加氢站设计中的安全研究

摘要：作为一种高效、绿色、零碳的清洁能源，氢气在新能源汽车领域拥有广阔的应用潜力，作为发展氢能源汽车的配套设施，加氢站的建设日益受到关注;但是氢气本身的易燃及易爆等特性使得在加氢站设计中需特别关注安全风险。本文以氢能源汽车的加氢站为研究对象，在对其安全设计的重要性进行剖析的基础上，重点关注一些安全设计要点，以期确保所设计加氢站的安全性与可靠性。

关键词：氢能源汽车;加氢站;安全设计;设计要点

2021年国家提出“碳达峰碳中和”的“3060”双碳目标，在此发展战略引导下，更加清洁、环保的氢能源具有了重要的现实意义。燃油汽车是当下诱发环境污染和能源短缺等的重要因素，此时推行清洁环保的氢能源汽车，即符合国家战略发展的要求，也符合清洁、低碳汽车产业发展的要求。而加氢站则是保证氢能源汽车正常使用的关键环节，为保证氢能供应安全可靠性，此时加强加氢站的设计研究，确保其安全性是值得深入考量的。

一、氢能源汽车加氢站安全设计的重要性

氢气本身是一种可燃性气体，具有比较宽的爆炸范围（4-76%），且容易着火，其密度小（0.0899g/L），扩散速度快，在加氢站设计的过程中必须要对其安全性进行严格控制。在设计加氢站过程中除了严格依据《加氢站技术规范》GB50516或者《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156等规范外，还要注意有效地融合防爆、防火、防泄漏等方面的安全技术措施。若未系统化开展安全设计工作，那么所设计的加氢站本身的安全性和可靠性或许会存在隐患，如容易泄漏、诱发火灾、爆炸等严重的安全事故，更有甚至会造成加氢站内设备损坏、人员伤亡等，国内外亦已有相关的事故报道。

因此，在加氢站设计过程中必须要高度重视安全设计工作，树立安全第一，围绕安全性、可靠性，对比分析不同的设计方案，力求在设计阶段选择最优设计方案，为后续加氢站的建设、运营做好准备。

二、加氢站安全设计

2.1 防火间距设计

在确定加氢站设计中的防火间距时首先应确定加氢站类型，《加氢站技术规范》GB-50516总则中明确本规范适用于新建、改建、擴建的加氢站工程的设计、施工和建造;在设计单独的加氢站时选用本规范防火间距。

《汽车加油加气加氢站技术标准》GB-50156总则中明确本规范适用于新建、扩建和改建的汽车加油站、加气站、加油加气合建站、加油加氢合建站、加气加氢合建站、加油加气加氢合建站工程的设计和施工。在设计加氢合建站时选用本规范防火间距。

从适用范围上看《汽车加油加气加氢站技术标准》适用于加油、加气及与加氢的合建站，而《加氢站技术规范》仅适用于加氢站，前者适用范围更广。

在《加氢站技术规范》中规定，加氢站内工艺设施与站外建构筑物距离小于规范要求的1.5倍，且小于等于25米时，相应一侧设置高度不低于2.5m的不燃烧实体围墙。《汽车加油加气加氢站技术标准》中规定，合建站内工艺设施与站外建构筑物之间，宜设置不燃烧实体围墙，围墙高度相对于站内和站外地坪均不宜低于2.2m。建议设计中围墙高度按照2.5米设计。另外，《汽车加油加气加氢站技术标准》中亦明确了其他加氢站设计规范未明确的放散管与周边建筑物高度的关系，在设计单独的加氢站时可参考此高度要求设置放散管高度。

2.2 临氢管道设计

加氢站加注压力一般包括35MPa与70MPa两种类型，高压高纯度氢气管道发生氢脆的可能性更大，在加氢站管道材质设计时应注意。现阶段加氢站设计过程中高压临氢材料多采取316/316L双相不锈钢，316/316L双牌号钢常温机械性能应满足两个牌号中机械性能的较高值，化学成分应满足L级的要求，许用应力按316号钢选取。最新的规范要求临氢管道镍含量大于12%，镍当量大于28%。

