基于QRA法的氫氣管束車事故后果模擬分析

石羽峰，張蘭，寧詩航，李瑞

(1.重慶科技大學，重慶 401331；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 401331)

0 引言

當前，為響應國家氫能源發展戰略，一些氣體生產經營公司與能源研究院聯合共建氫燃料發動機耐久實驗項目(以下簡稱“實驗項目”)，通過采用魚雷管束車和管道供氫的方式對氫燃料電池發動機供氫，產出的氫氣用于補給實驗用氫管路，形成氫氣與電的循環利用。其中氫氣管束車由氫氣瓶組、管路、閥門和測量設備等組成。氫氣屬于易燃氣體，在空氣中最小點火能為0.019 MJ，在氧氣中最小點火能為0.007 MJ，一般情況下的撞擊、摩擦、不同電位之間的放電、各種易燃物的引燃、明火、熱氣流、高溫煙氣、雷電感應、電磁輻射等都能引起氫氣與空氣混合物的燃燒。因此，本文基于QRA評價法模擬分析氫氣管束車在作業過程中若發生氫氣泄漏可能造成的噴射火災、蒸氣云爆炸和壓力容器爆炸等事故后果，并結合項目實際情況提出有針對性的安全對策措施和建議，具有一定實踐指導和參考意義。

1 項目概況

該項目位于重慶市大渡口區某工業園C區某氣體生產經營公司東南角空地內，主體裝置包括氫氣管束車、低壓撬裝式減壓系統、氫氣管網、試驗車間(甲類廠房)，其中氫氣管束車布置在場地東側、試驗車間布置在場地西側、調壓撬位于試驗車間與氫氣管束車之間、氫氣放空管位于調壓撬北側。由第三方供應的氫氣管束車放置在管束車區域，通過低壓撬裝式減壓系統供應至主管網，主管網壓力區間為2.0～4.0 MPa，減壓撬設置為雙通道，即一用一備，以便于更換管束車時保持穩定供氣。

根據實驗用氣量，現場設置了一用一備兩個管束車停車位。依據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)、GB 50516—2010《加氫站技術規范》(2021修訂版)等，該項目裝置、車間內部總平面布置與周邊建構筑物、道路的防火間距均滿足標準規范要求。周邊建構筑物防火間距如表1所示。

表1 周邊建構筑物防火間距一覽表

2 氫氣管束車危險、有害因素辨識

2.1 氫氣危險、有害因素

氫氣管束車中的氫氣無色無味、擴散系數大，在不同條件下擴散系數從6.1×10-5～6.8×10-5m2/s不等。泄漏后很難被發現，若泄漏后立即被點燃，會產生噴射火焰，若泄漏后發生延遲點燃，則會產生蒸氣云爆炸[1]。

氫氣密度很小，是空氣的0.07倍，因此泄漏后的氫氣會迅速向上擴散，影響更大空間。氫氣屬于易燃氣體、燃燒范圍寬，在空氣中可燃范圍(20 ℃，101.325 kPa)為4.0%～74.5%。氫氣易與空氣形成爆炸性混合物，只要達到4.0%～75.0%的體積濃度，就可與空氣形成爆炸極限混合物。

氫氣反應活性較強，可與空氣、氧氣、鹵素和強氧化劑發生劇烈反應，產生火焰、高熱甚至爆炸，某些金屬催化劑會加速這些反應進行。氫氣體積與溫度相關，當溫度升高時體積增大，因此高壓氫氣容器若過熱，會導致內壓升高，可能引起容器爆炸與氫氣泄漏。

2.2 氫氣管束車危險、有害因素

該項目氫氣管束車運行過程中可能產生的主要危險、有害因素情況如表2所示。

表2 氫氣管束車危險、有害因素

3 QRA評價法介紹

定量風險評價法(QRA)是通過建立物理模型并結合數學計算對設備可能發生的災害后果進行風險評價，為風險控制決策提供依據[2]。QRA法是對某一設施或作業活動中發生的事故頻率和后果進行定量分析[3]，其評價范圍廣，可以對較多類型的風險進行定量分析。QRA法已廣泛用于工區危險、有毒有害物質運輸，環境中有毒物質濃度及評價發生概率小而后果嚴重的事故中[4]。

本文采用南京安元QRA定量風險評價軟件，測算出個人風險、社會風險及其安全范圍，并以圖形表示。輸入環境參數、裝置信息參數以及周邊人口區域分布信息后，可模擬出不同事故類型的后果[5]。

