氫氣長管拖車充裝高純高壓氫氣時的安全措施

摘" " " 要：隨著經濟的發展，高純氫氣的應用越來越廣泛，充裝長管拖車時的安全問題越來越受重視，針對氫氣的長管拖車在充裝高壓氫氣時實施的安全措施進行了總結歸納。

關" 鍵" 詞：高純氫氣；長管拖車；安全

中圖分類號：TQ116.2" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）06-0926-03

傳統能源的使用與消耗，造成了嚴重環境污染和經濟危機，給人類的生存和社會經濟的持續發展帶來了巨大的挑戰。因此開發新的替代能源就變得的越來越迫切，太陽能、風能、生物能、氫能、海洋能和地熱能等替代能源逐漸被人們所熟知。氫在眾多替代能源優點較為突出，它的來源不僅廣，并且沒有污染，燃燒時只產生水，不產生任何污染物。與其他傳統的能源物質相比，還具有能量密度高、熱轉化效率高等諸多優點。因此，氫作為一種綠色能源發展前景十分光明[1]。

氫氣本身爆炸極限范圍廣4.1%～74.12%（體積比），最小點火能低，密度特別低，易泄露易擴散，無色無味[2]，發生事故時不易被人員發現，并且一旦發生火災或爆炸事故時很難控制，極易造成人員傷亡和財產損失等重大安全事故 [3-4]。氫氣在存儲運輸過程中基本均為高壓狀態，因此高壓更是氫氣全生命周期中關注度更高的安全分先因素，使其安全存在一定的隱患。

1" 高純氫氣的應用

高純氫氣是指純度等于或高于99.999%的氫氣，高純氫是工業氣體中應用比較廣泛，非常重要的品種。廣泛應用于石油化工、鋼鐵冶金、電子行業、能源、機械制造、食品行業、航空航天、核工業等多個領域 [5]。近些年來，隨著國際對于工業氣體需求迅速增長，高純氫的需求量也一直呈上升趨勢。

《2022 年全球氫能回顧》報告是由國際能源署（IEA）發布，該報告稱在對抗化石燃料價格激增、氣候變化、能源供應風險加大等眾多不良因素的影響下，全球氫能產業迅猛發展，2021年，全球氫能需求高達9 400萬t，創下歷史新高[6]。

電子工業中，利用高純氫配制混合摻雜氣的底氣，這對于氫氣的純度要求就相當嚴格，因為微量雜質摻入底氣會嚴重影響半導體性能。在加工鎢、鉬作為原材料的電真空器材時，氫氣的純度越高，經過氫氣還原的程度就越高，生產出來的鎢鉬粉末的粒度就越細。另外電子行業中對電子管的陽極、陰極和柵極等進行燒氫也會應用到氫氣，并且對于氫氣的要求也是非常嚴格的[7]。電子行業對于高純氫的的消耗是巨大的。

氫氣是一種燃燒熱非常高的燃料，它的燃燒熱是140×106 J/kg，而天然氣的燃燒熱是（52.7～55.6）×106 J/kg，柴油的燃燒熱是12.8×106 J/kg，液化石油氣的燃燒熱是47×106 J/kg，并且它的燃燒不會產生二次污染，是非常清潔的再生能源。

近年來越來越多的受到研究機構的重視，開發和利用氫能是未來能源研究的重要組成部分，人們已經開始探索氫能在汽車制造行業的應用[8-9]，從2022年國際能源署（IEA）統計的數據來看，截至到 2021 年底，全世界燃料電池汽車的存量5.1萬輛，較上一年年底增長1.8萬輛，增長比超過 50%，創下了歷史新高，交通也成為了氫能利用增長速率最快的行業[6] 。

在石化行業中，氫氣可以參與到很多工藝反應過程中，例如原油蒸餾、聚丙烯裝置、裂解裝置，加氫工藝中也會大量用到氫氣。

在化學分析研究方向，也會用到氫氣，例如氣相色譜分析時用的載氣就是氫氣。

在冶金工業中，利用氫氣替代傳統煤冶金，實現鋼鐵行業的低碳環保發展，將氫代替碳作為高爐還原劑，可減少或完全避免鋼鐵生產中的碳排放，是非常重要的碳減排技術[10]。2022年3月，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《氫能產業發展 中長期規劃（2021－2035年）》[11-12]，提出開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用，探索氫冶金示范應用[13]。2021年，全球多家企業都宣布將使用純氫進行煉鋼[6]。

食品工業中，由中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會于2014.12.24發布的《食品安全國家標準" 食品添加劑使用標準》GB 2760—2014標準中規定氫氣是允許使用的食品工業用加工助劑 [14]。

氫氣還可以應用在金屬的加工與熱處理、生產超導合金、水處理、港口領域、煉鋼等行業。液氫還可以應用在航天器燃料上。

2" 氫氣長管拖車在充裝高壓氫氣時設置的安全措施

高壓氫氣汽車運輸過程中主要采取兩種儲存方式，鋼瓶和長管拖車，鋼瓶儲存的氫氣適用于使用氫氣量不大的企事業單位，對于一些使用量較大的單位就應該采用長管拖車的儲存運輸方式。長管拖車儲存的氫氣為高壓氫氣，儲存壓力普遍在20 MPa [15]，本文從長管拖車充裝高壓氫氣時的安全問題入手，研究充裝時氫氣管道的安全問題，盡可能將安全隱患扼殺在萌芽中，確保氫氣安全的充裝。本項目充裝流程圖詳見圖1，具體設置的安全措施如下：

