加氫站技術(shù)規(guī)范及系統(tǒng)安全的防爆控制部件

 

 

該標(biāo)準(zhǔn)是中國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，由國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布。

 

該標(biāo)準(zhǔn)適用于加氫站、加氫加油合建站和加氫加氣合建站新建、改建、擴(kuò)建的加氫站工程的設(shè)計(jì)、施工、建造。特別需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于氣態(tài)氫加氫站，不適用于液態(tài)氫加氫站。該規(guī)范定義的加氫站是“為氫能汽車或氫氣內(nèi)燃機(jī)汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等儲(chǔ)氫瓶充裝氫燃料的專門場所”，而不僅僅是給目前流行的FCV加注氫氣。

 

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加氫站的站址選擇及總布置做出總體要求，并對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施如加氫設(shè)施、消防安全設(shè)施、電氣裝置、建筑設(shè)施、給水排水、采暖通風(fēng)等做出技術(shù)性和安全性的要求，最后對(duì)施工、安裝、驗(yàn)收和運(yùn)行管理作出規(guī)定。

 

 

該標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定并發(fā)布。

 

從標(biāo)準(zhǔn)的范圍來看，該標(biāo)準(zhǔn)為輕型陸用車輛加氫的公共或非公共的氣態(tài)氫加氫站的安全建議了最低標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)特性和推薦性能，但該標(biāo)準(zhǔn)提到了液態(tài)氫的部分要求。

 

ISO19880-1在液氫方面則對(duì)液氫儲(chǔ)存槽設(shè)計(jì)與位置、液氫轉(zhuǎn)換區(qū)、輸送管及閥門、降壓裝置和清洗方法都作出了詳細(xì)的安全規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于輕型陸用車輛的氫氣加注，但也可作為儲(chǔ)氫能力超出目前公布的加注協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如SAE 12601的公共汽車、有軌電車、摩托車和叉車的氫氣加注指南。

 

該標(biāo)準(zhǔn)首先對(duì)加氫站提出總體安全評(píng)估要求及降低安全風(fēng)險(xiǎn)措施，之后對(duì)加注的過程控制和安全系統(tǒng)建議了最低要求，并詳細(xì)對(duì)整個(gè)加注過程的系統(tǒng)、設(shè)施設(shè)備、操作、維護(hù)等安全性提出具體要求，最后提出對(duì)加氫站的驗(yàn)收測試要求。

 

本文主要從GB 50516—2010和ISO 19880-1兩份標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于加氫站的工藝流程，即氫源、壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、安全及控制系統(tǒng)5個(gè)方面的要求和規(guī)定進(jìn)行分析對(duì)比。

 

 

目前國內(nèi)的加氫站主要是壓縮氫氣加氫站，其工藝流程下圖所示，主要包括氫源、壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、安全及控制系統(tǒng)。不同來源的氫源經(jīng)壓縮系統(tǒng)壓縮后進(jìn)入儲(chǔ)存系統(tǒng)，再通過加注系統(tǒng)為車輛加注氫氣。根據(jù)供氫方式不同，加氫站各系統(tǒng)的設(shè)備有所不同，但工藝流程大致相同。加氫站的主要設(shè)備有壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加氫機(jī)、管道、控制系統(tǒng)、氮?dú)獯祾哐b置以及安全監(jiān)控裝置等，其核心設(shè)備是壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和加氫機(jī)。

 

 

 

GB 50516—2010規(guī)定：加氫站的氫氣壓縮工藝系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)進(jìn)站氫氣輸送方式確定。國內(nèi)一般采用長管拖車、氫氣管道輸送兩種輸送方式，加氫站根據(jù)氫氣儲(chǔ)存或加注參數(shù)選用氫氣壓縮機(jī)和一定容量的儲(chǔ)氫容器。

 

ISO 19880-1對(duì)3種供氫方式提出要求：

 

一是站內(nèi)制氫，分為電解水制氫和燃料加工技術(shù)制氫，這兩種制氫方式應(yīng)分別遵循ISO 22734-1和ISO 16110-1的規(guī)定。

 

