《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》国发〔2021〕23号指出加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输和建筑等领域的规模化应用。目前，氢能在交通领域中的运用是实现碳减排最容易的途径之一[1-2]。我国26个省区市发布的氢能产业规划提出到2025年氢能源车保有量将达到11 163辆，产业规划约14 635亿元。按规划发展趋势，氢能源车将成为汽车工业可持续发展的方向之一。车用加氢站(以下简称加氢站)是氢能产业链的一个核心，是氢能源车发展过程中必不可少的基础设施，其建设布局是能源转型的重要举措，其建站数量和选址影响着氢能源车的发展速度[3]。氢安全是氢能应用和商业化推广的前提，氢气的物化性质使其在加氢站运营的过程中具有潜在的燃烧和爆炸风险。本研究采用事故树分析法对加氢站火灾爆炸进行逆向事件追踪分析，识别导致危险事故的可能性因素和必要条件，找出避免事故发生的方案，为加氢站安全防控提供策略。
“危险源”是可能导致人身伤害、健康损害或其组合的根源、状态或行为，结合能量意外释放理论和奶酪模型理论, 将危险源分为“能量或具有能量的物质”和“能量物质的防护措施缺陷”两类[4]。危险源是认识事故形成机理的重要因素，其概念和分类根据实际情况而有所不同，对加氢站危险源的系统识别和评价是实现加氢站风险可控、安全平稳运行的有效途径。
建立了加氢站火灾爆炸事故风险分析模型(见图 1)，运用事故致因理论对其危险源进行辨识[5]。首先，识别可能存在意外释放能量导致伤害的客观实体能量物质和能量载体单元；其次，分析诱发能量物质或载体意外释放能量的直接因素，包括物的不安全状态和人的不安全行为；最后，运用事故树对上述危险源形成的基本事件进行分析[6]。将可能发生最严重的事故作为顶上事件，层层分解寻找顶上事件的直接原因事件和间接原因事件，直到找到基本原因事件(基本事件)为止。用逻辑图表示各事件关系，求取事故树的最小割集、最小径集以及基本事件的结构重要度，根据结果确定引发事故的主要原因，并提出有针对性的防控措施。
表 1所列为美国、欧洲、日本和中国加氢站的基础设施建设[7]。截至统计时间，中国在运营的加氢站数量最多，根据各国制定的发展规划政策，到2025年和2030年，各国加氢站数量显著增长，将大幅度推动国家氢能相关基础设施的发展，其中我国政策提出到2030年建站数量达5 000座，在世界主要经济体建站规划中数量最多。
加氢站根据移动性、氢气来源、加注方式和供能种类的不同可分为不同类型，如图 2所示[8-9]。
结合国内外加氢站运营模式以及我国加氢站相关标准，本研究的加氢站为固定式站外制氢的多级加注纯氢站，由卸氢系统、增压系统、储氢系统、加氢系统和防控系统等组成(见图 3)。其中，防控系统还包括放散系统、紧急停车系统、氢气泄漏报警系统、防雷防静电系统和消防系统等。
长管拖车将16~25 MPa的站外高压氢气运输到加氢站，经卸气柱卸至压缩机，当长管拖车压力卸到5 MPa时停止卸气。氢气经压缩后通过冷水机组换热冷却后排出，再经顺控盘调节增压储存到多级储氢瓶组中。储氢系统加氢时由低到高依次启用储氢瓶组，当低级储氢瓶组的压力与车载压力容器压力平衡时，启动上级储氢瓶组对燃料电池汽车继续加注；当燃料电池汽车需要加注超过储氢瓶组最高等级压力氢气时，则启动压缩机进行压缩加注。为避免氢气温升过快，影响加氢速度，氢气经冷水机组预冷后由加氢机加注到燃料电池车中。
能量物质危险源具有能量或危害性，加氢站能量物质危险源包括氢气易燃物，明火和自然着火的化学点火源，静电、雷击和电气火花的电气点火源以及冲击摩擦点火源等。氢气泄漏速率快(具体参数见表 2)，在层流状态下，约为甲烷的1.26倍；在高压湍流状态下，泄漏速率加快，约为甲烷的2.83倍[10]；在薄膜中扩散速率约为甲烷的3.80倍[11]。氢气无色无味、密度较小，在空气中扩散系数较大，约为甲烷的3倍，泄漏的氢气在非受限空间中会迅速上升且向四周扩散，而在加氢站受限空间内易形成局部堆积。
