加氢站定量风险评估和防控策略研究

上海能源建设工程设计研究有限公司 胡 瑛

当前我国氢能产业正处于快速发展期，中央及地方政府的氢能政策密集出台，氢燃料电池技术快速迭代，推动氢能在交通领域驶入快车道。其中加氢站是氢燃料电池汽车实现商业化的关键基础设施，在氢能产业链中扮演着重要的角色。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟统计，截至2022年底，我国累计建成加氢站358 座，其中在营245 座。2022年全国新建加氢站109 座，新增加氢站数量位居当年世界第一[1]。到2025年，我国加氢站的建设目标为至少1 000 座，到2035年加氢站的建设目标为至少5 000 座[2]。推进加氢站的规划建设，是实现碳达峰、碳中和目标，完成能源结构转型的重要举措。

1 加氢站安全重要性

随着氢能交通应用场景的快速拓展，加氢站建设数量日益增加，加氢站越来越频繁地出现在公众视线里。由于氢气密度低、扩散系数大、自燃温度低、爆炸范围大(爆炸极限为4.0%～75.9%)，泄漏后极易扩散和自燃，若在有限空间泄漏后未及时消散，达到爆炸极限后经点火极易引发爆炸事故。安全是氢能产业健康有序发展的必要前提，国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划(2021－2035年)》中明确提出“把安全作为氢能产业发展的内在要求”。

国内已出台GB 50516－2010《加氢站技术规范(2021 版)》等现行标准，但该类标准对于加氢站安全距离的规定是基于加油加气站的设计经验，而对加氢站安全距离的控制缺少切实的理论依据。因此，本文研究中采用定量风险评估的方法，对加氢站氢气火灾和爆炸的后果进行定量化分析和计算，并采取必要的防护措施，能够为加氢站的选址、设计提供参考依据。

2 加氢站风险识别

加氢站氢气连续泄漏后产生的后果主要有喷射火、闪火、爆炸。在立即点燃时，氢气燃烧形成的喷射火产生大量热辐射。在延迟点燃时，若气流冲击波未出现明显加速，则形成闪火；若气流冲击波速度足够高并产生明显的超压时，则形成爆炸。若氢气泄漏后没有遇到点火源，将会安全扩散。氢气连续泄漏事件树，如图1所示。

图1 氢气连续泄漏事件树

GB/T 37243－2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》规定了不同热辐射强度对人体造成的损害。表1 列出了4 种典型热辐射强度(37.5 kW/m2、12.5 kW/m2、6.3 kW/m2、4.7 kW/m2)条件下，加氢站热辐射对设备和人造成的后果。该标准对闪火的后果也做了相应规定：闪火火焰区域内，人员死亡概率为100%；闪火火焰区域外，热辐射强度造成的后果随距离增加而逐渐降低，直至对设备和人员没有伤损。

表1 4 种典型热辐射强度造成的后果

虽然现行加氢站标准中的防火距离考虑了热辐射的影响，但从保障人员安全、减少对建筑破坏的角度出发，还须关注超压对建筑和人员的影响。GB/T 37243－2019 分别规定了超压对建筑物和人员的影响。表2 选取3 种典型超压值对建筑的影响及2 种典型超压值对人的影响，并在下文中重点分析加氢站超压对建筑的影响后果。

表2 典型超压值造成的后果

3 加氢站定量风险评估实例

本文以上海某气态三级加氢站(站内储氢容器容量≤3 000 kg)作为定量风险评估的对象。

3.1 加氢站概况

加氢站用地面积约0.3 hm2，距离南侧道路边线约13.0 m，距离东部丙类厂房建筑边线约20.0 m，北侧和西侧为绿化、大棚等，如图2所示。防火距离满足GB 50516－2020《加氢站技术规范(2021版)》的有关规定。加氢站内分为3 个区域，分别是工艺区、加注区、综合服务区。工艺区位于加氢站北侧，设有2 台45 MPa 压缩机组、45 MPa 储氢瓶组、20 MPa 长管拖车等；加注区位于加氢站南侧，设有加氢机组(含2 台双枪35 MPa 加氢机)；综合服务区位于加氢站西侧，设有变配电间、控制室、值班室、卫生间、便利店等。

图2 加氢站布局示意

3.2 加氢站工艺流程

加氢站的工艺流程如图3所示。长管拖车将氢气运送到加氢站后，通过站内压缩机组将氢气进一步压缩，再通过顺序控制柜输送至储氢瓶组中进行分级储存。当需要给燃料电池汽车提供加注服务时，氢气从储氢瓶组输出至加氢机，加注至燃料电池汽车的储氢瓶内。

图3 加氢站工艺流程示意

3.3 加氢站定量风险评估

3.3.1 风险模拟分析流程

本文运用Phast 软件分析加氢站的火灾和爆炸事故后果。首先分析加氢站的工艺流程，根据阀门位置把工艺流程划分为不同的隔离单元；在设定氢气设施泄漏频率、泄漏孔直径之后计算泄漏量等主要参数；然后在Phast 软件中设置点火概率模型、根据加氢站设施布局的阻塞程度选取TNO 多能法爆炸强度曲线(该曲线共10 条，第1 条阻塞程度最弱，第10 条阻塞程度最强)等；接着开展模拟研究和影响评估；最后根据模拟结果判定后果是否可以接受，若不能接受则提出改进措施，重新进行分析和模拟。加氢站风险模拟分析流程，如图4所示。

图4 加氢站风险模拟分析流程

3.3.2 参数设置

根据阀门(如放空阀、安全阀)位置和操作条件，把工艺流程划分为不同的隔离单元，见图3，分析氢管道泄漏孔径、泄漏频率、泄漏流量等泄漏参数，在软件中设置经计算的点火概率，选择TNO 多能法爆炸强度曲线等。工艺流程主要参数设置见表3。

