QDQ2-1型電解水制氫設備壓力系統的風險防控

劉永蓮，李沅橋，潘曉斌，黎錦雷

(1.廣西自治區梧州市氣象局，廣西 梧州 543002；2.廣西自治區梧州市特種設備監督檢驗所，廣西 梧州 543002)

1 引言

氫氣是二十世紀最清潔的能源，是未來的主要能源之一，水電解制氫是制取氫氣的主要手段之一。水電解制得的氫氣，能廣泛應用于玻璃制造、水電、化工、氣象等各個領域[1-2]。QDQ2-1型電解水制氫系統，是目前我國氣象部門高空氣象探測[3-4]中普遍使用的電解水制氫設備。在水電解制氫過程中，壓力系統承擔了非常重要的角色，系統設備的安全運行，有賴于各項風險防控措施的落實。

高空氣象探測業務正常開展的關鍵之一，就是要保證制氫用氫工作的安全。由于氫氣具有易燃燒、易爆炸的特性，并且在高空氣象觀測站的涉氫業務中存在著泄漏的安全隱患、制氫用氫時間長，工作稍有疏漏就有釀成重大安全事故的可能。在涉氫業務的安全方面，中國氣象局也下發了相關的通知和要求。因此，QDQ2-1型電解水制氫系統的風險防控，有著顯著的必要性和迫切性。

隨著近年來對QDQ2-1型電解水制氫系統維護保障和經驗積累的反饋，對于涉及到系統設備安全穩定運行的技術規定、維護維修技能等方面，尚有不少經驗教訓值得總結、改進和完善。本文從制氫用氫的安全角度出發，分析QDQ2-1型電解水制氫設備壓力系統在實際運行中容易出現的風險因素，從技術規定、安全管理、現場處置措施、應急預案的實施等方面提出風險防控的相應措施，以確保設備在安全狀態中運行[5-6]，有效地遏制安全事故的發生。

2 QDQ2-1型電解水制氫系統

QDQ2-1型電解水制氫設備主要由 10個系統組成，包括：氣體系統、電解水循環系統、蒸餾水補充系統、冷卻水系統、單項流動控制系統、氣體排空系統、顯示系統、壓力溫度報警系統、壓力平衡系統以及氫氣儲存系統。其中列入特種設備管理的壓力系統包括壓力管道、壓力平衡系統以及氫氣儲存系統(儲氫壓力容器)。

3 儲氫壓力容器

①《中華人民共和國特種設備安全法》規定，儲氫壓力容器(儲氫罐、充裝氣瓶)作為特種設備，必須按規定時間周期進行檢驗[8]；《固定式壓力容器安全技術監察規程》以及《壓力容器定期檢驗規則》規定，壓力容器按3 a大檢(氣密性檢查)、1 a小檢(年度檢查)的周期進行檢定，并在安全檢驗合格有效期內使用。

②高空氣象觀測站作為儲氫壓力容器的使用單位，在定期檢驗時，必須提供壓力容器的資料，包括：容器合格證、監檢證書、質量證明書、竣工圖等；所使用的儲氫壓力容器的明顯部位，應裝設有容器的銘牌，銘牌的參數信息包括：設備代碼、容器名稱、容器編號、容器標準、容器分類、主體材料、自重及容積、介質名稱、設置壓力、設計溫度、制造單位名稱、制造單位許可證級別以及許可證編號、制造日期等。《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定，對于檢驗不符合要求的儲氫壓力容器，不得繼續使用。

4 風險因素分析

QDQ2-1型電解水制氫壓力系統(壓力管道、壓力平衡系統以及儲氫壓力容器)安全隱患的風險因素主要有：

①儲氫壓力容器上部的壓力表、安全閥安裝不良或故障；儲氫壓力容器出現小裂縫或小沙眼；由于壓力控制閥故障無法自動關閉而造成的超壓；氫氧分析閥故障關閉不緊、減壓閥或增壓閥磨損、氫氧分離器中平衡閥故障；壓力管道出氣閥或進氣閥門不密封；壓力管道出現小裂縫等等，任何環節的氫氣泄漏，都會造成很大的安全隱患[7]。

②氫氣易泄漏，泄漏速度約為空氣的2倍；氫氣易擴散，擴散速度約比空氣快3.8倍；氫氣易燃燒，是一種易燃性窒息性的氣體，著火能級僅0.019 mJ，比化纖織物磨擦產生的靜電都要小幾倍；氫氣易爆炸，由于其無色無味無嗅，泄漏時不容易發覺，與氧氣或空氣混合時形成易燃易爆混合物，混合比很寬，在空氣中的爆炸極限為4.0%～75%；點燃爆炸混合物所需要的能量很低，無法察覺的小火花就能引燃；爆炸混合物遇火爆炸燃燒的火焰，順風蔓延很快。

5 風險防控技術規定

①QDQ2-1型電解水制氫設備的壓力系統(壓力管道、壓力平衡系統以及儲氫壓力容器)屬于特種設備，既要執行《中華人民共和國安全生產法》，也必須遵循《中華人民共和國特種設備安全法》、《特種設備作業人員監督管理辦法》、《特種設備作業人員考核規則》等法律法規。

②儲氫壓力容器在投入使用前或者投入使用后30日內，高空氣象觀測站應當按照《特種設備安全監察條例》的要求，向負責特種設備安全監督管理部門辦理使用登記，領取使用登記證和登記標志；登記標志應當置于或者附著于儲氫壓力容器的顯著位置。

