Tədqiqatın əsas problemi: Maye hidrogen doldurma stansiyalarında risk harada cəmlənir?

Hidrogen təmiz enerji keçidində, xüsusilə nəqliyyat sektoru üçün mühüm enerji daşıyıcısı kimi qiymətləndirilir. Yanacaq elementli elektrik nəqliyyat vasitələri uzun yürüş məsafəsi, sürətli doldurma və egzozda karbon emissiyası yaratmamaq kimi üstünlüklərə malikdir. Lakin bu nəqliyyat vasitələrinin geniş yayılması yalnız avtomobil texnologiyasından asılı deyil; təhlükəsiz və böyük tutumlu hidrogen doldurma infrastrukturunun da qurulması lazımdır.

Maye hidrogen doldurma stansiyaları qaz halında hidrogen stansiyaları ilə müqayisədə bəzi mühüm üstünlüklər təqdim edir. Maye hidrogenin həcm üzrə saxlama sıxlığı daha yüksəkdir; yəni eyni həcmdə daha çox hidrogen saxlanıla bilər. Daşıma xərci azala bilər, buxarlandırıldıqdan sonra yüksək saflıqda hidrogen əldə edilə bilər və müəyyən proseslərdə saxlama/daşıma təzyiqi qaz hidrogen sistemlərinə nisbətən daha aşağı ola bilər. Buna görə maye hidrogen gələcəkdə böyük tutumlu hidrogen stansiyaları üçün güclü seçim kimi qiymətləndirilir.

Lakin tədqiqatın mərkəzindəki təhlükəsizlik problemi məhz bu üstünlüklərin arxasındakı fiziki şərtlərdən doğur. Maye hidrogen çox aşağı temperaturda, kriogen şəraitdə saxlanılır. Stansiyanın bəzi nöqtələrində maye faza, buxarlanma, yüksək təzyiqli qaz fazası, istilik mübadiləsi və avtomobilin doldurulması eyni proses zəncirində yer alır. Bu vəziyyət sızma baş verdikdə hidrogenin necə yayılacağını, nə qədər sürətlə alışan qarışıq yaradacağını, nə zaman jet yanğınına və ya gecikmiş alışma halında partlayışa çevrilə biləcəyini mürəkkəbləşdirir.

Tədqiqatda hidrogenin bəzi əsas təhlükə xüsusiyyətləri xüsusi vurğulanır. Hidrogen rəngsiz və qoxusuz olduğuna görə sızmanı birbaşa insan duyğuları ilə aşkar etmək çətindir. Minimum alışma enerjisi təxminən 0,02 mJ səviyyəsindədir; bu çox aşağı dəyərdir. Həmçinin diffuziya əmsalı 6,11 × 10⁻⁵ m²/s dəyərinə çata bilər. Bu, hidrogenin hava ilə sürətlə qarışa və uyğun şəraitdə alışan bulud yarada biləcəyi deməkdir. Gündəlik bənzətmə ilə, hidrogen sızması görünməyən, qoxumayan və havaya sürətlə qarışan risk sahəsi yarada bilər; lakin bu bənzətmə tədqiqatın texniki məzmununu sadələşdirmək üçündür. Əsas risk qiymətləndirilməsi modelləşdirmə və ehtimal hesablamaları ilə aparılmışdır.

Ədəbiyyatdakı boşluq: Qaz hidrogen stansiyalarından maye hidrogen stansiyalarına birbaşa keçid etmək olmaz

Hidrogen doldurma stansiyalarında risk qiymətləndirilməsi üçün HAZOP, FMEA, xəta ağacı analizi, HyRAM+, Phast və Safeti kimi metod və proqramlar əvvəllər xüsusilə qaz hidrogen stansiyalarında tez-tez istifadə edilmişdir. Bu işlər sızma ssenariləri, jet yanğını, partlayış, fərdi risk konturları və ayırma məsafələri üçün yetkin yanaşma formalaşdırmışdır.

Lakin maye hidrogen doldurma stansiyaları eyni şərtlərə malik deyil. Burada kriogen saxlama, faza dəyişməsi, aşağı temperatur təsirləri, yüksək təzyiqli avadanlıqlar və mayedən qaza keçid birlikdə qiymətləndirilməlidir. Qaz hidrogen stansiyasında işləyən risk modeli maye hidrogen stansiyasına birbaşa tətbiq edildikdə bəzi kritik fiziki prosesləri natamam qoya bilər. Buna görə tədqiqatın ədəbiyyatda doldurmağa çalışdığı boşluq budur: Maye hidrogen doldurma stansiyalarında hansı sistemin dominant risk vahidi olduğunu, hansı əsas nasazlıqların riski ən çox böyütdüyünü və hansı tədbirlərin həm sızma ehtimalını, həm də nəticənin şiddətini azalda biləcəyini inteqrə olunmuş QRA çərçivəsi ilə göstərmək.

Stansiya sərhədi və araşdırılan sistemlər

Tədqiqatda təmsilçi maye hidrogen doldurma stansiyası nəzərdən keçirilmişdir. Stansiya prosesi; maye hidrogenin tankerdən boşaldılması, saxlanması, kriogen booster nasosla təzyiqləndirilməsi, buxarlandırıcı və istilik dəyişdiricisi vasitəsilə yüksək təzyiqli qaz hidrogenə çevrilməsi, yüksək təzyiqli silindr bankında saxlanması, əvvəlcədən soyutma və avtomobil doldurulması mərhələlərindən ibarətdir.

Tədqiqatda stansiya altı funksional vahidə bölünmüşdür:

• Maye hidrogen saxlanması,
• Maye hidrogenin təzyiqləndirilməsi,
• Buxarlandırma və istilik mübadiləsi,
• Yüksək təzyiqli hidrogen saxlanması,
• Hidrogenin əvvəlcədən soyudulması,
• Avtomobil doldurulması.

