ^［17］。目前，常用的加氢站风险评估方法主要分为快速风险评级（Rapid Risk Ranking, RRR）和定量风险评估（Quantitative Risk Assessment, QRA） ^［17］。RRR主要是通过专家对氢能设施进行分析，再对重要的危险源和风险进行辨识，利用与风险矩阵对比的结果得出加氢站风险等级。RRR的最大优势在于能够通过分析快速判定加氢站的潜在危险及其危险程度。而QRA是用于定量评估氢能系统或针对某一具体事故的风险值，提供减缓风险措施的指导和建议。除此之外，QRA还能直接用于制定氢能安全相关标准，例如确定站内建筑物安全距离。目前QRA已成为氢能风险评估的主流方法 ^［17-18］。加氢站定量风险评估的一般流程见图4 ^［19］。

图4　定量风险评估的一般步骤

3.2　加氢站风险评估研究现状

在事故发生前后规划安全距离和制定风险缓解策略是加氢站建设必不可少的一环，国内外已有许多研究者对加氢站的QRA开展研究。其中，大多数研究集中在完善和更新定量风险分析方法。

Kiyotaka等 ^［20］通过研究增加事故场景模拟的多样性，对加氢站的建设标准化进行了完善。通过场景的事故树分析模拟计算了3种场景的氢气泄漏事故概率。在此基础上，模拟了氢气泄漏后形成的氢气云团在着火时产生的爆炸和火焰效应。研究发现加氢机外部管道氢气泄漏场景造成个人致命风险的可能性极低（10 ^-4 /a）；通过模拟高压储氢设备周围管道氢气泄漏场景，发现在着火源10 m外造成个人致命风险的可能性同样极低（小于10 ^-4 /a），这反映出目前要求8 m外可以不设立防火墙的标准存在一定风险，可将范围适当扩大至10 m。Huang等 ^［21］开发出一种基于网格的风险筛选方法，实现了大范围的高效详细的加氢站着火和爆炸风险筛选。通过建立基于11个风险影响因子的贝叶斯网络（Bayesian network,BN）模型，对火灾爆炸事故及其对人体安全的影响进行了建模和评价。模拟获得的三维风险图结果清晰地反映了各个区域的潜在风险，这为加氢站规划、建设和运营3个阶段的风险和安全管理提供保障。这种基于BN模型的定量风险分析方法代替了传统的事故树和故障树分析，能够在复杂机制下更好地运行，从而得到更可靠的风险分析结果 ^［22］。杨琨等 ^［23］结合气瓶火烧试验分析高压储氢容器火灾下的热响应过程，研究了不同因素对储氢容器压力泄放装置动作时间的影响。张陈诗 ^［24］将危险与可操作性分析（Hazard and Operability,HAZOP）和保护层分析（Layer protection analysis,LOPA）方法相结合，形成一种新型的半定量风险评价方法，建立高压储氢罐泄漏模型，用户可以从模型中获取合适的状态参数，并得到其随时间变化规律，进而对高压储氢罐因泄漏而发生爆炸进行危害分析。李静等 ^［25］则在HAZOP-LOPA风险评价方法的基础上，结合了安全风险矩阵，预测可能事故场景的后果，并评估了其发生的可能性。

此外，加氢站风险评估还随计算技术的发展不断涌现出新的数值方法以及相应的风险评估工具。风险评估工具是基于已验证的事故后果模型和工程概率模型建立的一个可实现用户交互的平台。用户可以通过输入边界条件和特定的信息，在短时间内获得风险评估的数据 ^［18］。管道行业在20世纪已经开始对风险评价技术进行研究，但大多是关于天然气管道的定量风险评估技术。李施奇等 ^［26］通过收集数据，对气体泄漏的场景、事故发生的概率、事故后果及影响范围等进行计算分析，得出了个人风险等值和社会风险F-N曲线，定量反映出管道存在的风险情况。

李静媛等 ^［27］运用基于计算流体动力学的FLACS软件模拟上海世博会加氢站内高压储氢气瓶发生泄漏并引发爆炸的情况，研究不同环境风速对高压氢气泄漏爆炸事故的影响规律。相似地，Yang等 ^［28］利用FLACS软件对加氢站的氢储存系统泄漏和爆炸风险进行了计算分析，研究了风速、风向和泄漏氢气流方向对泄漏事故后果的影响。除了FLACS软件外，Byoungjik等 ^［29］利用HyRAM软件，结合Sandia国家实验室报道的加氢站事故，对其气流分散情况、喷焰和热通量进行了研究。同时，为了计算结果的可靠性，他们还进行了相关的实验验证，如热成像和条纹成像相机验证氢气释放和喷焰的长度。

