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        定量風險分析(QRA)在加氫站安全評估中的應用

        2022-11-29 10:39:04佛燃能源集團股份有限公司
        上海煤氣 2022年4期
        關鍵詞:傷損熱輻射儲氫

        佛燃能源集團股份有限公司 李 彤

        加氫站是交通氫產業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。截止2021年年底,我國已建成的加氫站超250座。佛山市作為廣東氫車示范群的牽頭市,積極謀劃交通氫能,目前已具有國內數(shù)量最多的加氫站網絡。作為佛山的能源支柱企業(yè),佛燃能源集團正由城燃向綜合能源企業(yè)轉型,南莊和明城“制加氫一體站”對華南乃至國內加氫站的發(fā)展都具有里程碑意義。

        1 QRA流程

        定量風險分析QRA(Quantitative Risk Analysis)是評估國際加氫站安全距離的通用方法,國內已在化工領域普遍應用。QRA可準確識別和量化分析各類裝置的泄漏、火災、爆炸及中毒等事故發(fā)生頻率及其后果嚴重程度,并描述裝置危險性風險概率。

        氫是一種點火能極低、爆炸極限寬的易燃易爆介質,發(fā)生事故也會造成嚴重后果。國家雖已頒布了GB 50516-2010《加氫站技術規(guī)范(2021版)》和GB 50156-2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》,但上述標準主要沿用加油加氣站經驗,其站外防火距離缺乏實證支撐,對我國更大范圍地普及加氫站有一定制約。因此有必要在加氫站選址中引入QRA作為現(xiàn)行標準的補充。

        加氫站QRA的具體工作流程,如圖1所示。

        圖1 加氫站QRA的工作流程

        工作流程即先確定涉氫的風險模型,包括基本模型、風險指標、風險識別和量化傷損等;再針對實際項目,掌握其設計條件和自然條件,即獲取平面布置、工藝流程和設備配置;然后將兩類條件作為參數(shù)輸入數(shù)值模擬軟件,進行風險評估;最后依據(jù)分析結果評估項目的安全性(如站外防護距離),從而為項目選址提供可量化的決策。

        2 風險模型

        涉氫的風險模型,包括基本模型、風險指標、風險識別和量化傷損等。

        2.1 基本模型

        基本模型主要包括:氫點火概率模型、爆炸模型(如TNO)和氫射流模型。

        2.1.1 氫點火概率模型

        傳統(tǒng)氫點火概率是氫釋放量的階梯函數(shù)。該類函數(shù)只取決于初始釋放速率,未計入氫積累影響。為此,挪威民防局建議使用修正后的HYEX函數(shù)[1]。其修正依據(jù)是在較大泄漏流量下,氫在漏點停滯時間更長,湍流會變小,導致點火能降低,因此點火概率會增加,更趨平滑。本文取修正后的HYEX函數(shù)。對于點火概率分配方面,可把2/3認為是立即點火,1/3是人為延遲點火。

        2.1.2 TNO模型

        蒸汽云爆炸有TNT、TNO及基于各類CFD的模型。本文取TNO模型。TNO模型針對不同燃燒速度下的蒸汽云爆炸,對應有一組能量曲線,編號由1到10,1號最弱,10號最強,可精確區(qū)分氫爆炸強度[2]。開放空間的氫擴散存在爆燃效果,可選5號曲線。加氫站工藝區(qū)因長管拖車、壓縮機及儲氫容器分布較密,氫泄漏后會沖擊實體、形成火焰加速效應,可能存在微爆轟效果,故選擇8號曲線。

        2.1.3 氫射流模型

        早年開發(fā)的半經驗射流模型主要針對甲烷等碳氫化合物,而對于氫射流,原模型已不適用。美國AP公司的Miller于2017年提出了針對氫的專用射流模型。該模型較好地考慮了側風及火焰抬升效應,并得到挪威船級社(DNV)和 AP公司實證。本文采用這種針對氫的專用射流模型。

        2.2 風險指標

        風險指標區(qū)分個人和社會兩種。

        GB 36894-2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》之3.2節(jié)規(guī)定了危險化學品產儲設施的個人風險,適用于化工項目選址的風險判定。本文遵循其個人風險基準,把一般防護目標中的一類目標作為加氫站的風險判定,取值3×10-7次/a。

        社會風險體現(xiàn)于群體在危險區(qū)承受傷害的頻發(fā)程度,與區(qū)內人口數(shù)、風險接受程度等相關,需具體項目逐一分析,本文不做考慮。

        2.3 風險識別

        本文以常規(guī)氣態(tài)加氫站為對象,構建事件樹進行風險識別,如圖2所示。

        圖2 氣態(tài)加氫站事件樹

        氣態(tài)氫氣泄漏的后果主要有噴射火、閃火、蒸汽云爆炸及火球(液氫另考慮有池火)。初始事故風險時,立即點火會產生噴射火,延遲點火會出現(xiàn)閃火和蒸汽云爆炸,其中噴射火和閃火的后果影響距離對應于現(xiàn)行標準的防火距離。