HAZOP və FMEA nəticələrinə görə daha ətraflı risk analizi üçün dörd kritik sistem seçilmişdir: maye hidrogen saxlama sistemi, maye hidrogen booster nasos sistemi, yüksək təzyiqli hidrogen silindr bankı və dispenser sistemi. Bu seçim vacibdir; çünki tədqiqat bütün stansiyanı vahid təhlükə qutusu kimi deyil, müxtəlif avadanlıqların ayrı-ayrılıqda risk töhfəsi verdiyi mühəndislik sistemi kimi nəzərdən keçirir.

HAZOP və FMEA nə göstərdi?

HAZOP prosesdə təzyiq, temperatur, axın və maye səviyyəsi kimi parametrlərdə yarana biləcək sapmaları araşdırır. Məsələn, “yüksək təzyiq”, “aşağı temperatur”, “axın yoxdur”, “əks axın” kimi hallar hər proses düyünündə mümkün səbəblər və nəticələrlə birlikdə qiymətləndirilir. Tədqiqatda stansiya səkkiz analiz düyününə bölünmüş və bu düyünlər üzrə 61 proses sapması ilə 223 potensial qəza ssenarisi müəyyən edilmişdir.

Bu 223 ssenarinin 171-i aşağı risk, 52-si orta risk kimi təsnif edilmişdir. Yüksək və ya çox yüksək risk sinfinə daxil olan ssenari tapılmamışdır. Lakin bu nəticə “stansiya tamamilə təhlükəsizdir” demək deyil. Çünki orta risk ssenariləri müəyyən düyünlərdə cəmlənmişdir. Xüsusilə maye hidrogen saxlanması, maye hidrogenin təzyiqləndirilməsi, yüksək təzyiqli hidrogen saxlanması və dispenser sistemləri önə çıxmışdır. Maye hidrogen təzyiqləndirmə və yüksək təzyiqli hidrogen saxlama düyünlərinin hər birində 11 orta risk ssenarisi müəyyən edilmişdir.

FMEA isə avadanlıq və komponent səviyyəsində nasazlıqları araşdırır. Tədqiqatda kritik sistemlər üçün 231 nasazlıq rejimi və 427 potensial səbəb müəyyən edilmişdir. FMEA nəticələrinə görə yüksək riskli nasazlıq rejimi yoxdur; lakin orta riskli nasazlıqlar xüsusilə klapan sızması, boru xətti sızması, conta nasazlığı və sensor nasazlığı ətrafında cəmlənir. Bu tapıntı çox vacibdir: Hidrogen təhlükəsizliyi yalnız böyük çənin partlaması kimi dramatik ssenarilərdən ibarət deyil. Daha adi görünən conta, klapan, birləşmə, sensor və boru nasazlıqları zəncirvari şəkildə ciddi sızma və yanğın riskinə çevrilə bilər.

FMEA risk indeksi formulu

Tədqiqatda FMEA risk təsnifatı üçün istifadə olunan əsas əlaqə belədir:

[ RI = SI + PI ]

Burada RI risk indeksini, SI şiddət indeksini, PI isə başvermə ehtimalı indeksini ifadə edir. SI dəyəri nasazlığın nə qədər ağır nəticə yarada biləcəyini, PI dəyəri isə bu nasazlığın nə qədər ehtimal olunduğunu göstərir. Məsələn, kiçik sızma tez-tez baş verirsə PI yüksək ola bilər; lakin ölümcül nəticə gözlənilmirsə SI daha aşağı ola bilər. Əksinə, nadir, amma ölümcül ssenaridə SI yüksək, PI aşağı ola bilər. Tədqiqat bu iki ölçünü birlikdə qiymətləndirərək nasazlıq rejimlərini aşağı, qəbuledilən, orta və yüksək risk siniflərinə ayırmışdır.

Xəta ağacı analizi: Tək bir əsas hadisə belə sızmanı başlada bilər

HAZOP və FMEA ilə kritik sistemlər müəyyən edildikdən sonra xəta ağacı analizi aparılmışdır. Xəta ağacı analizi üst hadisənin hansı əsas hadisə kombinasiyaları ilə baş verə biləcəyini göstərir. Bu tədqiqatda üst hadisə müvafiq sistemdən hidrogen buraxılmasıdır. Məsələn, booster nasos sistemi üçün üst hadisə “maye hidrogen booster nasos sistemindən hidrogen buraxılması” kimi müəyyən edilmişdir.

Booster nasos sistemi üçün yaradılan xəta ağacında boru xətti nasazlığı, nasos gövdəsinin zədələnməsi, nasos aksesuarı nasazlığı, insan amilləri və üçüncü tərəf zədəsi nəzərə alınmışdır. Tədqiqatda X1-dən X27-yə qədər müəyyən edilən əsas hadisələr arasında boru xəttinin korroziyası, birləşmə xətası, təzyiq idarəetmə klapanının nasazlığı, izolyasiya nasazlığı, nasos gövdəsi keyfiyyət problemi, dizayn qüsuru, conta materialının nasazlığı, səhv conta montajı, flanş sızması, klapan gövdəsi sızması, tikinti heyətinin kifayət qədər ixtisaslı olmaması, qeyri-kafi korroziya nəzarəti, qeyri-kafi qaynaq tətbiqi, qeyri-kafi qəbul yoxlaması, texniki xidmət çatışmazlığı, təhlükəsizlik idarəetməsi çatışmazlığı və təbii fəlakətlər kimi hadisələr yer alır.

Booster nasos xəta ağacında 26 minimal kəsim dəsti tapılmışdır. Bunların 25-i tək hadisədən ibarətdir; yalnız biri iki hadisəlidir. Bu, sistemin bəzi nöqtələrdə tək nasazlıqlara həssas olduğunu göstərir. Başqa sözlə, müəyyən əsas hadisələrdən biri təkbaşına üst hadisəni, yəni hidrogen buraxılmasını başlada biləcək quruluşa malikdir. Bu tapıntı qoruma qatlarının və keyfiyyət təminatı proseslərinin niyə kritik olduğunu aydın göstərir.

