加氫站的安全風(fēng)險及防范

肖海明

〔中國石化銷售股份有限公司 北京 1000728〕

化石能源的日益減少及不斷深化利用所導(dǎo)致的環(huán)境污染，對清潔、環(huán)保能源提出了更急迫的需要，而以清潔高效、可持續(xù)供應(yīng)的氫為燃料的氫燃料電池汽車將得到快速發(fā)展，加氫站建設(shè)需求也將快速增長。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和前提是確保氫能安全。但是，近年來國外接連發(fā)生數(shù)起氫能源事故，引發(fā)了國內(nèi)外對氫能源安全的高度關(guān)注，這也是加氫站建設(shè)和運營安全面臨的巨大挑戰(zhàn)。防范加氫站安全風(fēng)險是油品銷售企業(yè)關(guān)注的重點。本文對近年來發(fā)生的氫能事故進行深入分析，并結(jié)合加氫站現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)了加氫站安全風(fēng)險，提出了針對性防范意見，希望能為加氫站的安全發(fā)展提供參考。

1 氫能源的發(fā)展概況

氫能是一種典型的二次能源。美國2004年就制訂實施了《氫能技術(shù)研究、開發(fā)與示范行動計劃》；日本是氫能經(jīng)濟的推動者及率先應(yīng)用的國家，在2010年公布了《燃料電池汽車及加氫站商業(yè)化場景戰(zhàn)略》；德國在氫能方面的推廣應(yīng)用走在歐洲前列，在燃料電池車、通信基站、家庭熱電聯(lián)電站、加氫站等方面都有很好的應(yīng)用。

在我國，節(jié)能減排是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的永恒主題。作為交通工具的傳統(tǒng)燃油汽車是重要的大氣污染源，對人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害。因此，發(fā)展節(jié)能環(huán)保汽車可以在保持汽車增長的基礎(chǔ)上降低石油消耗、減少大氣污染，這是實現(xiàn)能源環(huán)境政策和汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，也是我國經(jīng)濟實現(xiàn)又好又快發(fā)展的迫切需要。我國自2012年起以純電驅(qū)動為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，重點推進純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化，但電動汽車電池在生產(chǎn)及末端環(huán)節(jié)污染的議論聲逐漸增大，而氫能在環(huán)境保護和解決常規(guī)能源需求方面的突出優(yōu)勢越發(fā)凸顯出來。在車企看來，發(fā)展氫能源是未來的大勢所趨，畢竟“把所有雞蛋都放在同個籃子里”的做法顯然不太明智。如今，上汽、一汽、北汽、吉利、奇瑞、眾泰、東風(fēng)等自主品牌已經(jīng)推出或亮相了氫燃料電池汽車，距離量產(chǎn)已經(jīng)不遠。另外，不少國外品牌也正緊盯國內(nèi)政策，試圖把握機會爭取更大的市場份額。不難預(yù)見，未來氫燃料電池汽車將得到全面迸發(fā)，而隨之而來的是加氫站建設(shè)需求的增長。截止到2020年3月，全球加氫站數(shù)目也僅460座左右。日本、德國和美國位居前三位。近些年，我國各地對加氫站、氫能源汽車等均制定了補貼政策，進一步推動了加氫站的發(fā)展進程，截至2020年3月底，國內(nèi)累計建成加氫站58座，2020年將新增100座加氫站，有可能在不久躍居全球第一位。筆者所在公司在廣東、浙江、上海等地已建成投入運營4座加油加氫合建站，另有9座也正在建設(shè)或報批中。

雖然在燃料選擇方面，以氫氣作為燃料具有環(huán)保、可再生、來源廣泛的優(yōu)勢。但在現(xiàn)實生活中，人們對于燃料電池車的安全性普遍存在顧慮，安全性也是除了建設(shè)運營成本外制約我國加氫站發(fā)展的重要因素。我國在推廣氫能源汽車及建設(shè)加氫站方面顯得格外慎重，選址、安全標準等因素對氫能源汽車發(fā)展較為保守，這也是其他國家所需面對的難題。目前為止國外已發(fā)生數(shù)起氫能源事故，但造成的后果并不很嚴重，至于未來是否會發(fā)生更嚴重的爆炸事件，值得更多人的重視，這也給氫能源車企帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2 加氫站的主要風(fēng)險

