氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)安全與應(yīng)急保障技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張來(lái)斌，胡瑾秋，張曦月，肖尚蕊

中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

隨著世界能源需求的不斷增長(zhǎng)和化石能源引起的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，新能源的開(kāi)發(fā)與利用成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。在2020年12月16日至18日北京舉行的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，國(guó)家主席習(xí)近平發(fā)表重要講話，部署2021年經(jīng)濟(jì)工作，將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”確立為2021年的八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。

氫能零污染、零碳、無(wú)次生污染，是公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和工作”最富成效的技術(shù)方案之一。氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問(wèn)題方面將發(fā)揮重要作用，并將成為我國(guó)能源體系的重要組成部分[1-2]。預(yù)計(jì)2030年，可用于氫能的氫氣產(chǎn)能可達(dá)1000億 m3/a，成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分[3-4]。預(yù)計(jì)2050年氫能可在中國(guó)能源體系中占比約10%，氫氣需求量約6000×104t，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過(guò)10萬(wàn)億元；將建設(shè)加氫站1000座以上，10 000萬(wàn) kW燃料電池發(fā)電廠，3000 km以上氫氣長(zhǎng)輸管道，交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域氫能普及應(yīng)用，制造1000萬(wàn)輛燃料電池運(yùn)輸車(chē)輛，燃料電池車(chē)(Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)產(chǎn)量520萬(wàn)輛/年，固定式發(fā)電裝置2萬(wàn)套/年，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能550萬(wàn)套/年，加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，具有完善的氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施及基于氫能的分布式功能系統(tǒng)[5]。

然而氫能產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)設(shè)施具有關(guān)鍵零部件多、系統(tǒng)復(fù)雜、用材特殊、加工條件嚴(yán)苛等特點(diǎn)(如圖1所示），我國(guó)相關(guān)核心技術(shù)和自主化設(shè)備研發(fā)技術(shù)較為薄弱。相對(duì)于FCEV、加氫站及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)安全技術(shù)的系統(tǒng)性研究相對(duì)匱乏，落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，尚不具備支撐產(chǎn)業(yè)安全、健康快速發(fā)展的能力[6]。

圖1 氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施Fig. 1 Critical infrastructure of hydrogen energy production-storage-transportation

氫氣易燃易爆、燃燒范圍寬(4%～75%)、點(diǎn)火能量低、擴(kuò)散系數(shù)大且易對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化影響，在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注和使用過(guò)程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)[7-8]。許多國(guó)際研究機(jī)構(gòu)在氫能源安全保障領(lǐng)域開(kāi)展了一些前沿技術(shù)研究，如澳大利亞麥考瑞大學(xué)的可持續(xù)能源研究中心(MQ-SERC)成立了氫安全研究方向，開(kāi)展了氫燃料電池汽車(chē)安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究[9]，并為國(guó)際新能源企業(yè)提供氫能應(yīng)用安全方面的知識(shí)與技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)[10]。日本橫濱國(guó)立大學(xué)與龍野機(jī)電等企業(yè)共同開(kāi)展了氫燃料汽車(chē)加油機(jī)安全距離計(jì)算方法、加氫汽油發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)比對(duì)等系列研究[11-12]。日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所安全與可持續(xù)科學(xué)研究中心對(duì)加氫站(Hydrogen Refueling Station，HRS)運(yùn)行過(guò)程中人的生命風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量評(píng)估，計(jì)算了3種事故情景的風(fēng)險(xiǎn)：分配器周?chē)獠抗艿赖臍錃庑孤?、蓄能器連接管道的氫氣泄漏和加氫站壓縮機(jī)/連接管道的氫氣泄漏[13]。

英國(guó)奧斯特大學(xué)成立了氫安全工程與研究中心(Hydrogen Safety Engineering and Research Centre，HySAFER)，并陸續(xù)開(kāi)展了氫氣安全應(yīng)用的數(shù)值模擬研究。首次制定了氫氣安全模擬的最佳實(shí)踐指南(Best Practice Guidelines，BGP)，其涵蓋了擴(kuò)散、著火和爆炸等一系列現(xiàn)象[14-15]。歐洲氫氣安全委員會(huì)(EHSP)在于澳大利亞舉行的第八屆國(guó)際氫氣安全會(huì)議(ICHS 2019)上討論了從氫事件事故數(shù)據(jù)庫(kù)(HIAD 2.0)中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并介紹了其制定的安全規(guī)劃指南[16-17]。該數(shù)據(jù)庫(kù)是公開(kāi)的，目的是促進(jìn)提高氫安全意識(shí)，鼓勵(lì)用戶(hù)從他人的經(jīng)驗(yàn)中獲得氫安全相關(guān)知識(shí)。為進(jìn)一步發(fā)展和傳播氫安全知識(shí)以及協(xié)調(diào)氫安全領(lǐng)域的研究活動(dòng)提供便利，歐盟成立國(guó)際氫安全協(xié)會(huì)“HySafe”，作為氫安全研究、教育和培訓(xùn)中心，促進(jìn)氫安全知識(shí)的國(guó)際協(xié)調(diào)、發(fā)展和傳播。與此同時(shí)，美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)(AIChE)聯(lián)合成立氫安全中心(Center for Hydrogen Safety，CHS)[18]，通過(guò)制定全面的安全指導(dǎo)和教育材料，確保氫作為可持續(xù)能源載體的安全使用，并為全世界的技術(shù)解決方案提供論壇。Barilo在發(fā)表的文章中也系統(tǒng)性闡述了美國(guó)能源部(DOE)燃料電池技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目針對(duì)氫能研究、開(kāi)發(fā)和示范、設(shè)計(jì)和制造、部署和運(yùn)作等產(chǎn)業(yè)中氫能安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等方面取得的成功經(jīng)驗(yàn)[19]。

