葉召陽(yáng)

（佛山市佛鐵實(shí)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(guó)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(shè)。但是，加氫站的安全不容忽視，2019年，挪威就發(fā)生過(guò)一起加氫站著火爆炸事故導(dǎo)致2人受傷。不過(guò)，在我國(guó)，截至目前，運(yùn)營(yíng)的加氫站中未發(fā)生過(guò)重大安全生產(chǎn)事故，也可見(jiàn)國(guó)家對(duì)安全的把控是越來(lái)越嚴(yán)。

本文將對(duì)加氫站在設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的安全方面作闡述。

1 氫氣特性

氫氣是無(wú)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(xué)反應(yīng)。但氫氣是一種極易燃的氣體，燃點(diǎn)只有574℃，在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%～75%時(shí)都能燃燒。

氫氣的特性可總結(jié)為：易泄漏、擴(kuò)散；易從非金屬中滲透；易與金屬發(fā)生氫脆；易燃(點(diǎn)燃/自燃）；易發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟；爆炸能量當(dāng)量高；無(wú)色無(wú)臭不易察覺(jué)；氫火焰溫度高且白天不可見(jiàn)等。

2 氫氣安全設(shè)計(jì)原則

氫氣有4大安全設(shè)計(jì)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(diǎn)火源（如手機(jī)信號(hào)、靜電摩擦等）。

因此，對(duì)于加氫站內(nèi)設(shè)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(yán)禁選擇的：高強(qiáng)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(yīng)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(dāng)采用螺紋連接時(shí)要用耐高溫材料，卡套連接時(shí)扭矩也應(yīng)遵守相應(yīng)規(guī)定；四是禁止使用膠黏劑連接方式，因?yàn)槠洳荒透邷厍也荒蛪骸?/p>

3 加氫站安全設(shè)計(jì)理念

對(duì)于加氫站安全防范設(shè)計(jì)理念，可以大致分為3個(gè)狀態(tài)共5層：事前本征安全、事中主動(dòng)安全和事后被動(dòng)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(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計(jì)要重視。

（2）事中主動(dòng)安全（第2～4層）：①第2層：若泄漏可及時(shí)檢測(cè)到，并能夠采取措施控制進(jìn)一步泄漏擴(kuò)散。要求做好安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。②第3層：發(fā)生泄漏，措施得當(dāng)，通風(fēng)良好，不會(huì)產(chǎn)生積聚。要求做好建筑和安全設(shè)計(jì)。③第4層：杜絕點(diǎn)火源。要求做好電氣防爆設(shè)計(jì)以及嚴(yán)禁煙火等安全制度。

（3）事后被動(dòng)安全（第5層）：萬(wàn)一發(fā)生火災(zāi)，也不會(huì)對(duì)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(yīng)急處理預(yù)案/措施等。

4 加氫站關(guān)鍵設(shè)備安全設(shè)計(jì)

加氫站的關(guān)鍵設(shè)備主要有加氫機(jī)、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫裝置、安防系統(tǒng)等。

（1）加氫機(jī)。加氫機(jī)應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB/T 31138《汽車用壓縮氫氣加氫機(jī)》。加氫機(jī)的安全設(shè)計(jì)主要包括防爆設(shè)計(jì)、泄漏檢測(cè)、限壓保護(hù)、拉斷閥、緊急切斷等。因此，需要嚴(yán)格的零部件選型，大量的實(shí)驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)所得的控制策略，再配上多重安全保護(hù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆辣O(shè)計(jì)以及多方面參考國(guó)內(nèi)外氫氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得來(lái)。

（2）壓縮機(jī)。加氫站用高壓氫氣壓縮機(jī)安全設(shè)計(jì)主要包括防爆設(shè)計(jì)、安全閥、膜片泄漏自檢、各類報(bào)警保護(hù)、緊急切斷等。氫氣壓縮機(jī)的安全保護(hù)裝置設(shè)置應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50516《加氫站技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定。壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)排量要求、氣源特點(diǎn)、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(jī)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(jī)可多級(jí)串并聯(lián)達(dá)到大排氣量，適合頻繁啟停，但耗能高。離子液體壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)氫氣無(wú)污染壓縮，且效率較高，但成本耗費(fèi)高。

（3）儲(chǔ)氫裝置。加氫站用儲(chǔ)氫裝置常用儲(chǔ)氫罐或無(wú)縫管式儲(chǔ)氣瓶，安全設(shè)計(jì)主要包括強(qiáng)度試驗(yàn)壓力、爆破試驗(yàn)壓力、疲勞試驗(yàn)、安全閥等，需滿足GB/T34583《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》。容器材料、設(shè)計(jì)、制造、使用管理等方面應(yīng)遵循T/CATSI05003《加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專項(xiàng)技術(shù)要求》。儲(chǔ)氫裝置的儲(chǔ)氫能力應(yīng)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(chǔ)氫裝置易采用分級(jí)設(shè)置，合適的分級(jí)容積比有利于提高氫氣利用率。此外，儲(chǔ)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(yàn)等方面的問(wèn)題。