        在初始事故作用下,時空間維度上都可能產生次生事故,引發(fā)多米諾效應,從而導致疊加風險。如在延遲點火時,蒸汽云爆炸后會再引發(fā)噴射火、閃火或火球。但鑒于蒸汽云爆炸影響(超壓)不涉及現(xiàn)行標準的防火距離,故本文將計入多米諾及蒸汽云爆炸后的影響距離定義為防護距離,以示區(qū)別。

        2.4 量化傷損

        GB 50516-2010中規(guī)定的防火距離主要針對火災,傷害原因是高溫火焰的熱輻射。表1摘錄了典型熱輻射強度(依次為37.5 kW/m2、12.5 kW/m2、4.7 kW/m2)所對應的傷損值。

        表1 典型熱輻射強度所對應的傷損值

        雖然現(xiàn)行標準中的防火距離只針對熱輻射,但對易爆的氫而言,玻璃破碎、房屋破壞及人員內臟損傷等超壓影響不容忽視,具體見表 2。建議計算防護距離時一并考慮。

        表2 超壓的傷損值

        2.5 數(shù)值模擬軟件

        常用軟件包括Phast、FLACS和Fluent等。本文先采用Phast & SAFETI軟件模擬,再通過頻率歸集,最終確定影響范圍。Phast & SAFETI軟件由挪威船級社(DNV)開發(fā),是世界公認最全面的危害分析平臺。其計算覆蓋初始泄漏到遠場擴散的全過程,對氫射流模型也進行了優(yōu)化,更趨于實際,能有效模擬氫泄漏引起的熱輻射和超壓等后果。

        3 實例項目條件

        加氫站QRA分析可按照圖1所示的工作流程,在確定風險模型前提下,輸入項目的設計條件和自然條件。本文以華南地區(qū)日加注能力1 000 kg的某加氫站為例進行說明。

        3.1 平面布置

        該加氫站用地面積約3 000 m2,東側與丙類廠房相距21 m,南側距市政道路12 m(路東南有一處公寓,限于圖幅未顯示),西靠魚塘及棚屋,北側為農田,如圖3所示。

        圖3 華南某加氫站的平面布置(m)

        站內工藝設施已遵循 GB 50516-2010之表4.0.4A,與站外的重要公共建筑、民用建筑、廠房及道路等均保持最小防火距離。

        加氫站平面分三個區(qū)域:生產區(qū)、輔助區(qū)及加氫區(qū)。生產區(qū)布置長管拖車車位、儲氫容器、壓縮機及其配套冷卻機組;輔助區(qū)是站內的運營管理用房,包括值班室、控制室及機柜室;加氫區(qū)由罩棚及位于其下的凸島和加氫機組成。

        該項目自當?shù)貧庀蟛块T獲取了風力條件,其風頻風向數(shù)據(jù)位于圖右上角。

        3.2 工藝流程及設備配置

        加氫站內的主要工藝設備包括長管拖車、卸氣柱、壓縮機、儲氫容器和加氫機。35 MPa加氫站工藝流程如圖4所示。

        圖4 35 MPa加氫站工藝流程

        長管拖車將壓力不高于20 MPa的高壓氣氫由氫源地運至加氫站,再通過站內壓縮機將氫增壓至站內45 MPa儲氫容器。外來燃料電池汽車加氫時,由儲氫容器輸出氫,再通過加氫機加注到車輛的車載儲氫瓶中;70 MPa加氫站再增設一級壓縮,工藝流程基本同35 MPa加氫站。

        35 MPa加氫站工藝流程分5段,各段處于相應壓力、溫度時所對應的泄漏口徑、泄漏流量、泄漏頻率和點火概率參數(shù)見表3,工藝設備具體配置見表4。

        表3 工藝流程各段對應參數(shù)

        表4 工藝設備配置

        4 QRA分析

        本文根據(jù)圖1輸入風險模型和項目條件后進行過程分析和結果分析,

        4.1 過程分析

        氫泄漏后的場景包括三個層次,依次為泄漏擴散、初始事故風險以及多米諾效應引發(fā)的疊加風險。以下是各層次過程分析的示例。

        4.1.1 泄漏擴散

        GH1為卸氣柱到壓縮機前的管段,漏孔尺寸5 mm,泄漏質量流量0.2 kg/s。以該管段為例分析氫泄漏擴散場景。

        根據(jù)計算,100% LFL(可燃濃度下限)主要集中在站內,50% LFL擴展至站外20 m處。當漏孔高度1 m時,100% LFL的氫擴散距離為13.5 m,50%LFL的氫擴散距離為29 m,尤其是50% LFL的氫云有明顯“抬升”現(xiàn)象,與氫射流模型形態(tài)相似。

