我国工业副产氢资源丰富，可为氢能产业提供稳定、低成本的氢源。然而副产氢气纯度较低、成分复杂，需要通过纯化技术才能将工业副产氢气转化为可使用的氢能，氢气纯化对于氢能在汽车领域的应用至关重要。变压吸附（PSA）是常见的气体提纯方法，其具有流程简单、自动化程度高，操作维修费用低，产品纯度可调性强等特点[1-2]，成为我国石化企业普遍采用的氢气纯化方法。氢气具有易燃易爆，燃烧范围宽（体积分数4%~75%）、点火能量低、扩散系数大等特点[3-6]。同时，石化企业生产、储存过程通常涉及大量易燃易爆危险介质，且石化装置区阻塞程度高，一旦氢气纯化装置发生泄漏爆炸等严重事故，将导致周边人员集中建筑物及生产装置损毁。因此，须开展变压吸附氢气纯化装置泄漏爆炸风险研究，明确氢气泄漏燃爆危害范围，针对高风险场景采取有效的防护措施，以减缓事故后果。
目前，爆炸计算方法包括TNT 当量法、计算流体动力学（CFD）方法、TNO-ME（TNO多能法）和Baker-Strehlow-Tang（BST）模型等[7]，部分学者采用上述计算方法开展了相关研究。刘奎[8]等通过研究TNO多能法，推导了爆炸后果与距离的关系式，用于评估石化企业爆炸对建筑物的爆炸影响。翟良云等[9]提出基于CFD的气体爆炸风险评估方法，结合密集管道与复杂装置布局、气云大小等因素影响，实现超压波的近场预测，并确定不同空间位置处的爆炸超压，更适用于石化行业的爆炸风险评估。夏兰生[10]对爆炸的特点、模型及其计算方法等进行研究和比较，同时结合爆炸力计算方面的相关实例，分析了适合工程设计使用的爆炸计算模型及计算方法。其中，TNT 当量法、TNO多能法、BST方法等均为基于经验公式的计算模型[11]，无法考虑装置实际布局、阻碍物等对氢气泄漏扩散、爆炸超压的影响作用，导致计算结果与实际过程具有一定偏差。本研究采用CFD方法，利用FLACS Risk软件考虑复杂几何区域的通风、气体泄漏扩散和爆炸的过程，同时结合天气数据、泄漏频率、点火概率和事故后果减缓措施，对典型变压吸附氢气纯化装置爆炸风险进行模拟分析，建立了基于风险的爆炸荷载确定方法，为PSA装置安全间距及周边人员集中建筑物抗爆改造或设计提供了依据。
典型变压吸附氢气纯化工艺流程分为原料缓冲、变压吸附、解吸气升压和氢气升压4个部分。某石化企业变压吸附氢气纯化工艺如图1所示，自原料气缓冲罐来的原料氢进入橇装设备的变压吸附塔，吸附脱除杂质组分，制取满足燃料电池用氢和高纯氢标准的产品氢气。
PSA氢气纯化装置区有PSA橇装设备区、压缩机棚区，主要包括原料气缓冲罐、变压吸附塔橇、氢气压缩机入口缓冲罐、氢气压缩机、解析气缓冲罐、解析气压缩机等，相关工艺管线、工艺设备及其相关附件均可能发生失效泄漏。以发生泄漏时工艺前后所能关断或紧急切断的阀门位置为节点，参照设施的区域位置布置及操作参数（压力和温度等）的变化，将该装置整个工艺系统划分为不同的过程泄漏单元[12]，划分结果见图1。
爆炸事故场景的发生需要考虑初始泄漏、风向条件、泄漏方向、点火源情况等，定义每个爆炸场景的发生频率计算公式如式(1)所示。
式中：Ps为爆炸场景发生频率，次/年；Pw为该场景风向条件的概率；Plf为初始泄漏频率，次/年；Pld为泄漏方向的概率；Pi为延迟点火概率。
美国桑迪亚实验室结合类似企业（炼化厂、核电站、海上石油工业等）设备泄漏历史数据，利用贝叶斯模型修正获取了临氢9类关键设备的失效频率[13]。每类设备包括5种泄漏类型（微小泄漏、较小泄漏、中等泄漏、较大泄漏、完全破裂），泄漏面积分别为总流通面积的0.01%、0.10%、1.00%、10.00%、100.00%。本研究基于桑迪亚实验室临氢设施失效数据，根据工艺流程图统计不同过程泄漏单元中包含9类设施（压缩机、储氢罐、管道、过滤器、法兰、阀门、软管、连接、仪表）的数量，得到对应典型泄漏孔径下各泄漏单元的泄漏频率，汇总见表1。