相比之下，我國(guó)氫能安全技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱，氫能安全技術(shù)研究主要集中在氫燃料電池安全、氫/液氫泄漏與擴(kuò)散行為、涉氫設(shè)備材料失效特性等基礎(chǔ)領(lǐng)域[20-21]，研究力量分散、深度仍待加強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]從氫泄漏與擴(kuò)散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性及氫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面，系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外氫安全研究面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)我國(guó)氫安全的發(fā)展提出了建議。

本文圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)與關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)性分析了我國(guó)氫能基礎(chǔ)設(shè)施面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素以及安全保障技術(shù)瓶頸，從事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理、安全評(píng)估與完整性、安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警，以及事故應(yīng)急與保障機(jī)制等方面提出技術(shù)需求與建議，如圖2所示，為完善我國(guó)氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)安全與應(yīng)急保障技術(shù)體系提供參考。

圖2 氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)因素與技術(shù)瓶頸分析Fig. 2 Risk factors and technical bottleneck analysis of key infrastructure of hydrogen energy industry chain

1 氫能制備基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

氫原子本身并不存在于自然界中，其傾向依附于化學(xué)化合物(例如水分子)、碳水化合物(糖、生物質(zhì))以及碳?xì)浠衔?石油、天然氣、沼氣)等物質(zhì)中的氧和碳原子。為了將氫從這些化合物中分離，可通過(guò)不同的途徑制氫，例如電解/光解水制氫，利用生物質(zhì)熱物理化學(xué)法或生物轉(zhuǎn)化途徑轉(zhuǎn)換制氫，以及針對(duì)化石燃料通過(guò)化學(xué)重整制氫。

通過(guò)化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣稱(chēng)為“灰氫”，這種類(lèi)型的氫氣約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95%。由水制氫的途徑需要提供大量電能以通過(guò)電解將水分子裂解而將氫與水分離。如果使用可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等產(chǎn)生電力(碳排放為零)，那么產(chǎn)生的氫是清潔的，也就是“綠氫”?！八{(lán)氫”也由化石燃料產(chǎn)生而來(lái)，但主要來(lái)源是天然氣，并同時(shí)將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存(CCUS)，從而實(shí)現(xiàn)碳中和?！八{(lán)氫”是一種必要的技術(shù)過(guò)渡，有助于為綠色氫經(jīng)濟(jì)做好準(zhǔn)備。隨著時(shí)間的推移，制氫面臨的挑戰(zhàn)將是實(shí)現(xiàn)無(wú)碳或碳中性(綠色或藍(lán)色氫)的技術(shù)替代。

(1)重大事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理

在“灰氫”制備過(guò)程中，當(dāng)前主要以石化燃料化學(xué)重整為主(占比80%)，其中高溫高壓及氫能制取工藝流程風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜，容易導(dǎo)致反應(yīng)容器完整性失效，進(jìn)而引發(fā)?；沸孤?、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故(見(jiàn)表1所示)。例如2020年1月廣東省某重整裝置發(fā)生爆燃事故[22]，200名消防員趕赴現(xiàn)場(chǎng)處置。事故原因是預(yù)加氫反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器E202A-F與預(yù)加氫產(chǎn)物/脫水塔進(jìn)料換熱器E204AB間的壓力管道(250P2019CS-H)90°彎頭因腐蝕減薄破裂(爆裂口約950 mm×620 mm)，內(nèi)部帶壓(2.0 MPa)的石腦油、氫氣混合物噴出后與空氣形成爆炸性混合物，因噴出介質(zhì)與管道摩擦產(chǎn)生靜電火花引發(fā)爆燃。

表1 制氫過(guò)程事故模式與風(fēng)險(xiǎn)因素分析Table 1 Analysis of accident modes and risk factors in hydrogen production process

