双碳背景下加氢站安全技术分析及风险防控措施

2022-09-01赵磊刘鹏李晶杨柳杨栋

科技创新导报 2022年14期

赵磊刘鹏李晶杨柳杨栋

（陕西燃气集团交通能源发展有限公司陕西西安 710016）

近年来，化石能源不断减少，且持续深化利用造成环境污染，对清洁、环保能源提出更为急迫的需求。在这样的背景下，氢燃料电池汽车行业迅速发展，加氢站建设需求也在不断增加，而发展氢能产业的重要保障就是氢能安全。但随着国外不断出现氢能源事故，引得国内、外高度关注氢能源安全，这也使加氢站建设与运营过程中面临着新的挑战。尤其是“双碳”背景下，对加氢站安全提出新的要求，有必要做好研究分析工作。

1 加氢站概述及工艺流程

1.1 加氢站概述

新时期，国内能源供应局势日趋紧张，市场上燃氢汽车数量逐渐增加，使得燃气加气站数量持续增加，其中，最重要的就是加氢站。氢作为一种环境友好型燃料，燃烧效率较高，最终产物为水。与传统石油燃烧方式相比，氢对环境影响更小，受到国家清洁能源计划的支持，当前市场上加氢站数量逐渐增加。

加氢站加气时，需要按照一定流程进行作业。首先，需要加液态氢气送到标准储存位置；其次，将其移动到储罐中，运送时，利用低温泵与加气机运输；最后，通过加气设备完成加气，整个加气流程顺利完成。实际加气时会受到不同因素影响，容易出现各类安全隐患，需要定期检查并及时整改，确保加氢站可以正常运行。

1.2 工艺流程分析

（1）卸车环节。卸车时，需要将集装箱或槽车内的氢转移到转移储罐内。转移氢气时，需要联合应用卸车增压器、加气泵。卸车时，为简化难度，可以同时进出上下液体。

（2）调整压力。加氢站加气时，汽车内通常不含有压力设备，实际存储时，压力偏大，需要及时调节压力，确保氢气为饱和气体。通常选择调压器或泵低俗循环等方式及时调压。

（3）加气环节。利用气枪完成输送。

（4）卸压环节。采取措施卸掉压力，避免储罐内压力过大引发安全问题。

整个工艺流程中，当加气机故障出现，需要同时更换储罐，增强安全效果。控制储罐时，需要调整安全阀，避免出现因为安全阀故障无法调压，甚至出现爆炸事故。加气时，需要严格控制火源等因素，避免引发安全事故。

2 “双碳”背景下加氢站面临的安全问题分析

基于加氢站生产安全控制现状，其存在的问题直接影响到加氢站流程与控制的效果，成因如下。

2.1 设备安全问题分析

加氢站运行时需要频繁使用加气机，容易受到环境等因素影响，很容易出现故障，直接影响到加氢站的安全运行。

（1）关闭加气枪阀门后，存在漏气情况。枪阀处密封效果不理想，或是阀门球面出现损坏，影响到密封效果。实际维修时，需要更换或维修枪阀。

（2）枪阀或泄气位等部分容易出现漏气现象。解决时，需要更换或调整枪头。

（3）完成加气后，加气机出现漏气情况。出现这一情况的原因为电磁阀门故障或氢能含有大量杂质影响到阀门。在实际维修时，需要更换或维修该部分。

（4）加气时，主板信号灯出现问题，表现为信号灯失效、加气时直接停止工作，或加气结束后信号灯长亮及乱闪的情况。

2.2 工作人员操作问题

加氢站面临安全问题的一大原因就是人员操作问题。

（1）压缩机压缩氢气时，需要时刻关注气体的流向，避免出现超压事件引发机械损害或人员伤亡。

（2）加氢时，加氢枪使用不当，出现天然气泄漏情况，如果加气枪与车辆电瓶接触时引发短路问题，引发火灾或天然气爆炸。

（3）工作人员如果出现超压加气，很容易诱发爆炸，直接造成人员伤亡或破坏周边环境，如果没有及时观察气柱，当空气进入到加气柱内出现爆炸。

（4）操作人员操作不当，诱发安全事故。实际操作时，需要考虑各方面情况，避免出现安全问题，做好相关分析。

2.3 安全管理制度问题

对于任何工作来说，人力资源都是影响工作安全性的核心要素，因为所有工作都是由人来决策、主导和执行的，而作为生产管理工作的规划者和组织者，生产管理者的素质水平与工作完成效果之间具有密不可分的联系。安全评价已经成为加氢站发展的必然趋势，加氢领域在快速发展的今天也带动了技术的革新。

