淺談加氫站安全設計

葉召陽

（佛山市佛鐵實業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

加氫站是氫能產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，目前絕大多數(shù)國家都把加氫站作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口，提前規(guī)劃布局加氫站的建設。但是，加氫站的安全不容忽視，2019年，挪威就發(fā)生過一起加氫站著火爆炸事故導致2人受傷。不過，在我國，截至目前，運營的加氫站中未發(fā)生過重大安全生產(chǎn)事故，也可見國家對安全的把控是越來越嚴。

本文將對加氫站在設計、建設及運營的安全方面作闡述。

1 氫氣特性

氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體，難溶于水。常溫下，氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定，不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學反應。但氫氣是一種極易燃的氣體，燃點只有574℃，在空氣中的體積分數(shù)為4%～75%時都能燃燒。

氫氣的特性可總結為：易泄漏、擴散；易從非金屬中滲透；易與金屬發(fā)生氫脆；易燃(點燃/自燃）；易發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟；爆炸能量當量高；無色無臭不易察覺；氫火焰溫度高且白天不可見等。

2 氫氣安全設計原則

氫氣有4大安全設計原則：盡可能減少氫氣泄漏；防止氫氣在密閉空間中聚集；防止氫氣與空氣混合形成可燃性混合氣體；及避免或減少點火源（如手機信號、靜電摩擦等）。

因此，對于加氫站內(nèi)設備材料屬性要求選擇下列材質(zhì)：316L或316Ti不銹鋼；青銅；黃銅；鋁；銅-鈹合金（不膨脹）；多數(shù)塑料（低滲透性的，尤其是尼龍和Zytel）。根據(jù)氫脆的性質(zhì)，下列材料是嚴禁選擇的：高強度碳鋼；蒙奈爾銅鎳合金；鎳合金；許多高滲透性塑料等。

在材料連接方式上：一是應優(yōu)選焊接方式；二是選用法蘭連接，其中墊片耐溫大于538℃，采用凹凸密封面形式；三是可采用錐形螺紋、卡套方式，當采用螺紋連接時要用耐高溫材料，卡套連接時扭矩也應遵守相應規(guī)定；四是禁止使用膠黏劑連接方式，因為其不耐高溫且不耐壓。

3 加氫站安全設計理念

對于加氫站安全防范設計理念，可以大致分為3個狀態(tài)共5層：事前本征安全、事中主動安全和事后被動安全（第1～5層）。

（1）事前本征安全（第1層），即氫不泄漏。要求加氫站內(nèi)工藝系統(tǒng)與設備本質(zhì)安全設計要重視。

（2）事中主動安全（第2～4層）：①第2層：若泄漏可及時檢測到，并能夠采取措施控制進一步泄漏擴散。要求做好安防控制系統(tǒng)設計。②第3層：發(fā)生泄漏，措施得當，通風良好，不會產(chǎn)生積聚。要求做好建筑和安全設計。③第4層：杜絕點火源。要求做好電氣防爆設計以及嚴禁煙火等安全制度。

（3）事后被動安全（第5層）：萬一發(fā)生火災，也不會對周圍產(chǎn)生影響或影響控制在最小范圍。要求加氫站配備防爆墻、安全間距等安全措施，并做好應急處理預案/措施等。

4 加氫站關鍵設備安全設計

加氫站的關鍵設備主要有加氫機、壓縮機、儲氫裝置、安防系統(tǒng)等。

（1）加氫機。加氫機應符合國標GB/T 31138《汽車用壓縮氫氣加氫機》。加氫機的安全設計主要包括防爆設計、泄漏檢測、限壓保護、拉斷閥、緊急切斷等。因此，需要嚴格的零部件選型，大量的實驗和使用經(jīng)驗所得的控制策略，再配上多重安全保護、嚴謹?shù)姆辣O計以及多方面參考國內(nèi)外氫氣行業(yè)標準得來。

（2）壓縮機。加氫站用高壓氫氣壓縮機安全設計主要包括防爆設計、安全閥、膜片泄漏自檢、各類報警保護、緊急切斷等。氫氣壓縮機的安全保護裝置設置應符合現(xiàn)行國家標準GB50516《加氫站技術規(guī)范》中相關規(guī)定。壓縮機應根據(jù)排量要求、氣源特點、吸氣及排氣壓力選取合適的類型，如隔膜式、增壓泵式、離子式等。隔膜式壓縮機排氣量少，不能頻繁啟停，不適用帶載啟停。增壓泵式（氣驅(qū)或液驅(qū)）壓縮機可多級串并聯(lián)達到大排氣量，適合頻繁啟停，但耗能高。離子液體壓縮機可實現(xiàn)氫氣無污染壓縮，且效率較高，但成本耗費高。

