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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。

02 核心設(shè)備于加氫站安全的重要性

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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