对于加氢站而言，对设备的需求量不断提升。国内加氢站技术起步较晚，与国外发达国家相比存在较大差距，很多生产技术水平偏低，自身存在较大的发展与进步空间。近年来，加氢站的发展速度较快，对专业人才的需求量不断提升。但工作人员的专业性跟不上企业的发展速度，加上企业的工作人员经常在恶劣的环境下工作，稍有不慎也会造成一定的危险。因此，可直接从市场招聘高素质的技术人才，切实发挥加氢站安全评价技术的优势。

3 “双碳”背景下加氢站安全技术分析及风险防控

“双碳”背景下，加氢站面临着诸多安全风险问题，需要分析这些安全问题的成因，结合实际情况，给出相关的完善措施，具体如下。

3.1 加氢站储罐主动安全防护技术

3.1.1 保温绝热的防护措施

氢储罐内液体与外界环境之间存在较大温度差，因此，绝热保冷设计是保证存储安全的重要措施。当前，对于小型的氢储罐，通常会采用真空绝热或者真空粉末绝热的方式。大中型及特大型的氢储罐通常会使用堆积绝热的方式。在材料技术不断发展的今天，新型材料逐步被应用到绝热保冷设计中，这对于提升防护效果具有非常重要的现实意义。

3.1.2 压力防护措施

氢储罐内压力的稳定性也是保证存储安全的重要前提，压力过高、过低都容易发生事故。对此，在氢储罐正常运行时，可以利用压缩机将压力控制在一定的范围内，保证存储的安全性。此外，为了有效避免阀座结冰问题，影响安全阀的安全开启，需要使用先导式安全阀，并且将安全阀的进口管道伸到吊顶以下。

具体工作流程如下：当储罐内的压力过低时，通过调节阀，可以向罐内注入一定的干燥氢气或者氮气，如果压力持续降低，真空阀将会打开，进一步调节内部的压力。安全阀和真空阀是维持氢储罐内压力处于正常范围的重要防线。需要注意的是，安全阀的功能过于单一，因此，需要配合其他的安全措施共同使用。

3.1.3 利用惰性气体做好防爆处理

惰性气体防爆措施是常用的一种手段，考虑到氢储罐内的蒸发气体，为避免气体混合物达到爆炸极限，可以提前对储罐进行处理，利用氮气置换罐内的气体，能够改善防爆效果。

3.1.4 预防氢翻滚的措施

由于氢的密度差造成的分层是导致翻滚事故发生的根本原因，因此，需要做好以下方面的措施，避免翻滚问题的出现。

第一，选择正确的充注方法。通常情况下，顶部充注和底部充注是常用的两种方式。当新充注的氢密度比储罐内原有的氢密度大时，可以采用顶部充注的方式；如果新充注的氢密度小于原有的密度，可以采用底部充注的方式。第二，在充注时，管道和喷嘴应该分别采用多孔管和混合喷嘴方式，使新旧氢得到充分混合。第三，在储罐的内壁设置相应的探测器装置，能够及时监测氢液位、温度及密度的变化，如果数据出现异常，需要立即启动循环泵，及时消除分层现象。

3.2 加氢站储罐被动安全防护技术

3.2.1 围护措施

通过围堰处理，能够更好地处理泄漏的氢，并且抑制蒸发气的扩散。当前，氢储罐按照结构的不同可以划分为单容罐、双容罐，对于单容罐而言，需要单独进行围堰处理。在进行维护处理的过程中，需要严格遵循我国的相关标准，保证措施的有效性。

3.2.2 消防冷却水防护措施

氢储罐着火、爆炸的危害非常严重，其产生的热辐射会影响人体健康及周边设施设备的正常运转。罐体处于高温环境中，将会导致强度下降，严重时会导致开裂，因此，需要严格控制好蒸发气体的浓度，有效做好火灾的防火工作。使用消防冷却水的过程中，可以选择水幕、水喷淋、水喷雾、固定消防水炮及室外消火栓等形式。

