氫氣生產裝置和儲存設施爆炸安全性評估

趙子賢

(北京國信安科技術有限公司，北京 100070)

0 引言

環境污染和能源枯竭是當今時代困擾人類的兩大難題，開發新型能源是各國研究思考的重點。氫能作為一種高效清潔能源，可以循環利用，在未來的能源系統中將占據重要位置，擁有十分廣泛的應用領域，但發展也離不開安全生產。安全生產工作應堅持安全第一，預防為主、綜合治理的方針，從源頭上防范化解重大安全風險。因此安全設施必須與主體工程同時設計、施工、投入生產和使用。

燃料電池是高效清潔利用氫能的最佳工具，近年來氫燃料電池汽車得到迅速發展。加氫站有儲氫容器和現場制氫裝置，因此在加氫站建設前期，進行相關生產裝置和儲存設施的爆炸后果模擬，為站內配套重要建筑物抗爆設計提供重要依據至關重要。

1 爆炸安全性評估分析

本文對重要建筑物爆炸安全性評估采用基于后果的分析方法，主要包含危害識別、泄漏計算、爆炸后果模擬分析和重要建筑物爆炸載荷確定等。

1.1 確定分析范圍

先進行危險源的辨識，基于以往的事故經驗和必要的判斷對可能發生的事故進行定性分析。

1.2 危害識別

危害識別是依據裝置的物料特性、操作條件、平面布局和儀表控制，參考工藝裝置可燃物料信息、設計和操作說明、物料平衡表以及總平面布置圖等設計資料，辨別能夠導致泄漏和爆炸后果的初始事件和最終事件，其中包括識別失效事件的觸發條件、泄漏規模和爆炸后果類型等。

根據裝置物料平衡表、物料安全技術說明書、過去類似裝置的事故案例、HAZOP 分析報告、重大危險源評估報告等資料和信息，識別各個裝置危險物料分布、危險物料泄漏導致的氣云擴散、火災和爆炸場景、可能發生的工藝事故和極端事故場景。

1.3 泄漏計算

1.3.1 泄漏單元劃分

裝置泄漏存在多種可能性，這些可能性被劃分為離散的泄漏事件，稱為失效場景。一般通過劃分泄漏單元，將具有類似潛在危害的設備進行組合：

(1)以PID 確定設備設施數量，發生泄漏時能切斷泄漏源的閥門位置為主要依據，比如緊急切斷閥，從而使得各泄漏單元在發生泄漏時處于相對獨立；

(2) 劃分泄漏單元通常僅針對主工藝物料回路(篩選的單元中含易燃、易爆、有毒的危險化學品設備設施，不可燃的或無毒的物料、水、空氣不納入分析中)；

(3)依據工藝系統操作條件(溫度、壓力)的變化、物料的變化、泄漏位置的變化，可進一步區分子系統；

(4)對緊急切斷閥門泄漏等級、閥門全行程關閉時間、氣動(電液聯動)執行機構的可靠性、閥門耐火有嚴格要求。

1.3.2 確定泄漏孔徑及泄漏持續時間

為確保爆炸后果模擬分析的全面性和完整性，需選擇一系列合適的失效事件，從微小的泄漏到大型泄漏(工藝設備和儲罐)或者全口徑泄漏(管線)?？紤]到計算量的問題，后果模擬不可能涵蓋所有的泄漏尺寸，通常采用一組離散數據來代表可能的泄漏情況，并開展后果模擬計算。本次模擬的泄漏孔徑尺寸選取25 mm(中孔)和100 mm(大孔)[1]。

泄漏持續時間的取值取決于泄漏單元的探測系統和聯鎖切斷系統等級，結合泄漏單元的總體布局、物料特性、氣體和探測器系統布置特點，本次模擬不同泄漏類型(中孔泄漏、大孔泄漏)的泄漏持續時間在DNV 模擬中根據要求和實際情況自動調整。

