堿性電解水制氫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備安全管理規(guī)定探討

摘 "要""隨著氫能產(chǎn)業(yè)裝備向著大型化不斷發(fā)展，對制氫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的安全管理要求越來越高。目前，電解水制氫行業(yè)處在發(fā)展初期，行業(yè)規(guī)范發(fā)展尚不完善。堿性電解水制氫系統(tǒng)是當(dāng)前使用最為廣泛的電解制氫技術(shù)，其設(shè)備如何進行管理、是否可按照特種設(shè)備進行安全管理等方面內(nèi)容的討論暫無定論。以典型的商業(yè)堿性電解水制氫設(shè)備作為參考，并將系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備與《特種設(shè)備目錄》（2014版）進行對照，分析探討了電解水制氫系統(tǒng)中特種設(shè)備范圍，并對相應(yīng)的安全管理規(guī)定討論。

關(guān)鍵詞""特種設(shè)備 "氫能""堿性電解水 "安全管理" " ""DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406002

中圖分類號 "TQ051""""""""""""""""""文獻標(biāo)志碼""A """""""""""""nbsp;""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

應(yīng)用綠色電力進行電解水制氫，已成為當(dāng)前大規(guī)模商業(yè)化制氫的主流途徑。氫氣具有易泄漏、易燃易爆的特性，這無疑增加了電解水制氫系統(tǒng)設(shè)備的安全風(fēng)險。近年來，國內(nèi)外已發(fā)生數(shù)起安全事故。2019年5月，位于韓國江原道江陵市的一個氫燃料儲存罐在進行電解水制氫試驗時，由于操作失誤導(dǎo)致發(fā)生爆炸事故；同年6月，美國加州某化工廠因為氫氣輸送過程中發(fā)生泄漏，引發(fā)自燃導(dǎo)致爆炸；2021年8月，遼寧沈陽某企業(yè)因加氫設(shè)備中軟管破裂導(dǎo)致氫氣罐發(fā)生爆燃[1]。

電解水裝置按照工作原理可分為堿性電解水制氫（Alkaline"Water Electrolysis，ALK）、固體聚合物水電解制氫和固體氧化物水電解制氫。其中ALK商業(yè)化最成熟，且適用于現(xiàn)場制氫[2]。但是，ALK過程中涉及易燃、易爆等危險因素，其設(shè)備的安全管理關(guān)系到整個制氫系統(tǒng)的安全性。目前，普遍認為對制氫系統(tǒng)中所涉及的電解槽、儲氣容器、氫氧管道等設(shè)備按照特種設(shè)備要求進行嚴格的安全管理有助于預(yù)防和減少制氫系統(tǒng)事故的發(fā)生[3]。但是，在實際工作中，對于ALK系統(tǒng)中特種設(shè)備屬性的界定，仍存在一些困惑和問題。例如，電解槽是否可認定為鍋爐或壓力容器，系統(tǒng)中工藝管道是否可界定為壓力管道等。

2014年，我國質(zhì)檢總局修訂了《特種設(shè)備目錄》（2014年第114號）[4]，但目錄中暫無ALK系統(tǒng)設(shè)備的特種設(shè)備屬性明確界定參考。筆者以國內(nèi)典型的商業(yè)ALK設(shè)備作為參考，將系統(tǒng)涉及相關(guān)設(shè)備與《特種設(shè)備目錄》（2014版）進行對照，對工程設(shè)計人員關(guān)注相對較多的鍋爐、壓力容器、壓力管道和起重機械特種設(shè)備屬性的判定標(biāo)準進行分析和解讀，厘清ALK系統(tǒng)特種設(shè)備范圍。最后，對ALK系統(tǒng)相應(yīng)的安全管理規(guī)定進行了探討。

1""ALK系統(tǒng)

ALK系統(tǒng)一般包括水處理系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、電解槽系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其中，電解槽作為系統(tǒng)的核心部分，由槽體、陽極和陰極組成，多數(shù)用隔膜將陽極室和陰極室隔開。ALK系統(tǒng)的簡易流程圖如圖1所示[5]。

