氫能利用安全技術研究與標準體系建設思考

李昆鵬，徐 鵬，熊聯友，楊 坤，王青青，李 璐

（北京中科富海低溫科技有限公司，北京 100190）

隨著能源需求持續增長，能源對環境造成的污染等一系列問題逐漸凸顯出來，這就要認識到利用、開發新能源的迫切性。氫能來源廣泛又便于儲存和運輸，它是清潔型能源，使用過程高效又環保，又可以使化石能源的使用過程更加高效，也是可再生能源能夠大規模使用的助推劑。氫在自然界中的重量是最輕的，它易泄漏、擴散，本身又無色無味因而一旦泄露不容易發現，如果在空間有限的環境發生氫氣泄露，氫氣會聚集，容易發生爆炸。液氫沸點低，密度高，一旦泄露會使周圍的空氣遇冷發生凝結，若是泄露面積過大就會導致地面出現液池，氫液在蒸發遇到空氣后就成了可燃氣云，加劇了爆炸的可能性。進入21世紀，許多發達國家都規劃了氫能的發展，我國想占據能源競爭的主動地位，還需加大對氫能技術的研究，健全氫能技術領域的標準。

1 氫安全研究概況

安全用氫體現在氫的生產和儲運、應用等方面，安全性是確保氫實現商業化發展與應用的關鍵。美國國航局正致力于氫能在結構、絕熱方面的優化研究，分析溫度驟變和振動、波動載荷等對裝液氫的容器在真空隔熱性和結構完整方面的影響。中國特檢院重點研究液氫、LNG等低溫壓力容器領域，主要是研究材料性能和在用檢測評估技術；北航101所自主開發了響應速度快、精度高的氫濃度傳感器，動作時間僅需1 s，國際領先；中國安全生產科學研究院研發了區域性定量風險評價軟件，已成為國內許多安全評價機構必須配備的風險定量軟件，也使DNV、TNO不再為國外所壟斷。放眼國內外，研究氫安全已從經驗、半經驗化邁向經驗化，核心就是實現氫安全可度量、可防范、可遵照。

液氫項目是近年來國家的重點科研方向，對氫的安全使用提出了標準的要求，2019年重點是供儲氫系統的監測和實時預警以及液體儲供氫系統，2020年重點是氫氣液化過程的風險量化和應急分析以及安全防護、預警，開發優化液氫加氫站的工藝流程，在氣氫與液氫加氫站的風險性、安全性及對比量化分析等方面明確了考核標準，北京航天試驗技術研究所、中國特種設備檢測研究院、西安交通大學等在液氫的安全研究領域都有一定的科研優勢。

2 氫與材料的相容性問題

高壓氫氣系統在選擇金屬原料時一個重要問題就是氫與材料的相容性，這與安全使用儲氫瓶、管線和閥門、儀表、管件等息息相關。在特定的溫度和壓力下，氫氣會解離成為氫原子，氫原子很小可以滲入金屬材料，在金屬材料內部變化成為氫分子，由于材料中有碳，氫遇碳會出現脫碳反應生成甲烷氣體，在材料內部會就出現很大的壓力，這降低材料的屈服強度、塑性從而發生裂紋、斷裂。人們一直在持續研究高溫、高壓、臨氫環境下的金屬選擇與預防氫脆工作。在150～820 ℃溫度范圍內進行的臨氫作業用鋼材料來預防微裂、脫碳的極限，可視為FCEV供氫系統下選擇金屬材料的參考，但FCEV供氫系統的特點是壓力高而溫度不高，有一部分是低溫環境，所用的是高純度氫氣，研究如何才能選好材料預防氫脆、加強氫與材料的相容性是十分必要的，由于FCEV供氫系統要長期處在升壓、降壓循環往復的環境，在選擇材料時對材料的抗疲勞性也要重點注意。

3 氫氣的安全利用原則

氫氣、天然氣都易燃易爆，就物理、化學性質而言氫氣要比天然氣的危險性低。天然氣早已成為人們日常使用的燃氣，氫氣若能像天然氣一樣實現安全管理、做好安全防護措施，就能安全利用氫能。結合氫氣的物理化學特點以及天然氣使用的安全經驗，實現安全利用氫氣應抓好三個原則：一是不泄漏，就是預防氫氣特別是壓縮后的氫氣出現泄漏，要保證儲氫瓶和閥門、安全閥以及管件、連接件、儀表、接頭、墊圈的可靠運行就要選擇那些與氫相容性較好的材料。二是早發現，就是一旦氫泄漏要盡早發現，易出現氫泄漏的地方要設置敏感度較高的氫氣濃度檢測儀和自動報警設備，氫泄漏一旦出現能立即自動報警。三是不積累，就是預防氫氣泄漏導致大面積聚積，氫氣壓縮機間和存放加氫站儲氫瓶的受限空間要通風良好，容易產生氫泄漏的地方還要加設防爆炸強制通風儀器，它與氫氣的檢測報警設備同時運行，一旦氫氣泄漏要能立即強制通風，加快氫氣擴散向空氣的速度。

