淺談加氫站潛在風險及安全措施

趙振峰

(青島諾誠化學品安全科技有限公司，山東 青島 266101)

隨著科技發展，地球的生態環境越來越成為發展的重要議題，尋找一種新型高效環保的可替代能源成為全世界一直在攻堅的重要課題。[1]，氫在自然界中分布很廣，在整個宇宙中，按原子百分數來說，氫是最多的元素。氫能作為一種清潔環保、高效轉化、來源多樣、可儲存運輸利用的新能源，是目前公認的一種最有可能進入實用領域的清潔能源，氫能的安全、高效、可持續利用將成為未來幾十年內引領能源產業變革的顛覆性技術[2]，也是國際國內能源領域研究的熱點。氫燃料電池汽車[3]與氫能的發展也是我國中長期科學與技術發展規劃綱要的重點基礎研究內容，也已成為世界主要汽車生產國的國家戰略。

2016年，氫能與氫氣燃料電池等氫能發展技術被國家列入未來新能源發展的重要方向和戰略新興業務重點發展領域[4]。預計到2030年，國內的氫燃料電池汽車年銷量規模可達上百萬輛，相應配套的加氫站數量將達到1000座以上[5]。因此加氫站的安全穩定長期有效運行是當下氫能安全發展利用的重點工作[6]。

高壓氣態儲氫、輸氫方式是目前相對比較成熟的一種工藝[7]，應用也最為廣泛，是現階段氫能實現產業化過程中主要的儲氫、輸氫方式[8]。高壓氫氣制備、運輸、儲存、加注和用戶使用過程中均具有潛在的氫氣泄漏、火災和爆炸風險。高壓氫氣設備管線在高壓氫氣環境下長期工作，其材質會因高壓氫脆而導致設備使用壽命下降，導致高壓氫系統泄漏風險增加。在使用過程中高壓儲氫裝置，有可能因超壓而發生超壓泄漏、火災和爆炸。

1 加氫站主要風險分析

1.1 加氫站組成

加氫站系統依據不同的功能，可分為制氫單元(站內自制氫)或站外氫氣輸送單元、氫氣調壓干燥單元、氫氣壓縮單元、氫氣儲存單元、氫氣加注售氣單元統和加氫站控制單元六個主要單元。氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、加氫機是加氫站系統的三大主要設備。

加氫站根據氫氣來源不同，通過外部供氫設備設施或者站內制氫設備獲得氫氣后，經過氫氣調壓干燥單元處理合格后，為下游氫氣壓縮單元輸送恒定壓力的干燥氫氣，隨后經氫氣壓縮機做功壓縮后，進入高壓儲氫罐組儲存，同時根據外部銷售情況，將壓縮后的高壓氫氣通過氫氣加氫機為氫氣燃料汽車進行加注。

一般加氫站沒有自制氫氣的能力，大部分需要通過氫氣長管拖車將氫氣運輸至加氫站，一般氫氣運輸在常溫、20 MPa 工作條件下進行；氫氣長管拖車到達加氫站后通過站內卸氣柱，經氫氣壓縮機壓縮增壓后，輸送至高壓儲氫瓶組；需要涉及分級加注氫氣工藝流程時，分級使用低、中、高壓三級氣源，氫氣由低到高，依次經加氫機平衡充裝至氫氣燃料汽車。

通過加氫機對氫氣燃料汽車進行氫氣加注時，先從氫氣長管拖車取氣，隨著氫氣不斷加注，氫氣長管拖車壓力降低，當氫氣長管拖車內的氫氣工作壓力與氫氣燃料汽車上的車載儲氫瓶工作壓力到達平衡時，關閉氫氣長管拖車出口閥門，終止氫氣長管拖車出氣；打開低壓氫氣瓶組出氣閥門，開始從低壓氫氣瓶組出氣，當低壓氫氣瓶組與氫氣燃料汽車車載儲氫氣瓶內工作壓力到達平衡時，車載儲氫氣瓶停止進氣，關閉低壓儲氫瓶組出口閥門；以相同方式依次從中壓儲氫氣瓶組、高壓儲氫氣瓶組取氣。如果還有其他車輛需要加注氫氣，控制系統開啟氫氣壓縮機，氫氣壓縮機從氫氣長管拖車內取氣，氫氣通過氫氣壓縮機增壓后，直接給加氫機供氣，直到汽車車載儲氫氣瓶加滿氫氣。若氫氣瓶組工作壓力低于系統控制壓力時，控制系統自動啟動氫氣壓縮機開始補壓。