Tədqiqatın booster nasos sistemi üçün xüsusilə önə çıxardığı üç əsas hadisə bunlardır:

• X20: Qeyri-kafi tikinti/qəbul yoxlaması,
• X1: Boru xəttinin korroziya zədəsi,
• X7: Conta materialının nasazlığı.

Bu üç hadisə həm ehtimal, həm də əhəmiyyət baxımından yüksək töhfə verdiyi üçün risk azaltma strategiyasında prioritet qəbul edilmişdir. Bu məqam tədqiqatın tətbiqi dəyərini artırır: Riskin yalnız “hidrogen təhlükəsi”ndən deyil, yoxlama, material, qaynaq, birləşmə, korroziya və texniki xidmət kimi konkret mühəndislik proseslərindən doğduğunu göstərir.

Ehtimal hesablamalarının məntiqi

Tədqiqatda əsas hadisə ehtimalları iki yolla müəyyən edilmişdir. Sensor, təhlükəsizlik klapanı, idarəetmə klapanı və oxşar avadanlıqlar üçün OREDA verilənlər bazası və HIAD 2.1 hidrogen hadisə məlumatlarından istifadə olunaraq verilənlər bazasına əsaslanan ehtimal qiymətləndirilməsi aparılmışdır. Statistik məlumatı zəif olan hadisələr üçün isə ekspert rəyi və qeyri-səlis riyaziyyat birləşdirilmişdir.

Verilənlər bazasına əsaslanan nasazlıq dərəcəsi qiymətləndirməsində istifadə olunan mühüm formullardan biri belədir:

\[ \bar{\lambda}=\frac{1}{\sum_{i=1}^{k}\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}}\times\sum_{i=1}^{k}\left(\frac{1}{\frac{\lambda_i}{\tau_i}+\hat{\sigma}_i^2}\times\frac{n_i}{\tau_i}\right) \]

Burada \bar{\lambda} müəyyən komponent tipi üçün orta nasazlıq dərəcəsini, \lambda_i i nümunəsi üçün bildirilən nasazlıq dərəcəsini, \hat{\sigma}_i müvafiq nümunənin standart sapma qiymətləndirməsini, n_i nasazlıq sayını və \tau_i istismar müddətini ifadə edir. Formulun əsas ideyası müxtəlif mənbələrdən gələn nasazlıq məlumatlarını qeyri-müəyyənlikləri ilə birlikdə çəkiləndirərək daha uyğun orta nasazlıq dərəcəsi əldə etməkdir.

Təmir edilə bilən komponentlərdə vahid nasazlıq ehtimalı üçün istifadə olunan əlaqə isə belədir:

\[ F=\frac{\lambda}{\lambda+\mu}\approx\frac{\lambda}{\mu}=\lambda t \]

Burada F nasazlıq ehtimalını, \lambda çəkiləndirilmiş nasazlıq dərəcəsini, \mu təmir dərəcəsini və t orta təmir müddətini ifadə edir. Tədqiqatda \lambda dəyərinin \mu dəyərindən çox kiçik olduğu qəbul edildiyi üçün ifadə təxminən F ≈ λt formasına sadələşdirilmişdir. Praktik olaraq bunun mənası budur: Nasazlıq dərəcəsi və təmir müddəti artdıqca komponentin nasaz vəziyyətdə olma ehtimalı da artır.

Xəta ağacında üst hadisə ehtimalı isə minimal kəsim dəstləri üzərindən hesablanmışdır:

\[ P(T)=P\left(\bigcup_{j=1}^{n}K_j\right) \]

Burada P(T) üst hadisənin, yəni sistemdən hidrogen buraxılmasının ehtimalını; K_j isə j nömrəli minimal kəsim dəstini ifadə edir. Minimal kəsim dəsti üst hadisəni doğurmaq üçün kifayət edən ən kiçik əsas hadisə kombinasiyasıdır. Əgər sistemdə tək hadisəli minimal kəsim dəstləri çoxdursa, sistem tək nasazlıqlara qarşı daha həssas olur.

Tədqiqatda hesablanan üst hadisə ehtimalları belədir:

Bu cədvəldə dispenser sistemi üçün üst hadisə ehtimalı say baxımından ən yüksək görünür. Lakin tədqiqatın inteqrə olunmuş risk qiymətləndirilməsində dominant risk vahidi booster nasos sistemi seçilmişdir. Bunun səbəbi yalnız buraxılma ehtimalı deyil; buraxılma sürəti, alışan buludun genişliyi, jet yanğınının şüalanma sahəsi və fərdi risk konturlarının birlikdə qiymətləndirilməsidir. Yəni ən kritik sistem təkcə ən yüksək ehtimala malik sistem olmaq məcburiyyətində deyil; ehtimal və nəticə şiddəti birlikdə müəyyənedicidir.

Nəticə modelləşdirməsi: 5 mm sızma ssenarisi niyə vacibdir?

Tədqiqatda təmsilçi kiçik dəlik sızması kimi 5 mm ekvivalent sızma diametri seçilmişdir. Kiçik dəlik sızmaları saxlamanın itirilməsi hadisələrinin mühüm hissəsini təşkil edə bildiyi üçün mühəndislik risk analizlərində mənalı ssenaridir. Tədqiqatda dörd sistem üçün ayrıca buraxılma parametrləri müəyyən edilmişdir:

HyRAM+ 5.1 istifadə edilərək hidrogen buraxılma sərfi, jet paylanması, jet yanğını istilik şüalanması və gecikmiş alışmadan sonra partlayış artıq təzyiqi hesablanmışdır. Termofiziki xassələr üçün CoolProp verilənlər bazasından istifadə edilmişdir. Burada nəzərə alınmalı məhdudiyyət var: Tədqiqatın nəticə analizi hidrogenin buxarlanmasından sonrakı yayılma, yanma və partlayışa fokuslanmış; orifis yaxınlığındakı flashing və ya iki fazalı axını ətraflı həll etməmişdir. Kriogen maye hidrogen buraxılmaları orifisdən sonra buxarlanmış ekvivalent qaz hidrogen jeti kimi mühəndislik miqyasında modelləşdirilmişdir.

