氫能利用安全技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)思考

李昆鵬，徐 鵬，熊聯(lián)友，楊 坤，王青青，李 璐

（北京中科富海低溫科技有限公司，北京 100190）

隨著能源需求持續(xù)增長，能源對環(huán)境造成的污染等一系列問題逐漸凸顯出來，這就要認(rèn)識到利用、開發(fā)新能源的迫切性。氫能來源廣泛又便于儲存和運(yùn)輸，它是清潔型能源，使用過程高效又環(huán)保，又可以使化石能源的使用過程更加高效，也是可再生能源能夠大規(guī)模使用的助推劑。氫在自然界中的重量是最輕的，它易泄漏、擴(kuò)散，本身又無色無味因而一旦泄露不容易發(fā)現(xiàn)，如果在空間有限的環(huán)境發(fā)生氫氣泄露，氫氣會聚集，容易發(fā)生爆炸。液氫沸點(diǎn)低，密度高，一旦泄露會使周圍的空氣遇冷發(fā)生凝結(jié)，若是泄露面積過大就會導(dǎo)致地面出現(xiàn)液池，氫液在蒸發(fā)遇到空氣后就成了可燃?xì)庠疲觿×吮ǖ目赡苄浴＿M(jìn)入21世紀(jì)，許多發(fā)達(dá)國家都規(guī)劃了氫能的發(fā)展，我國想占據(jù)能源競爭的主動地位，還需加大對氫能技術(shù)的研究，健全氫能技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。

1 氫安全研究概況

安全用氫體現(xiàn)在氫的生產(chǎn)和儲運(yùn)、應(yīng)用等方面，安全性是確保氫實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵。美國國航局正致力于氫能在結(jié)構(gòu)、絕熱方面的優(yōu)化研究，分析溫度驟變和振動、波動載荷等對裝液氫的容器在真空隔熱性和結(jié)構(gòu)完整方面的影響。中國特檢院重點(diǎn)研究液氫、LNG等低溫壓力容器領(lǐng)域，主要是研究材料性能和在用檢測評估技術(shù)；北航101所自主開發(fā)了響應(yīng)速度快、精度高的氫濃度傳感器，動作時間僅需1 s，國際領(lǐng)先；中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)了區(qū)域性定量風(fēng)險評價軟件，已成為國內(nèi)許多安全評價機(jī)構(gòu)必須配備的風(fēng)險定量軟件，也使DNV、TNO不再為國外所壟斷。放眼國內(nèi)外，研究氫安全已從經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)化邁向經(jīng)驗(yàn)化，核心就是實(shí)現(xiàn)氫安全可度量、可防范、可遵照。

液氫項(xiàng)目是近年來國家的重點(diǎn)科研方向，對氫的安全使用提出了標(biāo)準(zhǔn)的要求，2019年重點(diǎn)是供儲氫系統(tǒng)的監(jiān)測和實(shí)時預(yù)警以及液體儲供氫系統(tǒng)，2020年重點(diǎn)是氫氣液化過程的風(fēng)險量化和應(yīng)急分析以及安全防護(hù)、預(yù)警，開發(fā)優(yōu)化液氫加氫站的工藝流程，在氣氫與液氫加氫站的風(fēng)險性、安全性及對比量化分析等方面明確了考核標(biāo)準(zhǔn)，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所、中國特種設(shè)備檢測研究院、西安交通大學(xué)等在液氫的安全研究領(lǐng)域都有一定的科研優(yōu)勢。

2 氫與材料的相容性問題

高壓氫氣系統(tǒng)在選擇金屬原料時一個重要問題就是氫與材料的相容性，這與安全使用儲氫瓶、管線和閥門、儀表、管件等息息相關(guān)。在特定的溫度和壓力下，氫氣會解離成為氫原子，氫原子很小可以滲入金屬材料，在金屬材料內(nèi)部變化成為氫分子，由于材料中有碳，氫遇碳會出現(xiàn)脫碳反應(yīng)生成甲烷氣體，在材料內(nèi)部會就出現(xiàn)很大的壓力，這降低材料的屈服強(qiáng)度、塑性從而發(fā)生裂紋、斷裂。人們一直在持續(xù)研究高溫、高壓、臨氫環(huán)境下的金屬選擇與預(yù)防氫脆工作。在150～820 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的臨氫作業(yè)用鋼材料來預(yù)防微裂、脫碳的極限，可視為FCEV供氫系統(tǒng)下選擇金屬材料的參考，但FCEV供氫系統(tǒng)的特點(diǎn)是壓力高而溫度不高，有一部分是低溫環(huán)境，所用的是高純度氫氣，研究如何才能選好材料預(yù)防氫脆、加強(qiáng)氫與材料的相容性是十分必要的，由于FCEV供氫系統(tǒng)要長期處在升壓、降壓循環(huán)往復(fù)的環(huán)境，在選擇材料時對材料的抗疲勞性也要重點(diǎn)注意。

