氢设施为什么需要定量风险评价（QRA）

1.什么是定量风险评价（QRA）？

定量风险评价（Quantitative Risk Analysis，简称QRA），是指对某一设施或作业活动中发生事故频率和后果进行定量分析，并与风险可接受标准比较的系统方法。该方法综合系统或设备失效频率和失效后果，将风险表征为特定事故后果严重度（如人员死亡）发生的频率，从而对目标设施的风险进行定量描述。QRA可以有效地对危险化学品泄漏、扩散、火灾、爆炸和人员中毒等风险进行量化的评估。

2.QRA可以解决哪些问题？

QRA技术大量应用于安全设计、安全评价、安全现状评估、土地规划、工程项目总体规划和应急预案辅助等领域，能对石油、化工等涉及危险化学品生产、储存的区域进行火灾、爆炸、泄漏、中毒等多种灾难事故后果和风险进行可视化模拟分析，集特定地点爆炸冲击波、火灾热辐射、毒性浓度影响、个人风险、社会风险、潜在生命损失值（PLL）、多米诺事故评估等多种功能于一体。具体来说，有如下的应用场景：

（1）土地规划

（2）设计方案的优化

（3）成本效益的分析

（4）构建筑物的影响分析

（5）污染的控制与应急预案

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（6）风险降低措施有效性的评估

（7）工厂选址和工厂平面布置的优化

（8）厂内危险化学品的储存量的评估

（9）工厂并购对工业安全风险的尽职调查等

（10）防火间距评估 GB 55037-2022

（11）建筑物抗爆评估 GB/T50779-2022

（12）加氢站风险评估 T/CCGA 40013-2022

（13）危险化学品生产装置和储存设施风险基准 GB 36894-2018

（14）危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离 GB/T 37243-2019

3.氢的危险特性

（1）易泄漏：氢气的分子量仅有2，因此比液体燃料和其他气体燃料更容易从小孔中泄漏。氢气作为自然界最轻的气体，标准密度(0℃，101.325kPa)是0.0899kg/m³，相对密度(空气，0℃，101.325kPa)0.07，泄漏后的氢气会向上扩散，在密闭空间的顶部积聚。

（2）易点燃：

氢气最小点火能为0.017mJ，因此氢气极易点燃。这使得在处理、储存和使用氢气时需要严格控制明火和静电等点火源。当氢气在高压下突然泄漏到狭窄环境中，射流激波效应产生的能量就可能会点燃氢气，发生自燃。

（3）燃烧和爆炸范围广：

氢气可燃极限为4%-75%，爆炸极限为18.3%-59%，燃烧和爆炸范围广，被点燃容易发生喷射火、爆炸等严重事故后果。

（4）燃烧速度快：

氢气燃烧速度约是汽油的8.8倍、甲烷的7.3倍；液氢燃烧速度约是汽油的2倍、甲烷的2.7倍。氢的燃烧反应活性高，更容易发生后果严重的爆轰事故。

（5）氢脆现象：

氢气分子在压力作用下渗入金属材料的缺陷微观晶体结构，会引起材料发生脆化，出现裂纹，导致氢气泄漏。

（6）不易被察觉：

氢气本身是无色、无味的，燃烧时发出的淡蓝色火焰在白天几乎不可被肉眼察觉，所以在没有适当监测装置的情况下，人们很难察觉氢气的泄漏。

 

图 1氢气（左）和丙烷（右）火焰

（7）低温：

液态氢的沸点非常低，约为-252.87°C。这意味着液氢泄漏后能够迅速引起冻伤，并且会迅速吸收环境热量蒸发成气态，气态氢体积膨胀848倍，增加爆炸风险。

4.氢设施种类及事故特点

氢设施可以根据应用场景不同，分为生产、储存、运输、加注和使用等不同种类。下面介绍了一些常见氢设施以及它们的事故特点：

（1）生产设施

这些设施用于生产氢气，包括水电解、天然气重整等制氢装置。事故风险包括电解槽氢气泄漏和氢氧混合，以及反应过程失控发生泄漏、火灾和爆炸等。

（2）储存设施

包括气态氢储罐、液态氢储罐等。由于储罐中氢气的高压和低温特性，可能造成储罐泄漏、火灾和爆炸等事故。氢气的存储压力可以高达70 MPa，远高于液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）的工作压力1.6 MPa，泄漏事故风险更大。

（3）运输设施

氢气可以通过管道、气瓶、储罐车等进行运输，通常都是带压操作，风险大。事故可能包括泄漏、火灾和爆炸等。

（4）.加氢站

这些站点用于为燃料电池汽车提供氢气充填服务。加氢机供给车辆的加氢压力为35 MPa或70 MPa，压力远超液化石油气、压缩天然气（Compressed Natural Gas, CNG），再加上氢气具有独特的逆“焦-汤”效应，充装过程温度会显著升高，所以一旦发生氢气泄漏，极有可能被加氢过程产生的静电引燃，造成火灾和爆炸等事故。

 

图 2 输氢管道

（5）燃料电池汽车

除了氢气泄漏的事故危害，燃料电池汽车可以行驶到隧道、地下停车场等受限空间及一些人员密集场所，使得事故场景更为复杂，事故后果更为严重。同时，燃料电池汽车的固体氧化物燃料电池在工作时会达到高达1000℃的温度，远高于氢气的自燃点（400℃），一旦发生泄漏，极易引发氢气燃烧事故。

 

图 3 美国加州氢燃料电池客车在加注过程中爆炸

（6）.工业应用设施

氢气在一些工业过程中用作还原剂、燃料等。这些应用可能涉及氢气泄漏、火灾和爆炸等事故类型。

（7）.实验室和科研设施

用于氢气相关的实验和研究。科研环境中存在多种操作和设备，且人员密集，火灾和爆炸事故对人员伤害大。

5.氢设施开展QRA的必要性

在“双碳”战略下，氢能是解决能源需求和实现零碳化工的重要手段。然而氢气具有易泄漏、易燃易爆等危险性质，氢能的相关设施场景复杂，并伴随有高压和低温等危险条件，一旦发生事故后果严重，会严重阻碍行业发展。开展氢设施QRA可以准确地分析氢能事故后果影响和系统地评估氢能“制－储－运－注－用”全产业链的风险，为工厂选址、设备布局、工艺安全设计、风险防控策略有效性分析、运行安全管理、应急预案和演练、安全成本效益分析等提供科学依据，其必要性体现在下面几个方面：

1）基于氢的特性和工艺条件准确分析事故后果。高压存储的氢气泄漏会产生马赫盘，泄漏源项计算需要考虑激波的影响和气体状态。液氢泄漏会固化空气，汽化后氢气在初始扩散过程会表现出重气的特征。由于氢的点火能很低，其泄漏后的点火概率也区别于其他可燃物。氢气密度低，喷射火会有上浮现象，影响火焰形态和热辐射效应。氢气燃烧速率快，更容易发生爆燃转爆轰。

2）充分考虑临氢设备的失效概率及氢事故场景的复杂多样性，系统评估全产业链中每个环节的风险。

3）指导安全设计，展示项目的合规性，为项目审批和运行提供科学保障。

4）评估安全防护策略有效性，在气体检测器布局和防火抗爆安全距离确定等方面提供依据，辅助安全决策，有效控制安全成本。

5）定量分析设备单元风险级别，助力风险分级管控，提升安全管理水平。