基于断链理论的油氢合建站安全设计及标准研究.pdf
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1、2023 年第 39 卷第 2 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY29氢能作为清洁的二次能源,也是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要解决方案,日益受到国家、各级政府的重视和支持。2016 年,国家发改委、能源局印发能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年),提出“开发氢气储运的关键材料及技术设备,实现大规模、低成本氢气的制取、存储、运输、应用一体化”;2019 年的政府工作报告写入了氢能;根据中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019 版),预计到 2050 年全国加氢站或油氢合建站
2、达到 10 000 座以上;广东省发布的“十四五规划”提出,到 2025 年建成的加氢站约 300 座。但是,加氢站在国内起步较晚,国家、地方政府相关法律、法规的制定存在滞后,加之加氢站大多选址在城市核心区域,用地十分紧张,因此管理部门在加氢站建设的行政审批和许可环节相对谨慎1,这在一定程度上限制了加氢站的发展。国内氢能标准大多是近十年发布的,主要集中在加氢站建设、高压储氢设备、氢燃料电池等领域,2021 年 10 月 1 日,由我公司主编的汽车加油加气加氢站技术标准(GB 501562021)正式实施,在一定程度上填补了油氢合建站建设标准的空白,但本标准主要侧重工程技术要求,安全专项规定较少
3、。本研究结合断链理论和数值模拟的方法,解释说明中国石化企业标准加氢站、油氢合建站安全技术规范(Q/SH 0829收稿日期:2022-11-03基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3001204)作者简介:李少鹏,男,1998 年毕业于首都经济贸易大学安全工程专业,硕士,长期从事工艺安全设计工作,已发表论文 8 篇,现任中国石化工程建设有限公司安全技术总监,美国注册安全工程师(CSP-22299)。电话:010-84876928,E-mail:基于断链理论的油氢合建站安全设计及标准研究李少鹏(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)摘要:油氢合建站是目前发展加氢基础设施的理想过渡
4、方案,但是其设计、建设等标准仍十分缺乏。为推进油氢合建站的建设,中国石化发布了企业标准加氢站、油氢合建站安全技术规范(Q/SH 08292021)。基于该标准的编制过程,构建油氢合建站的事故链模型,结合断链理论和数值模拟的方法,分析并解释了标准中若干条款提出的背景和原因。该标准是中国石化发展油氢合建站的重要依据,为油氢合建站的工程设计及生产运营提供指导,其发布与实施有显著的推广和示范意义。关键词:油氢合建站企业标准断链理论数值模拟安全设计2021,以下简称安全技术规范)重要条款的提出背景和原因,这些条款的发布与实施将有助于提高油氢合建站的本质安全水平。1 研究方法及模型构建1.1 断链理论断链
5、理论基于事故链模型发展而来,其充分评估事故发生过程中相互影响因素及事故链之间的因果关系,并根据这些因素对事故发展的态势进行预测,提出预防事故发生或防止事故后果进一步蔓延的措施,该理论广泛应用于自然灾害防灾减灾以及电力、化工等行业安全屏障的设计与实施。油氢合建站是在原加油站基础上新增氢气相关设施或新建时将加油、加氢两套系统同时建设,在构建事故链模型的过程中,除了要考虑油、氢设施各自的事故机理,还需要考虑油、氢设施的相互影响。加油主要设施,如汽油罐、柴石油化工安全环保技术302023 年第 39 卷第 2 期油罐、输送管道等大多布置于地面以下,发生事故时对地面以上设备、设施造成的影响较小。氢气具有