点火概率模型采用作为氢泄漏速率函数的点火概率值[14]，具体见表2。该点火概率被美国桑迪亚实验室采用，作为HYRAM软件中点火概率，氢气泄漏直接点火概率在0.008~0.230之间，延迟点火概率在0.004~0.120之间。本研究依据不同场景下的泄漏速率获取对应爆炸场景的延迟点火概率。
根据该PSA装置平面布局图及设备尺寸图，构建的装置整体模型如图2所示，由西向东依次为解析气压缩机、氢气压缩机、PSA橇装设备，PSA橇装设备南侧由东向西依次为原料气缓冲罐D-101、氢气压缩机入口缓冲罐D-901、解析气缓冲罐601等，利用FLACS RISK软件在三维笛卡尔坐标系中建立纯化装置1∶1三维模型。纯化装置，Y轴正方向为装置正北方向。重点关注氢气纯化装置周边北侧人员集中建筑物受到的爆炸危害后果，在该建筑物北墙、南墙、东墙、西墙表面设置监测点，监测PSA装置爆炸事故作用在该建筑物上的爆炸超压及冲量。
表1中原料气缓冲罐D-101、变压吸附塔组C-301、解析气缓冲罐D-601、氢气压缩机入口缓冲罐D-901本体发生0.01%~100.00%泄漏后，延迟点火形成可燃气云爆炸的后果虽然很严重，但是发生频率非常低，以上几个储罐本体发生0.01%泄漏爆炸的频率在10−9~10−8 次/年，储罐本体发生100%泄漏爆炸的频率在10−8~10−7 次/年。因此，此处重点说明非储罐本体的泄漏爆炸事故后果。
PSA装置附近，平时人员暴露概率较低，爆炸超压直接作用导致人员伤亡风险较小。有统计表明，石油化工厂事故中，75%的人员死伤与蒸气云爆炸对建筑物的毁坏相关[15]，多数情况下人员严重伤亡是由于建筑物坍塌或碎片飞溅造成的，因此，重点分析PSA装置爆炸事故对周边人员集中建筑的影响。
根据图1和表1可知，泄漏单元2涉及的设施主要集中在PSA橇装设备区，相关管道、阀门典型尺寸为80 mm，当管道或连接处发生完全破裂即泄漏压力为2.1 MPa、温度为40 ℃、泄漏孔径为80 mm时，可燃气云体积最大为518 m3，可燃气云遇到点火源发生爆炸的危害后果如图3所示。
根据上述计算结果可知，吸附塔橇装设备区管道或连接处发生完全破裂泄漏爆炸后，超压由点燃位置处向四周传播，当遇到阻塞度较高的管道或设备（如吸附塔橇装设备、压缩机等）时，超压明显增强。这是由于障碍区域氢气可燃气云内混合气体的湍流程度较强，燃烧波面与未燃气体的接触面积较大，从而加快了气体化学反应速率，即燃烧速率[16]，气体瞬间吸收大量燃烧产热后体积急剧膨胀，超压迅速上升。冲击波传播过程中，随着远离点燃处，超压逐渐减弱，直到最后完全消失。取PSA装置北侧人员集中建筑4面墙体最大爆炸超压对应监测点处的超压曲线，以及最大爆炸冲量监测点处的冲量曲线，具体如图4所示。PSA装置北侧人员集中建筑物承受最大爆炸超压为2.8 kPa（南墙），最大爆炸冲量为144 Pa·s（南墙），该建筑物受到该爆炸场景的危害后果较小。
由图1和表1可知，泄漏单元3涉及的设施主要集中在氢气压缩机区，相关管道、阀门典型尺寸为50 mm，当管道或连接处发生完全破裂即泄漏压力为22 MPa、温度为40 ℃、泄漏孔径为50 mm时，可燃气云体积最大为916 m3，遇到点火源发生爆炸的危害后果如图5所示。
取PSA装置北侧人员集中建筑4面墙体最大爆炸超压对应监测点处的超压曲线，以及最大爆炸冲量监测点处的冲量曲线，具体如图6所示。该建筑物承受最大爆炸超压为9.4 kPa（东墙），最大爆炸冲量为318 Pa·s（南墙），该建筑物受到该场景下的爆炸危害较大，未经抗爆设计时建筑物在该超压及冲量作用下结构受损，存在坍塌风险。