1.3.3 泄漏速率及泄漏量計算

本次分析最大可能泄漏量的計算分三種情況，不同泄漏場景的泄漏量根據實際情況而定：

(1)如果上游物料流量＞初始泄漏速率，則泄漏量為：泄漏量=初始泄漏速率×導則規定的泄漏時間(2)如果上游物料流量＜初始泄漏速率，則泄漏量為：

泄漏單元內物料存量=初始泄漏速率×導則規定的泄漏時間

泄漏量=泄漏單元內物料存量+上游物料流量×系統隔離時間

(3)系統中的最大量(包含上下游節點)

泄漏量的計算理論是通過模擬不同泄漏孔徑下的泄漏速率與泄漏持續時間的乘積，實際泄漏量不會超過裝置儲存的最大量或可隔斷的總量。對間歇工藝，泄漏量按照設備單元內最大存量計算。

本次模擬不同泄漏類型(中型泄漏、大型泄漏)的泄漏量在DNV 模擬中根據要求和實際情況自動調整。

1.4 爆炸后果模擬及建筑物爆炸性安全評估

本文采用DNV 模擬軟件，模擬制氫裝置及儲存設施等發生泄漏導致的爆炸后，對其附近控制室進行爆炸性安全評估。

2 爆炸荷載評估準則

2.1 超壓對建筑物的影響

根據不同場景下產生爆炸的超壓值，評估不同爆炸載荷對控制室的損害程度和影響。超壓對建筑物的影響中關注的壓力值如表1 所示。

表1 超壓對建筑物的影響(近似值)

2.2 判定建筑物抗爆設計的準則

按照以下規則，評估建筑物是否需要采取抗爆設計或抗爆加固措施：

(1)當建筑物受到的爆炸超壓高于6.9 kPa，且未進行抗爆設計時，建筑物宜進行抗爆治理[2]。

(2) 普通建筑物能夠承受(不發生倒塌) 爆炸沖擊波超壓小于6.9 kPa[3]。

綜合國外和國內化工企業人員集中建筑物抗爆設計要求，若重要建筑物暴露爆炸峰值超壓高于6.9 kPa，則需要執行GB/T 50779—2022 《石油化工建筑物抗爆設計標準》和其他相關標準要求采取主體結構整體抗爆設計，否則對于既有建筑物可不采取主體結構整體抗爆設計或改造。對新建項目的建筑物，即使建筑物暴露爆炸峰值超壓低于6.9 kPa，建筑物還需要滿足(GB/T 50779—2022) 對峰值超壓低于6.9 kPa 時的相關抗爆設計要求。

3 爆炸后果模擬

爆炸后果模擬的工作內容包括可燃蒸氣云泄漏擴散模擬和爆炸后果模擬。

可燃蒸氣云擴散分析的目的是確定在不同泄漏類型下的泄漏量，以及自然環境下，可燃氣云擴散產生的爆炸燃料量。可燃蒸氣云進入受限空間或阻塞空間并被延遲點燃的條件下，將產生破壞性的爆炸載荷。蒸氣云爆炸后果模擬是把可燃濃度的蒸氣云的位置和質量，裝置區阻塞度和氣云受約束條件，點火源強度等多項因素作為初始條件，利用TNO Multi-Energy Method (TNO 多能法) 模型預測蒸氣云爆炸后果和爆炸載荷傳播特征，以確定建筑物的爆炸載荷。

TNO 多能法屬于蒸氣云爆炸預測方法之一，該模型是在大量數值和實驗研究的基礎上建立起來的蒸氣云爆炸效應預測的模型[4]，可以用于確定約束空間內蒸氣云特征。目前國內外關于多能法的研究和應用比較廣泛[5-7]。

本文模擬場景中涉及制氫裝置、儲氫設施和加氫設施，裝置區外東北方向設置控制室。

3.1 物性數據及氣象條件

依據GB 50160—2008 《石油化工企業設計防火規范》(2018 年版)和GB 50058—2014 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》等相關標準，本文選取的主要危險物料為氫和氨，具有火災爆炸危險性。

