浅谈加氢站潜在风险及安全措施

赵振峰

(青岛诺诚化学品安全科技有限公司，山东 青岛 266101)

随着科技发展，地球的生态环境越来越成为发展的重要议题，寻找一种新型高效环保的可替代能源成为全世界一直在攻坚的重要课题。[1]，氢在自然界中分布很广，在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢是最多的元素。氢能作为一种清洁环保、高效转化、来源多样、可储存运输利用的新能源，是目前公认的一种最有可能进入实用领域的清洁能源，氢能的安全、高效、可持续利用将成为未来几十年内引领能源产业变革的颠覆性技术[2]，也是国际国内能源领域研究的热点。氢燃料电池汽车[3]与氢能的发展也是我国中长期科学与技术发展规划纲要的重点基础研究内容，也已成为世界主要汽车生产国的国家战略。

2016年，氢能与氢气燃料电池等氢能发展技术被国家列入未来新能源发展的重要方向和战略新兴业务重点发展领域[4]。预计到2030年，国内的氢燃料电池汽车年销量规模可达上百万辆，相应配套的加氢站数量将达到1000座以上[5]。因此加氢站的安全稳定长期有效运行是当下氢能安全发展利用的重点工作[6]。

高压气态储氢、输氢方式是目前相对比较成熟的一种工艺[7]，应用也最为广泛，是现阶段氢能实现产业化过程中主要的储氢、输氢方式[8]。高压氢气制备、运输、储存、加注和用户使用过程中均具有潜在的氢气泄漏、火灾和爆炸风险。高压氢气设备管线在高压氢气环境下长期工作，其材质会因高压氢脆而导致设备使用寿命下降，导致高压氢系统泄漏风险增加。在使用过程中高压储氢装置，有可能因超压而发生超压泄漏、火灾和爆炸。

1 加氢站主要风险分析

1.1 加氢站组成

加氢站系统依据不同的功能，可分为制氢单元(站内自制氢)或站外氢气输送单元、氢气调压干燥单元、氢气压缩单元、氢气储存单元、氢气加注售气单元统和加氢站控制单元六个主要单元。氢气压缩机、高压储氢罐、加氢机是加氢站系统的三大主要设备。

加氢站根据氢气来源不同，通过外部供氢设备设施或者站内制氢设备获得氢气后，经过氢气调压干燥单元处理合格后，为下游氢气压缩单元输送恒定压力的干燥氢气，随后经氢气压缩机做功压缩后，进入高压储氢罐组储存，同时根据外部销售情况，将压缩后的高压氢气通过氢气加氢机为氢气燃料汽车进行加注。

一般加氢站没有自制氢气的能力，大部分需要通过氢气长管拖车将氢气运输至加氢站，一般氢气运输在常温、20 MPa 工作条件下进行；氢气长管拖车到达加氢站后通过站内卸气柱，经氢气压缩机压缩增压后，输送至高压储氢瓶组；需要涉及分级加注氢气工艺流程时，分级使用低、中、高压三级气源，氢气由低到高，依次经加氢机平衡充装至氢气燃料汽车。

通过加氢机对氢气燃料汽车进行氢气加注时，先从氢气长管拖车取气，随着氢气不断加注，氢气长管拖车压力降低，当氢气长管拖车内的氢气工作压力与氢气燃料汽车上的车载储氢瓶工作压力到达平衡时，关闭氢气长管拖车出口阀门，终止氢气长管拖车出气；打开低压氢气瓶组出气阀门，开始从低压氢气瓶组出气，当低压氢气瓶组与氢气燃料汽车车载储氢气瓶内工作压力到达平衡时，车载储氢气瓶停止进气，关闭低压储氢瓶组出口阀门；以相同方式依次从中压储氢气瓶组、高压储氢气瓶组取气。如果还有其他车辆需要加注氢气，控制系统开启氢气压缩机，氢气压缩机从氢气长管拖车内取气，氢气通过氢气压缩机增压后，直接给加氢机供气，直到汽车车载储氢气瓶加满氢气。若氢气瓶组工作压力低于系统控制压力时，控制系统自动启动氢气压缩机开始补压。

