QDQ2-1型電解水制氫設(shè)備壓力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)防控

劉永蓮，李沅橋，潘曉斌，黎錦雷

(1.廣西自治區(qū)梧州市氣象局，廣西 梧州 543002；2.廣西自治區(qū)梧州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣西 梧州 543002)

1 引言

氫氣是二十世紀(jì)最清潔的能源，是未來的主要能源之一，水電解制氫是制取氫氣的主要手段之一。水電解制得的氫氣，能廣泛應(yīng)用于玻璃制造、水電、化工、氣象等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。QDQ2-1型電解水制氫系統(tǒng)，是目前我國氣象部門高空氣象探測[3-4]中普遍使用的電解水制氫設(shè)備。在水電解制氫過程中，壓力系統(tǒng)承擔(dān)了非常重要的角色，系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行，有賴于各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)防控措施的落實(shí)。

高空氣象探測業(yè)務(wù)正常開展的關(guān)鍵之一，就是要保證制氫用氫工作的安全。由于氫氣具有易燃燒、易爆炸的特性，并且在高空氣象觀測站的涉氫業(yè)務(wù)中存在著泄漏的安全隱患、制氫用氫時(shí)間長，工作稍有疏漏就有釀成重大安全事故的可能。在涉氫業(yè)務(wù)的安全方面，中國氣象局也下發(fā)了相關(guān)的通知和要求。因此，QDQ2-1型電解水制氫系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)防控，有著顯著的必要性和迫切性。

隨著近年來對QDQ2-1型電解水制氫系統(tǒng)維護(hù)保障和經(jīng)驗(yàn)積累的反饋，對于涉及到系統(tǒng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)規(guī)定、維護(hù)維修技能等方面，尚有不少經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得總結(jié)、改進(jìn)和完善。本文從制氫用氫的安全角度出發(fā)，分析QDQ2-1型電解水制氫設(shè)備壓力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中容易出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素，從技術(shù)規(guī)定、安全管理、現(xiàn)場處置措施、應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施等方面提出風(fēng)險(xiǎn)防控的相應(yīng)措施，以確保設(shè)備在安全狀態(tài)中運(yùn)行[5-6]，有效地遏制安全事故的發(fā)生。

2 QDQ2-1型電解水制氫系統(tǒng)

QDQ2-1型電解水制氫設(shè)備主要由 10個(gè)系統(tǒng)組成，包括：氣體系統(tǒng)、電解水循環(huán)系統(tǒng)、蒸餾水補(bǔ)充系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、單項(xiàng)流動(dòng)控制系統(tǒng)、氣體排空系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、壓力溫度報(bào)警系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)以及氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)。其中列入特種設(shè)備管理的壓力系統(tǒng)包括壓力管道、壓力平衡系統(tǒng)以及氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)(儲(chǔ)氫壓力容器)。

3 儲(chǔ)氫壓力容器

①《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》規(guī)定，儲(chǔ)氫壓力容器(儲(chǔ)氫罐、充裝氣瓶)作為特種設(shè)備，必須按規(guī)定時(shí)間周期進(jìn)行檢驗(yàn)[8]；《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》以及《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定，壓力容器按3 a大檢(氣密性檢查)、1 a小檢(年度檢查)的周期進(jìn)行檢定，并在安全檢驗(yàn)合格有效期內(nèi)使用。

②高空氣象觀測站作為儲(chǔ)氫壓力容器的使用單位，在定期檢驗(yàn)時(shí)，必須提供壓力容器的資料，包括：容器合格證、監(jiān)檢證書、質(zhì)量證明書、竣工圖等；所使用的儲(chǔ)氫壓力容器的明顯部位，應(yīng)裝設(shè)有容器的銘牌，銘牌的參數(shù)信息包括：設(shè)備代碼、容器名稱、容器編號、容器標(biāo)準(zhǔn)、容器分類、主體材料、自重及容積、介質(zhì)名稱、設(shè)置壓力、設(shè)計(jì)溫度、制造單位名稱、制造單位許可證級別以及許可證編號、制造日期等。《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，對于檢驗(yàn)不符合要求的儲(chǔ)氫壓力容器，不得繼續(xù)使用。

4 風(fēng)險(xiǎn)因素分析

QDQ2-1型電解水制氫壓力系統(tǒng)(壓力管道、壓力平衡系統(tǒng)以及儲(chǔ)氫壓力容器)安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有：

