加氫站安全“難點”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，其安全性是構成氫能行業(yè)穩(wěn)步向前的基礎性因素，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”的標簽。
因此，在我國加氫站建設步伐加快的同時，還需保證站點建設和運營的質(zhì)量。
近日，國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會發(fā)布國家標準GB/T 29729-2022《氫系統(tǒng)安全的基本要求》（以下稱“標準”），內(nèi)容適用于氫的制取、儲存、輸送和應用系統(tǒng)的設計和使用，將于2023年4月1日實施。
該《標準》的發(fā)布明確了氫安全的地位，規(guī)范了氫使用的標準，對促進行業(yè)穩(wěn)定性具有關鍵影響力。《標準》的出臺也在敦促行業(yè)解決“如何把握好加氫站安全的建設和運營？”的問題。
01 氫氣屬性對于加氫站整體安全的要求
數(shù)據(jù)來源：中國工程院曹湘洪院士
據(jù)廣東省特檢院佛山檢測院給出的數(shù)據(jù)顯示，2000年至2022年末，國內(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：密封失效、設計問題、設備失效、操作失誤或維護不當。
其中占比最高的密封失效，達到46%，大多數(shù)此類事故均由法蘭、墊片、閥門等接頭部位的泄漏導致。48例事故中，最終有19%發(fā)展為火災或爆炸事故。
數(shù)據(jù)來源：廣東省特檢院佛山檢測院
因此，在加氫站的應用場景下，氫安全的要求大大提高。如果能在氫氣泄漏早期及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，能夠有效防止事故的進一步擴大。
從專業(yè)的檢測和咨詢服務提供商的角度出發(fā)，德國萊茵TÜV工業(yè)服務部防爆安全技術總經(jīng)理 張小龍表示，易燃易爆是氫氣發(fā)展受制約的一個痛點，從防爆角度出發(fā)，氫氣被引爆后的壓力、產(chǎn)生的風險和公共影響都十分巨大。加氫站在建設運維的同時，需要時刻關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該考慮防爆設備，再加之防爆的技術手段和對于工作人員的調(diào)控和管理，才能最大限度防止爆炸的風險，提升站點整體安全性。
1、站用儲氣容器
加氫站由加氫方式分為站內(nèi)制氫與外部供氫，必不可少的核心設備包括壓縮機、儲氫容器及加注機。其中儲氫容器具有多重特點，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險；
二、由于加氫站的儲氫容器要經(jīng)常充氫放氫，使用頻次比較頻繁，且壓力波動也比較大，具有低周疲勞破壞風險；
三、儲氫容器發(fā)生失效危害則會嚴重影響周遭環(huán)境，且一旦發(fā)生安全事故，將會造成極大負面影響。
以固定式儲氫容器的安全問題分析為例，廣東省特檢院佛山檢測院主任 鄧波歸納了目前業(yè)內(nèi)四大安全問題——
● 設計問題：缺乏系統(tǒng)深入研究，設計技術規(guī)范這些都沒有考慮到儲氫容器的特殊性；沒有考慮到氣瓶容器風險，容器對于壓力波動的影響；材料試用的風險（目前還沒有列入到分析標準里面），包括目前的設計疲勞曲線是否適用，也是有待驗證；
● 配件問題：最關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；
● 設備問題：長期暴露于高壓氫氣的環(huán)境下，疲勞裂紋擴展速率顯著加快，氫致開裂的應力因子閾值顯著降低；筒身結(jié)構，大壁厚，缺陷敏感性增強，在用檢驗檢測難度增大。
● 人員管理問題：人員操作處理問題不當產(chǎn)生的事故。
針對上述問題，鄧波表示：要加強相關檢驗檢測技術研究，目前檢測技術在儲氫容器方面的研究還不完善、不成熟，有待產(chǎn)業(yè)進一步加深加強。其次，加快建立氫安全檢驗檢測體系，進一步完善固定式儲氫容器的標準，同時開展操作規(guī)范的安全培訓，提高相關的安全意識。
2、氫氣壓縮機
