基于系统因素作用理论的轨道加氢站Fine Kinney风险评估方法

李艳昆, 刘 晗

(1.中车工业研究院有限公司， 北京 100070； 2.中国煤炭科工集团煤炭科学研究总院应急科学研究院， 北京 100013； 3.清华大学土木水利学院， 北京 100084)

伴随着煤炭、石油等不可再生能源对人类环境的污染与破坏加剧，新型可再生能源的开发与利用得到越来越广泛的认同与关注[1]。氢能源作为目前全生命周期技术成熟的新型能源方案，不仅能够通过绿色清洁资源制取，而且不会产生含碳物质，在储存与运输环节也具有很好的便利特性[2-3]。尤其在轨道交通运输中，氢能源已经作为传统能源燃料的最佳替代方案，在广州佛山地区正式应用。但是，由于气态氢能源的能源密度较低，氢能源燃料常常需要以液态形式存储在高压氢气瓶中储存或运输。在常温常压下，氢气呈气态，但在低于 -252.6 ℃ 的温度下，氢气会液化。将液态氢分配给燃料电池列车的加注站被称为“液态氢加油站”。与压缩氢燃料加注站相比，液态氢燃料加注站是低压的，并且由于使用的机器较少，因此结构简单。但是，为了适应液态氢所需的低温环境，轨道交通加氢设备需要双壁储罐、管道和分配软管等关键部件，并且分配器必须配备用于处理低温液体。与传统燃料加油站的结构差异，导致液态氢能源加注站的安全风险存在一定的特殊性，亟需对其风险影响因素进行准确分析，进而对各种影响因素可能导致的风险种类与等级进行有效评估，确保轨道列车氢能源加注系统的安全运行[4]。

在外国学术领域，相关研究主要集中在氢及相关技术风险和安全方面，如氢基础设施的风险和可持续性[5]、与氢有关的事故分析[6-7]、定量风险评估与氢有关的特定基础设施[8]及氢和燃料电池的可靠性分析方面[9-10]。但是已有文献没有专门对轨道加氢领域技术进行研究。中国研究领域涉及轨道氢能源风险评估的研究较少。李志勇等[9]对加氢站风险评价研究进行了综述。姜博耀[11]以氢燃料电池驱动的列车为研究对象，对密闭空间氢气火灾和爆炸的危险性进行了评估。虽然中国范围内氢能源加注站数量正在快速发展[12-13]，但针对事故风险及其各种后果的判定与评估仍滞后于建设过程。

实际上，轨道加氢事故风险及其各种后果可能对可持续性的环境(如土地和水污染)、经济(如财产损失、业务中断)和社会(如对人类健康的影响)产生重要影响。此外，具有较强通用性的风险评估指标体系对于在复杂的决策过程中支持利益相关者进行计划、设计及建立经济高效、可靠安全、可持续的供应链至关重要。由此，需要一种综合评估方法，采用系统观点来组合和评估所有考虑因素，探索广泛接受的轨道加氢设施风险评估解决方案。然而，现有中外文献未对用于轨道交通运输的加氢站风险进行准确量化评估。为此，以轨道交通燃料需求为背景，建立了Fine Kinney风险评估框架，对影响氢能源加注站安全风险的潜在因素及相互关系进行分析，为轨道交通系统氢能源的安全与有效利用提供有益参考。

1 风险评估模型

1.1 Fine Kinney风险评估框架

Fine Kinney方法源于美国国土安全草案，逐渐发展成为对军事工业风险预防的有效分析方法。根据轨道交通氢能加注站的特点，在Fine Kinney框架中归纳3个必备因素，包括氢能加注站事故种类相似度(P)、氢能风险环境暴露度(E)和氢能事故可能导致的后果(C)3个参数，风险评价指标(R)由三者相乘得到。