Kütləvi buraxılma sürəti və jet modeli

HyRAM+ daxilində istifadə edilən termodinamik orifis modeli sızma nöqtəsindən keçən axını izentropik qəbul edir. Orifis sürətinin və kütləvi sərfin hesablanmasında istifadə olunan əsas əlaqələr bunlardır:

\[ \frac{v^2}{2}+h=h_0 \]

\[ \dot{m}=\frac{\pi}{4}d^2m''C_d=\frac{\pi}{4}d^2\rho vC_d \]

Burada v orifis sürətini, h_0 yuxarı axın durğunluq entalpisini, h orifisdəki xüsusi entalpini, \dot{m} kütləvi buraxılma sürətini, d ekvivalent sızma diametrini, \rho maye sıxlığını və C_d boşalma əmsalını ifadə edir. Birinci formul enerji balansını göstərir: Mayenin təzyiq və istilik enerjisinin bir hissəsi sızma nöqtəsində sürətə çevrilir. İkinci formul isə bu sürət, sıxlıq və dəlik sahəsi əsasında saniyədə neçə kiloqram hidrogen buraxıldığını hesablayır.

Hidrogen jetinin yayılmasında sürət, sıxlıq və hidrogen kütlə payı üçün Qauss tipli radial profillər istifadə edilmişdir:

\[ v=v_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{B^2}\right) \]

\[ \rho=(\rho_{cl}-\rho_{amb})\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right)+\rho_{amb} \]

\[ \rho Y=\rho_{cl}Y_{cl}\exp\left(-\frac{r^2}{\lambda^2B^2}\right) \]

Burada r jet mərkəzindən radial məsafəni, B jet yarım enini, \lambda sıxlıq yayılma eni ilə sürət yayılma eni arasındakı nisbəti, Y hidrogen kütlə payını, cl mərkəz xətti şərtlərini və amb mühit şərtlərini ifadə edir. Bu formullar hidrogenin jet mərkəzində daha sıx və sürətli olduğunu, mərkəzdən uzaqlaşdıqca konsentrasiyanın və sürətin azaldığını göstərir.

Jet yanğını və istilik şüalanması

Hidrogen sızması dərhal alışarsa jet yanğını yaranır. Jet yanğını yüksək təzyiqli sızma nöqtəsindən çıxan hidrogenin alovlu jet şəklində yanmasıdır. Bu halda ən mühüm ölümcül təsir çox vaxt istilik şüalanmasıdır. Tədqiqatda jet alovu uzunluğu və istilik şüalanması üçün HyRAM+ daxilindəki alov uzunluğu korrelyasiyası və çəkiləndirilmiş çox mənbəli şüalanma modeli istifadə edilmişdir.

Ölçüsüz alov uzunluğu belə ifadə edilmişdir:

\[ L^*=\begin{cases}\frac{13.5Fr^{2/5}}{(1+0.07Fr^2)^{1/5}}, & Fr<5\\ 23, & Fr>5 \end{cases} \]

Burada L* ölçüsüz alov uzunluğunu, Fr Froude ədədini ifadə edir. Froude ədədi jet impulsunun cazibə qüvvəsi təsirinə nisbətən nə qədər dominant olduğunu göstərir. Yüksək impulslu jetlərdə alov daha irəli uzana bilər; aşağı impulslu şəraitdə qaldırma qüvvəsi və cazibə təsirləri alov həndəsəsinə daha çox təsir göstərir.

İstilik şüalanması hesabında istifadə olunan əlaqə belədir:

\[ q=\tau S_{rad}\frac{V_F}{A_f} \]

\[ S_{rad}=X_{rad}\dot{m}_{fuel}\Delta H_c \]

Burada q hədəf nöqtəsində istilik şüalanması axınını, \tau atmosfer keçiriciliyini, V_F görünüş faktorunu, A_f alov səth sahəsini, S_{rad} ümumi radiasiya gücünü, X_{rad} radiasiya fraksiyasını, \dot{m}_{fuel} yanacaq kütlə sərfini və \Delta H_c yanma istiliyini ifadə edir. Sadə desək, sızmadan çıxan hidrogen miqdarı və yanma enerjisi artdıqca alovun ətrafa yaydığı istilik də artır. Bu istilik yaxınlıqdakı insanlara, avadanlıqlara, plastik materiallara, taxta səthlərə və təhlükəsizlik sistemlərinə zərər verə bilər.

Gecikmiş alışma və partlayış artıq təzyiqi

Hidrogen dərhal alışmasa əvvəlcə alışan bulud yarana bilər. Bu bulud daha sonra alışma mənbəyi ilə qarşılaşarsa partlayış və ya sürətli yanma nəticəsində artıq təzyiq yarana bilər. Tədqiqatda gecikmiş alışmadan sonrakı partlayış artıq təzyiqi Baker-Strehlow-Tang modeli ilə hesablanmışdır.

Alışan bulud kütləsi, yanma enerjisi və miqyaslandırılmış məsafə əlaqələri belə verilmişdir:

\[ m_{flam}=\int_{S=0}^{S=\infty}\left(\int_{r_Y=Y_{UFL}}^{r_Y=Y_{LFL}}\rho Y2\pi r\,dr\right)ds \]

\[ E_{flam}=k_{reflection}m_{flam}\Delta H_c \]

\[ R^*_{BST}=\frac{R}{(E_{flam}/P_{ambient})^{1/3}} \]

\[ P^*=\frac{P_s}{P_{ambient}} \]

Burada m_flam alışan bulud kütləsini, Y_LFL və Y_UFL hidrogenin aşağı və yuxarı alışma həddindəki kütlə paylarını, E_flam yanma enerjisini, k_reflection yer səthi əks etdirmə əmsalını, R partlayış mərkəzindən hədəfə məsafəni, P_s pik artıq təzyiqi və P_ambient mühit təzyiqini ifadə edir. Bu model partlayış təsirini yalnız buludun mövcudluğuna deyil, alışan aralıqdakı hidrogen kütləsinə, enerjiyə və hədəf məsafəsinə görə hesablayır.

