綠色氫能項目的風險分析與風險控制研究

文/楊澤萌

一、引言

近年來，隨著全球化石能源趨緊，美國、德國、日本等國家在綠色氫能領域加速布局，其中，美國能源部發布的《氫能項目計劃》，德國經濟與信息化部發布的《國家氫能戰略》以及日本政府發布的《氫能基本戰略》等，為綠色氫能發展模式與路徑提供了政策支撐；發達國家將綠色氫能發展視為新一輪能源革命的重要賽道，為實現CO2凈零排放繪制能源轉型路線圖。我國的綠色氫能產業，在國家發展規劃以及“碳達峰、碳中和”政策的引領下，成為產業發展熱點，高端綠色氫能項目進入新發展階段。

根據我國目前氫能階段發展特征，氫制取項目的技術成熟度較高，而氫液化、儲運等關鍵技術僅在航天領域相對成熟，民用液氫領域尚處于起步階段，適用的國家標準規范剛剛發布實施，軍民融合的深化將助力綠色氫能產業進一步發展。在綠色氫能項目實施過程中，存在著眾多風險因素會影響公共與社會效益，一方面項目的順利落地對氫能關鍵技術與管理的要求較高；另一方面社會公眾對氫能的認知相對薄弱，絕大多數仍停留在氫彈爆炸的震懾思維模式中，易產生認識誤區。因此，為了綠色氫能項目的順利實施，在前期進行詳盡的風險分析與風險控制研究，既可助力產業良性發展，又可消除公眾顧慮，對項目前期決策與后期實施至關重要。

二、氫能項目風險分析的必要性

項目風險分析與風險控制研究是綠色氫能項目建議書、可行性研究報告、項目申請報告、資金申請報告等的重要內容，是項目立項、安全設計與項目實施的重要依據。項目風險分析可根據綠色氫能項目的特點，識別影響社會穩定、項目效益與安全的主要風險因素，通過主觀或客觀的概率與影響估計，進行定性與定量分析；再在風險識別與估計基礎上，進行針對性的定量風險評價，從而提出氫能項目風險的應對措施。項目風險分析與風險控制研究不僅能客觀預測項目實施過程中可能存在的風險，還能根據定量風險評價數據進行防范，從而降低風險，提高氫能項目投資效益，是影響項目前期決策的關鍵環節。

項目風險分析與風險控制的工作流程如圖1所示。根據圖示可知，識別出的危險因素需經過概率分析與影響分析綜合確定事故風險。其中，概率分析主要包括原因分析與原因可能性估計，影響分析主要包括后果分析與后果嚴重性估計。經過定量計算，當事故風險確定在可接受風險范圍內時，則從風險角度考慮項目可以被接受；當事故風險脫離可接受風險范圍時，需通過針對性的風險控制措施進行有效干預，此時需重新識別與分析該風險，進而降低甚至消除事故風險。因此，通過風險分析可判斷當前項目的安全狀態，而風險控制可將項目風險控制到可接受水平范圍內，兩者相輔相成，對氫能項目順利實施十分必要。

圖1 風險分析與風險控制工作流程圖

三、氫能項目的特點

（一）發展熱度高

根據國際氫能委員會統計，2021年以來，全球范圍共啟動130余個大型氫能開發項目，預計到2070年全球對氫能的需求將達到5.2億噸，氫能產業發展備受青睞。我國作為全球第二大經濟體，自簽署《巴黎協定》后又莊嚴承諾：到2030年完成“碳達峰”，并力爭到2060年實現“碳中和”目標。我國進入“十四五”后，各部委、省、自治區、直轄市及區、縣等相繼發布支持氫能產業發展的配套政策，將綠色氫能發展作為應對氣候風險與能源變革的重要舉措。與此同時，資本市場對氫能項目投資的熱情高漲，保持高度預期，社會資本促使其研發的進步與技術的創新。

