質子交換膜燃料電池電站多米諾事故概率和風險研究*

徐圓圓，滕 越，趙 騫，王 締，易建新

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

傳統化石燃料資源枯竭、大氣污染加劇使人類生存條件受到重大挑戰，在此背景下，氫能作為1種重要的清潔二次能源相繼被多國納入國家戰略[1]。隨著氫能的大力發展，氫能產業鏈逐步壯大，氫能的應用場景逐漸多樣化。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)電站就是1種新型的利用氫氣作為燃料的電力輸出系統，其具有無污染、高效率的優點[2]。然而，由于氫氣泄漏后易引發火災、爆炸事故，給氫能設施的廣泛應用帶來一定挑戰[3]。與一般氫能基礎設施相比，氫能電站壓力等級更高，危險源更多。另外，由于電站面積受限，生產裝置結構緊湊、聯系緊密，單次事故可能引發多米諾效應，造成事故后果擴大化。然而，目前有關氫能電站的安全研究較少，主要為定性分析[4]以及故障概率分析[5]。

目前，國內外學者關于多米諾效應的定量風險評估進行了深入的研究。例如，Zeng等[6]研究了化工園區在自然災害作用下的多米諾事故概率以及風險水平；He等[7]針對化工廠多米諾效應提出了1種基于場論和蒙特卡洛法的多米諾事故定量風險評價新方法；黃海燕等[8]提出了基于貝葉斯網絡的多級多米諾效應模型，考慮了事故之間的協同效應。然而，現有多米諾效應的研究主要針對于化工企業，質子交換膜燃料電池電站作為新生事物，目前還非常缺乏氫氣泄漏的多米諾事故方面的研究。

基于此，本文在氫能電站風險分析中考慮多米諾效應，將定量風險分析與設備受損概率模型[9]相結合，根據電站內部的特性，構建氫能電站多級多米諾事故風險場景以及多米諾概率模型，提出針對性的安全措施，以期為保障氫能電站的安全提供依據和參考。

1 氫能電站多米諾效應概率與風險分析方法

世界上不同學者針對“多米諾效應”做了不同解釋，本文中采用Reniers等[10]提出的目前最為普遍接受的定義：1種初始事故在同一單元內部或臨近單元間傳播的現象，可按順序或同時地觸發1個或多個二次事故(或多次事故)，最終造成事故總體后果大于初始事故。

本文主要在Cozzani等[9]在多米諾效應機理的研究基礎上，結合設備損壞概率模型，依據氫能電站內多米諾效應場景分析結果，建立多米諾效應概率計算方法，再應用到實際案例，最終通過風險定量評價軟件將個人風險和社會風險圖直觀表達出來。風險評價流程如圖1所示。

j代表多米諾效應中設備受影響的次序

1.1 事故后果與風險計算方法

挪威船級社(Det Norske Verotas,DNV)公司開發的SAFETI(Software for Assessment of Flammable,Explosive and Toxic Impacts)軟件集合了世界范圍內多年來災難事故(包括氫氣事故)，建立了泄漏事故數據庫[11]。該軟件既可以計算氫氣泄漏、火災、爆炸事故后果影響范圍，也可以用于評估已知人員分布下的年人員死亡風險概率以及個人、社會風險，并能夠輸出圖形文件，對本文研究有很好的適用性。

1.1.1 事故后果影響范圍分析

PEMFC電站的主要事故后果來源于壓力容器、管道、設備氫氣泄漏所產生的火災、爆炸事故。氫氣的泄漏可分為瞬時泄漏和連續泄漏2種模式。瞬時泄漏指氫氣設備的突然爆裂，氣體壓強迅速下降并形成蒸氣云，在擴散過程中被點燃會形成蒸氣云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)或閃火事故。連續泄漏的氫氣由于壓差，在泄漏過程中出現射流，若立即點燃會形成噴射火，若延遲點燃則會形成VCE或閃火。初始事故通過物理效應產生的擴張向量作用于下一單元，VCE和噴射火對周圍設備的主要損害方式分別為沖擊波以及熱輻射，由于閃火作用時間較短，一般不認為會引發多米諾事故[12]。

