浅谈加氢站安全设计

2023-02-24叶召阳

中国设备工程 2023年1期

叶召阳

（佛山市佛铁实业有限公司，广东佛山 528000）

加氢站是氢能产业的重要组成部分，目前绝大多数国家都把加氢站作为产业发展的突破口，提前规划布局加氢站的建设。但是，加氢站的安全不容忽视，2019年，挪威就发生过一起加氢站着火爆炸事故导致2人受伤。不过，在我国，截至目前，运营的加氢站中未发生过重大安全生产事故，也可见国家对安全的把控是越来越严。

本文将对加氢站在设计、建设及运营的安全方面作阐述。

1 氢气特性

氢气是无色并且密度比空气小的气体，难溶于水。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但氢气是一种极易燃的气体，燃点只有574℃，在空气中的体积分数为4%～75%时都能燃烧。

氢气的特性可总结为：易泄漏、扩散；易从非金属中渗透；易与金属发生氢脆；易燃(点燃/自燃）；易发生爆燃转爆轰；爆炸能量当量高；无色无臭不易察觉；氢火焰温度高且白天不可见等。

2 氢气安全设计原则

氢气有4大安全设计原则：尽可能减少氢气泄漏；防止氢气在密闭空间中聚集；防止氢气与空气混合形成可燃性混合气体；及避免或减少点火源（如手机信号、静电摩擦等）。

因此，对于加氢站内设备材料属性要求选择下列材质：316L或316Ti不锈钢；青铜；黄铜；铝；铜-铍合金（不膨胀）；多数塑料（低渗透性的，尤其是尼龙和Zytel）。根据氢脆的性质，下列材料是严禁选择的：高强度碳钢；蒙奈尔铜镍合金；镍合金；许多高渗透性塑料等。

在材料连接方式上：一是应优选焊接方式；二是选用法兰连接，其中垫片耐温大于538℃，采用凹凸密封面形式；三是可采用锥形螺纹、卡套方式，当采用螺纹连接时要用耐高温材料，卡套连接时扭矩也应遵守相应规定；四是禁止使用胶黏剂连接方式，因为其不耐高温且不耐压。

3 加氢站安全设计理念

对于加氢站安全防范设计理念，可以大致分为3个状态共5层：事前本征安全、事中主动安全和事后被动安全（第1～5层）。

（1）事前本征安全（第1层），即氢不泄漏。要求加氢站内工艺系统与设备本质安全设计要重视。

（2）事中主动安全（第2～4层）：①第2层：若泄漏可及时检测到，并能够采取措施控制进一步泄漏扩散。要求做好安防控制系统设计。②第3层：发生泄漏，措施得当，通风良好，不会产生积聚。要求做好建筑和安全设计。③第4层：杜绝点火源。要求做好电气防爆设计以及严禁烟火等安全制度。

（3）事后被动安全（第5层）：万一发生火灾，也不会对周围产生影响或影响控制在最小范围。要求加氢站配备防爆墙、安全间距等安全措施，并做好应急处理预案/措施等。

4 加氢站关键设备安全设计

加氢站的关键设备主要有加氢机、压缩机、储氢装置、安防系统等。

（1）加氢机。加氢机应符合国标GB/T 31138《汽车用压缩氢气加氢机》。加氢机的安全设计主要包括防爆设计、泄漏检测、限压保护、拉断阀、紧急切断等。因此，需要严格的零部件选型，大量的实验和使用经验所得的控制策略，再配上多重安全保护、严谨的防爆设计以及多方面参考国内外氢气行业标准得来。

（2）压缩机。加氢站用高压氢气压缩机安全设计主要包括防爆设计、安全阀、膜片泄漏自检、各类报警保护、紧急切断等。氢气压缩机的安全保护装置设置应符合现行国家标准GB50516《加氢站技术规范》中相关规定。压缩机应根据排量要求、气源特点、吸气及排气压力选取合适的类型，如隔膜式、增压泵式、离子式等。隔膜式压缩机排气量少，不能频繁启停，不适用带载启停。增压泵式（气驱或液驱）压缩机可多级串并联达到大排气量，适合频繁启停，但耗能高。离子液体压缩机可实现氢气无污染压缩，且效率较高，但成本耗费高。

