氫能制—儲—運安全與應(yīng)急保障技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張來斌，胡瑾秋，張曦月，肖尚蕊

中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249

0 引言

隨著世界能源需求的不斷增長和化石能源引起的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，新能源的開發(fā)與利用成為世界關(guān)注的熱點。

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。在2020年12月16日至18日北京舉行的中央經(jīng)濟工作會議上，國家主席習(xí)近平發(fā)表重要講話，部署2021年經(jīng)濟工作，將“做好碳達峰、碳中和工作”確立為2021年的八項重點任務(wù)之一。

氫能零污染、零碳、無次生污染，是公認的清潔能源，被譽為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和工作”最富成效的技術(shù)方案之一。氫能在解決能源危機、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要作用，并將成為我國能源體系的重要組成部分[1-2]。預(yù)計2030年，可用于氫能的氫氣產(chǎn)能可達1000億 m3/a，成為我國新的經(jīng)濟增長點和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分[3-4]。預(yù)計2050年氫能可在中國能源體系中占比約10%，氫氣需求量約6000×104t，年經(jīng)濟產(chǎn)值超過10萬億元；將建設(shè)加氫站1000座以上，10 000萬 kW燃料電池發(fā)電廠，3000 km以上氫氣長輸管道，交通運輸、工業(yè)等領(lǐng)域氫能普及應(yīng)用，制造1000萬輛燃料電池運輸車輛，燃料電池車(Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)產(chǎn)量520萬輛/年，固定式發(fā)電裝置2萬套/年，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能550萬套/年，加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，具有完善的氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施及基于氫能的分布式功能系統(tǒng)[5]。

然而氫能產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)設(shè)施具有關(guān)鍵零部件多、系統(tǒng)復(fù)雜、用材特殊、加工條件嚴(yán)苛等特點(如圖1所示），我國相關(guān)核心技術(shù)和自主化設(shè)備研發(fā)技術(shù)較為薄弱。相對于FCEV、加氫站及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國對氫能制—儲—運安全技術(shù)的系統(tǒng)性研究相對匱乏，落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，尚不具備支撐產(chǎn)業(yè)安全、健康快速發(fā)展的能力[6]。

圖1 氫能制—儲—運關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施Fig. 1 Critical infrastructure of hydrogen energy production-storage-transportation

氫氣易燃易爆、燃燒范圍寬(4%～75%)、點火能量低、擴散系數(shù)大且易對材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化影響，在制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸危險[7-8]。許多國際研究機構(gòu)在氫能源安全保障領(lǐng)域開展了一些前沿技術(shù)研究，如澳大利亞麥考瑞大學(xué)的可持續(xù)能源研究中心(MQ-SERC)成立了氫安全研究方向，開展了氫燃料電池汽車安全評價技術(shù)研究[9]，并為國際新能源企業(yè)提供氫能應(yīng)用安全方面的知識與技術(shù)咨詢服務(wù)[10]。日本橫濱國立大學(xué)與龍野機電等企業(yè)共同開展了氫燃料汽車加油機安全距離計算方法、加氫汽油發(fā)動機風(fēng)險比對等系列研究[11-12]。日本國家先進工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所安全與可持續(xù)科學(xué)研究中心對加氫站(Hydrogen Refueling Station，HRS)運行過程中人的生命風(fēng)險進行了定量評估，計算了3種事故情景的風(fēng)險：分配器周圍外部管道的氫氣泄漏、蓄能器連接管道的氫氣泄漏和加氫站壓縮機/連接管道的氫氣泄漏[13]。

英國奧斯特大學(xué)成立了氫安全工程與研究中心(Hydrogen Safety Engineering and Research Centre，HySAFER)，并陸續(xù)開展了氫氣安全應(yīng)用的數(shù)值模擬研究。首次制定了氫氣安全模擬的最佳實踐指南(Best Practice Guidelines，BGP)，其涵蓋了擴散、著火和爆炸等一系列現(xiàn)象[14-15]。歐洲氫氣安全委員會(EHSP)在于澳大利亞舉行的第八屆國際氫氣安全會議(ICHS 2019)上討論了從氫事件事故數(shù)據(jù)庫(HIAD 2.0)中吸取的經(jīng)驗教訓(xùn)，并介紹了其制定的安全規(guī)劃指南[16-17]。該數(shù)據(jù)庫是公開的，目的是促進提高氫安全意識，鼓勵用戶從他人的經(jīng)驗中獲得氫安全相關(guān)知識。為進一步發(fā)展和傳播氫安全知識以及協(xié)調(diào)氫安全領(lǐng)域的研究活動提供便利，歐盟成立國際氫安全協(xié)會“HySafe”，作為氫安全研究、教育和培訓(xùn)中心，促進氫安全知識的國際協(xié)調(diào)、發(fā)展和傳播。與此同時，美國能源部西北太平洋國家實驗室和美國化學(xué)工程師協(xié)會(AIChE)聯(lián)合成立氫安全中心(Center for Hydrogen Safety，CHS)[18]，通過制定全面的安全指導(dǎo)和教育材料，確保氫作為可持續(xù)能源載體的安全使用，并為全世界的技術(shù)解決方案提供論壇。Barilo在發(fā)表的文章中也系統(tǒng)性闡述了美國能源部(DOE)燃料電池技術(shù)計劃項目針對氫能研究、開發(fā)和示范、設(shè)計和制造、部署和運作等產(chǎn)業(yè)中氫能安全、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等方面取得的成功經(jīng)驗[19]。