（4）安防系統(tǒng)。加氫站的安防系統(tǒng)主要包括可燃?xì)怏w檢測(cè)、火災(zāi)檢測(cè)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(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)TCSTE0011《加氫站視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》。①可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，檢測(cè)到空氣中的氫氣含量達(dá)到0.4%時(shí)應(yīng)觸發(fā)光報(bào)警信號(hào)，當(dāng)空氣中的氫氣含量達(dá)到1%時(shí)應(yīng)啟動(dòng)相應(yīng)事故排風(fēng)風(fēng)機(jī)，當(dāng)空氣中的氫氣含量達(dá)到1.6%時(shí)，應(yīng)觸發(fā)加氫站緊急切斷系統(tǒng)。②火災(zāi)探測(cè)器，當(dāng)探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)時(shí)應(yīng)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(shí)時(shí)采集和記錄各主要工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。④緊急切斷系統(tǒng)應(yīng)能在事故狀態(tài)下迅速切斷站內(nèi)各工藝設(shè)施的動(dòng)力電源和關(guān)閉可燃介質(zhì)管道閥門(mén)。除此之外，還應(yīng)具有失效保護(hù)功能。

（5）其余部件。除上述外還應(yīng)做好管路系統(tǒng)、卸氣柱、放散管、主體建筑等安全設(shè)計(jì)。對(duì)于管路系統(tǒng)，應(yīng)保證采用高強(qiáng)度316不銹鋼，設(shè)計(jì)壓力138MPa，接頭有超壓泄放功能（緊湊錐面螺紋連接）；對(duì)于卸氣柱，應(yīng)包含拉斷閥、安全閥和氮?dú)獯祾咴O(shè)計(jì)；對(duì)于放散管，要考慮阻火器設(shè)計(jì)；對(duì)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(shè)施

加氫站內(nèi)安全措施種類繁多，包括氫氣探測(cè)、火焰探測(cè)、緊急制動(dòng)、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(shè)施等在內(nèi)的至少20多種，并且多數(shù)情況下幾個(gè)安全措施是聯(lián)合協(xié)同才能發(fā)揮應(yīng)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(gè)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(shí)間的措施，如布置氫泄漏傳感器，與緊急制動(dòng)系統(tǒng)連接等。

（2）控制火源措施，即降低點(diǎn)火概率。一是預(yù)防摩擦和靜電，如設(shè)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(shè)備、部署防雷設(shè)施等。三是站內(nèi)嚴(yán)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(kāi)放式設(shè)計(jì)，即整個(gè)加氫站采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，不留氣體聚集死角；爆炸危險(xiǎn)區(qū)房間設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)等。二是防止儲(chǔ)氫容器物理爆炸，如設(shè)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?dú)獯祾呦到y(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）緊急響應(yīng)措施，即防止事故升級(jí)。一是設(shè)置氫氣火焰探測(cè)器，與緊急制動(dòng)系統(tǒng)連接，可立即切斷氫源。二是配置完整的消防設(shè)施。三是做好緊急響應(yīng)計(jì)劃、應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)員工應(yīng)急培訓(xùn)等。

（5）保護(hù)特殊區(qū)域的措施，即在重要設(shè)備附近建立實(shí)體圍墻，如卸氫區(qū)域、壓縮機(jī)附近、儲(chǔ)氫容器附近等。

6 金屬軟管的注意事項(xiàng)

根據(jù)氫氣事故統(tǒng)計(jì)和分析表明，無(wú)論在氫氣充裝過(guò)程還是現(xiàn)場(chǎng)使用氫氣時(shí)，金屬軟管都是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的缺陷、使用過(guò)程不恰當(dāng)都有可能導(dǎo)致金屬軟管破裂從而導(dǎo)致氫氣泄漏引發(fā)火災(zāi)。因此，金屬軟管的選擇和使用需要重點(diǎn)關(guān)注下列情況：

（1）材質(zhì)宜選擇316L波紋管+金屬編織保護(hù)層，口徑不大于10mm，長(zhǎng)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(guò)耐壓測(cè)試、密封性測(cè)試、液壓循環(huán)試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)以及彎曲循環(huán)試驗(yàn)。

（4）檢查金屬軟管外部是否變形、保護(hù)層破損；要配套防甩保護(hù)安全繩；每次使用時(shí)要進(jìn)行檢漏；使用時(shí)應(yīng)保持軟管自然狀態(tài)，避免扭曲拉伸彎曲半徑過(guò)小等，同時(shí)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(guò)程危險(xiǎn)性分析