圖1左側(cè)灰色區(qū)域為電網(wǎng)、儲能裝置、離網(wǎng)發(fā)電和整流電源構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，綠色區(qū)域代表電解槽系統(tǒng)，黃色區(qū)域為氣體分離罐、純化提純裝置和緩沖罐構(gòu)成的氣體處理系統(tǒng)，下側(cè)灰色區(qū)域為水泵、蓄水箱及過濾器等裝置構(gòu)成的水處理系統(tǒng)。

ALK制氫系統(tǒng)中有可能涉及到的特種設(shè)備主要包括電解槽、儲氫設(shè)備以及相關(guān)的管道和容器。電解槽是ALK系統(tǒng)的核心設(shè)備，它負責(zé)將水分子電解成氫氣和氧氣。電解槽通常采用特定的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保高效的電解效果和良好的耐用性。在制氫過程中，電解槽需要承受高壓電流和電解質(zhì)的腐蝕，因此其制造和安裝必須嚴格按照相關(guān)標(biāo)準進行。儲氫設(shè)備是儲存和供應(yīng)氫氣的關(guān)鍵設(shè)施。常見的儲氫設(shè)備包括儲氫瓶組和液氫容器。氫氣瓶通常采用高強度金屬材料制成，能夠承受高壓、防止氫氣泄漏。

此外，ALK系統(tǒng)中還涉及到一些管道和容器。這些管道和容器用于輸送和儲存制氫過程中產(chǎn)生的氣體和液體，需要能夠承受高壓、防止泄漏。為了確保這些管道和容器的安全性，其制造和安裝必須遵循相關(guān)標(biāo)準和規(guī)范。

2""ALK系統(tǒng)特種設(shè)備界定

2.1""電解槽特種設(shè)備屬性界定

電解槽是電解水生產(chǎn)氫的主要設(shè)備，經(jīng)過半個多世紀的不斷發(fā)展，國產(chǎn)電解槽已達到新水平。在電解過程中，電解槽中的堿水溶液在直流電的作用下發(fā)生分解，在陰極表面產(chǎn)生氫氣、陽極表面產(chǎn)生氧氣。以目前國內(nèi)單體產(chǎn)氫量最大的電解槽LONGi ALK G3000（以下簡稱G3000）為參考。正常操作條件下，該設(shè)備操作壓力為1.6 MPa，產(chǎn)氫量范圍為1 200～3 000 Nm3/h，氫氣純度高達99.999%。

在《特種設(shè)備目錄》中，規(guī)定承壓蒸汽鍋爐是指利用各種燃料、電或其他能源，將所盛裝的液體加熱到一定程度，并通過對外輸出介質(zhì)的形式提供熱能的設(shè)備，其范圍規(guī)定為設(shè)計正常水位容積大于或者等于30 L，且額定蒸汽壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓）。承壓蒸汽鍋爐和G3000電解槽評判標(biāo)準對比見表1。經(jīng)過對比分析可知，從特種設(shè)備屬性定義和參數(shù)準則角度考慮，G3000電解槽滿足承壓蒸汽鍋爐判定標(biāo)準，未來可參考特種設(shè)備中的鍋爐設(shè)備進行安全管理。

2.2""壓力容器特種設(shè)備屬性界定

ALK系統(tǒng)中的壓力容器主要用于氣液分離、冷卻和儲存，如圖1中的氧氣分離罐、氫氣分離罐、純化提純裝置及緩沖罐等。壓力容器的相關(guān)設(shè)計、制造、檢驗和驗收流程，每一項都至關(guān)重要，須嚴格遵循《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]、GB 150—2011[7]的規(guī)定。

氣體的儲存設(shè)備有常壓型設(shè)備和壓力型設(shè)備兩類。壓力儲氣罐（瓶）為定容貯器，罐內(nèi)的壓力來自電解槽或壓縮機，并隨著進、出氣體的量和溫度變化。當(dāng)壓力為中、低壓時，可采用筒形儲罐或球形儲罐；當(dāng)氫氣壓力為高壓時，可采用鋼瓶組或長管鋼瓶。

