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加氢站风险评价的方法

时间:2011-07-14 17:10:16来源:中国氢能源网
氢能具有来源广泛、清洁环保、循环利用等一系列优点,得到了各国科研机构、政府和企业的高度关注。在氢能经济的诸多前景中,氢燃料电池车被认为是最有可能实现产业化的应用之一。伴随世界各国氢燃料电池车示范项目的实施,与之相配套的氢能基础设施——加氢站,也在全球范围发展迅速。据Fuel cell today 预测,2008年末全球加氢站总数达200座。随着氢燃料电池车的进一步发展,加氢站数量将快速增加,同时势必向市区人口密度更高的区域发展。加氢站建设能否为公众提供足够安全的、风险水平不高于传统油气站的技术保障,将成为其进一步普及发展的瓶颈。因此,加氢站风险评价问题已成为各国科研机构研究的热点。
我国目前建成的主要有北京和上海的两座加氢站,它们已成功地为中国科技部、联合国开发计划署(UNDP)和全球环境基金(GEF)组织的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”和2008北京奥运会燃料电池汽车示范运行提供了氢气加注服务。而随着2010上海世博会期间更多燃料电池汽车的示范运行和国家“十城千辆”新能源汽车示范项目的开展,我国加氢站的建设也将进入加速发展阶段,因此迫切需要开展加氢站风险评价的相关研究。
风险评价关注的内容通常包括人员伤亡、设备损害、财产损失及环境影响等。加氢站尚处于初级发展阶段,人的安全问题是第一位的,目前更多关注的是人员伤亡。加氢站对人员造成的风险,分为3部分:第一方风险,即加氢站内部员工面临的风险;第二方风险,即加氢的顾客面临的风险;第三方风险,即加氢站周边居民等面临的风险。
目前国际上常用的加氢站风险评价的方法主要有2类,快速风险评级(Rapid Risk Ranking,即RRR)和量化风险评价(Quantitative Risk Assessment,即QRA)。前者是定性的评估,后者是定量的评价。
1 加氢站快速风险评级
快速风险评级是一种粗略的定性风险评估,它是由一组有经验的专家对氢能设施分析讨论得到的结果。欧洲氢能一体化计划阶段二(European Integrated Hydrogen Project phase 2,即 EIHP2)给出了RRR方法在加氢站评估应用方面详细的操作步骤,并且用此方法对氨裂解制氢、甲醇重整制氢、甲烷重整制氢和电解水制氢等4种不同类型的站内制氢加氢站进行了评估。类似的评估可以把重要的危险源和风险辨识出来,还可以根据专家经验找出最为危险的事故。例如,针对不同类型站内制氢加氢站的RRR评估表明,高压氢气泄漏是最危险的情形,它将导致较大的危险距离。RRR最后给出的是通过与风险矩阵(表1)比较得出的风险评价结果,通过把专家讨论得出的后果和概率与风险矩阵比照,可以得出高、中、低3种风险等级。

表1  EIHP2推荐风险矩阵标准

 

 

 

RRR的最大优势在于快,这是它能被广泛应用的重要原因,但由于它主要依赖专家的经验,主观性较强,仅可用于定性的粗略判断。当对风险进行更为深入的分析,尤其是对风险等级高的事故进行更为细致的评价时,就需要用到定量分析方法QRA。
2  加氢站量化风险评价
量化风险评价技术(QRA)已成为国际上氢能设施安全研究的热点。主要原因在于,QRA不仅可以科学地评价氢能设施或某一具体事故的风险,估计风险降低的可能,为风险减轻措施提供指导和建议;更重要的是,它可直接用于氢能安全相关标准的制定,如安全距离的确定等。而氢能安全相关标准的制定和完善,是氢能设施大规模走向公众的前提。
2.1 加氢站量化风险评价方法
目前国际上面向加氢站的量化风险评价中,有很多方法被吸收采纳,这些方法大致可分为4类。
1)危险辨识技术。如预先危险分析(PHA)、危险与可操作性分析(HAZOP)以及失效模式和后果分析(FMEA)。
2)概率分析技术。如故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)等。
3)后果量化评价。用于模拟泄漏的,如统一扩散模型(Unified Dispersion Model,即UDM)和基于CFD原理的各类模型;用于模拟爆炸的,如TNT模型、TNO模型以及Baker-Strehlow模型等;用于模拟射流火焰的API模型和Shell模型等。
4)风险度量技术。也就是把后果和概率综合为风险,量化表达风险水平。通常有两种方法度量加氢站的风险:个人风险(Individual risk)和社会风险(Societal risk)。