泄漏单元4即解析气缓冲罐出口切断阀XV60101—氢气管网涉及的设施主要集中在解析气压缩机区，相关管道、阀门典型尺寸为50 mm。当管道或连接处发生完全破裂即泄漏压力为2.2 MPa、温度为40 ℃、泄漏孔径为50 mm时，可燃气云体积最大为196 m3，遇到点火源发生爆炸的危害后果如图7所示。
取PSA装置北侧人员集中建筑4面墙体最大爆炸超压对应监测点处的超压曲线，以及最大爆炸冲量监测点处的冲量曲线，具体如图8所示。PSA装置北侧人员集中建筑物承受最大爆炸超压为2.7 kPa（南墙），最大爆炸冲量为92 Pa·s（南墙），该建筑物受到该场景下的爆炸危害较小。
根据《中国石化既有建筑物抗爆治理指导意见（试行）》：当建筑物受到的爆炸冲击波超压≥6.9 kPa或者爆炸冲量≥207 kPa·ms时，建筑物需要进行抗爆设计。基于不同泄漏单元不同泄漏孔径对应的泄漏频率、结合不同泄漏速率下的延迟点火概率，同时考虑气象条件，计算得到所有爆炸场景的叠加风险结果，如图9、图10所示。
PSA氢气纯化装置涉及到的危险物料为氢气，高压氢气泄漏后产生的可燃气体在高度阻塞区可能形成爆炸性云团，1.0×10−4 次/年频率条件下爆炸超压6.9 kPa最大影响范围约距离吸附塔橇85 m，爆炸冲量207 Pa·s最大影响范围约距离吸附塔橇68 m。根据人员集中建筑物的爆炸风险控制标准可知，距离吸附塔橇85 m范围内的人员集中建筑物应进行抗爆改造或设计，PSA装置北侧人员集中建筑物承受超压大于6.9 kPa，需进行抗爆改造治理。
由图11可知，爆炸导致的死亡风险变压吸附由大到小为：塔橇装设备区＞氢气压缩机棚区 ＞ 解析气压缩机棚区。其中，变压吸附塔橇装设备区爆炸死亡风险为4×10−4~1×10−3 次/年，这是由于泄漏单元2中进料切断XV10101—氢气压缩机入口缓冲罐前切断阀XV30201/解析气缓冲罐出口切断阀XV60101之间的主要设施涉及阀门、连接、法兰等数量较多，导致该泄漏单元的初始泄漏频率较高，故爆炸场景发生频率高。氢气压缩机棚区由于氢气压力较高、存量较大，导致氢气泄漏速率较大、可燃气云较大，因而爆炸后果相对严重。
1） 装置爆炸场景发生频率、可燃气云体积、阻塞度和爆炸源距离是影响爆炸设防荷载的关键变量。基于CFD模拟开展PSA装置爆炸风险定量计算，并结合风险可接受准则和风险可接受范围内爆炸超压最大化准则确定爆炸设防载荷，可以滤除高后果低概率场景对最终爆炸设防荷载的影响，避免因场景选择离散造成爆炸设防荷载计算结果的随机性。
2） 氢气纯化装置发生氢气泄漏爆炸事故后，1.0×10−4次/年频率条件下爆炸超压6.9 kPa最大影响范围约距离吸附塔橇85 m，爆炸冲量207 Pa·s最大影响范围约距离吸附塔橇68 m。根据人员集中建筑物的爆炸风险控制标准可知，距离吸附塔橇85 m范围内人员集中建筑物应进行抗爆改造或设计，PSA装置北侧人员集中建筑物承受超压大于6.9 kPa，需进行抗爆改造治理。
3） 高压氢气泄漏爆炸导致的死亡风险由大到小为：变压吸附塔橇装设备区＞氢气压缩机棚区＞解析气压缩机棚区。变压吸附塔橇装设备区涉及设施种类数量多，导致该区域初始泄漏频率较高，故爆炸场景泄漏频率高；氢气压缩机棚区氢气压力较高、存量较大，导致氢气泄漏速率较大、可燃气云较大，因而爆炸后果相对严重。
2025, Vol. 54 Issue (1): 149-157 2025, Vol. 54 Issue (1): 149-157