绿色氢能项目的风险分析与风险控制研究

文/杨泽萌

一、引言

近年来，随着全球化石能源趋紧，美国、德国、日本等国家在绿色氢能领域加速布局，其中，美国能源部发布的《氢能项目计划》，德国经济与信息化部发布的《国家氢能战略》以及日本政府发布的《氢能基本战略》等，为绿色氢能发展模式与路径提供了政策支撑；发达国家将绿色氢能发展视为新一轮能源革命的重要赛道，为实现CO2净零排放绘制能源转型路线图。我国的绿色氢能产业，在国家发展规划以及“碳达峰、碳中和”政策的引领下，成为产业发展热点，高端绿色氢能项目进入新发展阶段。

根据我国目前氢能阶段发展特征，氢制取项目的技术成熟度较高，而氢液化、储运等关键技术仅在航天领域相对成熟，民用液氢领域尚处于起步阶段，适用的国家标准规范刚刚发布实施，军民融合的深化将助力绿色氢能产业进一步发展。在绿色氢能项目实施过程中，存在着众多风险因素会影响公共与社会效益，一方面项目的顺利落地对氢能关键技术与管理的要求较高；另一方面社会公众对氢能的认知相对薄弱，绝大多数仍停留在氢弹爆炸的震慑思维模式中，易产生认识误区。因此，为了绿色氢能项目的顺利实施，在前期进行详尽的风险分析与风险控制研究，既可助力产业良性发展，又可消除公众顾虑，对项目前期决策与后期实施至关重要。

二、氢能项目风险分析的必要性

项目风险分析与风险控制研究是绿色氢能项目建议书、可行性研究报告、项目申请报告、资金申请报告等的重要内容，是项目立项、安全设计与项目实施的重要依据。项目风险分析可根据绿色氢能项目的特点，识别影响社会稳定、项目效益与安全的主要风险因素，通过主观或客观的概率与影响估计，进行定性与定量分析；再在风险识别与估计基础上，进行针对性的定量风险评价，从而提出氢能项目风险的应对措施。项目风险分析与风险控制研究不仅能客观预测项目实施过程中可能存在的风险，还能根据定量风险评价数据进行防范，从而降低风险，提高氢能项目投资效益，是影响项目前期决策的关键环节。

项目风险分析与风险控制的工作流程如图1所示。根据图示可知，识别出的危险因素需经过概率分析与影响分析综合确定事故风险。其中，概率分析主要包括原因分析与原因可能性估计，影响分析主要包括后果分析与后果严重性估计。经过定量计算，当事故风险确定在可接受风险范围内时，则从风险角度考虑项目可以被接受；当事故风险脱离可接受风险范围时，需通过针对性的风险控制措施进行有效干预，此时需重新识别与分析该风险，进而降低甚至消除事故风险。因此，通过风险分析可判断当前项目的安全状态，而风险控制可将项目风险控制到可接受水平范围内，两者相辅相成，对氢能项目顺利实施十分必要。

图1 风险分析与风险控制工作流程图

三、氢能项目的特点

（一）发展热度高

根据国际氢能委员会统计，2021年以来，全球范围共启动130余个大型氢能开发项目，预计到2070年全球对氢能的需求将达到5.2亿吨，氢能产业发展备受青睐。我国作为全球第二大经济体，自签署《巴黎协定》后又庄严承诺：到2030年完成“碳达峰”，并力争到2060年实现“碳中和”目标。我国进入“十四五”后，各部委、省、自治区、直辖市及区、县等相继发布支持氢能产业发展的配套政策，将绿色氢能发展作为应对气候风险与能源变革的重要举措。与此同时，资本市场对氢能项目投资的热情高涨，保持高度预期，社会资本促使其研发的进步与技术的创新。

（二）专用法律体系尚未健全

绿色氢能产业需要解决氢制取、液化、储运及应用等环节的问题，而氢液化与储运是氢能发展的关键。现阶段，氢制取技术相对成熟，适用的技术标准和规范等法律体系相对健全；氢液化、储运项目的国家军用标准法律体系较为完善，而民用液氢项目需执行的国家标准体系刚刚建立，氢能细分领域的法律依据缺失。2018年由国家标准化管理委员会下达了《液氢生产系统技术规范》《液氢贮存和运输安全技术要求》《氢能汽车用燃料液氢》国家标准制定计划，由全国氢能标准化技术委员会、中国标准化研究院组织编制，2021年11月1日正式实施，逐渐改善了这种局面。从宏观角度分析，氢能产业处于高速发展阶段，项目落地规模与数量持续增长，这对氢能标准化法律体系的构建工作提出了更高要求。

（三）技术复杂，“卡脖子”关键技术多

在技术方面，氢气液化需将高纯氢降温液化至-253℃的超低温环境，是影响我国绿色氢能发展的技术瓶颈，重大核心技术被美国等西方发达国家垄断。我国在液氢领域起步较晚，且应用主要集中在军用航空航天发射中心，民用液氢装备相对薄弱。经过近年的持续研发，液氢压缩机、换热器、正-仲氢催化剂和反应器等关键技术已有所突破，但超低温阀门、核心装备与零部件性能与先进国家相比仍存在差距，关键核心技术仍未彻底打破技术壁垒。美国及其同盟国在液氢关键技术与装备方面对我国实施技术禁运，重大技术装备、组件、材料等依然处于“卡脖子”状态。

