燃料电池汽车加氢站设计规范安全距离的分析研究

上海燃气工程设计研究有限公司　孙永康

燃料电池汽车加氢站设计规范安全距离的分析研究

上海燃气工程设计研究有限公司孙永康

加氢站是燃料电池汽车网络的重要环节，为顺应气态高压加注和液态低温储存的技术发展趋势，以及缓解城区建站用地难的矛盾，建议国家标准《加氢站技术规范》引入定量风险评估方法。针对不同的风险控制对象、事故类型和泄漏尺度，全面评估了气、液态两类站的安全距离，并提出合理化建议，研究结果可作为今后的项目建设或规范修编参考。

定量风险评估PHAST软件基于风险的检查

加氢站是构建未来燃料电池汽车网络的重要环节。据H2stations.org网站的统计，截至2016年1月，世界各地建成并正在运行的加氢站共214座，另规划有104座。我国先后建成包括上海安亭、北京奥运会、上海世博会、深圳大运会、郑州宇通等5座加氢站。

随着加氢技术的不断进步，气态加注从35 MPa升至70 MPa，使得加注质量增加、续航里程更长，-253 ℃深冷液氢储存方式也已得到规模化试点；同时，新技术对安全距离带来了新的挑战。

作为项目经理，笔者负责了上海安亭、上海世博会等加氢站工程设计，也参编了上海市地方标准《燃料电池汽车加氢站技术规程》(DGJ 08—2055—2009)及国家标准《加氢站安全技术规范》(报批稿)，本文将结合自身在设计建造实践及规范编制中的体会，采用定量风险方法对至关重要的安全距离进行分析，努力为今后工程开展及相关规范修编提供参考。

1　国内外加氢站规范对比及安全风险评估要求

世界上有10多个国家制定了加氢站法规，包括美国NFPA 2、英国BCGA CP33、法国la rubrique N1416、德国VdTÜV Merkblatt 514、意大利Regulation 2006-08-31、韩国KGS FP216以及日本“高压燃气保安法”，但仅美日涉及液氢。

ISO也正在制定加氢站的相关标准，ISO TC197是专门负责氢能技术相关标准制定的委员会，其正在起草的加氢站通用要求文件“Gaseous hydrogen -Fueling Stations — Part 1: General requirements”提出设计阶段宜进行定量风险评估(QRA)，在不满足规范距离时采取措施，如提高安全仪表等级、增加壁厚或设置防护等，同样达到安全使用目的。

2010年我国颁布了《加氢站技术规范》(GB 50516—2010)，对国内加氢站建设起到了指导作用。

表1参照ISO分类，对各国加氢站规范中的主要安全距离进行了比较。

表1　各国规范的主要安全距离对比

我国规范取据为经验类比值，安全距离较大，且规定较细，强调绝对值控制，缺乏操作灵活性，遇到以下情况很难执行。一是新加氢工艺的安全影响，需要兼顾高压气氢和液氢；二是中心城区建站困难，与周边距离不足，普遍不满足现行规范，难以推广。

氢属于危化品，根据《危险化学品重大危险源辨识》(GB 18218—2009)，≥5吨属重大危险源；另据《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》(安监协2004年56号文)，易燃介质容器Pmax≥0.1 MPa且PV≥100 MPa·m3也属重大危险源。

遵照《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》(国安监2011年40号令)第八条规定，重大危险源必须安全评估，并分为四级，一、二级采用定量方法。GB 50516—2010按储氢量将建站规模分为三级：一级4~8吨，二级1~4吨，三级1吨以下。一级站应整体纳入重大危险源；20 MPa、水容积20 m3标准管束车是站内的重大危险源。按最大8吨、计入易燃及人员暴露校正后，加氢站仍划为四级。故在法规层面，我国对加氢站不强制开展定量风险评估，一般采用定性或半定量方法。

2　加氢站安全距离研究

2.1研究现状

我国学者在加氢站安全距离方面已有少量研究。

李静媛等在《加氢站高压氢气泄漏爆炸事故模拟及分析》对上海世博会站进行了蒸气云爆炸分析，按超压确定人员危害距离，但结论有待商榷。第一，评估风速取至12 m/s，偏离实际，且高风速不能形成稳定气云；第二，泄漏孔径不符合API 581评估要求；第三，超压按建筑倒塌100~150 kPa，偏高；第四，未能优化防爆墙设计。李志勇等在《加氢站氢气事故后果量化评价》对气态氢进行了爆炸、闪火和喷射火分析，按热辐射和超压确定有效影响距离。但结论同样待完善。第一，瞬态热辐射计闪火，但未计火球；第二、闪火浓度取爆炸下限100%，而我国规定50%；第三，采用的Baker-Strehlow模型未施加合理约束，结果偏大。路世昌等在《临时加氢站火灾爆炸风险评估及防范对策》对深圳大运会站进行了蒸气云和喷射火分析。该站与周边距离不满足规范，因而对重伤及死亡的控制半径进行了评估，满足了项目落地。但其采用的TNT当量法的近场超压误差大，也未计闪火，且该站临时运营12天，管控严格，系统失效概率低，故其较小的控制半径不具代表性。

