趙雯晴

 

中石化安全工程研究院有限公司

 

作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础＝陙?lái)多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已將氫能和燃料電池發(fā)展提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。加氫站是支撐氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)數(shù)量和普及程度，在很大程度上決定了氫燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

 

1.1 加氫站建設(shè)情況

 

根據(jù)H2stations.org的報(bào)告，2015—2020年，全球加氫站保有量增加191%。歐洲各國(guó)加氫站建設(shè)情況是德國(guó)100座、法國(guó)34座;亞洲各國(guó)加氫站建設(shè)情況是日本142座、韓國(guó)60座、中國(guó)69座，其他國(guó)家建有4座;北美的美國(guó)建有加氫站49座、北美其他國(guó)家26座;其他地區(qū)建有加氫站13座。截至2020年底統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)亞洲、歐洲和北美洲是車(chē)用氫能發(fā)展最快的地區(qū)，在現(xiàn)已建成的加氫站中歐洲占36%，亞洲占49%，北美洲占14%。全球的加氫站產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，各國(guó)在建站形式、氫氣制取和儲(chǔ)存工藝等方面有顯著差異。按照建設(shè)形式不同，加氫站主要包括固定式、撬裝式和移動(dòng)式3種;按照氫氣來(lái)源不同，包括外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站;按照氫氣儲(chǔ)存狀態(tài)，包括高壓氫氣加氫站和液氫加氫站;按照制氫方式不同，加氫站包括電解水制氫加氫站、工業(yè)副產(chǎn)氫加氫站、天然氣重整制氫加氫站等。

 

就加氫站的數(shù)量而言，亞洲處于領(lǐng)先地位，其中日本、我國(guó)和韓國(guó)發(fā)展最快。日本是氫能經(jīng)濟(jì)的有力推動(dòng)者，為全球首個(gè)加氫站突破100座的國(guó)家，其中移動(dòng)式加氫站占比超過(guò)30%。為了保障加氫站運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，日本加氫站都采取分時(shí)運(yùn)營(yíng)的方式。日本政府設(shè)有專(zhuān)門(mén)的氫能主管部門(mén)（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省節(jié)能與新能源（NEDO）部新能源系統(tǒng)科氫與燃料電池戰(zhàn)略室）參照城市燃?xì)鈱?duì)氫氣進(jìn)行管理，加氫站嚴(yán)格執(zhí)行日本的“高壓氣體保安法”。

 

隨著“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”寫(xiě)進(jìn)我國(guó)2019年政府工作報(bào)告，我國(guó)車(chē)用氫能基礎(chǔ)設(shè)施即加氫站的發(fā)展邁入了一個(gè)快車(chē)道。我國(guó)的低溫液態(tài)儲(chǔ)氫目前僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，加氫站全部為壓縮氫氣加注，截至2020年12月底，我國(guó)已建成加氫站118座，主要為各研發(fā)機(jī)構(gòu)和城市公共交通汽車(chē)提供加氫服務(wù)，商業(yè)化運(yùn)行占比較低，主要集中在廣東、上海、江蘇等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省市。以外供氫、35MPa加注等級(jí)為主，70MPa加氫站逐步增多，固定式和撬裝式兼有。與此同時(shí)，氫氣加注規(guī)模不斷提升，出現(xiàn)日加氫量1000kg的中大型加氫站。氫能運(yùn)輸主要通過(guò)高壓氣態(tài)運(yùn)輸，同時(shí)也有少量的氫氣管道運(yùn)輸。關(guān)于高壓氣態(tài)氫氣運(yùn)輸，國(guó)內(nèi)技術(shù)較為成熟，主要采用20MPa管束車(chē)運(yùn)輸，單次運(yùn)氫量較低，約300kg。關(guān)于管道輸氫，國(guó)內(nèi)共建有3條，總長(zhǎng)度在100km。

 

1.1.1 歐洲加氫站特點(diǎn)

 

目前德國(guó)是歐洲建成加氫站數(shù)量最多的國(guó)家，德國(guó)工業(yè)界的行業(yè)翹楚，如林德氣體公司、WEH公司、奔馳汽車(chē)公司、寶馬汽車(chē)公司等聯(lián)合起來(lái)共同推廣氫能源在德國(guó)的規(guī)模化運(yùn)營(yíng)。在公開(kāi)氫氣來(lái)源的德國(guó)26座加氫站中，有20座采用拖車(chē)站外供氫，其中5座采用液態(tài)氫運(yùn)輸，其余均為氣態(tài)氫運(yùn)輸，5座采用電解水現(xiàn)場(chǎng)制氫，1座采用管道運(yùn)輸氫氣供氫。丹麥?zhǔn)堑谝粋€(gè)擁有覆蓋全國(guó)加氫站運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家，全國(guó)50%的人口開(kāi)車(chē)15km即可找到加氫站。同時(shí)丹麥的可再生能源制氫比例很高，計(jì)劃到2035年可再生能源制氫比例達(dá)到100%。

 

1.1.2 北美加氫站特點(diǎn)

 

