雙碳背景下加氫站安全技術(shù)分析及風(fēng)險防控措施

趙磊 劉鵬 李晶 楊柳 楊棟

（陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)交通能源發(fā)展有限公司 陜西西安 710016）

近年來，化石能源不斷減少，且持續(xù)深化利用造成環(huán)境污染，對清潔、環(huán)保能源提出更為急迫的需求。在這樣的背景下，氫燃料電池汽車行業(yè)迅速發(fā)展，加氫站建設(shè)需求也在不斷增加，而發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的重要保障就是氫能安全。但隨著國外不斷出現(xiàn)氫能源事故，引得國內(nèi)、外高度關(guān)注氫能源安全，這也使加氫站建設(shè)與運(yùn)營過程中面臨著新的挑戰(zhàn)。尤其是“雙碳”背景下，對加氫站安全提出新的要求，有必要做好研究分析工作。

1 加氫站概述及工藝流程

1.1 加氫站概述

新時期，國內(nèi)能源供應(yīng)局勢日趨緊張，市場上燃?xì)淦嚁?shù)量逐漸增加，使得燃?xì)饧託庹緮?shù)量持續(xù)增加，其中，最重要的就是加氫站。氫作為一種環(huán)境友好型燃料，燃燒效率較高，最終產(chǎn)物為水。與傳統(tǒng)石油燃燒方式相比，氫對環(huán)境影響更小，受到國家清潔能源計劃的支持，當(dāng)前市場上加氫站數(shù)量逐漸增加。

加氫站加氣時，需要按照一定流程進(jìn)行作業(yè)。首先，需要加液態(tài)氫氣送到標(biāo)準(zhǔn)儲存位置；其次，將其移動到儲罐中，運(yùn)送時，利用低溫泵與加氣機(jī)運(yùn)輸；最后，通過加氣設(shè)備完成加氣，整個加氣流程順利完成。實際加氣時會受到不同因素影響，容易出現(xiàn)各類安全隱患，需要定期檢查并及時整改，確保加氫站可以正常運(yùn)行。

1.2 工藝流程分析

（1）卸車環(huán)節(jié)。卸車時，需要將集裝箱或槽車內(nèi)的氫轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移儲罐內(nèi)。轉(zhuǎn)移氫氣時，需要聯(lián)合應(yīng)用卸車增壓器、加氣泵。卸車時，為簡化難度，可以同時進(jìn)出上下液體。

（2）調(diào)整壓力。加氫站加氣時，汽車內(nèi)通常不含有壓力設(shè)備，實際存儲時，壓力偏大，需要及時調(diào)節(jié)壓力，確保氫氣為飽和氣體。通常選擇調(diào)壓器或泵低俗循環(huán)等方式及時調(diào)壓。

（3）加氣環(huán)節(jié)。利用氣槍完成輸送。

（4）卸壓環(huán)節(jié)。采取措施卸掉壓力，避免儲罐內(nèi)壓力過大引發(fā)安全問題。

整個工藝流程中，當(dāng)加氣機(jī)故障出現(xiàn)，需要同時更換儲罐，增強(qiáng)安全效果?？刂苾迺r，需要調(diào)整安全閥，避免出現(xiàn)因為安全閥故障無法調(diào)壓，甚至出現(xiàn)爆炸事故。加氣時，需要嚴(yán)格控制火源等因素，避免引發(fā)安全事故。

2 “雙碳”背景下加氫站面臨的安全問題分析

基于加氫站生產(chǎn)安全控制現(xiàn)狀，其存在的問題直接影響到加氫站流程與控制的效果，成因如下。

2.1 設(shè)備安全問題分析

加氫站運(yùn)行時需要頻繁使用加氣機(jī)，容易受到環(huán)境等因素影響，很容易出現(xiàn)故障，直接影響到加氫站的安全運(yùn)行。

（1）關(guān)閉加氣槍閥門后，存在漏氣情況。槍閥處密封效果不理想，或是閥門球面出現(xiàn)損壞，影響到密封效果。實際維修時，需要更換或維修槍閥。

（2）槍閥或泄氣位等部分容易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。解決時，需要更換或調(diào)整槍頭。

（3）完成加氣后，加氣機(jī)出現(xiàn)漏氣情況。出現(xiàn)這一情況的原因為電磁閥門故障或氫能含有大量雜質(zhì)影響到閥門。在實際維修時，需要更換或維修該部分。