不论使用哪一种风险度量的方法,最后其结果都需要和风险可接受标准(Risk acceptance criteria)相比较,以评价风险能否被接受。上述方法结合起来,就组成了氢能设施量化风险评价的流程(图1)。

图1 氢能设施量化风险评价流程
危险辨识技术用到的各种方法大都是过程工业上较为成熟的技术,通常直接拿来用于加氢站风险评价。PHA是预先找出可能事故并定性评价事故后果的一种简单技术,优点在于快,但主观性强,主要有赖于专家的经验。HAZOP同样是由一组有经验的专家在一起集体分析讨论,不同的是,HAZOP是一种系统全面的分析,不仅是工业上非常成熟的一种技术,在氢能安全领域也应用很多年。早在1983年,加拿大国家研究理事会(National Research Council of Canada)就资助研究了面向加氢站的HAZOP研究,如今HAZOP已被壳牌(Shell)、挪威船级社(DNV)等知名公司用于商业化的风险评价。FMEA也是工业中广为应用的一种分析技术,与HAZOP不同的是,后者侧重于找出所有可能的危险,而前者更侧重于找出系统所有可能的失效模式,并评估其严重性。FMEA的优势在于,它不仅可以定性描述后果,而且可以量化评价后果的严重性。最近有日本学者对加氢站进行风险评价时,把HAZOP和FMEA联合使用,以期对系统进行更为细致的检查。
故障树分析可以从基本事件出发,找出顶上事件概率,故障树提供了一种寻找事故原因及发生概率的科学方法。氢能设施发展时间不长,故障概率统计缺乏,因此故障树分析显得尤为重要。德国的Rosyid等人曾对加氢站储氢罐泄漏可能造成的原因进行了故障树分析,并从基本事件出发,推导估算了顶上事件发生的概率。事件树分析提供了一种推演可能事故后果及其发生概率的方法,事件树可以把事件发生后安保系统的反应能力及失效概率考虑在内,我国冯屹等曾使用氢泄漏事件树对氢燃料电池汽车的道路安全性进行了初步分析评估。
后果量化评价以氢行为及其后果方面的研究为基础,由于控制方程复杂,计算量大,因此通常使用软件来模拟计算。把后果和概率综合为最后的风险,需要用到风险度量工具。通常有两种方法度量加氢站的风险:个人风险和社会风险。个人风险是指一个人站在某个地理位置上每年伤亡的概率,所以也称地理风险。社会风险,是针对事故而言的,是指造成N人伤亡的事故,每年发生概率是多少。因此,个人风险最后绘出的是包罗某个危险源的风险等高线,而社会风险则绘出的是伤亡概率对伤亡人数的一条曲线。
2.2 加氢站量化风险评价中存在的问题与争议
    在加氢站量化风险评价中,涉及到两类标准的选择。一类是后果评价时需用到伤亡标准,也就是多大的超压或辐射值会造成人死亡或受伤,即损害限(Damage limit)的确定;另一类是风险可接受标准的确定,即风险处于什么水平认为是可接受的。这两类标准目前国际上尚无定论,不同机构组织给出的推荐值各不相同,存在一定争议。
2.2.1不同后果损害限的确定
无论是个人风险,还是社会风险的确定,都是以后果量化评价为前提的。但后果量化评价时损害限的选用,国际上存在一定争议。如火灾辐射值的死亡限,欧洲工业气体协会(EIGA)的推荐值为9.5kW/m,意大利塞维索法令(Seveso Directive)的规定值是7Kw/m2。再例如,对闪火后果评价时,国际火灾规范(International Fire Code,即IFC)将闪火无危害限定为1/2燃烧下限,即氢气浓度为2%就不会对人造成任何危害,塞维索法令则认为1/2的燃烧下限是造成死亡的起点。诸如此类,包括爆炸引起的超压的危害,各组织推荐值也不尽相同。如塞维索法令认为,0.03Pa超压即可造成伤害,而EIGA则认为该值为0.07Pa。损害限选取的不同,将直接影响后果量化评价的结果。