1.2 加氢站主要风险及管控措施

加氢站主要有两大类安全问题：一是加氢站的工作压力非常高，加氢站最大储存压力达到 90 MPa[9]。二是加氢站主要的危险物质为氢气，氢气在常温、常压条件下是一种极易燃烧、无臭、无味、无色透明且难溶于水的气体。根据火灾危险分类，氢气是甲类气体，是国家重点监管的危险化学品，爆炸极限(v%)为4.1～74.1，氢气密度为 0.089 g/L，是世界上已知的密度最小的气体，通常氢气在1标准大气压和 0 ℃ 密度仅为空气的1/14。另外，为了保证安全，氢脆问题必须考虑。因此，非常有必要对氢系统危险有害因素进行辨识，对加氢站的风险进行系统的评估以提高安全水平[10]。

高压氢气在制备、运输、压缩、储存及后续加注和使用过程中，均具有潜在的氢气泄漏和火灾、爆炸危险[11]。主要风险及管控措施如表1所示：

表1 高压氢气主要风险及管控措施

2 事故分析

案例一：2012年，美国某加氢站一个氢气瓶旋转接口密封失效，导致瓶内高压氢气泄漏。该加氢站共有120个氢气瓶，布置在加氢站顶部。氢气传感器感应到泄漏后发布警报，加氢站工作人员迅速采取紧急关闭措施，然后将失效的氢气瓶与周边其他氢气瓶隔离并报警。泄漏氢气没有产生火焰，该事故没有造成人员伤亡，造成了较少的经济损失。事故发生后不久，该加氢站对每个氢气瓶四周安装了耐火金属板和半自动喷淋装置，避免氢气泄漏后发生着火和爆炸，对周边氢气瓶产生影响。

案例二：2019年5月，韩国某市一个政府氢气能源研究项目中的加氢站储氢罐损坏泄漏，发生氢气爆炸事故。爆炸导致周边一个建筑物损坏，同时造成2人死亡，6人受伤。事故主要原因是储罐超压卸放，零部件失效导致储氢罐泄漏爆炸。

案例三：2019年6月，挪威某地区一个加氢站设备损坏，氢气泄漏后发生火灾和爆炸，导致该加氢站被爆炸损坏，还导致了加氢站临近马路汽车损坏，周边道路交通瘫痪。事后经调查，引起事故的主要原因是加氢站高压储存装置的一个储罐插头螺栓预紧力不足，长时间工作导致储氢罐插头损坏，氢气泄漏至外界，遇点火源发生火灾爆炸。

通过以上事故，加氢站中设备一个细小的阀门或插头的失效，都会导致极易燃爆的氢气发生巨大的火灾爆炸事故，足以摧毁一座耗资巨大的加氢站，对站内人员及来往氢气燃料汽车瞬间产生伤害，甚至波及周围居民及建构筑物的安全。

针对以上事故分析，事故发生均有加氢站内部分零部件缺陷或安装失误，导致高压氢气泄漏，因此应加强人员培训，识别高压氢泄漏风险，同时加强对加氢站零部件检测，减少零部件缺陷导致的泄漏事故。

根据目前事故影响范围，建议在项目建设初期进行定量风险评估，确定加氢站外部安全距离及加氢站发生氢气火灾爆炸时对周边的爆炸冲击及热辐射影响，并根据加氢站周边环境设置防爆墙等措施，降低加氢站爆炸火灾后果，确保周边处于安全区域。

3 结语

现在氢能产业发展很快，高压气态储氢、输氢方式目前相对比较成熟，应用也最为广泛，是现阶段氢能实现产业化过程中主要的储氢、输氢方式。

一旦氢气加氢站发生泄漏，引发站内火灾、爆炸事故时，为防止氢气泄漏事故扩大及蔓延，一般应制定相应氢气泄漏应急预案，发生氢气泄漏时，应即时启动紧急停车按钮，切断氢气输送来源、切断站内电源等，运营管理规程中应将切断电源、切断氢气源作为站内应急重要手段严格要求，并应在氢气系统的设计、建造时为切断氢气源创造条件，再加氢机、压缩机及卸气区等氢气可能泄漏区域设置紧急切断按钮，方便人员切断氢气及电源。

通过以上分析，氢的火灾、爆炸问题是加氢站安全设计、平面布局过程中优先考虑的安全问题。有必要针对加氢站火灾、爆炸风险进行专题分析研究，确定加氢站典型火灾、爆炸事故发生后的影响区域，明确加氢站与外部环境的安全间距问题，提出降低火灾、爆炸风险的措施，保证加氢站的安全稳定运行，为我国在新能源产业的布局提供技术支撑。