二是長管拖車供氫，包括供應(yīng)氣氫或液氫，ISO 19880-1在這方面有較為詳細(xì)的安全規(guī)定。如要求長管氣瓶拖車或氣體儲(chǔ)存器停放時(shí)前后應(yīng)水平支撐，停放區(qū)域不含碎屑和易燃物，且地基應(yīng)由鋼筋混凝土或其他合適的不可燃材料建成。

 

三是管道輸送供氫，對(duì)于該供氫方式ISO 19880-1提出了部分安全要求：安全減壓的方法、氮洗的方法、增壓或流動(dòng)的管理、計(jì)量方式、過濾方法等。

 

目前國內(nèi)加氫站基本不采用站內(nèi)制氫的辦法，一方面是因?yàn)橹茪浼託湔菊緝?nèi)工藝復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)不易、建站成本較高；另一方面是因?yàn)闅錃馐俏；罚m宜在化工園區(qū)規(guī)模生產(chǎn)，便于生產(chǎn)管理；此外加氫站需建在商業(yè)用地，與制氫工廠土地使用性質(zhì)不同，故不太可能做到站內(nèi)制氫。

 

另外，國內(nèi)液氫產(chǎn)業(yè)不成熟，生產(chǎn)成本高，目前GB 50516—2010中亦很少關(guān)于液氫的規(guī)定，但在GB 50516—2020征求意見稿中則已增加了液氫相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。當(dāng)前我國在役加氫站全部為高壓氣態(tài)氫加氫站，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫站仍在規(guī)劃中還未開始建設(shè)，民用液氫市場尚屬空白。但隨著燃料電池汽車（FCV）的普及與規(guī)模化應(yīng)用，日加氫量規(guī)模將會(huì)遠(yuǎn)超氣態(tài)加氫站的供給能力，這就意味著液氫加氫站會(huì)在未來氫能產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)重要位置。

 

 

根據(jù)氫的3種不同狀態(tài)，可將儲(chǔ)氫方式分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)材料儲(chǔ)氫3類。目前全球加氫站普遍采用前2種儲(chǔ)氫方式。

 

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫簡單易行、成本低、相對(duì)成熟、充放氣速度快，是一種較為成熟的儲(chǔ)氫方式。因此，也是加氫站中采用最多的儲(chǔ)氫方式。國內(nèi)加氫站常用2種儲(chǔ)氫裝置：儲(chǔ)氫罐和儲(chǔ)氫瓶組。在GB 50516—2010中，推薦加氫站選用同一規(guī)格的固定式儲(chǔ)氫罐或儲(chǔ)氣瓶組，并應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定。在安全規(guī)定方面，要求儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)置：安全泄壓裝置；氫氣放空管及切斷閥和取樣口；壓力測量儀表、壓力傳感器；泄漏報(bào)警裝置；氮?dú)獯祾咧脫Q接口；儲(chǔ)氣瓶組臥式存放及距離不小于1.5m；設(shè)置安全防護(hù)欄或其他防撞措施等。

 

與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫相比，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有體積密度高和儲(chǔ)氫量大等優(yōu)點(diǎn)。在常溫常壓下，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)的845倍。因此，對(duì)于氫氣需求量比較大的加氫站，采用液態(tài)儲(chǔ)氫是一種不錯(cuò)的方式，也是加氫站發(fā)展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意見稿中意見亦已增加了液氫儲(chǔ)存相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

 

ISO 19880-1對(duì)于氣氫儲(chǔ)存系統(tǒng)，未有明確對(duì)儲(chǔ)氫容器的使用種類提出建議或要求，但要求每一組儲(chǔ)氫容器例如當(dāng)使用儲(chǔ)氫鋼瓶或長管拖車儲(chǔ)存氫氣時(shí)，都應(yīng)配置一套獨(dú)立的安全裝置，包括熱屏蔽系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、手動(dòng)或自動(dòng)的分離閥等。另外，也對(duì)儲(chǔ)存容器布置場所提出安全要求：地面放置時(shí)應(yīng)擺放在戶外，擺放儲(chǔ)存容器的地基應(yīng)采用阻燃材料；地下室放置時(shí)，要求墻體高于儲(chǔ)存容器，且應(yīng)保證通風(fēng)以防氫氣泄漏；要求氫氣系統(tǒng)的屋頂設(shè)有提供維護(hù)人員施工的工作平臺(tái)，要求防火防爆防過壓等。

