氫氣長管拖車充裝高純高壓氫氣時的安全措施

摘" " " 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高純氫氣的應用越來越廣泛，充裝長管拖車時的安全問題越來越受重視，針對氫氣的長管拖車在充裝高壓氫氣時實施的安全措施進行了總結歸納。

關" 鍵" 詞：高純氫氣；長管拖車；安全

中圖分類號：TQ116.2" " " 文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）06-0926-03

傳統(tǒng)能源的使用與消耗，造成了嚴重環(huán)境污染和經(jīng)濟危機，給人類的生存和社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此開發(fā)新的替代能源就變得的越來越迫切，太陽能、風能、生物能、氫能、海洋能和地熱能等替代能源逐漸被人們所熟知。氫在眾多替代能源優(yōu)點較為突出，它的來源不僅廣，并且沒有污染，燃燒時只產(chǎn)生水，不產(chǎn)生任何污染物。與其他傳統(tǒng)的能源物質(zhì)相比，還具有能量密度高、熱轉(zhuǎn)化效率高等諸多優(yōu)點。因此，氫作為一種綠色能源發(fā)展前景十分光明[1]。

氫氣本身爆炸極限范圍廣4.1%～74.12%（體積比），最小點火能低，密度特別低，易泄露易擴散，無色無味[2]，發(fā)生事故時不易被人員發(fā)現(xiàn)，并且一旦發(fā)生火災或爆炸事故時很難控制，極易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等重大安全事故 [3-4]。氫氣在存儲運輸過程中基本均為高壓狀態(tài)，因此高壓更是氫氣全生命周期中關注度更高的安全分先因素，使其安全存在一定的隱患。

1" 高純氫氣的應用

高純氫氣是指純度等于或高于99.999%的氫氣，高純氫是工業(yè)氣體中應用比較廣泛，非常重要的品種。廣泛應用于石油化工、鋼鐵冶金、電子行業(yè)、能源、機械制造、食品行業(yè)、航空航天、核工業(yè)等多個領域 [5]。近些年來，隨著國際對于工業(yè)氣體需求迅速增長，高純氫的需求量也一直呈上升趨勢。

《2022 年全球氫能回顧》報告是由國際能源署（IEA）發(fā)布，該報告稱在對抗化石燃料價格激增、氣候變化、能源供應風險加大等眾多不良因素的影響下，全球氫能產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，2021年，全球氫能需求高達9 400萬t，創(chuàng)下歷史新高[6]。

電子工業(yè)中，利用高純氫配制混合摻雜氣的底氣，這對于氫氣的純度要求就相當嚴格，因為微量雜質(zhì)摻入底氣會嚴重影響半導體性能。在加工鎢、鉬作為原材料的電真空器材時，氫氣的純度越高，經(jīng)過氫氣還原的程度就越高，生產(chǎn)出來的鎢鉬粉末的粒度就越細。另外電子行業(yè)中對電子管的陽極、陰極和柵極等進行燒氫也會應用到氫氣，并且對于氫氣的要求也是非常嚴格的[7]。電子行業(yè)對于高純氫的的消耗是巨大的。

氫氣是一種燃燒熱非常高的燃料，它的燃燒熱是140×106 J/kg，而天然氣的燃燒熱是（52.7～55.6）×106 J/kg，柴油的燃燒熱是12.8×106 J/kg，液化石油氣的燃燒熱是47×106 J/kg，并且它的燃燒不會產(chǎn)生二次污染，是非常清潔的再生能源。

近年來越來越多的受到研究機構的重視，開發(fā)和利用氫能是未來能源研究的重要組成部分，人們已經(jīng)開始探索氫能在汽車制造行業(yè)的應用[8-9]，從2022年國際能源署（IEA）統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，截至到 2021 年底，全世界燃料電池汽車的存量5.1萬輛，較上一年年底增長1.8萬輛，增長比超過 50%，創(chuàng)下了歷史新高，交通也成為了氫能利用增長速率最快的行業(yè)[6] 。

在石化行業(yè)中，氫氣可以參與到很多工藝反應過程中，例如原油蒸餾、聚丙烯裝置、裂解裝置，加氫工藝中也會大量用到氫氣。

在化學分析研究方向，也會用到氫氣，例如氣相色譜分析時用的載氣就是氫氣。

在冶金工業(yè)中，利用氫氣替代傳統(tǒng)煤冶金，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的低碳環(huán)保發(fā)展，將氫代替碳作為高爐還原劑，可減少或完全避免鋼鐵生產(chǎn)中的碳排放，是非常重要的碳減排技術[10]。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展 中長期規(guī)劃（2021－2035年）》[11-12]，提出開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發(fā)應用，探索氫冶金示范應用[13]。2021年，全球多家企業(yè)都宣布將使用純氫進行煉鋼[6]。