4 氫能源安全風險控制措施

4.1 各環節落實消防安全控制責任

對生產加工氫能源的企業而言，從消防安全責任人到安全管理人到企業一線員工都必須接受消防安全培訓，只有人人都主動做好消防安全，踐行好消防安全職責，才能形成良好的企業安全氣氛，就不會發生火災。因此，從事氫能源加工的企業，其消防安全責任人要嚴格遵守國務院《消防安全責任制實施辦法》的各種要求，依據法律、法規、制度，扎實落實安全責任并制定企業內部的消防安全工作辦法，統一做好消防經費預算和計劃，從上至下守好消防安全責任關。企業的消防負責人主要做好單位消防工作的貫徹和落實，嚴格貫徹公安部61號令的規定，定期進行防火檢查、巡查工作，保證企業的消防工具全面、好用，定期進行消防知識培訓，舉辦消防演練，讓員工充分了解火災的危害以及自己的法定安全職責。定期或不定期對消防設施進行突擊檢查，重點檢查火災報警系統、火災報警探測器的運行情況，保證其能夠正常使用，按時完成檢驗、校正消防工具的工作，定期檢查火災報警系統的聯鎖運行狀況。

4.2 提升氫能源安全工程消防技術水平

常溫常壓的環境下氫是氣態，發生火災就屬于C類火災，液體狀態下的氫發生火災就屬于B類火災。撲救B、C類火災時只能采用氣體滅火劑。目前我國常見的氣體滅火劑是二氧化碳滅火劑、IG541滅火劑，缺點是存儲容量較小、滅火速度慢。可以預想，氫能源未來會在許多領域當中得到廣泛使用，國家也會不斷建設存儲容量較大的加氫站，傳統的滅火劑對未來出現的新能源火災可能無計可施，氫能源的廠房一旦發生大規模火災，傳統的氣體滅火劑的撲救工作就會顯得“杯水車薪”。 另外在生產、使用火災探測器方面也都不同程度出現了相似問題。在升級消防器材、材料和電氣、自控消防系統的過程中要考慮到當前氫能源產業的市場需求，有針對性地研發、生產滅火劑和消防器械，重點是提升氫能源可燃氣體的監測和紅外火焰、光纖測溫和火焰圖像探測技術以及消防聯動操控技術，提高氫燃燒、氫爆炸事故中的消防器材使用效果以及火災前期的監控、預防和滅火設施使用過程中的效果，確保氫能源的使用安全可以得到有效的消防保護。

4.3 應根據時代發展完善氫能源消防安全法規

我國快速發展經濟和科技，但是相關法律和規章還沒有得到有效的完善，在利用氫能的過程中要依照特定的管理辦法和組織體系來發展技術、更新設備，但是整體上對儲運、使用氫能源的管理辦法較少，行業內沒有形成一套有權威的制度體系，整體上對氫能源的管理還需要加強細節把控，在跨地區運輸氫能源時還有著管理制度同管理工作不協調的尷尬局面，在實際落實氫能源安全管理層面也有一定的局限和障礙。國家、政府在未來要對新型能源領域加強關注，保證其安全使用、生產，分析氫能源的生產、儲運環節和消防需要，制定規范使其可以很好地指導消防安全工作，全力確保氫能源使用過程中生產廠房、庫房的消防工程應用效果，針對氫的生產、儲運過程做出明確的消防指導，列明其生產的原材料、消防設施配備數量，并詳實規定氫能源行業中間衍生物的儲存辦法等消防規定。建立健全氫能源領域的消防安全評價細則，結合企業消防工作開展情況為企業進行綜合打分，對規定時間內得分較低的企業實行停頓、整改，使氫能源行業的消防安全要求得到最根本的保證。

