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氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。近年來，許多國家和地區(qū)將氫能和燃料電池的發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略高度。加氫站是支撐氫燃料電池汽車發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。氫燃料電池汽車的數(shù)量和普及程度在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
1 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 加氫站建設(shè)
根據(jù)H2stations.org的報告，從2015年到2020年，全球加氫站數(shù)量增加了191%。歐洲國家建設(shè)的加氫站情況是：德國100座、法國34座；亞洲國家加氫站建設(shè)日本142座、韓國60座、中國69座、其他國家4座；北美的美國建有加氫站49座、北美其他國家26座；其他地區(qū)已建成13座加氫站。截至2020年底，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)亞洲、歐洲和北美是車用氫能源增長最快的地區(qū)。目前在建的加氫站中，歐洲占36%，亞洲占49%，北美占14%。全球加氫站行業(yè)仍處于發(fā)展初期，各國在加氫站建設(shè)形式、制氫和儲氫過程等方面存在顯著差異。根據(jù)建設(shè)形式不同，加氫站主要有固定式、撬裝式和移動式三種；根據(jù)氫氣來源的不同，包括外部加氫站和站內(nèi)加氫站；根據(jù)儲氫狀況，包括高壓加氫站和液氫加氫站；根據(jù)制氫方式不同，加氫站包括電解水加氫站、工業(yè)副產(chǎn)加氫站、天然氣重整加氫站等。
在加氫站數(shù)量方面，亞洲處于領(lǐng)先地位，日本、中國和韓國發(fā)展最快。日本是氫能經(jīng)濟(jì)的有力推動者，是世界上第一個擁有100多個加氫站的國家，其中移動加氫站占30%以上。為保證加氫站的經(jīng)濟(jì)效益，日本所有加氫站均采用分時運(yùn)行。日本政府有一個專門的氫能源機(jī)構(gòu)（經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省節(jié)能和新能源（NEDO）司的新能源系統(tǒng)部門氫和燃料電池戰(zhàn)略辦公室）參照城市燃?xì)夤芾須?，以及加氫站?yán)格執(zhí)行日本《高壓氣體安全法》。
隨著“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”寫入2019年政府工作報告，我國汽車氫能源基礎(chǔ)設(shè)施即加氫站建設(shè)進(jìn)入快車道。我國低溫液氫儲存目前僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。所有加氫站均采用壓縮加氫方式。截至2020年12月末，我國已建成118座加氫站，主要用于研發(fā)機(jī)構(gòu)和城市公交車輛。加氫服務(wù)商業(yè)化運(yùn)營占比較低，主要集中在廣東、上海、江蘇等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市。以外部供氫和35MPa加氫站為主，70MPa加氫站逐漸增多，有固定式和撬裝式。同時，加氫規(guī)模不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)日加氫1000公斤的中大型加氫站。氫能輸送以高壓氣體輸送為主，也有少量氫氣管道輸送。關(guān)于高壓氣態(tài)氫氣的運(yùn)輸，國內(nèi)技術(shù)比較成熟，主要采用20MPa管束車，氫氣單次運(yùn)輸量較低，約300kg。在氫氣輸送管道方面，國內(nèi)有3條管道，總長100公里。
1.1.1 歐洲加氫站特點(diǎn)
目前，德國是歐洲建成加氫站數(shù)量最多的國家，林德氣體、WEH、奔馳、寶馬等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)聯(lián)手推動氫能在德國的規(guī)模化運(yùn)營。德國公開氫源的26座加氫站中，20座使用拖車加氫，其中5座使用液氫運(yùn)輸，其余為氣態(tài)氫運(yùn)輸，5座使用電解水現(xiàn)場制氫, 1座采用管道運(yùn)輸氫氣供氫。丹麥?zhǔn)堑谝粋€擁有全國性加氫站運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的國家。全國50%的人口行駛15公里就能找到加氫站。與此同時，丹麥的可再生能源制氫比例很高。到2035年，可再生能源制氫比例將達(dá)到100%。
