氢能源汽车加氢站设计中的安全分析

发表于：2020-08-10 来源：氢云链

近年来，国家从战略发展、产业结构、能源科技、财政支持等方面相继发布了一系列政策，引导并鼓励包括氢燃料电池和相关产业在内的氢能产业发展。但目前，国内在燃料电池技术发展、氢能产业装备制造等方面相对滞后，氢能产业发展速度落后于发达国家。

氢气是可燃气体，着火、爆炸范围宽，下限低，但氢气密度小、扩散迅速，加氢站的安全可靠运营至关重要，加氢站的设计、施工、建造必须认真贯彻各项方针政策，应切实采取防火、防爆安全技术措施。加氢站建设时，应认真分析比较，采用安全可靠、技术先进、经济合理的设计方案，认真执行本规范的各项规定，确保加氢站的设计、施工均能做到安全可靠、满足使用要求。

加氢站的建设是发展环境友好的氢能汽车不可缺少的基础设施建设，也是城镇建设的重要基础设施内容，为了充分发挥各类城镇现有的汽车加油站、加气站、加油加气站的功能条件，根据近年来欧洲和美国、日本等已建的数十个氢能汽车加氢站的建造、运营经验，依据具体条件，一些加氢站是与原有的汽车加油站或加气站合建。

国内可在已建的汽车加油站、加气站、加油加气站内增建氢能汽车加氢站的可能性或在新建氢能汽车加氢站时，同时规划合建加油站或加气站或加油加气合建站。这样建设的“合建站”，就可以减少占地而积、降低建造费用，也可以方便运行管理和使用。本文从以下几个方面做加氢站安全分析。

1 安全距离控制

加氢站在安全距离控制方面也参照了传统加油站、加气站安全控制距离。在现行国家标准《氢气站设计规范》GB50177中，对氢气罐是按其总容积(m3)划分为小于或等于1000、1001～10000、10001～50000、大于50000m3四个等级作出了不同的规定。在现行国家标准《建筑设计防火规范))GB50016-2018中第4.3.1条表4.3.1中将可燃气体储罐与建、构筑物的防火间距规定按储罐总容积V(m3)划分为V<1000、1000≤V<10000、10000≤V<50000、50000≤V<100000m3四个等级。

加氢站等级主要是按储氢罐总容积划分，一级站为4000kg(不含4000kg)～8000kg氢气，折合气态氢气为44000～88000m3；二级站为1000kg(不含1000kg)～4000kg氢气，折合气态氢气为1100044000m3；三级站为小于或等于1000kg氢气，折合气态氢气为11000m3。

在现行国家标准《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156中，对加油站的等级划分见表1。

表1 加油站的等级划分

加油站的油罐容积宜为3～5d的销售量；年销售量为5000t/a的加油站在我国城市中已建设很多，此类加油站的油罐总容积需达到65～1l0m3，所以将二级站的油罐总容积确定为120m

建设在城市郊区或公路两侧等开阔地带的加油站允许的油罐总容积，比城市建成区内的加油站油罐总容积大一些，一级站油罐总容积为121～180m3。

三级加油站是从二级站派生出来的，在城市建成区内建筑物、构筑物比较密集，若按二级加油站建站，有时不能满足防火距离要求，需要减少油罐总容积，以降低加油站的运行风险，三级站的油罐总容积为小于或等于60m3。

加油站油罐的单罐容积的限制，既考虑了安全因素，又考虑了加油站的运营需要；柴油的闪点较高（属两类)，其危险性远不及汽油(甲类)，所以规定柴油罐容积可折半计入油罐总容积。按燃油、氢气的能量密度进行折算，1m3燃油约折算为250kg·H，在加油站的等级划分中油罐总容积分别为180m3、120m3、60m3时，相对应的氢气容量约为45000kg、30000kg、15000kg，油罐单罐容积为30m3、50m3，相对应的氢气量为7500kg、12500kg。

而加氢站等级划分储氢罐总容量分别为8000kg、4000kg、1000kg；储氢罐单罐容量分别为2000kg、1000kg、500kg，按能量折算仅为燃油的1/l5～1/50。

表2 加氢站的等级划分

加氢站内的储气设施是用于储气和均衡地对氢能汽车充装氢气，氢气储罐的容量越大，其危险度和影响越大，为此在城市建成区内建设加氢站时，由于受到防火距离和安全因素的限制，将储氢罐总容量减少至小于1000kg，且储氢罐与相关建筑物、构筑物的防火间距应严格遵守规范规定。

由于加氢站的危险程度主要与站内储氢罐的总容量和储氢罐单罐容量有关；而加油站的危险程度主要与站内油罐总容量和油罐单罐容最有关，而加氢加油合建站的等级划分与加氢站、加油站的等级划分相对应，并考虑合建后危险程度的叠加因素和满足加氢、加油的安全运营需要，使某一等级的加氢站和加油站合建站的危险程度与同一级别的加氢站或加油站的危险程度基本相当，来确定合建站的等级。

2 管道材质及相关

加氢站加注压力分为35MPa和70MPa两种，而且高压氢气管道会有氢脆现象的产生，故对于管道材质比加气站要求更高。

目前，绝大多数加氢站使用的管道材质都为316L，316L是一种不锈钢材料牌号，AISI316L是对应的美国标号，sus316L是对应的日本标号。我国的统一数字代号为S31603，标准牌号为022Cr17Ni12Mo2（新标），旧牌号为00Cr17Ni14Mo2，表示主要含有Cr、Ni、Mo，数字表示大概含有的百分比。国家标准为GB/T20878-2007。

而氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。氢蚀的脆化机构是由于高温高压下的氢与钢中的碳作用而生成甲烷气泡所致。甲烷气泡的成核一般在夹杂物上。

氢蚀潜伏期的结束也即变脆的开始，必须使甲烷气泡达到相当高的密度才能产生，而且这些气泡必须分布在晶界上，才能使钢材脆化。

由于加氢站管道输送压力较高，如果管道材质含碳量价高，在输送高压氢气的时候就易发生氢脆现象，造成管道应力集中，破损泄漏等安全事故。

3 氢气散逸

氢气的主要性能是气态氢的密度为0.0898kg/m3(101.3kPa，0℃时)，约为空气密度的1/14；无色、无嗅的可燃气体，在空气中的着火温度为574℃，在氧气中的着火温度为560℃；着火燃烧界限在空气中为4%～75%(体积)，在氧气中为4.5%～94%(体积)；爆轰界限在空气中为18.3%～59%(体积)，在氧气中为15%～90%(体积)最小着火能在空气中为0.19mJ)。在氧气中为0.07mJ；氢气易扩散、易泄漏，由于分子量小和理由度小，约比空气扩散快3.8倍，所以氢气既比空气轻，又易扩散，一旦泄漏到周围环境中，一般呈上升趋势。

氢气的爆炸范围很宽，爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度），在加氢站内泄漏的氢气如果得不到及时的释放，很容易造成安全事故。

加氢站加氢罩棚是一个容易引起氢气聚集的装置，而且此区域人员活动较为密集，安全性更加重要。为此目前规范对于加氢站罩棚有明确的要求，即罩棚内表面应平整，坡向外侧不得积聚氢气。