2.1 氫本身的風(fēng)險

作為一種清潔能源，氫氣與傳統(tǒng)能源如天然氣(甲烷)、液化石油氣(丙烷)及汽油一樣，不僅具有較高的能量，也具有一定的燃爆風(fēng)險，屬于火災(zāi)危險性為甲類的易燃氣體，與常用的汽柴油、天然氣、液化石油氣相比，氫氣具有其獨特之處，深入分析探討氫氣特征是確保用氫安全的基礎(chǔ)。上述能源的主要物理化學(xué)性質(zhì)詳見表1。

表1 常見能源的物理化學(xué)性質(zhì)表

從表1中可知，氫氣的特性可歸納如下：

(1)無色無味無嗅，人體無法感知其泄漏；(2)存在“氫蝕”現(xiàn)象，易脆化金屬而發(fā)生泄漏；(3)點火能低，燃燒及爆炸范圍寬；(4)密度小，擴散速度快，擴散速度分別是天然氣及汽油的3.8及12倍。因此，氫氣一旦點燃，燃燒速度極快，燃燒熱值高，一旦在制取、儲存及裝卸過程中發(fā)生泄漏，它可與空氣混合形成爆炸性混合物，遇熱或明火會發(fā)生爆炸。

2.2 加氫站運行風(fēng)險

加氫站氫氣的加注壓力有35 MPa和70 MPa兩種，儲存壓力一般在30～85 MPa之間，遠高于天然氣的儲存和加注壓力，因此由于高壓儲存及氫氣本身的特性，在加氫站日常運營中可能會存在以下風(fēng)險：一是在高壓作用下，儲氫設(shè)備或局部零部件因質(zhì)量缺陷可能無法滿足使用要求而發(fā)生故障引發(fā)氫氣泄漏事故。二是在高壓作用下，氫氣能滲透到金屬設(shè)備的碳素中而引起金屬管道及儲存設(shè)備的“氫脆”破壞，也會使儲存設(shè)備和傳輸管道的塑性和強度急劇下降，導(dǎo)致設(shè)備損壞，引發(fā)泄漏事故，并且“氫脆”只可防，不可治，一經(jīng)產(chǎn)生，就很難消除。三是因高壓作用，泄漏時氫氣從管口或縫隙處高速噴出會產(chǎn)生靜電，靜電荷的產(chǎn)生與其噴出時的流速存在同比關(guān)系，當(dāng)靜電荷達到一定值時可能會引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。四是氫氣的帶電性致使氫氣儲罐的出口處及輸氣管道處易發(fā)生靜電積聚放電現(xiàn)象，成為氫氣火災(zāi)爆炸事故的引火源，當(dāng)儲罐及輸氣管道的接地裝置發(fā)生故障時，極易引發(fā)火災(zāi)及爆炸事故。因此，加氫站氫氣的泄漏及靜電是重要的風(fēng)險點。

目前全球加氫站數(shù)量仍然較少，運營時間較短，氫站建設(shè)符合當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)設(shè)計規(guī)范，原則上是相對安全的，但近年來確實發(fā)生了幾起氫能源事故，引起了人們的關(guān)注，了解分析事故細節(jié)和原因，有助于發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險點，汲取經(jīng)驗教訓(xùn)。

事故案例1：

2012年5月4日，位于美國埃默里維爾的一座加氫站發(fā)生泄漏燃燒事故。該加氫站長管拖車的一個壓力泄放閥失靈，2.5h內(nèi)大約釋放了300kg(660磅)的氫氣?？焖籴尫诺臍錃馀c空氣在排氣管中混合。這種混合物隨后點燃產(chǎn)生響亮的“轟鳴聲”。在預(yù)混合氣體被消耗后，氫氣從排氣系統(tǒng)的出口產(chǎn)生一個噴射火焰。噴出的火焰燒焦了加氫站罩棚，導(dǎo)致油漆和灰塵燃燒，產(chǎn)生了黃色的火焰和煙霧。事件規(guī)模和應(yīng)急范圍不斷擴大，最終疏散了許多當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和學(xué)校人員。損壞的閥門見圖1。