本次場景后果模擬分析主要考慮天氣場景：大氣穩定度D/F[1]，大氣溫度20 ℃。

3.2 潛在爆炸區域(障礙區/阻塞區)

本文通過識別可能使氣體進入并產生可燃蒸氣云爆炸的區域如表2 所示。

表2 潛在爆炸區域詳細信息

3.3 可信泄漏事件

根據不同泄漏單元的不同孔徑的泄漏頻率，考慮點火概率和后果分配概率(爆炸/閃火)，泄漏事件的發生頻率=泄漏頻率×點火概率后果分配概率(爆炸/閃火)，當事件發生頻率大于1×10-5認為是可信事件，納入本次后果模擬，點火概率選取0.9。

3.4 爆炸后果分析

不同泄漏場景泄漏擴散形成可燃蒸氣云團，可燃蒸氣云進入阻塞區域空間內被點燃發生爆炸事故。經過模擬分析，本文模擬場景中控制室所受最大沖擊波超壓值超過6.9 kPa，處于6.9～48.0 kPa 之間。

4 重要建筑物暴露的爆炸荷載

4.1 控制室爆炸沖擊波超壓以及正向持續時間

重要建筑物暴露在可燃物料泄漏形成蒸氣云爆炸最差場景處的爆炸沖擊波超壓以及正壓持續時間如表3 所示。

表3 控制室暴露的爆炸超壓即正壓持續時間

4.2 控制室爆炸側向超壓出量曲線

最差場景為F 天氣條件下儲氫瓶組1 發生泄漏(25 mm) 后氫氣泄漏至儲氫瓶組區域內部阻塞空間發生蒸氣云爆炸，側向超壓出量曲線如圖1 所示。

圖1 最差場景爆炸側向超壓出量曲線

依據計算結果，對照文中提出的評估準則，分析認為：

控制室所在建筑暴露的最大爆炸沖擊波超壓22.05 kPa，正相持續時間1.29 s，沖量258.44 Pa·s，由儲氫瓶組1 發生泄漏(25 mm)，在大氣穩定度F 條件下，在儲氫瓶組區域內部阻塞空間發生蒸氣云爆炸造成。

根據國家標準GB/T 37243—2019 《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》附錄G 中表G.3 規定的描述，該事故場景可能對控制室造成房屋內重型機械(1 362 kg)輕微損壞，鋼結構建筑變形，并離開筑基。

5 結語

本文通過識別控制室所在建筑周邊裝置可能發生爆炸事故的失效事件，基于后果的分析方法，確定建筑物暴露的爆炸載荷。結論如下：

通過危害識別，綜合考慮工藝操作條件、物料性質以及平面布局等因素，對每個設備單元進行爆炸后果分析，計算控制室暴露的爆炸載荷。

物料泄漏形成蒸氣云爆炸最差場景為：F 天氣條件下，儲氫瓶組1 發生泄漏(25 mm)，在儲氫瓶組區域內部阻塞空間發生蒸氣云爆炸造成。控制室所在建筑暴露的最大爆炸沖擊波超壓22.05 kPa，正相持續時間1.29 s，沖量258.44 Pa·s。

綜合考慮中石化既有建筑物抗爆對照中石化既有建筑物抗爆治理指導意見、美國土木工程師學會ASCE對普通建筑物抗爆性能的描述，以及GB/T 50779—2022 《石油化工建筑物抗爆設計標準》，控制室所在建筑需要進行主體結構整體抗爆加固或抗爆設計。

對既有建筑物，還需綜合評估建筑物結構形式和建筑壽命等相關因素，如有需要建議對建筑物進行結構計算驗證是否能承受所承受的爆炸載荷。

目前國內城市加氫站大力發展，在加氫站前期調研和規劃中，應充分考慮其建設的生產裝置和儲存設施存在的風險，通過抗爆計算和抗爆設計，為安全運行建立起堅固的物理防護設施。