3.2.3 泡沫覆盖的措施

氢储罐的集液池或者围堰应该设置相应的高倍数泡沫系统，这种系统能够有效驱散蒸发气体，在火灾发生时快速形成泡沫覆盖层，减少热量的传递，减慢蒸发的速度。氢储罐的高倍数泡沫防护系统具体包括高倍数原液罐、过滤器、控制阀、管道、泡沫比例混合器、泡沫发生器及火灾报警系统等组成。关于相关参数比例的设置，需要结合氢储罐的实际情况，通过实践的方式做好数据分析工作，保证泡沫覆盖措施的有效性。

3.2.4 干粉灭火措施

就当前的氢储罐结构而言，当内部气压过大时，安全阀将会发挥作用将超压气体排出，此时，安全阀周围就会存在火灾风险。为进一步提升储罐的安全性，需要在安全阀出口位置设置相应的灭火系统。干粉灭火就是很好的一种选择。干粉灭火系统通常由干粉罐、氮气瓶、减压阀、干粉输送管道及喷头等部分组成。对于氢储罐安全阀位置处的干粉灭火系统的相关参数，需要结合实际进行设定，当前并没有形成统一的标准。

3.2.5 隔震减震措施

对于氢储罐的设计，需要重视抗震能力的设计，通过采用相应的隔震减震措施，能够进一步提升储罐的抗震水平，降低地震对储罐的影响，提升安全水平。就当前而言，在储罐上可以采用物理隔震减震的方式，橡胶支座就是一种常用的处理方式。但这种处理方式也具有一定的缺点，对于周期较长的水平振动容易出现共振问题。由于缺乏相应的标准，橡胶支座的应用依然存在一定的不确定性。因此，对于隔震减震措施的应用还需要加大研究力度，充分利用现代设备装置及计算机控制技术的优势，提升防护效果，改善安全性。

3.3 制订故障检修方案，培养精细化管理理念

加氢站加氢设备经营与发展水平通过效益与成本进行评估，而效益与成本本身就是一种博弈关系，最直观的理解，即加氢站加氢设备可以有效控制成本，这就可以获得较高的收益。加氢站加氢设备管理中应用精细化管理理念，可以实现内部各项资源的细致划分，提高资源的利用率，有效控制成本投入，顺利达成降本增效。所谓的一般性检修，就是针对加氢设备的实际检测和使用情况展开定期维护和检修。而在对加氢设备日常运行状况进行监测维修时，最常规操作方法是将同一类型的仪表集中起来，实现统一操作和管理，如此能进一步提升工作效率，促进其监测准确率的提升。

但是，在针对加氢设备开展定期检修工作前，工作人员需要提前做好工作准备，针对仪表故障状态进行判断。最常用的有以下几种方法：针对仪表该阶段内记录的所有参数进行全面分析，观察期是否出现明显波动性变化；针对现场工作人员进行问询，确定其工作过程中是否发生异常；针对仪表指示进行检查，同时，结合故障曲线判断是否出现异常。只有针对仪表运行状态进行了解后，才能根据实际情况制订相关检修计划。在此过程中，最关键且常用的判断方法就是现场问询，相比而言，这是最简单、直接的一种检修方法。维修人员通过对设备仪表、检测仪器的运行状况进行检查，同时，对相关工作人员工作过程进行问询，从而获知仪表在检测过程中的具体工作状态，并通过对常见问题发生与否的询问，对仪表故障情况及可能原因进行分析，实现对仪表运行功能的监测以及故障问题的排除。

所谓的对加氢设备故障进行处理，主要是指在加氢站利用加氢设备对数据监测应用期间出现的一些比较典型、普遍的故障进行处理和解决，主要包含电磁流量计显示归零、主控显示仪和气流量显示仪两者所显示的指示误差较大等。在设备运行过程中，针对电磁流量计指针归零故障进行排除和解决时，考虑到电磁流量计的实际安装方式为分体式，虽然如此能够有效将感应装置和显示装置进行分离，但这也导致了其感应装置需要长期暴露在恶劣的外部环境中遭受风吹、日晒及雨淋等，一旦感应装置的线路盒因为淋雨影响而发生故障，就会发生励磁线圈和地面绝缘电阻的突然减小，出现电磁流量计所感应到的数值与实际数值之间存在较大差异。针对此故障，就需要工作人员利用工具针对装有电磁流量计感应装置线路盒上面的水迹进行清除处理，保证线路干燥，因此，只有这种状态下，才能保证加氢设备的稳定运行。另外，为实现对这种状态的保护，工作人员需针对处于外部环境中的感应装置采取密封式保护，以免再次发生故障。