加氢站的安全风险及防范

肖海明

〔中国石化销售股份有限公司 北京 1000728〕

化石能源的日益减少及不断深化利用所导致的环境污染，对清洁、环保能源提出了更急迫的需要，而以清洁高效、可持续供应的氢为燃料的氢燃料电池汽车将得到快速发展，加氢站建设需求也将快速增长。发展氢能产业的基础和前提是确保氢能安全。但是，近年来国外接连发生数起氢能源事故，引发了国内外对氢能源安全的高度关注，这也是加氢站建设和运营安全面临的巨大挑战。防范加氢站安全风险是油品销售企业关注的重点。本文对近年来发生的氢能事故进行深入分析，并结合加氢站现场调研，总结了加氢站安全风险，提出了针对性防范意见，希望能为加氢站的安全发展提供参考。

1 氢能源的发展概况

氢能是一种典型的二次能源。美国2004年就制订实施了《氢能技术研究、开发与示范行动计划》；日本是氢能经济的推动者及率先应用的国家，在2010年公布了《燃料电池汽车及加氢站商业化场景战略》；德国在氢能方面的推广应用走在欧洲前列，在燃料电池车、通信基站、家庭热电联电站、加氢站等方面都有很好的应用。

在我国，节能减排是汽车产业发展的永恒主题。作为交通工具的传统燃油汽车是重要的大气污染源，对人体健康和生态环境带来严重危害。因此，发展节能环保汽车可以在保持汽车增长的基础上降低石油消耗、减少大气污染，这是实现能源环境政策和汽车工业可持续发展的重要组成部分，也是我国经济实现又好又快发展的迫切需要。我国自2012年起以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，但电动汽车电池在生产及末端环节污染的议论声逐渐增大，而氢能在环境保护和解决常规能源需求方面的突出优势越发凸显出来。在车企看来，发展氢能源是未来的大势所趋，毕竟“把所有鸡蛋都放在同个篮子里”的做法显然不太明智。如今，上汽、一汽、北汽、吉利、奇瑞、众泰、东风等自主品牌已经推出或亮相了氢燃料电池汽车，距离量产已经不远。另外，不少国外品牌也正紧盯国内政策，试图把握机会争取更大的市场份额。不难预见，未来氢燃料电池汽车将得到全面迸发，而随之而来的是加氢站建设需求的增长。截止到2020年3月，全球加氢站数目也仅460座左右。日本、德国和美国位居前三位。近些年，我国各地对加氢站、氢能源汽车等均制定了补贴政策，进一步推动了加氢站的发展进程，截至2020年3月底，国内累计建成加氢站58座，2020年将新增100座加氢站，有可能在不久跃居全球第一位。笔者所在公司在广东、浙江、上海等地已建成投入运营4座加油加氢合建站，另有9座也正在建设或报批中。

虽然在燃料选择方面，以氢气作为燃料具有环保、可再生、来源广泛的优势。但在现实生活中，人们对于燃料电池车的安全性普遍存在顾虑，安全性也是除了建设运营成本外制约我国加氢站发展的重要因素。我国在推广氢能源汽车及建设加氢站方面显得格外慎重，选址、安全标准等因素对氢能源汽车发展较为保守，这也是其他国家所需面对的难题。目前为止国外已发生数起氢能源事故，但造成的后果并不很严重，至于未来是否会发生更严重的爆炸事件，值得更多人的重视，这也给氢能源车企带来了巨大挑战。

2 加氢站的主要风险

2.1 氢本身的风险

作为一种清洁能源，氢气与传统能源如天然气(甲烷)、液化石油气(丙烷)及汽油一样，不仅具有较高的能量，也具有一定的燃爆风险，属于火灾危险性为甲类的易燃气体，与常用的汽柴油、天然气、液化石油气相比，氢气具有其独特之处，深入分析探讨氢气特征是确保用氢安全的基础。上述能源的主要物理化学性质详见表1。