①儲(chǔ)氫壓力容器上部的壓力表、安全閥安裝不良或故障；儲(chǔ)氫壓力容器出現(xiàn)小裂縫或小沙眼；由于壓力控制閥故障無法自動(dòng)關(guān)閉而造成的超壓；氫氧分析閥故障關(guān)閉不緊、減壓閥或增壓閥磨損、氫氧分離器中平衡閥故障；壓力管道出氣閥或進(jìn)氣閥門不密封；壓力管道出現(xiàn)小裂縫等等，任何環(huán)節(jié)的氫氣泄漏，都會(huì)造成很大的安全隱患[7]。

②氫氣易泄漏，泄漏速度約為空氣的2倍；氫氣易擴(kuò)散，擴(kuò)散速度約比空氣快3.8倍；氫氣易燃燒，是一種易燃性窒息性的氣體，著火能級僅0.019 mJ，比化纖織物磨擦產(chǎn)生的靜電都要小幾倍；氫氣易爆炸，由于其無色無味無嗅，泄漏時(shí)不容易發(fā)覺，與氧氣或空氣混合時(shí)形成易燃易爆混合物，混合比很寬，在空氣中的爆炸極限為4.0%～75%；點(diǎn)燃爆炸混合物所需要的能量很低，無法察覺的小火花就能引燃；爆炸混合物遇火爆炸燃燒的火焰，順風(fēng)蔓延很快。

5 風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)規(guī)定

①Q(mào)DQ2-1型電解水制氫設(shè)備的壓力系統(tǒng)(壓力管道、壓力平衡系統(tǒng)以及儲(chǔ)氫壓力容器)屬于特種設(shè)備，既要執(zhí)行《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》，也必須遵循《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》、《特種設(shè)備作業(yè)人員監(jiān)督管理辦法》、《特種設(shè)備作業(yè)人員考核規(guī)則》等法律法規(guī)。

②儲(chǔ)氫壓力容器在投入使用前或者投入使用后30日內(nèi)，高空氣象觀測站應(yīng)當(dāng)按照《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的要求，向負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門辦理使用登記，領(lǐng)取使用登記證和登記標(biāo)志；登記標(biāo)志應(yīng)當(dāng)置于或者附著于儲(chǔ)氫壓力容器的顯著位置。

6 安全管理和應(yīng)急預(yù)案

風(fēng)險(xiǎn)包括失效的可能與失效的后果，因此降低失效可能性或失效后果的所有措施，都能起到風(fēng)險(xiǎn)防控的效果[9]。為了有效地遏制安全事故的發(fā)生，高空氣象觀測站在制氫用氫工作中，必須按照《國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第88號令》的規(guī)定，建立應(yīng)急預(yù)案，依法依規(guī)、遵循以人為本、注重實(shí)效、符合實(shí)際的原則，以應(yīng)急處置為核心，規(guī)范應(yīng)急程序、明確應(yīng)急職能，細(xì)化保障措施。

①電解水制氫設(shè)備的日常安全管理措施包括：“三落實(shí)”：落實(shí)管理機(jī)構(gòu)、落實(shí)安全管理人員、落實(shí)管理制度；“有兩證”：設(shè)備有使用證、作業(yè)人員有上崗證；“一檢驗(yàn)”：按規(guī)定定期檢驗(yàn)；“一預(yù)案”：建立應(yīng)急預(yù)案。

②為避免發(fā)生安全事故，根據(jù)《特種設(shè)備現(xiàn)場安全監(jiān)督檢查規(guī)則》，我們制定了《壓力容器安全管理制度》，如圖1。

圖1 壓力容器安全管理制度Fig.1 Safety management system of the pressure vessel

嚴(yán)格執(zhí)行《QDQ2-1型電解水使用安全規(guī)程》、《安全注意事項(xiàng)》、《突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案》等規(guī)定，落實(shí)相關(guān)責(zé)任人，并張貼上墻，如圖2。

圖2 突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案Fig.2 Emergency plan of the sudden events

7 風(fēng)險(xiǎn)防控現(xiàn)場處置措施

實(shí)施全過程監(jiān)督管理模式：定期或不定期對電解水設(shè)備進(jìn)行檢測、維修，及時(shí)排除故障隱患，尤其是最容易出現(xiàn)安全事故的壓力系統(tǒng)，必須做好風(fēng)險(xiǎn)防控的現(xiàn)場處置措施：

①檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的安全監(jiān)察：嚴(yán)格執(zhí)行《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定，按照1 a小檢(年度檢查)、3 a大檢(氣密性檢查)的周期進(jìn)行檢定。

②專項(xiàng)監(jiān)督檢查：對儲(chǔ)氫壓力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行符合性驗(yàn)證，定期或不定期檢測降溫、降壓系統(tǒng)，檢查進(jìn)出氣閥、安全閥、壓力表是否符合規(guī)定，保證泄壓裝置(安全閥)靈敏可靠，確保設(shè)備無故障運(yùn)行。