根據危險單元的受損閾值可確定火災、爆炸對臨近單元的影響范圍，本文分別取造成設備損壞的熱輻射和超壓閾值為37.5 kW/m2和20 kPa[13]。

1.1.2 個人、社會風險分析

個人風險指在火災爆炸事故后果中某位置處人員個體死亡概率，采用個人風險等值線來表示，社會風險代表單位時間內(通常為a)1次事故后果中死亡人數(N)的可能性(F)，取決于個人風險結果與人員密度分布情況，通常用社會風險曲線(F-N曲線)表示[14]。

1.2 多米諾效應概率計算方法

在計算多米諾效應概率前，首先需要確定初始事件概率fc，即初始單元X0發生火災爆炸的概率，火災、爆炸事故來源于氫氣的泄漏，初始事件概率fc為氫氣泄漏后發生各類事故的概率與危險單元自身失效概率fl的乘積。

1.2.1 初始事件概率分析

氫氣泄漏后是否發生火災爆炸與點火概率相關。立即點火的概率參考“紫皮書”[15]中給出的數據，對于氫氣取0.2，MHIDAS數據庫[16]中建議延遲點火概率對生產單元取0.85，儲存單元取0.73，綜合考慮取0.8。其中氣體泄漏后蒸氣云爆炸(VCE)的發生概率取SAFETI軟件的默認值0.4，利用事件樹可得到氫氣泄漏后各類初始事故發生概率。事件樹分析如圖2所示，事故發生概率如表1所示。

圖2 事件樹分析

表1 發生氫氣泄漏后各類事故發生概率

1.2.2 擴張概率分析

目標單元的失效概率通過設備損壞的概率模型計算公式[17]進行計算，如式(1)所示。其中概率單位Y的計算參考Cozzani等[18]建立的設備損壞概率單位模型。概率單位見表2。

表2 熱輻射和超壓引發的設備損壞概率單位

(1)

式中：Pk為熱輻射(或沖擊波超壓)引起的設備損壞概率；Y為熱輻射(或沖擊波超壓)的概率單位；x為設備損壞概率的積分變量。

1.2.3 多米諾效應概率模型

多米諾效應具有不確定性，為了預測多米諾事故擴張順序，事故鏈的發展可基于以下假設：即受火災爆炸影響的二次及以上目標單元Xj發生災難性破裂。閃火通常不會對設備造成損害，受損單元將以VCE產生的沖擊波作用于下一單元，參考表1中VCE的概率為0.4。通過以上分析，得到由初始單元X0引發的多米諾事故場景中，危險單元Xj發生多米諾效應的概率計算公式fε(Xj)如式2所示。

(2)

式中：i≥1，j≥0；i為多米諾效應等級；ε為具體事故場景；JF為噴射火(Jet Fire)。

2 實例分析

2.1 工程概況

針對某在建兆瓦級氫儲能電站的安全性進行研究。該項目利用電解水技術經PEM燃料電池發電，站內最高氫氣壓力等級為21 MPa。電站布置如圖3所示。經辨識，站內危險單元涉及壓力管道、壓力容器、壓縮機等，危險單元信息如表3所示。各危險單元間的中心距離如表4所示。

表3 危險單元信息

表4 危險單元之間的中心距離

圖3 氫能電站平面布置

2.2 初始事故場景與影響范圍分析

根據氫氣泄漏模式針對站內危險單元設定初始事件情景如表5所示。本文取環境溫度25 ℃、濕度70%、風速1.5 m/s、大氣穩定度為D的天氣條件，將相關參數輸入SAFETI 8.22軟件進行計算。依據超壓和熱輻射對設備的傷害閾值。初始事故影響范圍的計算結果見圖4。