6 安全管理和應急預案

風險包括失效的可能與失效的后果，因此降低失效可能性或失效后果的所有措施，都能起到風險防控的效果[9]。為了有效地遏制安全事故的發生，高空氣象觀測站在制氫用氫工作中，必須按照《國家安全生產監督管理總局第88號令》的規定，建立應急預案，依法依規、遵循以人為本、注重實效、符合實際的原則，以應急處置為核心，規范應急程序、明確應急職能，細化保障措施。

①電解水制氫設備的日常安全管理措施包括：“三落實”：落實管理機構、落實安全管理人員、落實管理制度；“有兩證”：設備有使用證、作業人員有上崗證；“一檢驗”：按規定定期檢驗；“一預案”：建立應急預案。

②為避免發生安全事故，根據《特種設備現場安全監督檢查規則》，我們制定了《壓力容器安全管理制度》，如圖1。

圖1 壓力容器安全管理制度Fig.1 Safety management system of the pressure vessel

嚴格執行《QDQ2-1型電解水使用安全規程》、《安全注意事項》、《突發事件應急預案》等規定，落實相關責任人，并張貼上墻，如圖2。

圖2 突發事件應急預案Fig.2 Emergency plan of the sudden events

7 風險防控現場處置措施

實施全過程監督管理模式：定期或不定期對電解水設備進行檢測、維修，及時排除故障隱患，尤其是最容易出現安全事故的壓力系統，必須做好風險防控的現場處置措施：

①檢驗環節的安全監察：嚴格執行《壓力容器定期檢驗規則》的規定，按照1 a小檢(年度檢查)、3 a大檢(氣密性檢查)的周期進行檢定。

②專項監督檢查：對儲氫壓力系統的安全生產狀況進行符合性驗證，定期或不定期檢測降溫、降壓系統，檢查進出氣閥、安全閥、壓力表是否符合規定，保證泄壓裝置(安全閥)靈敏可靠，確保設備無故障運行。

③制氫期間的安全監察：值班人員必須持證上崗。在電解水設備運行期間，嚴格按規定巡回檢查，發現不正常情況出現立即采取相應措施進行調整或排除，以免事態惡化。

④嚴防氫氣泄漏：認真檢查水電解設備的各個系統，杜絕安全隱患。特別是儲氫壓力系統出現氫氣泄漏時，必須迅速關機，停止制氫，采取有效措施控制泄漏，并按規定及時上報。例如，在實際工作中，曾經出現過氫、氧分離器中平衡閥內的閥針生銹、磨損而造成無法密封的故障，我們及時對平衡裝置進行了改進。全不銹鋼定制的平衡閥，使防泄漏的能力得到了提升。

⑤控制火源，防燃燒，防爆炸：包括明火控制、摩擦與撞擊火花的控制、電器火花的控制、其他火源的控制等。按《GB2894-82安全標志》的規定，在制氫房圍墻周圍和大門口設置“氫氣危險”、“嚴禁煙火 ”的安全標志牌；按《建筑設計防火規范》的有關規定設置健全的消防安全措施，消防用水、清洗用水齊備；配備足夠的 “1211”、“二氧化碳” 、“干粉”等輕便滅火器材，并按規定進行檢查和維護；制氫用氫安全區域內嚴禁煙火，嚴禁放置易燃易爆物品。

⑥加強氫氣泄漏的在線監控：我們在制氫用氫場室設計并安裝了“氫氣泄漏遠程監控系統”[10]，如果氫氣泄漏，能以聲、光、手機短信等方式報警，提醒值班人員馬上采取相應的措施，比如關閉閥門、開啟排氣扇、維修設備等，最大限度地降低制氫用氫的安全隱患。如圖3所示：

圖3 遠程監控示意圖Fig.3 RMON system construction design sketch map

梧州高空觀測站2015年開始應用“制氫用氫場室氫氣泄漏遠程監控系統”，2016年4月，有效地避免了一次安全事故的發生，風險防空效果明顯。

8 結語

QDQ2-1型電解水制氫設備的安全穩定運行，關系到高空氣象探測業務的正常開展，必須嚴格執行有效措施以實現風險防控：

①對于設備的工藝故障、原始缺陷、人為因素、操作失誤等危險因素，必須建立嚴格的巡檢保障制度。

②水電解制氫設備的安全附件(壓力表、安全閥)，必須按規定校檢，保證泄壓裝置(安全閥)靈敏可靠；加強對壓力系統的防腐涂層以及降溫的管理，避免設備發生失效。

③判斷、處理電解水制氫系統故障要“穩”、“準”、“快”。工作人員一時查不清故障原因時，應迅速報告，不得盲目處理，延誤時機；單位要迅速采取有效措施，組織維修。

④處理水電解制氫設備壓力系統故障的一般方法有如下幾點：“關”——迅速關機，停止制氫，使儲氫壓力容器內部壓力迅速降低。“開”——迅速開啟能安全泄壓的閥門。“噴”——采取噴淋水的方法使容器降溫。“修”——迅速采取有效措施，按照規定操作和防護措施的要求，組織維修。

⑤嚴格執行各項技術規定，定期開展應急知識、應急預案、避險逃生技能、自救互救的培訓；每年至少組織一次專項應急預案演練或綜合應急預案演練，每半年至少組織一次現場處置方案演練，使有關人員熟悉應急職責、了解應急預案內容、掌握應急處置程序和措施，避免安全事故的發生。