表1 常见能源的物理化学性质表

从表1中可知，氢气的特性可归纳如下：

(1)无色无味无嗅，人体无法感知其泄漏；(2)存在“氢蚀”现象，易脆化金属而发生泄漏；(3)点火能低，燃烧及爆炸范围宽；(4)密度小，扩散速度快，扩散速度分别是天然气及汽油的3.8及12倍。因此，氢气一旦点燃，燃烧速度极快，燃烧热值高，一旦在制取、储存及装卸过程中发生泄漏，它可与空气混合形成爆炸性混合物，遇热或明火会发生爆炸。

2.2 加氢站运行风险

加氢站氢气的加注压力有35 MPa和70 MPa两种，储存压力一般在30～85 MPa之间，远高于天然气的储存和加注压力，因此由于高压储存及氢气本身的特性，在加氢站日常运营中可能会存在以下风险：一是在高压作用下，储氢设备或局部零部件因质量缺陷可能无法满足使用要求而发生故障引发氢气泄漏事故。二是在高压作用下，氢气能渗透到金属设备的碳素中而引起金属管道及储存设备的“氢脆”破坏，也会使储存设备和传输管道的塑性和强度急剧下降，导致设备损坏，引发泄漏事故，并且“氢脆”只可防，不可治，一经产生，就很难消除。三是因高压作用，泄漏时氢气从管口或缝隙处高速喷出会产生静电，静电荷的产生与其喷出时的流速存在同比关系，当静电荷达到一定值时可能会引发火灾或爆炸事故。四是氢气的带电性致使氢气储罐的出口处及输气管道处易发生静电积聚放电现象，成为氢气火灾爆炸事故的引火源，当储罐及输气管道的接地装置发生故障时，极易引发火灾及爆炸事故。因此，加氢站氢气的泄漏及静电是重要的风险点。

目前全球加氢站数量仍然较少，运营时间较短，氢站建设符合当地的建设设计规范，原则上是相对安全的，但近年来确实发生了几起氢能源事故，引起了人们的关注，了解分析事故细节和原因，有助于发现问题和风险点，汲取经验教训。

事故案例1：

2012年5月4日，位于美国埃默里维尔的一座加氢站发生泄漏燃烧事故。该加氢站长管拖车的一个压力泄放阀失灵，2.5h内大约释放了300kg(660磅)的氢气。快速释放的氢气与空气在排气管中混合。这种混合物随后点燃产生响亮的“轰鸣声”。在预混合气体被消耗后，氢气从排气系统的出口产生一个喷射火焰。喷出的火焰烧焦了加氢站罩棚，导致油漆和灰尘燃烧，产生了黄色的火焰和烟雾。事件规模和应急范围不断扩大，最终疏散了许多当地企业和学校人员。损坏的阀门见图1。

图1 损坏的阀门

事故原因分析：

(1)压力泄放阀的泄漏是造成事故的根本原因。

桑迪亚国家实验室对失效的阀门进行了广泛的冶金分析。结论是，阀门材料选择不当是造成阀门泄漏失效的主要原因。440-C型不锈钢是几种耐氢性极差的高强度钢之一，不应用做与氢气接触的部件，相关文献中也有记载。通常推荐采用316型奥氏体不锈钢。

(2)事件发生后信息沟通不及时造成事件扩大。

应急响应措施没有得到有效执行，事前也没有进行过演练；没有及时向事故指挥部提供资料。缺乏关于系统状态的及时信息导致了事件的升级。

(3)系统设计存在的问题。

压力泄放阀泄漏的气体未得到有效隔离，排放口位置低于罩棚，未按照要求安装阻火器，均对事故规模的扩大起到了辅助作用。

事故案例2：

2019年6月10日17点30分左右，在挪威奥斯陆郊区桑维卡的Kjrbo加氢站发生了爆炸起火事故(图2)。由于爆炸威力巨大，造成现场附近的E18和E16公路关闭。事故造成三人受伤，受伤原因是爆炸冲击波导致汽车安全气囊打开从而造成的物理伤害。直到当天晚上20:00左右，消防部门宣布火势已控制住，E18公路才开放。

