关于加氢站放空管不应设置阻火器的论证

韩 钧,何龙辉,曾小军,周 鑫

(1.中国石化工程建设有限公司,北京100101;2.中石化广州工程有限公司,广东 广州510000)

在加氢站内,储氢容器、卸气柱、氢气压缩机、加氢机、氢气管道上设置的安全阀在出现超压状况时,会开启泄压,氢气通过放空管道排放至大气环境。站内氢气管道、氢气设备检修时放空的氢气,也通过放空管道排放至大气环境。

加氢站储氢容器的额定工作压力有45和90 MPa两类,两类储氢容器安全阀的整定压力分别大于或等于45和90MPa。加氢系统的额定工作压力也有35和70MPa两类。

阻火器是用来阻止易燃气体火焰蔓延的安全装置,其工作原理是:当火焰通过狭小孔隙时,由于热损失突然增大,使燃烧不能继续而熄火。使用阻火器可防止明火进入可燃气系统,造成燃烧爆炸事故。阻火器通常安装在输送可燃气体的管道上,阻止火焰传播(爆燃或爆轰)的通过,由阻火芯、外壳及法兰、螺栓等附件构成。

氢气的化学性质十分活泼,在与氧化剂接触时非常容易发生自燃现象。目前针对氢气泄放的研究显示,高压氢气在泄放过程中有很高几率在泄放管路出口处发生自燃,并最终泄放至外界空间形成喷射火。关于氢气自燃机理目前还没有统一的认识,现存的假定机理包括:

1)逆焦耳-汤姆森效应,即膨胀过程升温。

2)静电点火。氢气最小点火能仅为0.017 mJ,容易被摩擦起电点燃。

3)扩散点火。氢气被泄放过程中的前导激波加热点燃。

4)瞬时绝热压缩。氢气绝热压缩升温。

5)热表面点火。氢气被外界高温点火源点燃。

加氢站的氢气放空管道上是否应设置阻火器,在业内存在较大争议(详见第1节中相关规范的规定)。为此,在对GB50156—2021《汽车加油加气加氢站技术标准》进行修订时,编制组开展了专项研究。本文主要内容来自GB50156—2021修订专题研究报告——《加氢站放空口设置阻火器的必要性分析报告》。

1 国内外涉氢标准有关设置阻火器的规定

下面将目前国内涉及氢气放空的国家标准中关于氢气放空管道设置阻火器的规定作一梳理。

GB50177—2005《氢气站设计规范》第12.0.9条规定:氢气放空管,应设阻火器,阻火器应设在管口处【1】。

GB/T34542.1—2017《氢气储存输送系统 第1部分:通用要求》第4.3.5条规定:氢气排放管道应设阻火器。阻火器的设置应满足GB50177的规定【2】。

GB/T34583—2017《加氢站用储氢装置安全技术要求》第4.3.4.5条规定:排放管口应设阻火器【3】。

GB/T31139—2014《移动式加氢设施安全技术规范》第4.10.2条规定:移动式加氢设施内应设置氢气集中放空管,放空管应设置阻火器【4】。

GB4962—2008《氢气使用安全技术规程》第8.2条规定:氢气排放管应设阻火器,阻火器应设在管口【5】。

GB50516—2010(2021年版)《氢气站技术规范》第6.5.4条规定:氢气放空排气装置的设置应保证氢气安全排放【6】。该标准对这一规定的条文说明为:氢气放空管在氢气放空时有回火的可能,降低回火引起的安全风险有多种方式。设置阻火器是防止回火的措施之一。据了解,还有采用氮气吹扫措施的,即在氢气放空管上采用一定流速的纯度不低于99%的氮气进行吹扫,以防止周围的空气扩散进入放空管内,并在氢气放空管下部接入的氮气管道上装设止回阀,以防止氢气倒流入氮气系统【6】。

