堿性電解水制氫系統(tǒng)相關設備安全管理規(guī)定探討

摘 "要""隨著氫能產業(yè)裝備向著大型化不斷發(fā)展，對制氫系統(tǒng)相關設備的安全管理要求越來越高。目前，電解水制氫行業(yè)處在發(fā)展初期，行業(yè)規(guī)范發(fā)展尚不完善。堿性電解水制氫系統(tǒng)是當前使用最為廣泛的電解制氫技術，其設備如何進行管理、是否可按照特種設備進行安全管理等方面內容的討論暫無定論。以典型的商業(yè)堿性電解水制氫設備作為參考，并將系統(tǒng)相關設備與《特種設備目錄》（2014版）進行對照，分析探討了電解水制氫系統(tǒng)中特種設備范圍，并對相應的安全管理規(guī)定討論。

關鍵詞""特種設備 "氫能""堿性電解水 "安全管理" " ""DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406002

中圖分類號 "TQ051""""""""""""""""""文獻標志碼""A """""""""""""nbsp;""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

應用綠色電力進行電解水制氫，已成為當前大規(guī)模商業(yè)化制氫的主流途徑。氫氣具有易泄漏、易燃易爆的特性，這無疑增加了電解水制氫系統(tǒng)設備的安全風險。近年來，國內外已發(fā)生數起安全事故。2019年5月，位于韓國江原道江陵市的一個氫燃料儲存罐在進行電解水制氫試驗時，由于操作失誤導致發(fā)生爆炸事故；同年6月，美國加州某化工廠因為氫氣輸送過程中發(fā)生泄漏，引發(fā)自燃導致爆炸；2021年8月，遼寧沈陽某企業(yè)因加氫設備中軟管破裂導致氫氣罐發(fā)生爆燃[1]。

電解水裝置按照工作原理可分為堿性電解水制氫（Alkaline"Water Electrolysis，ALK）、固體聚合物水電解制氫和固體氧化物水電解制氫。其中ALK商業(yè)化最成熟，且適用于現場制氫[2]。但是，ALK過程中涉及易燃、易爆等危險因素，其設備的安全管理關系到整個制氫系統(tǒng)的安全性。目前，普遍認為對制氫系統(tǒng)中所涉及的電解槽、儲氣容器、氫氧管道等設備按照特種設備要求進行嚴格的安全管理有助于預防和減少制氫系統(tǒng)事故的發(fā)生[3]。但是，在實際工作中，對于ALK系統(tǒng)中特種設備屬性的界定，仍存在一些困惑和問題。例如，電解槽是否可認定為鍋爐或壓力容器，系統(tǒng)中工藝管道是否可界定為壓力管道等。

2014年，我國質檢總局修訂了《特種設備目錄》（2014年第114號）[4]，但目錄中暫無ALK系統(tǒng)設備的特種設備屬性明確界定參考。筆者以國內典型的商業(yè)ALK設備作為參考，將系統(tǒng)涉及相關設備與《特種設備目錄》（2014版）進行對照，對工程設計人員關注相對較多的鍋爐、壓力容器、壓力管道和起重機械特種設備屬性的判定標準進行分析和解讀，厘清ALK系統(tǒng)特種設備范圍。最后，對ALK系統(tǒng)相應的安全管理規(guī)定進行了探討。

1""ALK系統(tǒng)

ALK系統(tǒng)一般包括水處理系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、電解槽系統(tǒng)、電壓轉換系統(tǒng)。其中，電解槽作為系統(tǒng)的核心部分，由槽體、陽極和陰極組成，多數用隔膜將陽極室和陰極室隔開。ALK系統(tǒng)的簡易流程圖如圖1所示[5]。

圖1左側灰色區(qū)域為電網、儲能裝置、離網發(fā)電和整流電源構成的電壓轉換系統(tǒng)，綠色區(qū)域代表電解槽系統(tǒng)，黃色區(qū)域為氣體分離罐、純化提純裝置和緩沖罐構成的氣體處理系統(tǒng)，下側灰色區(qū)域為水泵、蓄水箱及過濾器等裝置構成的水處理系統(tǒng)。

ALK制氫系統(tǒng)中有可能涉及到的特種設備主要包括電解槽、儲氫設備以及相關的管道和容器。電解槽是ALK系統(tǒng)的核心設備，它負責將水分子電解成氫氣和氧氣。電解槽通常采用特定的材料和結構設計，以確保高效的電解效果和良好的耐用性。在制氫過程中，電解槽需要承受高壓電流和電解質的腐蝕，因此其制造和安裝必須嚴格按照相關標準進行。儲氫設備是儲存和供應氫氣的關鍵設施。常見的儲氫設備包括儲氫瓶組和液氫容器。氫氣瓶通常采用高強度金屬材料制成，能夠承受高壓、防止氫氣泄漏。

