QDQ2-1型电解水制氢设备压力系统的风险防控

刘永莲，李沅桥，潘晓斌，黎锦雷

(1.广西自治区梧州市气象局，广西 梧州 543002；2.广西自治区梧州市特种设备监督检验所，广西 梧州 543002)

1 引言

氢气是二十世纪最清洁的能源，是未来的主要能源之一，水电解制氢是制取氢气的主要手段之一。水电解制得的氢气，能广泛应用于玻璃制造、水电、化工、气象等各个领域[1-2]。QDQ2-1型电解水制氢系统，是目前我国气象部门高空气象探测[3-4]中普遍使用的电解水制氢设备。在水电解制氢过程中，压力系统承担了非常重要的角色，系统设备的安全运行，有赖于各项风险防控措施的落实。

高空气象探测业务正常开展的关键之一，就是要保证制氢用氢工作的安全。由于氢气具有易燃烧、易爆炸的特性，并且在高空气象观测站的涉氢业务中存在着泄漏的安全隐患、制氢用氢时间长，工作稍有疏漏就有酿成重大安全事故的可能。在涉氢业务的安全方面，中国气象局也下发了相关的通知和要求。因此，QDQ2-1型电解水制氢系统的风险防控，有着显著的必要性和迫切性。

随着近年来对QDQ2-1型电解水制氢系统维护保障和经验积累的反馈，对于涉及到系统设备安全稳定运行的技术规定、维护维修技能等方面，尚有不少经验教训值得总结、改进和完善。本文从制氢用氢的安全角度出发，分析QDQ2-1型电解水制氢设备压力系统在实际运行中容易出现的风险因素，从技术规定、安全管理、现场处置措施、应急预案的实施等方面提出风险防控的相应措施，以确保设备在安全状态中运行[5-6]，有效地遏制安全事故的发生。

2 QDQ2-1型电解水制氢系统

QDQ2-1型电解水制氢设备主要由 10个系统组成，包括：气体系统、电解水循环系统、蒸馏水补充系统、冷却水系统、单项流动控制系统、气体排空系统、显示系统、压力温度报警系统、压力平衡系统以及氢气储存系统。其中列入特种设备管理的压力系统包括压力管道、压力平衡系统以及氢气储存系统(储氢压力容器)。

3 储氢压力容器

①《中华人民共和国特种设备安全法》规定，储氢压力容器(储氢罐、充装气瓶)作为特种设备，必须按规定时间周期进行检验[8]；《固定式压力容器安全技术监察规程》以及《压力容器定期检验规则》规定，压力容器按3 a大检(气密性检查)、1 a小检(年度检查)的周期进行检定，并在安全检验合格有效期内使用。

②高空气象观测站作为储氢压力容器的使用单位，在定期检验时，必须提供压力容器的资料，包括：容器合格证、监检证书、质量证明书、竣工图等；所使用的储氢压力容器的明显部位，应装设有容器的铭牌，铭牌的参数信息包括：设备代码、容器名称、容器编号、容器标准、容器分类、主体材料、自重及容积、介质名称、设置压力、设计温度、制造单位名称、制造单位许可证级别以及许可证编号、制造日期等。《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，对于检验不符合要求的储氢压力容器，不得继续使用。

4 风险因素分析

QDQ2-1型电解水制氢压力系统(压力管道、压力平衡系统以及储氢压力容器)安全隐患的风险因素主要有：

①储氢压力容器上部的压力表、安全阀安装不良或故障；储氢压力容器出现小裂缝或小沙眼；由于压力控制阀故障无法自动关闭而造成的超压；氢氧分析阀故障关闭不紧、减压阀或增压阀磨损、氢氧分离器中平衡阀故障；压力管道出气阀或进气阀门不密封；压力管道出现小裂缝等等，任何环节的氢气泄漏，都会造成很大的安全隐患[7]。

②氢气易泄漏，泄漏速度约为空气的2倍；氢气易扩散，扩散速度约比空气快3.8倍；氢气易燃烧，是一种易燃性窒息性的气体，着火能级仅0.019 mJ，比化纤织物磨擦产生的静电都要小几倍；氢气易爆炸，由于其无色无味无嗅，泄漏时不容易发觉，与氧气或空气混合时形成易燃易爆混合物，混合比很宽，在空气中的爆炸极限为4.0%～75%；点燃爆炸混合物所需要的能量很低，无法察觉的小火花就能引燃；爆炸混合物遇火爆炸燃烧的火焰，顺风蔓延很快。

5 风险防控技术规定

①QDQ2-1型电解水制氢设备的压力系统(压力管道、压力平衡系统以及储氢压力容器)属于特种设备，既要执行《中华人民共和国安全生产法》，也必须遵循《中华人民共和国特种设备安全法》、《特种设备作业人员监督管理办法》、《特种设备作业人员考核规则》等法律法规。

②储氢压力容器在投入使用前或者投入使用后30日内，高空气象观测站应当按照《特种设备安全监察条例》的要求，向负责特种设备安全监督管理部门办理使用登记，领取使用登记证和登记标志；登记标志应当置于或者附着于储氢压力容器的显著位置。