相比之下，我國氫能安全技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱，氫能安全技術(shù)研究主要集中在氫燃料電池安全、氫/液氫泄漏與擴散行為、涉氫設(shè)備材料失效特性等基礎(chǔ)領(lǐng)域[20-21]，研究力量分散、深度仍待加強。文獻[7]從氫泄漏與擴散、氫燃燒與爆炸、氫與金屬材料相容性及氫風(fēng)險評價等方面，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外氫安全研究面臨的挑戰(zhàn)，并對我國氫安全的發(fā)展提出了建議。

本文圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)與關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)性分析了我國氫能基礎(chǔ)設(shè)施面臨的風(fēng)險因素以及安全保障技術(shù)瓶頸，從事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理、安全評估與完整性、安全檢測與監(jiān)測預(yù)警，以及事故應(yīng)急與保障機制等方面提出技術(shù)需求與建議，如圖2所示，為完善我國氫能制—儲—運安全與應(yīng)急保障技術(shù)體系提供參考。

圖2 氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險因素與技術(shù)瓶頸分析Fig. 2 Risk factors and technical bottleneck analysis of key infrastructure of hydrogen energy industry chain

1 氫能制備基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

氫原子本身并不存在于自然界中，其傾向依附于化學(xué)化合物(例如水分子)、碳水化合物(糖、生物質(zhì))以及碳氫化合物(石油、天然氣、沼氣)等物質(zhì)中的氧和碳原子。為了將氫從這些化合物中分離，可通過不同的途徑制氫，例如電解/光解水制氫，利用生物質(zhì)熱物理化學(xué)法或生物轉(zhuǎn)化途徑轉(zhuǎn)換制氫，以及針對化石燃料通過化學(xué)重整制氫。

通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣稱為“灰氫”，這種類型的氫氣約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95%。由水制氫的途徑需要提供大量電能以通過電解將水分子裂解而將氫與水分離。如果使用可再生能源如風(fēng)能、太陽能、海洋能等產(chǎn)生電力(碳排放為零)，那么產(chǎn)生的氫是清潔的，也就是“綠氫”。“藍氫”也由化石燃料產(chǎn)生而來，但主要來源是天然氣，并同時將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存(CCUS)，從而實現(xiàn)碳中和。“藍氫”是一種必要的技術(shù)過渡，有助于為綠色氫經(jīng)濟做好準(zhǔn)備。隨著時間的推移，制氫面臨的挑戰(zhàn)將是實現(xiàn)無碳或碳中性(綠色或藍色氫)的技術(shù)替代。

(1)重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理

在“灰氫”制備過程中，當(dāng)前主要以石化燃料化學(xué)重整為主(占比80%)，其中高溫高壓及氫能制取工藝流程風(fēng)險因素復(fù)雜，容易導(dǎo)致反應(yīng)容器完整性失效，進而引發(fā)危化品泄漏、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故(見表1所示)。例如2020年1月廣東省某重整裝置發(fā)生爆燃事故[22]，200名消防員趕赴現(xiàn)場處置。事故原因是預(yù)加氫反應(yīng)進料/產(chǎn)物換熱器E202A-F與預(yù)加氫產(chǎn)物/脫水塔進料換熱器E204AB間的壓力管道(250P2019CS-H)90°彎頭因腐蝕減薄破裂(爆裂口約950 mm×620 mm)，內(nèi)部帶壓(2.0 MPa)的石腦油、氫氣混合物噴出后與空氣形成爆炸性混合物，因噴出介質(zhì)與管道摩擦產(chǎn)生靜電火花引發(fā)爆燃。