圖1 損壞的閥門

事故原因分析：

(1)壓力泄放閥的泄漏是造成事故的根本原因。

桑迪亞國家實驗室對失效的閥門進行了廣泛的冶金分析。結(jié)論是，閥門材料選擇不當(dāng)是造成閥門泄漏失效的主要原因。440-C型不銹鋼是幾種耐氫性極差的高強度鋼之一，不應(yīng)用做與氫氣接觸的部件，相關(guān)文獻中也有記載。通常推薦采用316型奧氏體不銹鋼。

(2)事件發(fā)生后信息溝通不及時造成事件擴大。

應(yīng)急響應(yīng)措施沒有得到有效執(zhí)行，事前也沒有進行過演練；沒有及時向事故指揮部提供資料。缺乏關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)的及時信息導(dǎo)致了事件的升級。

(3)系統(tǒng)設(shè)計存在的問題。

壓力泄放閥泄漏的氣體未得到有效隔離，排放口位置低于罩棚，未按照要求安裝阻火器，均對事故規(guī)模的擴大起到了輔助作用。

事故案例2：

2019年6月10日17點30分左右，在挪威奧斯陸郊區(qū)桑維卡的Kjrbo加氫站發(fā)生了爆炸起火事故(圖2)。由于爆炸威力巨大，造成現(xiàn)場附近的E18和E16公路關(guān)閉。事故造成三人受傷，受傷原因是爆炸沖擊波導(dǎo)致汽車安全氣囊打開從而造成的物理傷害。直到當(dāng)天晚上20:00左右，消防部門宣布火勢已控制住，E18公路才開放。

圖2 加氫站事故現(xiàn)場

事故原因分析：

2019年6月28日，Nel公司發(fā)布了事故調(diào)查報告，報告中指出：高壓儲存單元的螺栓安裝故障(預(yù)緊力不足)是造成事故的主要原因(圖3)。

圖3 高壓儲存單元局部放大圖

事故調(diào)查報告推演了事故發(fā)生發(fā)展的主要過程：

(1)初始狀態(tài)。

綠色螺栓扭矩正常；

藍色螺栓扭矩過松；

(2)紅色密封圈失效。

紅色密封圈處有少量泄漏；

少量泄漏導(dǎo)致密封圈磨損，并造成泄漏升級；

泄漏量超過泄漏孔的承受能力，導(dǎo)致藍色密封圈內(nèi)壓力增加；

(3)襯套與插頭拔起，藍色密封圈失效。

非足夠的螺栓預(yù)緊力導(dǎo)致插頭拔起，藍色密封圈隨即失效；

氫氣失控泄漏。失效機理見圖4。

圖4 插頭組件失效機理圖

以上兩起事故一個是設(shè)備的設(shè)計選型存在問題，一個是設(shè)備安裝存在問題，此外還有日常檢查不到位。

事故案例3：

2019年5月23日傍晚6點22分左右，韓國江原道江陵市一家工廠發(fā)生一起氫氣罐爆炸事故，造成2人死亡、4人受傷。爆炸引起火柱，但并未引發(fā)火災(zāi)。原因在于氫比空氣輕14倍，在空氣中迅速擴散，周圍沒有易燃物，因此不會輕易引發(fā)火災(zāi)。該事件是韓國國內(nèi)首次發(fā)生的涉及氫氣的爆炸事故，也是近年來全球首次發(fā)生在氫氣制取儲存過程中的爆炸事故。在韓國，氫氣不受危險品安全管理法規(guī)管制。事后報道中指出，專家認為，韓國天然氣安全工程或國立科學(xué)搜查研究院的調(diào)查結(jié)果出來才能查明爆炸原因，但其立場是氫氣罐安全裝置未啟動、容器焊接不良、氫注入不好等原因。

以上事故可歸結(jié)為人員違規(guī)操作或操作不當(dāng)、設(shè)備質(zhì)量缺陷及日常檢查維護保養(yǎng)不到位以及設(shè)備及氣源質(zhì)量等問題，但發(fā)生泄漏的均是高壓設(shè)備，也就是說壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備是最大的風(fēng)險點。

