加氢站安全“难点”何在?

2023-03-21


【摘要】:

 

氢气作为环保节能,高效灵活的气体能源,其安全性是构成氢能行业稳步向前的基础性因素,更是加氢站产业的核心部分,但其易燃易爆炸的属性也让氢贴上了“危险”的标签。

因此,在我国加氢站建设步伐加快的同时,还需保证站点建设和运营的质量。

近日,国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布国家标准GB/T 29729-2022《氢系统安全的基本要求》(以下称“标准”),内容适用于氢的制取、储存、输送和应用系统的设计和使用,将于2023年4月1日实施。

该《标准》的发布明确了氢安全的地位,规范了氢使用的标准,对促进行业稳定性具有关键影响力。《标准》的出台也在敦促行业解决“如何把握好加氢站安全的建设和运营?”的问题。

 

 01 氢气属性对于加氢站整体安全的要求

 

数据来源:中国工程院曹湘洪院士

 

据广东省特检院佛山检测院给出的数据显示,2000年至2022年末,国内外加氢站及合建站环节事故案例共有48例,事故原因可分为如下四类:密封失效、设计问题、设备失效、操作失误或维护不当。

其中占比最高的密封失效,达到46%,大多数此类事故均由法兰、垫片、阀门等接头部位的泄漏导致。48例事故中,最终有19%发展为火灾或爆炸事故。

 

数据来源:广东省特检院佛山检测院

 

因此,在加氢站的应用场景下,氢安全的要求大大提高。如果能在氢气泄漏早期及时发现并采取有效措施,能够有效防止事故的进一步扩大。

从专业的检测和咨询服务提供商的角度出发,德国莱茵TÜV工业服务部防爆安全技术总经理 张小龙表示,易燃易爆是氢气发展受制约的一个痛点,从防爆角度出发,氢气被引爆后的压力、产生的风险和公共影响都十分巨大。加氢站在建设运维的同时,需要时刻关注氢气防爆的安全情况。

在加氢站整体安全上,除上述防爆方法还应该考虑防爆设备,再加之防爆的技术手段和对于工作人员的调控和管理,才能最大限度防止爆炸的风险,提升站点整体安全性。

 
02  核心设备于加氢站安全的重要性
 

1、站用储气容器

加氢站由加氢方式分为站内制氢与外部供氢,必不可少的核心设备包括压缩机、储氢容器及加注机。其中储氢容器具有多重特点,因而存在较多安全隐患——

一、由于产品面临高压氢环境,金属材料就具有氢脆的风险;

二、由于加氢站的储氢容器要经常充氢放氢,使用频次比较频繁,且压力波动也比较大,具有低周疲劳破坏风险;

三、储氢容器发生失效危害则会严重影响周遭环境,且一旦发生安全事故,将会造成极大负面影响。

以固定式储氢容器的安全问题分析为例广东省特检院佛山检测院主任 邓波归纳了目前业内四大安全问题——

●   设计问题:缺乏系统深入研究,设计技术规范这些都没有考虑到储氢容器的特殊性;没有考虑到气瓶容器风险,容器对于压力波动的影响;材料试用的风险(目前还没有列入到分析标准里面),包括目前的设计疲劳曲线是否适用,也是有待验证;

●   配件问题:最关键的也是最薄弱的环节,就是密封软件,容易发生断裂;

●   设备问题:长期暴露于高压氢气的环境下,疲劳裂纹扩展速率显著加快,氢致开裂的应力因子阈值显著降低;筒身结构,大壁厚,缺陷敏感性增强,在用检验检测难度增大。

●   人员管理问题:人员操作处理问题不当产生的事故。

针对上述问题,邓波表示:要加强相关检验检测技术研究,目前检测技术在储氢容器方面的研究还不完善、不成熟,有待产业进一步加深加强。其次,加快建立氢安全检验检测体系,进一步完善固定式储氢容器的标准,同时开展操作规范的安全培训,提高相关的安全意识。