（二）專用法律體系尚未健全

綠色氫能產業需要解決氫制取、液化、儲運及應用等環節的問題，而氫液化與儲運是氫能發展的關鍵。現階段，氫制取技術相對成熟，適用的技術標準和規范等法律體系相對健全；氫液化、儲運項目的國家軍用標準法律體系較為完善，而民用液氫項目需執行的國家標準體系剛剛建立，氫能細分領域的法律依據缺失。2018年由國家標準化管理委員會下達了《液氫生產系統技術規范》《液氫貯存和運輸安全技術要求》《氫能汽車用燃料液氫》國家標準制定計劃，由全國氫能標準化技術委員會、中國標準化研究院組織編制，2021年11月1日正式實施，逐漸改善了這種局面。從宏觀角度分析，氫能產業處于高速發展階段，項目落地規模與數量持續增長，這對氫能標準化法律體系的構建工作提出了更高要求。

（三）技術復雜，“卡脖子”關鍵技術多

在技術方面，氫氣液化需將高純氫降溫液化至-253℃的超低溫環境，是影響我國綠色氫能發展的技術瓶頸，重大核心技術被美國等西方發達國家壟斷。我國在液氫領域起步較晚，且應用主要集中在軍用航空航天發射中心，民用液氫裝備相對薄弱。經過近年的持續研發，液氫壓縮機、換熱器、正-仲氫催化劑和反應器等關鍵技術已有所突破，但超低溫閥門、核心裝備與零部件性能與先進國家相比仍存在差距，關鍵核心技術仍未徹底打破技術壁壘。美國及其同盟國在液氫關鍵技術與裝備方面對我國實施技術禁運，重大技術裝備、組件、材料等依然處于“卡脖子”狀態。

（四）危化品、易燃易爆裝置多

根據國家安監局發布的重點危化品名錄，對氫能項目進行辨識，氫屬于重點監管危險化學品。根據文獻所述[1]，氫逃逸速度極快，液氫與氫氣極易燃燒，為甲類火災危險性物質，一旦泄漏易形成爆炸氣體混合物，遇火源易發生火災、爆炸事故。液氫超低溫易造成操作人員皮膚或機體組織凍傷，且超低溫環境具有冷脆破壞性。在氫能項目中，低溫壓力容器與管道材質缺陷會造成設備損壞，氫泄露后發生火災、爆炸危險，設備、管道靜電以及外部雷擊等因素也易造成火災、爆炸事故。

四、氫能項目的風險識別與估計

（一）項目概況

安徽省某綠色氫能項目采用先進生產技術，建立裝備集成度高、能量耗散低、物質流可循環的創新工藝，致力于打破國外氫能全產業鏈技術壟斷。市場調研與分析顯示，液氫產品市場前景廣闊，客戶群穩定且保持良性增長。本綠色氫能項目主要包括氫制取、氫液化與儲運設施，為下游氫能應用提供氫產品。項目配套有變壓吸附（PSA）氫氣純化裝置，氫氣膜壓機、氦壓縮機、液氫主冷箱、液氫儲罐等氫液化裝置以及液氫運輸裝備等。項目建設規模為2000Nm3/h高純氫氣和1000L/h液氫，是立項時期國內單體規模最大的民用氫液化項目。

（二）風險因素識別

根據綠色氫能項目的主要特點及工程經驗與習慣，項目主要風險包括法律風險、技術風險與不可抗力風險。三種風險類型特征主要表現：

法律風險。本綠色氫能項目于2019年立項，當時項目建議書、可行性研究報告等咨詢文件的編制，以及初步設計、施工圖設計深化的專用法律依據尚未發布實施，國家標準僅有《征詢意見稿》供安全設計參考使用，因此，項目整體按照《石化規》進行前期策劃與設計。2021年11月1日實施的正式法律標準，與《征詢意見稿》基本一致，本項目建筑物、構筑物、設備等的安全間距，工藝裝置、管道、閥門及附件的強制性安全措施符合技術規范要求。隨著氫能產業的發展與技術創新，新專用性標準規范的建立以及國外先進標準的轉化，可能會對既有安全參數進行調整，增加修改的風險。