不可否認，目前國內(nèi)外加氫站的數(shù)量不多，事故概率理應(yīng)小于其他，但就從氫氣的理化性能來看，氫氣的質(zhì)量是天然氣的近十分之一，是空氣的十四分之一，一旦泄漏，會迅速向上擴散，現(xiàn)場長時間存在爆炸氣體的可能性要遠遠低于天然氣和液化石油氣，實踐中經(jīng)常發(fā)生的一般也是通過限制最大可能的燃料流量或者增加空氣流通量盡量使燃料混合物的濃度低于爆炸下限，而氫氣的爆炸下限是汽油氣的4倍、丙烷的1.8倍，只是略低于天然氣。即使發(fā)生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃氣中最低的，特別就單位體積爆炸能而言，氫氣爆炸能僅為汽油氣的1/22。同時，國內(nèi)出于安全方面的考慮，對于加氫站建設(shè)審批十分謹慎。因此筆者認為相比而言，同等條件下，加氫站的安全性要高于天然氣和液化石油氣站以及汽柴油等傳統(tǒng)能源。

3 加氫站安全防范措施

在以上三起氫氣事故中，韓國發(fā)生在氫氣制取環(huán)節(jié)，美國發(fā)生在儲運環(huán)節(jié)，挪威發(fā)生在加氫站，基本涵蓋了氫能供應(yīng)體系。在氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展之時，發(fā)生的加氫站爆炸事故，引起了全球氫能產(chǎn)業(yè)的高度關(guān)注，也給氫能源的發(fā)展敲響了警鐘。結(jié)合事故教訓(xùn)和目前已識別出的風(fēng)險，筆者認為加氫站安全防范應(yīng)重點關(guān)注解決以下幾方面：

3.1 嚴格按照標準規(guī)范進行設(shè)計、建設(shè)

目前國內(nèi)加氫站有關(guān)的標準主要有《加氫站技術(shù)規(guī)范》(GB 50516-2010)、《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》(GB/T 34584-2017)、《加氫站用儲氫裝置安全技術(shù)要求》(GB/T 34583-2017)等國家標準。就現(xiàn)實情況來看，實際建設(shè)中與規(guī)范不一致的情況仍然存在。如《加氫站技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定罩棚內(nèi)表面應(yīng)平整，坡向外側(cè)?！稓錃庹驹O(shè)計規(guī)范》中要求有爆炸危險房間的上部空間，應(yīng)通風(fēng)良好。頂棚內(nèi)表面應(yīng)平整，避免死角。但現(xiàn)場來看，罩棚的設(shè)計隨意性較強(見圖5、圖6)。

圖5 國內(nèi)某加氫站壓縮機罩棚坡度設(shè)計

圖6 國內(nèi)某加氫站及儲氣瓶組平頂罩棚

筆者認為，加氫區(qū)域、壓縮機、儲氣瓶組罩棚應(yīng)設(shè)計一定傾角，盡可能不做吊頂，視情況設(shè)置排風(fēng)設(shè)施。

3.2 需解決相關(guān)規(guī)范部分條款并不十分明確或不統(tǒng)一的問題

如《加氫站技術(shù)規(guī)范》對氫氣管道的描述為宜明溝敷設(shè)或埋地敷設(shè)，而《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》為宜架空敷設(shè)或明溝敷設(shè)，兩個標準似乎存在一定矛盾，應(yīng)對標準中存在矛盾的條款進一步研究明確一致。為保證便于檢查發(fā)現(xiàn)泄漏或泄漏時防止積聚，筆者認為氫氣管線盡可能地上敷設(shè)，進入加氣區(qū)域必須入地的氫氣管線明溝敷設(shè)，蓋板上方應(yīng)開孔，防止氫氣積聚。(雖然采用明溝蓋板敷設(shè)，但應(yīng)避免蓋板厚度大，開孔數(shù)量少且孔徑小，難以實現(xiàn)溝內(nèi)通風(fēng)良好。)

3.3 把好設(shè)備選型和安裝關(guān)

要從已發(fā)生的幾起事故中吸取教訓(xùn)，一是充分認清設(shè)備選型的重要性，設(shè)備材質(zhì)須符合氫氣特性，如金屬鋁和一些不會發(fā)生氫脆的合成材料，所有爆炸危險區(qū)域內(nèi)的防爆設(shè)備選型必須符合氫氣作業(yè)條件(ⅡCT1)；二是設(shè)備制造安裝非常重要，特別是壓力容器、壓力管道的制作工藝、安裝工藝等要確保符合制造安裝標準。