表2　国内加氢站安全距离的相关研究对比

表2可见，相关国内研究的结论差异极大，这源于两方面局限。

(1)研究局限于安评单位(高校和研究所)，其在选用模型和准则上随意性强。这除其自身经验外，还有建设程序的原因，即我国的安评后置于设计，掌握实情的设计者未能直接参与，这影响了输入条件的准确性。

(2)研究局限于部分事故以及气氢，未能综合考虑各种事故叠加的最不利后果，且对于液氢领域仍是空白。

2.2基于风险的安全距离研究

确定规范安全距离是一项复杂工作，笔者在此仅作初步分析。

研究方法严格遵循RBI，采用DNV的PHAST软件。

2.2.1定义环境及事故伤害

(1)常规环境：海岸，温度21℃，相对湿度75%，风速3.57 m/s，大气稳定度D；

(2)事故伤害准则：按中等偏高防护；

人员超压≤35 kPa(耳损，骨折，1%死亡)，热辐射≤12.5 kW/m2(1 min，1%死亡)，

设施超压≤60 kPa(墙裂缝，可修复)，热辐射≤37.5 kW/m2(木材自燃)。

2.2.2计算模型选择

超压及热辐射分别需要运用爆炸及燃烧的计算模型。Phast内嵌有多种模型，可根据需要选择合适的模型。

2.2.2.1爆炸模型

分为三类：TNT当量模型、TNO多能模型和Baker-Strehlow模型(简称B-S模型)。TNT近场和时程的计算结果较为粗糙，一般用于简单分析，故不采用。TNO和B-S均能真实模拟爆炸压力波，但TNO需输入特定场景中多达9个层次的空间分布，而B-S仅需输入空间维度和遮挡程度，以及爆源活性，后者更适合本文所需的通用结论。计算时空间维度取三维，遮挡程度取中级，氢爆炸取高活性。

2.2.2.2燃烧模型

根据燃烧方式可细分为喷射火、火球、闪火和池火，其中，喷射火和火球需要进行模型选择。

Phast喷射火模型有Shell和API521两类。前者可模拟任意喷射角度，后者仅能模拟水平或垂直角度。本文按最不利水平喷射，两种模型均可采用，但API521需要主观输入火焰长度，Shell模型则根据经验公式内部计算。从通用研究角度，故采用Shell模型。

Phast火球模型有DNV、TNO(yellow book)和HSE三类。前两者相差不大，均假设发生事故时整个球体位于地面以上，而HSE假设仅半个球体位于地面以上，因此HSE计算热辐射结果相对偏低。本文从保守分析考虑，采用DNV模型。

2.2.3事故分类及选择

2.2.3.1事故均始发于泄漏

泄漏源：容器(失效优先)；气氢为35 MPa和70 MPa常温高压容器，一、二、三级站单罐容量分别取2 000、1 000和500 kg，另含20 MPa、20 m3管束车；液氢为-253 ℃低温常压容器，单罐设定容积不超1 m3(70 kg)。

泄漏尺度：三级，6.35 mm(小)，25.4 mm(中)，破裂(大)；气态按全尺度，液态气化后利用，按中、大尺度；站内影响按小尺度，站外影响按中、大尺度。

泄漏时间：瞬时，按60 s。持续，小尺度20 min，中、大尺度10 min。

泄漏方向：气态，小、中尺度按水平；液态，垂直蒸发。

2.2.3.2事故分类

气态。瞬时：闪火(FF)和火球(BL)；持续：喷射火(JF)、闪火、蒸气云爆炸(VCE)。另，VCE随时间及风速变化，按响应差异，站内按前期(VCE1)，站外按后期(VCE2)。

液态。持续：闪火、池火(PF)、蒸气云爆炸及沸腾液体膨胀火球(BLEVE)。

2.2.3.3风险概率

综合物性、失效和发生率等多因素判定事故的风险概率。

表3　各类事故的风险概率

可接受风险按我国《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准(试行)》(国安监公告2014年13号)(见表4)。对表3中明显高于可接受概率(>±10%)的事故进行归类，并遵循上述的站内外泄漏尺度分级。

表4　新建设施的可接受风险概率

2.2.4安全距离的评估数值

根据定义的事故类型和伤害准则，对表4中的事故安全距离进行评估，见表5~表8.