在“綠氫”制備過(guò)程中，電解水和光解水是目前理論上最理想的技術(shù)，但仍處于研究階段，并集中于可再生能源等綠色制氫新技術(shù)、能源優(yōu)化、國(guó)產(chǎn)制氫裝備等方面的研究，在此方面存在的新興安全風(fēng)險(xiǎn)仍缺乏系統(tǒng)性研究，與之相關(guān)的安全技術(shù)研究處于相對(duì)空白狀態(tài)。本文對(duì)可再生能源制氫過(guò)程中基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的故障模式與風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，如表2所示，對(duì)裝備關(guān)鍵故障模式、退化與失效機(jī)理以及安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)性認(rèn)知將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

表2 可再生能源制氫過(guò)程故障模式與風(fēng)險(xiǎn)因素Table 2 Failure modes and risk factors in renewable energy hydrogen production process

在“藍(lán)氫”的制備過(guò)程中，有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即“天然氣制氫+碳捕獲與儲(chǔ)存(CCS)”。與“綠氫”相比，“藍(lán)氫”具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：電力需求較低，融入了碳捕獲與儲(chǔ)存(CCS)技術(shù)，這也是“藍(lán)氫”與“灰氫”的不同之處。天然氣制氫環(huán)節(jié)包括蒸汽重整、部分氧化、CO2重整、催化裂解等主要技術(shù)[37]，其中面臨的風(fēng)險(xiǎn)與“灰氫”制備過(guò)程相近。然而在CCS環(huán)節(jié)，學(xué)者們關(guān)注的主要風(fēng)險(xiǎn)聚焦在CO2地質(zhì)封存階段，研究的問(wèn)題大致可以分為兩類(lèi)：一是潛在CO2泄漏引發(fā)的健康安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；二是與地質(zhì)封存場(chǎng)所相關(guān)的安全性問(wèn)題[36]。CCS環(huán)節(jié)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題詳見(jiàn)表3所示。

表3 CCS環(huán)節(jié)安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題Table 3 Safety and risk hazards during CCS stage

(2)安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

在天然氣等化石能源重整制氫過(guò)程的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，存在異常工況多樣且有效樣本稀少、設(shè)備性能及原料性質(zhì)變化引起數(shù)據(jù)“噪聲”干擾等問(wèn)題，易引發(fā)大量誤報(bào)警及延遲報(bào)警，如圖3所示。同時(shí)，操作調(diào)節(jié)頻繁且與異常工況耦合互擾，急需增強(qiáng)早期監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，針對(duì)突發(fā)事件提高實(shí)時(shí)分析、集中研判能力。因此，大規(guī)模集中制氫系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)評(píng)估與早期預(yù)警成為氫能制備基礎(chǔ)設(shè)施安全保障的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖3 異常工況及安全監(jiān)測(cè)預(yù)警面臨的挑戰(zhàn)Fig. 3 Challenges faced by abnormal working conditions and safety monitoring and early warning

風(fēng)電等可再生能源的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、波動(dòng)性較大，而水電解制氫設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高。頻繁的電力波動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響，急需有效、精準(zhǔn)、低成本、智能化的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)診斷及壽命動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)、環(huán)境危險(xiǎn)氣體的智能檢監(jiān)測(cè)設(shè)備以及制氫設(shè)施缺陷檢測(cè)技術(shù)與智能化裝備，如圖4所示。

圖4 環(huán)境危險(xiǎn)氣體的檢監(jiān)測(cè)及制氫設(shè)施缺陷檢測(cè)技術(shù)與智能化裝備Fig. 4 The detection and monitoring and the defect detection technology and intelligent equipment of hydrogen production facilities of environmental dangerous gases

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)完整性

氫能源生產(chǎn)過(guò)程中器件易發(fā)生腐蝕與損害，涉氫設(shè)施與材料的失效機(jī)理、損傷擴(kuò)展機(jī)理以及缺陷定量評(píng)估尚缺乏完備的理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)支撐條件。涉氫設(shè)備、材料和部件的安全可靠性測(cè)試評(píng)估方法和檢測(cè)認(rèn)證手段缺乏，涉氫設(shè)備、管線、閥門(mén)、儲(chǔ)氫罐等的缺陷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與完整性管理體系急需包括實(shí)際應(yīng)用過(guò)程的所有事故場(chǎng)景。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險(xiǎn)控制