表 3所列为甲烷、汽油和氢气的燃料特性[12]。与甲烷和汽油相比，氢气的最小点火能量低，约为甲烷和汽油的1/10，在空气中的燃烧范围广，点燃温度低，燃烧速度快，燃烧极限和爆炸极限(摩尔分数18.3%~59.0%)范围宽，使得氢气泄漏后燃烧和爆炸的概率增加。同时，氢气具有脆化金属材料的属性，氢原子进入金属会导致金属机械性能下降；在金属局部富集，含量超过临界值后，容易引发裂纹，致使金属断裂；在局部聚集复合成气态氢，会增大局部压力，甚至造成金属氢鼓包[13]。金属材料设施设备在高压状态下更容易发生以上3种失效模式，造成设备损坏而导致氢气泄漏。
加氢站能量载体包括长管拖车、卸气柱、压缩机、储氢瓶组、加氢机以及在加氢站内的氢能源车。长管拖车一般采用钢制大容积无缝高压气瓶和钢质内胆碳纤维环向缠绕气瓶，公称操作压力为20 MPa、25 MPa和30 MPa等[14]，储氢量为250~300 kg。卸气柱包含氮气吹扫管道、过滤器和软管拉断阀。压缩机有隔膜式、液驱式和离子液压式3种类型，隔膜式压缩机通过特设的膜片往复运动压缩来运输氢气，液驱式压缩机大多通过油驱动活塞来完成氢气压缩，离子液压缩机通过离子液体冷却等温压缩氢气[15]。储氢瓶组压力等级分别为42 MPa、45 MPa和70 MPa[16]。加氢机由氢气质量流量计、加氢枪、加氢软管和拉断阀等装置组成[17]。高压管路设备连接处需要法兰、螺纹和卡套等连接。目前，加氢站设备材料都具有防爆性能，单一能量载体单元发生爆炸的可能性较低，金属材料设施设备易受“氢蚀”和高压的影响而发生泄漏。
物的不安全状态是指加氢站机械设备和防护设施丧失特定功能的现象。加氢站工艺流程长期处于高压状态，易造成设备泄漏。氢气从长管拖车通过卸气柱到压缩机，连接处因经常操作存在连接不紧密的情况，而避免长管拖车溜车和软管断裂造成氢气泄漏的拉断阀也存在失效的可能性；缓冲氢气压力的储氢系统的压力、温度等传感器检测失效；压缩机和储氢瓶组氢气进出口管道阀门多，存在监控不及时、失灵和外力破坏等多种危险因素；确保加氢机正常运行的温度传感器、压力传感器、软管防拉断保护和过压保护等失效；高压管路连接处采用的法兰、螺纹和卡套等连接松动等。在设备故障导致氢气泄漏压力超过最大设定值，安全阀泄放失效，同时紧急停车系统、氢气泄漏报警系统等防控系统失效的情况下，容易发生火灾甚至爆炸事故。
人的不安全行为与安全意识、安全技能和安全执行能力息息相关[18], 直接或间接破坏加氢站的安全防护措施，造成氢气意外释放。安全意识方面的不安全行为包括长时间工作的疲劳作业、使用不安全工具操作产生电火花、安全宣传力度不强的站内吸烟和安全教育失败的恶意纵火等。安全技能方面的不安全行为包括人员上岗前未进行全面的培训和未正常使用静电防护服等。安全执行能力方面的不安全行为包括忽视安全警告的失误操作、设施设备检修和安全排查力度不够、管道连接处少量氢气泄漏处置方式错误等。
事故树将最危险的事件作为顶事件，其他危险源作为基本事件和中间事件，通过逻辑符号连接形成事故树图，系统地呈现出加氢站设备故障和操作失误等危险因素。本研究将加氢站火灾爆炸事故作为顶事件，用T表示，从达到爆炸极限的可燃物、足够温度的引火源和足够的氧气含量的爆炸三要素出发，根据事故致因理论对加氢站辨识得到的危险源，整理造成事故发生的原因事件，最终得到14个中间事件和23个基本事件，分别用M和X表示(见表 4)。
基本事件中属于物的不安全状态的是X1，X3，X6，X8，X9，X12，X13，X14，X15，X17，X21，X23，占比最大，为52%；属于人的不安全行为的是X2，X4，X5，X20，X22，占比22%；属于能量物质的是X10，X16，X18，X19，占比17%；属于能量载体的是X7，X11，占比9%。根据得到的中间事件和基本事件建立了“加氢站火灾爆炸事故”事故树，如图 4所示。
该事故树有12个逻辑“或”门和3个逻辑“与”门，“或”门的数量多于“与”门，加氢站火灾爆炸事故树的危险程度较高。加氢站火灾爆炸事故树的布尔表达式如式(1)所示，其中“与”门的数学表达式为“×”，“或”门的数学表达式为“+”。