图2 加氢站事故现场

事故原因分析：

2019年6月28日，Nel公司发布了事故调查报告，报告中指出：高压储存单元的螺栓安装故障(预紧力不足)是造成事故的主要原因(图3)。

图3 高压储存单元局部放大图

事故调查报告推演了事故发生发展的主要过程：

(1)初始状态。

绿色螺栓扭矩正常；

蓝色螺栓扭矩过松；

(2)红色密封圈失效。

红色密封圈处有少量泄漏；

少量泄漏导致密封圈磨损，并造成泄漏升级；

泄漏量超过泄漏孔的承受能力，导致蓝色密封圈内压力增加；

(3)衬套与插头拔起，蓝色密封圈失效。

非足够的螺栓预紧力导致插头拔起，蓝色密封圈随即失效；

氢气失控泄漏。失效机理见图4。

图4 插头组件失效机理图

以上两起事故一个是设备的设计选型存在问题，一个是设备安装存在问题，此外还有日常检查不到位。

事故案例3：

2019年5月23日傍晚6点22分左右，韩国江原道江陵市一家工厂发生一起氢气罐爆炸事故，造成2人死亡、4人受伤。爆炸引起火柱，但并未引发火灾。原因在于氢比空气轻14倍，在空气中迅速扩散，周围没有易燃物，因此不会轻易引发火灾。该事件是韩国国内首次发生的涉及氢气的爆炸事故，也是近年来全球首次发生在氢气制取储存过程中的爆炸事故。在韩国，氢气不受危险品安全管理法规管制。事后报道中指出，专家认为，韩国天然气安全工程或国立科学搜查研究院的调查结果出来才能查明爆炸原因，但其立场是氢气罐安全装置未启动、容器焊接不良、氢注入不好等原因。

以上事故可归结为人员违规操作或操作不当、设备质量缺陷及日常检查维护保养不到位以及设备及气源质量等问题，但发生泄漏的均是高压设备，也就是说压力容器、压力管道等特种设备是最大的风险点。

不可否认，目前国内外加氢站的数量不多，事故概率理应小于其他，但就从氢气的理化性能来看，氢气的质量是天然气的近十分之一，是空气的十四分之一，一旦泄漏，会迅速向上扩散，现场长时间存在爆炸气体的可能性要远远低于天然气和液化石油气，实践中经常发生的一般也是通过限制最大可能的燃料流量或者增加空气流通量尽量使燃料混合物的浓度低于爆炸下限，而氢气的爆炸下限是汽油气的4倍、丙烷的1.8倍，只是略低于天然气。即使发生爆炸，氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的，特别就单位体积爆炸能而言，氢气爆炸能仅为汽油气的1/22。同时，国内出于安全方面的考虑，对于加氢站建设审批十分谨慎。因此笔者认为相比而言，同等条件下，加氢站的安全性要高于天然气和液化石油气站以及汽柴油等传统能源。

3 加氢站安全防范措施

在以上三起氢气事故中，韩国发生在氢气制取环节，美国发生在储运环节，挪威发生在加氢站，基本涵盖了氢能供应体系。在氢能产业快速发展之时，发生的加氢站爆炸事故，引起了全球氢能产业的高度关注，也给氢能源的发展敲响了警钟。结合事故教训和目前已识别出的风险，笔者认为加氢站安全防范应重点关注解决以下几方面：

3.1 严格按照标准规范进行设计、建设

目前国内加氢站有关的标准主要有《加氢站技术规范》(GB 50516-2010)、《加氢站安全技术规范》(GB/T 34584-2017)、《加氢站用储氢装置安全技术要求》(GB/T 34583-2017)等国家标准。就现实情况来看，实际建设中与规范不一致的情况仍然存在。如《加氢站技术规范》中规定罩棚内表面应平整，坡向外侧。《氢气站设计规范》中要求有爆炸危险房间的上部空间，应通风良好。顶棚内表面应平整，避免死角。但现场来看，罩棚的设计随意性较强(见图5、图6)。