6、燃烧极限范围宽、点火能低等危险特性,且当前油氢合建站内氢气储存压力最高可达 90 MPa,所以在构建事故链模型的过程中,将氢气设施的失效及人员操作失误等因素作为事故链的起点,主要考虑新增氢气设施可能造成的事故后果传递和蔓延。根据持续时间不同可将氢气泄漏分为瞬时泄漏和连续泄漏。本研究认为连续泄漏为氢气泄漏的主要形式,因为:1)高压储氢容器满足“未爆先漏”的要求,并设置压力报警和联锁等多层保护;2)氢气在充装过程中伴有温升,配套设置冷却设施、温度报警及联锁保护;3)设备制造过程层层把关,出厂前有多项承压实验。所以高压储氢容器发生瞬时泄漏的可能性较低,后续研究主要考虑由进出气管线脱落或断裂、仪表接口
7、泄漏、安装缺陷等原因导致的氢气连续泄漏。图 1 为连续泄漏事故链断链模式示意。本研究在系统分析氢气连续泄漏事故发展机理的基础上,提出四种断链模式:连续泄漏断链模式,点火源断链模式,扩散、积聚断链模式、后果断链模式。2 数值模拟方法基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的数值模拟方法得益于其高准确度、低成本等优势,被广泛应用于氢气设施的后果分析和风险评价中。现阶段常用于氢安全研究的后果分析和风险评价软件有 Gexcon 公司的 FLACS 和 DNV 公司的 PHAST。Middha,Vyazmina 等开展了一系列氢泄漏、扩散、燃烧、爆炸等试验研究
8、,证明 Gexcon 公司开发的FLACS 软件可用于氢安全研究2-4。采用 FLACS 软件,以某油氢合建站 1:1 模型开展数值模拟,图2为某油氢合建站设备布置。主要设备和设施有 1)罩棚(车辆加油、加氢的主要场所,罩棚下设置加油机、加氢机);2)站房(设置营业室、配电间、更衣间等功能性房间);3)长管拖车(操作压力为 20 MPa,站外制氢,氢气通过长管拖车输送至油氢合建站);4)防火墙(参照 加氢站技术规范(2021 年版),氢气长管拖车卸气端应设耐火极限不低于 4.00 h的防火墙,高度不得低于长管拖车的高度,长度不应小于 0.5 与 1.5 倍氢气长管拖车车位数之和与单个长管拖车车
9、位宽度的乘积);5)45 MPa储氢瓶组;6)90 MPa 储氢罐;7)70 MPa 压缩机撬(布置于箱柜内)。另外,油氢合建站内还设置压缩机冷却水机组、加氢机冷冻液机组、氮气钢瓶、氢气放散模块等辅助设施。长管拖车是典型的高压储氢设施,目前为加氢站、油氢合建站输送氢气的长管拖车操作压力一般为 20 MPa,相比于其他高压储氢设施,长管拖车发生泄漏的风险更大,因为除了常规的设备制造、安装等原因可能导致泄漏外,长管拖车需要频繁连接软管进行装卸作业,软管发生破裂的事故时有发生。本研究模拟场景为长管拖车在进行卸气作业时发生脱扣或软管断裂。结合设备厂家提供的技术参数、设备管口方位图等资料确定泄漏孔径、泄
10、漏方向(假设在“防甩脱”设施作用下泄漏方向维持相对固定)、释放源高度等。泄漏模拟场景说明如下:泄漏孔径为 12.5 mm(1/2),操作压力为 20 MPa,泄漏方向为 5 个,释放源高度为1 200 mm,每个气瓶的容积为 18 m3,其中的氢气密度为 14.77 kg/m3(30,20 MPa),总质量图 1 连续泄漏事故链断链模式示意 李少鹏.基于断链理论的油氢合建站安全设计及标准研究 312023 年第 39 卷第 2 期3.1 连续泄漏断链模式3.1.1 可燃气体检测器、噪声型探测器和热成像摄像机的组合探测方案氢气的密度仅为空气的 1/14,泄漏后在大气浮力的作用下快速上升和消散。另
11、外,不同于石油化工行业多层框架的设备布置方式,油氢合建站内的氢气设备大多“平铺”,氢气发生大规模积聚的条件有限。根据石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准(GB/T 504932019)6.1.2 条,“检测比空气轻的可燃气体或有毒气体时,探测器的安装高度宜在释放源上方2.0 m 内”,按此要求在模型中预设监测点表示气体检测器的位置。图 4 为不同泄漏方向在泄漏后 1和 10 s 时氢气体积分数达 4%的范围,计算结果表明:仅泄漏方向和的场景,气体探测器布置于释放源上方 2.0m 可以有效检测并触发报警,对于泄漏方向、,在卸气柱上方 2.0 m无法检出氢气。这与文献6的研究结论是一致的,即
