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氢能基础设施中压力释放装置（PRD）的风险评估与法规对比。研究采用定量风险评估（QRA）方法，分析不同PRD配置（如爆破片、PRV）对氢燃料站安全风险的影响，比较美国（强制PRD）与欧洲（无PRD要求）的监管差异。结果显示，使用爆破片时风险最高，无PRD但有防火系统的风险最低，且PRD相关故障（泄漏、误动作）对总风险贡献更大，表明欧洲法规在风险控制上更具合理性。
亚历杭德罗·希门尼斯|卡特里娜·M·格罗斯
系统风险与可靠性分析实验室（SyRRA），风险与可靠性中心，马里兰大学可靠性工程系，美国马里兰州大学公园市，20742
摘要
氢气正越来越多地被用作替代可再生能源载体，有助于实现可持续发展目标。这一转变需要建立用于储存、运输和分配氢气的基础设施。该基础设施包括用于压缩气体的模块化管式拖车以及用于传输、分配和储存氢气的固定设备。这些系统通常配备有压力释放装置（PRD），以防止压力不受控制地增加。如果没有PRD，压力的显著增加可能会导致设备破裂并释放氢气，从而引发火灾、爆炸和严重损坏。因此，美国要求在管式拖车上使用PRD以防止这些事件发生；然而，欧洲的法规和标准并不强制要求使用PRD，这体现了两种不同的做法。此外，最近的事故和风险评估表明，PRD也可能是泄漏和释放氢气的根本原因。
本文描述了对由管式拖车供应的气态氢燃料站进行的定量风险评估（QRA），确定了PRD对整个氢燃料站风险的贡献和影响。在这项工作中，我们通过改变管的数量和安装在管上的PRD数量，评估了PRD对风险的影响。我们估算了虚假操作、外部泄漏和无法操作等故障模式的风险降低价值（RRW）和风险实现价值（RAW）重要性指标。这些重要性指标使我们能够比较这些故障模式相对于整个氢燃料站风险的重要性。
分析显示，当管式拖车上使用爆破盘时风险最高，而当管上使用防火或热保护系统且未安装PRD时风险最低。尽管如此，与欧洲做法（即未安装PRD且无防火措施）相比，使用防火或热保护系统的风险最多降低了2%。此外，重要性指标表明，由PRD引发的事件（如虚假操作、外部泄漏）所带来的风险比未控制和超压（即无法操作）的风险更为重要，这表明从风险角度来看，欧洲的做法比美国的要求更为合理。
这些结果为设计和操作改进提供了重要见解，同时也为即将制定的规范和标准提供了参考，以确保氢系统的持续、安全和可靠运行。
引言
氢气被认为是一种有前景的替代可再生能源载体，有助于实现全球可持续发展目标。然而，向氢经济转型需要建立用于储存、运输和分配氢气的基础设施。该基础设施包括用于压缩气体的模块化管式拖车以及用于传输、分配和储存氢气的固定设备。鉴于氢气是一种可压缩的气体，典型的操作风险之一是由于压力突然增加而导致氢气容器破裂。这种破裂可能引发火灾、爆炸和其他类型的损坏。因此，这些系统通常配备有压力释放装置（PRD），以释放累积的压力，保持压力在安全水平。通常，这些PRD的设计目的是缓解由内部过程控制问题或外部火灾引起的超压。然而，最近的事故表明，PRD也可能引发事件[1]，例如，如果它们意外开启或泄漏，导致氢气释放并随后引发火灾。因此，了解何时（以及何时不）使用PRD非常重要。
在美国，用于供应氢燃料站的管式拖车应符合49 CFR [2,3]中的要求，该规定指出PRD必须遵循CGA-S1.1 [4]标准。CGA-S1.1的第十四版规定，每根氢气管的末端应安装一个PRV（CG-7或CG-11类型）或一个熔断触发装置（CG-10类型）。然而，该标准允许根据需要在一端或两端安装爆破盘（CG-1、CG-4或CG-5类型）。相比之下，欧洲的可移动压力设备指令（TPED）[5]（管理欧洲的压力设备运输）并未明确要求在任何氢气运输设备上使用PRD。此外，欧洲的可移动气体标准[6]和关于危险品公路运输的欧洲协议（ADR）[7]也不要求使用PRD。显然，欧洲的框架与美国的要求存在差异，这就引发了从风险角度来看哪种方法更合适的问题。鉴于这种差异，目前尚未进行任何风险评估来了解PRD的风险概况，并评估哪种方法更可取。
此外，最近的事故表明，PRD可能导致泄漏和释放，从而引发氢气泄漏、火灾和爆炸[1,8]。同样，风险评估研究也表明PRD是降低风险的关键组成部分[9]。鉴于这些不同的方法以及已知的引发事故的潜在性，本研究旨在进一步了解与PRD相关的风险，特别是在比较欧洲和美国对PRD的要求时。