3.4 合理設(shè)置安全連鎖控制系統(tǒng)

按照標準并結(jié)合現(xiàn)場實際設(shè)置泄漏在線監(jiān)測報警系統(tǒng)、可燃氣體報警器、緊急停車系統(tǒng)、緊急切斷裝置、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界報警系統(tǒng)等安全儀表系統(tǒng)，合理布局，盡可能實現(xiàn)自動連鎖控制，如排風(fēng)系統(tǒng)與檢測報警系統(tǒng)的連鎖。

3.5 把好氫氣采購關(guān)

業(yè)務(wù)部門必須把好氣源入口關(guān)，采購純度99.99%以上的氫氣，避免因氫氣質(zhì)量問題腐蝕壓力容器和管道，影響安全性能和設(shè)備使用壽命。同時在氫氣回路系統(tǒng)中不產(chǎn)生對氫氣的污染，如壓縮機選用隔膜式壓縮機等。

3.6 建立完善的組織機構(gòu)

加氫站應(yīng)建立健全組織機構(gòu)，配備能力勝任的站長，配齊安全員和設(shè)備管理專業(yè)技術(shù)人員。應(yīng)明確對口管理部門和管理人員。

3.7 建立完善的制度體系

加氫站應(yīng)建立HSSE管理體系，建立健全崗位職責(zé)、設(shè)備操作規(guī)程、檢維修規(guī)程、應(yīng)急處置方案、檢查標準等。

3.8 取得專業(yè)技術(shù)資質(zhì)

站長、安全員、設(shè)備操作員、加氣員等應(yīng)按國家要求取得相應(yīng)的特種設(shè)備管理、操作資質(zhì)。

3.9 嚴格執(zhí)行標準，杜絕三違

各管理、操作人員要嚴格按照制度要求和操作規(guī)程操作、復(fù)核，避免違章指揮、違規(guī)操作引發(fā)安全事故。

3.10 建立完善的應(yīng)急體系

研究制定加氫站應(yīng)急體系，包括應(yīng)急預(yù)案、現(xiàn)場處置方案、應(yīng)急物資配備標準、演練考核標準等?，F(xiàn)場處置方案應(yīng)結(jié)合加氫站實際制定，一站一案，重點包括泄漏、火災(zāi)、爆炸、防汛、地震、防恐等響應(yīng)及處置，并結(jié)合當(dāng)班人員實際情況做好分工和演練。

3.11 抓好風(fēng)險識別

加氫站投營前應(yīng)組織對加氫站進行全面的風(fēng)險識別，做到一站一識別，建立風(fēng)險臺賬，明確防范措施。運行期間按照集團公司、銷售公司要求定期識別。當(dāng)工藝或其他工況發(fā)生變化時應(yīng)重新進行識別。

3.12 做好日常檢查和隱患排查治理

加氫站應(yīng)嚴格按照設(shè)備“四定”管理要求，明確每一臺設(shè)備責(zé)任人，嚴格按照檢查標準、周期開展設(shè)備日常維護保養(yǎng)和隱患排查，重點做好超壓、泄漏的檢查，所有接頭及可能泄漏的點應(yīng)做每日檢查(一方面依托泄漏報警系統(tǒng)，另一方面應(yīng)用便攜儀器或肥皂水進行微漏檢查。)

4 結(jié)束語

隨著環(huán)保要求的不斷提升和燃料電池技術(shù)的不斷突破，氫能的規(guī)模發(fā)展必將是未來發(fā)展的趨勢，我們不能過分放大加氫站的安全風(fēng)險，人云亦云，造成不必要的恐慌，也不能忽視作為高壓且可燃爆的新業(yè)務(wù)形態(tài)安全識別和防范的重要性，應(yīng)該科學(xué)地、深入地研究，找出確實存在的風(fēng)險隱患，制定相應(yīng)的防范措施，完善相應(yīng)的標準、規(guī)范，以推動加氫站更好地發(fā)展，為必然來臨的能源革命做好充分準備。