替代燃料风险评估的混合方法

《Fuels》：Hybrid Methodology for Alternative Fuels Risk Assessment

　　

向替代海洋燃料的过渡带来了与船上储存、分配和燃料管理相关的新安全挑战，原因是甲烷、甲醇、氨和氢的物理和化学性质显著不同。尽管许多研究涉及个别燃料的风险，但缺乏结构化和可比较的风险评估方法，以支持在统一框架下进行早期燃料选择和初步系统设计。本研究引入了替代燃料危害识别方法（Methodology to Alternative-fuels Hazardous Identification，MAHI），这是一个混合框架，整合了基于HAZOP的偏差分析与HAZID风格的风险分类，以实现对替代海洋燃料系统的一致定性-定量比较。该方法应用于甲烷、甲醇、氨、压缩氢和液化氢的代表性储存和分配架构，从而识别不同燃料选项中的主要风险驱动因素和系统级脆弱性。结果揭示了不同燃料特有的风险谱。甲烷和甲醇主要与操作温度偏差和系统可控性相关的中等风险相关联。氨由于毒性释放的高后果，特别是在压力相关故障下，表现出最严重的风险谱。压缩氢以极端储存压力驱动的高风险场景为主，而液化氢则表现出由低温温度控制与压力调节之间相互作用所决定的混合风险谱。通过提供一个可比较且可扩展的风险评估框架，替代燃料危害识别方法（MAHI）支持早期设计阶段的知情决策，并补充现有的监管安全分析，为海事运输中更安全的能源转型做出贡献。

国际海事减排法规（如FuelEU Maritime Regulation和EU排放交易体系）加速了替代燃料（甲烷、甲醇、氨、氢）在船舶中的应用，但这些燃料的物理化学性质差异显著，带来了新的船上储存、分配和燃料管理安全挑战。现有研究多聚焦于单一燃料的风险，缺乏统一的结构化比较框架，无法支持早期燃料选择和系统初步设计。因此，研究人员开发了替代燃料危害识别方法（MAHI），这是一种混合方法，整合了基于HAZOP（Hazard and Operability，危险与可操作性分析）的偏差分析与HAZID（Hazard Identification，危害识别）风格的风险分类，旨在实现替代海洋燃料系统的一致定性-定量比较。该论文发表在《Fuels》上，研究成果为船舶安全能源转型提供了决策支持。

研究人员对甲烷、甲醇、氨、压缩氢（CH₂）和液化氢（LH₂）五种燃料的代表性储存和分配系统架构应用MAHI方法，识别了主要风险驱动因素和系统级脆弱性。结论表明，不同燃料具有独特的风险谱：甲烷和甲醇以中等风险为主，氨因毒性释放后果最严重，压缩氢受极端压力支配，液化氢则受低温控制和压力调节交互影响。MAHI框架支持早期设计阶段的比较评估，补充了现有监管安全分析，具有重要实践意义。

研究采用的主要关键技术方法包括：基于HAZOP的偏差分析流程，选取节点（Node）、引导词（“正”、“负”、“无”）和参数（压力、温度）识别操作偏差；结合HAZID风格的风险分类，通过频率（基于OREDA公开数据库的设备故障率，以每百万小时故障数表示，含90%置信区间）和严重性（综合安全、环境、经济三方面评分，分为0-4级）评估，利用预定义风险矩阵（极端、高、中、低）确定风险等级。MAHI框架独立于特定数据库，可替换为更专业的燃料可靠性数据。研究未涉及样本队列，但引用了OREDA工业数据库作为频率来源。

研究结果按燃料系统分述如下：

3.1 甲烷分析：通过MAHI分析38个偏差，发现58.3%为中等风险，33.3%为高风险，无极端风险。压力是最关键变量，尤其在储罐、注入阀和分配系统，温度间接引发过压。现有安全措施（传感器冗余、安全阀、报警）有效缓解严重场景，但部分风险仍高。

3.2 甲醇分析：42个偏差中，57.1%为中等风险，35.7%为高风险，无极端。压力在储罐、泵和注入系统中最敏感，温度在高风险中占主导（58.3%）。甲醇的易燃性和腐蚀性要求加强泄漏检测和热控制。

3.3 氨分析：22个偏差中，极端风险占23.3%，高风险36.7%，中等风险40%。压力是极端风险的唯一变量（100%），毒性释放后果严重。现有安全措施无法消除后果，需额外遏制和通风屏障。

3.4 压缩氢分析：24个偏差中，高风险占58.33%，中等37.5%，极端4.17%。压力主导所有节点，温度作为风险倍增器。需优先加强泄漏检测、被动屏障和自动关断系统。

3.5 液化氢分析：36个偏差中，中等风险52.78%，高风险33.33%，极端5.56%。温度和压力均关键，低温控制失效导致状态变化和过压。安全措施聚焦二次遏制和低温泄漏检测。

3.6 比较结果：碳质燃料（甲烷、甲醇）风险分布相似；氨毒性驱动最严重风险；压缩氢与液化氢呈现压力驱动与温度驱动的权衡。MAHI揭示了不同燃料的主要风险机制，支持设计优先级的确定。

讨论部分指出，MAHI方法能识别主要风险驱动因素和关键系统节点，但研究存在局限性：分析基于代表性单线架构，且缺乏海洋专用可靠性数据（现有设备数据多来自陆基工业，运行条件与海洋环境差异大）。未来需开发专用数据库、进行长期运行监测和专家评估，以提高替代燃料实船应用的安全性。

研究结论部分翻译如下：向替代海洋燃料的过渡是减少海事运输排放的必要步骤，但也引入了与燃料储存、分配和船上管理相关的新安全挑战。在此背景下，本研究引入MAHI，作为一个结构化的混合框架，整合了基于HAZOP的偏差分析与HAZID风格的风险分类，专门设计用于支持早期设计和燃料选择阶段的比较风险评估。将MAHI应用于甲烷、甲醇、氨、压缩氢和液化氢系统，揭示了不同燃料特有的风险模式。甲烷和甲醇主要呈现中等风险，受操作温度偏差和系统可控性影响；氨由于毒性释放的高后果，呈现最严重风险谱，压力相关故障是主要驱动因素；压缩氢以极端压力导致的高风险场景为特征；液化氢则呈现混合风险谱，低温温度控制和压力调节均起关键作用。除风险分类外，比较结果表明MAHI能识别主要风险驱动因素、关键系统节点和设计优先级，在详细设计和项目特定安全评估之前支持知情决策。本研究存在若干局限性：分析基于代表性单线系统架构，依赖于标准化频率和严重性分类，而替代海洋燃料系统的公开可靠性数据匮乏；此外，氨和氢在船舶推进中尚未广泛部署，现有设备数据多来自陆基应用。缺乏海洋专用运行经验和故障数据是一个关键风险因素，未来需致力于开发专用可靠性数据库、长期运行监测、专家评估以及将MAHI框架应用于详细工业案例研究，以提高替代海洋燃料采用的安全性。