最具前景的PEM電解制氫，其設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、應(yīng)用條件靈活且裝運(yùn)方便(可以設(shè)計(jì)成可移動(dòng)款式，搭建分布式制氫站點(diǎn))，非常適合在大城市、臨時(shí)場(chǎng)景、獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)園區(qū)中使用。然而我國(guó)社區(qū)與人口特點(diǎn)與國(guó)外社區(qū)布局具有顯著差異，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法直接應(yīng)用，我國(guó)分布式制氫站的風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急處置需結(jié)合我國(guó)自身國(guó)情特點(diǎn)，如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置關(guān)鍵參數(shù)(氫氣泄漏擴(kuò)散濃度的分布、人員疏散范圍、疏散路徑等)急需結(jié)合我國(guó)城鎮(zhèn)布局進(jìn)行科學(xué)量化，目前仍缺乏多源災(zāi)害場(chǎng)景應(yīng)急疏散過(guò)程中對(duì)人員風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)認(rèn)知。

圖5 社區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同對(duì)搭建分布式制氫站點(diǎn)的安全保障提出更高的要求Fig. 5 The different characteristics of community structure put forward higher requirements for the safety of distributed hydrogen production stations

2 氫能源存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

高效利用氫能源的關(guān)鍵在于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)，同時(shí)它也是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要因素。氫氣儲(chǔ)存的主要途徑為氫氣經(jīng)由壓縮或液化的純氫儲(chǔ)存、地下儲(chǔ)存氫、儲(chǔ)氫合金(金屬氫化物)儲(chǔ)存，以及轉(zhuǎn)化成天然氣等燃料氣后管網(wǎng)輸運(yùn)或儲(chǔ)存，見(jiàn)表4所示。

表4 氫氣儲(chǔ)存方式優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 4 Analysis of advantages and disadvantages of hydrogen storage

(1)重大事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理

典型儲(chǔ)氫過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素如表5所示。其中：儲(chǔ)氫設(shè)施內(nèi)膽腐蝕和氫脆、疲勞、氫氣滲透等問(wèn)題將造成設(shè)施局部塑性下降，裂紋拓展速度增快，甚至?xí)?yán)重影響儲(chǔ)氫設(shè)施的服役壽命并引發(fā)泄漏事故。針對(duì)氫氣泄漏機(jī)理與擴(kuò)散行為，如氫氣突發(fā)泄漏與擴(kuò)散機(jī)理研究仍面臨挑戰(zhàn)，包括泄漏口形狀、障礙物、氫濃度梯度及空氣浮力對(duì)氫泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律；泄漏模型優(yōu)化及峰值壓力預(yù)測(cè)方法；多處泄漏時(shí)不同氫射流之間的相互作用與影響等問(wèn)題[7]。

表5 典型儲(chǔ)氫過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素Table 5 Risk factors for typical hydrogen storage processes

(2)安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

氫在受限空間內(nèi)泄漏后，易發(fā)生氫氣的積聚，形成可燃?xì)錃庠?。氫燃燒范圍寬，點(diǎn)火能量低，若泄漏后被立即點(diǎn)燃會(huì)形成射流火焰(氫噴射火)。因此，氫能源的分布式存儲(chǔ)急需不斷發(fā)展復(fù)合檢監(jiān)測(cè)技術(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)與安全大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。另一方面，氫能存儲(chǔ)形式多樣、環(huán)境與條件苛刻，安全操作與及時(shí)預(yù)警難以得到有效保障，急需形成氫能存儲(chǔ)安全信息“智能采集—高效傳輸—快速融合—智慧決策—早期預(yù)警”一體化技術(shù)，見(jiàn)圖6所示。

圖6 氫能存儲(chǔ)安全信息“智能采集—高效傳輸—快速融合—智慧決策—早期預(yù)警”一體化技術(shù)架構(gòu)Fig. 6 “Intelligent acquisition-efficient transmission-fast fusion-intelligent decision-early warning” integrated technical framework for safety information of hydrogen energy storage

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)完整性

金屬材料長(zhǎng)期在氫環(huán)境下工作，會(huì)出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅氫系統(tǒng)的服役安全。我國(guó)已陸續(xù)建立了氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但相比國(guó)際及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性及完備性(見(jiàn)表6所示)我國(guó)行業(yè)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍需要不斷完善。

表6 氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Safety Standards of hydrogen storage and delivery systems

國(guó)際首個(gè)氫能系統(tǒng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具[23-25]“Hy-RAM”集成了與氫安全相關(guān)的最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)證的科學(xué)和工程模型及數(shù)據(jù)。該工具包提供了一種標(biāo)準(zhǔn)方法，用于氫燃料和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(QRA)和后果分析，其包含9種類(lèi)型的氫氣系統(tǒng)設(shè)備故障的一般概率、氫氣點(diǎn)火的一般概率以及熱流和壓力對(duì)人和結(jié)構(gòu)影響的概率模型。

