世界时讯：保障氢能安全 “氢”启绿色未来

来源：中国石化报
时间：2023-06-27 04:31:49

安工院建设的大尺度燃爆综合验证测试基地（氢能安全研发测试平台）。

“双碳”目标下，氢能的清洁属性备受重视，随着新的应用场景不断增多，氢能安全风险管控也面临新挑战。在制氢过程中，如何做好各类大规模电解水制氢装置和储氢容器的安全防控；在氢气储运及使用过程中，如何应对高压气瓶充装、卸车、加氢使用等过程的安全风险等。本版专题聚焦上述氢能安全课题，展示中国石化的应对之举。

本报记者谷成林通讯员刘欢

“双碳”背景下，氢能成为我国能源转型的重要战略选择，引领着新兴产业和未来产业重点发展方向。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》，这是我国第一份氢能产业发展政策文件。该文件以实现“双碳”为目标，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分。

(相关资料图)

氢能的生产、储存和运输常伴有易燃易爆、高压、低温、氢脆等风险。氢能产业安全快速发展的战略需求与氢能安全技术基础薄弱之间的矛盾，成为氢能产业面临的主要瓶颈。

中国石化全力推动高质量氢能应用现代产业链建设，所属安全工程研究院（以下简称：安工院）成立氢安全实验室，定位于我国氢能安全创新中心、战略咨询与政策规制研究智库、科技人才培养基地、技术标准供给基地，为我国氢能规模化利用和产业健康发展提供系统的安全技术支撑。他们基于系统安全及保护层安全防护理念，积极开展氢能风险防控，提出了氢能安全四原则——不泄漏、早发现、不积聚、防燃爆。

筑牢设备安全篱笆，避免氢气泄漏

近年来国内外氢能产业发生多起安全事故，相关统计数据表明，氢气泄漏导致的事故数量约占一半以上。氢能风险防控要抓在源头，筑牢设备安全篱笆，确保临氢设备不发生泄漏。

我国临氢设备普遍面临国产率低、使用周期短、失效数据库缺失等突出问题，核心在于高压临氢设备具有的共性，即材料在高压氢环境中的氢损伤和零部件在长周期服役过程中的疲劳失效。

安工院提出“搭建测试平台、研究损伤机理、提出质量管控体系并实现设备安全”的总体路线，认为研发高压氢原位测试装备，进而建立配套测试方法，是解决上述问题并实现临氢设备设施本质安全的关键。

安工院针对材料的氢损伤等问题，搭建高压氢环境原位疲劳及拉伸试验平台，开展高压临氢材料相容性研究，揭示高压临氢材料氢致损伤机理，构建临氢金属材料性能指标体系；针对零部件长周期运行可靠性、低周疲劳损伤等问题，搭建氢环境的气密性、耐久性和火烧性能等的研究试验平台，开展在役储氢容器及关键零部件原位检测技术研究，获得零部件/设备的失效模式等关键失效数据，构建高压临氢零部件/设备全生命周期疲劳寿命预测模型和安全指标体系，从而在本质安全上支撑材料测试、研发和设备选型及国产化。

安工院建成了中国石化首套140兆帕高压临氢材料与零部件研究测试平台，包括140兆帕高压氢高低温环境疲劳拉伸测试平台、400兆帕静压爆破测试平台、-50~150摄氏度极限温度压力疲劳测试平台、140兆帕氢气压力循环、气密性测试平台等，并针对高压氢用金属/非金属材料及临氢零部件（如阀门、软管等）开展140兆帕压力下材料相容性、零部件可靠性测试，支撑高压临氢零部件国产化研究，为中国石化氢能产业安全高质量发展提供有力支撑。

科技让氢气“现身”，助力氢气泄漏早发现

与天然气、汽油气等不同的是，氢气无色无味，泄漏后，人体无法感知，因而氢气泄漏后的早发现是提升氢安全水平的重要一环，关键在于氢气泄漏的有效检测。

对于氢气泄漏检测，在制氢、储氢、加氢和用氢等临氢设备、管道集中布置区域内，应设置高灵敏度氢气浓度检测及报警系统，系统的设置应充分考虑泄漏后氢气的扩散特性、风速、周围环境等多种因素的影响，实现氢气的有效检测及报警。

据统计，1座加氢站内设备、管道连接位点有300余处，仅压缩机橇内就有百余处，而压缩机橇通常设置1~2台固定式氢气泄漏检测报警器，面临氢气泄漏检测覆盖率低、可靠性差、无法实现泄漏定位等难题。同时，压缩机、加氢机、卸氢柱等因操作频繁，泄漏风险更高。

