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2 国内外加氢站安全间距对比
加氢站内部及与周边建筑的安全间距直接影响到加氢站点的规划布局,而面对日益紧张的城市用地,过大的安全间距在一定程度上制约了加氢站的发展。对比各国加氢站标准中关于安全间距的规定,表2中详细列出了中国、美国、加拿大、日本和韩国加氢站标准中加氢机周围爆炸危险区、公共道路防火距离等关键指标,我国临氢设备的间距要求显著大于国外。表2中的安全间距要求包括爆炸危险区划分、防火距离等要求,数据来源:中国GB50516—2010《加氢站技术规范》;美国NFPA2—2016《Hydrogen Technology Code》;加拿大《Canadian Hydrogen Installation Code》;日本High Pressure Gas Safety Law;韩国High Pressure Gas Safety Management Law。
表2国内外安全间距对比(单位:m)
我国加氢站建设主要依据GB 50516—2010《加氢站技术规范》,该标准制订时间较早,且在标准编制过程中,缺乏实验数据和运营经验的支撑,导致标准与实践存在一定程度的不符。标准中关于安全间距的规定按照汽油与氢气能量等价进行换算,缺乏对氢气特性、燃爆行为及事故频率、后果的深入思考,在一定程度上影响了我国加氢基础设施的建设。国外加氢站标准的制订则是依靠量化风险评估技术,针对氢气的特性及行为特征,计算得到相关的安全间距。
3 基于量化风险评价的加氢站安全间距研究
量化风险评价(Quantitative Risk Assessment,QRA)可以科学地评价某个系统或某一事故的风险值(个人风险和社会风险),为风险减缓措施提供指导和建议,也可直接应用于安全间距等相关标准的制定中,评价过程需要辨识危险源以建立不同事故场景模型、确定失效概率、失效后果分析以及选择风险基准。
3.1 加氢站危险源识别
加氢站危险源识别主要是识别站内有可能影响人员安全的危险点,之后构建危险场景。加氢站内存储的氢气具有可燃性和易燃易爆性,是引发加氢站火灾爆炸事故的主要危险源,氢气引发火灾爆炸事故的原因有设计缺陷、设备老化、操作失误、自然灾害等,但大多数事故的直接原因为氢气的泄漏。根据点火条件的不同,造成的事故后果主要有设备关停、喷射火、爆炸、空气中消散等,建立事故树,见图1。
图1 加氢站事故树
3.2 加氢站氢气泄漏概率分析
美国圣地亚国家实验室(SNL)在对加氢站安全间距进行量化风险评价的过程中,将氢气泄漏概率定义为氢气存储系统典型泄漏尺寸的函数,典型泄漏尺寸的选取至关重要。安全间距并不是针对大的灾难性事故来保护系统,而是应该覆盖设施生命周期内可能发生的事故,尤其是发生概率较高的小尺寸泄漏事故,需要保证在超出安全间距区域泄漏事故引发的风险后果是可以接受的。因此在选择典型泄漏尺寸时需要考虑所选尺寸的泄漏概率和更大尺寸泄漏的后果。最终选择的用于计算安全间距的泄漏尺寸包含了典型加氢站95%的泄漏事故。95%比例的选取是基于90%到99%的大尺寸泄漏事故在加氢站设计建设过程中已采取了应对措施。
3.3 风险基准选择
风险评价首要考虑的就是潜在的人员伤害,为事故暴露人员建立风险基准,包括位于加氢站边界以外的公众人员、加氢站工作人员及顾客。风险评价中最重要的关注点为公众安全,评价过程中公众的风险基准通常设置为比站内工作人员小1到2个数量级。根据事故后果计算模型,选择的风险基准反映了人员死亡率的可接受程度。
风险基准可以针对个人或公众群体。个人风险反映了在某一特定地点的人员平均死亡率。通常来说,对于暴露最严重的人员评价其个人风险。社会风险反映了死亡率与人数的关系,对于社会风险评价来说,确定设施周围的人员非常重要。对于一般的用于建立标准的风险评价,人口密度的选择对于结果会引入多于一个的不确定度。用于确定标准中安全间距的风险评价过程,个人风险的确定是仅针对某一特定地点的,但对于一个地点难以准确确定暴露最严重的人员,因此通常假定暴露最严重的人员为位于安全间距距离处的公众。
3.4 基于风险的加氢站安全间距计算方法
a)依据加氢站事故树,氢气泄漏事故场景分为喷射火、爆炸和仅泄漏3大类,基于选定的典型泄漏尺寸,计算泄漏量,进而得到点火概率,最终推算出不同事故场景的发生概率。
b)喷射火事故以火焰辐射值为伤害参数,爆炸事故以压力峰值和冲击波为伤害参数,分别计算其致死率,之后求和计算出该典型泄漏尺寸下的总致死率。
c)最后由图2依据泄漏事故的累计风险和选定的风险基准确定安全间距。
图2 基于风险的安全间距确定方法
4 结论与建议
在对美国、德国、日本等国家和地区加氢站现状分析的基础上,从加注规模、安全间距、储氢方式等多个方面与我国的加氢站进行了综合比较。对比发现,我国标准制定过程中采用的汽油与氢气能量等价换算方法计算得出了过大的安全间距,这在一定程度上制约了我国加氢站的发展。因此建立了基于风险的加氢站安全间距计算方法,为加氢站安全间距的科学合理制修订提供了基础。但我国的加氢站发展时间短,国内尚无有效的加氢站氢气泄漏概率数据库,对加氢站量化风险评价结果的准确性有很大影响,因此后期将开展加氢站设备失效概率的分析研究工作,以助于安全间距的合理制修订。
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