        4.1.2 初始事故風險

        (1) 熱輻射。以噴射火為例。氫泄漏后立即點火會產生噴射火,其引發(fā)的熱輻射會對設施和人員造成傷損。

        根據(jù)模擬計算,熱輻射強度37.5 kW/m2的影響范圍集中在站內壓縮機及儲氫容器附近。此范圍內的設備將會發(fā)生損害,人員也將在1 min內100%死亡,但對站外設施及人員沒有影響。熱輻射強度4.7 kW/m2的影響范圍為(站外)壓縮機北側33 m處及長管拖車東側24 m處。此范圍內人員暴露16 s,裸膚有痛感,也應考慮防護。東側廠房和東南角公寓則處于4.7 kW/m2影響范圍外,不受影響,能滿足各自的生產生活需要。

        (2) 超壓。對蒸汽云爆炸的超壓后果進行模擬,其行業(yè)爆炸風險累計頻率位于10-4次/a至10-5次/a之間,并取2 kPa作為安全閾值(對應窗玻璃破碎)。

        結果顯示,在10-4次/a累計頻率時,2 kPa最大影響距離在儲氫瓶組北側61 m處,而累計頻率為10-5次/a時,2 kPa最大影響距離迅速擴大至壓縮機西側133 m處。因此,超壓沖擊波對頻率取值十分敏感,需在分析中重視,建議取中間值,如5×10-4次/a。

        4.1.3 疊加風險

        以噴射火為例,考慮多米諾效應后的疊加風險,初始風險與疊加風險的防護距離對比見表5。

        表5 初始風險與疊加風險的防護距離對比 m

        可見,疊加風險后的防護距離與初始風險防護距離相比,增量只有1~3 m,部分項甚至不變(如熱輻射強度為4.7 kW/m2),均滿足加氫站標準的防火距離。

        初步推斷,疊加風險影響并不顯著,所以對于實際項目,建議可按初始風險計算防護距離,以便簡化過程分析。但當計算值接近標準的防火距離時,還應校核疊加風險影響。

        4.2 結果分析

        通過泄漏、熱輻射、超壓及其多米諾效應等后果的多重場景疊加,最終得到基于個人風險的防護距離。我國對一般防護目標特定風險概率規(guī)定:一類風險為3×10-7/a,二類風險為3×10-6/ a,三類風險為 1×10-5/ a。

        按照3×10-7/ a的風險基準,東南西北各側的防護距離依次為77 m、66 m、76 m和81 m,站外防護距離的變化受到站內設備布置及當?shù)仫L力條件的共同作用。站外道路南側的公寓屬于民用建筑,應當滿足一類風險要求。站外東側的廠房屬于工業(yè)建筑,應滿足二類或三類風險要求。其中,二類要求當班人數(shù)可大于100人,三類必須小于100人。該廠房實際位于3×10-6/a風險基準線范圍外,滿足二類要求的風險防護距離,不需要限制其當班人數(shù)。但如果位于1×10-5/a基準線之間,則加氫站選址建議退讓或該廠房當班人數(shù)應作限制。

        最終,該加氫站與周邊設施及人員均滿足QRA防護距離的各項風險控制要求,選址合理,從而降低了今后可能發(fā)生的事故所引發(fā)的傷損。

        5 安全對策

        QRA結果還能反饋至加氫站的設計條件,建議采用的安全對策如下:

        (1) 設置過流閥。控制氫泄漏量能減小熱輻射范圍及對應防護距離。無措施時管道泄漏時間可能長達 40 min,過流閥能在泄漏后及時切斷(現(xiàn)僅為GH5段選裝件)。如在工藝流程各段增設過流閥(尤其是涉及儲氫的GH1和GH3段),可有效控制單次泄漏量,縮短泄漏時間,從而降低傷損。

        (2) 優(yōu)化防爆墻方位。現(xiàn)行標準僅要求卸車位設防爆墻。QRA表明,應針對站外的特定風險要素(建筑及人員聚集點)及其風險偏好,再優(yōu)化結構墻的布置方位,實現(xiàn)主動防御功能。

        (3) 附加防火材料。氫泄漏后的水平射流長,會造成周邊設施燒毀,進而引發(fā)更大的泄漏和危害。為根本上消除該類風險,建議站內設施(含管系)有條件的可包裹阻燃材料(如泡沫玻璃)或涂敷有效耐火涂料。

        (4) 探索地下儲氫。目前絕大多數(shù)加油站和部分加氣站已設置為地下儲罐,可基本消除火災蔓延的多米諾效應。加氫站也可探索設置埋地覆土罐或地下井的型式,以降低疊加次生事故風險。

        6 結語

        2022年3月國家發(fā)展改革委發(fā)布了《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》,氫作為清潔綠色的零碳能源受到極度重視,從而促進了加氫站的飛速發(fā)展。在加氫站的安全風險評估過程中,QRA法能對加氫站的事故風險及其后果進行科學量化。本文通過實例,提供了該方法的具體操作步驟,也驗證了其有效性。建議今后在加氫站的選址和設計中,應用QRA作為現(xiàn)行標準外的輔助決策工具。

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