1.2 风险评估要素

根据Fine Kinney方法，将风险评估框架中构建风险种类相似度准则、暴露度准则和灾害后果准则的三要素，如图1所示。

1.2.1 种类相似度准则

为了建立种类相似度准则，首先对轨道交通的氢能加注系统的主要构成进行分析。轨道交通的氢能加注系统主要包含氢气瓶、高压安全阀(high pressure safety valve，HPSV)、减压阀、压力调节阀和消防设备。氢气瓶用于储存列车驱动氢能；HPSV通过自动开启并排气，用于保护系统免受超压。减压阀用于降低进口压力，使阀门输出的压力保持稳定；压力调节阀用于保持输出平稳；消防设备用于测试氢气瓶温度，起到热活化功能。因此，轨道交通的氢能加注系统的可能事故种类包含：HPSV设备故障、安全法故障和消防系统故障。

1.2.2 暴露度准则

暴露度准则的目标层包含自然环境因素、主动安全设计因素、辅助减灾设施因素以及场所安全制度。应用Dematel因素相互作用理论进行分析，得到暴露度准则下的因素作用关系，如图2所示。

(1)自然环境因素的影响：由于液氢加油站的储罐和管道材料都在室外使用，并且与低温液氢接触。如果没有采取适当的措施，雨水和氢对金属具有腐蚀性，低温脆化也可能造成材料裂纹和损毁，导致大量液态氢泄漏。如果在地震中加氢站的地面开裂，则所产生的地平面差异可能会导致管道破裂。为了防止由于地震和不同的地面高度而产生的裂缝，可将储罐到分配器的站台应建立在一个基础上。

(2)主动安全驱动因素的影响：储罐和管道材料的钢材类型能够有效抵御腐蚀和氢脆；将管道铺设在沟槽中，而不是在液态氢存储装置与地下分配器之间铺设管道，可以防止在车辆驶过时损坏管道，并可以检查管道。防震储罐的设计在发生强烈地震时，必须采取措施防止大的泄漏，可根据需要安装地震仪，该地震仪在发生地震时可以监测地震并自动关闭加氢站。防撞装置的安装为了防止慢速行驶的列车与分配器碰撞，可在分配器周围安装防撞装置。如果列车在用液态氢加油时意外地从分配器移开，分配器软管将被拉下，导致大量液态氢泄漏出去。因此，可安装可拆卸设备以降低风险。

图1 氢能源加注站风险评估框架Fig.1 Hydrogen station risk assessment framework

图2 暴露度影响因素的相互作用关系Fig.2 Relationships of factors affecting exposure degree

(3)辅助减灾完备性因素的影响：在液态氢燃料加注站周围场地边界建设2 m高的防火墙包围，并在现场竖立屏障，能够有效降低灾害的暴露风险。防火墙能够起到隔离作用，防止加注站的火灾对边界以外的区域产生不利影响，并防止附近的任何火灾影响加注站。另外，在加注站的压缩机和蓄能器的区域设置屏障，也可以最大程度地减少氢气泄漏事件对现场人员的影响。由于从排气管线排出的氢气存在超过一定量的高风险，因此布设检测设备实施监控真空绝缘层中的真空度异常。

此外，风险意识不强、风险观念不牢、风险知识技能匮乏等人员安全素质因素，以及风险教育缺乏、风险培训缺失、风险自查不够等灾害场所安全制度问题，也会对灾害事故的发生造成较强的致灾后果；日常风险监督、风险行为纠正、风险隐患消除等风险监管因素对于轨道氢能系统损失降低亦能够发挥重要作用。

1.2.3 灾害后果准则

轨道交通加氢站风险后果准则可由氢能源危险性指标、灾害潜在规模指标和历史记录损失比例指标来描述。轨道交通氢能爆炸后果有两种爆炸形式。一种是扩散爆炸，其中泄漏的液态氢蒸发并与空气混合并点燃，从而导致扩散爆炸，另一种是预混合爆炸，其中泄漏的液态氢保留在残留区域上，并与空气和点燃剂混合，从而进行了预混合爆炸。根据每种事故场景下的泄漏状态选择适当的爆炸形式，通过计算出每种爆炸的爆炸压力进而评估后果水平。在氢能潜在风险规模指标方面，主要包括氢能加注站场所的潜在受灾面积与潜在受灾人口。历史记录指标方面，需要考虑氢能源历史灾害的死伤人数损失与财物损失。

2 风险评估步骤

2.1 评估种类相似度的权重取值

基于种类相似度准则，采用定量与定性方法对轨道交通氢能加注站进行风险评价。考虑到风险事故的潜在突发性，邀请专家对轨道交通氢能风险种类相似度权重(αh)进行评分，结果如表1所示。

