一种实现了更安全、更经济的氢燃料加氢站的综合设计方法
这篇论文《AnintegratedapproachforsaferandeconomicaldesignofHydrogenrefuelingstations》发表于InternationalJournalofHydrogenEnergy作者是NileshAde、BenjaminWilhite和HenryGoyette。论文提出了一种综合模型，用于设计更安全、更经济的加氢站，该模型考虑了加氢站设计中的关键因素，如安全性、经济性和人口变化等，并通过实例验证了模型的有效性。图1HRS设计的集成模型研究背景随着对替代能源需求的增长，氢因其在车辆应用中的零排放潜力以及支持燃料电池电动汽车（FCEV）的基础设施发展而受到关注。全球FCEV销量在增加，加氢站（HRS）的部署也在推进，但氢经济发展受到安全事故的阻碍，如2019年挪威加氢站爆炸事件该事件导致3人受轻伤，10个周边国家的加氢站被暂时关闭，丰田和现代也暂停了向挪威交付FCEV。目前HRS设计主要考虑经济因素和通过定量风险评估（QRA）来满足相关规范标准，但早期设计阶段缺乏安全视角可能导致过度设计，影响经济性。研究目的提出一种综合模型，用于设计更安全和经济的加氢站，该模型要考虑到设计、安全和经济之间的关系，并评估人口变化对风险的影响。研究对象加氢站（Hydrogenrefuelingstations，HRS）的设计及相关安全和经济因素。研究方法1.综合模型构建排队理论子模型基于顾客到达模式和服务时间的概率分布来估计加氢站的需求和人口分布。将氢dispenser视为服务器，顾客到达假设为指数分布模式，服务时间（填充时间和非填充时间之和）也假设为指数分布。以一个基础设计为例，设定填充时间为5分钟（依据SAEJ2601加油协议），非填充时间为3分钟，得出平均服务时间为8分钟，加氢站配备2个dispenser，根据一天中汽油小时需求的变化来估计顾客到达率，进而得到顾客分布情况。计算时还考虑每辆车有单个司机，加氢站有2名员工以及相邻便利店有2名顾客等因素来估计总人数，同时根据每辆车剩余燃料和容量情况计算加氢站的所需容量。图2离散客户到达概况，最多6辆车到达过程合成子模型根据排队理论子模型得到的容量和设定的操作条件，确定关键设备的尺寸和物流流量。所考虑的HRS过程是通过低温液态油罐车供氢，氢气存储在绝热液氢储存罐中，经低温泵输送到汽化器，汽化后的氢气存储在缓冲罐中，再供应给dispenser。在模型中，假设液体物流密度恒定，气体物流密度通过Abel-Nobel方程计算。根据所需卸载时间确定液体储存罐的填充流量，考虑部分氢气从液体储存罐排出以防止超压，根据所需填充时间确定dispenser的操作流量，通过质量平衡计算将整个过程分为液体储存罐到缓冲罐以及缓冲罐到dispenser两个阶段来确定设备尺寸和流量。图3排队理论在HRS（容量为300kg/天）基础设计中的应用。定量风险评估子模型（QRA）基于HyRAM方法，结合NFPA2性能要求，考虑爆炸和喷射火两种危险场景，评估风险。对于爆炸场景，假设HRS有地下管道网络，而通风管和dispenser软管在地上，需进行QRA。根据过程合成子模型得到的流量和密度以及排队理论子模型得到的人口分布，将危险情况分为不同泄漏比例（0.01%、0.1%、1%、10%和100%）的5种场景。对于爆炸，采用TNO多能量模型计算泄漏氢气量、爆炸能量、超压和冲量，进而通过probit方程计算死亡概率，结合设备故障概率和事件概率得到潜在生命损失（PLL），最终根据平均个人风险（AIR）为$10^{-6}$致命ities/年评估风险距离。对于喷射火，采用Houf和Schefer模型，先计算氢气泄漏速度，再根据一系列物理参数计算火焰维度、密度、辐射功率等，进而计算热辐射通量和热剂量，最后通过probit方程计算死亡概率和风险距离（考虑轴向和径向距离）。图4描述主要设备的HRS工艺流程图。经济分析子模型基于设备尺寸和人口分布，估计加氢站的盈利能力，包括总资本投资、年运营成本、毛利润和年回报率等。设备成本根据化学工程工厂成本指数（CEPCI）进行估算，经济损失考虑了顾客排队等待时间。