（四）危化品、易燃易爆装置多

根据国家安监局发布的重点危化品名录，对氢能项目进行辨识，氢属于重点监管危险化学品。根据文献所述[1]，氢逃逸速度极快，液氢与氢气极易燃烧，为甲类火灾危险性物质，一旦泄漏易形成爆炸气体混合物，遇火源易发生火灾、爆炸事故。液氢超低温易造成操作人员皮肤或机体组织冻伤，且超低温环境具有冷脆破坏性。在氢能项目中，低温压力容器与管道材质缺陷会造成设备损坏，氢泄露后发生火灾、爆炸危险，设备、管道静电以及外部雷击等因素也易造成火灾、爆炸事故。

四、氢能项目的风险识别与估计

（一）项目概况

安徽省某绿色氢能项目采用先进生产技术，建立装备集成度高、能量耗散低、物质流可循环的创新工艺，致力于打破国外氢能全产业链技术垄断。市场调研与分析显示，液氢产品市场前景广阔，客户群稳定且保持良性增长。本绿色氢能项目主要包括氢制取、氢液化与储运设施，为下游氢能应用提供氢产品。项目配套有变压吸附（PSA）氢气纯化装置，氢气膜压机、氦压缩机、液氢主冷箱、液氢储罐等氢液化装置以及液氢运输装备等。项目建设规模为2000Nm3/h高纯氢气和1000L/h液氢，是立项时期国内单体规模最大的民用氢液化项目。

（二）风险因素识别

根据绿色氢能项目的主要特点及工程经验与习惯，项目主要风险包括法律风险、技术风险与不可抗力风险。三种风险类型特征主要表现：

法律风险。本绿色氢能项目于2019年立项，当时项目建议书、可行性研究报告等咨询文件的编制，以及初步设计、施工图设计深化的专用法律依据尚未发布实施，国家标准仅有《征询意见稿》供安全设计参考使用，因此，项目整体按照《石化规》进行前期策划与设计。2021年11月1日实施的正式法律标准，与《征询意见稿》基本一致，本项目建筑物、构筑物、设备等的安全间距，工艺装置、管道、阀门及附件的强制性安全措施符合技术规范要求。随着氢能产业的发展与技术创新，新专用性标准规范的建立以及国外先进标准的转化，可能会对既有安全参数进行调整，增加修改的风险。

技术风险。本项目氢制取装置，液氢冷箱等主体设备均为国产，设备整体国产化率较高，但关键核心组件、液氢运输车、低温阀门等仍依靠进口，因国外疫情与贸易战影响，增加了采购风险。液氢核心技术复杂，区域内易燃、易爆装置多，危险化学品等级高等因素均加剧了项目技术风险，对项目的安全技术措施提出了更高要求。氢泄露遇明火引发的火灾、爆炸还可能形成多米诺效应，使风险等级叠加。因此，在风险估计与评价过程中将对泄露、火灾、爆炸进行重点分析。

不可抗力风险。根据我国国情，不可抗力风险主要体现在气候、地理、意外等自然风险，如高温、降水、雷暴、地震等，除非百年一遇的极端事故才可能会对项目有较大影响。但自然风险不可预见性较强，也存在一定风险。

（三）风险估计

风险估计是对识别出的风险因素引发事件发生的概率与影响后果的定量或定性估计，风险事件概率与后果的乘积即为风险，如公式1所示。根据本绿色氢能项目特点，其最主要风险后果是危化品氢泄露、火灾、爆炸等引发对人员和设施的安全风险。本项目中，氢泄漏是引发相关重大危险源发生火灾、爆炸事故的概率根源，即风险事件发生的概率取决于泄漏概率。根据中国安全生产科学研究院发布的泄露概率确定方法[2]，泄漏概率随着泄露孔径规格的不同而变化，如公式2所示。泄漏概率Pk需要根据泄露孔径规格确定，反应器、低温阀、液氢储罐及压力管道的法兰、密封等部位，均有泄漏风险。由于暂时没有氢能行业专用风险数据统计，本项目重大危险源定量泄漏概率采用化工行业统计资料进行分析，容器设备最大可信泄漏事故概率约为1×10-5/a，化工行业风险统计值为8.33×10-5/a[3]。

式中：k-计算泄漏概率的孔径规格，mm；

q、z -孔径区间的最小、最大孔径规格，mm；

Pk、Pq、Pz-孔 径k、q、z的泄漏概率，a-1。

依据《危险化学品重大危险源辨识》规定，针对危险化学品生产、储存单元，按公式3进行计算，S≥1则可定义为重大危险源；对于重大危险源，按公式4对α、β进行规范取值后计算，判别重大危险源的危险等级。根据本绿色氢能项目生产与储存规模进行测算，危险化学品判别结果见表1所示，液氢罐储存单元S＞1，构成重大危险源。对液氢罐储存单元进行危险源分级计算，结果见表2所示，液氢罐储存单元R=3.84。结合重大危险源与R≤10的对应关系，液氢罐储存单元危险等级为四级。

