基于系統因素作用理論的軌道加氫站Fine Kinney風險評估方法

李艷昆, 劉 晗

(1.中車工業研究院有限公司， 北京 100070； 2.中國煤炭科工集團煤炭科學研究總院應急科學研究院， 北京 100013； 3.清華大學土木水利學院， 北京 100084)

伴隨著煤炭、石油等不可再生能源對人類環境的污染與破壞加劇，新型可再生能源的開發與利用得到越來越廣泛的認同與關注[1]。氫能源作為目前全生命周期技術成熟的新型能源方案，不僅能夠通過綠色清潔資源制取，而且不會產生含碳物質，在儲存與運輸環節也具有很好的便利特性[2-3]。尤其在軌道交通運輸中，氫能源已經作為傳統能源燃料的最佳替代方案，在廣州佛山地區正式應用。但是，由于氣態氫能源的能源密度較低，氫能源燃料常常需要以液態形式存儲在高壓氫氣瓶中儲存或運輸。在常溫常壓下，氫氣呈氣態，但在低于 -252.6 ℃ 的溫度下，氫氣會液化。將液態氫分配給燃料電池列車的加注站被稱為“液態氫加油站”。與壓縮氫燃料加注站相比，液態氫燃料加注站是低壓的，并且由于使用的機器較少，因此結構簡單。但是，為了適應液態氫所需的低溫環境，軌道交通加氫設備需要雙壁儲罐、管道和分配軟管等關鍵部件，并且分配器必須配備用于處理低溫液體。與傳統燃料加油站的結構差異，導致液態氫能源加注站的安全風險存在一定的特殊性，亟需對其風險影響因素進行準確分析，進而對各種影響因素可能導致的風險種類與等級進行有效評估，確保軌道列車氫能源加注系統的安全運行[4]。

在外國學術領域，相關研究主要集中在氫及相關技術風險和安全方面，如氫基礎設施的風險和可持續性[5]、與氫有關的事故分析[6-7]、定量風險評估與氫有關的特定基礎設施[8]及氫和燃料電池的可靠性分析方面[9-10]。但是已有文獻沒有專門對軌道加氫領域技術進行研究。中國研究領域涉及軌道氫能源風險評估的研究較少。李志勇等[9]對加氫站風險評價研究進行了綜述。姜博耀[11]以氫燃料電池驅動的列車為研究對象，對密閉空間氫氣火災和爆炸的危險性進行了評估。雖然中國范圍內氫能源加注站數量正在快速發展[12-13]，但針對事故風險及其各種后果的判定與評估仍滯后于建設過程。

實際上，軌道加氫事故風險及其各種后果可能對可持續性的環境(如土地和水污染)、經濟(如財產損失、業務中斷)和社會(如對人類健康的影響)產生重要影響。此外，具有較強通用性的風險評估指標體系對于在復雜的決策過程中支持利益相關者進行計劃、設計及建立經濟高效、可靠安全、可持續的供應鏈至關重要。由此，需要一種綜合評估方法，采用系統觀點來組合和評估所有考慮因素，探索廣泛接受的軌道加氫設施風險評估解決方案。然而，現有中外文獻未對用于軌道交通運輸的加氫站風險進行準確量化評估。為此，以軌道交通燃料需求為背景，建立了Fine Kinney風險評估框架，對影響氫能源加注站安全風險的潛在因素及相互關系進行分析，為軌道交通系統氫能源的安全與有效利用提供有益參考。

1 風險評估模型

1.1 Fine Kinney風險評估框架

Fine Kinney方法源于美國國土安全草案，逐漸發展成為對軍事工業風險預防的有效分析方法。根據軌道交通氫能加注站的特點，在Fine Kinney框架中歸納3個必備因素，包括氫能加注站事故種類相似度(P)、氫能風險環境暴露度(E)和氫能事故可能導致的后果(C)3個參數，風險評價指標(R)由三者相乘得到。