（4）加氣時，主板信號燈出現(xiàn)問題，表現(xiàn)為信號燈失效、加氣時直接停止工作，或加氣結(jié)束后信號燈長亮及亂閃的情況。

2.2 工作人員操作問題

加氫站面臨安全問題的一大原因就是人員操作問題。

（1）壓縮機(jī)壓縮氫氣時，需要時刻關(guān)注氣體的流向，避免出現(xiàn)超壓事件引發(fā)機(jī)械損害或人員傷亡。

（2）加氫時，加氫槍使用不當(dāng)，出現(xiàn)天然氣泄漏情況，如果加氣槍與車輛電瓶接觸時引發(fā)短路問題，引發(fā)火災(zāi)或天然氣爆炸。

（3）工作人員如果出現(xiàn)超壓加氣，很容易誘發(fā)爆炸，直接造成人員傷亡或破壞周邊環(huán)境，如果沒有及時觀察氣柱，當(dāng)空氣進(jìn)入到加氣柱內(nèi)出現(xiàn)爆炸。

（4）操作人員操作不當(dāng)，誘發(fā)安全事故。實際操作時，需要考慮各方面情況，避免出現(xiàn)安全問題，做好相關(guān)分析。

2.3 安全管理制度問題

對于任何工作來說，人力資源都是影響工作安全性的核心要素，因為所有工作都是由人來決策、主導(dǎo)和執(zhí)行的，而作為生產(chǎn)管理工作的規(guī)劃者和組織者，生產(chǎn)管理者的素質(zhì)水平與工作完成效果之間具有密不可分的聯(lián)系。安全評價已經(jīng)成為加氫站發(fā)展的必然趨勢，加氫領(lǐng)域在快速發(fā)展的今天也帶動了技術(shù)的革新。

對于加氫站而言，對設(shè)備的需求量不斷提升。國內(nèi)加氫站技術(shù)起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距，很多生產(chǎn)技術(shù)水平偏低，自身存在較大的發(fā)展與進(jìn)步空間。近年來，加氫站的發(fā)展速度較快，對專業(yè)人才的需求量不斷提升。但工作人員的專業(yè)性跟不上企業(yè)的發(fā)展速度，加上企業(yè)的工作人員經(jīng)常在惡劣的環(huán)境下工作，稍有不慎也會造成一定的危險。因此，可直接從市場招聘高素質(zhì)的技術(shù)人才，切實發(fā)揮加氫站安全評價技術(shù)的優(yōu)勢。

3 “雙碳”背景下加氫站安全技術(shù)分析及風(fēng)險防控

“雙碳”背景下，加氫站面臨著諸多安全風(fēng)險問題，需要分析這些安全問題的成因，結(jié)合實際情況，給出相關(guān)的完善措施，具體如下。

3.1 加氫站儲罐主動安全防護(hù)技術(shù)

3.1.1 保溫絕熱的防護(hù)措施

氫儲罐內(nèi)液體與外界環(huán)境之間存在較大溫度差，因此，絕熱保冷設(shè)計是保證存儲安全的重要措施。當(dāng)前，對于小型的氫儲罐，通常會采用真空絕熱或者真空粉末絕熱的方式。大中型及特大型的氫儲罐通常會使用堆積絕熱的方式。在材料技術(shù)不斷發(fā)展的今天，新型材料逐步被應(yīng)用到絕熱保冷設(shè)計中，這對于提升防護(hù)效果具有非常重要的現(xiàn)實意義。

3.1.2 壓力防護(hù)措施

氫儲罐內(nèi)壓力的穩(wěn)定性也是保證存儲安全的重要前提，壓力過高、過低都容易發(fā)生事故。對此，在氫儲罐正常運(yùn)行時，可以利用壓縮機(jī)將壓力控制在一定的范圍內(nèi)，保證存儲的安全性。此外，為了有效避免閥座結(jié)冰問題，影響安全閥的安全開啟，需要使用先導(dǎo)式安全閥，并且將安全閥的進(jìn)口管道伸到吊頂以下。

具體工作流程如下：當(dāng)儲罐內(nèi)的壓力過低時，通過調(diào)節(jié)閥，可以向罐內(nèi)注入一定的干燥氫氣或者氮?dú)?，如果壓力持續(xù)降低，真空閥將會打開，進(jìn)一步調(diào)節(jié)內(nèi)部的壓力。安全閥和真空閥是維持氫儲罐內(nèi)壓力處于正常范圍的重要防線。需要注意的是，安全閥的功能過于單一，因此，需要配合其他的安全措施共同使用。