1.2 加氫站主要風險及管控措施

加氫站主要有兩大類安全問題：一是加氫站的工作壓力非常高，加氫站最大儲存壓力達到 90 MPa[9]。二是加氫站主要的危險物質為氫氣，氫氣在常溫、常壓條件下是一種極易燃燒、無臭、無味、無色透明且難溶于水的氣體。根據火災危險分類，氫氣是甲類氣體，是國家重點監管的危險化學品，爆炸極限(v%)為4.1～74.1，氫氣密度為 0.089 g/L，是世界上已知的密度最小的氣體，通常氫氣在1標準大氣壓和 0 ℃ 密度僅為空氣的1/14。另外，為了保證安全，氫脆問題必須考慮。因此，非常有必要對氫系統危險有害因素進行辨識，對加氫站的風險進行系統的評估以提高安全水平[10]。

高壓氫氣在制備、運輸、壓縮、儲存及后續加注和使用過程中，均具有潛在的氫氣泄漏和火災、爆炸危險[11]。主要風險及管控措施如表1所示：

表1 高壓氫氣主要風險及管控措施

2 事故分析

案例一：2012年，美國某加氫站一個氫氣瓶旋轉接口密封失效，導致瓶內高壓氫氣泄漏。該加氫站共有120個氫氣瓶，布置在加氫站頂部。氫氣傳感器感應到泄漏后發布警報，加氫站工作人員迅速采取緊急關閉措施，然后將失效的氫氣瓶與周邊其他氫氣瓶隔離并報警。泄漏氫氣沒有產生火焰，該事故沒有造成人員傷亡，造成了較少的經濟損失。事故發生后不久，該加氫站對每個氫氣瓶四周安裝了耐火金屬板和半自動噴淋裝置，避免氫氣泄漏后發生著火和爆炸，對周邊氫氣瓶產生影響。

案例二：2019年5月，韓國某市一個政府氫氣能源研究項目中的加氫站儲氫罐損壞泄漏，發生氫氣爆炸事故。爆炸導致周邊一個建筑物損壞，同時造成2人死亡，6人受傷。事故主要原因是儲罐超壓卸放，零部件失效導致儲氫罐泄漏爆炸。

案例三：2019年6月，挪威某地區一個加氫站設備損壞，氫氣泄漏后發生火災和爆炸，導致該加氫站被爆炸損壞，還導致了加氫站臨近馬路汽車損壞，周邊道路交通癱瘓。事后經調查，引起事故的主要原因是加氫站高壓儲存裝置的一個儲罐插頭螺栓預緊力不足，長時間工作導致儲氫罐插頭損壞，氫氣泄漏至外界，遇點火源發生火災爆炸。

通過以上事故，加氫站中設備一個細小的閥門或插頭的失效，都會導致極易燃爆的氫氣發生巨大的火災爆炸事故，足以摧毀一座耗資巨大的加氫站，對站內人員及來往氫氣燃料汽車瞬間產生傷害，甚至波及周圍居民及建構筑物的安全。

針對以上事故分析，事故發生均有加氫站內部分零部件缺陷或安裝失誤，導致高壓氫氣泄漏，因此應加強人員培訓，識別高壓氫泄漏風險，同時加強對加氫站零部件檢測，減少零部件缺陷導致的泄漏事故。

根據目前事故影響范圍，建議在項目建設初期進行定量風險評估，確定加氫站外部安全距離及加氫站發生氫氣火災爆炸時對周邊的爆炸沖擊及熱輻射影響，并根據加氫站周邊環境設置防爆墻等措施，降低加氫站爆炸火災后果，確保周邊處于安全區域。

3 結語

現在氫能產業發展很快，高壓氣態儲氫、輸氫方式目前相對比較成熟，應用也最為廣泛，是現階段氫能實現產業化過程中主要的儲氫、輸氫方式。

一旦氫氣加氫站發生泄漏，引發站內火災、爆炸事故時，為防止氫氣泄漏事故擴大及蔓延，一般應制定相應氫氣泄漏應急預案，發生氫氣泄漏時，應即時啟動緊急停車按鈕，切斷氫氣輸送來源、切斷站內電源等，運營管理規程中應將切斷電源、切斷氫氣源作為站內應急重要手段嚴格要求，并應在氫氣系統的設計、建造時為切斷氫氣源創造條件，再加氫機、壓縮機及卸氣區等氫氣可能泄漏區域設置緊急切斷按鈕，方便人員切斷氫氣及電源。

通過以上分析，氫的火災、爆炸問題是加氫站安全設計、平面布局過程中優先考慮的安全問題。有必要針對加氫站火災、爆炸風險進行專題分析研究，確定加氫站典型火災、爆炸事故發生后的影響區域，明確加氫站與外部環境的安全間距問題，提出降低火災、爆炸風險的措施，保證加氫站的安全穩定運行，為我國在新能源產業的布局提供技術支撐。