此外，ALK系統(tǒng)中還涉及到一些管道和容器。這些管道和容器用于輸送和儲存制氫過程中產生的氣體和液體，需要能夠承受高壓、防止泄漏。為了確保這些管道和容器的安全性，其制造和安裝必須遵循相關標準和規(guī)范。

2""ALK系統(tǒng)特種設備界定

2.1""電解槽特種設備屬性界定

電解槽是電解水生產氫的主要設備，經過半個多世紀的不斷發(fā)展，國產電解槽已達到新水平。在電解過程中，電解槽中的堿水溶液在直流電的作用下發(fā)生分解，在陰極表面產生氫氣、陽極表面產生氧氣。以目前國內單體產氫量最大的電解槽LONGi ALK G3000（以下簡稱G3000）為參考。正常操作條件下，該設備操作壓力為1.6 MPa，產氫量范圍為1 200～3 000 Nm3/h，氫氣純度高達99.999%。

在《特種設備目錄》中，規(guī)定承壓蒸汽鍋爐是指利用各種燃料、電或其他能源，將所盛裝的液體加熱到一定程度，并通過對外輸出介質的形式提供熱能的設備，其范圍規(guī)定為設計正常水位容積大于或者等于30 L，且額定蒸汽壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓）。承壓蒸汽鍋爐和G3000電解槽評判標準對比見表1。經過對比分析可知，從特種設備屬性定義和參數準則角度考慮，G3000電解槽滿足承壓蒸汽鍋爐判定標準，未來可參考特種設備中的鍋爐設備進行安全管理。

2.2""壓力容器特種設備屬性界定

ALK系統(tǒng)中的壓力容器主要用于氣液分離、冷卻和儲存，如圖1中的氧氣分離罐、氫氣分離罐、純化提純裝置及緩沖罐等。壓力容器的相關設計、制造、檢驗和驗收流程，每一項都至關重要，須嚴格遵循《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[6]、GB 150—2011[7]的規(guī)定。

氣體的儲存設備有常壓型設備和壓力型設備兩類。壓力儲氣罐（瓶）為定容貯器，罐內的壓力來自電解槽或壓縮機，并隨著進、出氣體的量和溫度變化。當壓力為中、低壓時，可采用筒形儲罐或球形儲罐；當氫氣壓力為高壓時，可采用鋼瓶組或長管鋼瓶。

在《特種設備目錄》中，規(guī)定壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓）的氣體、液化氣體和最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體、容積大于或者等于30 L且內直徑（非圓形截面指截面內邊界最大幾何尺寸）大于或者等于150 mm的固定式容器和移動式容器。筆者以筒形儲氣罐作為參考，對其特種設備屬性進行判定。典型筒形儲氣罐的技術參數如下[8]：

容積 "13.9 m3

設計壓力""3.3 MPa

設計溫度""-15～65 ℃

容器類別""Ⅲ類

材料""16MnR

外形尺寸""1800 mm×5804 mm

筒形儲氣罐與壓力容器特種設備屬性對比判斷結果見表2。經過對比分析可知，筒形儲氣罐滿足壓力容器的判定標準，未來可以參考特種設備中的壓力容器進行安全管理。

2.3 "壓力管道特種設備屬性界定

ALK系統(tǒng)的工作壓力（p）分為常壓、低壓和中壓，相關分類情況見表3。國標GB 50177—2005[9]對氫氣在管道里流速做出了規(guī)定，見表4。新版《氧氣管道標準》規(guī)定了氧氣在管道中的流速，見表5[8]。

在《特種設備目錄》中，壓力管道是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓），介質為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體，且公稱直徑大于或者等于50"mm的管道。公稱直徑小于150"mm，且其最高工作壓力小于1.6"MPa（表壓）的輸送無毒、不可燃、無腐蝕性氣體的管道和設備本體所屬管道除外。筆者以SAK1600-1000/1.6堿性電解水系統(tǒng)作為參考[8]，對系統(tǒng)中氫氣和氧氣輸送管道特種設備屬性進行判斷。裝置性能參數如下：

氫氣產量""1 000 m3/h

氧氣產量""500 m3/h

氫氣純度（V/V） "99.999%

工作壓力""1.6 MPa

工作溫度""90 ℃±5 ℃

直流電耗""不大于4.2 kW·h/m3"H2

電解系統(tǒng)中壓力管道特種設備屬性判斷結果見表6。經過對比分析，輸氫管道和輸氧管道均滿足壓力管道的判定標準，未來可以參考特種設備中的壓力管道進行安全管理。

2.4""起重機械特種設備屬性界定

電解水行業(yè)所涉及的起重機械較少，討論較多的是組裝電解槽的升降平臺是否可界定為特種設備。《特種設備目錄》列出了屬于特種設備的起重機械，通過《特種設備目錄》2004版與2014版的對比可知，升降作業(yè)平臺目前已經不屬于特種設備。