（3）储氢装置。加氢站用储氢装置常用储氢罐或无缝管式储气瓶，安全设计主要包括强度试验压力、爆破试验压力、疲劳试验、安全阀等，需满足GB/T34583《加氢站用储氢装置安全技术要求》。容器材料、设计、制造、使用管理等方面应遵循T/CATSI05003《加氢站储氢压力容器专项技术要求》。储氢装置的储氢能力应满足压力、供氢方式、充氢压力、氢气充装量以及均衡连续供气的要求，储氢装置易采用分级设置，合适的分级容积比有利于提高氢气利用率。此外，储氢装置需要考虑材料抗氢脆性能、抗疲劳性能、使用寿命和定期检验等方面的问题。

（4）安防系统。加氢站的安防系统主要包括可燃气体检测、火灾检测以及中央监控和数据采集、紧急切断等。具体可参考团体标准TCSTE0011《加氢站视频安防监控系统技术要求》。①可燃气体检测报警系统，检测到空气中的氢气含量达到0.4%时应触发光报警信号，当空气中的氢气含量达到1%时应启动相应事故排风风机，当空气中的氢气含量达到1.6%时，应触发加氢站紧急切断系统。②火灾探测器，当探测到火灾信号时应触发加氢站紧急切断系统。③中央监控和数据采集系统，实时采集和记录各主要工艺设备的运行状态及参数。④紧急切断系统应能在事故状态下迅速切断站内各工艺设施的动力电源和关闭可燃介质管道阀门。除此之外，还应具有失效保护功能。

（5）其余部件。除上述外还应做好管路系统、卸气柱、放散管、主体建筑等安全设计。对于管路系统，应保证采用高强度316不锈钢，设计压力138MPa，接头有超压泄放功能（紧凑锥面螺纹连接）；对于卸气柱，应包含拉断阀、安全阀和氮气吹扫设计；对于放散管，要考虑阻火器设计；对于主体建筑物，要考虑所有建筑顶棚不留死角，不积聚氢气。

5 加氢站的安全防范设施

加氢站内安全措施种类繁多，包括氢气探测、火焰探测、紧急制动、紧急切断阀、安全阀、防爆墙、喷淋装置、静电装置、防雷接地装置、消防设施等在内的至少20多种，并且多数情况下几个安全措施是联合协同才能发挥应有的效果。

加氢站内的主要安全措施可分为以下5大类。

（1）控制泄漏措施，即降低泄漏频率。一是降低单次泄漏概率的措施，如减少连接部件的个数；管道连接优选焊接，法兰连接或螺纹连接则用耐高温材料。二是减少持续泄漏时间的措施，如布置氢泄漏传感器，与紧急制动系统连接等。

（2）控制火源措施，即降低点火概率。一是预防摩擦和静电，如设置静电接地措施；人员禁止穿带铁钉鞋和化纤衣服等。二是防止电器火花和雷电，如采用防爆电器设备、部署防雷设施等。三是站内严禁烟火。

（3）防止爆炸措施，即减少受限空间、防止物理爆炸。一是采用开放式设计，即整个加氢站采用开放式设计，不留气体聚集死角；爆炸危险区房间设置通风系统等。二是防止储氢容器物理爆炸，如设置喷淋降温装置，加装安全阀和爆破片等安全泄压措施等。三是保证氮气吹扫系统正常运转。

（4）紧急响应措施，即防止事故升级。一是设置氢气火焰探测器，与紧急制动系统连接，可立即切断氢源。二是配置完整的消防设施。三是做好紧急响应计划、应急预案，加强员工应急培训等。

（5）保护特殊区域的措施，即在重要设备附近建立实体围墙，如卸氢区域、压缩机附近、储氢容器附近等。

6 金属软管的注意事项

根据氢气事故统计和分析表明，无论在氢气充装过程还是现场使用氢气时，金属软管都是一个薄弱环节。设计、制造过程中的缺陷、使用过程不恰当都有可能导致金属软管破裂从而导致氢气泄漏引发火灾。因此，金属软管的选择和使用需要重点关注下列情况：

