淺談加氫站潛在風(fēng)險(xiǎn)及安全措施

趙振峰

(青島諾誠化學(xué)品安全科技有限公司，山東 青島 266101)

隨著科技發(fā)展，地球的生態(tài)環(huán)境越來越成為發(fā)展的重要議題，尋找一種新型高效環(huán)保的可替代能源成為全世界一直在攻堅(jiān)的重要課題。[1]，氫在自然界中分布很廣，在整個(gè)宇宙中，按原子百分?jǐn)?shù)來說，氫是最多的元素。氫能作為一種清潔環(huán)保、高效轉(zhuǎn)化、來源多樣、可儲(chǔ)存運(yùn)輸利用的新能源，是目前公認(rèn)的一種最有可能進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域的清潔能源，氫能的安全、高效、可持續(xù)利用將成為未來幾十年內(nèi)引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)[2]，也是國際國內(nèi)能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。氫燃料電池汽車[3]與氫能的發(fā)展也是我國中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)基礎(chǔ)研究內(nèi)容，也已成為世界主要汽車生產(chǎn)國的國家戰(zhàn)略。

2016年，氫能與氫氣燃料電池等氫能發(fā)展技術(shù)被國家列入未來新能源發(fā)展的重要方向和戰(zhàn)略新興業(yè)務(wù)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[4]。預(yù)計(jì)到2030年，國內(nèi)的氫燃料電池汽車年銷量規(guī)?？蛇_(dá)上百萬輛，相應(yīng)配套的加氫站數(shù)量將達(dá)到1000座以上[5]。因此加氫站的安全穩(wěn)定長期有效運(yùn)行是當(dāng)下氫能安全發(fā)展利用的重點(diǎn)工作[6]。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、輸氫方式是目前相對比較成熟的一種工藝[7]，應(yīng)用也最為廣泛，是現(xiàn)階段氫能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中主要的儲(chǔ)氫、輸氫方式[8]。高壓氫氣制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加注和用戶使用過程中均具有潛在的氫氣泄漏、火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。高壓氫氣設(shè)備管線在高壓氫氣環(huán)境下長期工作，其材質(zhì)會(huì)因高壓氫脆而導(dǎo)致設(shè)備使用壽命下降，導(dǎo)致高壓氫系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)增加。在使用過程中高壓儲(chǔ)氫裝置，有可能因超壓而發(fā)生超壓泄漏、火災(zāi)和爆炸。

1 加氫站主要風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 加氫站組成

加氫站系統(tǒng)依據(jù)不同的功能，可分為制氫單元(站內(nèi)自制氫)或站外氫氣輸送單元、氫氣調(diào)壓干燥單元、氫氣壓縮單元、氫氣儲(chǔ)存單元、氫氣加注售氣單元統(tǒng)和加氫站控制單元六個(gè)主要單元。氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐、加氫機(jī)是加氫站系統(tǒng)的三大主要設(shè)備。

加氫站根據(jù)氫氣來源不同，通過外部供氫設(shè)備設(shè)施或者站內(nèi)制氫設(shè)備獲得氫氣后，經(jīng)過氫氣調(diào)壓干燥單元處理合格后，為下游氫氣壓縮單元輸送恒定壓力的干燥氫氣，隨后經(jīng)氫氣壓縮機(jī)做功壓縮后，進(jìn)入高壓儲(chǔ)氫罐組儲(chǔ)存，同時(shí)根據(jù)外部銷售情況，將壓縮后的高壓氫氣通過氫氣加氫機(jī)為氫氣燃料汽車進(jìn)行加注。

一般加氫站沒有自制氫氣的能力，大部分需要通過氫氣長管拖車將氫氣運(yùn)輸至加氫站，一般氫氣運(yùn)輸在常溫、20 MPa 工作條件下進(jìn)行；氫氣長管拖車到達(dá)加氫站后通過站內(nèi)卸氣柱，經(jīng)氫氣壓縮機(jī)壓縮增壓后，輸送至高壓儲(chǔ)氫瓶組；需要涉及分級加注氫氣工藝流程時(shí)，分級使用低、中、高壓三級氣源，氫氣由低到高，依次經(jīng)加氫機(jī)平衡充裝至氫氣燃料汽車。