4.4 強化氫能源行業人員消防安全培訓的效力

氫能源行業需要各企業較多的生產人員，生產工人對于消防工序的操作和控制都極大影響到了氫能源的安全生產，當前的社會背景，人們普遍不能正確認識和足夠重視消防安全知識，一些企業的員工還存在僥幸心理和經驗主義，導致不規范操作。結合氫能源各安全方面的風險分析和評價結果，做好氫能源生產、存儲運輸和使用過程中的安全培訓對保證人員操作的安全、規范具有促進作用，由于培訓會緊密圍繞消防事故的講解作為培訓內容，也能對從事氫能源的工作人員起到積極的安全從業教育，提高規范操作的認知能力，確保在生產一線能有效落實消防安全規程，并且培訓組織者在培訓時還要做好對消防設施、藥劑的使用方式的培訓，保證氫能源行業全流程的工作人員可以熟練掌握消防器材的操作方法和消防知識。

5 氫能安全技術研究與標準體系建設的建議

5.1 總體規劃設計，加大科技投入

要建立以實驗室為主導地位，其他社會力量廣泛參與的科研體系，實現氫的安全使用才能實現FCEV發展目標，發展氫能應該由國家的安全部門來設計總體規劃部署并建立國家氫能安全重點試驗示范點。學習外國的經驗，了解氫能技術發展要涉及的研究項目和必不可少的實驗器材、設備，建設所需資金以及維持研究所需經費都應納入國家財政支出，保證資金適時投入。實驗室的科研工作應該由國家安全主管部門進行管理，國家實驗室負責制定氫能安全使用的標準和規范。

實現氫能的安全利用與研究還需要地方政府、企業的支持，面向省市、企業放開氫能建設條件允許其進行氫的檢測，研究機構要得到國家安全部門的審核通過，相關儀器設施和技術水平要滿足國家規范的規定，可以有條件的接受氫能建設所需的檢測合格的設備、材料、閥門和管件、加氫槍、儀器儀表等。逐漸建立以國家重點科研室為主體地位、社會力量參與其中的科研體系。

5.2 加快修訂完善車用氫能安全標準體系

車用氫能的相關制度可以有力支撐FCEV產業和其他產業，促進產業健康、科學發展，在開發、利用車用氫能技術時涵蓋到制氫技術和壓縮氫氣技術以及氫液化后的儲運、加注和燃料電池、FCEV等許多層面，要保證安全還要發展FCEV 行業。在車用氫能方面日本的組織體系相對先進和完整，建立了適用FCEV、高壓氫系統（涵蓋高壓儲氫瓶和高壓容器的總閥門在內）的《高壓氣體保安法》，適用于車輛行業的《道路運送車輛法》。適用于加氫站的法律規范有：《消防法》《建筑基準法》《高壓氣體保安法》《加氫站安全檢查標準》等。我國在FCEV 領域的探索也在持續升溫，但和FCEV 安全相關的強制性規范和準則還不夠完整，先進性不足。比如《加氫站技術規范》，還是十年前結合國外的制度規范經過國內專家組論證后編寫制定的。近十年，國際上氫能產業快速發展，安全規程也在被改進和完善，應在系統研究氫能技術和學習國外先進經驗的基礎上發展我國的車用氫能技術。

5.3 重視構建 70 MPa 涉氫裝備制造體系

建立70 MPa 涉氫裝備的組織制度，可以有效支撐起FCEV發展需要。我國制造70 MPa以上的氫氣壓縮裝備的能力還遠遠趕不上日本和歐美國家，還不具備系統生產FCEV、儲氫瓶和建設加氫站所需要的設備和儀表、閥門以及壓縮機、加氫槍的能力，還依賴于進口。不破解這個技術上的制約，依托FCEV發展實現經濟的大幅增長是不可能的。制造70 MPa 涉氫裝備與我國開發、生產高端設備和新材料息息相關，也是檢驗裝備制造行業發展水平的指標。要在科研層面加大投入，開展科研攻堅，使得生產70 MPa、90 MPa儲氫瓶、氫氣壓縮機及關鍵零部件，如閥門和儀表、氫氣火焰傳感器、高靈敏氫氣檢測傳感器的能力大幅提升，早日完成中國獨立生產 70 MPa 涉氫裝備。

6 結束語

氫能作為清潔能源之一被廣泛使用在工業生產、航空航天以及汽車驅動等方面，關于氫能源安全運行牽涉的范圍和內容很多，要重點研究氫氣的物理性質、化學性質以及氫氣是否和材料相容的問題，掌握安全使用氫氣的三個要點；在高壓氫能的安全使用領域努力向日本取經，學習其科研成果、安全措施。要從三個方面入手開展氫能的建設，一是總體規劃分析，在科技方面的投入要繼續加大，在氫能安全領域建立以國家實驗室為主導、其他社會科研力量為輔的科研體系；二是對車用氫能的制度和標準進行修立、完善；三是建立70 MPa 涉氫裝備科研體系。