12、可燃气体探测器的布置位置应尽量靠近喷射路径。对于油氢合建站,氢气储存压力最高可达 90 MPa,发生泄漏后往往能显著改变周围环境的声压级,另外,氢气具有逆“焦耳-汤姆逊效应”,泄漏后通常伴有温升。所以对于开敞空间的氢气设备,提出可燃气体检测器、噪声型探测器和热成像摄像机的组合探测方案,有助于发现早期泄漏并及时预警。3.1.2 氢气放空管道不宜设置阻火器的要求放空系统用于超压保护,是最后的安全屏障,必须确保其可靠性。为了防止“回火”,国内标准大多要求在放空管道上设置阻火器。加氢站技术规范(2021 年版)(GB 505162010)6.5.4 条,“氢气放空排气装置的设置应保证氢气安全排放”,在
13、条文说明中,“氢气放空管在氢气放空时有回火的可能,降低回火引起的安全风险有多种方式,设置阻火器是防止回火的措施之一”;氢气站设计规范(GB 501772005)12.0.9 条,“氢气放空罐,应设阻火器,阻火器应设在管口处”。氢气的最大试验安全间隙安全间隙只有 0.28 mm,所以用于氢气的阻火器内部通道十分狭小,阻力较大,使用过程中可能发生为 265 kg。泄漏方向示意见图 3。由于本研究旨在服务工程应用,所以研究重点为高压氢气泄漏后的宏观影响,如安全距离、作用时间等,对于泄漏孔口附近的微观流场,模拟过程通过计算等效泄漏孔径、等效速度、等效温度和等效密度等参数进行简化处理。详细研究过程与成果
14、已发表在文献5中,本文只摘录部分研究内容,说明其在油氢合建站风险防控与标准化设计研究中的应用。图 2 某油氢合建站设备布置图 3 泄漏方向示意3 油氢合建站安全设施设计及标准研究经过广泛调研日本、美国、德国等发达国家加氢站的设计标准,结合断链理论与数值模拟的研究成果,首次提出多项适用于油氢合建站的安全设施设计重要条款,并纳入中国石化企业标准安全技术规范。不同断链模式下部分重要条款的提出背景和原因说明如下。石油化工安全环保技术322023 年第 39 卷第 2 期异物或灰尘等颗粒堵塞,影响泄放系统的安全放空,对氢气储存和管道系统的安全造成威胁。国外主要经济体和组织,如欧洲工业气体协会、德国技术检
15、测协会、日本、美国压缩气体学会的氢气相关标准中都没有要求排放管道设置阻火器的规定。因此,在安全技术规范编制过程中,提出放空系统的设计应满足氢气最大排放量的要求,并应畅通无阻,不宜设置阻火器。3.2 点火源断链模式氢气的最小点火能仅为 0.019 mJ,因此油氢合建站需要执行比加油站更为严格的限制点火源的措施。除了常规的安全间距、限制明火、防爆电气设备选型等规定外,安全技术规范提出对外部点火源,如社会车辆等明火的防范措施,关注氢气设备区人体静电的导除等。3.3 扩散、积聚断链模式对于氢气易积聚的场所,如加氢机、压缩机箱柜内,安全技术规范规定,加氢机箱柜内应设置氢气检测器,当氢气含量(体积分数)达
16、0.4%时高报警,当氢气含量(体积分数)达 1%时高高报警同时发出联锁停机信号;压缩机箱柜内氢气含量(体积分数)达 0.4%时应报警,达 1%时联锁启动事故排风机,达 1.6%时应联锁停机。采取以上措施可有效防范氢气在加氢机、压缩机箱柜内的积聚。传统加油站罩棚大多采用钢框架平顶结构,主要满足遮阳、遮雨的作用,改造为油氢合建站后,为避免氢气的积聚,罩棚也需要进行相应的改造。安全技术规范规定,油氢合建站的罩棚内表面应平整,且避免死角,不得有集聚氢气的结构。考虑到各加油站的实际情况及改造难度不同,标准在制定过程中,没有强制要求罩棚的具体形式,结合国外加氢站调研情况推荐采用“V”或“U”形顶棚,各站在
17、改造过程中可根据各自情况综合考虑,但是应满足避免氢气积聚的要求。3.4 后果断链模式油氢合建站内新增氢气设施一旦发生事故,应考虑其对加氢区、加油站工艺设备区、站房、辅助设施等可能造成的影响。安全技术规范提出,在站内固定储氢容器、储氢井、等设施之间,应设置厚度不小于 200 mm 的钢筋混凝土实体防护墙或厚度不小于 6 mm 的防护钢板。该条款的制定主要基于:1)高压氢气设备单层布置且相对分散,氢气发生大规模积聚的可能性较低。另外,有研究表明:61.98%的氢气燃爆事故找不到点火源,各国研究人员对氢气自燃的结论表示认可。尽管目前对氢自燃的机理还没有明确的结论,但是高压氢气泄漏后在没有点火源的情况