（1）材质宜选择316L波纹管+金属编织保护层，口径不大于10mm，长度不大于5m。

（2）连接方式宜采用金属曲面密封加左旋螺纹。

（3）需经过耐压测试、密封性测试、液压循环试验、爆破试验以及弯曲循环试验。

（4）检查金属软管外部是否变形、保护层破损；要配套防甩保护安全绳；每次使用时要进行检漏；使用时应保持软管自然状态，避免扭曲拉伸弯曲半径过小等，同时还要防止被拖曳。

（5）使用寿命原则上小于1年或者使用次数小于1300次。

7 工艺过程危险性分析

加氢站运行的工艺可分为三部分：卸车过程、增压过程以及加氢过程。

（1）卸车过程。是指氢气长管拖车进入站区卸车位，固定车辆并连接卸车软管，通过卸气柱将氢气从管束内卸载，并输送至氢气增压系统的过程。主要危险性为：①在初次卸气前或者对卸气柱维护后，卸气柱内会积存空气，若未对管道进行吹扫或吹扫不干净，则存在氢气与管内空气混合达到氢气爆炸极限可能性。②在卸车过程中，未控制气体流速。如果气体流速过快会导致管道中静电急剧增加以及引起温度升高，可能发生火灾爆炸事故。③长管拖车与卸气柱的充装口连接时，若连接不到位，造成氢气泄漏。④加氢站的静电接地线与长管拖车的框架管束的导静电片未进行连接，可能发生火灾爆炸事故。⑤长管拖车车头移走过程中，支撑支柱固定不稳或支撑不到位，可能导致长管拖车移动，拉断管线，导致氢气泄漏事故。

（2）增压过程。是指来自卸气柱的氢气进入增压系统，在压缩机内氢气经过压缩，汇集后通过换热冷却后排出，分别充入高压、中压、低压储氢容器中的过程。主要危险性为：①冷却机组出现状况，如冷水机组出水温度过高、冷却水流量过小或冷却水断流等情况，则难以降低氢气压缩机和固定储氢瓶罐的温度，可能造成物理爆炸。②高压管道安装固定缺失造成高压管道震动、磨损、震烈管道，引起管道泄漏。

（3）加氢过程。是指氢燃料电池车辆进站进行氢气充装的过程。主要危险性为：①设备密封性能降低或失效导致氢气泄漏。②加氢时，汽车意外启动导致加氢软管拉断，或加氢软管未设置拉断阀或拉断阀失效。③驾驶员违反站内规定，如吸烟、接打电话等行为、车辆未熄火等错误操作。④加氢操作人员未进行相关培训，操作失误造成氢气泄漏等。

8 加氢站的安全运营管理

（1）加氢站应建立健全的安全生产规章制度和岗位操作规程；有符合国家规定的危险化学品事故应急预案，并配备必要的应急救援器材、设备；由于氢气属于重点监管的危险化学品，应按《首批重点监管的危险化学品安全措施和事故应急处置原则》的要求，加强氢气的经营储存管理。

（2）在人员配置方面，要求配备足额的人员以保证24小时不间断的值守；对于负责加氢站全面管理工作的站长，需要持特种设备安全管理人员证（A证）及主要负责人证；对于其余从业人员，需持移动式压力容器充装(R2证)以及气瓶作业操作证（P证)。所有人员都应依照有关规定经安全生产教育和专业技术培训合格后上岗。

（3）在日常运营管理方面，所有从业人员不穿化纤材质的衣服，不穿戴带铁或钉的安全鞋。在安保和人员进出管理方面，入口处均应粘贴警示标志，禁止吸烟、使用手机等，四周应钢制栅栏包围隔离。在巡检方面，要多使用便携式氢气探头对卸氢区、压缩机处、管道连接处、加氢区进行检测。

（4）在加氢站内设备及管道等维护方面，对特种设备和安全附件进行经常性日常维护保养、定期自检，发现异常及时处理，并记录；管道需要进行定期检查，每季度至少进行一次外部检查、管道每年至少进行一次重点检查、每三年至少进行一次全面检查；定期对站内设备、管道、阀门、附件等进行安全检查，保证设备、管道阀门、附件等完好，一旦发现有损坏情况，必须立即进行妥善处理；防雷设施应定期请当地防雷设施检测所检测，平时应注意防雷设施的保养。