1.2 風險評估要素

根據Fine Kinney方法，將風險評估框架中構建風險種類相似度準則、暴露度準則和災害后果準則的三要素，如圖1所示。

1.2.1 種類相似度準則

為了建立種類相似度準則，首先對軌道交通的氫能加注系統的主要構成進行分析。軌道交通的氫能加注系統主要包含氫氣瓶、高壓安全閥(high pressure safety valve，HPSV)、減壓閥、壓力調節閥和消防設備。氫氣瓶用于儲存列車驅動氫能；HPSV通過自動開啟并排氣，用于保護系統免受超壓。減壓閥用于降低進口壓力，使閥門輸出的壓力保持穩定；壓力調節閥用于保持輸出平穩；消防設備用于測試氫氣瓶溫度，起到熱活化功能。因此，軌道交通的氫能加注系統的可能事故種類包含：HPSV設備故障、安全法故障和消防系統故障。

1.2.2 暴露度準則

暴露度準則的目標層包含自然環境因素、主動安全設計因素、輔助減災設施因素以及場所安全制度。應用Dematel因素相互作用理論進行分析，得到暴露度準則下的因素作用關系，如圖2所示。

(1)自然環境因素的影響：由于液氫加油站的儲罐和管道材料都在室外使用，并且與低溫液氫接觸。如果沒有采取適當的措施，雨水和氫對金屬具有腐蝕性，低溫脆化也可能造成材料裂紋和損毀，導致大量液態氫泄漏。如果在地震中加氫站的地面開裂，則所產生的地平面差異可能會導致管道破裂。為了防止由于地震和不同的地面高度而產生的裂縫，可將儲罐到分配器的站臺應建立在一個基礎上。

(2)主動安全驅動因素的影響：儲罐和管道材料的鋼材類型能夠有效抵御腐蝕和氫脆；將管道鋪設在溝槽中，而不是在液態氫存儲裝置與地下分配器之間鋪設管道，可以防止在車輛駛過時損壞管道，并可以檢查管道。防震儲罐的設計在發生強烈地震時，必須采取措施防止大的泄漏，可根據需要安裝地震儀，該地震儀在發生地震時可以監測地震并自動關閉加氫站。防撞裝置的安裝為了防止慢速行駛的列車與分配器碰撞，可在分配器周圍安裝防撞裝置。如果列車在用液態氫加油時意外地從分配器移開，分配器軟管將被拉下，導致大量液態氫泄漏出去。因此，可安裝可拆卸設備以降低風險。

圖1 氫能源加注站風險評估框架Fig.1 Hydrogen station risk assessment framework

圖2 暴露度影響因素的相互作用關系Fig.2 Relationships of factors affecting exposure degree

(3)輔助減災完備性因素的影響：在液態氫燃料加注站周圍場地邊界建設2 m高的防火墻包圍，并在現場豎立屏障，能夠有效降低災害的暴露風險。防火墻能夠起到隔離作用，防止加注站的火災對邊界以外的區域產生不利影響，并防止附近的任何火災影響加注站。另外，在加注站的壓縮機和蓄能器的區域設置屏障，也可以最大程度地減少氫氣泄漏事件對現場人員的影響。由于從排氣管線排出的氫氣存在超過一定量的高風險，因此布設檢測設備實施監控真空絕緣層中的真空度異常。

此外，風險意識不強、風險觀念不牢、風險知識技能匱乏等人員安全素質因素，以及風險教育缺乏、風險培訓缺失、風險自查不夠等災害場所安全制度問題，也會對災害事故的發生造成較強的致災后果；日常風險監督、風險行為糾正、風險隱患消除等風險監管因素對于軌道氫能系統損失降低亦能夠發揮重要作用。

1.2.3 災害后果準則

軌道交通加氫站風險后果準則可由氫能源危險性指標、災害潛在規模指標和歷史記錄損失比例指標來描述。軌道交通氫能爆炸后果有兩種爆炸形式。一種是擴散爆炸，其中泄漏的液態氫蒸發并與空氣混合并點燃，從而導致擴散爆炸，另一種是預混合爆炸，其中泄漏的液態氫保留在殘留區域上，并與空氣和點燃劑混合，從而進行了預混合爆炸。根據每種事故場景下的泄漏狀態選擇適當的爆炸形式，通過計算出每種爆炸的爆炸壓力進而評估后果水平。在氫能潛在風險規模指標方面，主要包括氫能加注站場所的潛在受災面積與潛在受災人口。歷史記錄指標方面，需要考慮氫能源歷史災害的死傷人數損失與財物損失。

