质子交换膜燃料电池电站多米诺事故概率和风险研究*

徐圆圆，滕 越，赵 骞，王 缔，易建新

(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

传统化石燃料资源枯竭、大气污染加剧使人类生存条件受到重大挑战，在此背景下，氢能作为1种重要的清洁二次能源相继被多国纳入国家战略[1]。随着氢能的大力发展，氢能产业链逐步壮大，氢能的应用场景逐渐多样化。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)电站就是1种新型的利用氢气作为燃料的电力输出系统，其具有无污染、高效率的优点[2]。然而，由于氢气泄漏后易引发火灾、爆炸事故，给氢能设施的广泛应用带来一定挑战[3]。与一般氢能基础设施相比，氢能电站压力等级更高，危险源更多。另外，由于电站面积受限，生产装置结构紧凑、联系紧密，单次事故可能引发多米诺效应，造成事故后果扩大化。然而，目前有关氢能电站的安全研究较少，主要为定性分析[4]以及故障概率分析[5]。

目前，国内外学者关于多米诺效应的定量风险评估进行了深入的研究。例如，Zeng等[6]研究了化工园区在自然灾害作用下的多米诺事故概率以及风险水平；He等[7]针对化工厂多米诺效应提出了1种基于场论和蒙特卡洛法的多米诺事故定量风险评价新方法；黄海燕等[8]提出了基于贝叶斯网络的多级多米诺效应模型，考虑了事故之间的协同效应。然而，现有多米诺效应的研究主要针对于化工企业，质子交换膜燃料电池电站作为新生事物，目前还非常缺乏氢气泄漏的多米诺事故方面的研究。

基于此，本文在氢能电站风险分析中考虑多米诺效应，将定量风险分析与设备受损概率模型[9]相结合，根据电站内部的特性，构建氢能电站多级多米诺事故风险场景以及多米诺概率模型，提出针对性的安全措施，以期为保障氢能电站的安全提供依据和参考。

1 氢能电站多米诺效应概率与风险分析方法

世界上不同学者针对“多米诺效应”做了不同解释，本文中采用Reniers等[10]提出的目前最为普遍接受的定义：1种初始事故在同一单元内部或临近单元间传播的现象，可按顺序或同时地触发1个或多个二次事故(或多次事故)，最终造成事故总体后果大于初始事故。

本文主要在Cozzani等[9]在多米诺效应机理的研究基础上，结合设备损坏概率模型，依据氢能电站内多米诺效应场景分析结果，建立多米诺效应概率计算方法，再应用到实际案例，最终通过风险定量评价软件将个人风险和社会风险图直观表达出来。风险评价流程如图1所示。

j代表多米诺效应中设备受影响的次序

1.1 事故后果与风险计算方法

挪威船级社(Det Norske Verotas,DNV)公司开发的SAFETI(Software for Assessment of Flammable,Explosive and Toxic Impacts)软件集合了世界范围内多年来灾难事故(包括氢气事故)，建立了泄漏事故数据库[11]。该软件既可以计算氢气泄漏、火灾、爆炸事故后果影响范围，也可以用于评估已知人员分布下的年人员死亡风险概率以及个人、社会风险，并能够输出图形文件，对本文研究有很好的适用性。

1.1.1 事故后果影响范围分析

PEMFC电站的主要事故后果来源于压力容器、管道、设备氢气泄漏所产生的火灾、爆炸事故。氢气的泄漏可分为瞬时泄漏和连续泄漏2种模式。瞬时泄漏指氢气设备的突然爆裂，气体压强迅速下降并形成蒸气云，在扩散过程中被点燃会形成蒸气云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)或闪火事故。连续泄漏的氢气由于压差，在泄漏过程中出现射流，若立即点燃会形成喷射火，若延迟点燃则会形成VCE或闪火。初始事故通过物理效应产生的扩张向量作用于下一单元，VCE和喷射火对周围设备的主要损害方式分别为冲击波以及热辐射，由于闪火作用时间较短，一般不认为会引发多米诺事故[12]。