在氫能存儲(chǔ)關(guān)鍵設(shè)施安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)完整性領(lǐng)域，主要面臨的挑戰(zhàn)包括：需加強(qiáng)與完善氫與儲(chǔ)氫材料之間的相容性試驗(yàn)，建立適用于我國(guó)國(guó)產(chǎn)裝備的氫氣存儲(chǔ)設(shè)施安全及完整性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；評(píng)估模型的準(zhǔn)確性、氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效/泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)、變工況下儲(chǔ)氫設(shè)施動(dòng)態(tài)安全評(píng)估理論體系等。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險(xiǎn)控制

這張賽車(chē)的照片足夠清晰銳R），然后裁掉草地、柱子和左側(cè)的利，但構(gòu)圖過(guò)于凌亂，整個(gè)畫(huà)面還 第三輛車(chē)，還有畫(huà)面右上方的白線?？梢栽偬幚硪幌拢瑒?chuàng)造出更強(qiáng)烈的打開(kāi)基本面板，將陰影滑塊右移，動(dòng)感。首先我們要做的是裁掉畫(huà)面 還原兩輛賽車(chē)的部分細(xì)節(jié)。 將飽和中不需要的部分，引導(dǎo)觀眾的注意 度滑塊右移至+25，增強(qiáng)賽車(chē)色彩。力集中在兩輛賽車(chē)上。操作步驟在跑道處放置漸變?yōu)V鏡，將前景的如下。 將照片導(dǎo)入Lightroom跑道亮度減暗，然后在效果面板的裁中，點(diǎn)擊右邊的裁剪疊加（快捷鍵 剪后暗角中略微壓暗四角。

2020年——2050年氫能產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，氫能存儲(chǔ)(含便攜移動(dòng)式)設(shè)施將深入城市中心等人群居住密集區(qū)。一旦發(fā)生突發(fā)事件，將造成嚴(yán)重后果并產(chǎn)生危害公共安全的衍生事故，對(duì)城市居民日常生活帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。目前仍缺乏對(duì)氫泄漏等事故的全過(guò)程性研究，需重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)氫設(shè)施破壞形式、泄漏、擴(kuò)散、燃燒或爆炸全過(guò)程的事故演變規(guī)律研究，應(yīng)急維搶修風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型與評(píng)估方法研究，以及建立全方位、立體化、智能化的氫能存儲(chǔ)設(shè)施安全與應(yīng)急保障支撐體系。

3 氫能源輸運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

國(guó)際上氫氣輸運(yùn)方式包括長(zhǎng)管拖車(chē)氣態(tài)輸運(yùn)、液氫罐車(chē)輸運(yùn)和管道輸運(yùn)等，如表7所示。2019年，美國(guó)、韓國(guó)、挪威分別在氫輸運(yùn)、加注等過(guò)程發(fā)生了氫安全事故，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匦紩和＜託湔具\(yùn)營(yíng)，引發(fā)了業(yè)界對(duì)氫能利用安全技術(shù)研究的重視與關(guān)注。

表7 氫氣輸運(yùn)方式及優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 7 Advantage and disadvantage analysis of different hydrogen transportation types

(1)重大事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理

利用已有相對(duì)完善的天然氣管道設(shè)施，摻入一定比例的氫氣進(jìn)行傳輸[29]，已成為歐美各國(guó)的研究熱點(diǎn)，為傳統(tǒng)油氣行業(yè)參與氫能產(chǎn)業(yè)、獲得效益增長(zhǎng)點(diǎn)提供了寶貴機(jī)遇。我國(guó)在此領(lǐng)域的研究尚未覆蓋各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素(如圖7所示)，安全保障技術(shù)缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。面臨的主要挑戰(zhàn)包括：摻氫后對(duì)管道材料、壓縮機(jī)和管件等附屬設(shè)施的影響，對(duì)居民、燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)等下游用戶(hù)的影響，對(duì)管道泄漏與運(yùn)行安全的影響等風(fēng)險(xiǎn)及其演化與災(zāi)變機(jī)理缺乏科學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)知。

圖7 管道摻氫輸運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)因素及挑戰(zhàn)Fig. 7 Risk factors and challenges of hydrogen-doped pipeline transportation

(2)安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

長(zhǎng)管拖車(chē)氣態(tài)輸運(yùn)、液氫罐車(chē)輸運(yùn)過(guò)程中，交通狀況、人員操作及周邊環(huán)境多變，突發(fā)事件具有隨機(jī)性。智能化檢監(jiān)測(cè)技術(shù)多集中于搭建遠(yuǎn)程車(chē)載監(jiān)測(cè)設(shè)備、5G通信以及對(duì)數(shù)據(jù)的低層次統(tǒng)計(jì)分析，缺乏對(duì)新型輸運(yùn)裝備故障模式、人員違章操作等安全隱患的智能預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)溯源。