自2001年起，美國(guó)便形成了較完整的推進(jìn)氫能發(fā)展的國(guó)家政策、法律和科研計(jì)劃體系，確定氫能為國(guó)家戰(zhàn)略，引導(dǎo)能源體系向氫能經(jīng)濟(jì)過(guò)渡。目前美國(guó)超過(guò)半數(shù)的加氫站位于加州，大都能實(shí)現(xiàn)35MPa和70MPa雙壓力等級(jí)加注，相當(dāng)一部分加氫站具備可再生能源制氫能力。

 

1.2 國(guó)內(nèi)外加氫站對(duì)比

 

表1綜合對(duì)比歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)的加氫站工藝技術(shù)，現(xiàn)階段我國(guó)加氫站與國(guó)外加氫站存在一些顯著差異。

 

a）國(guó)外的加氫站大多服務(wù)于乘用車(chē)，每次的加注量有限，而且每個(gè)站點(diǎn)每天的加注次數(shù)也不多，因此單站的日加注能力多在100——200kg/d。國(guó)內(nèi)的加氫站則大多服務(wù)于商用車(chē)，如公交車(chē)、物流車(chē)、大巴車(chē)等，每天的加注量和加注頻次都相對(duì)較大，因此單站的日加注能力多在500——1000kg/d水平。

 

b）我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)加氫站安全間距的要求明顯大于國(guó)外，部分指標(biāo)是國(guó)外對(duì)應(yīng)指標(biāo)的幾倍甚至十倍。

 

c）加氫儲(chǔ)氫工藝不同，我國(guó)現(xiàn)對(duì)于液氫暫未放開(kāi)民用，因此加氫站均采用高壓氣相存儲(chǔ)，而國(guó)外高壓氣相和低溫液相存儲(chǔ)在加氫站中均有應(yīng)用。

 

d）氫能管理方面，我國(guó)對(duì)于氫氣按照危險(xiǎn)化學(xué)品管理，而日本對(duì)于氫氣按照燃?xì)夤芾恚鄬?duì)而言按照危險(xiǎn)化學(xué)品管理氫氣，加氫站設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等更加嚴(yán)苛。

 

e）推進(jìn)加氫站建設(shè)過(guò)程中，綜合考慮節(jié)約土地成本、設(shè)施合理布局等因素，國(guó)內(nèi)外均推廣油氫合建站這種新型模式，但具體布局存在很大不同。在調(diào)研的美國(guó)37座油氫合建站中，有11座的加氫機(jī)是直接與油品布置于同一加注區(qū)的，日本的油氫合建站則普遍采取了加氫和加油分區(qū)布置的方式。我國(guó)的油氫合建站以單獨(dú)建設(shè)為主，加油、加氫融合度較低。

 

表1 國(guó)內(nèi)外加氫站對(duì)比

 

 

 

加氫站內(nèi)部及與周邊建筑的安全間距直接影響到加氫站點(diǎn)的規(guī)劃布局，而面對(duì)日益緊張的城市用地，過(guò)大的安全間距在一定程度上制約了加氫站的發(fā)展。對(duì)比各國(guó)加氫站標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于安全間距的規(guī)定，表2中詳細(xì)列出了中國(guó)、美國(guó)、加拿大、日本和韓國(guó)加氫站標(biāo)準(zhǔn)中加氫機(jī)周?chē)ㄎｋU(xiǎn)區(qū)、公共道路防火距離等關(guān)鍵指標(biāo)，我國(guó)臨氫設(shè)備的間距要求顯著大于國(guó)外。表2中的安全間距要求包括爆炸危險(xiǎn)區(qū)劃分、防火距離等要求，數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)GB50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》；美國(guó)NFPA2—2016《Hydrogen Technology Code》；加拿大《Canadian Hydrogen Installation Code》；日本High Pressure Gas Safety Law；韓國(guó)High Pressure Gas Safety Management Law。

 

表2國(guó)內(nèi)外安全間距對(duì)比（單位：m）

 

 

我國(guó)加氫站建設(shè)主要依據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)制訂時(shí)間較早，且在標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的支撐，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐存在一定程度的不符。標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于安全間距的規(guī)定按照汽油與氫氣能量等價(jià)進(jìn)行換算，缺乏對(duì)氫氣特性、燃爆行為及事故頻率、后果的深入思考，在一定程度上影響了我國(guó)加氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。國(guó)外加氫站標(biāo)準(zhǔn)的制訂則是依靠量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，針對(duì)氫氣的特性及行為特征，計(jì)算得到相關(guān)的安全間距。

 

 

量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（Quantitative Risk Assessment，QRA）可以科學(xué)地評(píng)價(jià)某個(gè)系統(tǒng)或某一事故的風(fēng)險(xiǎn)值（個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)），為風(fēng)險(xiǎn)減緩措施提供指導(dǎo)和建議，也可直接應(yīng)用于安全間距等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定中，評(píng)價(jià)過(guò)程需要辨識(shí)危險(xiǎn)源以建立不同事故場(chǎng)景模型、確定失效概率、失效后果分析以及選擇風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)。

 

