基于Bow-tie与模糊着色Petri网的绿氢生产过程泄漏爆炸风险演化机制研究

为解决绿氢生产过程中氢泄漏引发火灾爆炸事故的动态演化路径不清晰、风险因素模糊性难以量化等问题，研究人员创新性提出Bow-tie分析与模糊着色Petri网(BFCPN)耦合模型，系统识别人-机-环-管四维风险因子，量化推演事故最可能路径与初始诱因，为绿氢企业安全生产提供可视化决策支持。该研究填补了绿氢工艺安全机理研究空白，发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

　　

在全球气候变暖与能源转型背景下，氢能作为零碳排放的清洁能源备受瞩目。2021年全球氢消费量达9400万吨，中国更在2024年将氢能首次纳入能源管理体系。然而，氢气的易燃易爆特性（爆炸极限4%-75%）与设备腐蚀风险，使得绿氢（通过可再生能源电解碱性水制取）大规模生产面临严峻安全挑战。现有研究多聚焦氢燃料电池、加氢站等领域，对绿氢生产工艺的系统性风险演化机制研究存在空白——传统CFD（计算流体力学）模拟虽能呈现泄漏扩散流场，却难以动态展示事故因果链；HAZOP（危险与可操作性分析）等模型虽可识别风险，但缺乏可视化路径表达。

北京石油化工学院的研究团队创新性地构建了Bow-tie与模糊着色Petri网(BFCPN)融合模型。该研究首先基于碱性电解水制氢工艺（涉及电解槽、气液分离罐等核心设备），通过Bow-tie分析从人-机-环-管四个维度系统识别风险因素；随后将结果输入模糊着色Petri网(FCPN)，结合专家评分法量化模糊风险，动态推演事故演化逻辑；最终锁定关键风险路径并提出防控措施。

主要技术方法

1. Bow-tie分析：结构化识别电解槽泄漏、分离罐超压等风险节点及安全屏障
2. 模糊着色Petri网(FCPN)：通过变迁激发规则处理风险因素模糊性，构建事故演化有向图
3. 专家评分法：对32项风险因子进行去模糊化处理，计算事故路径发生概率

Bow-tie分析方法论
研究以电解槽泄漏爆炸为顶事件，识别出电极腐蚀、密封失效等16项基本事件，建立包含紧急切断阀、气体检测仪等8类安全屏障的防控体系。量化分析显示，人为操作失误（权重0.32）与电解质浓度超标（权重0.28）是前两大诱因。

绿氢生产单元和工艺流程
针对30% KOH电解液体系，研究发现缓冲罐压力波动（>2.5MPa）与干燥器温度异常（ΔT>15℃）易引发连锁反应。FCPN模拟表明，这类故障若未在15分钟内处置，有78%概率升级为爆炸事故。

研究结论

1. 首次揭示绿氢生产"电解槽密封失效→氢气积聚→延迟点火→爆燃"的高危路径（发生概率0.047）
2. 提出基于FCPN实时监测的智能预警系统，可使事故处置响应时间缩短40%
3. 构建的风险量化模型准确率达89.6%，优于传统HAZOP-LOPA（层状保护分析）方法

该研究通过BFCPN模型实现了绿氢生产风险从定性到定量的跨越，其可视化分析框架已被两家示范企业采纳。论文提出的动态屏障优化策略，为《氢能产业发展中长期规划》中安全标准制定提供了理论依据，对推动碳中和目标下的氢能安全发展具有里程碑意义。