4 事故后果模擬分析

對該項目中氫氣管束車可能發生的事故后果進行模擬，共模擬了噴射火災、蒸氣云爆炸以及壓力容器爆炸三種事故后果，得出各事故安全范圍，裝置基本參數如表3所示。

表3 裝置基本參數

4.1 事故后果模擬結果

使用南京安元QRA定量風險評價軟件進行事故后果模擬，其中氫氣管束車事故后果模擬中輸出距離是距離裝置原點的距離。

4.1.1 噴射火災事故后果模擬

噴射火災事故后果模擬的相關參數如表4所示。

表4 噴射火災相關參數

事故后果分析結果如圖1所示。

圖1 噴射火災事故后果模擬圖

由圖1可以看出，噴射火災事故死亡半徑為26.27 m，重傷半徑為32.23 m，輕傷半徑為48.63 m。

4.1.2 蒸氣云爆炸事故后果模擬

蒸氣云爆炸事故后果模擬的相關參數如表5所示。

表5 蒸氣云爆炸相關參數

事故后果分析結果如圖2所示。

圖2 蒸氣云爆炸事故后果模擬圖

由圖2可以看出，蒸氣云爆炸事故死亡半徑為3.43 m，重傷半徑為13.83 m，輕傷半徑為26.90 m。

4.1.3 壓力容器物理爆炸事故后果模擬

壓力容器物理爆炸事故后果模擬的相關參數如表6所示。

表6 壓力容器物理爆炸相關參數

事故后果分析結果如圖3所示。

由圖3可以看出，壓力容器物理爆炸事故死亡半徑為8 m，重傷半徑為10 m，輕傷半徑為13.5 m。

由模擬計算可知，該項目發生火災、爆炸事故時，最大影響半徑為48.63 m，在此范圍之內，并無人員密集場所。

4.2 各裝置的多米諾半徑模擬結果圖

觸發多米諾效應的重大事故具體形式主要為：火災(池火、噴射火)、爆炸(早期點火爆炸、晚期點火爆炸)，其中池火和噴射火的多米諾效應為熱輻射作用，而爆炸所引起的多米諾效應是沖擊波超壓和爆炸碎片相互結合的效果[6]。

4.2.1 常壓容器

當目標裝置類型為常壓容器時，半徑為70.775 m，模擬圖如圖4所示。

4.2.2 壓力容器

當目標裝置類型為壓力容器時，半徑為38.765 m，模擬圖如圖5所示。

圖5 壓力容器半徑38.765 m時事故后果模擬圖

4.2.3 長型設備

當目標裝置類型為長型設備時，半徑為17.408 m，模擬圖如圖6所示。

圖6 長型設備半徑17.408 m時事故后果模擬圖

4.2.4 小型設備

當目標裝置類型為小型設備時，半徑為15.449 m，模擬圖如圖7所示。

圖7 小型設備半徑15.449 m時事故后果模擬圖

由計算可知，該項目氫氣管束車發生事故時，導致的多米諾事故會影響該項目試驗車間，但不會對企業其他生產裝置、設施造成影響。

5 安全對策措施與建議

事故模擬結果表明，本項目氫氣管束車發生火災爆炸事故后的最大影響半徑為48.63 m，并且事故導致的多米諾效應會對試驗車間造成影響。為提升氫氣管束車使用過程中的安全性，根據本項目事故后果模擬，提出以下安全對策措施與建議。

(1)調整試驗車間位置間距。確保氫氣管束車與周邊其他建構筑物的防火間距滿足安全范圍和法律法規及標準規范的要求。

(2)強化安全教育和培訓。對企業內部人員進行氫危害的宣傳及安全教育培訓，以增強員工的安全意識及規范作業的能力。

(3)嚴格遵守操作規程。制定科學合理的操作規程和管理制度，嚴格執行各項操作規程，杜絕非標準化作業。

(4)完善安全監控。在車輛上安裝泄漏、火災、壓力等安全監控裝置，實時監測危險因素，一旦出現預警情況及時采取應急措施。

(5)加強定期維護。制定完善的維護保養制度，定期對設備和管路進行維護檢查，發現問題要及時修復，確保系統的安全可靠運行。

(6)配備應急設備。車上應配備消防、搶修、通風等應急裝置，并定期檢查維護，確保在事故發生時能夠立即啟動并發揮作用。

(7)定期開展事故應急演練。檢驗和提高員工的應急處置能力，優化應急預案，掌握科學有效的救援方法。

(8)加強管理和監督。相關部門應加強對氫氣管束車的管理和監督，制定出臺更嚴格的安全規章制度，并定期進行安全檢查，確保各項規定得以落實。

(9)在可行區域內設置專用行駛道路，避開人口密集區和易燃易爆區域。

(10)超負荷運輸前應進行風險評估，采取必要的安全防護措施。

6 結語

本文通過實例，證明QRA法能對氫氣管束車事故后果進行科學量化，也驗證了其有效性。利用QRA定量風險評價軟件模擬氫氣管束車可能發生的事故后果，研究結果表明，氫氣管束車發生噴射火災、蒸氣云爆炸以及壓力容器爆炸三種事故時，最大影響半徑為48.63 m，事故所導致的多米諾事故僅會對該項目試驗車間造成影響，并且提出了相應安全對策措施與建議。