图5 国内某加氢站压缩机罩棚坡度设计

图6 国内某加氢站及储气瓶组平顶罩棚

笔者认为，加氢区域、压缩机、储气瓶组罩棚应设计一定倾角，尽可能不做吊顶，视情况设置排风设施。

3.2 需解决相关规范部分条款并不十分明确或不统一的问题

如《加氢站技术规范》对氢气管道的描述为宜明沟敷设或埋地敷设，而《加氢站安全技术规范》为宜架空敷设或明沟敷设，两个标准似乎存在一定矛盾，应对标准中存在矛盾的条款进一步研究明确一致。为保证便于检查发现泄漏或泄漏时防止积聚，笔者认为氢气管线尽可能地上敷设，进入加气区域必须入地的氢气管线明沟敷设，盖板上方应开孔，防止氢气积聚。(虽然采用明沟盖板敷设，但应避免盖板厚度大，开孔数量少且孔径小，难以实现沟内通风良好。)

3.3 把好设备选型和安装关

要从已发生的几起事故中吸取教训，一是充分认清设备选型的重要性，设备材质须符合氢气特性，如金属铝和一些不会发生氢脆的合成材料，所有爆炸危险区域内的防爆设备选型必须符合氢气作业条件(ⅡCT1)；二是设备制造安装非常重要，特别是压力容器、压力管道的制作工艺、安装工艺等要确保符合制造安装标准。

3.4 合理设置安全连锁控制系统

按照标准并结合现场实际设置泄漏在线监测报警系统、可燃气体报警器、紧急停车系统、紧急切断装置、视频监控系统、周界报警系统等安全仪表系统，合理布局，尽可能实现自动连锁控制，如排风系统与检测报警系统的连锁。

3.5 把好氢气采购关

业务部门必须把好气源入口关，采购纯度99.99%以上的氢气，避免因氢气质量问题腐蚀压力容器和管道，影响安全性能和设备使用寿命。同时在氢气回路系统中不产生对氢气的污染，如压缩机选用隔膜式压缩机等。

3.6 建立完善的组织机构

加氢站应建立健全组织机构，配备能力胜任的站长，配齐安全员和设备管理专业技术人员。应明确对口管理部门和管理人员。

3.7 建立完善的制度体系

加氢站应建立HSSE管理体系，建立健全岗位职责、设备操作规程、检维修规程、应急处置方案、检查标准等。

3.8 取得专业技术资质

站长、安全员、设备操作员、加气员等应按国家要求取得相应的特种设备管理、操作资质。

3.9 严格执行标准，杜绝三违

各管理、操作人员要严格按照制度要求和操作规程操作、复核，避免违章指挥、违规操作引发安全事故。

3.10 建立完善的应急体系

研究制定加氢站应急体系，包括应急预案、现场处置方案、应急物资配备标准、演练考核标准等。现场处置方案应结合加氢站实际制定，一站一案，重点包括泄漏、火灾、爆炸、防汛、地震、防恐等响应及处置，并结合当班人员实际情况做好分工和演练。

3.11 抓好风险识别

加氢站投营前应组织对加氢站进行全面的风险识别，做到一站一识别，建立风险台账，明确防范措施。运行期间按照集团公司、销售公司要求定期识别。当工艺或其他工况发生变化时应重新进行识别。

3.12 做好日常检查和隐患排查治理

加氢站应严格按照设备“四定”管理要求，明确每一台设备责任人，严格按照检查标准、周期开展设备日常维护保养和隐患排查，重点做好超压、泄漏的检查，所有接头及可能泄漏的点应做每日检查(一方面依托泄漏报警系统，另一方面应用便携仪器或肥皂水进行微漏检查。)

4 结束语

随着环保要求的不断提升和燃料电池技术的不断突破，氢能的规模发展必将是未来发展的趋势，我们不能过分放大加氢站的安全风险，人云亦云，造成不必要的恐慌，也不能忽视作为高压且可燃爆的新业务形态安全识别和防范的重要性，应该科学地、深入地研究，找出确实存在的风险隐患，制定相应的防范措施，完善相应的标准、规范，以推动加氢站更好地发展，为必然来临的能源革命做好充分准备。