GB50156—2021《汽车加油加气加氢站技术标准》第10.6.5条第(4)款规定:氢气放空排气装置的设置应保证氢气安全排放。放空管道的设计压力不应小于1.6MPa【7】。该标准对这一规定的条文说明为:“保证氢气安全排放”是指放空管道及其组成件的设置须做到畅通无阻。氢气放空管道自身在氢气放空时有回火的可能,实验表明,氢气在管道中稳定爆燃或爆轰的平均压力约为0.8 MPa,通过提高放空管道设计压力的措施,可保证氢气放空管道发生回火时,放空管道不会遭到破坏【7】。

上述国内涉及氢气放空的国家标准中关于氢气放空管道设置阻火器的规定,均没有给出充分的依据,既没有通过理论分析论证设置阻火器的利弊,也没有通过试验验证设置阻火器的必要性。

石油化工领域、城镇燃气领域的现行国家标准和行业标准,如GB50156—2021《汽车加油加气加氢站技术标准》、GB50160—2008(2018年版)《石油化工企业设计防火标准》、GB50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》、SH/T3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》、SH 3136—2003《石油化工液化烃球形储罐安全设计规范》,对压力容器的放空管道均未要求设置阻火器【7-12】。其理由是,储存液化烃、天然气等危险介质的压力容器内,在正常运行期间其工作压力始终高于大气压,外面的空气不可能进入压力容器,压力容器内不存在危险介质爆炸的条件,故不需要设置阻火器,设置阻火器反而可能会阻碍高速气流排放。

国外标准要求氢气排放系统应做到无阻碍排放,其中欧洲工业气体协会(EuropeanIndustrial GasesAssociation,简称EIGA)标准EIGA DOC 211/17《Hydrogen Vent Systems Customer Applications》明确指出,氢气泄放管路不应设置阻火器或其他任何形式的限制【13】。

德国技术检测协会标准VdTÜV-Merkblatt 967—2012指出,在设定压力大于1.5bar(即0.15 MPa)情况下,压力容器的安全阀出口管道不需要设置阻火器【14】。

其他国外标准,如日本《高压气体保安法》、美国压缩气体学会标准CGAG-5.5—2014《HydrogenVentSystems》和ASMEB31.12《Hydrogen PipingandPipelines》中都没有要求氢气放空管道设置阻火器【15-17】。

2 国内外加氢站实践经验

自1999年德国慕尼黑建成第一个公共加氢站起至2021年底,全球加氢站数目达到500余座。根据了解到的情况,国外加氢站的储氢容器放空管道上均不设置阻火器,从未有因不设置阻火器导致加氢站发生爆炸事故的报道。

国内第一座加氢站建成于2008年,至2016年底全国仅有10座加氢站,且运行率低于50%。自2017年起,国内加氢站建设开始快速发展,截至2021年9月底,国内累计建成加氢站190座,其中147座已经投入运营。根据GB50516—2010的规定,这些加氢站的储氢容器放空管道上均设置有阻火器,可能是储氢容器没有发生过超压泄放事故,目前尚没有因设置阻火器而导致氢气排放不畅造成事故的案例。由于运行时间短、投用数量少,国内加氢站的运行经验尚不足以得出储氢容器放空管道上设置阻火器是合理的结论。

国外加氢站储氢容器放空管道上未设置阻火器案例如图1和图2所示。

图1 美国林德-萨克拉门托液氢设施放空管上(图中圆圈处)未设置阻火器

图2 美国加州大学洛杉矶分校加氢站高压储氢容器放空管上(图中圆圈处)未设置阻火器

3 放空管设置阻火器存在的隐患分析

放空管设置阻火器可能导致安全隐患,具体原因如下:

1)加氢站的放空系统用于站内的安全阀放空及检修排空,是加氢站最后的工艺安全保障,必须确保其畅通无阻,不应设置有阻碍氢气顺利排放的设备。

2)用于氢气介质的阻火器,其最大试验安全间隙(MESG)小于0.2 mm。由于其内部通道狭小,研制和制造难度极高,同时阻力较大,使用过程中可能因各种原因发生异物或灰尘等颗粒堵塞通道、影响安全泄放系统顺利排放的情况,对氢气储存和管道系统的安全造成威胁。