表1 制氫過程事故模式與風(fēng)險因素分析Table 1 Analysis of accident modes and risk factors in hydrogen production process

在“綠氫”制備過程中，電解水和光解水是目前理論上最理想的技術(shù)，但仍處于研究階段，并集中于可再生能源等綠色制氫新技術(shù)、能源優(yōu)化、國產(chǎn)制氫裝備等方面的研究，在此方面存在的新興安全風(fēng)險仍缺乏系統(tǒng)性研究，與之相關(guān)的安全技術(shù)研究處于相對空白狀態(tài)。本文對可再生能源制氫過程中基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的故障模式與風(fēng)險因素進行了分析，如表2所示，對裝備關(guān)鍵故障模式、退化與失效機理以及安全風(fēng)險的系統(tǒng)性認知將是未來研究的重點。

表2 可再生能源制氫過程故障模式與風(fēng)險因素Table 2 Failure modes and risk factors in renewable energy hydrogen production process

在“藍氫”的制備過程中，有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即“天然氣制氫+碳捕獲與儲存(CCS)”。與“綠氫”相比，“藍氫”具有兩個明顯的優(yōu)勢：電力需求較低，融入了碳捕獲與儲存(CCS)技術(shù)，這也是“藍氫”與“灰氫”的不同之處。天然氣制氫環(huán)節(jié)包括蒸汽重整、部分氧化、CO2重整、催化裂解等主要技術(shù)[37]，其中面臨的風(fēng)險與“灰氫”制備過程相近。然而在CCS環(huán)節(jié)，學(xué)者們關(guān)注的主要風(fēng)險聚焦在CO2地質(zhì)封存階段，研究的問題大致可以分為兩類：一是潛在CO2泄漏引發(fā)的健康安全環(huán)境風(fēng)險；二是與地質(zhì)封存場所相關(guān)的安全性問題[36]。CCS環(huán)節(jié)安全風(fēng)險問題詳見表3所示。

表3 CCS環(huán)節(jié)安全風(fēng)險問題Table 3 Safety and risk hazards during CCS stage

(2)安全檢測與監(jiān)測預(yù)警

在天然氣等化石能源重整制氫過程的安全監(jiān)測預(yù)警方面，存在異常工況多樣且有效樣本稀少、設(shè)備性能及原料性質(zhì)變化引起數(shù)據(jù)“噪聲”干擾等問題，易引發(fā)大量誤報警及延遲報警，如圖3所示。同時，操作調(diào)節(jié)頻繁且與異常工況耦合互擾，急需增強早期監(jiān)測預(yù)警能力，針對突發(fā)事件提高實時分析、集中研判能力。因此，大規(guī)模集中制氫系統(tǒng)風(fēng)險實時評估與早期預(yù)警成為氫能制備基礎(chǔ)設(shè)施安全保障的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖3 異常工況及安全監(jiān)測預(yù)警面臨的挑戰(zhàn)Fig. 3 Challenges faced by abnormal working conditions and safety monitoring and early warning

風(fēng)電等可再生能源的隨機性、不穩(wěn)定性、波動性較大，而水電解制氫設(shè)備對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高。頻繁的電力波動會對設(shè)備的運行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響，急需有效、精準(zhǔn)、低成本、智能化的設(shè)備運行監(jiān)測診斷及壽命動態(tài)預(yù)測技術(shù)、環(huán)境危險氣體的智能檢監(jiān)測設(shè)備以及制氫設(shè)施缺陷檢測技術(shù)與智能化裝備，如圖4所示。

圖4 環(huán)境危險氣體的檢監(jiān)測及制氫設(shè)施缺陷檢測技術(shù)與智能化裝備Fig. 4 The detection and monitoring and the defect detection technology and intelligent equipment of hydrogen production facilities of environmental dangerous gases

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評估及結(jié)構(gòu)完整性

氫能源生產(chǎn)過程中器件易發(fā)生腐蝕與損害，涉氫設(shè)施與材料的失效機理、損傷擴展機理以及缺陷定量評估尚缺乏完備的理論依據(jù)與實驗支撐條件。涉氫設(shè)備、材料和部件的安全可靠性測試評估方法和檢測認證手段缺乏，涉氫設(shè)備、管線、閥門、儲氫罐等的缺陷評估標(biāo)準(zhǔn)與完整性管理體系急需包括實際應(yīng)用過程的所有事故場景。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險控制