3.1.3 利用惰性氣體做好防爆處理

惰性氣體防爆措施是常用的一種手段，考慮到氫儲罐內(nèi)的蒸發(fā)氣體，為避免氣體混合物達(dá)到爆炸極限，可以提前對儲罐進(jìn)行處理，利用氮?dú)庵脫Q罐內(nèi)的氣體，能夠改善防爆效果。

3.1.4 預(yù)防氫翻滾的措施

由于氫的密度差造成的分層是導(dǎo)致翻滾事故發(fā)生的根本原因，因此，需要做好以下方面的措施，避免翻滾問題的出現(xiàn)。

第一，選擇正確的充注方法。通常情況下，頂部充注和底部充注是常用的兩種方式。當(dāng)新充注的氫密度比儲罐內(nèi)原有的氫密度大時，可以采用頂部充注的方式；如果新充注的氫密度小于原有的密度，可以采用底部充注的方式。第二，在充注時，管道和噴嘴應(yīng)該分別采用多孔管和混合噴嘴方式，使新舊氫得到充分混合。第三，在儲罐的內(nèi)壁設(shè)置相應(yīng)的探測器裝置，能夠及時監(jiān)測氫液位、溫度及密度的變化，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，需要立即啟動循環(huán)泵，及時消除分層現(xiàn)象。

3.2 加氫站儲罐被動安全防護(hù)技術(shù)

3.2.1 圍護(hù)措施

通過圍堰處理，能夠更好地處理泄漏的氫，并且抑制蒸發(fā)氣的擴(kuò)散。當(dāng)前，氫儲罐按照結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為單容罐、雙容罐，對于單容罐而言，需要單獨(dú)進(jìn)行圍堰處理。在進(jìn)行維護(hù)處理的過程中，需要嚴(yán)格遵循我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證措施的有效性。

3.2.2 消防冷卻水防護(hù)措施

氫儲罐著火、爆炸的危害非常嚴(yán)重，其產(chǎn)生的熱輻射會影響人體健康及周邊設(shè)施設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。罐體處于高溫環(huán)境中，將會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致開裂，因此，需要嚴(yán)格控制好蒸發(fā)氣體的濃度，有效做好火災(zāi)的防火工作。使用消防冷卻水的過程中，可以選擇水幕、水噴淋、水噴霧、固定消防水炮及室外消火栓等形式。

3.2.3 泡沫覆蓋的措施

氫儲罐的集液池或者圍堰應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠有效驅(qū)散蒸發(fā)氣體，在火災(zāi)發(fā)生時快速形成泡沫覆蓋層，減少熱量的傳遞，減慢蒸發(fā)的速度。氫儲罐的高倍數(shù)泡沫防護(hù)系統(tǒng)具體包括高倍數(shù)原液罐、過濾器、控制閥、管道、泡沫比例混合器、泡沫發(fā)生器及火災(zāi)報警系統(tǒng)等組成。關(guān)于相關(guān)參數(shù)比例的設(shè)置，需要結(jié)合氫儲罐的實際情況，通過實踐的方式做好數(shù)據(jù)分析工作，保證泡沫覆蓋措施的有效性。

3.2.4 干粉滅火措施

就當(dāng)前的氫儲罐結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)內(nèi)部氣壓過大時，安全閥將會發(fā)揮作用將超壓氣體排出，此時，安全閥周圍就會存在火災(zāi)風(fēng)險。為進(jìn)一步提升儲罐的安全性，需要在安全閥出口位置設(shè)置相應(yīng)的滅火系統(tǒng)。干粉滅火就是很好的一種選擇。干粉滅火系統(tǒng)通常由干粉罐、氮?dú)馄俊p壓閥、干粉輸送管道及噴頭等部分組成。對于氫儲罐安全閥位置處的干粉滅火系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，需要結(jié)合實際進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)前并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.5 隔震減震措施

對于氫儲罐的設(shè)計，需要重視抗震能力的設(shè)計，通過采用相應(yīng)的隔震減震措施，能夠進(jìn)一步提升儲罐的抗震水平，降低地震對儲罐的影響，提升安全水平。就當(dāng)前而言，在儲罐上可以采用物理隔震減震的方式，橡膠支座就是一種常用的處理方式。但這種處理方式也具有一定的缺點(diǎn)，對于周期較長的水平振動容易出現(xiàn)共振問題。由于缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，橡膠支座的應(yīng)用依然存在一定的不確定性。因此，對于隔震減震措施的應(yīng)用還需要加大研究力度，充分利用現(xiàn)代設(shè)備裝置及計算機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)勢，提升防護(hù)效果，改善安全性。

