加氫站設計中的安全研究

摘要：作為一種高效、綠色、零碳的清潔能源，氫氣在新能源汽車領域擁有廣闊的應用潛力，作為發展氫能源汽車的配套設施，加氫站的建設日益受到關注;但是氫氣本身的易燃及易爆等特性使得在加氫站設計中需特別關注安全風險。本文以氫能源汽車的加氫站為研究對象，在對其安全設計的重要性進行剖析的基礎上，重點關注一些安全設計要點，以期確保所設計加氫站的安全性與可靠性。

關鍵詞：氫能源汽車;加氫站;安全設計;設計要點

2021年國家提出“碳達峰碳中和”的“3060”雙碳目標，在此發展戰略引導下，更加清潔、環保的氫能源具有了重要的現實意義。燃油汽車是當下誘發環境污染和能源短缺等的重要因素，此時推行清潔環保的氫能源汽車，即符合國家戰略發展的要求，也符合清潔、低碳汽車產業發展的要求。而加氫站則是保證氫能源汽車正常使用的關鍵環節，為保證氫能供應安全可靠性，此時加強加氫站的設計研究，確保其安全性是值得深入考量的。

一、氫能源汽車加氫站安全設計的重要性

氫氣本身是一種可燃性氣體，具有比較寬的爆炸范圍（4-76%），且容易著火，其密度小（0.0899g/L），擴散速度快，在加氫站設計的過程中必須要對其安全性進行嚴格控制。在設計加氫站過程中除了嚴格依據《加氫站技術規范》GB50516或者《汽車加油加氣加氫站技術標準》GB50156等規范外，還要注意有效地融合防爆、防火、防泄漏等方面的安全技術措施。若未系統化開展安全設計工作，那么所設計的加氫站本身的安全性和可靠性或許會存在隱患，如容易泄漏、誘發火災、爆炸等嚴重的安全事故，更有甚至會造成加氫站內設備損壞、人員傷亡等，國內外亦已有相關的事故報道。

因此，在加氫站設計過程中必須要高度重視安全設計工作，樹立安全第一，圍繞安全性、可靠性，對比分析不同的設計方案，力求在設計階段選擇最優設計方案，為后續加氫站的建設、運營做好準備。

二、加氫站安全設計

2.1 防火間距設計

在確定加氫站設計中的防火間距時首先應確定加氫站類型，《加氫站技術規范》GB-50516總則中明確本規范適用于新建、改建、擴建的加氫站工程的設計、施工和建造;在設計單獨的加氫站時選用本規范防火間距。

《汽車加油加氣加氫站技術標準》GB-50156總則中明確本規范適用于新建、擴建和改建的汽車加油站、加氣站、加油加氣合建站、加油加氫合建站、加氣加氫合建站、加油加氣加氫合建站工程的設計和施工。在設計加氫合建站時選用本規范防火間距。

從適用范圍上看《汽車加油加氣加氫站技術標準》適用于加油、加氣及與加氫的合建站，而《加氫站技術規范》僅適用于加氫站，前者適用范圍更廣。

在《加氫站技術規范》中規定，加氫站內工藝設施與站外建構筑物距離小于規范要求的1.5倍，且小于等于25米時，相應一側設置高度不低于2.5m的不燃燒實體圍墻。《汽車加油加氣加氫站技術標準》中規定，合建站內工藝設施與站外建構筑物之間，宜設置不燃燒實體圍墻，圍墻高度相對于站內和站外地坪均不宜低于2.2m。建議設計中圍墻高度按照2.5米設計。另外，《汽車加油加氣加氫站技術標準》中亦明確了其他加氫站設計規范未明確的放散管與周邊建筑物高度的關系，在設計單獨的加氫站時可參考此高度要求設置放散管高度。

2.2 臨氫管道設計

加氫站加注壓力一般包括35MPa與70MPa兩種類型，高壓高純度氫氣管道發生氫脆的可能性更大，在加氫站管道材質設計時應注意。現階段加氫站設計過程中高壓臨氫材料多采取316/316L雙相不銹鋼，316/316L雙牌號鋼常溫機械性能應滿足兩個牌號中機械性能的較高值，化學成分應滿足L級的要求，許用應力按316號鋼選取。最新的規范要求臨氫管道鎳含量大于12%，鎳當量大于28%。