 

 

加氫站的加注系統(tǒng)由單臺(tái)或多臺(tái)加氫機(jī)構(gòu)成，加氫機(jī)是燃料電池汽車加注氫燃料的核心設(shè)備，加注壓力是其主要參數(shù)。加氫機(jī)通常由機(jī)械部分和控制部分組成，機(jī)械部分主要包括高壓氫氣管路及安全附件、質(zhì)量流量計(jì)、加氫槍等，控制部分主要包括控制系統(tǒng)和顯示器等。

 

GB 50516—2010與ISO 19880-1對(duì)于加氫機(jī)的安全設(shè)置要求大致相同，例如要求加氫機(jī)安裝在室外、開放空間，并設(shè)置防撞欄等。其他安全裝置如安全泄壓裝置、拉斷閥、切斷閥和自動(dòng)控制裝置等，亦是加氫機(jī)上的必備的安全組件。加氫機(jī)在國內(nèi)外均要求安裝在室外，這是因?yàn)闅錃鉄o色無味，泄漏后很難發(fā)覺，若在受限空間內(nèi)泄漏，易形成氫氣的積聚，存在引發(fā)著火爆炸事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)，故氫氣作為危化品管理，加氫機(jī)不得設(shè)在室內(nèi)。但是ISO 19880-1更加細(xì)致地對(duì)加氫機(jī)機(jī)柜和加注組件提出采用阻燃及抗靜電材料、使用壓力、抗形變能力等物理性能上的要求。

 

對(duì)于加氫機(jī)的加注過程，GB 50516—2010明確要求加氫機(jī)額定工作壓力為35MPa或70MPa，充裝氫氣流量不應(yīng)大于5kg/min。ISO 19880-1則提出，為確保加氫過程保持在限制溫度范圍內(nèi)及車輛壓縮氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的工藝限制范圍內(nèi)，加氫機(jī)應(yīng)使用SAE J2601等加注過程協(xié)議：加氫機(jī)外部環(huán)境溫度范圍為-40℃——+50℃；氫氣流速不超過60g/s；最大工作壓力應(yīng)小于額定工作壓力（35MPa或70MPa）的138%；車載儲(chǔ)氫瓶的工作溫度限制為最高85℃等。

 

SAE J2601是被國際廣泛接受的輕型氣態(tài)氫汽車的燃料加注協(xié)議，日本在兼容SAE J2601的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改形成了JPEC-S0003加注協(xié)議。國內(nèi)初步制定了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CECA—G0017—2018《氫燃料電池車輛用加注規(guī)范 第一部分：通用要求》。中國氫能源汽車行業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況有別于其他發(fā)達(dá)國家，如國外以乘用車為主，而我國主要發(fā)展物流大巴車，國外廣泛使用的為Ⅳ型瓶，而我國廣泛使用的為Ⅲ型瓶，這些都會(huì)影響加注協(xié)議的適用程度。因此，我國急需在實(shí)踐中逐步制定并完善符合國情的氫氣加注規(guī)范。

 

 

氫氣具有擴(kuò)散系數(shù)大、爆炸極限寬、著火溫度低等特點(diǎn)，一旦發(fā)生大規(guī)模的泄漏，極易引起爆炸與火災(zāi)，危及加氫站周圍的生命和財(cái)產(chǎn)安全。世界范圍內(nèi)也不時(shí)發(fā)生涉及氫氣設(shè)備的安全事故。因此，建立完善的安全與控制系統(tǒng)，積累安全運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，形成完整的安全管理體系就顯得尤為重要。

 

對(duì)于易燃易爆氣體，一般通過設(shè)置氣體與火焰探頭、加強(qiáng)通風(fēng)換氣、泄漏報(bào)警連鎖控制等方法來避免事故的發(fā)生或者降低事故的影響。

 