最具前景的PEM電解制氫，其設(shè)備簡單、占地面積小、應(yīng)用條件靈活且裝運方便(可以設(shè)計成可移動款式，搭建分布式制氫站點)，非常適合在大城市、臨時場景、獨立的產(chǎn)業(yè)園區(qū)中使用。然而我國社區(qū)與人口特點與國外社區(qū)布局具有顯著差異，國外標(biāo)準(zhǔn)無法直接應(yīng)用，我國分布式制氫站的風(fēng)險防控與應(yīng)急處置需結(jié)合我國自身國情特點，如圖5所示。現(xiàn)場應(yīng)急處置關(guān)鍵參數(shù)(氫氣泄漏擴散濃度的分布、人員疏散范圍、疏散路徑等)急需結(jié)合我國城鎮(zhèn)布局進行科學(xué)量化，目前仍缺乏多源災(zāi)害場景應(yīng)急疏散過程中對人員風(fēng)險的系統(tǒng)認知。

圖5 社區(qū)結(jié)構(gòu)特點不同對搭建分布式制氫站點的安全保障提出更高的要求Fig. 5 The different characteristics of community structure put forward higher requirements for the safety of distributed hydrogen production stations

2 氫能源存儲基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

高效利用氫能源的關(guān)鍵在于氫氣的儲運，同時它也是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要因素。氫氣儲存的主要途徑為氫氣經(jīng)由壓縮或液化的純氫儲存、地下儲存氫、儲氫合金(金屬氫化物)儲存，以及轉(zhuǎn)化成天然氣等燃料氣后管網(wǎng)輸運或儲存，見表4所示。

表4 氫氣儲存方式優(yōu)缺點分析Table 4 Analysis of advantages and disadvantages of hydrogen storage

(1)重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理

典型儲氫過程中存在的風(fēng)險因素如表5所示。其中：儲氫設(shè)施內(nèi)膽腐蝕和氫脆、疲勞、氫氣滲透等問題將造成設(shè)施局部塑性下降，裂紋拓展速度增快，甚至?xí)?yán)重影響儲氫設(shè)施的服役壽命并引發(fā)泄漏事故。針對氫氣泄漏機理與擴散行為，如氫氣突發(fā)泄漏與擴散機理研究仍面臨挑戰(zhàn)，包括泄漏口形狀、障礙物、氫濃度梯度及空氣浮力對氫泄漏擴散的影響規(guī)律；泄漏模型優(yōu)化及峰值壓力預(yù)測方法；多處泄漏時不同氫射流之間的相互作用與影響等問題[7]。

表5 典型儲氫過程中存在的風(fēng)險因素Table 5 Risk factors for typical hydrogen storage processes

(2)安全檢測與監(jiān)測預(yù)警

氫在受限空間內(nèi)泄漏后，易發(fā)生氫氣的積聚，形成可燃氫氣云。氫燃燒范圍寬，點火能量低，若泄漏后被立即點燃會形成射流火焰(氫噴射火)。因此，氫能源的分布式存儲急需不斷發(fā)展復(fù)合檢監(jiān)測技術(shù)、遠程自動監(jiān)測與安全大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。另一方面，氫能存儲形式多樣、環(huán)境與條件苛刻，安全操作與及時預(yù)警難以得到有效保障，急需形成氫能存儲安全信息“智能采集—高效傳輸—快速融合—智慧決策—早期預(yù)警”一體化技術(shù)，見圖6所示。

圖6 氫能存儲安全信息“智能采集—高效傳輸—快速融合—智慧決策—早期預(yù)警”一體化技術(shù)架構(gòu)Fig. 6 “Intelligent acquisition-efficient transmission-fast fusion-intelligent decision-early warning” integrated technical framework for safety information of hydrogen energy storage

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評估及結(jié)構(gòu)完整性

金屬材料長期在氫環(huán)境下工作，會出現(xiàn)性能劣化的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅氫系統(tǒng)的服役安全。我國已陸續(xù)建立了氫氣儲存輸送系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但相比國際及美國標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性及完備性(見表6所示)我國行業(yè)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍需要不斷完善。

表6 氫氣儲存輸送系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Safety Standards of hydrogen storage and delivery systems

國際首個氫能系統(tǒng)定量風(fēng)險評價工具[23-25]“Hy-RAM”集成了與氫安全相關(guān)的最先進、經(jīng)驗證的科學(xué)和工程模型及數(shù)據(jù)。該工具包提供了一種標(biāo)準(zhǔn)方法，用于氫燃料和儲存基礎(chǔ)設(shè)施定量風(fēng)險評估(QRA)和后果分析，其包含9種類型的氫氣系統(tǒng)設(shè)備故障的一般概率、氫氣點火的一般概率以及熱流和壓力對人和結(jié)構(gòu)影響的概率模型。