在《特種設(shè)備目錄》中，規(guī)定壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓）的氣體、液化氣體和最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準沸點的液體、容積大于或者等于30 L且內(nèi)直徑（非圓形截面指截面內(nèi)邊界最大幾何尺寸）大于或者等于150 mm的固定式容器和移動式容器。筆者以筒形儲氣罐作為參考，對其特種設(shè)備屬性進行判定。典型筒形儲氣罐的技術(shù)參數(shù)如下[8]：

容積 "13.9 m3

設(shè)計壓力""3.3 MPa

設(shè)計溫度""-15～65 ℃

容器類別""Ⅲ類

材料""16MnR

外形尺寸""1800 mm×5804 mm

筒形儲氣罐與壓力容器特種設(shè)備屬性對比判斷結(jié)果見表2。經(jīng)過對比分析可知，筒形儲氣罐滿足壓力容器的判定標(biāo)準，未來可以參考特種設(shè)備中的壓力容器進行安全管理。

2.3 "壓力管道特種設(shè)備屬性界定

ALK系統(tǒng)的工作壓力（p）分為常壓、低壓和中壓，相關(guān)分類情況見表3。國標(biāo)GB 50177—2005[9]對氫氣在管道里流速做出了規(guī)定，見表4。新版《氧氣管道標(biāo)準》規(guī)定了氧氣在管道中的流速，見表5[8]。

在《特種設(shè)備目錄》中，壓力管道是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓），介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準沸點的液體，且公稱直徑大于或者等于50"mm的管道。公稱直徑小于150"mm，且其最高工作壓力小于1.6"MPa（表壓）的輸送無毒、不可燃、無腐蝕性氣體的管道和設(shè)備本體所屬管道除外。筆者以SAK1600-1000/1.6堿性電解水系統(tǒng)作為參考[8]，對系統(tǒng)中氫氣和氧氣輸送管道特種設(shè)備屬性進行判斷。裝置性能參數(shù)如下：

氫氣產(chǎn)量""1 000 m3/h

氧氣產(chǎn)量""500 m3/h

氫氣純度（V/V） "99.999%

工作壓力""1.6 MPa

工作溫度""90 ℃±5 ℃

直流電耗""不大于4.2 kW·h/m3"H2

電解系統(tǒng)中壓力管道特種設(shè)備屬性判斷結(jié)果見表6。經(jīng)過對比分析，輸氫管道和輸氧管道均滿足壓力管道的判定標(biāo)準，未來可以參考特種設(shè)備中的壓力管道進行安全管理。

2.4""起重機械特種設(shè)備屬性界定

電解水行業(yè)所涉及的起重機械較少，討論較多的是組裝電解槽的升降平臺是否可界定為特種設(shè)備。《特種設(shè)備目錄》列出了屬于特種設(shè)備的起重機械，通過《特種設(shè)備目錄》2004版與2014版的對比可知，升降作業(yè)平臺目前已經(jīng)不屬于特種設(shè)備。

3""安全管理規(guī)定

氫氣的分子小、滲透性強，容易從多孔材料、密封面泄漏，并且擴散過程很難被發(fā)現(xiàn)。ALK系統(tǒng)中的氫氣泄漏會造成較大安全隱患，有必要對ALK系統(tǒng)進行定期檢驗和壓力試驗。

3.1 "定期檢驗要求

《特種設(shè)備目錄》中明確指出，為了確保特種設(shè)備的運行安全，使用單位必須遵循安全技術(shù)規(guī)范，在特種設(shè)備檢驗合格有效期即將到期的前一個月，向?qū)I(yè)檢驗機構(gòu)提出定期檢驗的請求。檢驗機構(gòu)在接收檢驗請求后，必須按照安全技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準，立即進行設(shè)備的安全性能檢驗。

此外，使用單位還需將定期檢驗的合格標(biāo)志放置在特種設(shè)備的顯眼位置，以便大家清晰識別。對于未經(jīng)定期檢驗或檢驗未達標(biāo)的特種設(shè)備，為保障安全，使用單位必須停止使用，直到通過專業(yè)檢驗并符合安全標(biāo)準后方能啟用。