1.1.2 北美加氫站特點(diǎn)
2001年以來，美國形成了較為完善的國家政策、法律、科研計劃體系，以推動氫能的發(fā)展。將氫能確定為國家戰(zhàn)略，引導(dǎo)能源體系向氫能經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。目前，美國一半以上的加氫站都位于加州，而且大部分都可以實(shí)現(xiàn)35MPa和70MPa的雙壓加氫，相當(dāng)多的加氫站具備可再生能源制氫能力。
1.2 國內(nèi)外加氫站對比
表1綜合比較了歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)加氫站的工藝技術(shù)?，F(xiàn)階段，我國加氫站與國外加氫站存在一些顯著差異。
a) 國外加氫站多為乘用車服務(wù)，每次加氫量有限，每個加氫站每天加氫次數(shù)不多，所以單站日加氫量多為100～200公斤/天。國內(nèi)加氫站大多服務(wù)于商用車，如公交車、物流車、公交車等，日加氫量和加氫頻率都比較大，因此單站日加氫能力多為500～1000kg/d水平。
b) 我國標(biāo)準(zhǔn)對加氫站之間安全距離的要求明顯高于國外，有些指標(biāo)比國外同行高出幾倍甚至十倍。
c) 加氫和儲存過程不同。中國尚未釋放民用液態(tài)氫。因此，加氫站采用高壓儲氣，而加氫站均采用國外高壓儲氣和低溫儲液。
d) 在氫能源管理方面，中國按危險化學(xué)品管理氫氣，而日本按氣體管理氫氣。相對而言，氫氣按危險化學(xué)品管理。加氫站的設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)更加嚴(yán)格。
e) 在推進(jìn)加氫站建設(shè)過程中，綜合考慮節(jié)約土地成本和設(shè)施合理布局等因素，國內(nèi)外正在推廣油氫聯(lián)合加氫站建設(shè)新模式，但具體布局是非常不同的。在美國考察的37個油氫聯(lián)合建設(shè)站中，11臺加氫機(jī)直接與油品在同一加注區(qū)域，日本的油氫合建站則普遍采取了加氫和加油分區(qū)布置的方式。我國的油氫合建站以單獨(dú)建設(shè)為主，加油、加氫融合度較低。
表1 國內(nèi)外加氫站對比
2、國內(nèi)外加氫站安全距離對比
加氫站內(nèi)部與周圍建筑物的安全距離直接影響加氫站的規(guī)劃布局。面對日益緊張的城市用地，過大的安全距離在一定程度上制約了加氫站的發(fā)展。對比各國加氫站標(biāo)準(zhǔn)對安全距離的規(guī)定，表2中詳細(xì)列出了中國、美國、加拿大、日本和韓國加氫站標(biāo)準(zhǔn)中加氫機(jī)周圍爆炸危險區(qū)、公共道路防火距離等關(guān)鍵指標(biāo)，我國臨氫設(shè)備的間距要求顯著大于國外。表2中的安全距離要求包括爆炸危險區(qū)劃分、火災(zāi)距離等要求。數(shù)據(jù)來源：中國GB50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》；美國NFPA2—2016《Hydrogen Technology Code》；加拿大《Canadian Hydrogen Installation Code》；日本High Pressure Gas Safety Law；韓國High Pressure Gas Safety Management Law。
表2 國內(nèi)外安全間距對比（單位：米）
我國加氫站建設(shè)主要依據(jù)GB 50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)制定較早，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)，造成了一定程度的標(biāo)準(zhǔn)和做法不匹配。標(biāo)準(zhǔn)中對安全距離的規(guī)定是根據(jù)汽油和氫氣的當(dāng)量能量換算的。缺乏對氫氣特性、爆炸行為、事故頻率和后果的深入思考，在一定程度上影響了我國加氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。國外加氫站標(biāo)準(zhǔn)的制定，是依靠定量風(fēng)險評估技術(shù)，針對氫氣的特性和行為特征，計算相關(guān)安全距離。
3 基于量化風(fēng)險評估的加氫站安全距離研究
量化風(fēng)險評估（QRA）可以科學(xué)地評估一個系統(tǒng)或事故的風(fēng)險值（個人風(fēng)險和社會風(fēng)險），為風(fēng)險緩解措施提供指導(dǎo)和建議，也可以直接應(yīng)用于安全距離等相關(guān)的制定在標(biāo)準(zhǔn)中，評估過程需要識別危害，建立不同事故情景的模型，確定失效概率，分析失效后果，選擇風(fēng)險基準(zhǔn)。