3.3 制訂故障檢修方案，培養(yǎng)精細(xì)化管理理念

加氫站加氫設(shè)備經(jīng)營與發(fā)展水平通過效益與成本進(jìn)行評估，而效益與成本本身就是一種博弈關(guān)系，最直觀的理解，即加氫站加氫設(shè)備可以有效控制成本，這就可以獲得較高的收益。加氫站加氫設(shè)備管理中應(yīng)用精細(xì)化管理理念，可以實現(xiàn)內(nèi)部各項資源的細(xì)致劃分，提高資源的利用率，有效控制成本投入，順利達(dá)成降本增效。所謂的一般性檢修，就是針對加氫設(shè)備的實際檢測和使用情況展開定期維護(hù)和檢修。而在對加氫設(shè)備日常運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測維修時，最常規(guī)操作方法是將同一類型的儀表集中起來，實現(xiàn)統(tǒng)一操作和管理，如此能進(jìn)一步提升工作效率，促進(jìn)其監(jiān)測準(zhǔn)確率的提升。

但是，在針對加氫設(shè)備開展定期檢修工作前，工作人員需要提前做好工作準(zhǔn)備，針對儀表故障狀態(tài)進(jìn)行判斷。最常用的有以下幾種方法：針對儀表該階段內(nèi)記錄的所有參數(shù)進(jìn)行全面分析，觀察期是否出現(xiàn)明顯波動性變化；針對現(xiàn)場工作人員進(jìn)行問詢，確定其工作過程中是否發(fā)生異常；針對儀表指示進(jìn)行檢查，同時，結(jié)合故障曲線判斷是否出現(xiàn)異常。只有針對儀表運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解后，才能根據(jù)實際情況制訂相關(guān)檢修計劃。在此過程中，最關(guān)鍵且常用的判斷方法就是現(xiàn)場問詢，相比而言，這是最簡單、直接的一種檢修方法。維修人員通過對設(shè)備儀表、檢測儀器的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查，同時，對相關(guān)工作人員工作過程進(jìn)行問詢，從而獲知儀表在檢測過程中的具體工作狀態(tài)，并通過對常見問題發(fā)生與否的詢問，對儀表故障情況及可能原因進(jìn)行分析，實現(xiàn)對儀表運(yùn)行功能的監(jiān)測以及故障問題的排除。

所謂的對加氫設(shè)備故障進(jìn)行處理，主要是指在加氫站利用加氫設(shè)備對數(shù)據(jù)監(jiān)測應(yīng)用期間出現(xiàn)的一些比較典型、普遍的故障進(jìn)行處理和解決，主要包含電磁流量計顯示歸零、主控顯示儀和氣流量顯示儀兩者所顯示的指示誤差較大等。在設(shè)備運(yùn)行過程中，針對電磁流量計指針歸零故障進(jìn)行排除和解決時，考慮到電磁流量計的實際安裝方式為分體式，雖然如此能夠有效將感應(yīng)裝置和顯示裝置進(jìn)行分離，但這也導(dǎo)致了其感應(yīng)裝置需要長期暴露在惡劣的外部環(huán)境中遭受風(fēng)吹、日曬及雨淋等，一旦感應(yīng)裝置的線路盒因為淋雨影響而發(fā)生故障，就會發(fā)生勵磁線圈和地面絕緣電阻的突然減小，出現(xiàn)電磁流量計所感應(yīng)到的數(shù)值與實際數(shù)值之間存在較大差異。針對此故障，就需要工作人員利用工具針對裝有電磁流量計感應(yīng)裝置線路盒上面的水跡進(jìn)行清除處理，保證線路干燥，因此，只有這種狀態(tài)下，才能保證加氫設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，為實現(xiàn)對這種狀態(tài)的保護(hù)，工作人員需針對處于外部環(huán)境中的感應(yīng)裝置采取密封式保護(hù)，以免再次發(fā)生故障。

4 結(jié)語

總之，目前我國的加氫站得到快速發(fā)展，需要提高對安全管理的重視度，這就需要安全技術(shù)人員綜合考慮各方面因素，制訂科學(xué)合理的安全技術(shù)方案，并根據(jù)加氫站實際情況進(jìn)行調(diào)整，有效控制加氫站安全因素，提高加氫站運(yùn)行的安全性。希望本文可為類似研究提供借鑒，降低加氫站安全事故發(fā)生的可能。