本研究评估了由管式拖车供应的气态氢燃料站的相关风险，并使用定量风险评估（QRA）方法评估了PRD带来的风险。我们使用了多种管式拖车配置来了解PRD对整个氢燃料站风险的影响。
参考文献和背景
如上所述，本工作的关键方面是比较美国和欧洲在氢系统中的PRD监管框架；因此，了解这些法规关于安全的一般理念非常重要。在美国，安全规范和法规主要采用规定性方法。相关监管机构设定了一系列必须遵守的要求，其理念是通过遵守这些要求来实现安全。
分析范围和QRA方法
本研究重点评估PRD的生命周期安全风险，并比较美国和欧洲在氢系统中的监管框架。虽然仅关注生命周期安全风险可能会忽略PRD的其他潜在好处，但高风险复杂工程系统的风险管理优先考虑生命周期安全，而非其他损失（例如财务损失、责任）。因此，生命周期安全风险对决策具有重要影响。
QRA目标和目的
本次QRA的主要目的是评估PRD对由管式拖车供应的氢燃料站总风险的影响，考虑了安装在管式拖车上和站内的PRD。通过比较不同管式拖车配置下的平均单个风险和重要性指标来评估风险权衡，同时保持氢燃料站的配置不变。分析计算了系统描述
本研究分析了一个由管式拖车供应的气态氢燃料站（GH2）。基础设计基于马里兰大学为电力研究所（EPRI）进行的关于燃料站QRA的工作[30,49]。然而，设计进行了修改，以适应气态设施。该系统由一个压缩气体管式拖车组成，该拖车将氢气输送到站的储气装置中。
危险场景
危险场景是通过第5节中描述的氢燃料站的危险识别过程确定的。在这方面，格罗斯等人已经对一个低温供应站进行了QRA，其中包括了FMEA[52]。在此基础上，当前的工作进行了“假设分析”，以使用低温供应系统的FMEA作为基础，识别气态站的危险场景（例如，额外的危险场景、未考虑的场景等）
基本事件频率
在本研究中，用于估计事件频率的主要数据来源是HyRAM [56]。唯一来自其他来源的数据是热交换器数据，取自IOGP过程释放频率数据[57]，以及PRD故障数据，这些数据来自我们之前关于PRD故障概率建模的工作[45]。研究假设火灾检测、气体检测和隔离与关闭的可靠性为90%。
后果建模
此步骤确定特定事件的潜在影响和损害。从危险物质的角度来看，文献中定义了许多模型用于估计火灾、爆炸和蒸汽扩散的物理效应；然而，需要使用损害标准将这些效应转化为实际损害。本研究使用DNV-GL Phast [41]作为后果分析软件来模拟所考虑的危险场景。Phast是一种全面的后果分析工具
位置特定个体风险（LSIR）
LSIR或等风险线图是显示设施周围等风险点连接线的风险指标[23]。这些等风险线表示一个人在某位置停留24小时和365天的死亡风险；它们不考虑个人在该位置停留的时间比例。因此，这些图表通常用于评估公众的风险。
为不同的情况生成了LSIR等风险线图
压力释放阀
使用平均单个风险作为风险指标，估算了PRV的虚假操作、外部泄漏和无法操作故障模式的风险降低价值（RRW）和风险实现价值（RAW）重要性指标。图11显示了管式拖车上安装PRD情况下的RRW和RAW。这些结果表明，在所有情况下，无法操作故障模式的重要性最低，而外部泄漏和虚假操作的组合重要性最高，表明引发事件的风险更高不确定性分析
不确定性分析使用了第3节中解释的矩方法。风险模型使用了5年内虚假操作和外部泄漏的平均危险率，以及5年内无法操作故障模式的平均故障概率。因此，这一分析分为两个步骤进行。第一步使用矩方法估计5年平均值的均值和方差结论
我们通过对由管式拖车供应的氢燃料站进行QRA来分析PRD的风险权衡。该QRA针对不同的管式拖车配置重复进行了五次，站的设计保持不变。我们使用平均单个风险作为风险指标，RRW和RAW作为重要性指标。
QRA结果显示，使用爆破盘的情况产生了更高的风险，超过了1E-04 yr?1的可容忍标准
CRediT作者贡献声明
亚历杭德罗·希门尼斯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，正式分析，数据整理。卡特里娜·M·格罗斯：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：亚历杭德罗·希门尼斯与Engineering Systems Inc.存在关系，包括就业关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