表5　气态喷射火、火球、闪火(小、中尺度)的评估数值

表6　气态闪火(大尺度)的评估数值

表7　气态蒸气云爆炸的评估数值

表8　液态闪火、池火、蒸气云爆炸及沸腾液体火球的评估数值

3　结果与讨论

按上述事故分类原则，将表5~表8中的评估数值与GB 50516—2010进行对比，见表9、表10。

表9　站内主要安全距离的对比

表9可见，规范要求的与站房及明火之间的安全距离与评估数值基本一致，但规范要求的与工艺设备的安全距离高出评估数值近一倍，这从侧面解释了为何笔者所了解的国外加氢站其工艺布置更为紧凑。因此，我国规范的工艺设备之间的安全距离仍有缩减空间，从而更以利于用地布局。

表10　站外主要安全距离的对比

对于气态：现行规范与评估数值基本一致。容器压力与安全距离相关，压力由35 MPa增至70 MPa，评估数值普遍增加20%，故建议今后规范按压力区别对待，低压储氢的安全距离可适当放宽(如80%)，以便于项目实施。

对于液态：25.4 mm泄漏尺度对应于一般建筑的可承受风险，其安全距离符合规范。但与容器破裂相对应的重要公建安全距离大于现行规范要求，尤其是延迟点燃的后期蒸气云爆炸(VCE2)及闪火(FF)。以70 kg质量液态为例，见图1。

图1　70 kg液氢容器破裂后的浓度扩散分布模拟

液态容器破裂后的扩散浓度场有明显的尖峰效应，形似棒槌，这是由于低温气体密度较大，在远场过程中还会产生二次地面沉降，因而为防止其引发VCE2或FF所需的安全距离均达到340 m(按50%LFL/20 000×10-6）。而气态容器破裂后的常温气体为均匀扩散，见图2。

图2　500 kg气氢容器破裂后的浓度扩散分布模拟

水平浓度截面为扁圆状，经测算500 kg质量气氢的安全距离为56 m。若液氢质量也按500 kg，安全距离则需1 500 m。因此，现行规范并不能有效约束液氢安全。故建议今后规范需要研究和控制液氢建站规模，并确保周边500 m范围没有重要公共建筑。

3.3特殊场所

特殊场所指造成群死群伤的场所(见表4)，此类场所在城市较为常见。包括学校操场、公园绿地、室外健身场地、城市交通广场和高速公路服务区等。其社会风险发生概率虽低，但从定量风险角度，仍符合重大事故的风控要求。

表11　站外特殊场所的安全距离评估

GB 50516—2010对站外最大安全距离按重要公共建筑控制，各级站均为50 m。表11可见，50 m对于特殊场合仍显不足。故建议今后规范应增设对群聚场合安全距离的控制要求。根据本次评估结果，一、二、三级气态站宜分别按100 m、80 m和60 m控制，液态站应在选址时按500 m半径尽量避让此类场所。

3.4实际项目

上述评估数值均来源于常规的开敞式设计。若规范允许采用定量风险方法，实际采取措施后的安全距离还可减少。例如，储罐置于地下空间(相当于四面防护挡墙)，安全距离也可适当缩减。因此建议实际项目应根据按采取的措施来确定安全距离。

4　结语

(1)采用API风险量化方法，计算加氢站各类事故的发生概率，按站内外对象的风险接受程度，定义了不同对象可接受事故的类型和尺度。

(2)应用RBI规则和Phast软件，按不同尺度，全面评估了包括喷射火、火球、闪火、蒸气云爆炸、池火和沸腾液体燃烧等各类气、液态事故的安全距离。

(3)对比规范要求和评估数值，对于气态站，两者数据基本一致，但对于液态站，现行规范还不能确保安全，需要进一步增加与重要公共建筑和人群聚集的特殊场所之间的距离。

(4)提出对今后规范的改进建议，包括采用定量风险方法确定安全距离，站内工艺设备距离适当缩减，气态站按压力分级，液态站控制规模和影响半径，以及增加群聚特殊场合的距离要求等。

(5)在实际工程中，笔者认为还是需通过适当提高设计技术标准，如设备与材料选型等级、焊接要求等。同时加强对施工质量的控制，并在制定详细应急预案的基础上，严格加强运行安全管理，以确保系统本质安全，而非片面扩大安全距离。

Research on Safe Distance in Design Code for Hydrogen Fueling Station

Shanghai Gas Engineering Design and Research Co., Ltd.Sun Yongkang

The hydrogen fueling station is an important part of the network for fuel cell vehicles. To meet the technology development of gaseous high-pressure injection and liquid low-temperature storage, and to lower the difficulty of station construction in urban areas, the author suggests that the state standard "Technical Ccode for Hydrogen Fuelling Station" should introduce quantitative risk assessment (QRA) method. This article makes a comprehensive evaluation of the safe distance for the gaseous and liquid stations. It also puts forward some useful suggestions. The results can be used as a reference for project construction or code modification in future.

Quantitative risk assessment, PHAST software, Risk-based inspection