表5 初始事故模擬參數

圖4 不同事故場景下的設備影響范圍

圖4為不同事故對設備的最大傷害距離。VCE事故中的最大傷害距離由場景6中T01瞬時泄漏造成，達到了26.46 m。噴射火的最大傷害距離為13.16 m。由此可知在氫能電站氫氣泄漏事故后果中，設備受損威脅主要來源于氣云爆炸產生的超壓。

2.3 多米諾效應擴展場景分析

將圖4中得到的多米諾傷害半徑與電站設備之間距離(如表4所示)進行比較，確定潛在多米諾事故單元，其中壓力管道的多米諾效應研究較少，并且通常采用埋地敷設，在此不作為目標單元進行分析。經分析得到電站內所有危險單元的多米諾效應擴展模式以及目標單元如表6所示。

表6 多米諾事故擴展場景

表6中給出由各初始單元引發多米諾效應的擴展場景，X0，X1，X2分別代表初始單元、二次事故單元與三次事故單元。除F01和T03外，其余設備失效均可能引發多米諾效應，事故升級模式主要為超壓→超壓。站內多米諾效應最高等級為二級。

2.4 多米諾效應概率分析

選取P01為初始單元X0，P01在距離T01 1 m位置處發生氫氣泄漏，通過模擬計算得到P01爆炸沖擊波產生的超壓與距離的關系。超壓與距離曲線如圖5所示。此時T01受到的超壓值為360 kPa，類似地，計算出二級單元T03和F01所受的超壓值分別為60，30 kPa。確定目標單元所受超壓值后，代入式(1)可求得設備受損概率。再根據“紫皮書”[15]得到P01自身失效概率1×10-6，利用式(1)～(2)計算可得到多米諾效應概率。多米諾效應概率如表7所示。

表7 多米諾效應概率分析

圖5 沖擊波超壓與距離關系

2.5 風險定量分析

風險分析包括概率及后果分析，本文運用SAFETI 8.22進行定量風險分析。輸入設備的運行數據，天氣以及人員分布情況。個人風險等值線及社會風險F-N曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 個人風險等值線

圖7 不考慮多米諾效應、考慮一級多米諾效應下的社會風險等值線

2.5.1 個人風險分析

圖6中實線和虛線分別代表風險值1×10-8/a,1×10-9/a。圖6(a)中未考慮多米諾影響，考慮一級多米諾效應后對個人風險的影響較大，1×10-8/a,1×10-9/a風險等值線的區域均顯著擴大，而考慮二級多米諾效應后與一級多米諾效應相比風險等值線范圍無明顯變化。

2.5.2 社會風險分析

電站的社會風險潛在傷害人員分為2類:站內的工作人員和站外的居民。本文設電站周圍易受傷害人口均勻分布，密度為0.01人/m2，站內控制室內設有工作人員3人，計算得出社會風險曲線(F-N曲線)如圖7所示。在不考慮多米諾效應時，僅P01發生爆炸，造成3人死亡。當僅考慮一級多米諾效應時，最大死亡人數從3人上升至13人，同時，考慮一級多米諾效應后曲線整體上升，風險概率整體提高，此時死亡3人的概率由5×10-8/a上升至7.8×10-8/a，增加了56%。

3 結論

1)氫能電站由于其布局以及工藝的特殊性，事故的不確定性增加，在氫氣泄漏后可能引發多米諾效應。本文基于多米諾理論，通過設備受損概率模型、事件樹分析針對氫能電站建立多米諾事故概率模型，通過此模型可以更詳細地了解氫能電站設備受損概率。

2)針對實際案例辨識氫能電站內的危險單元，構建多米諾事故場景，分析多米諾事故發生擴展模式，結果表明，氫能電站內危險設備較集中，易引發多米諾事故，多米諾事故升級模式主要為超壓→超壓，多米諾效應等級最高為二級。該結果可為氫能電站的風險防控提供參考。

3)在氫能電站風險分析中，考慮多米諾效應能更準確地反應事故危險性。該風險評估方法可為氫能電站的布局規劃以及安全屏障的合理分配提供理論參考。