ISO 19880-1通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來確定具體項(xiàng)目的安全措施，但也有其硬性要求，比如給出泄漏報(bào)警探頭、火焰報(bào)警探頭、壓力傳感器的設(shè)置及其連鎖的報(bào)警、急停控制、切斷閥門的要求。此外，ISO 19880-1針對(duì)氣態(tài)氫和液態(tài)氫的泄漏、泄放的擴(kuò)散通風(fēng)、換氣要求給出了建議。不論是主動(dòng)通風(fēng)還是被動(dòng)通風(fēng)，要求通風(fēng)換氣將目標(biāo)氫氣濃度保持在氫氣可燃性濃度下限的25%以下，且通風(fēng)系統(tǒng)的壓降和最大出口壓力應(yīng)作為設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。GB 50516—2010直接給出了自然通風(fēng)換氣次數(shù)不得少于5次/h，事故排風(fēng)換氣次數(shù)不得少于15次/h，并應(yīng)于空氣中氫氣濃度報(bào)警裝置連鎖的要求。

 

ISO 19880-1與GB 50516—2010在儲(chǔ)氫系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、加注系統(tǒng)等關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，緊急切斷系統(tǒng)和超壓泄放協(xié)調(diào)設(shè)置要求基本是一致的，均要求與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，并能夠自動(dòng)緊急切斷，手動(dòng)確認(rèn)復(fù)位。

 

從2019年5月開始，挪威、美國、韓國接連發(fā)生氫氣爆炸事件，分別是：2019年5月韓國江原道氫燃料儲(chǔ)存罐爆炸，2019年6月美國加州圣塔克拉拉儲(chǔ)氫罐泄露爆炸，2019年6月10日挪威首都奧斯陸地鐵站附近的KJRBO加氫站發(fā)生著火爆炸。

 

“國外出現(xiàn)多起氫氣爆炸事故，這應(yīng)該給我們敲響安全警鐘。倘若中國在行業(yè)高歌猛進(jìn)的過程中出一樁爆炸事故，這個(gè)爆炸會(huì)觸動(dòng)中央領(lǐng)導(dǎo)和老百姓的敏感神經(jīng)，對(duì)行業(yè)造成的影響是不可估量的。” 國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所能源效率中心副主任熊華文曾表達(dá)過對(duì)于氫安全的擔(dān)憂。在他看來，在氫能風(fēng)口過熱時(shí)，業(yè)內(nèi)人士需認(rèn)識(shí)到氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是“馬拉松”不是“百米賽”，不能一味求快，而要注重安全問題。

 

目前中國加氫站的建設(shè)及管理嚴(yán)格遵守《GB 50516—2010加氫站技術(shù)規(guī)劃》《GB/T34584-2017加氫站安全技術(shù)規(guī)范》和《GB/T 31139-2014移動(dòng)式加氫設(shè)施安全技術(shù)規(guī)范》等，嚴(yán)抓加氫站設(shè)備安全、加氫站系統(tǒng)安全和加氫站運(yùn)行制度安全。在選址和布局時(shí)，做好加氫站氫氣工藝設(shè)施與建筑物、構(gòu)筑物之間的防火距離以及加氫站內(nèi)設(shè)備之間的防火間距。

 

為保險(xiǎn)起見，在加氫站內(nèi)，還需安裝氫氣泄漏檢測器，通過高精度氫氣傳感器監(jiān)測模塊，傳感器一旦檢測到氫氣泄漏，便會(huì)立刻示警，并切斷氫氣來源。可以用北京優(yōu)利威科技有限公司的UH2XLM/UH2XLC氫氣傳感器模塊，進(jìn)行氫氣濃度監(jiān)測和報(bào)警。該氫氣濃度傳感器是氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和氫氣供氣管路系統(tǒng)對(duì)氫氣泄漏進(jìn)行監(jiān)測的關(guān)鍵安全部件。采用有氧催化原理和信號(hào)功放，輸出模擬電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)氫氣濃度。信號(hào)呈線性輸出，可在自由點(diǎn)位選擇設(shè)置警示點(diǎn)。

 

 

 

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