在氫能存儲關(guān)鍵設(shè)施安全評估及結(jié)構(gòu)完整性領(lǐng)域，主要面臨的挑戰(zhàn)包括：需加強與完善氫與儲氫材料之間的相容性試驗，建立適用于我國國產(chǎn)裝備的氫氣存儲設(shè)施安全及完整性評估標(biāo)準(zhǔn)；評估模型的準(zhǔn)確性、氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效/泄漏頻率等方面的有效數(shù)據(jù)、變工況下儲氫設(shè)施動態(tài)安全評估理論體系等。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險控制

這張賽車的照片足夠清晰銳R），然后裁掉草地、柱子和左側(cè)的利，但構(gòu)圖過于凌亂，整個畫面還 第三輛車，還有畫面右上方的白線。可以再處理一下，創(chuàng)造出更強烈的打開基本面板，將陰影滑塊右移，動感。首先我們要做的是裁掉畫面 還原兩輛賽車的部分細節(jié)。 將飽和中不需要的部分，引導(dǎo)觀眾的注意 度滑塊右移至+25，增強賽車色彩。力集中在兩輛賽車上。操作步驟在跑道處放置漸變?yōu)V鏡，將前景的如下。 將照片導(dǎo)入Lightroom跑道亮度減暗，然后在效果面板的裁中，點擊右邊的裁剪疊加（快捷鍵 剪后暗角中略微壓暗四角。

2020年——2050年氫能產(chǎn)業(yè)成為我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，氫能存儲(含便攜移動式)設(shè)施將深入城市中心等人群居住密集區(qū)。一旦發(fā)生突發(fā)事件，將造成嚴(yán)重后果并產(chǎn)生危害公共安全的衍生事故，對城市居民日常生活帶來極大風(fēng)險。目前仍缺乏對氫泄漏等事故的全過程性研究，需重點加強對儲氫設(shè)施破壞形式、泄漏、擴散、燃燒或爆炸全過程的事故演變規(guī)律研究，應(yīng)急維搶修風(fēng)險計算模型與評估方法研究，以及建立全方位、立體化、智能化的氫能存儲設(shè)施安全與應(yīng)急保障支撐體系。

3 氫能源輸運基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

國際上氫氣輸運方式包括長管拖車氣態(tài)輸運、液氫罐車輸運和管道輸運等，如表7所示。2019年，美國、韓國、挪威分別在氫輸運、加注等過程發(fā)生了氫安全事故，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匦紩和＜託湔具\營，引發(fā)了業(yè)界對氫能利用安全技術(shù)研究的重視與關(guān)注。

表7 氫氣輸運方式及優(yōu)缺點分析Table 7 Advantage and disadvantage analysis of different hydrogen transportation types

(1)重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理

利用已有相對完善的天然氣管道設(shè)施，摻入一定比例的氫氣進行傳輸[29]，已成為歐美各國的研究熱點，為傳統(tǒng)油氣行業(yè)參與氫能產(chǎn)業(yè)、獲得效益增長點提供了寶貴機遇。我國在此領(lǐng)域的研究尚未覆蓋各項風(fēng)險因素(如圖7所示)，安全保障技術(shù)缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。面臨的主要挑戰(zhàn)包括：摻氫后對管道材料、壓縮機和管件等附屬設(shè)施的影響，對居民、燃氣輪機和內(nèi)燃機等下游用戶的影響，對管道泄漏與運行安全的影響等風(fēng)險及其演化與災(zāi)變機理缺乏科學(xué)系統(tǒng)的認知。

圖7 管道摻氫輸運風(fēng)險因素及挑戰(zhàn)Fig. 7 Risk factors and challenges of hydrogen-doped pipeline transportation

(2)安全檢測與監(jiān)測預(yù)警

長管拖車氣態(tài)輸運、液氫罐車輸運過程中，交通狀況、人員操作及周邊環(huán)境多變，突發(fā)事件具有隨機性。智能化檢監(jiān)測技術(shù)多集中于搭建遠程車載監(jiān)測設(shè)備、5G通信以及對數(shù)據(jù)的低層次統(tǒng)計分析，缺乏對新型輸運裝備故障模式、人員違章操作等安全隱患的智能預(yù)警與風(fēng)險溯源。

