加氫站設(shè)計(jì)中的安全研究

摘要：作為一種高效、綠色、零碳的清潔能源，氫氣在新能源汽車領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用潛力，作為發(fā)展氫能源汽車的配套設(shè)施，加氫站的建設(shè)日益受到關(guān)注;但是氫氣本身的易燃及易爆等特性使得在加氫站設(shè)計(jì)中需特別關(guān)注安全風(fēng)險(xiǎn)。本文以氫能源汽車的加氫站為研究對象，在對其安全設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注一些安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期確保所設(shè)計(jì)加氫站的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：氫能源汽車;加氫站;安全設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2021年國家提出“碳達(dá)峰碳中和”的“3060”雙碳目標(biāo)，在此發(fā)展戰(zhàn)略引導(dǎo)下，更加清潔、環(huán)保的氫能源具有了重要的現(xiàn)實(shí)意義。燃油汽車是當(dāng)下誘發(fā)環(huán)境污染和能源短缺等的重要因素，此時(shí)推行清潔環(huán)保的氫能源汽車，即符合國家戰(zhàn)略發(fā)展的要求，也符合清潔、低碳汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。而加氫站則是保證氫能源汽車正常使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證氫能供應(yīng)安全可靠性，此時(shí)加強(qiáng)加氫站的設(shè)計(jì)研究，確保其安全性是值得深入考量的。

一、氫能源汽車加氫站安全設(shè)計(jì)的重要性

氫氣本身是一種可燃性氣體，具有比較寬的爆炸范圍（4-76%），且容易著火，其密度小（0.0899g/L），擴(kuò)散速度快，在加氫站設(shè)計(jì)的過程中必須要對其安全性進(jìn)行嚴(yán)格控制。在設(shè)計(jì)加氫站過程中除了嚴(yán)格依據(jù)《加氫站技術(shù)規(guī)范》GB50516或者《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB50156等規(guī)范外，還要注意有效地融合防爆、防火、防泄漏等方面的安全技術(shù)措施。若未系統(tǒng)化開展安全設(shè)計(jì)工作，那么所設(shè)計(jì)的加氫站本身的安全性和可靠性或許會(huì)存在隱患，如容易泄漏、誘發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重的安全事故，更有甚至?xí)斐杉託湔緝?nèi)設(shè)備損壞、人員傷亡等，國內(nèi)外亦已有相關(guān)的事故報(bào)道。

因此，在加氫站設(shè)計(jì)過程中必須要高度重視安全設(shè)計(jì)工作，樹立安全第一，圍繞安全性、可靠性，對比分析不同的設(shè)計(jì)方案，力求在設(shè)計(jì)階段選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)加氫站的建設(shè)、運(yùn)營做好準(zhǔn)備。

二、加氫站安全設(shè)計(jì)

2.1 防火間距設(shè)計(jì)

在確定加氫站設(shè)計(jì)中的防火間距時(shí)首先應(yīng)確定加氫站類型，《加氫站技術(shù)規(guī)范》GB-50516總則中明確本規(guī)范適用于新建、改建、擴(kuò)建的加氫站工程的設(shè)計(jì)、施工和建造;在設(shè)計(jì)單獨(dú)的加氫站時(shí)選用本規(guī)范防火間距。

《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB-50156總則中明確本規(guī)范適用于新建、擴(kuò)建和改建的汽車加油站、加氣站、加油加氣合建站、加油加氫合建站、加氣加氫合建站、加油加氣加氫合建站工程的設(shè)計(jì)和施工。在設(shè)計(jì)加氫合建站時(shí)選用本規(guī)范防火間距。

從適用范圍上看《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》適用于加油、加氣及與加氫的合建站，而《加氫站技術(shù)規(guī)范》僅適用于加氫站，前者適用范圍更廣。

在《加氫站技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，加氫站內(nèi)工藝設(shè)施與站外建構(gòu)筑物距離小于規(guī)范要求的1.5倍，且小于等于25米時(shí)，相應(yīng)一側(cè)設(shè)置高度不低于2.5m的不燃燒實(shí)體圍墻。《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，合建站內(nèi)工藝設(shè)施與站外建構(gòu)筑物之間，宜設(shè)置不燃燒實(shí)體圍墻，圍墻高度相對于站內(nèi)和站外地坪均不宜低于2.2m。建議設(shè)計(jì)中圍墻高度按照2.5米設(shè)計(jì)。另外，《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中亦明確了其他加氫站設(shè)計(jì)規(guī)范未明確的放散管與周邊建筑物高度的關(guān)系，在設(shè)計(jì)單獨(dú)的加氫站時(shí)可參考此高度要求設(shè)置放散管高度。

2.2 臨氫管道設(shè)計(jì)

加氫站加注壓力一般包括35MPa與70MPa兩種類型，高壓高純度氫氣管道發(fā)生氫脆的可能性更大，在加氫站管道材質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意?，F(xiàn)階段加氫站設(shè)計(jì)過程中高壓臨氫材料多采取316/316L雙相不銹鋼，316/316L雙牌號鋼常溫機(jī)械性能應(yīng)滿足兩個(gè)牌號中機(jī)械性能的較高值，化學(xué)成分應(yīng)滿足L級的要求，許用應(yīng)力按316號鋼選取。最新的規(guī)范要求臨氫管道鎳含量大于12%，鎳當(dāng)量大于28%。