为了安全，运氢车与卸氢系统管道连接时应安装拉脱阀，在管道主管道上增加紧急切断设施等。加氢设施内所有氢气管道、阀门、管件的设计压力不应小于最大工作压力的1.1倍，且不得低于安全阀的整定压力。结合我司多个项目设计经验，在管道设计压力不大于4.0Mpa时，推荐安全阀开启压力设定为1.1倍的设计压力;在管道设计压力大于4Mpa且不大于25Mpa时，推荐安全阀开启压力设定为1.05倍的设计压力;在管道设计压力大于25Mpa且不大于75Mpa时，推荐安全阀开启压力设定为设计压力加1.25Mpa;

在管道设计时需要考虑应急设施，如在氢气主管道上便于操作的位置设置紧急切断阀，在连接储氢容器的管道上设置紧急切断阀。另外，加氢站内还有冷却水管，其上需要设置温度探测、压力探测等，在氮气管道上需要接止回阀防止高压氢气倒流至氮气管路。

2.2 消防水及供电设计

加氢站用水一般接自市政供水管网，消防栓应在站区周边150米范围内。用水需求分为消防和冷却用水、生活和生产用水（人员和站内浇洒）两部分。其中，消防和冷却水量指标参照《建筑设计防火规范》GB50016及其他规范选取，加氢合建站内用于储氢容器的消火栓消防用水量不应小于15L/S，消火栓供水压力应保证移动式水枪出口处水压不小于0.2Mpa;冷却用水一般设置在储氢容器上方，目前在加氢站内较少设置，其用水量根据储气设施的相邻情况、面积等计算而来;

加氢站可按照三级负荷考虑，其内压缩机、冷水机等不必备用电源，一般推荐设置UPS不间断电源供给控制系统及加氢系统以及罩棚照明、压缩机间照明使用，推荐90分钟的备用电量。

2.4 安全设计思想

氢是一种化学元素，无色无味无臭、极易燃烧，通常的单质形态是氢气，目前加氢站内氢气绝大多数是以高压气态的形式储存及使用，氢气是易燃、易爆化学品，易出现安全事故，尤其注意氢脆导致材料失效引起氢气泄露;但是氢气密度小，轻于空气，一般比空气扩散的相应速度高约3.8倍，在空气中非常容易扩散，一旦氢气泄漏到周边环境之中，很快即散逸。

结合我司多个加氢站设计经验，一般在加氢站设计中秉承如下思想：

1、在技术层面设置安全措施，避免氢气泄漏;如使用能防止氢脆的316/316L不锈钢管道，使用密封性更好的金属硬密封措施，使用防氢脆耐压更高的4130X材质储氢容器等;

2、如若发生泄漏，安全措施及时生效;在加氢站高压运行过程中如果不慎发生泄漏，氢气泄漏报警器，需要及时有反馈，必要时可以联动紧急切断装置，停止氢气继续输入输出;

3、即使发生氢气泄漏，也不能使氢气聚集并产生爆炸环境;发生泄漏时候氢气及时排空，避免形成爆炸所需的条件，是预防氢气泄漏事故的又一重要安全措施，我司在设计中国石化南京高淳城北科技新城加油加氢合建站过程中有针对性的做了氢气泄漏排空考虑，所有可能形成聚集的空间都在顶部开孔，便于氢气外排。如本站利旧的加油站罩棚改造，在最高处使用我司发明创造专利技术改造通风，专利名称：一种加氢站罩棚，专利号：202020444721.2，此专利技术已经在多个项目上使用，如潍坊华润206国道加气站增设加氢站项目等，取得了良好的经济价值与社会效益。

此外，管沟也是容易出现氢气聚集的区域，在实际的设计过程中一般采取明沟敷设加透气盖板的设计方式，并且管道支架以及盖板都需要选用不可燃材料进行制作，避免和除氮气之外的其他管道同沟敷设。在设计管沟盖板过程中，需要注意确保沟内保持良好的通风性，不得出现氢气聚集问题;注意避免盖板与管沟接触点同时使用角钢包覆等，不推荐使用有撞击产生火花隐患的材料，目前已有符合相关安全要求的材料成品盖板供应。

综上，安全设计是加氢站设计中需要重点关注的核心问题，其设计思想是否合理，对加氢站的安全使用产生极大影响。在设计过程中，注意防火间距、管道材质、消防安全等工作，力求为加氢站安全运行做好顶层设计，确保安全无忧。

参考文献：

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