管道施工過程中需加強對摻氫管道焊縫、無損檢測的管理，適當(dāng)加大埋深，開展穿越公路、鐵路、街道時套管加設(shè)排氣管等風(fēng)險控制技術(shù)與裝備研究。運營時需加強對管道泄漏的實時在線檢測，建立摻氫天然氣泄漏早期預(yù)警與應(yīng)急保障體系。

在氫能輸運基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：已有安全監(jiān)控系統(tǒng)以信號監(jiān)測為主，缺乏邏輯分析推理能力；智能化程度低，過多依賴案例支撐，案例少，智能化水平低；故障發(fā)生后，過多依賴專家經(jīng)驗，現(xiàn)實是企業(yè)一般缺少相關(guān)的專家；缺少相關(guān)的失效數(shù)據(jù)支撐，氫能設(shè)施備品備件管理難度大；設(shè)備安全監(jiān)管覆蓋不足，高危區(qū)域設(shè)備人員檢查不便，設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)督面臨難題。

將可再生能源制得的氫氣摻入現(xiàn)有的天然氣管線進行輸送，能夠大幅度地節(jié)約管道建設(shè)成本，但材料與摻氫天然氣之間的相容性需要系統(tǒng)深入地評估。國內(nèi)已開展了一些重要的探索性研究，例如趙永志等[26-27]總結(jié)了摻氫天然氣與配送管道、長距離輸送管道及管網(wǎng)其他設(shè)備(儲存設(shè)備、動設(shè)備)的相容性，認為對長距離高壓輸送管道的影響程度主要取決于管道操作壓力和摻氫比例。蒙波[28]針對摻氫天然氣高壓輸送管道的安全性問題進行研究，得到了X70、X80管線鋼在不同摻氫比例下的力學(xué)性能劣化規(guī)律。然而在此領(lǐng)域仍然面臨的主要挑戰(zhàn)包括：臨氫環(huán)境下裂紋萌生和擴展機理；氫環(huán)境與材料相容性數(shù)據(jù)庫的完善(氫環(huán)境包括氫氣環(huán)境和摻氫天然氣環(huán)境，材料包括金屬材料和非金屬材料)；零部件材料和制造工藝對其抗氫脆性能的影響；國際統(tǒng)一的氫與材料相容性試驗標(biāo)準(zhǔn)、摻氫天然氣儲輸標(biāo)準(zhǔn)等[29]。

對于在運行的天然氣管道摻氫，不同管道的服役年限、材料等都會對摻氫比例有不同影響，對已有設(shè)施和下游用戶的影響也不同，應(yīng)建立適應(yīng)不同場景的摻氫可行性的評估標(biāo)準(zhǔn)和評估方法。對于新建的天然氣管道，尤其是中低壓管道，在設(shè)計時可以考慮摻氫。從設(shè)計源頭就把摻氫的影響考慮在內(nèi)，如在管道材料選擇時考慮耐氫脆的低合金鋼，對摻氫比例耐受范圍進行模擬和評估。在上述領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：急需典型氫應(yīng)用場景下(高壓氫氣輸運、液氫輸運、摻氫天然氣輸運等)氫事故的QRA評估方法；形成氫系統(tǒng)綜合風(fēng)險評價方法，以及氫能輸運基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)重大危險源辨識方法；構(gòu)建風(fēng)險量化計算與評價指標(biāo)體系，同時建立有效的事故緩解方法和應(yīng)急安全響應(yīng)機制等。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險控制

氫能輸運事故處置應(yīng)急不僅需要專業(yè)的維搶修隊、管道及罐車搶修設(shè)備，同時需要社會依托資源的協(xié)助，在此領(lǐng)域急需建立氫能輸運協(xié)同應(yīng)急與智慧決策大數(shù)據(jù)平臺及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，如圖8所示。

圖8 氫能輸運協(xié)同應(yīng)急與智慧決策關(guān)鍵技術(shù)Fig. 8 Key technology of coordinated emergency response and intelligent decision making for hydrogen energy transportation

4 氫能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施安全現(xiàn)狀及面臨挑戰(zhàn)

截止2019年底，全球已建成432座加氫站，其中歐洲177座，亞洲178座，北美74座[30]。以氣氫加氫站為主，加注壓力多為70 MPa，液氫加氫站約占30%。建站方式正由單一加氫站向加氫/加油(氣)、加氫/充電等合建站方向發(fā)展。目前氫能源供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)仍有待完善，試驗?zāi)芰A(chǔ)欠缺。加氫站建設(shè)及運營規(guī)范、70 MPaⅣ型氫瓶標(biāo)準(zhǔn)等還有待完善。