管道施工過(guò)程中需加強(qiáng)對(duì)摻氫管道焊縫、無(wú)損檢測(cè)的管理，適當(dāng)加大埋深，開(kāi)展穿越公路、鐵路、街道時(shí)套管加設(shè)排氣管等風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)與裝備研究。運(yùn)營(yíng)時(shí)需加強(qiáng)對(duì)管道泄漏的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，建立摻氫天然氣泄漏早期預(yù)警與應(yīng)急保障體系。

在氫能輸運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：已有安全監(jiān)控系統(tǒng)以信號(hào)監(jiān)測(cè)為主，缺乏邏輯分析推理能力；智能化程度低，過(guò)多依賴(lài)案例支撐，案例少，智能化水平低；故障發(fā)生后，過(guò)多依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)實(shí)是企業(yè)一般缺少相關(guān)的專(zhuān)家；缺少相關(guān)的失效數(shù)據(jù)支撐，氫能設(shè)施備品備件管理難度大；設(shè)備安全監(jiān)管覆蓋不足，高危區(qū)域設(shè)備人員檢查不便，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督面臨難題。

將可再生能源制得的氫氣摻入現(xiàn)有的天然氣管線進(jìn)行輸送，能夠大幅度地節(jié)約管道建設(shè)成本，但材料與摻氫天然氣之間的相容性需要系統(tǒng)深入地評(píng)估。國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了一些重要的探索性研究，例如趙永志等[26-27]總結(jié)了摻氫天然氣與配送管道、長(zhǎng)距離輸送管道及管網(wǎng)其他設(shè)備(儲(chǔ)存設(shè)備、動(dòng)設(shè)備)的相容性，認(rèn)為對(duì)長(zhǎng)距離高壓輸送管道的影響程度主要取決于管道操作壓力和摻氫比例。蒙波[28]針對(duì)摻氫天然氣高壓輸送管道的安全性問(wèn)題進(jìn)行研究，得到了X70、X80管線鋼在不同摻氫比例下的力學(xué)性能劣化規(guī)律。然而在此領(lǐng)域仍然面臨的主要挑戰(zhàn)包括：臨氫環(huán)境下裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)理；氫環(huán)境與材料相容性數(shù)據(jù)庫(kù)的完善(氫環(huán)境包括氫氣環(huán)境和摻氫天然氣環(huán)境，材料包括金屬材料和非金屬材料)；零部件材料和制造工藝對(duì)其抗氫脆性能的影響；國(guó)際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲(chǔ)輸標(biāo)準(zhǔn)等[29]。

對(duì)于在運(yùn)行的天然氣管道摻氫，不同管道的服役年限、材料等都會(huì)對(duì)摻氫比例有不同影響，對(duì)已有設(shè)施和下游用戶(hù)的影響也不同，應(yīng)建立適應(yīng)不同場(chǎng)景的摻氫可行性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法。對(duì)于新建的天然氣管道，尤其是中低壓管道，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮摻氫。從設(shè)計(jì)源頭就把摻氫的影響考慮在內(nèi)，如在管道材料選擇時(shí)考慮耐氫脆的低合金鋼，對(duì)摻氫比例耐受范圍進(jìn)行模擬和評(píng)估。在上述領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：急需典型氫應(yīng)用場(chǎng)景下(高壓氫氣輸運(yùn)、液氫輸運(yùn)、摻氫天然氣輸運(yùn)等)氫事故的QRA評(píng)估方法；形成氫系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，以及氫能輸運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)方法；構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)建立有效的事故緩解方法和應(yīng)急安全響應(yīng)機(jī)制等。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險(xiǎn)控制

氫能輸運(yùn)事故處置應(yīng)急不僅需要專(zhuān)業(yè)的維搶修隊(duì)、管道及罐車(chē)搶修設(shè)備，同時(shí)需要社會(huì)依托資源的協(xié)助，在此領(lǐng)域急需建立氫能輸運(yùn)協(xié)同應(yīng)急與智慧決策大數(shù)據(jù)平臺(tái)及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，如圖8所示。

圖8 氫能輸運(yùn)協(xié)同應(yīng)急與智慧決策關(guān)鍵技術(shù)Fig. 8 Key technology of coordinated emergency response and intelligent decision making for hydrogen energy transportation

4 氫能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

截止2019年底，全球已建成432座加氫站，其中歐洲177座，亞洲178座，北美74座[30]。以氣氫加氫站為主，加注壓力多為70 MPa，液氫加氫站約占30%。建站方式正由單一加氫站向加氫/加油(氣)、加氫/充電等合建站方向發(fā)展。目前氫能源供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)仍有待完善，試驗(yàn)?zāi)芰A(chǔ)欠缺。加氫站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)規(guī)范、70 MPaⅣ型氫瓶標(biāo)準(zhǔn)等還有待完善。

