氢燃料船舶供气系统风险比较研究：压缩氢气(GH2)与液态氢(LH2)的安全性评估与策略优化

为解决氢燃料船舶供气系统(FGSS)的安全性问题，韩国科学技术院(KAIST)团队采用HAZID和HAZOP方法，对比分析了压缩氢气(GH2)与液态氢(LH2)系统的风险特征。研究发现GH2-FGSS存在22项风险（含1项不可接受风险），需强化压力保护；LH2-FGSS识别38项风险（无不可接受风险），但需防范低温脆化。该研究为氢燃料船舶设计提供了关键安全策略，推动航运业绿色转型。

　　

随着国际海事组织(IMO)将2050年实现航运业净零排放列为目标，氢燃料因其零碳排放特性成为船舶脱碳的关键选择。然而，氢气的特殊性质带来严峻挑战：压缩氢气(GH₂)在700 barg高压下存储可能引发爆炸，而液态氢(LH₂)的-252.9°C超低温易导致材料脆化和系统失效。更棘手的是，目前缺乏针对船舶环境的系统性安全评估标准，这严重制约了氢燃料在航运业的规模化应用。

韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）机械工程系的Jinyeong Jeong团队在《Journal of Ocean Engineering and Science》发表研究，首次对4.0 MW级拖船的GH₂与LH₂燃料气体供应系统(FGSS)开展对比风险评估。研究人员采用危险识别(HAZID)和危险与可操作性分析(HAZOP)方法，结合热质平衡模拟，建立了覆盖设计、操作、应急的全链条安全评估框架。

关键技术方法包括：1) 基于Aspen HYSYS软件构建GH₂/LH₂-FGSS热力学模型；2) 划分GH₂储罐室、LH₂加注站等功能节点进行HAZID分析；3) 应用"无/反向/过量"等引导词开展HAZOP偏差分析；4) 采用ALARP（合理可行最低）原则进行风险矩阵评估。

GH₂-FGSS风险特征

HAZID结果显示高压储氢系统存在22项风险，其中通风失效导致的氢气积聚被判定为不可接受风险（RI=15）。HAZOP发现的27项风险中，压力调节阀(PRV)故障可能引发8.5 kW热负荷异常，需增设双阻断阀。值得注意的是，氢燃料电池(PEMFC)供气温度波动（设计值55°C）会显著影响系统稳定性。

LH₂-FGSS低温挑战

分析发现38项风险中，真空多层绝缘失效导致的日蒸发率0.3%是主要隐患。HAZOP揭示的43项风险中，反复启停造成的管道热疲劳（RI=16）需通过热力学仿真优化冷却程序。特别值得注意的是，50 wt%乙二醇水溶液(GW)在-252°C工况下的防冻性能成为系统可靠性的关键。

对比分析与安全策略

研究表明：GH₂系统风险集中于700 barg高压泄漏（需316不锈钢焊接管道），而LH₂系统风险主要来自低温工况（需真空绝缘监测）。共性解决方案包括：双阻断阀配置、实时压力警报、基于SAE标准的加注协议。差异在于GH₂需强化泄压保护，LH₂则需完善冷冲击预防措施。

该研究首次建立了船舶氢系统风险分级标准，其提出的"压力-温度双因素控制法"已被纳入IMO最新版IGF规范。特别值得关注的是，针对LH₂储罐98%填充极限的安全论证，为后续《氢燃料船舶设计指南》提供了关键参数。这些成果不仅解决了氢燃料船舶从概念设计到实际应用的安全瓶颈，更为氨燃料等新型清洁能源的船舶应用评估树立了方法论标杆。未来需通过定量风险评估(QRA)进一步验证泄漏扩散等典型场景的后果严重度。