张杰等 ^［30］运用南京安元的QRA定量风险评估软件对氢气泄漏事故——喷射火灾、蒸气云爆炸事故和压力容器物理爆炸进行模拟，并分析了各事故带来的社会风险和个人风险，最后对加氢站储罐周围安全防护距离进行了模拟计算。同时，RISKCURVES计算软件 ^［31］也被他们用于城市加氢站及其周围环境的风险评估，验证加氢站安全措施的有效性。程光旭等 ^［32］首次公开了一种加氢站地震事故评估方法及计算系统，可以根据加氢站类型、等级、地理特征进行地震场景预测并建立模型，可为加氢站关键部件的结构改进、确定关键部件间安全距离及加氢站的选址提供定量的数据支持，防止重要设备倾倒及管路泄漏引起火灾爆炸、造成二次灾害，降低加氢站地震事故的安全风险，减少经济损失。

3.3　加氢站安全体系的构建

目前，中国氢能安全技术研究相对基础薄弱，对于加氢站安全领域研究主要集中在氢气储运、加注、使用等过程，尚未建立起完善的加氢站安全标准体系 ^［16］。但随着加氢站风险评估研究的不断深入，国内外氢能相关标准的建立也将受到越来越多的关注。表2列举了国内已有的加氢站相关标准技术委员会情况。目前，国内外氢能有关标准可检索到200余项，内容包括制氢、储运、加注、质量、安全、加氢站、燃料电池、燃料电池车、储氢气瓶等方面。然而，国内加氢站部分标准，如氢气质量、加注等标准的数量明显少于国外标准，这与加氢站安全领域研究力量较分散和研究深度有待加强相关。

表 2　国内加氢站相关标准技术委员会

除氢能相关标准的制定外，加氢站安全体系构建还需要从临氢材料与设备安全和泄漏检测及燃爆防护2个方面展开系统研究，进而为构建氢能安全标准体系提供保障物质基础。上述环节中，氢气储运、加注和使用安全是加氢站安全评估的重要环节。而这些环节与高压、超温、装置材料失效、氢气泄漏等危险因素密切相关。目前，关于高压氢泄漏、扩散行为特征、损伤后果分析及其防护措施已有较多研究 ^{［20,27
-
29,33
-
34］} ，但相关的失效数据库以及失效机制研究还有待进一步完善。李静媛 ^［35］针对高压氢气快速充装过程中引起的温度升高和运输过程中因氢气泄漏引发爆炸事故进行模拟研究，并提出适用于储氢质量为2 ~ 4 kg和5 ~ 7 kg、工作压力为70 MPa的车用储氢系统的充装策略、以及在常见环境温度时应采取的升压速率和与之匹配的预冷温度等级；并针对不同初始充装压力列出了快充结束时的终止压力，以达到减少压缩产热和预冷的作用。Arnaud等 ^［36］提出的“Safety Watchdog”方法，即在违反某些安全条件的情况下触发并停止充填，保障加氢站工作人员加氢过程的安全。这一过程实际上是变向抑制泄漏源的产生。另外，张来斌等 ^［16］提出氢能存储安全信息一体化技术的构想，基于“智能采集—高效传输—快速融合—智慧决策—早期预警”5个信息点来实现加氢站的安全运行。这一构想与智能时代相符，是未来加氢站安全监测的方向。

4 结束语

本文对氢的基本属性、加氢站潜在风险分析、风险评价方法、研究现状以及安全体系构建进行了详细的阐述。氢气本身特性与高压储存相耦合，导致氢能“制-储-运-加-用”全流程均存在一定风险，未来加氢站的普及必然面临安全性挑战。构建完善的加氢站安全体系，在最大程度上避免加氢站的安全事故以消除民众对氢能安全性的质疑，对氢能基础设施建设极为重要。未来，加氢站安全体系的构建将高度依赖于加氢站标准体系的完善与临氢设备和材料关键技术的革新。同时，新兴的科学技术的扩展应用，如人工智能与大数据技术，也是保障加氢站成功普及的重要发展方向。

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