2 風險評估步驟

2.1 評估種類相似度的權重取值

基于種類相似度準則，采用定量與定性方法對軌道交通氫能加注站進行風險評價。考慮到風險事故的潛在突發性，邀請專家對軌道交通氫能風險種類相似度權重(αh)進行評分，結果如表1所示。

2.2 評估環境暴露度的權重與取值

隨后，將風險環境暴露度矩陣進行標準化與歸一化處理，得到種類為h的風險在g種環境暴露因素的權重(ωh,g)。

(1)

種類為h的風險在g種環境暴露因素暴露度取值決策矩陣為

(2)

式(2)中：λh,g為種類為h且環境暴露種類為g種的暴露度取值。

表1 因素直接影響關系轉換

表2 種類風險概率

表3 風險暴露度

2.3 災害后果取值

設種類為h的風險源危險性指標參數為γh。風險潛在規模等級為共有s個，種類為h的風險具有潛在規模等級為s指標權重為?h,s。表4為不同規模與等級的風險權重指標。

fh,m為種類為h的風險發生損失等級為m災害后果權重。災害損失等級權重見φh表5所示。φh,m為種類為h的風險發生等級為m災害后果的歷史損失比例，其計算公式為

表4 不同規模與等級的風險權重指標

表5 風險損失等級權重表

(3)

(4)

歷史損失比例矩陣為

(5)

2.4 計算災害風險評估值

采用Fine Kinney風險評估公式，對每一潛在風險點的災害風險進行評估，厘清影響系統效能的各因素間相互作用關系，綜合了此領域權威專家的意見，得出可靠的系統影響因素評估結果，最終求得求解災害風險指數并根據風險等級，參照表6確定災害點的潛在風險等級。

表6 風險指標與對應等級

3 案例應用

以中國佛山市某氫能源調車機車氫站為對象，對其風險指數進行評估。評估對象投入1 550×104元建設而成，占地面積4 467 m2，配置有儲存區、加注區、加氫機等功能區和設備，為市屬重點安全單位，一旦發生氫能源泄露或爆炸事故，可能造成重大生命財產損失。對象地處三角洲河網地區，降雨頻繁，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫23.2 ℃。單位氫能源加注裝置能夠儲存23 kg壓縮氫氣,氫氣瓶的正常工作壓力為50 MPa，高壓安全閥在80 MPa以上將進行排氣程序避免爆炸。研究對象安裝有中央安全監控系統，可以實時檢測加注機、壓縮機、制氫設備內部風險狀態。數據采集處理系統可以記錄加氫站每次加氫量、加注時間、環境溫度、設備壓力等系統運行數據，實現數據統計分析功能。加氫站設有較為完善的安全運行管理制度，包括加氫站現場管理制度、操作人員安全規程、進出人員管理制度、現場氫氣純度控制制度、設備管理制度、安全檢查制度及手機安全使用規程。加氫站預設應急方案包括緊急逃生撤離預案，失火、泄露、停電等常見緊急事故應急預案，以及暴雨、地震等自然災害與人為破壞應急方案。員工熟悉安全法律法規，了解本崗位安全風險屬性，具有及時發現隱患的安全意識，懂得預防火災的措施與撲救火災、逃生自救方法。重點工種人員遵守消防安全規定，熟練掌握安全操作規程。但是，加氫站周邊車輛與人員較多且流動性大，具有一定的外部安全風險。

根據研究對象的氫能源災害風險因子信息，有五位氫能安全專家對研究對象的災害風險相關參數和權重進行評價，其指標評分如表7所示。采用上文提出的方法進行計算，得到此氫能源加注站的評估指數為3.116，事故風險等級為一級，風險水平較低。結果表明，氫能不穩定特性與周邊較為頻繁流動車輛和人員，給軌道交通加氫站帶來一定的安全風險，在加氫站運營過程中應高度關注，確保加氫站全過程全態勢運行安全。

表7 加氫站災害風險暴露度評估指標權重及指標評分

4 結論

通過對軌道交通系統氫能源利用特殊性進行闡述，引出了軌道交通加氫站風險評估的重要性。基于Fine Kinney理論建立的風險評估框架確保了更準確的相似度匹配。采用Dematel方法分析因素作用關系構建了風險暴露度準則。最后，結合后果準則得出了風險等級和指標。本文以某列車加氫站作為案例，對其風險指標進行了準確評估，驗證了氫能源加注站風險評估方法的有效性，為行政與商業決策提供理論支持。