③制氫期間的安全監(jiān)察：值班人員必須持證上崗。在電解水設(shè)備運(yùn)行期間，嚴(yán)格按規(guī)定巡回檢查，發(fā)現(xiàn)不正常情況出現(xiàn)立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整或排除，以免事態(tài)惡化。

④嚴(yán)防氫氣泄漏：認(rèn)真檢查水電解設(shè)備的各個(gè)系統(tǒng)，杜絕安全隱患。特別是儲(chǔ)氫壓力系統(tǒng)出現(xiàn)氫氣泄漏時(shí)，必須迅速關(guān)機(jī)，停止制氫，采取有效措施控制泄漏，并按規(guī)定及時(shí)上報(bào)。例如，在實(shí)際工作中，曾經(jīng)出現(xiàn)過氫、氧分離器中平衡閥內(nèi)的閥針生銹、磨損而造成無法密封的故障，我們及時(shí)對平衡裝置進(jìn)行了改進(jìn)。全不銹鋼定制的平衡閥，使防泄漏的能力得到了提升。

⑤控制火源，防燃燒，防爆炸：包括明火控制、摩擦與撞擊火花的控制、電器火花的控制、其他火源的控制等。按《GB2894-82安全標(biāo)志》的規(guī)定，在制氫房圍墻周圍和大門口設(shè)置“氫氣危險(xiǎn)”、“嚴(yán)禁煙火 ”的安全標(biāo)志牌；按《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定設(shè)置健全的消防安全措施，消防用水、清洗用水齊備；配備足夠的 “1211”、“二氧化碳” 、“干粉”等輕便滅火器材，并按規(guī)定進(jìn)行檢查和維護(hù)；制氫用氫安全區(qū)域內(nèi)嚴(yán)禁煙火，嚴(yán)禁放置易燃易爆物品。

⑥加強(qiáng)氫氣泄漏的在線監(jiān)控：我們在制氫用氫場室設(shè)計(jì)并安裝了“氫氣泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”[10]，如果氫氣泄漏，能以聲、光、手機(jī)短信等方式報(bào)警，提醒值班人員馬上采取相應(yīng)的措施，比如關(guān)閉閥門、開啟排氣扇、維修設(shè)備等，最大限度地降低制氫用氫的安全隱患。如圖3所示：

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖Fig.3 RMON system construction design sketch map

梧州高空觀測站2015年開始應(yīng)用“制氫用氫場室氫氣泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”，2016年4月，有效地避免了一次安全事故的發(fā)生，風(fēng)險(xiǎn)防空效果明顯。

8 結(jié)語

QDQ2-1型電解水制氫設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到高空氣象探測業(yè)務(wù)的正常開展，必須嚴(yán)格執(zhí)行有效措施以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)防控：

①對于設(shè)備的工藝故障、原始缺陷、人為因素、操作失誤等危險(xiǎn)因素，必須建立嚴(yán)格的巡檢保障制度。

②水電解制氫設(shè)備的安全附件(壓力表、安全閥)，必須按規(guī)定校檢，保證泄壓裝置(安全閥)靈敏可靠；加強(qiáng)對壓力系統(tǒng)的防腐涂層以及降溫的管理，避免設(shè)備發(fā)生失效。

③判斷、處理電解水制氫系統(tǒng)故障要“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”。工作人員一時(shí)查不清故障原因時(shí)，應(yīng)迅速報(bào)告，不得盲目處理，延誤時(shí)機(jī)；單位要迅速采取有效措施，組織維修。

④處理水電解制氫設(shè)備壓力系統(tǒng)故障的一般方法有如下幾點(diǎn)：“關(guān)”——迅速關(guān)機(jī)，停止制氫，使儲(chǔ)氫壓力容器內(nèi)部壓力迅速降低。“開”——迅速開啟能安全泄壓的閥門。“噴”——采取噴淋水的方法使容器降溫。“修”——迅速采取有效措施，按照規(guī)定操作和防護(hù)措施的要求，組織維修。

⑤嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)技術(shù)規(guī)定，定期開展應(yīng)急知識、應(yīng)急預(yù)案、避險(xiǎn)逃生技能、自救互救的培訓(xùn)；每年至少組織一次專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案演練或綜合應(yīng)急預(yù)案演練，每半年至少組織一次現(xiàn)場處置方案演練，使有關(guān)人員熟悉應(yīng)急職責(zé)、了解應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容、掌握應(yīng)急處置程序和措施，避免安全事故的發(fā)生。