总资本投资通过对各个设备（如低温泵、汽化器、缓冲罐、dispenser等）成本的计算累加得到，年运营成本包括油罐车运输次数相关成本、储存罐租赁成本、维护成本、电力成本、租金等，年回报率通过计算总收入、税收、毛利润等得出。2.模型应用与分析将综合模型应用于一个基础的加氢站设计，通过改变设计变量（如液体储存容量、dispenser软管直径、dispenser压力和汽化器出口温度），采用本质更安全设计（ISD）理念，研究其对风险距离和加氢站经济的影响。对每个变量在一定范围内（5-20%）进行参数分析，观察其相对影响。对QRA结果进行不确定性分析，考虑人口变化和设备故障率的影响。通过对一天中不同时间的风险距离评估来研究人口变量的影响，通过计算爆炸和喷射火危险情况下风险距离的误差界限（分别对应5%、50%和95%的故障频率）来评估设备故障率的影响。图6a：ISD替代方案对HRS经济的影响。b:ISD替代方案对爆炸风险距离的影响。c:ISD替代方案对喷射-火灾风险距离的影响。研究结论1.综合模型有效性综合模型能够综合考虑加氢站设计中的多个因素，通过应用ISD理念，可以找到既能提高安全性又能兼顾经济性的设计方案。2.设计变量影响减少液体储存容量可使爆炸风险距离大幅降低，同时因存储过量液氢成本较高，减少储存量反而会使加氢站经济性略有提高；减少dispenser软管直径能显著降低喷射火风险距离，但会因填充时间增加导致顾客排队时间变长，对加氢站经济性有轻微损害。减少dispenser压力和增加汽化器出口温度也会降低喷射火轴向风险距离，但都会对加氢站经济产生不利影响，且会使填充时间偏离SAEJ2601协议推荐值。3.不确定性分析结果人口变化对爆炸和喷射火的风险距离影响不显著，而设备故障率对QRA模型的认知不确定性贡献较大，在爆炸风险距离评估中，由于罐通风口故障频率变化大，这种影响更为明显。图7ISD备选方案对一天内风险距离的影响4.模型验证对于基础设计，经济子模型得出的结果（约200万美元资本投资，300kg/天的容量）与过去研究相符，安全分析表明dispenser对顾客和员工有显著风险，这与其他相关研究结果一致，通过综合模型得到的风险距离（爆炸小于40m，喷射火小于200m）也与过去基于QRA的HRS设计研究结果相符，且与其他能源载体的加油站风险距离相当，说明HRS相对于传统能源载体的加油站可能不会带来额外风险。研究创新点1.综合考虑多因素所构建的综合模型全面整合了排队理论、过程合成、QRA和经济分析，系统地考虑了加氢站设计中的安全性、经济性以及人口变化等多个关键因素及其相互关系，为加氢站设计提供了更全面的视角。2.应用本质更安全设计理念将本质更安全设计理念创新性地应用于加氢站设计过程中，通过改变不同的设计变量，深入研究其对风险距离和经济可行性的影响，为加氢站的安全设计提供了一种新的、系统的方法和思路。3.考虑人口变化的影响在定量风险评估中充分考虑了人口变化这一因素的影响，通过敏感性分析和误差界限评估等方法，更准确地分析了人口变化对风险距离的影响，从而提高了模型的准确性和实用性。研究局限性1.经济分析子模型精度有限经济分析子模型在加氢站设计的早期阶段是适用的，但随着设计过程的推进，当有更多详细设计信息（如加氢站位置、氢源位置、设备供应商成本、当地氢需求的时间变化等）可用时，该模型可进一步改进。可以采用更准确的经济分析方法，如HOMER软件，或美国能源部提供的平台（HRSAM和HDSAM）以及其他独立的经济建模方法（CHREC和HSCM）。2.未考虑部分风险模型没有考虑液态氢从油罐车转移到储存罐过程中的风险，由于这是一个瞬态操作，可能具有较高风险，减少液体储存容量可能会增加转移操作次数，导致风险从储存罐转移到油罐车，增加整体风险。此外，模型也未考虑人为错误和过程偏差对风险的影响，而实际上约70%的氢相关事故是由人为和组织因素导致的。3.风险评估存在不确定性QRA子模型在评估爆炸和喷射火的风险距离时存在不确定性，主要是由于设备故障率的认知不确定性。可以通过使用特定场地的故障率数据，识别与QRA问题相关的故障模式，以及考虑操作和天气等条件对不确定性的影响来降低这种不确定性。来源：气瓶设计的小工程师