安工院自主研发了光学氢敏变色技术，形成了氢敏变色功能胶带等相关技术产品，实现了氢气泄漏快速检测及精准定位，氢气变色响应时间为1秒；环境耐受性超过1年，且变色前后颜色对比大，易于人眼辨识；能够在室温条件下5秒内自粘，具有安装便捷的优势。目前，该技术已在中国石化10余座加氢站、供氢母站等现场应用，助力氢气泄漏早发现、早处置，提高了安全水平。

除了氢气泄漏监测，也应高度重视氢气火焰的准确识别。与天然气、汽油火焰不同，氢气火焰是一种淡蓝色火焰，无论白天还是黑夜，人眼通常难以辨识。因此，氢能“制储运加用”各环节需要根据检测距离、覆盖范围、响应时间等因素选择固定式氢火焰识别及报警系统，同时也要配备便携式氢火焰监测仪。另外，不应使用烃类火焰探测器检测氢气火焰。

夯实场景安全设计，避免氢气泄漏积聚

氢气一旦发生泄漏，避免积聚是首先要考虑的问题。如果条件允许，所有临氢设备设施均应在户外，避免泄漏后氢气发生积聚。在现场布置过程中，既要考虑站内建筑和设备设施布局对通风的影响，又要考虑城市规划以避免周边高层建筑或地形对风的阻挡等不良影响。对加氢机、加油机设置在同一罩棚下的油氢合建站，需要对原有的罩棚进行改造，譬如在顶部增加氢气逃逸通道，防止氢气在罩棚下积聚，同时考虑加氢、加油车辆的停靠位置、方向对空气流动的影响，尤其要重点关注车辆排队较多的加氢站。

安工院开发了基于计算流体力学（CFD）的快速后果分析软件和风险定量评估工具，可兼顾计算精确性和快速性，对安全专业早期介入、提高工程设计水平起到重要作用。对放置在橇体结构内的临氢设备设施，应保证橇体本身具有良好的通风性，不存在易积聚氢气的部位。此外，橇体内部也要有合理的布局与间距设计，以满足充分通风，包括正常运行时的自然通风及事故中的应急排风或鼓风，避免出现死角，并有相应点火源控制措施。针对外部氢气大量泄漏进入半封闭空间的可能场景，橇体结构、站内及周边建筑物的通风入口或空调进气口，需要避开可能的氢气泄漏点位，同时，尽量缩小半封闭空间，譬如封堵罩棚原有的夹层。这些都需要安全专业人员早期介入、评估并指导工程设计。

强化安全底线思维，杜绝氢气燃爆事故

氢喷射火危害较大，临氢设备设施科学的空间布局及合适的安全距离，对减轻氢喷射火危害十分重要。对重点建筑物或易发生氢喷射火的地方，设置防护墙、考虑被动防火设计也是减轻氢喷射火危害的重要举措。

此外，可以考虑合理的抑爆、泄爆等主动和被动防护设计。通过喷洒超细粉末灭火剂等措施降低甚至抑制爆炸传播，进而降低爆炸超压。对橇装设备，可通过采用轻质屋顶、轻质易碎墙等泄爆设施减轻氢气爆炸产生的危害。对于站房、外操室等人员密集区，开展必要的抗爆改造也是重要的防护手段。

当然，这些举措仅是氢气燃爆事故发生后减轻危害的手段之一，更为关键的是确保氢气不发生泄漏、泄漏后快速检测并切断、泄漏后的氢气不发生积聚。

安工院组建氢能安全创新团队，以“系统安全，层层设防”的理念指导学科建设和科技研发，针对氢气泄漏扩散与燃爆行为规律及致灾机制、高压氢对材料/部件的损伤机理等关键问题，开展氢能安全基础研究；聚焦氢能安全风险评估技术、临氢材料与装备安全技术、氢能安全防护技术与装备、氢能安全标准体系构建等方向进行研发创新。

为强化我国氢能安全创新生态圈建设，推动氢能安全关键技术攻关，搭建氢能安全合作与促进平台，建立健全氢能安全标准规范，提供氢能安全社会公共服务，在应急管理部指导下，安工院组建国家氢安全战略联盟，旨在通过重大科技任务引领，整合氢能行业资源和力量，形成“产学研用”组织网络和创新平台，加快氢能安全、应急技术研发应用，有效应对氢能产业链发展过程中面临的新风险。

（责任编辑：杨明）

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