3 氫氣的安全利用原則

氫氣、天然氣都易燃易爆，就物理、化學(xué)性質(zhì)而言氫氣要比天然氣的危險性低。天然氣早已成為人們?nèi)粘Ｊ褂玫娜細(xì)?，氫氣若能像天然氣一樣?shí)現(xiàn)安全管理、做好安全防護(hù)措施，就能安全利用氫能。結(jié)合氫氣的物理化學(xué)特點(diǎn)以及天然氣使用的安全經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)安全利用氫氣應(yīng)抓好三個原則：一是不泄漏，就是預(yù)防氫氣特別是壓縮后的氫氣出現(xiàn)泄漏，要保證儲氫瓶和閥門、安全閥以及管件、連接件、儀表、接頭、墊圈的可靠運(yùn)行就要選擇那些與氫相容性較好的材料。二是早發(fā)現(xiàn)，就是一旦氫泄漏要盡早發(fā)現(xiàn)，易出現(xiàn)氫泄漏的地方要設(shè)置敏感度較高的氫氣濃度檢測儀和自動報(bào)警設(shè)備，氫泄漏一旦出現(xiàn)能立即自動報(bào)警。三是不積累，就是預(yù)防氫氣泄漏導(dǎo)致大面積聚積，氫氣壓縮機(jī)間和存放加氫站儲氫瓶的受限空間要通風(fēng)良好，容易產(chǎn)生氫泄漏的地方還要加設(shè)防爆炸強(qiáng)制通風(fēng)儀器，它與氫氣的檢測報(bào)警設(shè)備同時運(yùn)行，一旦氫氣泄漏要能立即強(qiáng)制通風(fēng)，加快氫氣擴(kuò)散向空氣的速度。

4 氫能源安全風(fēng)險控制措施

4.1 各環(huán)節(jié)落實(shí)消防安全控制責(zé)任

對生產(chǎn)加工氫能源的企業(yè)而言，從消防安全責(zé)任人到安全管理人到企業(yè)一線員工都必須接受消防安全培訓(xùn)，只有人人都主動做好消防安全，踐行好消防安全職責(zé)，才能形成良好的企業(yè)安全氣氛，就不會發(fā)生火災(zāi)。因此，從事氫能源加工的企業(yè)，其消防安全責(zé)任人要嚴(yán)格遵守國務(wù)院《消防安全責(zé)任制實(shí)施辦法》的各種要求，依據(jù)法律、法規(guī)、制度，扎實(shí)落實(shí)安全責(zé)任并制定企業(yè)內(nèi)部的消防安全工作辦法，統(tǒng)一做好消防經(jīng)費(fèi)預(yù)算和計(jì)劃，從上至下守好消防安全責(zé)任關(guān)。企業(yè)的消防負(fù)責(zé)人主要做好單位消防工作的貫徹和落實(shí)，嚴(yán)格貫徹公安部61號令的規(guī)定，定期進(jìn)行防火檢查、巡查工作，保證企業(yè)的消防工具全面、好用，定期進(jìn)行消防知識培訓(xùn)，舉辦消防演練，讓員工充分了解火災(zāi)的危害以及自己的法定安全職責(zé)。定期或不定期對消防設(shè)施進(jìn)行突擊檢查，重點(diǎn)檢查火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警探測器的運(yùn)行情況，保證其能夠正常使用，按時完成檢驗(yàn)、校正消防工具的工作，定期檢查火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的聯(lián)鎖運(yùn)行狀況。