Nəticələr: Booster nasos sistemi niyə önə çıxdı?

Dörd kritik sistem üçün hesablanan maksimum hidrogen buraxılma sürətləri belədir:

Bu nəticə booster nasos sisteminin niyə kritikləşdiyini aydın göstərir. Eyni 5 mm sızma diametrində booster nasos çıxışındakı 100 MPa təzyiq və kriogen şərtlər çox daha yüksək kütləvi buraxılma sürətinə səbəb olmuşdur. Saniyədə 2,23 kg hidrogen buraxılması kiçik görünən 5 mm-lik sızmada belə böyük alışan bulud və ciddi istilik şüalanması sahəsi yarada bilər.

Alışan buludun həcmcə 4 faiz hidrogen aşağı alışma həddinə görə hesablanan uzanmaları belədir:

Booster nasos sistemində alışan buludun üfüqi uzanması 36,89 m-ə çatmışdır. Bu, stansiya planı, avadanlıq aralıqları, personalın mövqeyi, avtomobil gözləmə sahələri və sahə sərhədinə yaxın ictimai məruzqalma baxımından kritik dəyərdir. Tədqiqatda şəkillərlə göstərilən hidrogen mol payı sahələri hidrogenin jet oxu boyunca yüksək konsentrasiyada irəlilədiyini, sonra isə ətraf hava ilə qarışaraq seyrəldiyini göstərir. Ağ kontur həcmcə 4 faiz aşağı alışma həddini təmsil edir. Bu konturun daxilində qalan sahə uyğun alışma mənbəyi olduqda yanğın və ya partlayış baxımından təhlükəli hesab edilir.

Jet yanğını analizində booster nasos sistemi yenə ən geniş təsir sahəsini yaratmışdır. 1,6 kW/m² üzərindəki sahənin təxmini diametri 72 m kimi verilmişdir. Həmçinin booster nasos sistemində 4, 12,5 və 25 kW/m² hədlərini aşan sahələr müvafiq olaraq 1385 m², 531 m² və 227 m² hesablanmışdır. Tədqiqatda istifadə olunan hədlərə görə 37,5 kW/m² 1 dəqiqə məruzqalmada yüzdə 100 ölümcül ola biləcək səviyyədə, 25 kW/m² ciddi xəsarət və uzunmüddətli məruzqalmada ölümcül nəticələr baxımından çox kritik, 12,5 kW/m² yanıq və material zədəsi baxımından mühüm, 4 kW/m² isə 20 saniyədən uzun məruzqalmada ağrı yarada biləcək səviyyədədir.

Partlayış artıq təzyiqi tərəfində isə tədqiqatın nəticəsi fərqlidir. 60 saniyə gecikmiş alışma ssenarilərində pik artıq təzyiqlər bütün ssenarilərdə 25 kPa-dan aşağı qalmışdır. Personal təsiri əsasən yüngül xəsarət səviyyəsində, obyekt təsiri isə daha çox şüşə qırılması kimi yüngül zədələr şəklində qiymətləndirilmişdir. Buna görə tədqiqatın fərdi risk hesabında ölümcül təsir baxımından əsas mexanizm kimi jet yanğını istilik şüalanması seçilmişdir.

Fərdi risk hesabı: Müəyyən nöqtədə bir insanın illik ölüm riski

Fərdi risk müəyyən nöqtədə daimi olan bir insanın ildə ölümcül təsirə məruzqalma ehtimalını ifadə edir. Tədqiqatda istifadə olunan əsas formul belədir:

\[ IR(x,y)=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m}f_{i,j}d_{i,j}(x,y) \]

Burada IR(x,y) koordinatı (x,y) olan nöqtədə fərdi riski, f_i,j i mənbəyindən çıxan j qəza nəticəsinin illik tezliyini, d_i,j(x,y) isə eyni nöqtədə şərti ölüm ehtimalını ifadə edir. Yəni bu formul iki şeyi vurur: Qəza nə qədər tez-tez baş verə bilər və baş verərsə müəyyən nöqtədəki insan üçün nə qədər ölümcül ola bilər?

Fiziki təsir dəyərləri, yəni istilik şüalanması və ya partlayış təzyiqi, ölüm ehtimalına probit modeli ilə çevrilmişdir:

\[ d_i=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{Y-5}\exp\left(-\frac{u^2}{2}\right)du \]

Burada d_i ölüm ehtimalını, Y probit dəyişənini və u inteqral dəyişənini ifadə edir. Termal şüalanma üçün tədqiqatda istifadə olunan doza əlaqəsi belədir:

\[ Y=-37.23+2.56\ln D \]

\[ D=I^{1.33}t_s \]

Burada D ölümcül dozanı, I istilik şüalanması axınını və t_s məruzqalma müddətini ifadə edir. Tədqiqatda məruzqalma müddəti 60 saniyə götürülmüş və stansiya ətrafı 5 m × 5 m kvadrat hüceyrələrə bölünərək hər hüceyrə mərkəzində fərdi risk hesablanmışdır.

Risk təsnifatı: D2 sinfi nə deməkdir?

Tədqiqatda jet yanğını ehtimalları və nəticə şiddəti birlikdə qiymətləndirilmişdir. Jet yanğını ehtimalları belə hesablanmışdır:

Personal təsiri baxımından tədqiqatda sahə daxilində əhali sıxlığı 0,003 nəfər/m² qəbul edilmişdir. Bu fərziyyə altında booster nasos sistemi üçün ölüm, ağır xəsarət və yüngül xəsarət sayları müvafiq olaraq 1, 2 və 4 hesablanmışdır. Yüksək təzyiqli silindr bankı və dispenser sistemlərində ölüm sayı 0, ağır xəsarət 1, yüngül xəsarət 2 kimi verilmişdir. Maye hidrogen saxlama sistemində isə bu ssenaridə ölüm, ağır xəsarət və yüngül xəsarət təxminən sıfırdır.