技術風險。本項目氫制取裝置，液氫冷箱等主體設備均為國產，設備整體國產化率較高，但關鍵核心組件、液氫運輸車、低溫閥門等仍依靠進口，因國外疫情與貿易戰影響，增加了采購風險。液氫核心技術復雜，區域內易燃、易爆裝置多，危險化學品等級高等因素均加劇了項目技術風險，對項目的安全技術措施提出了更高要求。氫泄露遇明火引發的火災、爆炸還可能形成多米諾效應，使風險等級疊加。因此，在風險估計與評價過程中將對泄露、火災、爆炸進行重點分析。

不可抗力風險。根據我國國情，不可抗力風險主要體現在氣候、地理、意外等自然風險，如高溫、降水、雷暴、地震等，除非百年一遇的極端事故才可能會對項目有較大影響。但自然風險不可預見性較強，也存在一定風險。

（三）風險估計

風險估計是對識別出的風險因素引發事件發生的概率與影響后果的定量或定性估計，風險事件概率與后果的乘積即為風險，如公式1所示。根據本綠色氫能項目特點，其最主要風險后果是危化品氫泄露、火災、爆炸等引發對人員和設施的安全風險。本項目中，氫泄漏是引發相關重大危險源發生火災、爆炸事故的概率根源，即風險事件發生的概率取決于泄漏概率。根據中國安全生產科學研究院發布的泄露概率確定方法[2]，泄漏概率隨著泄露孔徑規格的不同而變化，如公式2所示。泄漏概率Pk需要根據泄露孔徑規格確定，反應器、低溫閥、液氫儲罐及壓力管道的法蘭、密封等部位，均有泄漏風險。由于暫時沒有氫能行業專用風險數據統計，本項目重大危險源定量泄漏概率采用化工行業統計資料進行分析，容器設備最大可信泄漏事故概率約為1×10-5/a，化工行業風險統計值為8.33×10-5/a[3]。

式中：k-計算泄漏概率的孔徑規格，mm；

q、z -孔徑區間的最小、最大孔徑規格，mm；

Pk、Pq、Pz-孔 徑k、q、z的泄漏概率，a-1。

依據《危險化學品重大危險源辨識》規定，針對危險化學品生產、儲存單元，按公式3進行計算，S≥1則可定義為重大危險源；對于重大危險源，按公式4對α、β進行規范取值后計算，判別重大危險源的危險等級。根據本綠色氫能項目生產與儲存規模進行測算，危險化學品判別結果見表1所示，液氫罐儲存單元S＞1，構成重大危險源。對液氫罐儲存單元進行危險源分級計算，結果見表2所示，液氫罐儲存單元R=3.84。結合重大危險源與R≤10的對應關系，液氫罐儲存單元危險等級為四級。

表1 危險化學品重大危險源計算表

表2 重大危險源分級計算表（液氫儲罐區）

式中：S-危險源判別指標；

qn、Qn-危險化學品實際存在量、相對應的臨界量，t；

式中：R-危險源分級指標；

α-危險化學品重大危險源廠區外暴露人員的校正系數；

βn-各危險化學品相對應的校正系數。

五、氫能項目的風險評價

本項目液氫儲罐區為四級重大危險源，根據國家《安全生產法》規定，對于爆炸品、液化易燃氣體的重大危險源，要采用定量評價（QRA）方法進行風險評價。QRA評價依據《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》規定，指標采用個人風險與社會風險分別進行計算。

（一）個人風險計算

本項目的個人風險，是重大危險源等發生事故，使得區域內某位置人員死亡的概率，與時間無關，是平面位置坐標的函數；即個人風險不針對具體人員，而是對危險源以外某一被計算的具體位置，可用風險等值線進行表征，其計算函數如式5所示。計算采用QRA定量風險評價軟件，將評估情景、氣象條件、點火源等數據依次輸入，即可自動完成個人風險的計算、風險等值線的追蹤與繪制。