表1 危险化学品重大危险源计算表

表2 重大危险源分级计算表（液氢储罐区）

式中：S-危险源判别指标；

qn、Qn-危险化学品实际存在量、相对应的临界量，t；

式中：R-危险源分级指标；

α-危险化学品重大危险源厂区外暴露人员的校正系数；

βn-各危险化学品相对应的校正系数。

五、氢能项目的风险评价

本项目液氢储罐区为四级重大危险源，根据国家《安全生产法》规定，对于爆炸品、液化易燃气体的重大危险源，要采用定量评价（QRA）方法进行风险评价。QRA评价依据《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》规定，指标采用个人风险与社会风险分别进行计算。

（一）个人风险计算

本项目的个人风险，是重大危险源等发生事故，使得区域内某位置人员死亡的概率，与时间无关，是平面位置坐标的函数；即个人风险不针对具体人员，而是对危险源以外某一被计算的具体位置，可用风险等值线进行表征，其计算函数如式5所示。计算采用QRA定量风险评价软件，将评估情景、气象条件、点火源等数据依次输入，即可自动完成个人风险的计算、风险等值线的追踪与绘制。

重大危险源红色风险等值线的可接受风险基准为1×10-5，黄色风险等值线的可接受风险基准为3×10-6，蓝色风险等值线的可接受风险基准为3×10-7。经过计算并根据项目平面布置，各等值线区域内无相关敏感场所，项目个人风险处于可接受水平。

（二）社会风险计算

与个人风险关注空间位置不同，社会风险与周围人口分布密切相关，反映企业员工和社会公众面临的风险。本项目社会风险，是引起N人死亡时所有事故发生的累计概率，可用社会风险曲线进行表征。计算仍采用QRA定量风险评价软件，将企业周边与内部人口分布情况进行输入，关联累计概率F与死亡人数N绘制风险曲线。我国社会风险标准一般采用“二拉平”（ALARP）原则进行风险划分，包括可接受区、尽可能降低区和不可接受区。本项目的社会风险曲线如图2所示，社会风险曲线全部落在尽可能降低区域内。此区域在可实现范围内，社会风险可接受，但应尽可能采取安全措施降低社会风险。

图2 绿色氢能项目社会风险曲线图

六、氢能项目的风险控制

（一）风险控制措施

本项目社会风险处于尽可能降低区，应采取有效的安全改进措施降低风险，主要包括：对项目进行本质安全设计，采用先进生产工艺，构建密闭系统，谨防泄漏事故；全厂采用PLC自控系统，检测各系统关键点温度、压力等参数实现控制与操作，减少操作人员数量，设置自动放空阀、安全阀等措施；反应器、储罐等设备进行压力、液位监控，重点监控参数设置报警与反馈识别；采用可靠、独立的安全仪表系统（SIS）进行联锁保护，高危事故发生时紧急停车，降低发生恶性事故概率；液氢储罐区设置围堰，事故时收集危险物料，生产车间设置防火墙，采用轻质屋面进行泄爆；根据QRA计算结果，科学、合理确定重大危险源生产、储存单元的安全防护间距；企业应设置应急救援指挥部，根据国家规范编制各类专项应急预案并定期组织现场处置方案演练，科学有效管理，提高全员安全意识。

（二）多米诺效应分析

结合本项目特点，存在由于火灾和爆炸等初级事故引发二级事故的多米诺效应，进而造成生产、储存装置损毁。经QRA模拟计算可知，本项目仅液氢储罐区发生氢泄漏引发蒸气云爆炸时，多米诺半径影响将超出厂区范围，可能对周边区域产生一定影响。其中，储罐西侧为企业预留用地，暂无相关设施；后期规划使用时，应避免在爆炸事故影响范围内布置压力容器等设备。储罐南侧建材企业位于多米诺影响半径外，且距离储罐最近的仓库为戊类（火灾危险性最低），无相关设备。储罐东侧生产装置的间距均大于多米诺影响半径。对于外围影响区域，企业可协助对相应设备进行有效安全防护，从而抵御多米诺风险。

七、结束语

驶入高速发展车道的绿色氢能产业，技术复杂，创新速度快且“卡脖子”关键技术多，社会公众普遍对氢有畏惧心理。为保障项目顺利实施、促进氢能产业发展，风险分析与风险控制研究对氢能项目立项、安全设计与方案实施有重要参考意义。在风险分析过程中，须根据绿色氢能项目特点，从风险因素识别、风险估计、风险评价与风险控制四方面，重点对相关风险进行有效分析与控制对策研究。对氢泄漏、重大危险源判别与等级划分进行系统性估计，采用QRA进行个人风险、社会风险计算，并采用风险等值线、社会风险曲线等指标，对项目风险进行定量评价，提出科学、合理的风险控制措施。立足绿色氢能新时代发展，项目风险分析与风险控制研究可有效降低风险，提高投资效益与环境效益，助力我国“碳达峰、碳中和”进程。