加氫站定量風(fēng)險分析研究

加氫站定量風(fēng)險分析研究摘要：結(jié)合定量風(fēng)險分析理論和加氫站的特點，從加氫站的事故場景、事故頻率、事故后果、死亡概率和個人風(fēng)險與社會風(fēng)險5個方面進行了研究，提出了加氫站定量風(fēng)險分析模型，并結(jié)合某加氫站進行了實例計算分析，計算出該加氫站量化的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，再與國內(nèi)外認可的可接受風(fēng)險標(biāo)準進行比較，得出其風(fēng)險水平是否可接受的分析結(jié)論。其量化的風(fēng)險分析結(jié)論將對加氫站建設(shè)的審批和公眾安全認可具有重要指導(dǎo)意義。引言氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉摧d體，一直備受人們的關(guān)注，但制氫工藝成本和氫氣的安全性問題卻制約了氫能的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。隨著太陽能制氫等多種制氫技術(shù)的突破，大量使用氫能必然成為新能源發(fā)展的一種趨勢，而廣泛建設(shè)加氫站是氫能大量使用的基礎(chǔ)之一。加氫站的風(fēng)險能否被公眾所接受，其風(fēng)險水平到底有多高已成為各國科研機構(gòu)研究的熱點。本文結(jié)合定量風(fēng)險分析理論，對加氫站定量風(fēng)險分析方法模型進行了研究，并結(jié)合某加氫站進行了實例計算分析，得出了該加氫站的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，并與國內(nèi)外的可接受風(fēng)險標(biāo)準進行比較，得出相應(yīng)的風(fēng)險是否可接受的分析結(jié)論，該量化的風(fēng)險分析結(jié)論對加氫站建設(shè)的審批決策和公眾安全認可具有重要的指導(dǎo)意義。1加氫站定量風(fēng)險分析方法1.1定量風(fēng)險分析步驟風(fēng)險是危害造成事故的概率P及后果C的度量[1]，本文中的危害來源主要為氫氣具有的易燃易爆的危險特性。一旦發(fā)生氫氣風(fēng)險事故，可能會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失及環(huán)境破壞。就公共安全而言，風(fēng)險一般指傷亡人數(shù)/頻率。本文主要以人員傷亡的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險作為風(fēng)險度量的主要指標(biāo)。1.2加氫站定量風(fēng)險分析計算模型1.2.1事故頻率計算事故頻率可以查閱相關(guān)行業(yè)的歷史數(shù)據(jù)或相關(guān)數(shù)據(jù)庫（比如OREDA）而得出，也可以先確定初始觸發(fā)事件，構(gòu)建事件樹，再通過事件樹的邏輯運算求出。事件樹通過圖示的形式結(jié)合各安全系統(tǒng)的失效頻率，可計算出不同事故后果的頻率。圖2顯示了事件樹的計算事故頻率的過程。FIE為初始事件頻率，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為子事件的失效概率。1.2.2事故場景分析及后果計算模型以氣態(tài)加氫站為例，根據(jù)1.2.1可知，氣態(tài)加氫站發(fā)生泄漏事件后，如果是持續(xù)泄漏且立即點火，則發(fā)生噴射火事故；如完全破裂且立即點火則可能發(fā)生爆炸事故；如持續(xù)或瞬間泄漏且延遲點火，則可能發(fā)生VCE爆炸或閃火事故。因此，其主要事故后果為噴射火災(zāi)、閃火或爆炸等，其中噴射火和閃火的主要危害來自熱輻射和直接接觸火焰。因有關(guān)閃火造成的熱輻射影響方面的資料極少，閃火燃燒持續(xù)時間很短，與噴射火災(zāi)相比，物體從閃火中接收的熱輻射十分有限，且閃火發(fā)生的條件和蒸氣云爆炸的條件很相似，二者聯(lián)系緊密，而蒸氣云爆炸的危害比閃火熱輻射危害要大得多，實際計算延遲點火事故后果時往往選擇蒸氣云爆炸模型來計算事故影響后果，而忽略閃火的計算[2]，[3]。因此，本文主要采納噴射火、蒸氣云爆炸事故后果模型計算方法，根據(jù)事故后果模型即可計算出加氫站不同位置的熱輻射通量或爆炸超壓值。①噴射火計算模型高壓氫氣持續(xù)泄漏時會形成射流，如果被點燃，則形成噴射火。假定火焰為圓錐形，并用從泄漏處到火焰長度4/5處的點源模型來表示。距離火焰點源為X（m）處接收到的熱輻射通量可用式（2）表示[4]：②爆炸計算模型氫氣泄漏后如與空氣混合且濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)，延遲點火則可能發(fā)生蒸氣云爆炸事故，蒸氣云爆炸事故后果主要為爆炸沖擊波超壓危害，因此，計算蒸氣云爆炸中心點外給定位置的爆炸沖擊波超壓值是模擬此類事故計算的根本立足點。距離爆炸中心點X（m）處的超壓計算模型見式（3）所示[5]。1.2.3死亡概率計算事故后果模擬計算的結(jié)果為給定位置的熱輻射通量和爆炸沖擊波超壓值，為了計算個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，必須將該熱輻射通量和爆炸沖擊波超壓值轉(zhuǎn)化為死亡概率，因此可以結(jié)合概率方程來計算相應(yīng)的死亡幾率，再根據(jù)死亡幾率求得死亡概率值[6]。