食品工業(yè)中，由中華人民共和國國家衛(wèi)生和計劃生育委員會于2014.12.24發(fā)布的《食品安全國家標準" 食品添加劑使用標準》GB 2760—2014標準中規(guī)定氫氣是允許使用的食品工業(yè)用加工助劑 [14]。

氫氣還可以應用在金屬的加工與熱處理、生產(chǎn)超導合金、水處理、港口領域、煉鋼等行業(yè)。液氫還可以應用在航天器燃料上。

2" 氫氣長管拖車在充裝高壓氫氣時設置的安全措施

高壓氫氣汽車運輸過程中主要采取兩種儲存方式，鋼瓶和長管拖車，鋼瓶儲存的氫氣適用于使用氫氣量不大的企事業(yè)單位，對于一些使用量較大的單位就應該采用長管拖車的儲存運輸方式。長管拖車儲存的氫氣為高壓氫氣，儲存壓力普遍在20 MPa [15]，本文從長管拖車充裝高壓氫氣時的安全問題入手，研究充裝時氫氣管道的安全問題，盡可能將安全隱患扼殺在萌芽中，確保氫氣安全的充裝。本項目充裝流程圖詳見圖1，具體設置的安全措施如下：

2.1" 管材的選擇

高壓氫氣管道應采用無縫鋼管，不采用具有焊縫的焊接鋼管。管道材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼S31603。管道內(nèi)氣體最大流速不超過10 m/s，管道采用焊接方式連接[4]。閥門采用法蘭連接的波紋管截止閥，法蘭的連接形式為WN-RJ（帶頸對焊的環(huán)連接面），閥體閥桿的材質(zhì)均為不銹鋼，既滿足生產(chǎn)需求也符相關規(guī)范要求[16]。

2.2" 管道試驗

在石油化工行業(yè)里，氫氣為易燃易爆介質(zhì)，因此對于管道的試驗有著嚴格的要求，對于20 MPa的氫氣管道應該有強度試驗、氣密性試驗和泄漏量試驗。強度試驗的試驗介質(zhì)應為水，試驗壓力為1.5倍的設計壓力；密性試驗的試驗介質(zhì)為壓縮空氣或者氮氣，試驗壓力為1.05倍的設計壓力；泄漏量試驗試驗介質(zhì)為壓縮空氣或者氮氣，試驗壓力為1.0倍的設計壓力 [17]。

2.3" 氮氣吹掃

氫氣和空氣或氧氣混合的爆炸極限值范圍廣，氫氣只有處于爆炸極限范圍內(nèi)并且有火源同時純在時才能發(fā)生爆炸，因此，管理好氫氣與空氣或氧氣的混 程度可以從根本上遏制氫氣爆炸的發(fā)生。所以在氫氣系統(tǒng)投入使用前或者動用明火檢修時，均要以氮氣或者其他惰性其他隊系統(tǒng)進行吹掃[17]。氮氣由于比較經(jīng)濟通常用作吹掃介質(zhì)。氫氣管道上的氮氣吹掃管道一般為低壓管道，因此在氮氣與氫氣相連接的位置做好等級劃分與止逆措施，確保連接的位置在正常工況下不會出現(xiàn)超壓泄露的情況。

2.4" 安全閥

安全閥是一種自動類閥門，它的開啟及關閉狀態(tài)是受外力作用的，正常工況下安全閥是關閉狀態(tài)，當設備或管道內(nèi)介質(zhì)的壓力超過設定值時，通過向系統(tǒng)排放介質(zhì)來阻止管道或設備超壓，進而打到安全保護的作用。

在氫氣管道上設置超壓泄放的安全閥 [18]，安全閥為全啟式安全閥，當出現(xiàn)超壓的工況時可以及時泄放壓力。泄放壓力根據(jù)系統(tǒng)的整體設計壓力確認，既要保證整個氫氣管路的安全，又要保證終端接收設備的安全，本論文考慮的氫氣充裝壓力為20 MPa，安全閥的啟跳壓力為21.5 MPa。安全閥后的管道接到安全位置就地排放。

2.5" 壓力表

壓力表是工程設計中檢測壓力的重要儀表元件，一般為就地和遠傳兩種，就地便于現(xiàn)場操作及巡檢人員觀察，遠傳壓力表可以再控制室觀察并發(fā)出信號。氫氣長管拖車充裝高壓氫氣管道上設置的是遠傳的壓力裝置，并具備顯示，報警，超壓自動聯(lián)鎖功能，當壓力到達一定設定值時，切斷來氣管道上的緊急切斷閥，保證后續(xù)灌裝設備的安全。

2.6" 阻火器

阻火器是安裝在管道中間或端部的，阻止傳播火焰（爆燃或爆轟）通過的裝置 [17-19]，在氫氣充裝管道上設置阻火器，防止在管道端口的位置有火苗或電火花串入氫氣管路系統(tǒng)。