根据危险单元的受损阈值可确定火灾、爆炸对临近单元的影响范围，本文分别取造成设备损坏的热辐射和超压阈值为37.5 kW/m2和20 kPa[13]。

1.1.2 个人、社会风险分析

个人风险指在火灾爆炸事故后果中某位置处人员个体死亡概率，采用个人风险等值线来表示，社会风险代表单位时间内(通常为a)1次事故后果中死亡人数(N)的可能性(F)，取决于个人风险结果与人员密度分布情况，通常用社会风险曲线(F-N曲线)表示[14]。

1.2 多米诺效应概率计算方法

在计算多米诺效应概率前，首先需要确定初始事件概率fc，即初始单元X0发生火灾爆炸的概率，火灾、爆炸事故来源于氢气的泄漏，初始事件概率fc为氢气泄漏后发生各类事故的概率与危险单元自身失效概率fl的乘积。

1.2.1 初始事件概率分析

氢气泄漏后是否发生火灾爆炸与点火概率相关。立即点火的概率参考“紫皮书”[15]中给出的数据，对于氢气取0.2，MHIDAS数据库[16]中建议延迟点火概率对生产单元取0.85，储存单元取0.73，综合考虑取0.8。其中气体泄漏后蒸气云爆炸(VCE)的发生概率取SAFETI软件的默认值0.4，利用事件树可得到氢气泄漏后各类初始事故发生概率。事件树分析如图2所示，事故发生概率如表1所示。

图2 事件树分析

表1 发生氢气泄漏后各类事故发生概率

1.2.2 扩张概率分析

目标单元的失效概率通过设备损坏的概率模型计算公式[17]进行计算，如式(1)所示。其中概率单位Y的计算参考Cozzani等[18]建立的设备损坏概率单位模型。概率单位见表2。

表2 热辐射和超压引发的设备损坏概率单位

(1)

式中：Pk为热辐射(或冲击波超压)引起的设备损坏概率；Y为热辐射(或冲击波超压)的概率单位；x为设备损坏概率的积分变量。

1.2.3 多米诺效应概率模型

多米诺效应具有不确定性，为了预测多米诺事故扩张顺序，事故链的发展可基于以下假设：即受火灾爆炸影响的二次及以上目标单元Xj发生灾难性破裂。闪火通常不会对设备造成损害，受损单元将以VCE产生的冲击波作用于下一单元，参考表1中VCE的概率为0.4。通过以上分析，得到由初始单元X0引发的多米诺事故场景中，危险单元Xj发生多米诺效应的概率计算公式fε(Xj)如式2所示。

(2)

式中：i≥1，j≥0；i为多米诺效应等级；ε为具体事故场景；JF为喷射火(Jet Fire)。

2 实例分析

2.1 工程概况

针对某在建兆瓦级氢储能电站的安全性进行研究。该项目利用电解水技术经PEM燃料电池发电，站内最高氢气压力等级为21 MPa。电站布置如图3所示。经辨识，站内危险单元涉及压力管道、压力容器、压缩机等，危险单元信息如表3所示。各危险单元间的中心距离如表4所示。

表3 危险单元信息

表4 危险单元之间的中心距离

图3 氢能电站平面布置

2.2 初始事故场景与影响范围分析

根据氢气泄漏模式针对站内危险单元设定初始事件情景如表5所示。本文取环境温度25 ℃、湿度70%、风速1.5 m/s、大气稳定度为D的天气条件，将相关参数输入SAFETI 8.22软件进行计算。依据超压和热辐射对设备的伤害阈值。初始事故影响范围的计算结果见图4。