（3）儲氫裝置。加氫站用儲氫裝置常用儲氫罐或無縫管式儲氣瓶，安全設計主要包括強度試驗壓力、爆破試驗壓力、疲勞試驗、安全閥等，需滿足GB/T34583《加氫站用儲氫裝置安全技術要求》。容器材料、設計、制造、使用管理等方面應遵循T/CATSI05003《加氫站儲氫壓力容器專項技術要求》。儲氫裝置的儲氫能力應滿足壓力、供氫方式、充氫壓力、氫氣充裝量以及均衡連續(xù)供氣的要求，儲氫裝置易采用分級設置，合適的分級容積比有利于提高氫氣利用率。此外，儲氫裝置需要考慮材料抗氫脆性能、抗疲勞性能、使用壽命和定期檢驗等方面的問題。

（4）安防系統(tǒng)。加氫站的安防系統(tǒng)主要包括可燃氣體檢測、火災檢測以及中央監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、緊急切斷等。具體可參考團體標準TCSTE0011《加氫站視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術要求》。①可燃氣體檢測報警系統(tǒng)，檢測到空氣中的氫氣含量達到0.4%時應觸發(fā)光報警信號，當空氣中的氫氣含量達到1%時應啟動相應事故排風風機，當空氣中的氫氣含量達到1.6%時，應觸發(fā)加氫站緊急切斷系統(tǒng)。②火災探測器，當探測到火災信號時應觸發(fā)加氫站緊急切斷系統(tǒng)。③中央監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集和記錄各主要工藝設備的運行狀態(tài)及參數(shù)。④緊急切斷系統(tǒng)應能在事故狀態(tài)下迅速切斷站內(nèi)各工藝設施的動力電源和關閉可燃介質(zhì)管道閥門。除此之外，還應具有失效保護功能。

（5）其余部件。除上述外還應做好管路系統(tǒng)、卸氣柱、放散管、主體建筑等安全設計。對于管路系統(tǒng)，應保證采用高強度316不銹鋼，設計壓力138MPa，接頭有超壓泄放功能（緊湊錐面螺紋連接）；對于卸氣柱，應包含拉斷閥、安全閥和氮氣吹掃設計；對于放散管，要考慮阻火器設計；對于主體建筑物，要考慮所有建筑頂棚不留死角，不積聚氫氣。

5 加氫站的安全防范設施

加氫站內(nèi)安全措施種類繁多，包括氫氣探測、火焰探測、緊急制動、緊急切斷閥、安全閥、防爆墻、噴淋裝置、靜電裝置、防雷接地裝置、消防設施等在內(nèi)的至少20多種，并且多數(shù)情況下幾個安全措施是聯(lián)合協(xié)同才能發(fā)揮應有的效果。

加氫站內(nèi)的主要安全措施可分為以下5大類。

（1）控制泄漏措施，即降低泄漏頻率。一是降低單次泄漏概率的措施，如減少連接部件的個數(shù)；管道連接優(yōu)選焊接，法蘭連接或螺紋連接則用耐高溫材料。二是減少持續(xù)泄漏時間的措施，如布置氫泄漏傳感器，與緊急制動系統(tǒng)連接等。

（2）控制火源措施，即降低點火概率。一是預防摩擦和靜電，如設置靜電接地措施；人員禁止穿帶鐵釘鞋和化纖衣服等。二是防止電器火花和雷電，如采用防爆電器設備、部署防雷設施等。三是站內(nèi)嚴禁煙火。

（3）防止爆炸措施，即減少受限空間、防止物理爆炸。一是采用開放式設計，即整個加氫站采用開放式設計，不留氣體聚集死角；爆炸危險區(qū)房間設置通風系統(tǒng)等。二是防止儲氫容器物理爆炸，如設置噴淋降溫裝置，加裝安全閥和爆破片等安全泄壓措施等。三是保證氮氣吹掃系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

（4）緊急響應措施，即防止事故升級。一是設置氫氣火焰探測器，與緊急制動系統(tǒng)連接，可立即切斷氫源。二是配置完整的消防設施。三是做好緊急響應計劃、應急預案，加強員工應急培訓等。

（5）保護特殊區(qū)域的措施，即在重要設備附近建立實體圍墻，如卸氫區(qū)域、壓縮機附近、儲氫容器附近等。

6 金屬軟管的注意事項

根據(jù)氫氣事故統(tǒng)計和分析表明，無論在氫氣充裝過程還是現(xiàn)場使用氫氣時，金屬軟管都是一個薄弱環(huán)節(jié)。設計、制造過程中的缺陷、使用過程不恰當都有可能導致金屬軟管破裂從而導致氫氣泄漏引發(fā)火災。因此，金屬軟管的選擇和使用需要重點關注下列情況：

（1）材質(zhì)宜選擇316L波紋管+金屬編織保護層，口徑不大于10mm，長度不大于5m。

（2）連接方式宜采用金屬曲面密封加左旋螺紋。

（3）需經(jīng)過耐壓測試、密封性測試、液壓循環(huán)試驗、爆破試驗以及彎曲循環(huán)試驗。

（4）檢查金屬軟管外部是否變形、保護層破損；要配套防甩保護安全繩；每次使用時要進行檢漏；使用時應保持軟管自然狀態(tài)，避免扭曲拉伸彎曲半徑過小等，同時還要防止被拖曳。