İnteqrə olunmuş risk təsnifatı belədir:

Bu cədvəl tədqiqatın əsas nəticəsini aydınlaşdırır: Booster nasos sistemi yalnız ehtimal baxımından deyil, nəticə şiddəti baxımından da kritikləşmiş və dörd sistem arasında orta risk sinfinə daxil olan yeganə sistem olmuşdur. Buna görə stansiya səviyyəsində fərdi risk xəritəsi və risk azaltma variantları bu sistem üzərindən qiymətləndirilmişdir.

ALARP və ictimai risk: Sahə sərhədinin xarici niyə vacibdir?

Tədqiqatda risk qəbulu üçün ALARP yanaşması və Birləşmiş Krallıq HSE fərdi risk meyarları istifadə edilmişdir. İşçilər üçün yuxarı dözülə bilən sərhəd 1 × 10⁻³ il⁻¹, ictimaiyyət üçün yuxarı dözülə bilən sərhəd 1 × 10⁻⁴ il⁻¹, hər iki qrup üçün geniş qəbuledilən hədd isə 1 × 10⁻⁶ il⁻¹ götürülmüşdür.

Booster nasos yaxınlığında fərdi risk 10⁻⁴ il⁻¹ mərtəbəsinə çatmışdır. Stansiya daxilində işçi riski ümumilikdə dözülə bilən bölgədə qalarkən, stansiya binası sahəsi 10⁻⁷ il⁻¹ səviyyəsindən aşağı düşmüşdür. Lakin sahə sərhədindən kənardakı bəzi yaxın bölgələrdə ictimaiyyət üçün risk 1 × 10⁻⁴ il⁻¹ qəbul meyarını aşmışdır. Bu tapıntı tədqiqatın təhlükəsizlik baxımından ən kritik mesajlarından biridir: Stansiya daxilində işçilər üçün qəbuledilən görünən dizayn, sahə sərhədindən kənardakı ictimaiyyət üçün qəbuledilməz risk yarada bilər.

Bu nəticə gündəlik həyat baxımından da vacibdir. Hidrogen doldurma stansiyaları yalnız texniki personalın olduğu sənaye obyektləri deyil; şəhər daxilində və ya nəqliyyat dəhlizlərinə yaxın yerlərdə avtomobil istifadəçiləri, xidmət personalı, piyadalar və qonşu sahələr də təsirlənə bilər. Buna görə risk qiymətləndirilməsi yalnız avadanlıq daxilində nə baş verdiyinə deyil, sızmanın stansiya sərhədindən kənara çıxan təsirinə də baxmalıdır.

Riskin azaldılması: Ehtimalı azaltmaq, yoxsa nəticəni azaltmaq?

Tədqiqatda riskin azaldılması iki əsas istiqamətdə qiymətləndirilmişdir: Sızma ehtimalını azaltmaq və nəticə şiddətini azaltmaq. Ən yaxşı nəticə bu iki yanaşmanın birlikdə tətbiqi ilə əldə edilmişdir.

Booster nasos sistemi üçün kritik əsas hadisələr olan X20, X1 və X7 hədəflənmişdir. X20, yəni qeyri-kafi tikinti və qəbul yoxlaması üçün avadanlıq və borulama üzərində bütün proses qəbul sistemi təklif edilmişdir. Bu çərçivədə qaynaq keyfiyyəti, flanş hizalanması, sistem sızdırmazlığı və izlənə bilən yoxlama qeydləri önə çıxarılmışdır. X1, yəni boru xətti korroziyası üçün kriogen və korroziyaya davamlı materiallar, dirsək və qaynaq kimi həssas bölgələrdə gücləndirilmiş qoruma, hidrogen konsentrasiyasının monitorinqi, divar qalınlığının ölçülməsi və dövri boreskop yoxlaması təklif edilmişdir. X7, yəni conta materialı nasazlığı üçün kriogen temperatura və yüksək təzyiqə davamlı conta materialları, optimallaşdırılmış sızdırmazlıq həndəsəsi və qabaqlayıcı dəyişdirmə proqramı təklif edilmişdir.

Bu tədbirlər tətbiq edildikdə booster nasos buraxılma ehtimalı 1 × 10⁻³ dəyərinə, jet yanğını ehtimalı isə 5,3 × 10⁻⁵ dəyərinə endirilmişdir. Bu, ehtimalı azaltma tədbirlərinin risk xəritəsini ciddi şəkildə daraltdığını göstərir. Lakin tədqiqatda yalnız ehtimalı azaltmağın bütün yüksək risk konturlarını aradan qaldırmadığı da qeyd edilmişdir.

Nəticə azaltma tərəfində booster nasosun quraşdırma hündürlüyünün artırılması araşdırılmışdır. Bu tədbir yerə yaxın hidrogen yığılmasını azaltmağa kömək etmiş və 10⁻⁴ ilə 10⁻⁶ il⁻¹ risk konturlarını kiçiltmişdir. Xüsusilə 10⁻⁴ il⁻¹ konturunun böyük ölçüdə stansiya sərhədi daxilində qalması ictimai risk baxımından müsbət qiymətləndirilmişdir. Lakin bu təkbaşına güclü risk azaldılması təmin etməmişdir.

Ən effektiv yanaşma tezliyin azaldılması və nəticənin azaldılması tədbirlərinin birlikdə tətbiqidir. Tədqiqatda birgə tədbirlərdən sonra sahə xarici fərdi riskin və ümumi risk konturunun tək tədbirlərlə müqayisədə daha çox azaldığı göstərilmişdir. Nəticə olaraq maye hidrogen doldurma stansiyalarında risk idarəetməsi yalnız “sızma olarsa baryer quraq” yanaşmasına buraxılmamalı; əvvəlcədən sızma ehtimalını azaldan keyfiyyət, material, texniki xidmət, monitorinq və qəbul yoxlaması tədbirləri ilə dəstəklənməlidir.

