加氢站定量风险评估和防控策略研究.pdf
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1、新能源NewE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摘要:采用定量风险评估方法,识别加氢站存在的风险;采用Phast软件,对上海某加氢站进行火灾和爆炸事故的模拟计算及后果分析。基于加氢站的计算和分析结果,提出了优化措施并加以验证,最后从规划、建设、运行等环节提出了有效的风险防控策略,以降低加氢站出现火灾或爆炸事故的可能性及影响。关键词:加氢站定量风险评估防控策略火灾爆炸喷射火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
2、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3 58 座,其中在营245座。2 0 2 2 年全国新建加氢站1 0 9 座,新增加氢站数量位居当年世界第一。到2 0 2 5年,我国加氢站的建设目标为至少1 0 0 0 座,到2 0 3 5年加氢站的建设目标为至少50 0 0 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%7 5
3、.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(2 0 2 1 一2 0 3 5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GB50516一2 0 1 0 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
4、、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。立即点燃延迟点燃氢气连续泄漏未点燃图1 氢气连续泄漏事件树GB/T37243一2 0 1 9 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(3 7.5kW/m、1 2.5k W/m、6.3 k W
5、/m、4.7kW/m)条件下,加氢站热辐射对设备和人造成闪火爆炸无影响18)2 0 2 3 年第5期上海煤气新能源NewEnergy的后果。该标准对闪火的后果也做了相应规定:闪北侧,设有2 台4 5MPa压缩机组、4 5MPa储氢瓶火火焰区域内,人员死亡概率为1 0 0%;闪火火焰组、2 0 MPa长管拖车等;加注区位于加氢站南侧,区域外,热辐射强度造成的后果随距离增加而逐渐设有加氢机组(含2 台双枪3 5MPa加氢机);综合服降低,直至对设备和人员没有伤损。务区位于加氢站西侧,设有变配电间、控制室、值表1 4 种典型热辐射强度造成的后果班室、卫生间、便利店等。热辐射强度/42.0 m对设备的
6、损害对人的伤害(kWm3)1%死亡(1 0 s)37.5操作设备损害100%死亡(1 min)有火焰时,木1度烧伤(1 0 s)12.5材燃烧及塑料熔1%死亡(1 min)化的最低能量在8 s内裸露皮肤有痛感;无热辐6.3射屏蔽设施时,操作人员穿上防护服可停留1 min暴露1 6 s,裸露皮肤有痛感,无热4.7辐射屏蔽设施时,操作人员穿上防护服可停留几分钟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/T37243一2 0 1 9 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
7、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压力/kPa对建筑的影响4.8房屋建筑物受到较小的破坏6.9房屋部分破坏,不能居住34.548.2房屋几乎完全破坏注:房屋建筑物规范未对建筑结构类型等作出规定,故建筑理解为普通的砖混结构平房。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 0 0 0 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 hm,距离南侧道路边线约1 3.0 m,距离东部丙类厂房建筑边线约2 0.0 m,北侧和西侧为绿化、大棚等,如图2 所示。防火距离满足GB50516一2 0
8、2 0 加氢站技术规范(2 0 2 1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。工艺区位于加氢站业压缩储氢长管拖车机组瓶组室外箱变(工艺区)(号)加氢机组(加注区)763.5m7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压力/kPa对人的影响10人员死亡概率为0人员死亡概率为30100%厂O20.0m业8?一道路边线分级储存。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。放散口宁?88卸车
9、口8拉断阀组切断阀口软管加注图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上海煤气2 0 2 3 年第5期1 9房业平压缩机储氢瓶8储氢瓶进口阀储氢瓶出口阀新能源NewEnergy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1 0 条,第1 条阻塞程度最弱,第1 0 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
10、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。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,管段压力/MPa12045454?注:受篇幅限制,仅列其中1 种典型泄漏孔径。下文中的模拟结果为所有泄漏孔径事故后果的叠加。从表3 可看出,储氢瓶组出口(管段一)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1 0-4/a,即万年一次。3.3.3楼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
11、,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3 7.5kW/m的影响距离集中于氢气泄漏出口;1 2.5kW/m的最大影响距离1 1 m(与氢气长管拖车卸车位的相对距离);6.3 kW/m的最大影响距离1 6 m(与高压储氢瓶组的相对距离);4.7 kW/m的最大影响距离为2 0 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。20)2 0 2 3 年第5期上海煤
12、气工艺流程分析划分泄漏单元提出改进措施模拟计算是是否需改进结束图4 加氢站风险模拟分析流程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。表3 工艺流程主要参数设置泄漏孔径/mm泄漏流量/(kg?s-)1.620.0201.500.0351.520.036451.52451.10泄漏工况分析模型参数设置模拟结果泄漏频率X/a-1点火概率Y1.2210-30.0184.6510-40.0304.8310-40.0310.0361.5910-30.0198.2310-
13、3室外箱变图5喷射火热辐射强度范围线压缩储氢机组瓶组长管拖车室外箱变闪火范围线加氢机组(加注区)图6 闪火范围线发生频率(Xx)/a-10.2210-40.1410-40.1510-40.0310.4910-40.0171.4010-4三三压缩储氢长管拖车机组瓶组(工艺区)加氢机组(加注区).TNO曲线第8 条第8 条第8 条第8 条第7 条-12.5kW/m6.3kW/m4.7kW/m新能源NewEnergy(3)爆炸。当氢气泄漏后延迟点燃,若气流冲围线从1 1 m(与氢气长管拖车卸车位的相对距离)降击波速度足够高并产生明显的超压时,形成爆炸。至3 m,6.3 k W/m 的范围线从1 6
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