3.2 "壓力試驗要求

ALK系統(tǒng)安裝完成后，需進行試驗檢測。試驗前，應(yīng)檢查所有制造廠提供的各種合格證、技術(shù)文件，包括全部例行試驗記錄和證書、圖紙資料、壓力容器產(chǎn)品安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗證書等，這些文件、資料齊全，并逐一核對無誤后，才能進行試驗。

試驗方法包括強度試驗、氣密性試驗和泄漏量試驗：

a."強度試驗。用氣體做強度試驗介質(zhì)時應(yīng)保壓5 min，用水做強度試驗介質(zhì)時應(yīng)保壓10 min，以無變形、無泄漏為合格。

b."氣密性試驗。對壓力型ALK系統(tǒng)以潔凈空氣或氮氣進行氣密性試驗。試驗開始后逐漸升壓，達到規(guī)定壓力后，保持30 min，檢查所有連接處，焊縫、法蘭、墊片等處，以無漏氣為合格。

c."泄漏量試驗。ALK系統(tǒng)在氣密性試驗合格后，以潔凈空氣或氮氣進行泄漏量試驗。GB/T 37562—2019《壓力型水電解制氫系統(tǒng)技術(shù)條件》[10]規(guī)定，試驗壓力為系統(tǒng)設(shè)計壓力，試驗時間為24 h。泄漏量試驗過程應(yīng)認真記錄系統(tǒng)內(nèi)氣體的溫度、壓力。以平均每小時泄漏率不超過0.5%為合格。

以ALK系統(tǒng)中的氫氣輸送管道為例，氫氣管道的具體試驗參數(shù)見表7。表中p為氫氣管道設(shè)計壓力，試驗介質(zhì)不含油，氣體試驗時應(yīng)有安全措施。試驗合格后，必須用不含油的空氣或氮氣以大于20 m/s的速度進行吹掃，分段排放，直至干凈為止。

為了更有效地解決ALK系統(tǒng)的安全管理問題，應(yīng)當(dāng)從多個方面加強技術(shù)保障支持。以下是主要的措施：

a. 強化氫能產(chǎn)業(yè)設(shè)備安全技術(shù)保障。從氫能制備的安全出發(fā)，嚴格把控設(shè)備的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計以及運行安全措施等各個環(huán)節(jié)。通過全面的監(jiān)控和防范措施，確保氫氣泄漏的風(fēng)險得到有效控制。

b. 加快氫能安全檢測與防護技術(shù)開發(fā)。針對臨氫材料、關(guān)鍵零部件和主要設(shè)備，進行深入的測試研究，揭示其失效機理和早期損傷特征。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建臨氫金屬材料性能指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)在役儲氫容器、關(guān)鍵零部件等的原位檢測方法。這將有助于形成更加完善的安全技術(shù)要求、測試方法和測試平臺[11]。

c. 發(fā)揮第三方機構(gòu)的支撐保障作用。積極建立氫能安全研究機構(gòu)、檢測機構(gòu)間的溝通合作機制，并加強與氫制備、儲運和應(yīng)用企業(yè)間的聯(lián)系。通過強化第三方機構(gòu)在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的安全檢測、事故預(yù)防與應(yīng)急處置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)支撐保障，為ALK系統(tǒng)的安全管理提供更加強有力的外部支持。

4 "結(jié)束語

通過對ALK系統(tǒng)的梳理和對特種設(shè)備規(guī)范的解讀，界定了ALK系統(tǒng)中的特種設(shè)備，為其安全管理提供了參考。分析認為，ALK系統(tǒng)中大部分設(shè)備可劃分為特種設(shè)備，其安全管理至關(guān)重要，應(yīng)加強制度建設(shè)、設(shè)備檢查和維護等工作，確保ALK系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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（收稿日期：2024-05-30，修回日期：2024-11-04）

基金項目：國家自然科學(xué)基金（批準號：12075274，U21132076）資助的課題。

作者簡介：梁四凱（1998-），碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的研究。

通訊作者：陳明亞（1985-），正高級工程師，從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的研究，chenmingya200852@163.com。

引用本文：梁四凱，趙萬祥，陳明亞，等.堿性電解水制氫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備安全管理規(guī)定探討[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.