為了安全，運氫車與卸氫系統管道連接時應安裝拉脫閥，在管道主管道上增加緊急切斷設施等。加氫設施內所有氫氣管道、閥門、管件的設計壓力不應小于最大工作壓力的1.1倍，且不得低于安全閥的整定壓力。結合我司多個項目設計經驗，在管道設計壓力不大于4.0Mpa時，推薦安全閥開啟壓力設定為1.1倍的設計壓力;在管道設計壓力大于4Mpa且不大于25Mpa時，推薦安全閥開啟壓力設定為1.05倍的設計壓力;在管道設計壓力大于25Mpa且不大于75Mpa時，推薦安全閥開啟壓力設定為設計壓力加1.25Mpa;

在管道設計時需要考慮應急設施，如在氫氣主管道上便于操作的位置設置緊急切斷閥，在連接儲氫容器的管道上設置緊急切斷閥。另外，加氫站內還有冷卻水管，其上需要設置溫度探測、壓力探測等，在氮氣管道上需要接止回閥防止高壓氫氣倒流至氮氣管路。

2.2 消防水及供電設計

加氫站用水一般接自市政供水管網，消防栓應在站區周邊150米范圍內。用水需求分為消防和冷卻用水、生活和生產用水（人員和站內澆灑）兩部分。其中，消防和冷卻水量指標參照《建筑設計防火規范》GB50016及其他規范選取，加氫合建站內用于儲氫容器的消火栓消防用水量不應小于15L/S，消火栓供水壓力應保證移動式水槍出口處水壓不小于0.2Mpa;冷卻用水一般設置在儲氫容器上方，目前在加氫站內較少設置，其用水量根據儲氣設施的相鄰情況、面積等計算而來;

加氫站可按照三級負荷考慮，其內壓縮機、冷水機等不必備用電源，一般推薦設置UPS不間斷電源供給控制系統及加氫系統以及罩棚照明、壓縮機間照明使用，推薦90分鐘的備用電量。

2.4 安全設計思想

氫是一種化學元素，無色無味無臭、極易燃燒，通常的單質形態是氫氣，目前加氫站內氫氣絕大多數是以高壓氣態的形式儲存及使用，氫氣是易燃、易爆化學品，易出現安全事故，尤其注意氫脆導致材料失效引起氫氣泄露;但是氫氣密度小，輕于空氣，一般比空氣擴散的相應速度高約3.8倍，在空氣中非常容易擴散，一旦氫氣泄漏到周邊環境之中，很快即散逸。

結合我司多個加氫站設計經驗，一般在加氫站設計中秉承如下思想：

1、在技術層面設置安全措施，避免氫氣泄漏;如使用能防止氫脆的316/316L不銹鋼管道，使用密封性更好的金屬硬密封措施，使用防氫脆耐壓更高的4130X材質儲氫容器等;

2、如若發生泄漏，安全措施及時生效;在加氫站高壓運行過程中如果不慎發生泄漏，氫氣泄漏報警器，需要及時有反饋，必要時可以聯動緊急切斷裝置，停止氫氣繼續輸入輸出;

3、即使發生氫氣泄漏，也不能使氫氣聚集并產生爆炸環境;發生泄漏時候氫氣及時排空，避免形成爆炸所需的條件，是預防氫氣泄漏事故的又一重要安全措施，我司在設計中國石化南京高淳城北科技新城加油加氫合建站過程中有針對性的做了氫氣泄漏排空考慮，所有可能形成聚集的空間都在頂部開孔，便于氫氣外排。如本站利舊的加油站罩棚改造，在最高處使用我司發明創造專利技術改造通風，專利名稱：一種加氫站罩棚，專利號：202020444721.2，此專利技術已經在多個項目上使用，如濰坊華潤206國道加氣站增設加氫站項目等，取得了良好的經濟價值與社會效益。

此外，管溝也是容易出現氫氣聚集的區域，在實際的設計過程中一般采取明溝敷設加透氣蓋板的設計方式，并且管道支架以及蓋板都需要選用不可燃材料進行制作，避免和除氮氣之外的其他管道同溝敷設。在設計管溝蓋板過程中，需要注意確保溝內保持良好的通風性，不得出現氫氣聚集問題;注意避免蓋板與管溝接觸點同時使用角鋼包覆等，不推薦使用有撞擊產生火花隱患的材料，目前已有符合相關安全要求的材料成品蓋板供應。

綜上，安全設計是加氫站設計中需要重點關注的核心問題，其設計思想是否合理，對加氫站的安全使用產生極大影響。在設計過程中，注意防火間距、管道材質、消防安全等工作，力求為加氫站安全運行做好頂層設計，確保安全無憂。

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