(1)重大事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理

在密閉空間下，氫氣的燃燒速度約為天然氣和汽油的7倍，氫氣比其他燃料更容易發(fā)生爆燃甚至爆轟。氫燃料電池汽車最大的潛在風(fēng)險是在密閉的車庫內(nèi)氫氣發(fā)生緩慢泄漏，逐漸累積導(dǎo)致著火或爆炸。司戈[31]指出以下4種失效會產(chǎn)生嚴(yán)重的氫泄漏事故：①燃料管路或元件的密封失效；②探測氫和切斷氫管路的傳感系統(tǒng)失效；③儲氫瓶上的流量閥失效；④控制燃料電池氫流量的計算機程序失效。因此，結(jié)合氫燃料電池的應(yīng)用場景，氫氣在隧道、地下停車場、社區(qū)車庫等受限空間的泄漏擴散規(guī)律仍有待深入研究。

另一方面，我國已建立的車用氫能安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)在科學(xué)性和完整性等方面仍需進一步發(fā)展和提升。目前我國FCEV相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定由國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會下設(shè)的若干標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會負責(zé)，主要涵蓋整車標(biāo)準(zhǔn)、燃料系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、通用基礎(chǔ)等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)以借鑒、參考、翻譯國外標(biāo)準(zhǔn)為主，缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)和必要的安全技術(shù)研究支撐[6]。因此，急需圍繞我國氫能的應(yīng)用場景特點，開展不同工況下的氫能應(yīng)用安全風(fēng)險評估、測試、以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制等研究工作。

(2)安全檢測與監(jiān)測預(yù)警

我國應(yīng)急管理部天津消防研究所等單位開展了加氫站事故風(fēng)險與消防安全技術(shù)研究[32]，對加氫站氫泄漏、火災(zāi)、爆炸風(fēng)險進行了梳理分析，并提出了加氫站不同區(qū)域的消防安全措施和未來發(fā)展方向。中國石化等單位對氫燃料電池汽車加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行了分析[33]，針對我國加氫站建站模式、等級劃分、平面布置、管道鋪設(shè)、壓縮機設(shè)置、建筑及安全設(shè)施等問題，對我國加氫站設(shè)計與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提出了合理化建議。

加氫站是建設(shè)氫能社會的重要環(huán)節(jié)之一，其安全問題一直受到全社會的高度關(guān)注。針對我國加氫站建站的實際情況，建設(shè)FCEV與加氫站設(shè)備設(shè)施監(jiān)檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備運維管理數(shù)據(jù)管理與分析中心，研發(fā)基于人工智能、大數(shù)據(jù)的智能診斷技術(shù)，建設(shè)智能診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)氫能供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測、設(shè)備生命周期健康評估、故障預(yù)警實時提示、加氫站安全隱患智能視頻監(jiān)控及預(yù)防維護優(yōu)化決策，成為氫能安全、高效、可靠應(yīng)用領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，如圖9所示。

圖9 FCEV與加氫站設(shè)備設(shè)施安全檢測與監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢Fig. 9 Development trend of key technologies for safety detection, monitoring and early warning of FCEV and hydrogenation station equipment and facilities

(3)關(guān)鍵設(shè)施安全評估及結(jié)構(gòu)完整性

我國目前尚不具備國外普遍使用的FCEV供氫系統(tǒng)裝備的產(chǎn)業(yè)化能力，國外供氫系統(tǒng)壓力普遍是70 MPa，由于技術(shù)和制造能力限制，我國FCEV用氫壓力為35 MPa。35 MPa供氫壓力極大降低了FCEV的行駛里程，增加了氫氣的儲存運輸成本，未來采用70 MPa系統(tǒng)是必然趨勢，急需建立可靠的檢驗測試方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。我國已有一些企業(yè)成立了試驗中心開展相關(guān)的研究工作，例如，長城氫能已建設(shè)燃料電池試制車間、燃料電池試驗中心、儲罐試制車間、儲罐安全性試驗中心、70 MPa加氫站、理化試驗室。在儲氫安全性、燃料電池、系統(tǒng)性能、整車性能等領(lǐng)域具備先進的檢測能力。未來急需更多的產(chǎn)—學(xué)—研聯(lián)合科研機構(gòu)共同研發(fā)針對加氫站關(guān)鍵涉氫設(shè)備、材料和部件的安全可靠性測試方法和檢測認證體系，涵蓋燃料電池安全、整車安全、儲氫罐安全以及全生命周期安全與完整性保障體系。