氫氣壓縮機作為加氫站核心設備，雖然并非是加氫站安全運行的最大痛點，但從加氫站核心部件故障率來看，壓縮機幾乎是占比最高的。
因此壓縮機的維護也是保持加氫站穩(wěn)定運行的關鍵因素，而膜片和密封圈是影響壓縮機機組長周期運行的主要問題。
目前市場上以隔膜壓縮機作為主流壓縮機，其具有密封性較高，單機壓縮比大，散熱較好等優(yōu)勢。不過隔膜壓縮機不適用于頻繁啟停，且其排氣壓力會影響隔膜壽命。
而與隔膜壓縮機共處市場格局競爭之中的液驅(qū)壓縮機，其相對隔膜壓縮機排量較大，設計簡單，容易實現(xiàn)多級壓縮且體積小巧還可適應頻繁啟停。液驅(qū)壓縮機密封性低于隔膜壓縮機，因此氫氣受污染概率也大于隔膜壓縮機，且其密封圈易損壞，單級壓縮較低。
因此，在保證整體安全性的情況下，加氫站業(yè)主可根據(jù)加氫站運行狀態(tài)來合理選型壓縮機。在需要連續(xù)工作的狀態(tài)下，隔膜壓縮機優(yōu)勢大于液驅(qū)壓縮機，而在需要頻繁啟停的情況下，液驅(qū)壓縮機的優(yōu)勢更為突顯。避免因為工況條件而出現(xiàn)壓縮機故障率高的問題。
03加氫站關鍵部材與氫安全的聯(lián)系
據(jù)勢銀能鏈研究發(fā)現(xiàn)，加氫站四大關鍵部材（傳感器、管道、閥門、流量計）在加氫站建安成本中占據(jù)14.47%的比例，對加氫站運行安全尤為重要。
加氫站的氫氣安全的控制應做到：不泄露、早發(fā)現(xiàn)、不聚集。其中，“不聚集”由加氫站設計、審批環(huán)節(jié)層層把控；“不泄露”與管件、閥門嚴格關聯(lián)；“早發(fā)現(xiàn)”與濃度傳感器、質(zhì)量流量計密切聯(lián)系，因而將加氫站關鍵部材定義為“牽一發(fā)而動全身”的關鍵安全因素。
加氫站氫安全系統(tǒng)及器件由濃度傳感器、管件、閥門、質(zhì)量流量計組成，在加氫站運行中執(zhí)行監(jiān)測、傳輸連接、控制、計量功能。
以管道為例，《加氫站技術規(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或其他已試驗證實具有良好氫相容性的材料。
● 加氫站內(nèi)的氫氣工藝管線應具有與氫相容的特性，宜采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應符合有關規(guī)定。
● 氫氣管道材質(zhì)應具有與氫相容的特性，宜采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應符合國家現(xiàn)行標準。
● 加氫站內(nèi)的所有氫氣管道、閥門、管件的設計壓力應為最大工作壓力的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；氫氣管道與設備、閥門的連接，可采用法蘭或螺紋連接等。螺紋連接處，應采用聚四氟乙烯薄膜作為填料。
此外，勢銀能鏈調(diào)查認為，管件的粗糙度和清潔度，有其納入標準的必要，高壓氫氣管道上閥門的產(chǎn)品質(zhì)量，主要是閥門的外漏和內(nèi)漏，對于加氫站的安全穩(wěn)定運行也是至關重要，但目前國內(nèi)對此類高壓閥門的檢測尚無國家標準。
勢銀（TrendBank）分析師認為，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)，宏觀上對于加氫站的建設與運營，微觀對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、流量計的標準內(nèi)容，有其更新、完善、增補的必要。而標準內(nèi)容的完善，使得相關企業(yè)有標準可依，最終有利于中國加氫站安全、經(jīng)濟地運行。
加氫站安全是其建設發(fā)展的根基，也是企業(yè)交給氫能產(chǎn)業(yè)的一顆“定心丸”，安全永遠是發(fā)展的底線，構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，隨著產(chǎn)業(yè)標準和制度的完善，加氫站發(fā)展呈現(xiàn)的趨勢必然是積極的。
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