2.1" 管材的選擇

高壓氫氣管道應采用無縫鋼管，不采用具有焊縫的焊接鋼管。管道材質選用奧氏體不銹鋼S31603。管道內氣體最大流速不超過10 m/s，管道采用焊接方式連接[4]。閥門采用法蘭連接的波紋管截止閥，法蘭的連接形式為WN-RJ（帶頸對焊的環連接面），閥體閥桿的材質均為不銹鋼，既滿足生產需求也符相關規范要求[16]。

2.2" 管道試驗

在石油化工行業里，氫氣為易燃易爆介質，因此對于管道的試驗有著嚴格的要求，對于20 MPa的氫氣管道應該有強度試驗、氣密性試驗和泄漏量試驗。強度試驗的試驗介質應為水，試驗壓力為1.5倍的設計壓力；密性試驗的試驗介質為壓縮空氣或者氮氣，試驗壓力為1.05倍的設計壓力；泄漏量試驗試驗介質為壓縮空氣或者氮氣，試驗壓力為1.0倍的設計壓力 [17]。

2.3" 氮氣吹掃

氫氣和空氣或氧氣混合的爆炸極限值范圍廣，氫氣只有處于爆炸極限范圍內并且有火源同時純在時才能發生爆炸，因此，管理好氫氣與空氣或氧氣的混 程度可以從根本上遏制氫氣爆炸的發生。所以在氫氣系統投入使用前或者動用明火檢修時，均要以氮氣或者其他惰性其他隊系統進行吹掃[17]。氮氣由于比較經濟通常用作吹掃介質。氫氣管道上的氮氣吹掃管道一般為低壓管道，因此在氮氣與氫氣相連接的位置做好等級劃分與止逆措施，確保連接的位置在正常工況下不會出現超壓泄露的情況。

2.4" 安全閥

安全閥是一種自動類閥門，它的開啟及關閉狀態是受外力作用的，正常工況下安全閥是關閉狀態，當設備或管道內介質的壓力超過設定值時，通過向系統排放介質來阻止管道或設備超壓，進而打到安全保護的作用。

在氫氣管道上設置超壓泄放的安全閥 [18]，安全閥為全啟式安全閥，當出現超壓的工況時可以及時泄放壓力。泄放壓力根據系統的整體設計壓力確認，既要保證整個氫氣管路的安全，又要保證終端接收設備的安全，本論文考慮的氫氣充裝壓力為20 MPa，安全閥的啟跳壓力為21.5 MPa。安全閥后的管道接到安全位置就地排放。

2.5" 壓力表

壓力表是工程設計中檢測壓力的重要儀表元件，一般為就地和遠傳兩種，就地便于現場操作及巡檢人員觀察，遠傳壓力表可以再控制室觀察并發出信號。氫氣長管拖車充裝高壓氫氣管道上設置的是遠傳的壓力裝置，并具備顯示，報警，超壓自動聯鎖功能，當壓力到達一定設定值時，切斷來氣管道上的緊急切斷閥，保證后續灌裝設備的安全。

2.6" 阻火器

阻火器是安裝在管道中間或端部的，阻止傳播火焰（爆燃或爆轟）通過的裝置 [17-19]，在氫氣充裝管道上設置阻火器，防止在管道端口的位置有火苗或電火花串入氫氣管路系統。

2.7" 防護墻

氫氣長管拖車在在做好充裝前準備工作后，正式充裝的過程中工作人員是不容許待在車位充裝位置的，因此在長管拖車車尾設U型防護墻，墻體高度2.5 m [20]，以確保發生意外時躲在防護墻后的工作人員不受到傷害。并且在充裝管道及長管拖車車尾位置上方設置雨蓬，雨篷及其支撐材料均采用不燃燒體。詳見圖2。

2.8" 防雷設施

所有管道、閥門、法蘭都接到防雷接地裝置上，并設置電壓（電動勢）檢測裝置，具備顯示，報警，超壓自動聯鎖功能，氫氣充裝過程中將電壓檢測裝置接到氫氣長管拖車上，一旦檢測到長管拖車上電壓超壓，就會關閉管道上的緊急切斷閥，確保整個系統的安全性。

3" 結 論

隨著經濟社會的發展，氫氣越來越多的應用在各行各業，長管拖車的運輸方式也會越來越受到人們的重視，通過采用上述的安全措施，最大程度降低長管拖在充裝時的安全事故。

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Abstract：" With the development of economy， the application of high purity hydrogen is more and more extensive， and the safety problem during filling the long tube trailer is paid more and more attention. In this paper， the safety measures for the long tube trailer of hydrogen when filling the high pressure hydrogen were summarized.

Key words：" High purity hydrogen; Tube trailers; Security