18、下会发生自燃已成为大家的共识。所以,本研究认为高压氢气泄漏后的主导事故形式为喷射火,氢气在露天设备区域积聚后被延迟点火发生气云爆炸的概率较低。2)数值模拟结果表明:隔离墙对于扩散和喷射火热辐射有很好的隔断作用,以泄漏方向为例,隔离墙对喷射火热辐射的隔断作用见图 5。由于爆炸冲击波的“绕射”效应,隔离墙对爆炸冲击波的防护作用有限。图6 为爆炸冲击波“绕射”效应示意,模拟场景为氢气在长管拖车底部发生积聚后延迟点火,在长管拖车卸气端防火墙处观察到爆炸冲击波的“绕射”效应。从图 6 可以看出,爆炸冲击波分别从侧面和顶部绕过实体防护墙。图 4 不同泄漏方向在泄漏后 1 和 10 s 时氢气体积分数达 4
19、%的范围 李少鹏.基于断链理论的油氢合建站安全设计及标准研究 332023 年第 39 卷第 2 期护的设置方法、消防设施的保护对象等,以上要求已纳入中国石化企业标准加氢站、油氢合建站安全技术规范(Q/SH 08292021),该标准的发布和实施对于后续油氢合建站的建设有一定的指导意义,有利于推动我国氢能产业的发展。(本文所提压力均为表压)参考文献:1 张旭.油氢合建加氢站建设与设计规范探讨J.现代化工,2021,41(7):19-252 Prankul Middha,Olav R.Hansen,Idar E.Stor-vik.Validation of CFD-model for hydro
20、gen dispersion J.Journal of loss prevention in the 另外,为避免高压氢气设备在喷射火炙烤下可能出现的“多米诺效应”,提升消防冷却系统的响应速率,安全技术规范提出固定储氢容器和长管拖车应设置冷却水系统,供水范围应为着火储氢容器和相邻储氢容器全部表面积,一旦发生事故,可以快速触发冷却水系统启动,为着火设备和相邻设备进行冷却降温。4 结 语通过构建油氢合建站的事故链模型,提出连续泄漏断链,点火源断链,扩散、积聚断链和后果断链共四种断链模式,结合数值模拟方法,提出多项安全设计要求,包括油氢合建站的平面布置、氢气的泄漏检测、建筑的设计原则、隔离保图 5
21、泄漏方向喷射火的不同温度范围图 6 爆炸冲击波“绕射”效应示意(下转第 36 页)石油化工安全环保技术362023 年第 39 卷第 2 期3.2 制造原因对侧销轴相同部位出现裂纹,说明销轴在加工过程中存在缺陷。可能是导油槽倒角的刀痕造成了此处应力集中,从而导致销轴断裂5。3.3 现场管理存在的缺陷钻机在投入使用前曾经第三方检验和验收,此后每次搬家均进行第三方落物专项检查,均未识别出此销轴潜在的落物风险。项目管理体系中已包含落物管理体系,且已依据第三方落物检查报告制定了图表式落物检查清单,该清单未提及此处落物风险,此为这次风险事件发生的原因之一。翻阅生产厂商保养手册,要求对销轴定期润滑,但对销
22、轴的检查、检测、更换并未做出具体要求,故 PMS(Preventative Maintenance Systems)里面也无此保养项目的提示。相关人员在事件发生的前 4 天更换钳牙时曾拆卸此销轴,但并未认真清洗销轴外表进行目测检查。此为可避免该事件发生的一个关键点。4 防控措施提高风险意识及准确的风险识别是减少事故发生的两个重要基础。总结事件教训,提出以下防控措施:1)对钻台面进行分区风险评价,对雇员进行落物管理培训,减少高风险区域暴露时间,降低人员伤害发生的概率;2)重新对现场可能存在落物的风险进行识别,在检查表中增加设备仪器损坏所致落物的相关条目;3)在 PMS 系统中增加相关检查内容,通
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- 基于 理论 合建 安全 设计 标准 研究
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