Tədqiqatın güclü tərəfləri

Bu tədqiqatın güclü tərəflərindən biri yalnız keyfiyyət xarakterli təhlükə müəyyənləşdirməsi ilə kifayətlənməməsidir. HAZOP və FMEA ilə təhlükələr müəyyən edilmiş, xəta ağacı analizi ilə əsas hadisə töhfələri hesablanmış, HyRAM+ ilə fiziki nəticələr modelləşdirilmiş və son mərhələdə fərdi risk konturları çıxarılmışdır. Beləliklə tədqiqat “hansı sistem təhlükəlidir?” sualından “hansı əsas nasazlıq, hansı fiziki nəticə ilə, hansı sahədə qəbuledilməz risk yaradır?” sualına qədər gedən inteqrə olunmuş çərçivə təqdim edir.

Digər güclü tərəf risk azaltma təkliflərinin birbaşa analiz nəticələrindən çıxarılmasıdır. Məsələn, tikinti qəbul yoxlaması, boru korroziyası və conta materialı nasazlığı ilə bağlı təkliflər ümumi təhlükəsizlik məsləhəti deyil; booster nasos xəta ağacında yüksək töhfə verdiyi üçün prioritetləşdirilmişdir. Eyni qaydada avadanlıq yerləşdirilməsi, havalandırma və radiasiyadan qorunma da HyRAM+ nəticələrindəki bulud və istilik şüalanması izlərinə əsaslandırılmışdır.

Tədqiqatın məhdudiyyətləri

Tədqiqatın özündə göstərilən məhdudiyyətlər diqqətlə oxunmalıdır. Əvvəla yalnız təmsilçi 5 mm sızma ssenarisi modelləşdirilmişdir. Böyük diametrli boru qırılmaları, uzunmüddətli mikro sızmalar və ya birdən çox avadanlığın eyni vaxtda sıradan çıxdığı mürəkkəb ssenarilər açıq şəkildə araşdırılmamışdır. Buna görə nəticələr bütün mümkün qəza ssenarilərinin tam xəritəsi kimi qəbul edilməməlidir.

İkinci məhdudiyyət bəzi əsas hadisə ehtimallarının ümumi verilənlər bazalarından uyğunlaşdırılması və ya ekspert rəyi ilə qiymətləndirilməsidir. OREDA və HIAD 2.1 məlumatları istifadə edilsə də, maye hidrogen doldurma stansiyalarına xas əməliyyat məlumatları məhdud ola bilər. Bu da xəta ağacı ehtimallarında qeyri-müəyyənlik yaradır.

Üçüncü məhdudiyyət kriogen buraxılmalarda flashing və orifis yaxınlığındakı iki fazalı axının ətraflı həll edilməməsidir. Tədqiqat buxarlanma sonrası buraxılmanı ekvivalent qaz hidrogen jeti kimi modelləşdirmişdir. Bu yanaşma mühəndislik miqyasında mənalı qiymətləndirmə verir; lakin yüksək detallı axın fizikası üçün gələcəkdə CFD əsaslı modellərlə dəstəklənməsi lazım ola bilər.

Dördüncüsü, tədqiqat preprintdir və hakem qiymətləndirilməsindən keçməmişdir. Buna görə nəticələr dəyərli texniki analiz kimi qəbul edilməli, lakin qəti sənaye standartı və ya təsdiqlənmiş sahə sübutu kimi təqdim edilməməlidir.

Keçmiş, bu gün və gələcək baxımından əhəmiyyəti

Keçmişdə hidrogen təhlükəsizliyi tədqiqatlarının böyük hissəsi qaz hidrogen doldurma stansiyalarına fokuslanmışdır. Bu tədqiqat maye hidrogen doldurma stansiyalarına xas kriogen, yüksək təzyiqli və faza dəyişməli şərtləri birlikdə nəzərə alaraq bu sahədəki bilik boşluğunu azaltmağa çalışır.

Bu gün baxımından hidrogen doldurma infrastrukturunun təhlükəsiz böyüməsi üçün yalnız tutum və xərc deyil, yerləşdirmə, avadanlıq keyfiyyəti, texniki xidmət, monitorinq, təcili izolasiya, havalandırma və ictimai risk kimi mövzular da əvvəldən dizayna daxil edilməlidir. Tədqiqatın booster nasos sistemini kritik vahid kimi müəyyən etməsi dizaynerlər və operatorlar üçün birbaşa tətbiq oluna bilən xəbərdarlıqdır.

Gələcək baxımından isə bu cür kəmiyyət risk qiymətləndirmələri hidrogen doldurma stansiyalarının şəhər daxilində, magistral yollarda, logistika mərkəzlərində və ya ağır nəqliyyat infrastrukturu kimi müxtəlif kontekstlərdə təhlükəsiz yayılmasına töhfə verə bilər. Daha çox real istismar məlumatı, CFD dəstəkli detallı axın modelləşdirməsi, sosial risk əyriləri və xərc-fayda analizləri ilə bu çərçivə daha da gücləndirilə bilər.

Gündəlik həyata təsiri isə budur: Hidrogenlə işləyən avtomobillərin yayılması yalnız avtomobil texnologiyasının uğurundan asılı deyil. İnsanların təhlükəsiz şəkildə yanacaq doldura bildiyi, stansiya işçilərinin qorunduğu və qonşu sahələrdə ictimai riskin qəbuledilən səviyyədə saxlandığı infrastrukturlar lazımdır. Bu tədqiqat həmin təhlükəsizlik problemini görünməz “təhlükə” kimi deyil, ölçülə bilən, xəritələnə bilən və azaldıla bilən mühəndislik problemi kimi nəzərdən keçirir.