从表3 可看出，储氢瓶组出口(管段⑤－⑥)泄漏流量大、发生频率高。依据行业内中石化等大型企业以及美国、东南亚等国家和地区类似项目的取值经验，除特殊说明外，本文火灾和爆炸事故累积发生频率取值为10－4/a，即万年一次。

3.3.3 模拟结果

本文对加氢站喷射火、闪火及爆炸的后果进行模拟，并对模拟后果图做了简化，具体如下。

(1)喷射火。当氢气泄漏后若立即点燃，形成喷射火，分布于储氢瓶组、加氢机组等氢气泄漏的位置。喷射火热辐射模拟结果如图5所示：火灾热辐射强度37.5 kW/m2的影响距离集中于氢气泄漏出口；12.5 kW/m2的最大影响距离11 m(与氢气长管拖车卸车位的相对距离)；6.3 kW/m2的最大影响距离16 m(与高压储氢瓶组的相对距离)；4.7 kW/m2的最大影响距离为20 m(与高压储氢瓶组的相对距离)。

(2)闪火。氢气泄漏后若延迟点燃，即形成闪火，闪火范围线如图6所示。闪火后果影响区域分布在高压储氢瓶组和加氢机组附近，未超出工艺区和加注区范围。

(3)爆炸。当氢气泄漏后延迟点燃，若气流冲击波速度足够高并产生明显的超压时，形成爆炸。爆炸模拟结果如图7所示，34.5 kPa 范围线位于加氢站工艺区内，6.9 kPa 范围线大部分位于加氢站内，小部分位于加氢站北侧空地，4.8 kPa 最大影响距离在储氢瓶组北侧约23 m 处，此范围外人员基本无影响。东侧工业厂房处于4.8 kPa 影响范围外，能满足正常生产需要。

图7 爆炸热辐射强度范围线

在加氢站规划设计时，建议加氢站工艺区布置不宜靠近围墙边界，减少事故发生时对外界的影响。在加氢站内部布置工艺区困难时，可将工艺区布置在其相邻外部空间为空地或人员极少到达的区域。

3.3.4 采取措施后模拟结果

从模拟结果可以看出，在累积发生频率为万年一次的前提下，该加氢站火灾和爆炸事故不会对站外人员产生死亡风险，无需采取额外的防控措施。但考虑到加氢站建设条件的差异性，部分加氢站因安全距离因素导致选址困难，进一步研究后提出两项措施：一是在加氢站工艺设施区构建防护墙(工艺范围见图3 中②－⑥)，防护墙高度3 m。防护墙能够把泄漏氢气的扩散范围及喷射火强热辐射范围限制在防护墙内。二是在储氢瓶组下游侧增设过流切断阀(图3 标注的A 位置)，在管道泄漏、氢气流速过大时及时切断。

(1)喷射火。采取措施后的喷射火热辐射模拟结果(参照图5)：火灾热辐射强度12.5 kW/m2的范围线从11 m(与氢气长管拖车卸车位的相对距离)降至3 m，6.3 kW/m2的范围线从16 m(与高压储氢瓶组的相对距离)降至6 m，4.7 kW/m2的范围线从20 m(与高压储氢瓶组的相对距离)降至7 m。站外建筑和人员几乎不受影响。

(2)闪火。采取措施后，工艺区已无累积发生频率为10－4/a 的闪火后果，站外建筑和人员也不受影响。

(3)爆炸。采取措施后，工艺区内已无累积发生频率为10－4/a 的爆炸后果，防护墙有效降低爆炸对于防护墙外的影响。

4 加氢站安全风险防控策略

根据加氢站定量风险识别及定量风险模拟结果，本文对加氢站提出如下风险防控建议措施：

(1)优化站点建设布局。加氢站在选址阶段应根据城镇规划、环境保护和节约能源、消防安全等要求进行站点布局，应该设置在交通方便的位置，且应避开多尘或有腐蚀性气体及地势低洼和可能积水的场所。

(2)采取工程保护措施。加氢站工程保护措施包括设置过流切断阀、合理布局站内建构筑物、采用防火防爆材料等。过流切断阀可以在泄漏事故发生时及时切断，减小火灾和爆炸事故的影响范围；根据定量风险评估确定的爆炸冲击波压力梯度分布，在总图设计时更合理地布置站内建构筑物；加氢站内的设施在有条件的情况下可采用防火防爆材料或涂敷耐火涂料。

(3)强化站内安全管理。加氢站内安全管理手段包括定期检查氢气工艺和自控等设施、加强工作人员的培训、建立站外应急管理联动机制等。加氢站内成套设备设施应由具有资质的单位生产并具有合格证明文件，合格验收后方可进入调试阶段，并在投入运行后定期进行设备检查；提高加氢站工作人员的操作技术和安全意识，制定完善的加氢操作规程、检维修作业规程并监督执行；建立突发事件应急联动工作机制，加强站内外突发事件信息共享，统筹调配力量物资，确保能第一时间联合应对处置。

5 结语

发展氢能产业要坚持安全优先的基本原则，建立健全氢能安全监管制度和标准规范，强化重大安全风险的预防和管控，提升全过程安全管理水平，确保氢能利用安全可控。采用定量风险评估的方法，科学量化加氢站的火灾和爆炸事故风险，可作为加氢站规划、设计、审批的辅助决策依据。同时，采取必要的风险防控策略，进一步降低事故发生可能性和后果影响程度，并可为加氢站的选址、设计提供更多选择。