3""安全管理規(guī)定

氫氣的分子小、滲透性強，容易從多孔材料、密封面泄漏，并且擴散過程很難被發(fā)現。ALK系統(tǒng)中的氫氣泄漏會造成較大安全隱患，有必要對ALK系統(tǒng)進行定期檢驗和壓力試驗。

3.1 "定期檢驗要求

《特種設備目錄》中明確指出，為了確保特種設備的運行安全，使用單位必須遵循安全技術規(guī)范，在特種設備檢驗合格有效期即將到期的前一個月，向專業(yè)檢驗機構提出定期檢驗的請求。檢驗機構在接收檢驗請求后，必須按照安全技術規(guī)范的標準，立即進行設備的安全性能檢驗。

此外，使用單位還需將定期檢驗的合格標志放置在特種設備的顯眼位置，以便大家清晰識別。對于未經定期檢驗或檢驗未達標的特種設備，為保障安全，使用單位必須停止使用，直到通過專業(yè)檢驗并符合安全標準后方能啟用。

3.2 "壓力試驗要求

ALK系統(tǒng)安裝完成后，需進行試驗檢測。試驗前，應檢查所有制造廠提供的各種合格證、技術文件，包括全部例行試驗記錄和證書、圖紙資料、壓力容器產品安全質量監(jiān)督檢驗證書等，這些文件、資料齊全，并逐一核對無誤后，才能進行試驗。

試驗方法包括強度試驗、氣密性試驗和泄漏量試驗：

a."強度試驗。用氣體做強度試驗介質時應保壓5 min，用水做強度試驗介質時應保壓10 min，以無變形、無泄漏為合格。

b."氣密性試驗。對壓力型ALK系統(tǒng)以潔凈空氣或氮氣進行氣密性試驗。試驗開始后逐漸升壓，達到規(guī)定壓力后，保持30 min，檢查所有連接處，焊縫、法蘭、墊片等處，以無漏氣為合格。

c."泄漏量試驗。ALK系統(tǒng)在氣密性試驗合格后，以潔凈空氣或氮氣進行泄漏量試驗。GB/T 37562—2019《壓力型水電解制氫系統(tǒng)技術條件》[10]規(guī)定，試驗壓力為系統(tǒng)設計壓力，試驗時間為24 h。泄漏量試驗過程應認真記錄系統(tǒng)內氣體的溫度、壓力。以平均每小時泄漏率不超過0.5%為合格。

以ALK系統(tǒng)中的氫氣輸送管道為例，氫氣管道的具體試驗參數見表7。表中p為氫氣管道設計壓力，試驗介質不含油，氣體試驗時應有安全措施。試驗合格后，必須用不含油的空氣或氮氣以大于20 m/s的速度進行吹掃，分段排放，直至干凈為止。

為了更有效地解決ALK系統(tǒng)的安全管理問題，應當從多個方面加強技術保障支持。以下是主要的措施：

a. 強化氫能產業(yè)設備安全技術保障。從氫能制備的安全出發(fā)，嚴格把控設備的選材、結構設計、工藝設計以及運行安全措施等各個環(huán)節(jié)。通過全面的監(jiān)控和防范措施，確保氫氣泄漏的風險得到有效控制。

b. 加快氫能安全檢測與防護技術開發(fā)。針對臨氫材料、關鍵零部件和主要設備，進行深入的測試研究，揭示其失效機理和早期損傷特征。在此基礎上，構建臨氫金屬材料性能指標體系數據庫，并開發(fā)在役儲氫容器、關鍵零部件等的原位檢測方法。這將有助于形成更加完善的安全技術要求、測試方法和測試平臺[11]。

c. 發(fā)揮第三方機構的支撐保障作用。積極建立氫能安全研究機構、檢測機構間的溝通合作機制，并加強與氫制備、儲運和應用企業(yè)間的聯系。通過強化第三方機構在氫能產業(yè)鏈中的安全檢測、事故預防與應急處置等關鍵環(huán)節(jié)的技術支撐保障，為ALK系統(tǒng)的安全管理提供更加強有力的外部支持。

4 "結束語

通過對ALK系統(tǒng)的梳理和對特種設備規(guī)范的解讀，界定了ALK系統(tǒng)中的特種設備，為其安全管理提供了參考。分析認為，ALK系統(tǒng)中大部分設備可劃分為特種設備，其安全管理至關重要，應加強制度建設、設備檢查和維護等工作，確保ALK系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

參 "考 "文 "獻

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（收稿日期：2024-05-30，修回日期：2024-11-04）

基金項目：國家自然科學基金（批準號：12075274，U21132076）資助的課題。

作者簡介：梁四凱（1998-），碩士研究生，從事結構力學分析的研究。

通訊作者：陳明亞（1985-），正高級工程師，從事反應堆結構力學分析的研究，chenmingya200852@163.com。

引用本文：梁四凱，趙萬祥，陳明亞，等.堿性電解水制氫系統(tǒng)相關設備安全管理規(guī)定探討[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.