通過加氫機(jī)對氫氣燃料汽車進(jìn)行氫氣加注時(shí)，先從氫氣長管拖車取氣，隨著氫氣不斷加注，氫氣長管拖車壓力降低，當(dāng)氫氣長管拖車內(nèi)的氫氣工作壓力與氫氣燃料汽車上的車載儲(chǔ)氫瓶工作壓力到達(dá)平衡時(shí)，關(guān)閉氫氣長管拖車出口閥門，終止氫氣長管拖車出氣；打開低壓氫氣瓶組出氣閥門，開始從低壓氫氣瓶組出氣，當(dāng)?shù)蛪簹錃馄拷M與氫氣燃料汽車車載儲(chǔ)氫氣瓶內(nèi)工作壓力到達(dá)平衡時(shí)，車載儲(chǔ)氫氣瓶停止進(jìn)氣，關(guān)閉低壓儲(chǔ)氫瓶組出口閥門；以相同方式依次從中壓儲(chǔ)氫氣瓶組、高壓儲(chǔ)氫氣瓶組取氣。如果還有其他車輛需要加注氫氣，控制系統(tǒng)開啟氫氣壓縮機(jī)，氫氣壓縮機(jī)從氫氣長管拖車內(nèi)取氣，氫氣通過氫氣壓縮機(jī)增壓后，直接給加氫機(jī)供氣，直到汽車車載儲(chǔ)氫氣瓶加滿氫氣。若氫氣瓶組工作壓力低于系統(tǒng)控制壓力時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)氫氣壓縮機(jī)開始補(bǔ)壓。

1.2 加氫站主要風(fēng)險(xiǎn)及管控措施

加氫站主要有兩大類安全問題：一是加氫站的工作壓力非常高，加氫站最大儲(chǔ)存壓力達(dá)到 90 MPa[9]。二是加氫站主要的危險(xiǎn)物質(zhì)為氫氣，氫氣在常溫、常壓條件下是一種極易燃燒、無臭、無味、無色透明且難溶于水的氣體。根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)分類，氫氣是甲類氣體，是國家重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品，爆炸極限(v%)為4.1～74.1，氫氣密度為 0.089 g/L，是世界上已知的密度最小的氣體，通常氫氣在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和 0 ℃ 密度僅為空氣的1/14。另外，為了保證安全，氫脆問題必須考慮。因此，非常有必要對氫系統(tǒng)危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行辨識，對加氫站的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的評估以提高安全水平[10]。

高壓氫氣在制備、運(yùn)輸、壓縮、儲(chǔ)存及后續(xù)加注和使用過程中，均具有潛在的氫氣泄漏和火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)[11]。主要風(fēng)險(xiǎn)及管控措施如表1所示：

表1 高壓氫氣主要風(fēng)險(xiǎn)及管控措施

2 事故分析

案例一：2012年，美國某加氫站一個(gè)氫氣瓶旋轉(zhuǎn)接口密封失效，導(dǎo)致瓶內(nèi)高壓氫氣泄漏。該加氫站共有120個(gè)氫氣瓶，布置在加氫站頂部。氫氣傳感器感應(yīng)到泄漏后發(fā)布警報(bào)，加氫站工作人員迅速采取緊急關(guān)閉措施，然后將失效的氫氣瓶與周邊其他氫氣瓶隔離并報(bào)警。泄漏氫氣沒有產(chǎn)生火焰，該事故沒有造成人員傷亡，造成了較少的經(jīng)濟(jì)損失。事故發(fā)生后不久，該加氫站對每個(gè)氫氣瓶四周安裝了耐火金屬板和半自動(dòng)噴淋裝置，避免氫氣泄漏后發(fā)生著火和爆炸，對周邊氫氣瓶產(chǎn)生影響。