1.2.4個人風(fēng)險與社會風(fēng)險計算定量風(fēng)險分析的最終結(jié)果為個人風(fēng)險和社會風(fēng)險值的確定，并比對國內(nèi)外通行的可接受風(fēng)險值，來確定其風(fēng)險是否可接受。個人風(fēng)險是指一個人站在某個地理位置上每年傷亡的概率，所以也稱地理風(fēng)險，社會風(fēng)險是針對事故而言的，是指造成N人傷亡的事故每年發(fā)生的概率（F）是多少。個體風(fēng)險可表現(xiàn)為個人風(fēng)險等高線，社會風(fēng)險可表現(xiàn)為F-N曲線和潛在生命損失（PLL）[7]。社會風(fēng)險的評估考慮了出現(xiàn)在定義的敏感或次敏感目標(biāo)附近的人員數(shù)目，再結(jié)合事故發(fā)生的頻率繪制F-N曲線，并根據(jù)給定的社會風(fēng)險容忍標(biāo)準（一般含可接受風(fēng)險、不可接受風(fēng)險和ALARA合理可行最低限度風(fēng)險區(qū)）和F-N曲線落入的區(qū)域，判定其社會風(fēng)險是否可接受。2實例分析2.1加氫站概述本文以一外購壓縮氫氣作為供氫方式的加氫站為例，該站位于市郊，由氫氣長管拖車（18MPa，每車氫氣總質(zhì)量為350kg）供應(yīng)氫氣，拖車通過壓縮機將氫氣加注至高壓儲罐系統(tǒng)，高壓儲罐系統(tǒng)由18個相互連接的高壓圓柱型儲罐（容積2m3）組成，操作壓力為41.4MPa，需要加注時通過加注機給燃料電池汽車進行加注，加注壓力為35MPa。2.2加氫站事故場景及頻率估算加氫站主要工藝裝置有氫氣長管拖車、壓縮機、高壓儲罐、管道、加注機等，主要的初始事件可分為爆裂和持續(xù)泄漏兩種，根據(jù)點火條件的不同，造成的事故后果主要有爆炸或火球、VCE爆炸或閃火、噴射火、空氣中消散等?？筛鶕?jù)上述兩種初始事件建立事件樹，如圖2所示。其中，立即點火概率根據(jù)紫皮書[8]可取0.2參考值，延遲點火概率可根據(jù)MHIDAS數(shù)據(jù)庫取0.5參考值。延遲點火事件發(fā)生后，因氣站一般為敞開式，屬低障礙物類別，發(fā)生VCE爆炸概率可根據(jù)文獻[9]取0.1參考值。如圖3所示，根據(jù)事件樹，可初步估算每種初始事件后的各種事故后果的概率。根據(jù)加氫站的主要工藝設(shè)施，構(gòu)建事故場景，查閱紫皮書，得到各設(shè)施的失效頻率數(shù)據(jù)[9]，并根據(jù)工藝設(shè)施的數(shù)量，計算出初始事件發(fā)生的頻率，再結(jié)合圖3事件樹的概率估算結(jié)果，即可得出加氫站各后果事件發(fā)生的頻率。具體見表1所示[8]。2.3事故后果計算現(xiàn)以加氫站高壓儲罐泄漏事件為例，發(fā)生噴射火和蒸氣云爆炸為主要事故場景，假設(shè)以其中一個高壓儲罐泄漏量為計算取值，輸入相應(yīng)的距離X，即可求得給定位置的熱輻射通量和爆炸超壓值。假設(shè)圓形孔徑為100mm，距離泄漏點或爆炸中心距離為10m，其事故后果值計算過程如下：2.4加氫站的個人風(fēng)險與社會風(fēng)險根據(jù)2.3可知，由式（2），（3）可求得加氫站某工藝裝置外各點的熱輻射通量和爆炸沖擊波超壓值，再在此基礎(chǔ)上由式（4），（5），（6）算出該位置的死亡概率值，然后與表1中各事故后果發(fā)生頻率相乘，即可得該位置的個人風(fēng)險值。如分別取不同的X值進行計算其死亡概率，與表1事故頻率相乘后即得出風(fēng)險源外各個位置的個人風(fēng)險值R（x），匯總后結(jié)合影響距離X（m）可繪制個人風(fēng)險曲線，如圖4所示。同理，根據(jù)式（8），可計算繪制的加氫站高壓儲罐發(fā)生噴射火和蒸氣云爆炸的社會風(fēng)險F-N曲線，如圖5所示。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令（第40號）（2011年12月1日實施）[10]和其他國家地區(qū)有關(guān)的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險可接受標(biāo)準可知[11]，一般情況的個人風(fēng)險可接受范圍為<1×10-6，而社會風(fēng)險可接受標(biāo)準見F-N曲線圖所示。根據(jù)計算可知，加氫站內(nèi)（以半徑20m范圍內(nèi)為例）個人風(fēng)險略高于國家標(biāo)準，而站外的個人風(fēng)險<1×10-7，低于國內(nèi)風(fēng)險準則指標(biāo)；其社會風(fēng)險值則部分落在ALARP可接受區(qū)，該區(qū)需要在可能的情況下盡量減少風(fēng)險；部分落在完全可接受區(qū)，均屬可接受風(fēng)險區(qū)域?？傮w上，該加氫站風(fēng)險屬可接受風(fēng)險。3結(jié)論氫能要成為新的能源載體還有很長的路要走，除了發(fā)展安全技術(shù)之外，提高人們對氫能安全性的認識，增強對氫能發(fā)展與應(yīng)用的信心也是需解決的關(guān)鍵問題之一。本文通過對加氫站的定量風(fēng)險分析研究得出以下結(jié)論。（1）定量風(fēng)險分析理論方法能很好的應(yīng)用于加氫站的量化風(fēng)險分析上，并能得出可供參考的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險。（2）對加氫站（氫氣基礎(chǔ)設(shè)施）進行定量風(fēng)險分析能