2.7" 防護墻

氫氣長管拖車在在做好充裝前準備工作后，正式充裝的過程中工作人員是不容許待在車位充裝位置的，因此在長管拖車車尾設U型防護墻，墻體高度2.5 m [20]，以確保發(fā)生意外時躲在防護墻后的工作人員不受到傷害。并且在充裝管道及長管拖車車尾位置上方設置雨蓬，雨篷及其支撐材料均采用不燃燒體。詳見圖2。

2.8" 防雷設施

所有管道、閥門、法蘭都接到防雷接地裝置上，并設置電壓（電動勢）檢測裝置，具備顯示，報警，超壓自動聯(lián)鎖功能，氫氣充裝過程中將電壓檢測裝置接到氫氣長管拖車上，一旦檢測到長管拖車上電壓超壓，就會關閉管道上的緊急切斷閥，確保整個系統(tǒng)的安全性。

3" 結 論

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，氫氣越來越多的應用在各行各業(yè)，長管拖車的運輸方式也會越來越受到人們的重視，通過采用上述的安全措施，最大程度降低長管拖在充裝時的安全事故。

參考文獻：

[1] 鄭秋艷，王少波，李紹波，等.氫氣的生產(chǎn)方法綜述[J]. 低溫與特氣， 2009（06）：19-22.

[2] 高永宜， 馬榮勝. 壓縮氫管束車充裝與運輸?shù)陌踩芾砼c要求[J].化工管理，2017（7）：139-140.

[3] 羅啟圭，韓文超，姜永善，等. 高壓氫氣儲運過程的泄漏研究[J]. 中國設備工程， 2022（4）：163-165.

[4] 沈曉波， 章雪凝， 劉海峰. 高壓氫氣泄漏相關安全問題研究與進展[J]. 化工學報， 2021， 72 （3）： 1217-1229

[5] 馬登云，孫耀剛，楊蓮.船用阻火器選型方法淺析[J].船舶標準化與質(zhì)量2022（02）：15-20.

[6] 李麗旻. 供需兩旺，氫能產(chǎn)業(yè)沖勁十足[N]. 中國能源報， 2022-10-10.第003版.

[7] 婁開利. 幾種工業(yè)氣體的開發(fā)及應用[J]. 四川化工與腐蝕控制，1999（ 05）：22-26.

[8] 曾凱華，劉凱. 新能源視域下氫能技術在汽車制造業(yè)的探索與應用[J].中國石油化化工標準與質(zhì)量，2022（18）：116-117.

[9] 喬東偉，陶志杰，郭向軍，等.中國綠氫的制取與應用前景展望[J]. 現(xiàn)代鹽化工，2022（2）：36-38.

[10] 史倩，過良，張永亮.新能源制氫在傳統(tǒng)煉化企業(yè)的應用[J]. 南方能源建設， 2022，9（4）：40-47.

[11] 葉瑞克.關于氫燃料電池汽車城市群示范應用的思考[J]. 浙江經(jīng)濟2022（08）：37-39.

[12] 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）[R]. 國家發(fā)展改革委國家能源局. 2022-03-23.

[13] 林圣華. 氫能在鋼鐵冶金中的應用及發(fā)展趨勢研究[J]. 中國煤炭，2022，48（10）：95-102.

[14] 食品安全國家標準. 食品添加劑使用標準：GB 2760—2014[S]. 中華人民共和國國家衛(wèi)生和計劃生育委員，2014-12-24.

[15] 李軍，薄柯，黃強華，等.高壓氫氣儲運移動式壓力容器發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)[J]. 太陽能學報， 2022，43（3）：28-34.

[16] 工業(yè)金屬管道設計規(guī)范：GB 50316—2000（2008年版）.國家質(zhì)量技術監(jiān)督局、中華人民共和國建設部，2004-01-01.

[17] 氫氣站設計規(guī)范：GB 50177—2005[S]. 中華人民共和國建設部、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2015-04-15.

[18] 柏其亞，許延峰，孫建國，等.氫氣壓縮充裝系統(tǒng)的工藝安全性設計[J].廣州化工，2014，42（8）：183-185.

[19] 石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收標準： SH/T 3413—2019 [S]. 中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2019-05-02.

[20] 李學斌，楊振東. 高壓氫氣充裝設計中的注意事項[J]. 氯堿工業(yè)， 2015，51（11）：44-45.

Abstract：" With the development of economy， the application of high purity hydrogen is more and more extensive， and the safety problem during filling the long tube trailer is paid more and more attention. In this paper， the safety measures for the long tube trailer of hydrogen when filling the high pressure hydrogen were summarized.

Key words：" High purity hydrogen; Tube trailers; Security