
加氫站安全“難點(diǎn)”何在?
2023-03-21
【摘要】:
氫氣作為環(huán)保節(jié)能,高效靈活的氣體能源,其安全性是構(gòu)成氫能行業(yè)穩(wěn)步向前的基礎(chǔ)性因素,更是加氫站產(chǎn)業(yè)的核心部分,但其易燃易爆炸的屬性也讓氫貼上了“危險(xiǎn)”的標(biāo)簽。
因此,在我國(guó)加氫站建設(shè)步伐加快的同時(shí),還需保證站點(diǎn)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的質(zhì)量。
近日,國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29729-2022《氫系統(tǒng)安全的基本要求》(以下稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”),內(nèi)容適用于氫的制取、儲(chǔ)存、輸送和應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用,將于2023年4月1日實(shí)施。
該《標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布明確了氫安全的地位,規(guī)范了氫使用的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)促進(jìn)行業(yè)穩(wěn)定性具有關(guān)鍵影響力?!稑?biāo)準(zhǔn)》的出臺(tái)也在敦促行業(yè)解決“如何把握好加氫站安全的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)?”的問(wèn)題。
01 氫氣屬性對(duì)于加氫站整體安全的要求
數(shù)據(jù)來(lái)源:中國(guó)工程院曹湘洪院士
據(jù)廣東省特檢院佛山檢測(cè)院給出的數(shù)據(jù)顯示,2000年至2022年末,國(guó)內(nèi)外加氫站及合建站環(huán)節(jié)事故案例共有48例,事故原因可分為如下四類(lèi):密封失效、設(shè)計(jì)問(wèn)題、設(shè)備失效、操作失誤或維護(hù)不當(dāng)。
其中占比最高的密封失效,達(dá)到46%,大多數(shù)此類(lèi)事故均由法蘭、墊片、閥門(mén)等接頭部位的泄漏導(dǎo)致。48例事故中,最終有19%發(fā)展為火災(zāi)或爆炸事故。
數(shù)據(jù)來(lái)源:廣東省特檢院佛山檢測(cè)院
因此,在加氫站的應(yīng)用場(chǎng)景下,氫安全的要求大大提高。如果能在氫氣泄漏早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施,能夠有效防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。
從專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)和咨詢(xún)服務(wù)提供商的角度出發(fā),德國(guó)萊茵TÜV工業(yè)服務(wù)部防爆安全技術(shù)總經(jīng)理 張小龍表示,易燃易爆是氫氣發(fā)展受制約的一個(gè)痛點(diǎn),從防爆角度出發(fā),氫氣被引爆后的壓力、產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和公共影響都十分巨大。加氫站在建設(shè)運(yùn)維的同時(shí),需要時(shí)刻關(guān)注氫氣防爆的安全情況。
在加氫站整體安全上,除上述防爆方法還應(yīng)該考慮防爆設(shè)備,再加之防爆的技術(shù)手段和對(duì)于工作人員的調(diào)控和管理,才能最大限度防止爆炸的風(fēng)險(xiǎn),提升站點(diǎn)整體安全性。
1、站用儲(chǔ)氣容器
加氫站由加氫方式分為站內(nèi)制氫與外部供氫,必不可少的核心設(shè)備包括壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫容器及加注機(jī)。其中儲(chǔ)氫容器具有多重特點(diǎn),因而存在較多安全隱患——
一、由于產(chǎn)品面臨高壓氫環(huán)境,金屬材料就具有氫脆的風(fēng)險(xiǎn);
二、由于加氫站的儲(chǔ)氫容器要經(jīng)常充氫放氫,使用頻次比較頻繁,且壓力波動(dòng)也比較大,具有低周疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn);
三、儲(chǔ)氫容器發(fā)生失效危害則會(huì)嚴(yán)重影響周遭環(huán)境,且一旦發(fā)生安全事故,將會(huì)造成極大負(fù)面影響。
以固定式儲(chǔ)氫容器的安全問(wèn)題分析為例,廣東省特檢院佛山檢測(cè)院主任 鄧波歸納了目前業(yè)內(nèi)四大安全問(wèn)題——
● 設(shè)計(jì)問(wèn)題:缺乏系統(tǒng)深入研究,設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范這些都沒(méi)有考慮到儲(chǔ)氫容器的特殊性;沒(méi)有考慮到氣瓶容器風(fēng)險(xiǎn),容器對(duì)于壓力波動(dòng)的影響;材料試用的風(fēng)險(xiǎn)(目前還沒(méi)有列入到分析標(biāo)準(zhǔn)里面),包括目前的設(shè)計(jì)疲勞曲線(xiàn)是否適用,也是有待驗(yàn)證;
● 配件問(wèn)題:最關(guān)鍵的也是最薄弱的環(huán)節(jié),就是密封軟件,容易發(fā)生斷裂;
● 設(shè)備問(wèn)題:長(zhǎng)期暴露于高壓氫氣的環(huán)境下,疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著加快,氫致開(kāi)裂的應(yīng)力因子閾值顯著降低;筒身結(jié)構(gòu),大壁厚,缺陷敏感性增強(qiáng),在用檢驗(yàn)檢測(cè)難度增大。
● 人員管理問(wèn)題:人員操作處理問(wèn)題不當(dāng)產(chǎn)生的事故。
針對(duì)上述問(wèn)題,鄧波表示:要加強(qiáng)相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究,目前檢測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)氫容器方面的研究還不完善、不成熟,有待產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步加深加強(qiáng)。其次,加快建立氫安全檢驗(yàn)檢測(cè)體系,進(jìn)一步完善固定式儲(chǔ)氫容器的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)開(kāi)展操作規(guī)范的安全培訓(xùn),提高相關(guān)的安全意識(shí)。