表5 初始事故模拟参数

图4 不同事故场景下的设备影响范围

图4为不同事故对设备的最大伤害距离。VCE事故中的最大伤害距离由场景6中T01瞬时泄漏造成，达到了26.46 m。喷射火的最大伤害距离为13.16 m。由此可知在氢能电站氢气泄漏事故后果中，设备受损威胁主要来源于气云爆炸产生的超压。

2.3 多米诺效应扩展场景分析

将图4中得到的多米诺伤害半径与电站设备之间距离(如表4所示)进行比较，确定潜在多米诺事故单元，其中压力管道的多米诺效应研究较少，并且通常采用埋地敷设，在此不作为目标单元进行分析。经分析得到电站内所有危险单元的多米诺效应扩展模式以及目标单元如表6所示。

表6 多米诺事故扩展场景

表6中给出由各初始单元引发多米诺效应的扩展场景，X0，X1，X2分别代表初始单元、二次事故单元与三次事故单元。除F01和T03外，其余设备失效均可能引发多米诺效应，事故升级模式主要为超压→超压。站内多米诺效应最高等级为二级。

2.4 多米诺效应概率分析

选取P01为初始单元X0，P01在距离T01 1 m位置处发生氢气泄漏，通过模拟计算得到P01爆炸冲击波产生的超压与距离的关系。超压与距离曲线如图5所示。此时T01受到的超压值为360 kPa，类似地，计算出二级单元T03和F01所受的超压值分别为60，30 kPa。确定目标单元所受超压值后，代入式(1)可求得设备受损概率。再根据“紫皮书”[15]得到P01自身失效概率1×10-6，利用式(1)～(2)计算可得到多米诺效应概率。多米诺效应概率如表7所示。

表7 多米诺效应概率分析

图5 冲击波超压与距离关系

2.5 风险定量分析

风险分析包括概率及后果分析，本文运用SAFETI 8.22进行定量风险分析。输入设备的运行数据，天气以及人员分布情况。个人风险等值线及社会风险F-N曲线分别如图6和图7所示。

图6 个人风险等值线

图7 不考虑多米诺效应、考虑一级多米诺效应下的社会风险等值线

2.5.1 个人风险分析

图6中实线和虚线分别代表风险值1×10-8/a,1×10-9/a。图6(a)中未考虑多米诺影响，考虑一级多米诺效应后对个人风险的影响较大，1×10-8/a,1×10-9/a风险等值线的区域均显著扩大，而考虑二级多米诺效应后与一级多米诺效应相比风险等值线范围无明显变化。

2.5.2 社会风险分析

电站的社会风险潜在伤害人员分为2类:站内的工作人员和站外的居民。本文设电站周围易受伤害人口均匀分布，密度为0.01人/m2，站内控制室内设有工作人员3人，计算得出社会风险曲线(F-N曲线)如图7所示。在不考虑多米诺效应时，仅P01发生爆炸，造成3人死亡。当仅考虑一级多米诺效应时，最大死亡人数从3人上升至13人，同时，考虑一级多米诺效应后曲线整体上升，风险概率整体提高，此时死亡3人的概率由5×10-8/a上升至7.8×10-8/a，增加了56%。

3 结论

1)氢能电站由于其布局以及工艺的特殊性，事故的不确定性增加，在氢气泄漏后可能引发多米诺效应。本文基于多米诺理论，通过设备受损概率模型、事件树分析针对氢能电站建立多米诺事故概率模型，通过此模型可以更详细地了解氢能电站设备受损概率。

2)针对实际案例辨识氢能电站内的危险单元，构建多米诺事故场景，分析多米诺事故发生扩展模式，结果表明，氢能电站内危险设备较集中，易引发多米诺事故，多米诺事故升级模式主要为超压→超压，多米诺效应等级最高为二级。该结果可为氢能电站的风险防控提供参考。

3)在氢能电站风险分析中，考虑多米诺效应能更准确地反应事故危险性。该风险评估方法可为氢能电站的布局规划以及安全屏障的合理分配提供理论参考。