2、氢气压缩机

氢气压缩机作为加氢站核心设备,虽然并非是加氢站安全运行的最大痛点,但从加氢站核心部件故障率来看,压缩机几乎是占比最高的。

因此压缩机的维护也是保持加氢站稳定运行的关键因素,而膜片和密封圈是影响压缩机机组长周期运行的主要问题。

目前市场上以隔膜压缩机作为主流压缩机,其具有密封性较高,单机压缩比大,散热较好等优势。不过隔膜压缩机不适用于频繁启停,且其排气压力会影响隔膜寿命。

而与隔膜压缩机共处市场格局竞争之中的液驱压缩机,其相对隔膜压缩机排量较大,设计简单,容易实现多级压缩且体积小巧还可适应频繁启停。液驱压缩机密封性低于隔膜压缩机,因此氢气受污染概率也大于隔膜压缩机,且其密封圈易损坏,单级压缩较低。

因此,在保证整体安全性的情况下,加氢站业主可根据加氢站运行状态来合理选型压缩机。在需要连续工作的状态下,隔膜压缩机优势大于液驱压缩机,而在需要频繁启停的情况下,液驱压缩机的优势更为突显。避免因为工况条件而出现压缩机故障率高的问题。

 

  03加氢站关键部材与氢安全的联系

 

据势银能链研究发现,加氢站四大关键部材(传感器、管道、阀门、流量计)在加氢站建安成本中占据14.47%的比例,对加氢站运行安全尤为重要。

加氢站的氢气安全的控制应做到:不泄露、早发现、不聚集。其中,“不聚集”由加氢站设计、审批环节层层把控;“不泄露”与管件、阀门严格关联;“早发现”与浓度传感器、质量流量计密切联系,因而将加氢站关键部材定义为“牵一发而动全身”的关键安全因素。

加氢站氢安全系统及器件由浓度传感器、管件、阀门、质量流量计组成,在加氢站运行中执行监测、传输连接、控制、计量功能。

以管道为例,《加氢站技术规范》在氢气管道及附件中要求:

●   加氢站氢气管道的材料宜选用S31603或其他已试验证实具有良好氢相容性的材料。

●   加氢站内的氢气工艺管线应具有与氢相容的特性,宜采用无缝钢管或高压无缝钢管,并应符合有关规定。

●   氢气管道材质应具有与氢相容的特性,宜采用无缝钢管或高压无缝钢管,并应符合国家现行标准。

●   加氢站内的所有氢气管道、阀门、管件的设计压力应为最大工作压力的1.1倍,并不得低于安全阀的泄放压力。

●   氢气管道的连接宜采用焊接或卡套接头;氢气管道与设备、阀门的连接,可采用法兰或螺纹连接等。螺纹连接处,应采用聚四氟乙烯薄膜作为填料。

此外,势银能链调查认为,管件的粗糙度和清洁度,有其纳入标准的必要,高压氢气管道上阀门的产品质量,主要是阀门的外漏和内漏,对于加氢站的安全稳定运行也是至关重要,但目前国内对此类高压阀门的检测尚无国家标准。

势银(TrendBank)分析师认为,加氢站氢安全系统及器件贯穿加氢站工艺流程的全部环节,宏观上对于加氢站的建设与运营,微观对于氢气的输送与安全加注,均有重要意义。

涉及加氢站用浓度传感器、管件、阀门、流量计的标准内容,有其更新、完善、增补的必要。而标准内容的完善,使得相关企业有标准可依,最终有利于中国加氢站安全、经济地运行。

 

加氢站安全是其建设发展的根基,也是企业交给氢能产业的一颗“定心丸”,安全永远是发展的底线,构建完善的加氢站安全体系也是消除“谈氢色变”质疑性的谜底。未来,随着产业标准和制度的完善,加氢站发展呈现的趋势必然是积极的。


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