3.1 加氫站危險源識別
加氫站危險源識別主要是識別站內(nèi)可能影響人員安全的危險點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)建危險場景。加氫站儲存的氫氣易燃，易燃易爆。是加氫站發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的主要危險源，氫氣引起火災(zāi)爆炸事故的原因包括設(shè)計缺陷、設(shè)備老化、操作失誤、自然災(zāi)害等，但大多數(shù)事故的直接原因是氫氣泄漏。根據(jù)不同的點(diǎn)火條件，事故的主要后果是設(shè)備停機(jī)、噴射起火、爆炸、空氣消散等，事故樹的建立如圖1所示。
圖1 加氫站事故樹
3.2 加氫站氫氣泄漏概率分析
美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)在對加氫站安全間距進(jìn)行量化風(fēng)險評價的過程中，將氫氣泄漏概率定義為氫氣存儲系統(tǒng)典型泄漏尺寸的函數(shù)，典型泄漏尺寸的選取至關(guān)重要。安全間距并不是針對大的災(zāi)難性事故來保護(hù)系統(tǒng)，而是應(yīng)該覆蓋設(shè)施生命周期內(nèi)可能發(fā)生的事故，尤其是發(fā)生概率較高的小尺寸泄漏事故，需要保證在超出安全間距區(qū)域泄漏事故引發(fā)的風(fēng)險后果是可以接受的。因此在選擇典型泄漏尺寸時需要考慮所選尺寸的泄漏概率和更大尺寸泄漏的后果。最終選擇的用于計算安全間距的泄漏尺寸包含了典型加氫站95%的泄漏事故。95%比例的選取是基于90%到99%的大尺寸泄漏事故在加氫站設(shè)計建設(shè)過程中已采取了應(yīng)對措施。3.3 風(fēng)險基準(zhǔn)選擇
風(fēng)險評估的首要考慮是潛在的人身傷害，并為意外暴露的人員建立風(fēng)險基準(zhǔn)，包括公共人員、加氫站工作人員和位于加氫站邊界外的客戶。風(fēng)險評估中最重要的問題是公共安全。在評估過程中，公眾的風(fēng)險基準(zhǔn)通常設(shè)置為比車站工作人員小一到兩個數(shù)量級。根據(jù)事故后果計算模型，選定的風(fēng)險基準(zhǔn)反映了可接受的死亡率。
風(fēng)險基準(zhǔn)可以針對個人或公眾群體。個人風(fēng)險反映了特定地點(diǎn)人員的平均死亡率。一般來說，個人風(fēng)險是針對暴露最多的人進(jìn)行評估的。社會風(fēng)險反映了死亡率與人數(shù)之間的關(guān)系，對于社會風(fēng)險評估，確定設(shè)施周圍的人員非常重要。對于用于建立標(biāo)準(zhǔn)的一般風(fēng)險評估，人口密度的選擇會給結(jié)果帶來不止一種程度的不確定性。用于確定標(biāo)準(zhǔn)中安全距離的風(fēng)險評估過程。個人風(fēng)險的確定僅針對特定位置，但很難準(zhǔn)確確定某個位置的暴露最多的人。因此，通常假定暴露最嚴(yán)重的人員為位于安全間距距離處的公眾。
3.4 基于風(fēng)險的加氫站安全距離計算方法
a) 根據(jù)加氫站事故樹，氫氣泄漏事故場景分為噴射火災(zāi)、爆炸和僅泄漏三類。根據(jù)選定的典型泄漏尺寸，計算泄漏量，進(jìn)而得到點(diǎn)火概率，最終計算出不同事故場景的發(fā)生概率。
b) 噴射火災(zāi)事故以火焰輻射為破壞參數(shù)，爆炸事故以壓力峰值和沖擊波為破壞參數(shù)。分別計算死亡率，然后相加計算典型泄漏量下的總死亡率。
c) 最后，圖 2 根據(jù)泄漏事故的累積風(fēng)險和選定的風(fēng)險基準(zhǔn)確定安全距離。
圖 2 基于風(fēng)險的安全距離確定方法
4 結(jié)論和建議
在分析美國、德國、日本等國家和地區(qū)加氫站現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從加氫規(guī)模、安全間距、儲氫方式等方面與我國加氫站進(jìn)行了綜合比較。對比發(fā)現(xiàn)，我國標(biāo)準(zhǔn)制定過程中采用的汽油和氫能當(dāng)量換算方法計算出的安全距離過大，在一定程度上制約了我國加氫站的發(fā)展。因此，建立了基于風(fēng)險的加氫站安全間距計算方法，為科學(xué)合理修訂加氫站安全間距提供了依據(jù)。然而，我國加氫站的發(fā)展時間較短。國內(nèi)尚無有效的加氫站氫氣泄漏概率數(shù)據(jù)庫，這對加氫站定量風(fēng)險評估結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。分析研究工作，以利于安全距離的合理制定和修訂。
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