重大危險源紅色風險等值線的可接受風險基準為1×10-5，黃色風險等值線的可接受風險基準為3×10-6，藍色風險等值線的可接受風險基準為3×10-7。經過計算并根據項目平面布置，各等值線區域內無相關敏感場所，項目個人風險處于可接受水平。

（二）社會風險計算

與個人風險關注空間位置不同，社會風險與周圍人口分布密切相關，反映企業員工和社會公眾面臨的風險。本項目社會風險，是引起N人死亡時所有事故發生的累計概率，可用社會風險曲線進行表征。計算仍采用QRA定量風險評價軟件，將企業周邊與內部人口分布情況進行輸入，關聯累計概率F與死亡人數N繪制風險曲線。我國社會風險標準一般采用“二拉平”（ALARP）原則進行風險劃分，包括可接受區、盡可能降低區和不可接受區。本項目的社會風險曲線如圖2所示，社會風險曲線全部落在盡可能降低區域內。此區域在可實現范圍內，社會風險可接受，但應盡可能采取安全措施降低社會風險。

圖2 綠色氫能項目社會風險曲線圖

六、氫能項目的風險控制

（一）風險控制措施

本項目社會風險處于盡可能降低區，應采取有效的安全改進措施降低風險，主要包括：對項目進行本質安全設計，采用先進生產工藝，構建密閉系統，謹防泄漏事故；全廠采用PLC自控系統，檢測各系統關鍵點溫度、壓力等參數實現控制與操作，減少操作人員數量，設置自動放空閥、安全閥等措施；反應器、儲罐等設備進行壓力、液位監控，重點監控參數設置報警與反饋識別；采用可靠、獨立的安全儀表系統（SIS）進行聯鎖保護，高危事故發生時緊急停車，降低發生惡性事故概率；液氫儲罐區設置圍堰，事故時收集危險物料，生產車間設置防火墻，采用輕質屋面進行泄爆；根據QRA計算結果，科學、合理確定重大危險源生產、儲存單元的安全防護間距；企業應設置應急救援指揮部，根據國家規范編制各類專項應急預案并定期組織現場處置方案演練，科學有效管理，提高全員安全意識。

（二）多米諾效應分析

結合本項目特點，存在由于火災和爆炸等初級事故引發二級事故的多米諾效應，進而造成生產、儲存裝置損毀。經QRA模擬計算可知，本項目僅液氫儲罐區發生氫泄漏引發蒸氣云爆炸時，多米諾半徑影響將超出廠區范圍，可能對周邊區域產生一定影響。其中，儲罐西側為企業預留用地，暫無相關設施；后期規劃使用時，應避免在爆炸事故影響范圍內布置壓力容器等設備。儲罐南側建材企業位于多米諾影響半徑外，且距離儲罐最近的倉庫為戊類（火災危險性最低），無相關設備。儲罐東側生產裝置的間距均大于多米諾影響半徑。對于外圍影響區域，企業可協助對相應設備進行有效安全防護，從而抵御多米諾風險。

七、結束語

駛入高速發展車道的綠色氫能產業，技術復雜，創新速度快且“卡脖子”關鍵技術多，社會公眾普遍對氫有畏懼心理。為保障項目順利實施、促進氫能產業發展，風險分析與風險控制研究對氫能項目立項、安全設計與方案實施有重要參考意義。在風險分析過程中，須根據綠色氫能項目特點，從風險因素識別、風險估計、風險評價與風險控制四方面，重點對相關風險進行有效分析與控制對策研究。對氫泄漏、重大危險源判別與等級劃分進行系統性估計，采用QRA進行個人風險、社會風險計算，并采用風險等值線、社會風險曲線等指標，對項目風險進行定量評價，提出科學、合理的風險控制措施。立足綠色氫能新時代發展，項目風險分析與風險控制研究可有效降低風險，提高投資效益與環境效益，助力我國“碳達峰、碳中和”進程。