式中：T为加氢站火灾爆炸事故顶上事件，其他各符号的意义见表 4。
最小割集是造成顶事件发生系统失效的最少基本事件集合，代表系统失效的可能性和危险性。最小割集越多，系统失效的可能性和危险性越大。最小割集计算方法有布尔代数法、行列法和结构法，本研究采用简便的布尔代数法对事故树进行计算，加氢站火灾爆炸事故最小割集有350个(见表 5)，即引起加氢站火灾爆炸事故的可能途径有350种。
最小经集是避免顶事件发生的最少基本事件集合，代表系统的安全性。最小经集数量越多，表示可实行的管控方案越多；阶数越多，表示管控程度越难。由式(1)化简得到4个最小经集(见表 6)。加氢站有4种途径可以确保火灾爆炸事故不发生，其中，第2最小经集有5个基本事件，管控程度相对容易。
结构重要度分析可以确定各基本事件发生对顶事件的重要程度，基本事件结构重要度越大，影响顶事件发生的概率越大。决策者在制定安全措施时，可以根据结构重要度排序，分清主次，避免盲目性，合理实施计划。从事故树结构角度出发，不考虑各基本事件发生的概率，采用二次近似公式计算基本事件的结构重要度[19]，如式(2)所示：
式中：i为基本事件的数量；xi为第i个基本事件；I(Xi)为基本事件i结构重要度系数；j为最小经集数量；hj为第j个最小经集；nj为第i个基本事件所在的最小经集hj的基本事件总数。根据式(2)计算如下：
根据以上计算结果，基本事件的结构重要度排序为：
从加氢站基本事件危险结构的重要度来看，通风不良、报警装置故障、检测器失效、安全阀故障和自动制动系统故障这5个基本事件对顶事件加氢站火灾爆炸事故影响最大，且在所有基本事件中更容易实施安全管控，遭遇雷击和避雷装置故障对顶事件影响相对较小。
加氢站火灾爆炸事故发生的模式有350种，防止加氢站火灾爆炸事故发生的有4种，任意一个最小经集里的基本事件都不发生，则顶上事件不发生。根据基本事件的结构重要度排序和最小经集，从加强站内保护措施、氢气泄漏防控和点火源控制三方面采取事故预防措施。
站内保护措施包括报警系统、紧急制动系统和环境通风3部分(见表 7)。
氢气泄漏防控包括设备超压、管路、安全系统和操作规范4部分(见表 8)。
点火源需要防控的因素包括明火和电火花2部分(见表 9)。
爆炸三要素包括达到爆炸极限的可燃物、点火源和足够的氧气含量，控制氢气泄漏含量达到爆炸极限和点火源可避免加氢站火灾爆炸事故的发生。结合最小经集和对事故预防措施的分析发现：点火源措施最小经集阶数较多，从管控点火源角度出发避免爆炸事故发生的管控程度较难；加强站内保护措施的最小经集阶数最少，其管控程度相对容易；在易导致氢气聚集的密闭空间安装氢气检测装置并定期检修以确保有效性，能有效避免氢气泄漏堆积变成可燃云团，从而预防加氢站火灾爆炸事故的发生。
1) 建立了车用加氢站火灾爆炸事故风险分析模型，运用事故致因理论对加氢站危险源进行辨识，找出了导致危险源的客观实体和直接因素，并通过事故树理论分析，提出了防控措施。
2) 经分析得到14个中间事件和23个基本事件，属于能量物质的基本事件占所有事件的17%，能量载体的基本事件占所有事件的9%，人的不安全行为的基本事件占所有事件的22%，物的不安全状态基本事件占所有事件的52%。事故致因理论保障了车用加氢站安全防控措施中危险源辨识环节的科学性、客观性和全面性。
3) 建立了加氢站火灾爆炸事故树，对事故树最小割集、最小经集和基本事件结构重要度进行了分析，得到最小割集350个，最小经集4个，体现出系统失效的可能性和危险性大，防控途径较少。
4) 从保护措施、氢气泄漏和点火源三方面提出了事故预防措施。加强站内保护措施是关键，其中保证检测器的有效性是避免火灾爆炸事故发生最简便有效的途径，为加氢站预防重特大事故的发生和蔓延，建站管理等制定相关防控措施提供了依据。
2024, Vol. 53 Issue (2): 131-138 2024, Vol. 53 Issue (2): 131-138