案例二：2019年5月，韓國某市一個(gè)政府氫氣能源研究項(xiàng)目中的加氫站儲(chǔ)氫罐損壞泄漏，發(fā)生氫氣爆炸事故。爆炸導(dǎo)致周邊一個(gè)建筑物損壞，同時(shí)造成2人死亡，6人受傷。事故主要原因是儲(chǔ)罐超壓卸放，零部件失效導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐泄漏爆炸。

案例三：2019年6月，挪威某地區(qū)一個(gè)加氫站設(shè)備損壞，氫氣泄漏后發(fā)生火災(zāi)和爆炸，導(dǎo)致該加氫站被爆炸損壞，還導(dǎo)致了加氫站臨近馬路汽車損壞，周邊道路交通癱瘓。事后經(jīng)調(diào)查，引起事故的主要原因是加氫站高壓儲(chǔ)存裝置的一個(gè)儲(chǔ)罐插頭螺栓預(yù)緊力不足，長時(shí)間工作導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐插頭損壞，氫氣泄漏至外界，遇點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)爆炸。

通過以上事故，加氫站中設(shè)備一個(gè)細(xì)小的閥門或插頭的失效，都會(huì)導(dǎo)致極易燃爆的氫氣發(fā)生巨大的火災(zāi)爆炸事故，足以摧毀一座耗資巨大的加氫站，對站內(nèi)人員及來往氫氣燃料汽車瞬間產(chǎn)生傷害，甚至波及周圍居民及建構(gòu)筑物的安全。

針對以上事故分析，事故發(fā)生均有加氫站內(nèi)部分零部件缺陷或安裝失誤，導(dǎo)致高壓氫氣泄漏，因此應(yīng)加強(qiáng)人員培訓(xùn)，識別高壓氫泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)加強(qiáng)對加氫站零部件檢測，減少零部件缺陷導(dǎo)致的泄漏事故。

根據(jù)目前事故影響范圍，建議在項(xiàng)目建設(shè)初期進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評估，確定加氫站外部安全距離及加氫站發(fā)生氫氣火災(zāi)爆炸時(shí)對周邊的爆炸沖擊及熱輻射影響，并根據(jù)加氫站周邊環(huán)境設(shè)置防爆墻等措施，降低加氫站爆炸火災(zāi)后果，確保周邊處于安全區(qū)域。

3 結(jié)語

現(xiàn)在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、輸氫方式目前相對比較成熟，應(yīng)用也最為廣泛，是現(xiàn)階段氫能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中主要的儲(chǔ)氫、輸氫方式。

一旦氫氣加氫站發(fā)生泄漏，引發(fā)站內(nèi)火災(zāi)、爆炸事故時(shí)，為防止氫氣泄漏事故擴(kuò)大及蔓延，一般應(yīng)制定相應(yīng)氫氣泄漏應(yīng)急預(yù)案，發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，應(yīng)即時(shí)啟動(dòng)緊急停車按鈕，切斷氫氣輸送來源、切斷站內(nèi)電源等，運(yùn)營管理規(guī)程中應(yīng)將切斷電源、切斷氫氣源作為站內(nèi)應(yīng)急重要手段嚴(yán)格要求，并應(yīng)在氫氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造時(shí)為切斷氫氣源創(chuàng)造條件，再加氫機(jī)、壓縮機(jī)及卸氣區(qū)等氫氣可能泄漏區(qū)域設(shè)置緊急切斷按鈕，方便人員切斷氫氣及電源。

通過以上分析，氫的火災(zāi)、爆炸問題是加氫站安全設(shè)計(jì)、平面布局過程中優(yōu)先考慮的安全問題。有必要針對加氫站火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行專題分析研究，確定加氫站典型火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生后的影響區(qū)域，明確加氫站與外部環(huán)境的安全間距問題，提出降低火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)的措施，保證加氫站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為我國在新能源產(chǎn)業(yè)的布局提供技術(shù)支撐。