(1)重大事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理

在密閉空間下，氫氣的燃燒速度約為天然氣和汽油的7倍，氫氣比其他燃料更容易發(fā)生爆燃甚至爆轟。氫燃料電池汽車(chē)最大的潛在風(fēng)險(xiǎn)是在密閉的車(chē)庫(kù)內(nèi)氫氣發(fā)生緩慢泄漏，逐漸累積導(dǎo)致著火或爆炸。司戈[31]指出以下4種失效會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氫泄漏事故：①燃料管路或元件的密封失效；②探測(cè)氫和切斷氫管路的傳感系統(tǒng)失效；③儲(chǔ)氫瓶上的流量閥失效；④控制燃料電池氫流量的計(jì)算機(jī)程序失效。因此，結(jié)合氫燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景，氫氣在隧道、地下停車(chē)場(chǎng)、社區(qū)車(chē)庫(kù)等受限空間的泄漏擴(kuò)散規(guī)律仍有待深入研究。

另一方面，我國(guó)已建立的車(chē)用氫能安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)在科學(xué)性和完整性等方面仍需進(jìn)一步發(fā)展和提升。目前我國(guó)FCEV相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)下設(shè)的若干標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)，主要涵蓋整車(chē)標(biāo)準(zhǔn)、燃料系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、通用基礎(chǔ)等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)以借鑒、參考、翻譯國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為主，缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和必要的安全技術(shù)研究支撐[6]。因此，急需圍繞我國(guó)氫能的應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，開(kāi)展不同工況下的氫能應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、測(cè)試、以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制等研究工作。

(2)安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

我國(guó)應(yīng)急管理部天津消防研究所等單位開(kāi)展了加氫站事故風(fēng)險(xiǎn)與消防安全技術(shù)研究[32]，對(duì)加氫站氫泄漏、火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了梳理分析，并提出了加氫站不同區(qū)域的消防安全措施和未來(lái)發(fā)展方向。中國(guó)石化等單位對(duì)氫燃料電池汽車(chē)加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析[33]，針對(duì)我國(guó)加氫站建站模式、等級(jí)劃分、平面布置、管道鋪設(shè)、壓縮機(jī)設(shè)置、建筑及安全設(shè)施等問(wèn)題，對(duì)我國(guó)加氫站設(shè)計(jì)與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提出了合理化建議。

加氫站是建設(shè)氫能社會(huì)的重要環(huán)節(jié)之一，其安全問(wèn)題一直受到全社會(huì)的高度關(guān)注。針對(duì)我國(guó)加氫站建站的實(shí)際情況，建設(shè)FCEV與加氫站設(shè)備設(shè)施監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)維管理數(shù)據(jù)管理與分析中心，研發(fā)基于人工智能、大數(shù)據(jù)的智能診斷技術(shù)，建設(shè)智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫能供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)、設(shè)備生命周期健康評(píng)估、故障預(yù)警實(shí)時(shí)提示、加氫站安全隱患智能視頻監(jiān)控及預(yù)防維護(hù)優(yōu)化決策，成為氫能安全、高效、可靠應(yīng)用領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，如圖9所示。

圖9 FCEV與加氫站設(shè)備設(shè)施安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig. 9 Development trend of key technologies for safety detection, monitoring and early warning of FCEV and hydrogenation station equipment and facilities

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評(píng)估及結(jié)構(gòu)完整性

我國(guó)目前尚不具備國(guó)外普遍使用的FCEV供氫系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化能力，國(guó)外供氫系統(tǒng)壓力普遍是70 MPa，由于技術(shù)和制造能力限制，我國(guó)FCEV用氫壓力為35 MPa。35 MPa供氫壓力極大降低了FCEV的行駛里程，增加了氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸成本，未來(lái)采用70 MPa系統(tǒng)是必然趨勢(shì)，急需建立可靠的檢驗(yàn)測(cè)試方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)已有一些企業(yè)成立了試驗(yàn)中心開(kāi)展相關(guān)的研究工作，例如，長(zhǎng)城氫能已建設(shè)燃料電池試制車(chē)間、燃料電池試驗(yàn)中心、儲(chǔ)罐試制車(chē)間、儲(chǔ)罐安全性試驗(yàn)中心、70 MPa加氫站、理化試驗(yàn)室。在儲(chǔ)氫安全性、燃料電池、系統(tǒng)性能、整車(chē)性能等領(lǐng)域具備先進(jìn)的檢測(cè)能力。未來(lái)急需更多的產(chǎn)—學(xué)—研聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)共同研發(fā)針對(duì)加氫站關(guān)鍵涉氫設(shè)備、材料和部件的安全可靠性測(cè)試方法和檢測(cè)認(rèn)證體系，涵蓋燃料電池安全、整車(chē)安全、儲(chǔ)氫罐安全以及全生命周期安全與完整性保障體系。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險(xiǎn)控制