Tədqiqatın Metodu və Tapıntıları

Metod addımları

1. Sistem sərhədi müəyyən edildi: Maye hidrogen boşaltma, saxlama, təzyiqləndirmə, buxarlandırma, yüksək təzyiqli saxlama, əvvəlcədən soyutma və avtomobil doldurma prosesləri müəyyən edildi.
2. HAZOP tətbiq edildi: Səkkiz proses düyünü təzyiq, temperatur, axın və maye səviyyəsi sapmaları baxımından araşdırıldı.
3. FMEA tətbiq edildi: Kritik avadanlıq və komponent nasazlıqları, səbəbləri, nəticələri və risk səviyyələri müəyyən edildi.
4. Xəta ağacı analizi aparıldı: Maye hidrogen saxlama, booster nasos, yüksək təzyiqli silindr bankı və dispenser sistemləri üçün hidrogen buraxılması üst hadisəsi modelləşdirilərək əsas hadisə töhfələri hesablandı.
5. HyRAM+ nəticə modelləşdirməsi aparıldı: 5 mm sızma ssenarisi üçün buraxılma sürəti, alışan bulud, jet yanğını istilik şüalanması və partlayış artıq təzyiqi hesablandı.
6. Fərdi risk hesablandı: Jet yanğını istilik şüalanması ölümcül təsir mexanizmi kimi seçildi və 5 m × 5 m hüceyrələrlə risk konturları yaradıldı.
7. Risk azaltma qiymətləndirildi: Sızma ehtimalını azaltma, nəticəni azaltma və iki yanaşmanın birlikdə tətbiqi müqayisə edildi.

Əsas sayısal tapıntılar

Texniki şərh

Tədqiqatın texniki mənası budur ki, maye hidrogen doldurma stansiyalarında risk yalnız “saxlama çəni” mərkəzli düşünülməməlidir. Booster nasos maye hidrogenin yüksək təzyiqli prosesə daşındığı kritik keçid nöqtəsidir. Burada aşağı temperatur, yüksək təzyiq, sıxlıq, boru birləşmələri, conta sistemləri və mexaniki vibrasiya kimi amillər bir araya gəlir. Buna görə kiçik sızma belə yüksək buraxılma sürəti və geniş alışan bulud yarada bilər.

Model nəticələri yanğın riskinin partlayış riskinə nisbətən daha dominant olduğunu göstərir. Bu, xüsusilə açıq sahə şəraiti və 5 mm sızma ssenarisi üçün keçərlidir. Lakin bu nəticə bütün mümkün LHRS qəzalarında partlayış əhəmiyyətsizdir demək deyil. Tədqiqatın dediyi daha məhduddur: Araşdırılan kiçik dəlik, açıq sahə və 60 saniyə gecikmiş alışma şərtlərində ölümcül risk baxımından jet yanğını istilik şüalanması dominant çıxmışdır.

Tədqiqatın tətbiqi mesajı aydındır: Dizayn və istismar mərhələsində booster nasos ətrafında material seçimi, sızdırmazlıq, korroziya monitorinqi, qəbul yoxlaması, havalandırma, avadanlıq yerləşdirilməsi, təcili izolasiya və istilik şüalanmasından qorunma birlikdə nəzərə alınmalıdır. Tək baryerə güvənmək kifayət deyil; çoxqatlı və bir-birindən müstəqil qoruma qatları lazımdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Bu məqalə Jiepu Li, Xiaoxiong Lei, Shouhua Zhang, Hong Yang, Wulin Han, Weihua Wang və Xiang Li tərəfindən hazırlanmış “Quantitative risk assessment and mitigation of hydrogen releases at a liquid hydrogen refuelling station” adlı tədqiqata əsaslanaraq hazırlanmışdır. Tədqiqat maye hidrogen doldurma stansiyalarında hidrogen sızması riskini kəmiyyətcə qiymətləndirir; HAZOP, FMEA, xəta ağacı analizi, HyRAM+ nəticə modelləşdirməsi və fərdi risk hesabını birləşdirir.

Mənbə mətn preprint tədqiqat məqaləsidir və mətndə açıq şəkildə “This preprint research paper has not been peer reviewed” ifadəsi yer alır. Buna görə tədqiqat hakem qiymətləndirilməsindən keçməmişdir. Nəticələr qəti sahə sübutu və ya yekun sənaye standartı kimi deyil, hakemlik prosesi tamamlanmamış texniki risk qiymətləndirməsi işi kimi oxunmalıdır.

Bu məzmundakı izahlar PDF-dəki tədqiqata əsaslanaraq hazırlanmışdır. PDF-də olmayan qəti tətbiq, kommersiya uğuru, sahə uğuru, təhlükəsizlik zəmanəti və ya tənzimləyici təsdiq iddiası əlavə edilməmişdir. Tədqiqat eksperimental sahə qəzası məlumatları ilə birbaşa təsdiqlənmiş hadisə araşdırması deyil; təmsilçi stansiya quruluşu üzərində aparılmış kəmiyyət risk qiymətləndirməsi, xəta ağacı analizi və HyRAM+ əsaslı nəticə modelləşdirməsidir.

Tədqiqatın mühüm məhdudiyyətləri var. Yalnız təmsilçi 5 mm sızma ssenarisi modelləşdirilmişdir; böyük boru qırılmaları, daimi mikro sızmalar və çoxsaylı avadanlıq nasazlıqları açıq şəkildə araşdırılmamışdır. Bəzi əsas hadisə ehtimalları ümumi verilənlər bazalarından uyğunlaşdırılmış və ya ekspert rəyi ilə qiymətləndirilmişdir. Kriogen maye hidrogen buraxılmalarında orifis yaxınlığındakı iki fazalı axın ətraflı həll edilməmiş; buxarlanma sonrası buraxılma ekvivalent qaz hidrogen jeti kimi qiymətləndirilmişdir. Bu məhdudiyyətlər tədqiqatın nəticələrinin diqqətlə şərh edilməsini tələb edir.