6 安全管理和应急预案

风险包括失效的可能与失效的后果，因此降低失效可能性或失效后果的所有措施，都能起到风险防控的效果[9]。为了有效地遏制安全事故的发生，高空气象观测站在制氢用氢工作中，必须按照《国家安全生产监督管理总局第88号令》的规定，建立应急预案，依法依规、遵循以人为本、注重实效、符合实际的原则，以应急处置为核心，规范应急程序、明确应急职能，细化保障措施。

①电解水制氢设备的日常安全管理措施包括：“三落实”：落实管理机构、落实安全管理人员、落实管理制度；“有两证”：设备有使用证、作业人员有上岗证；“一检验”：按规定定期检验；“一预案”：建立应急预案。

②为避免发生安全事故，根据《特种设备现场安全监督检查规则》，我们制定了《压力容器安全管理制度》，如图1。

图1 压力容器安全管理制度Fig.1 Safety management system of the pressure vessel

严格执行《QDQ2-1型电解水使用安全规程》、《安全注意事项》、《突发事件应急预案》等规定，落实相关责任人，并张贴上墙，如图2。

图2 突发事件应急预案Fig.2 Emergency plan of the sudden events

7 风险防控现场处置措施

实施全过程监督管理模式：定期或不定期对电解水设备进行检测、维修，及时排除故障隐患，尤其是最容易出现安全事故的压力系统，必须做好风险防控的现场处置措施：

①检验环节的安全监察：严格执行《压力容器定期检验规则》的规定，按照1 a小检(年度检查)、3 a大检(气密性检查)的周期进行检定。

②专项监督检查：对储氢压力系统的安全生产状况进行符合性验证，定期或不定期检测降温、降压系统，检查进出气阀、安全阀、压力表是否符合规定，保证泄压装置(安全阀)灵敏可靠，确保设备无故障运行。

③制氢期间的安全监察：值班人员必须持证上岗。在电解水设备运行期间，严格按规定巡回检查，发现不正常情况出现立即采取相应措施进行调整或排除，以免事态恶化。

④严防氢气泄漏：认真检查水电解设备的各个系统，杜绝安全隐患。特别是储氢压力系统出现氢气泄漏时，必须迅速关机，停止制氢，采取有效措施控制泄漏，并按规定及时上报。例如，在实际工作中，曾经出现过氢、氧分离器中平衡阀内的阀针生锈、磨损而造成无法密封的故障，我们及时对平衡装置进行了改进。全不锈钢定制的平衡阀，使防泄漏的能力得到了提升。

⑤控制火源，防燃烧，防爆炸：包括明火控制、摩擦与撞击火花的控制、电器火花的控制、其他火源的控制等。按《GB2894-82安全标志》的规定，在制氢房围墙周围和大门口设置“氢气危险”、“严禁烟火 ”的安全标志牌；按《建筑设计防火规范》的有关规定设置健全的消防安全措施，消防用水、清洗用水齐备；配备足够的 “1211”、“二氧化碳” 、“干粉”等轻便灭火器材，并按规定进行检查和维护；制氢用氢安全区域内严禁烟火，严禁放置易燃易爆物品。

⑥加强氢气泄漏的在线监控：我们在制氢用氢场室设计并安装了“氢气泄漏远程监控系统”[10]，如果氢气泄漏，能以声、光、手机短信等方式报警，提醒值班人员马上采取相应的措施，比如关闭阀门、开启排气扇、维修设备等，最大限度地降低制氢用氢的安全隐患。如图3所示：

图3 远程监控示意图Fig.3 RMON system construction design sketch map

梧州高空观测站2015年开始应用“制氢用氢场室氢气泄漏远程监控系统”，2016年4月，有效地避免了一次安全事故的发生，风险防空效果明显。

8 结语

QDQ2-1型电解水制氢设备的安全稳定运行，关系到高空气象探测业务的正常开展，必须严格执行有效措施以实现风险防控：

①对于设备的工艺故障、原始缺陷、人为因素、操作失误等危险因素，必须建立严格的巡检保障制度。

②水电解制氢设备的安全附件(压力表、安全阀)，必须按规定校检，保证泄压装置(安全阀)灵敏可靠；加强对压力系统的防腐涂层以及降温的管理，避免设备发生失效。

③判断、处理电解水制氢系统故障要“稳”、“准”、“快”。工作人员一时查不清故障原因时，应迅速报告，不得盲目处理，延误时机；单位要迅速采取有效措施，组织维修。

④处理水电解制氢设备压力系统故障的一般方法有如下几点：“关”——迅速关机，停止制氢，使储氢压力容器内部压力迅速降低。“开”——迅速开启能安全泄压的阀门。“喷”——采取喷淋水的方法使容器降温。“修”——迅速采取有效措施，按照规定操作和防护措施的要求，组织维修。

⑤严格执行各项技术规定，定期开展应急知识、应急预案、避险逃生技能、自救互救的培训；每年至少组织一次专项应急预案演练或综合应急预案演练，每半年至少组织一次现场处置方案演练，使有关人员熟悉应急职责、了解应急预案内容、掌握应急处置程序和措施，避免安全事故的发生。