加氫站突發(fā)事故具有復(fù)雜性、不確定性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，需要建立合理、有效的應(yīng)急預(yù)案和人員疏散方案，對(duì)加氫站泄漏等突發(fā)事故及其次生衍生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)與防控。實(shí)現(xiàn)由氫氣泄漏單一災(zāi)害的應(yīng)急向?yàn)?zāi)害鏈復(fù)雜演變及其協(xié)同應(yīng)急技術(shù)轉(zhuǎn)變，為城市氫能供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急提供基礎(chǔ)理論、方法、模型、分析軟件和應(yīng)急決策支持系統(tǒng)。

5 技術(shù)需求分析與發(fā)展建議

綜合上述對(duì)氫能源在制備、存儲(chǔ)、輸運(yùn)以及供應(yīng)等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的安全現(xiàn)狀、風(fēng)險(xiǎn)因素及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)等系統(tǒng)性辨識(shí)，本文進(jìn)一步從事故風(fēng)險(xiǎn)演化與災(zāi)變機(jī)理、安全評(píng)估與完整性、安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)預(yù)警，以及事故應(yīng)急與保障機(jī)制等方面提出技術(shù)需求與發(fā)展建議，如表8所示，可見(jiàn)在氫能產(chǎn)業(yè)不同環(huán)節(jié)和生命周期中，技術(shù)需求和難點(diǎn)分布也各有側(cè)重點(diǎn)。例如，在氫能制備領(lǐng)域，關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性、事故預(yù)防與控制是難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。而在氫能儲(chǔ)存領(lǐng)域，安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性、事故預(yù)防與控制，以及安全標(biāo)準(zhǔn)化與保障機(jī)制成為難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。

表8 氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)安全保障技術(shù)需求和難點(diǎn)Table 8 Technical requirements and difficulties of safety assurance in different stages of hydrogen energy industry chain

針對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)安全保障技術(shù)需求和難點(diǎn)，提出氫能產(chǎn)業(yè)安全保障技術(shù)體系發(fā)展建議如圖10所示，包含4大技術(shù)領(lǐng)域，12項(xiàng)主體技術(shù)群，以及16項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并將各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際研究現(xiàn)狀進(jìn)行技術(shù)水平對(duì)標(biāo)，見(jiàn)圖11所示，其中有5項(xiàng)技術(shù)與國(guó)外存在差距，包括：涉氫材料、部件等的安全可靠性測(cè)試評(píng)估方法、氫能分布式存儲(chǔ)復(fù)合檢監(jiān)測(cè)技術(shù)等；5項(xiàng)技術(shù)與國(guó)際同步發(fā)展，包括：氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)施安全與完整性管理技術(shù)等；6項(xiàng)技術(shù)研發(fā)成功后將處于國(guó)際領(lǐng)先水平，包括：氫能輸運(yùn)過(guò)程突發(fā)事件監(jiān)測(cè)預(yù)警與智慧應(yīng)急決策等技術(shù)。

圖10 氫能產(chǎn)業(yè)安全保障技術(shù)體系發(fā)展建議Fig. 10 Development suggestions of safety guarantee technology system for hydrogen energy industry

圖11 我國(guó)氫能安全保障技術(shù)與國(guó)際技術(shù)水平對(duì)標(biāo)Fig. 11 China’s hydrogen energy safety technical planning and international technical standards

根據(jù)上述技術(shù)需求分析，提出我國(guó)2020年——2035年期間在氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)安全與應(yīng)急保障技術(shù)發(fā)展建議，如表9所示。2020年——2025年期間，重點(diǎn)開(kāi)展支撐能力建設(shè)，包括：氫能安全研究與總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，加大科技投入，規(guī)劃國(guó)家氫能安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系的修訂與完善。2020年——2025年期間，重點(diǎn)開(kāi)展氫能制—儲(chǔ)—運(yùn)關(guān)鍵設(shè)施安全機(jī)理與技術(shù)裝備研究，包括：氫能“制儲(chǔ)運(yùn)”事故與風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)理，安全應(yīng)急與風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)與裝備，以及氫能全生命周期安全智能管控平臺(tái)技術(shù)研發(fā)。2020年——2025年期間，重點(diǎn)開(kāi)展融合應(yīng)用與保障體系研究，包括：氫能基礎(chǔ)設(shè)施人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)融合應(yīng)用，以及開(kāi)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施本體安全與完整性保障體系等研究。

表9 我國(guó)2020年——2035年期間在氫能制—儲(chǔ)運(yùn)安全與應(yīng)急保障技術(shù)發(fā)展建議Table 9 Development suggestions for hydrogen energy production-storage-transportation safety and emergency support technology in the Period of 2020-2035 in China