為了安全，運(yùn)氫車與卸氫系統(tǒng)管道連接時(shí)應(yīng)安裝拉脫閥，在管道主管道上增加緊急切斷設(shè)施等。加氫設(shè)施內(nèi)所有氫氣管道、閥門、管件的設(shè)計(jì)壓力不應(yīng)小于最大工作壓力的1.1倍，且不得低于安全閥的整定壓力。結(jié)合我司多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在管道設(shè)計(jì)壓力不大于4.0Mpa時(shí)，推薦安全閥開啟壓力設(shè)定為1.1倍的設(shè)計(jì)壓力;在管道設(shè)計(jì)壓力大于4Mpa且不大于25Mpa時(shí)，推薦安全閥開啟壓力設(shè)定為1.05倍的設(shè)計(jì)壓力;在管道設(shè)計(jì)壓力大于25Mpa且不大于75Mpa時(shí)，推薦安全閥開啟壓力設(shè)定為設(shè)計(jì)壓力加1.25Mpa;

在管道設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮應(yīng)急設(shè)施，如在氫氣主管道上便于操作的位置設(shè)置緊急切斷閥，在連接儲(chǔ)氫容器的管道上設(shè)置緊急切斷閥。另外，加氫站內(nèi)還有冷卻水管，其上需要設(shè)置溫度探測、壓力探測等，在氮?dú)夤艿郎闲枰又够亻y防止高壓氫氣倒流至氮?dú)夤苈贰?/p>

2.2 消防水及供電設(shè)計(jì)

加氫站用水一般接自市政供水管網(wǎng)，消防栓應(yīng)在站區(qū)周邊150米范圍內(nèi)。用水需求分為消防和冷卻用水、生活和生產(chǎn)用水（人員和站內(nèi)澆灑）兩部分。其中，消防和冷卻水量指標(biāo)參照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016及其他規(guī)范選取，加氫合建站內(nèi)用于儲(chǔ)氫容器的消火栓消防用水量不應(yīng)小于15L/S，消火栓供水壓力應(yīng)保證移動(dòng)式水槍出口處水壓不小于0.2Mpa;冷卻用水一般設(shè)置在儲(chǔ)氫容器上方，目前在加氫站內(nèi)較少設(shè)置，其用水量根據(jù)儲(chǔ)氣設(shè)施的相鄰情況、面積等計(jì)算而來;

加氫站可按照三級負(fù)荷考慮，其內(nèi)壓縮機(jī)、冷水機(jī)等不必備用電源，一般推薦設(shè)置UPS不間斷電源供給控制系統(tǒng)及加氫系統(tǒng)以及罩棚照明、壓縮機(jī)間照明使用，推薦90分鐘的備用電量。

2.4 安全設(shè)計(jì)思想

氫是一種化學(xué)元素，無色無味無臭、極易燃燒，通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣，目前加氫站內(nèi)氫氣絕大多數(shù)是以高壓氣態(tài)的形式儲(chǔ)存及使用，氫氣是易燃、易爆化學(xué)品，易出現(xiàn)安全事故，尤其注意氫脆導(dǎo)致材料失效引起氫氣泄露;但是氫氣密度小，輕于空氣，一般比空氣擴(kuò)散的相應(yīng)速度高約3.8倍，在空氣中非常容易擴(kuò)散，一旦氫氣泄漏到周邊環(huán)境之中，很快即散逸。

結(jié)合我司多個(gè)加氫站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般在加氫站設(shè)計(jì)中秉承如下思想：

1、在技術(shù)層面設(shè)置安全措施，避免氫氣泄漏;如使用能防止氫脆的316/316L不銹鋼管道，使用密封性更好的金屬硬密封措施，使用防氫脆耐壓更高的4130X材質(zhì)儲(chǔ)氫容器等;

2、如若發(fā)生泄漏，安全措施及時(shí)生效;在加氫站高壓運(yùn)行過程中如果不慎發(fā)生泄漏，氫氣泄漏報(bào)警器，需要及時(shí)有反饋，必要時(shí)可以聯(lián)動(dòng)緊急切斷裝置，停止氫氣繼續(xù)輸入輸出;

3、即使發(fā)生氫氣泄漏，也不能使氫氣聚集并產(chǎn)生爆炸環(huán)境;發(fā)生泄漏時(shí)候氫氣及時(shí)排空，避免形成爆炸所需的條件，是預(yù)防氫氣泄漏事故的又一重要安全措施，我司在設(shè)計(jì)中國石化南京高淳城北科技新城加油加氫合建站過程中有針對性的做了氫氣泄漏排空考慮，所有可能形成聚集的空間都在頂部開孔，便于氫氣外排。如本站利舊的加油站罩棚改造，在最高處使用我司發(fā)明創(chuàng)造專利技術(shù)改造通風(fēng)，專利名稱：一種加氫站罩棚，專利號：202020444721.2，此專利技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目上使用，如濰坊華潤206國道加氣站增設(shè)加氫站項(xiàng)目等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)效益。

此外，管溝也是容易出現(xiàn)氫氣聚集的區(qū)域，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中一般采取明溝敷設(shè)加透氣蓋板的設(shè)計(jì)方式，并且管道支架以及蓋板都需要選用不可燃材料進(jìn)行制作，避免和除氮?dú)庵獾钠渌艿劳瑴戏笤O(shè)。在設(shè)計(jì)管溝蓋板過程中，需要注意確保溝內(nèi)保持良好的通風(fēng)性，不得出現(xiàn)氫氣聚集問題;注意避免蓋板與管溝接觸點(diǎn)同時(shí)使用角鋼包覆等，不推薦使用有撞擊產(chǎn)生火花隱患的材料，目前已有符合相關(guān)安全要求的材料成品蓋板供應(yīng)。

綜上，安全設(shè)計(jì)是加氫站設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的核心問題，其設(shè)計(jì)思想是否合理，對加氫站的安全使用產(chǎn)生極大影響。在設(shè)計(jì)過程中，注意防火間距、管道材質(zhì)、消防安全等工作，力求為加氫站安全運(yùn)行做好頂層設(shè)計(jì)，確保安全無憂。

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