（5）使用壽命原則上小于1年或者使用次數(shù)小于1300次。

7 工藝過程危險性分析

加氫站運行的工藝可分為三部分：卸車過程、增壓過程以及加氫過程。

（1）卸車過程。是指氫氣長管拖車進入站區(qū)卸車位，固定車輛并連接卸車軟管，通過卸氣柱將氫氣從管束內(nèi)卸載，并輸送至氫氣增壓系統(tǒng)的過程。主要危險性為：①在初次卸氣前或者對卸氣柱維護后，卸氣柱內(nèi)會積存空氣，若未對管道進行吹掃或吹掃不干凈，則存在氫氣與管內(nèi)空氣混合達到氫氣爆炸極限可能性。②在卸車過程中，未控制氣體流速。如果氣體流速過快會導致管道中靜電急劇增加以及引起溫度升高，可能發(fā)生火災爆炸事故。③長管拖車與卸氣柱的充裝口連接時，若連接不到位，造成氫氣泄漏。④加氫站的靜電接地線與長管拖車的框架管束的導靜電片未進行連接，可能發(fā)生火災爆炸事故。⑤長管拖車車頭移走過程中，支撐支柱固定不穩(wěn)或支撐不到位，可能導致長管拖車移動，拉斷管線，導致氫氣泄漏事故。

（2）增壓過程。是指來自卸氣柱的氫氣進入增壓系統(tǒng)，在壓縮機內(nèi)氫氣經(jīng)過壓縮，匯集后通過換熱冷卻后排出，分別充入高壓、中壓、低壓儲氫容器中的過程。主要危險性為：①冷卻機組出現(xiàn)狀況，如冷水機組出水溫度過高、冷卻水流量過小或冷卻水斷流等情況，則難以降低氫氣壓縮機和固定儲氫瓶罐的溫度，可能造成物理爆炸。②高壓管道安裝固定缺失造成高壓管道震動、磨損、震烈管道，引起管道泄漏。

（3）加氫過程。是指氫燃料電池車輛進站進行氫氣充裝的過程。主要危險性為：①設備密封性能降低或失效導致氫氣泄漏。②加氫時，汽車意外啟動導致加氫軟管拉斷，或加氫軟管未設置拉斷閥或拉斷閥失效。③駕駛員違反站內(nèi)規(guī)定，如吸煙、接打電話等行為、車輛未熄火等錯誤操作。④加氫操作人員未進行相關培訓，操作失誤造成氫氣泄漏等。

8 加氫站的安全運營管理

（1）加氫站應建立健全的安全生產(chǎn)規(guī)章制度和崗位操作規(guī)程；有符合國家規(guī)定的危險化學品事故應急預案，并配備必要的應急救援器材、設備；由于氫氣屬于重點監(jiān)管的危險化學品，應按《首批重點監(jiān)管的危險化學品安全措施和事故應急處置原則》的要求，加強氫氣的經(jīng)營儲存管理。

（2）在人員配置方面，要求配備足額的人員以保證24小時不間斷的值守；對于負責加氫站全面管理工作的站長，需要持特種設備安全管理人員證（A證）及主要負責人證；對于其余從業(yè)人員，需持移動式壓力容器充裝(R2證)以及氣瓶作業(yè)操作證（P證)。所有人員都應依照有關規(guī)定經(jīng)安全生產(chǎn)教育和專業(yè)技術培訓合格后上崗。

（3）在日常運營管理方面，所有從業(yè)人員不穿化纖材質(zhì)的衣服，不穿戴帶鐵或釘?shù)陌踩Ｔ诎脖：腿藛T進出管理方面，入口處均應粘貼警示標志，禁止吸煙、使用手機等，四周應鋼制柵欄包圍隔離。在巡檢方面，要多使用便攜式氫氣探頭對卸氫區(qū)、壓縮機處、管道連接處、加氫區(qū)進行檢測。

（4）在加氫站內(nèi)設備及管道等維護方面，對特種設備和安全附件進行經(jīng)常性日常維護保養(yǎng)、定期自檢，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，并記錄；管道需要進行定期檢查，每季度至少進行一次外部檢查、管道每年至少進行一次重點檢查、每三年至少進行一次全面檢查；定期對站內(nèi)設備、管道、閥門、附件等進行安全檢查，保證設備、管道閥門、附件等完好，一旦發(fā)現(xiàn)有損壞情況，必須立即進行妥善處理；防雷設施應定期請當?shù)胤览自O施檢測所檢測，平時應注意防雷設施的保養(yǎng)。

9 結語

加氫站是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎設施。要充分保障加氫站的安全使用，應從設計、建造、審批、運行和監(jiān)管等各環(huán)節(jié)采取科學有效的措施。本文對加氫站的關鍵設備安全設計、安全防范措施、長管拖車、金屬軟管及安全運營管理等方面進行簡單分析，為加氫站的安全設計提供一定參考。