2.2 评估环境暴露度的权重与取值

随后，将风险环境暴露度矩阵进行标准化与归一化处理，得到种类为h的风险在g种环境暴露因素的权重(ωh,g)。

(1)

种类为h的风险在g种环境暴露因素暴露度取值决策矩阵为

(2)

式(2)中：λh,g为种类为h且环境暴露种类为g种的暴露度取值。

表1 因素直接影响关系转换

表2 种类风险概率

表3 风险暴露度

2.3 灾害后果取值

设种类为h的风险源危险性指标参数为γh。风险潜在规模等级为共有s个，种类为h的风险具有潜在规模等级为s指标权重为ϑh,s。表4为不同规模与等级的风险权重指标。

fh,m为种类为h的风险发生损失等级为m灾害后果权重。灾害损失等级权重见φh表5所示。φh,m为种类为h的风险发生等级为m灾害后果的历史损失比例，其计算公式为

表4 不同规模与等级的风险权重指标

表5 风险损失等级权重表

(3)

(4)

历史损失比例矩阵为

(5)

2.4 计算灾害风险评估值

采用Fine Kinney风险评估公式，对每一潜在风险点的灾害风险进行评估，厘清影响系统效能的各因素间相互作用关系，综合了此领域权威专家的意见，得出可靠的系统影响因素评估结果，最终求得求解灾害风险指数并根据风险等级，参照表6确定灾害点的潜在风险等级。

表6 风险指标与对应等级

3 案例应用

以中国佛山市某氢能源调车机车氢站为对象，对其风险指数进行评估。评估对象投入1 550×104元建设而成，占地面积4 467 m2，配置有储存区、加注区、加氢机等功能区和设备，为市属重点安全单位，一旦发生氢能源泄露或爆炸事故，可能造成重大生命财产损失。对象地处三角洲河网地区，降雨频繁，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温23.2 ℃。单位氢能源加注装置能够储存23 kg压缩氢气,氢气瓶的正常工作压力为50 MPa，高压安全阀在80 MPa以上将进行排气程序避免爆炸。研究对象安装有中央安全监控系统，可以实时检测加注机、压缩机、制氢设备内部风险状态。数据采集处理系统可以记录加氢站每次加氢量、加注时间、环境温度、设备压力等系统运行数据，实现数据统计分析功能。加氢站设有较为完善的安全运行管理制度，包括加氢站现场管理制度、操作人员安全规程、进出人员管理制度、现场氢气纯度控制制度、设备管理制度、安全检查制度及手机安全使用规程。加氢站预设应急方案包括紧急逃生撤离预案，失火、泄露、停电等常见紧急事故应急预案，以及暴雨、地震等自然灾害与人为破坏应急方案。员工熟悉安全法律法规，了解本岗位安全风险属性，具有及时发现隐患的安全意识，懂得预防火灾的措施与扑救火灾、逃生自救方法。重点工种人员遵守消防安全规定，熟练掌握安全操作规程。但是，加氢站周边车辆与人员较多且流动性大，具有一定的外部安全风险。

根据研究对象的氢能源灾害风险因子信息，有五位氢能安全专家对研究对象的灾害风险相关参数和权重进行评价，其指标评分如表7所示。采用上文提出的方法进行计算，得到此氢能源加注站的评估指数为3.116，事故风险等级为一级，风险水平较低。结果表明，氢能不稳定特性与周边较为频繁流动车辆和人员，给轨道交通加氢站带来一定的安全风险，在加氢站运营过程中应高度关注，确保加氢站全过程全态势运行安全。

表7 加氢站灾害风险暴露度评估指标权重及指标评分

4 结论

通过对轨道交通系统氢能源利用特殊性进行阐述，引出了轨道交通加氢站风险评估的重要性。基于Fine Kinney理论建立的风险评估框架确保了更准确的相似度匹配。采用Dematel方法分析因素作用关系构建了风险暴露度准则。最后，结合后果准则得出了风险等级和指标。本文以某列车加氢站作为案例，对其风险指标进行了准确评估，验证了氢能源加注站风险评估方法的有效性，为行政与商业决策提供理论支持。