3)从目前国内一些加氢站放空管道上安装的阻火器外形看,其口径与放空管道相同,但至少阻火器的流通面积肯定大大小于放空管道的流通面积,在储氢容器或加氢系统超压泄放时,阻火器肯定会阻碍泄放系统的安全排放。

4)加氢站储氢容器或加氢系统超压泄放时的排放压力很高,而排放系统末端为大气,压差很大。超压泄放时的排放速度很高,阻火器的阻火元件是否能满足排放系统的压差要求尚未可知,有可能因承受不了放空系统的压差而损坏,失去阻火的功能;也有可能气体被堵塞在放空管道中,使储氢容器或加氢系统的压力升高,造成储氢容器或加氢系统的破环或次生灾害。国内曾有CNG放空管道上设置有阻火器、阻火器在高压CNG放空时因高速气流冲击而损坏的案例。

图3和图4是用于氢气管道的阻火器芯盘实物照片。由图4可见,其间隙只有0.2 mm,光线很难通过。

图3 用于氢气管道的阻火器芯盘

图4 光线很难通过0.2mm的间隙

4 必要性分析

下面对设置阻火器的必要性进行分析讨论:

1)压力容器的安全阀泄放时,安全阀的开启压力越高,泄放气体流速越快。高压储氢容器的安全阀泄放时,由于氢气点火能量低且流速快,泄放氢气容易在放散口处形成喷射火,当容器内压力泄放低到一定程度时,安全阀会自动关闭,此时容器内部仍处于较高压力状态且没有氧气进入,外界喷射火焰不会传播至设备内部,故不会引发设备内部进一步的燃爆事故。

2)放空管道上设置阻火器的主要目的,是保护危险介质容器的安全,如加油站埋地油罐是常压储罐,罐内不可避免会有空气进入,有可能在罐内形成爆炸性气体,所以应在油罐的放空管道出口处设置阻火器,阻止雷电火花或其他明火。操作介质为危险介质的压力容器在正常运行期间始终处于高压状态,外面的空气不可能进入压力容器,容器内部不具备爆炸三要素共存的条件,所以不存在出现回火引起设备内部发生爆炸的可能,也就不需阻火器保护。所以,石化行业和城镇燃气行业所有压力容器(包括民用液化石油气罐)的排气管或放空管上都不要求设置阻火器。

3)氢气放空管道在氢气放空时有回火的可能,但这种危险完全可以通过提高管道设计压力来避免。实验表明,氢气在管道中稳定爆燃或爆轰的平均压力约为0.8 MPa(表压),GB50156—2021第10.6.5条第(4)款规定“放空管道的设计压力不应小于1.6MPa”,这一规定可保证即使发生回火,也不会破坏管道。在此条件下,设置阻火器完全没有必要。高压容器放空时,气体流速大(往往大于100 m/s),设置阻火器会阻碍气体放空。为了避免放空管道回火而设置阻火器,却增加了储氢容器因排放不畅而超压损坏的风险是得不偿失的。

4)事故案例也证明,储氢容器或氢气管道不设置阻火器是安全的。2020年7月30日,广东东莞某企业为氢气长管拖车加注氢气时,氢气管道突然断裂,形成高压氢气直接对大气排放的状况,泄漏的氢气因摩擦起火,而阀门关闭后断裂处火焰自然熄灭。这一案例真实模拟了超压设备或氢气管道系统不设阻火器直接对大气排放的情况。在阀门关闭过程中,管道内回火是有可能的,但可靠的管道及设备设计是可以承受的,不会被回火破坏,说明储氢容器或氢气管道的排放管道上不设置阻火器是安全的。

5 结语

储氢容器和加氢系统管道内压力高,不存在氧气侵入条件,因此不具备着火爆炸可能,而其放空管道设计压力不小于1.6 MPa,即使发生回火,也具有承受回火爆炸的能力,所以氢气放空管道设置阻火器没有必要;阻火器会阻碍高速气流排放,可能造成储氢容器和加氢系统管道憋压,进而导致设备和管道破坏或次生灾害,故氢气放空管道不应设置阻火器。