3.1 加氫站危險(xiǎn)源識(shí)別

 

加氫站危險(xiǎn)源識(shí)別主要是識(shí)別站內(nèi)有可能影響人員安全的危險(xiǎn)點(diǎn)，之后構(gòu)建危險(xiǎn)場(chǎng)景。加氫站內(nèi)存儲(chǔ)的氫氣具有可燃性和易燃易爆性，是引發(fā)加氫站火災(zāi)爆炸事故的主要危險(xiǎn)源，氫氣引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的原因有設(shè)計(jì)缺陷、設(shè)備老化、操作失誤、自然災(zāi)害等，但大多數(shù)事故的直接原因?yàn)闅錃獾男孤８鶕?jù)點(diǎn)火條件的不同，造成的事故后果主要有設(shè)備關(guān)停、噴射火、爆炸、空氣中消散等，建立事故樹(shù)，見(jiàn)圖1。

 

 

圖1 加氫站事故樹(shù)

 

3.2 加氫站氫氣泄漏概率分析

 

美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）在對(duì)加氫站安全間距進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的過(guò)程中，將氫氣泄漏概率定義為氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)典型泄漏尺寸的函數(shù)，典型泄漏尺寸的選取至關(guān)重要。安全間距并不是針對(duì)大的災(zāi)難性事故來(lái)保護(hù)系統(tǒng)，而是應(yīng)該覆蓋設(shè)施生命周期內(nèi)可能發(fā)生的事故，尤其是發(fā)生概率較高的小尺寸泄漏事故，需要保證在超出安全間距區(qū)域泄漏事故引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)后果是可以接受的。因此在選擇典型泄漏尺寸時(shí)需要考慮所選尺寸的泄漏概率和更大尺寸泄漏的后果。最終選擇的用于計(jì)算安全間距的泄漏尺寸包含了典型加氫站95%的泄漏事故。95%比例的選取是基于90%到99%的大尺寸泄漏事故在加氫站設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中已采取了應(yīng)對(duì)措施。

 

3.3 風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)選擇

 

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)首要考慮的就是潛在的人員傷害，為事故暴露人員建立風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)，包括位于加氫站邊界以外的公眾人員、加氫站工作人員及顧客。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中最重要的關(guān)注點(diǎn)為公眾安全，評(píng)價(jià)過(guò)程中公眾的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)通常設(shè)置為比站內(nèi)工作人員小1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)事故后果計(jì)算模型，選擇的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)反映了人員死亡率的可接受程度。

 

風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)可以針對(duì)個(gè)人或公眾群體。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)反映了在某一特定地點(diǎn)的人員平均死亡率。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于暴露最嚴(yán)重的人員評(píng)價(jià)其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)反映了死亡率與人數(shù)的關(guān)系，對(duì)于社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，確定設(shè)施周?chē)娜藛T非常重要。對(duì)于一般的用于建立標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，人口密度的選擇對(duì)于結(jié)果會(huì)引入多于一個(gè)的不確定度。用于確定標(biāo)準(zhǔn)中安全間距的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的確定是僅針對(duì)某一特定地點(diǎn)的，但對(duì)于一個(gè)地點(diǎn)難以準(zhǔn)確確定暴露最嚴(yán)重的人員，因此通常假定暴露最嚴(yán)重的人員為位于安全間距距離處的公眾。

 

3.4 基于風(fēng)險(xiǎn)的加氫站安全間距計(jì)算方法

 

a）依據(jù)加氫站事故樹(shù)，氫氣泄漏事故場(chǎng)景分為噴射火、爆炸和僅泄漏3大類(lèi)，基于選定的典型泄漏尺寸，計(jì)算泄漏量，進(jìn)而得到點(diǎn)火概率，最終推算出不同事故場(chǎng)景的發(fā)生概率。

 

b）噴射火事故以火焰輻射值為傷害參數(shù)，爆炸事故以壓力峰值和沖擊波為傷害參數(shù)，分別計(jì)算其致死率，之后求和計(jì)算出該典型泄漏尺寸下的總致死率。

 

c）最后由圖2依據(jù)泄漏事故的累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和選定的風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)確定安全間距。

 

 

圖2 基于風(fēng)險(xiǎn)的安全間距確定方法

 

 

在對(duì)美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)加氫站現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，從加注規(guī)模、安全間距、儲(chǔ)氫方式等多個(gè)方面與我國(guó)的加氫站進(jìn)行了綜合比較。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中采用的汽油與氫氣能量等價(jià)換算方法計(jì)算得出了過(guò)大的安全間距，這在一定程度上制約了我國(guó)加氫站的發(fā)展。因此建立了基于風(fēng)險(xiǎn)的加氫站安全間距計(jì)算方法，為加氫站安全間距的科學(xué)合理制修訂提供了基礎(chǔ)。但我國(guó)的加氫站發(fā)展時(shí)間短，國(guó)內(nèi)尚無(wú)有效的加氫站氫氣泄漏概率數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)加氫站量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，因此后期將開(kāi)展加氫站設(shè)備失效概率的分析研究工作，以助于安全間距的合理制修訂。