(4)事故應(yīng)急與風(fēng)險控制

加氫站突發(fā)事故具有復(fù)雜性、不確定性、隨機性等特點，需要建立合理、有效的應(yīng)急預(yù)案和人員疏散方案，對加氫站泄漏等突發(fā)事故及其次生衍生的風(fēng)險進行科學(xué)預(yù)測與防控。實現(xiàn)由氫氣泄漏單一災(zāi)害的應(yīng)急向災(zāi)害鏈復(fù)雜演變及其協(xié)同應(yīng)急技術(shù)轉(zhuǎn)變，為城市氫能供應(yīng)安全風(fēng)險防控與應(yīng)急提供基礎(chǔ)理論、方法、模型、分析軟件和應(yīng)急決策支持系統(tǒng)。

5 技術(shù)需求分析與發(fā)展建議

綜合上述對氫能源在制備、存儲、輸運以及供應(yīng)等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的安全現(xiàn)狀、風(fēng)險因素及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)等系統(tǒng)性辨識，本文進一步從事故風(fēng)險演化與災(zāi)變機理、安全評估與完整性、安全檢測與監(jiān)測預(yù)警，以及事故應(yīng)急與保障機制等方面提出技術(shù)需求與發(fā)展建議，如表8所示，可見在氫能產(chǎn)業(yè)不同環(huán)節(jié)和生命周期中，技術(shù)需求和難點分布也各有側(cè)重點。例如，在氫能制備領(lǐng)域，關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性、事故預(yù)防與控制是難點和熱點問題。而在氫能儲存領(lǐng)域，安全檢測與監(jiān)測、關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)及結(jié)構(gòu)完整性、事故預(yù)防與控制，以及安全標(biāo)準(zhǔn)化與保障機制成為難點和熱點問題。

表8 氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)安全保障技術(shù)需求和難點Table 8 Technical requirements and difficulties of safety assurance in different stages of hydrogen energy industry chain

針對氫能產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)安全保障技術(shù)需求和難點，提出氫能產(chǎn)業(yè)安全保障技術(shù)體系發(fā)展建議如圖10所示，包含4大技術(shù)領(lǐng)域，12項主體技術(shù)群，以及16項關(guān)鍵技術(shù)，并將各項關(guān)鍵技術(shù)與國際研究現(xiàn)狀進行技術(shù)水平對標(biāo)，見圖11所示，其中有5項技術(shù)與國外存在差距，包括：涉氫材料、部件等的安全可靠性測試評估方法、氫能分布式存儲復(fù)合檢監(jiān)測技術(shù)等；5項技術(shù)與國際同步發(fā)展，包括：氫能儲運設(shè)備設(shè)施安全與完整性管理技術(shù)等；6項技術(shù)研發(fā)成功后將處于國際領(lǐng)先水平，包括：氫能輸運過程突發(fā)事件監(jiān)測預(yù)警與智慧應(yīng)急決策等技術(shù)。

圖10 氫能產(chǎn)業(yè)安全保障技術(shù)體系發(fā)展建議Fig. 10 Development suggestions of safety guarantee technology system for hydrogen energy industry

圖11 我國氫能安全保障技術(shù)與國際技術(shù)水平對標(biāo)Fig. 11 China’s hydrogen energy safety technical planning and international technical standards

根據(jù)上述技術(shù)需求分析，提出我國2020年——2035年期間在氫能制—儲—運安全與應(yīng)急保障技術(shù)發(fā)展建議，如表9所示。2020年——2025年期間，重點開展支撐能力建設(shè)，包括：氫能安全研究與總體規(guī)劃設(shè)計，加大科技投入，規(guī)劃國家氫能安全重點實驗室，開展氫能安全標(biāo)準(zhǔn)體系的修訂與完善。2020年——2025年期間，重點開展氫能制—儲—運關(guān)鍵設(shè)施安全機理與技術(shù)裝備研究，包括：氫能“制儲運”事故與風(fēng)險演化機理，安全應(yīng)急與風(fēng)險防控技術(shù)與裝備，以及氫能全生命周期安全智能管控平臺技術(shù)研發(fā)。2020年——2025年期間，重點開展融合應(yīng)用與保障體系研究，包括：氫能基礎(chǔ)設(shè)施人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)融合應(yīng)用，以及開展氫能基礎(chǔ)設(shè)施本體安全與完整性保障體系等研究。

表9 我國2020年——2035年期間在氫能制—儲運安全與應(yīng)急保障技術(shù)發(fā)展建議Table 9 Development suggestions for hydrogen energy production-storage-transportation safety and emergency support technology in the Period of 2020-2035 in China