4.2 提升氫能源安全工程消防技術(shù)水平

常溫常壓的環(huán)境下氫是氣態(tài)，發(fā)生火災(zāi)就屬于C類火災(zāi)，液體狀態(tài)下的氫發(fā)生火災(zāi)就屬于B類火災(zāi)。撲救B、C類火災(zāi)時只能采用氣體滅火劑。目前我國常見的氣體滅火劑是二氧化碳滅火劑、IG541滅火劑，缺點(diǎn)是存儲容量較小、滅火速度慢?？梢灶A(yù)想，氫能源未來會在許多領(lǐng)域當(dāng)中得到廣泛使用，國家也會不斷建設(shè)存儲容量較大的加氫站，傳統(tǒng)的滅火劑對未來出現(xiàn)的新能源火災(zāi)可能無計(jì)可施，氫能源的廠房一旦發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)，傳統(tǒng)的氣體滅火劑的撲救工作就會顯得“杯水車薪”。 另外在生產(chǎn)、使用火災(zāi)探測器方面也都不同程度出現(xiàn)了相似問題。在升級消防器材、材料和電氣、自控消防系統(tǒng)的過程中要考慮到當(dāng)前氫能源產(chǎn)業(yè)的市場需求，有針對性地研發(fā)、生產(chǎn)滅火劑和消防器械，重點(diǎn)是提升氫能源可燃?xì)怏w的監(jiān)測和紅外火焰、光纖測溫和火焰圖像探測技術(shù)以及消防聯(lián)動操控技術(shù)，提高氫燃燒、氫爆炸事故中的消防器材使用效果以及火災(zāi)前期的監(jiān)控、預(yù)防和滅火設(shè)施使用過程中的效果，確保氫能源的使用安全可以得到有效的消防保護(hù)。

4.3 應(yīng)根據(jù)時代發(fā)展完善氫能源消防安全法規(guī)

我國快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)和科技，但是相關(guān)法律和規(guī)章還沒有得到有效的完善，在利用氫能的過程中要依照特定的管理辦法和組織體系來發(fā)展技術(shù)、更新設(shè)備，但是整體上對儲運(yùn)、使用氫能源的管理辦法較少，行業(yè)內(nèi)沒有形成一套有權(quán)威的制度體系，整體上對氫能源的管理還需要加強(qiáng)細(xì)節(jié)把控，在跨地區(qū)運(yùn)輸氫能源時還有著管理制度同管理工作不協(xié)調(diào)的尷尬局面，在實(shí)際落實(shí)氫能源安全管理層面也有一定的局限和障礙。國家、政府在未來要對新型能源領(lǐng)域加強(qiáng)關(guān)注，保證其安全使用、生產(chǎn)，分析氫能源的生產(chǎn)、儲運(yùn)環(huán)節(jié)和消防需要，制定規(guī)范使其可以很好地指導(dǎo)消防安全工作，全力確保氫能源使用過程中生產(chǎn)廠房、庫房的消防工程應(yīng)用效果，針對氫的生產(chǎn)、儲運(yùn)過程做出明確的消防指導(dǎo)，列明其生產(chǎn)的原材料、消防設(shè)施配備數(shù)量，并詳實(shí)規(guī)定氫能源行業(yè)中間衍生物的儲存辦法等消防規(guī)定。建立健全氫能源領(lǐng)域的消防安全評價細(xì)則，結(jié)合企業(yè)消防工作開展情況為企業(yè)進(jìn)行綜合打分，對規(guī)定時間內(nèi)得分較低的企業(yè)實(shí)行停頓、整改，使氫能源行業(yè)的消防安全要求得到最根本的保證。

4.4 強(qiáng)化氫能源行業(yè)人員消防安全培訓(xùn)的效力

氫能源行業(yè)需要各企業(yè)較多的生產(chǎn)人員，生產(chǎn)工人對于消防工序的操作和控制都極大影響到了氫能源的安全生產(chǎn)，當(dāng)前的社會背景，人們普遍不能正確認(rèn)識和足夠重視消防安全知識，一些企業(yè)的員工還存在僥幸心理和經(jīng)驗(yàn)主義，導(dǎo)致不規(guī)范操作。結(jié)合氫能源各安全方面的風(fēng)險分析和評價結(jié)果，做好氫能源生產(chǎn)、存儲運(yùn)輸和使用過程中的安全培訓(xùn)對保證人員操作的安全、規(guī)范具有促進(jìn)作用，由于培訓(xùn)會緊密圍繞消防事故的講解作為培訓(xùn)內(nèi)容，也能對從事氫能源的工作人員起到積極的安全從業(yè)教育，提高規(guī)范操作的認(rèn)知能力，確保在生產(chǎn)一線能有效落實(shí)消防安全規(guī)程，并且培訓(xùn)組織者在培訓(xùn)時還要做好對消防設(shè)施、藥劑的使用方式的培訓(xùn)，保證氫能源行業(yè)全流程的工作人員可以熟練掌握消防器材的操作方法和消防知識。

5 氫能安全技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的建議

5.1 總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，加大科技投入

要建立以實(shí)驗(yàn)室為主導(dǎo)地位，其他社會力量廣泛參與的科研體系，實(shí)現(xiàn)氫的安全使用才能實(shí)現(xiàn)FCEV發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展氫能應(yīng)該由國家的安全部門來設(shè)計(jì)總體規(guī)劃部署并建立國家氫能安全重點(diǎn)試驗(yàn)示范點(diǎn)。學(xué)習(xí)外國的經(jīng)驗(yàn)，了解氫能技術(shù)發(fā)展要涉及的研究項(xiàng)目和必不可少的實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備，建設(shè)所需資金以及維持研究所需經(jīng)費(fèi)都應(yīng)納入國家財(cái)政支出，保證資金適時投入。實(shí)驗(yàn)室的科研工作應(yīng)該由國家安全主管部門進(jìn)行管理，國家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)制定氫能安全使用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