2.2.2风险可接受标准的确定
风险可接受标准的确定是QRA中的关键因素,不同的风险标准导致不同的QRA评价结果。目前国际上针对加氢站的风险标准的确定,就个人风险而言,大致有3种途径。
1)参照个人意外死亡风险数据取百分比
把个人日常生活意外死亡风险统计数据取百分比作为风险可接受标准,这一方法已经被许多机构所采纳,但各机构所采用的百分数并不相同。如美国核管理委员会(Nuclear Regulator Commission)把意外死亡风险数据乘以0.1%作为氢能事故的风险可接受标准,EIHP2则把这一百分数提高到1%,EIGA甚至采用17.5%。EIGA根据统计数据,个人意外死亡概率取2×10-4,因此个人风险可接受标准确定为:2×10-4×17.5% = 3.5×10-5,EIGA同时建议无害风险标准(no harm risk criteria)比该标准低两个数量级。EIHP2也采纳个人意外死亡概率统计数据2×10-4,但乘以1%后,个人风险可接受标准为2×10-6。可见,风险可接受标准在国际上是争议比较大的。
2)参照火灾和爆炸风险数据
这种方法是对上述方法的一种改进,即仅把意外伤害或死亡数据中由火灾和爆炸引起的风险数据作为参照,而不是拿总风险作为参照。这种方法虽然从理念上进步了许多,但需要根据实际需要认真考虑究竟选取哪个风险统计数据。比如说,美国由火灾引起的死亡风险是1.2×10-5,由爆炸超压引起的死亡风险是6.0×10-7,这是总的数据。进一步的数据有,由高致燃物质导致的火灾死亡风险为2.0×10-7,室内火灾死亡风险为9.5×10-6,室外火灾死亡的风险为8×10-8 等。究竟选取哪一种死亡风险数据作为参照,需要根据风险评价的实际需要来选取。此外,由于致伤风险统计数据的缺乏,该方法建议致伤(injury)风险标准的选取参照死亡(fatality)风险标准,增加两个数量级。
3)参照现有油气站的风险数据
参照现有油气站的风险数据似乎是更好的方法,遗憾的是,没有公开发布的油气站风险评价数据可供参考,因此,此方法应用受到很大限制。目前可找到的关于加油站火灾的有限数据,如美国10 000座加油站统计数据表明,单个加油站火灾的发生频率为7.4×10-2/a,其中多数由车辆着火引起,大致为4.6×10-2/a,占62%;由汽油泄漏引起的大致为3×10-3/a,占4%。单个加油站每年发生的事故中由火灾导致的致死风险为2×10-5/a·人,致伤风险为7×10-4/a·人。这些有限的数据,也可以为加氢站风险可接受标准的制定提供参考。
另外一种标准——社会风险可接受标准的确定,往往需要考虑人们对不同等级的危害的厌恶程度。有研究表明,在伤亡人数相同的情况下,人们更能接受危害小频率高的事件,而不能接受危害大但频率低的事件。社会风险可接受标准可以由下式给出:
F≤10-3N -2                        

式中,F是死亡概率,N是死亡人数。即:造成10人死亡的事故发生概率必须小于10-5/a,造成100人死亡的事故发生概率必须小于10-7/a,依此类推。

作者简介:李志勇,同济大学博士生,研究方向--氢系统安全风险分析,本文已发表于《科技导报》09年16期。

 

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