加氫站運(yùn)行的工藝可分為三部分：卸車過(guò)程、增壓過(guò)程以及加氫過(guò)程。

（1）卸車過(guò)程。是指氫氣長(zhǎng)管拖車進(jìn)入站區(qū)卸車位，固定車輛并連接卸車軟管，通過(guò)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(guò)程。主要危險(xiǎn)性為：①在初次卸氣前或者對(duì)卸氣柱維護(hù)后，卸氣柱內(nèi)會(huì)積存空氣，若未對(duì)管道進(jìn)行吹掃或吹掃不干凈，則存在氫氣與管內(nèi)空氣混合達(dá)到氫氣爆炸極限可能性。②在卸車過(guò)程中，未控制氣體流速。如果氣體流速過(guò)快會(huì)導(dǎo)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(zāi)爆炸事故。③長(zhǎng)管拖車與卸氣柱的充裝口連接時(shí)，若連接不到位，造成氫氣泄漏。④加氫站的靜電接地線與長(zhǎng)管拖車的框架管束的導(dǎo)靜電片未進(jìn)行連接，可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。⑤長(zhǎng)管拖車車頭移走過(guò)程中，支撐支柱固定不穩(wěn)或支撐不到位，可能導(dǎo)致長(zhǎng)管拖車移動(dòng)，拉斷管線，導(dǎo)致氫氣泄漏事故。

（2）增壓過(guò)程。是指來(lái)自卸氣柱的氫氣進(jìn)入增壓系統(tǒng)，在壓縮機(jī)內(nèi)氫氣經(jīng)過(guò)壓縮，匯集后通過(guò)換熱冷卻后排出，分別充入高壓、中壓、低壓儲(chǔ)氫容器中的過(guò)程。主要危險(xiǎn)性為：①冷卻機(jī)組出現(xiàn)狀況，如冷水機(jī)組出水溫度過(guò)高、冷卻水流量過(guò)小或冷卻水?dāng)嗔鞯惹闆r，則難以降低氫氣壓縮機(jī)和固定儲(chǔ)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(dòng)、磨損、震烈管道，引起管道泄漏。

（3）加氫過(guò)程。是指氫燃料電池車輛進(jìn)站進(jìn)行氫氣充裝的過(guò)程。主要危險(xiǎn)性為：①設(shè)備密封性能降低或失效導(dǎo)致氫氣泄漏。②加氫時(shí)，汽車意外啟動(dòng)導(dǎo)致加氫軟管拉斷，或加氫軟管未設(shè)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(cuò)誤操作。④加氫操作人員未進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，操作失誤造成氫氣泄漏等。

8 加氫站的安全運(yùn)營(yíng)管理

（1）加氫站應(yīng)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(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)化學(xué)品事故應(yīng)急預(yù)案，并配備必要的應(yīng)急救援器材、設(shè)備；由于氫氣屬于重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品，應(yīng)按《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品安全措施和事故應(yīng)急處置原則》的要求，加強(qiáng)氫氣的經(jīng)營(yíng)儲(chǔ)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(shí)不間斷的值守；對(duì)于負(fù)責(zé)加氫站全面管理工作的站長(zhǎng)，需要持特種設(shè)備安全管理人員證（A證）及主要負(fù)責(zé)人證；對(duì)于其余從業(yè)人員，需持移動(dòng)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(yīng)依照有關(guān)規(guī)定經(jīng)安全生產(chǎn)教育和專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)合格后上崗。

（3）在日常運(yùn)營(yíng)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?。在安保和人員進(jìn)出管理方面，入口處均應(yīng)粘貼警示標(biāo)志，禁止吸煙、使用手機(jī)等，四周應(yīng)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(duì)卸氫區(qū)、壓縮機(jī)處、管道連接處、加氫區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

（4）在加氫站內(nèi)設(shè)備及管道等維護(hù)方面，對(duì)特種設(shè)備和安全附件進(jìn)行經(jīng)常性日常維護(hù)保養(yǎng)、定期自檢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，并記錄；管道需要進(jìn)行定期檢查，每季度至少進(jìn)行一次外部檢查、管道每年至少進(jìn)行一次重點(diǎn)檢查、每三年至少進(jìn)行一次全面檢查；定期對(duì)站內(nèi)設(shè)備、管道、閥門(mén)、附件等進(jìn)行安全檢查，保證設(shè)備、管道閥門(mén)、附件等完好，一旦發(fā)現(xiàn)有損壞情況，必須立即進(jìn)行妥善處理；防雷設(shè)施應(yīng)定期請(qǐng)當(dāng)?shù)胤览自O(shè)施檢測(cè)所檢測(cè)，平時(shí)應(yīng)注意防雷設(shè)施的保養(yǎng)。

9 結(jié)語(yǔ)

加氫站是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。要充分保障加氫站的安全使用，應(yīng)從設(shè)計(jì)、建造、審批、運(yùn)行和監(jiān)管等各環(huán)節(jié)采取科學(xué)有效的措施。本文對(duì)加氫站的關(guān)鍵設(shè)備安全設(shè)計(jì)、安全防范措施、長(zhǎng)管拖車、金屬軟管及安全運(yùn)營(yíng)管理等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，為加氫站的安全設(shè)計(jì)提供一定參考。