實(shí)現(xiàn)氫能的安全利用與研究還需要地方政府、企業(yè)的支持，面向省市、企業(yè)放開氫能建設(shè)條件允許其進(jìn)行氫的檢測，研究機(jī)構(gòu)要得到國家安全部門的審核通過，相關(guān)儀器設(shè)施和技術(shù)水平要滿足國家規(guī)范的規(guī)定，可以有條件的接受氫能建設(shè)所需的檢測合格的設(shè)備、材料、閥門和管件、加氫槍、儀器儀表等。逐漸建立以國家重點(diǎn)科研室為主體地位、社會力量參與其中的科研體系。

5.2 加快修訂完善車用氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系

車用氫能的相關(guān)制度可以有力支撐FCEV產(chǎn)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康、科學(xué)發(fā)展，在開發(fā)、利用車用氫能技術(shù)時涵蓋到制氫技術(shù)和壓縮氫氣技術(shù)以及氫液化后的儲運(yùn)、加注和燃料電池、FCEV等許多層面，要保證安全還要發(fā)展FCEV 行業(yè)。在車用氫能方面日本的組織體系相對先進(jìn)和完整，建立了適用FCEV、高壓氫系統(tǒng)（涵蓋高壓儲氫瓶和高壓容器的總閥門在內(nèi)）的《高壓氣體保安法》，適用于車輛行業(yè)的《道路運(yùn)送車輛法》。適用于加氫站的法律規(guī)范有：《消防法》《建筑基準(zhǔn)法》《高壓氣體保安法》《加氫站安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》等。我國在FCEV 領(lǐng)域的探索也在持續(xù)升溫，但和FCEV 安全相關(guān)的強(qiáng)制性規(guī)范和準(zhǔn)則還不夠完整，先進(jìn)性不足。比如《加氫站技術(shù)規(guī)范》，還是十年前結(jié)合國外的制度規(guī)范經(jīng)過國內(nèi)專家組論證后編寫制定的。近十年，國際上氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，安全規(guī)程也在被改進(jìn)和完善，應(yīng)在系統(tǒng)研究氫能技術(shù)和學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展我國的車用氫能技術(shù)。

5.3 重視構(gòu)建 70 MPa 涉氫裝備制造體系

建立70 MPa 涉氫裝備的組織制度，可以有效支撐起FCEV發(fā)展需要。我國制造70 MPa以上的氫氣壓縮裝備的能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上日本和歐美國家，還不具備系統(tǒng)生產(chǎn)FCEV、儲氫瓶和建設(shè)加氫站所需要的設(shè)備和儀表、閥門以及壓縮機(jī)、加氫槍的能力，還依賴于進(jìn)口。不破解這個技術(shù)上的制約，依托FCEV發(fā)展實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的大幅增長是不可能的。制造70 MPa 涉氫裝備與我國開發(fā)、生產(chǎn)高端設(shè)備和新材料息息相關(guān)，也是檢驗(yàn)裝備制造行業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)。要在科研層面加大投入，開展科研攻堅(jiān)，使得生產(chǎn)70 MPa、90 MPa儲氫瓶、氫氣壓縮機(jī)及關(guān)鍵零部件，如閥門和儀表、氫氣火焰?zhèn)鞲衅?、高靈敏氫氣檢測傳感器的能力大幅提升，早日完成中國獨(dú)立生產(chǎn) 70 MPa 涉氫裝備。

6 結(jié)束語

氫能作為清潔能源之一被廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天以及汽車驅(qū)動等方面，關(guān)于氫能源安全運(yùn)行牽涉的范圍和內(nèi)容很多，要重點(diǎn)研究氫氣的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及氫氣是否和材料相容的問題，掌握安全使用氫氣的三個要點(diǎn)；在高壓氫能的安全使用領(lǐng)域努力向日本取經(jīng)，學(xué)習(xí)其科研成果、安全措施。要從三個方面入手開展氫能的建設(shè)，一是總體規(guī)劃分析，在科技方面的投入要繼續(xù)加大，在氫能安全領(lǐng)域建立以國家實(shí)驗(yàn)室為主導(dǎo)、其他社會科研力量為輔的科研體系；二是對車用氫能的制度和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修立、完善；三是建立70 MPa 涉氫裝備科研體系。