2、氫氣壓縮機(jī)
氫氣壓縮機(jī)作為加氫站核心設(shè)備,雖然并非是加氫站安全運(yùn)行的最大痛點(diǎn),但從加氫站核心部件故障率來(lái)看,壓縮機(jī)幾乎是占比最高的。
因此壓縮機(jī)的維護(hù)也是保持加氫站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素,而膜片和密封圈是影響壓縮機(jī)機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行的主要問(wèn)題。
目前市場(chǎng)上以隔膜壓縮機(jī)作為主流壓縮機(jī),其具有密封性較高,單機(jī)壓縮比大,散熱較好等優(yōu)勢(shì)。不過(guò)隔膜壓縮機(jī)不適用于頻繁啟停,且其排氣壓力會(huì)影響隔膜壽命。
而與隔膜壓縮機(jī)共處市場(chǎng)格局競(jìng)爭(zhēng)之中的液驅(qū)壓縮機(jī),其相對(duì)隔膜壓縮機(jī)排量較大,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮且體積小巧還可適應(yīng)頻繁啟停。液驅(qū)壓縮機(jī)密封性低于隔膜壓縮機(jī),因此氫氣受污染概率也大于隔膜壓縮機(jī),且其密封圈易損壞,單級(jí)壓縮較低。
因此,在保證整體安全性的情況下,加氫站業(yè)主可根據(jù)加氫站運(yùn)行狀態(tài)來(lái)合理選型壓縮機(jī)。在需要連續(xù)工作的狀態(tài)下,隔膜壓縮機(jī)優(yōu)勢(shì)大于液驅(qū)壓縮機(jī),而在需要頻繁啟停的情況下,液驅(qū)壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)更為突顯。避免因?yàn)楣r條件而出現(xiàn)壓縮機(jī)故障率高的問(wèn)題。
03加氫站關(guān)鍵部材與氫安全的聯(lián)系
據(jù)勢(shì)銀能鏈研究發(fā)現(xiàn),加氫站四大關(guān)鍵部材(傳感器、管道、閥門(mén)、流量計(jì))在加氫站建安成本中占據(jù)14.47%的比例,對(duì)加氫站運(yùn)行安全尤為重要。
加氫站的氫氣安全的控制應(yīng)做到:不泄露、早發(fā)現(xiàn)、不聚集。其中,“不聚集”由加氫站設(shè)計(jì)、審批環(huán)節(jié)層層把控;“不泄露”與管件、閥門(mén)嚴(yán)格關(guān)聯(lián);“早發(fā)現(xiàn)”與濃度傳感器、質(zhì)量流量計(jì)密切聯(lián)系,因而將加氫站關(guān)鍵部材定義為“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的關(guān)鍵安全因素。
加氫站氫安全系統(tǒng)及器件由濃度傳感器、管件、閥門(mén)、質(zhì)量流量計(jì)組成,在加氫站運(yùn)行中執(zhí)行監(jiān)測(cè)、傳輸連接、控制、計(jì)量功能。
以管道為例,《加氫站技術(shù)規(guī)范》在氫氣管道及附件中要求:
● 加氫站氫氣管道的材料宜選用S31603或其他已試驗(yàn)證實(shí)具有良好氫相容性的材料。
● 加氫站內(nèi)的氫氣工藝管線(xiàn)應(yīng)具有與氫相容的特性,宜采用無(wú)縫鋼管或高壓無(wú)縫鋼管,并應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。
● 氫氣管道材質(zhì)應(yīng)具有與氫相容的特性,宜采用無(wú)縫鋼管或高壓無(wú)縫鋼管,并應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。
● 加氫站內(nèi)的所有氫氣管道、閥門(mén)、管件的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)為最大工作壓力的1.1倍,并不得低于安全閥的泄放壓力。
● 氫氣管道的連接宜采用焊接或卡套接頭;氫氣管道與設(shè)備、閥門(mén)的連接,可采用法蘭或螺紋連接等。螺紋連接處,應(yīng)采用聚四氟乙烯薄膜作為填料。
此外,勢(shì)銀能鏈調(diào)查認(rèn)為,管件的粗糙度和清潔度,有其納入標(biāo)準(zhǔn)的必要,高壓氫氣管道上閥門(mén)的產(chǎn)品質(zhì)量,主要是閥門(mén)的外漏和內(nèi)漏,對(duì)于加氫站的安全穩(wěn)定運(yùn)行也是至關(guān)重要,但目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類(lèi)高壓閥門(mén)的檢測(cè)尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
勢(shì)銀(TrendBank)分析師認(rèn)為,加氫站氫安全系統(tǒng)及器件貫穿加氫站工藝流程的全部環(huán)節(jié),宏觀上對(duì)于加氫站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng),微觀對(duì)于氫氣的輸送與安全加注,均有重要意義。
涉及加氫站用濃度傳感器、管件、閥門(mén)、流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容,有其更新、完善、增補(bǔ)的必要。而標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的完善,使得相關(guān)企業(yè)有標(biāo)準(zhǔn)可依,最終有利于中國(guó)加氫站安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
加氫站安全是其建設(shè)發(fā)展的根基,也是企業(yè)交給氫能產(chǎn)業(yè)的一顆“定心丸”,安全永遠(yuǎn)是發(fā)展的底線(xiàn),構(gòu)建完善的加氫站安全體系也是消除“談氫色變”質(zhì)疑性的謎底。未來(lái),隨著產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和制度的完善,加氫站發(fā)展呈現(xiàn)的趨勢(shì)必然是積極的。
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