加氢站安全距离

氢气的泄漏可能是瞬时的（例如压缩机或缓冲罐的破裂），也可能是持续的（例如管道泄漏）。瞬时泄漏被点燃将引起闪火。而持续泄露的后果主要取决于点燃的时间，直接点燃将导致射流火焰，而延迟点燃将导致闪火。如果泄漏的氢气在一个受限空间内不断堆积，将可能引起爆炸。而在空旷的露天情况下，即使泄漏几公斤氢气，也不会引起爆炸。如果保守估计的话，延迟点燃大概有40%的可能性将引起爆炸，60%的可能引发闪火（CPR 18E）。下文中有效距离是指从泄漏点到热辐射降为9.8kWm-2的点的距离，大致相当于1%的致死概率。下面针对三种不同容量的加氢站进行安全距离考察。 1.加氢站对于小型和中型加氢站，假设通过电解水制取氢气，大型加氢站假设通过天然气重整制取氢气。大型加氢站每天可为200辆汽车提供服务，相当于年销售量2500m3的中型加油站。 表1 三种不同规模的加氢站 2.1制备与压缩氢气在8bar 的压力下，通过电解或者天然气重整制备。用于制备氢气的站房的大小大致是3×4米，高度为2.5米。其旁边是一座同样尺寸大小的站房，用于放置压缩机。这两幢建筑每小时的换气量达到它们自身容积的8倍，并且安装了吊顶，当发生爆炸时，能够在垂直方向上释放爆炸能量。压缩机将氢气增压到450bar。 2.2缓冲罐缓冲罐安置于压缩机站房旁的露天环境下。缓冲罐的容量非常大，等同于每天的产气量，大容量的缓冲罐能够使得压缩机和生产设备每天连续运行的时间更长，这种组合方式更具经济性。缓冲罐分为高压和低压两部分，当氢气充满时，均为300bar压力。每部分的容积相同，并且均安装安全阀。 2.3加气机加气机的连接软管假定长度为5米，内径为10毫米，安装有拉断阀。 2.4管道及安全阀制氢设备或汽车储氢罐等不同的装置，通过内径为10毫米的管道连接。缓冲罐内的圆筒通过4毫米的管道相互连接。过流阻断阀安装在不同的设备之间。当设备发生破裂时，流速高于限定最大流速，截止阀将切断气体流动。截止阀安装在电解装置或重整器的前端和后端，以及压缩机，缓冲罐和加气机的后端。加气机软管的两端以及汽车上也必须加有截止阀。当加气机软管破裂时，缓冲罐与软管之间的截止阀将关闭。用于向重整器提供气源的天然气管道埋于地下，这样可以减少外部风险。 2.5加注单次加注的氢气量约2.5千克左右，可使得车辆的活动半径大约250公里左右。预计未来的燃料电池汽车配置了700bar压力储氢罐，活动半径将增加到1000公里以上。加注时，车辆首先从缓冲罐的低压部分充灌，然后再连接高压部分。氢气的流动主要通过缓冲罐与汽车储氢罐之间的压差来驱动。最后，压缩机将把汽车储氢罐的压力提高到350bar。 2.模拟在计算时，我们假定制气设备距离压缩机的间隔为5米，压缩机与缓冲罐的间隔为10米，缓冲罐与加气机的间隔为25米。大型加氢站包含两台加气机，两台之间的间隔为5米。假定所有设备的布置成直线（见图2）。加注时间比是指车辆加注时间占全天的百分比。假定加注一辆车需要3分钟，加注40辆车将耗费2个小时，占24小时的8.3%。当发生罐体严重破裂时，将被迅速放空。多个罐体同时发生破裂的可能性微乎其微。单个罐体的破裂的多米诺效应可能引发次生灾害。但是，由于峰值压力各不相同，多米诺效应的后果不会比单个罐体破裂的后果严重很多。当缓冲罐严重破裂或者管道破裂，以及加注软管泄漏时，将使整个容积被放空。加注一辆车所花的时间大约是3分钟。当软管发生破裂时，安全阀失效而不能关闭的可能性为6%。而两个安全阀同时没有关闭的可能性只有0.0036，换言之，至少关闭一个阀门的概率是0.9964。管道泄露模拟中，我们假定发生泄漏或破裂的位置在管道的中间，而现实中管道上的任何一点都有可能发生破裂。 3.结果与结论

以中型加氢站为例，个体风险大小为10-6的轮廓线如图2所示。图2表明，在3米至32米以及33米至46米两段，个体风险的大小超过了10-6。经过计算表明，缓冲罐附近的安全距离（半径）为11米，加气机的安全距离为6.5米，管道的安全距离为4.5米。缓冲罐附近的风险轮廓线是由罐体的严重破裂所引起的，而对于加气机，是由于加气软管的破裂和两个安全阀门同时失效引起的。

图2 中型加氢站10-6轮廓线 表2列举了三种不同容量的加氢站内，最危险的三个设备的10-6风险曲线半径。大型加氢站的缓冲罐的安全距离要比小型加氢站大35%左右。同时，大型加氢站的加气机的安全距离是小型加氢站的两倍左右，位于地下的管道和缓冲罐的安全距离会相对较少。在个体风险为10-6的轮廓线之外，没有必要限制诸如住宅，大型写字楼及医院等不易受侵害的物体的数量。 表2 不同规模加氢站的安全距离 350bar压力下的射流火焰和闪火的有效距离几乎完全相同。而700bar时，闪火的有效距离比射流火焰来得大，有时甚至是后者的两倍。350bar压力下，中型加氢站的1%致死距离比10-6的安全距离大。缓冲罐泄漏以及加气软管或管道破裂时，影响距离最大。700bar压力下的影响距离大约是350bar压力下的两倍。当风速为9米/秒时，射流火焰的影响距离是12.5米；风速为1.5米/秒时，为17米。大气稳定度对影响距离几乎没有任何影响。

与其他燃料相比，汽油，天然气和氢气的安全距离属于同一量级。而液化石油气的安全距离就要大得多：加气机的安全距离为15米，地下油库的安全距离为25米。根据容积大小，液化石油气油罐拖车的安全距离从45至110米不等。加氢站的氢气容量对安全距离的影响不大。鉴于此，普通加油站配置氢气加注设备之后，无须增加额外的外部安全距离。