选择性利用油气站布局加氢站的安全条件分析

选择性利用油气站布局加氢站的安全条件分析

卢连俊

中国石油甘肃张掖销售分公司 甘肃 张掖 734000

摘要：按照国家节能与新能源汽车技术路线图的规划，随着燃料电池车对氢气需求量的增加，加氢站数量和规模会逐步扩大，如何利用现有油气网络布点建设加氢站，最大限度利用油气站土地且满足加氢站建设相关标准规范条件，按照“清洁替代、战略接替、绿色转型”三步走的总体部署，合理规划加氢站或加油加氢合建站显得尤为重要。

关键词：加氢站；站址选择；总平布置；工艺安全；爆炸危险区域

引言：

在中国“十四五”氢能产业发展论坛上，脱碳愿景已成为氢能大规模部署的重要驱动力。能源局正在组织编制的“十四五”规划中，将氢燃料电池技术和加氢站发展列为“十四五”期间能源技术装备的主攻方向和重点任务。在新能源替代加速的情况下，利用现有油气网络尝试改扩布局加氢站无疑是最经济、最快速的方式，本文就利用现有油气网络，在满足《加氢站技术规范》GB50516-2010等相关标准规范的情况下对站址选择、总平布置、工艺安全措施、消防设施等方面进行安全条件对比分析。

正文：

目前，加氢站建设现有标准规范主要有《加氢站技术规范》（GB50516-2010）、《加氢站安全技术规范》（GB/T 34584-2017）和《移动式加氢设施安全技术规范》（GB/T31139-2014）、《汽车用压缩氢气加气机》（GB/T31138）。2021年3月26日，《加氢站技术规范》GB50516-2010（2021年版）正式发布，自2021年5月1日起实施，经此次修改的原条文同时废止。本次修订主要更新了加氢站等级划分，补充完善了氢储存系统、氢气加氢机、氢管道及附件设备技术要求，补充完善了防雷、接地和防静电技术及氢气系统运行管理要求，对加氢站、加氢加气合建站与加氢加油合建站建设有了明确的规范依据。

1 站址选择

GB50516明确规定加氢站可与天然气加气站或加油站联合建站，应结合供气方式进行设计，可采用氢气长管拖车运输、氢气管束式集装箱运输、液氢罐车运输、液氢罐式集装箱运输、管道运输或站内制氢系统等方式供氢。但在城市中心区不应建设一级加氢站，其它加氢站宜靠近城市道路，但不应设在城市主干道的交叉路口附近。这为目前加油站增设布局加氢站提供了规范依据，可以满足各区域不同的氢源保障条件，但需要注意的是在从市中心区不能选址建设一级加氢站，且城市中心区交叉路口也不能选址建设加氢站，这制约了目前大部分布局在城市道路交叉路口加油（气）站改建布点的可能性。加氢站的氢气工艺设施主要有储氢容器、氢气压缩机（间）、加氢机、放空管口，这些工艺设施与站外建构筑物的安全距离有严格要求，相对于《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156)对重要公共建筑物、明火或散发火花地点、一二三类保护物、甲类物品仓库、甲乙丙类液体储罐、变配电站等站外建构筑物的安全间距更大，尤其是加氢站放空管口的安全距离比加气站放散管口还要严格。另外《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156)规定“架空线路不应跨越加油加气站的加油加气作业区，架空通信线路不应跨越加氢站的加气作业区”，但《加氢站技术规范》（GB50516）规定“架空线路和架空通信线不应跨越”，要求更为严格。故加油（气）站改、扩建加氢站应选择满足规划、规范、消防、安全等条件允许的加油（气）站，在此基础上进行改、扩建，站址选择应避开高压线，远离铁路、重要公共建筑物、明火以及散发火花地点。

2 总平面布置

GB/T 34584明确规定加氢站、加氢加气合建站与加氢加油合建站站内设施之间的防火距离应符合GB 50156 和 GB 50516的规定且站内的加氢、加气、加油、充电等不同介质的工艺设施不宜交叉布置。

对于储氢容器、氢气压缩机（间）、加氢机等站内设施之间的防火距离不应小于 GB 50516 中的相关规定。车辆入口和出口应分开设置，站内工艺设备与站外建构筑物之间，宜采用高度不低于 2.2 m 的实体围墙，含制氢工艺的站场围墙高度不应低于 2.5 m。值得注意的是加氢站罩棚内表面应平整，宜采用 V 或 U 字形顶棚形式，坡向外侧上部空间应保持通风良好，顶棚内表面应平整，且避免死角，不得集聚氢气，必要时可增加强排风机。氢气运输装置位的储气容器卸气端应设钢筋混凝土实体墙，其长度不应小于氢气运输装置宽度的2倍，高度不得低于氢气运输装置的高度，该实体墙可作为站区围墙的一部分。加氢岛的地坪应高出停车场地坪 0.15-0.20 m，加氢岛的宽度不应小于 1.2 m。总平面布置应利用场地地形，当地块坡度较大时，工艺设备和建构筑物的长边以顺地形等高线布置。并宜采用阶梯式竖向布置，加氢设备区应放置较高地块，加氢区和加油区与辅助服务用房布置在较低地块，氢气设备区域的警示防撞柱（栏）高度可适当增加。这些安全间距要求虽然较加油气站规范较为严格，但现有大部分油气站的场地还是能够满足的。

3 工艺安全措施

氢气是一种无色、无味、无毒的气体，但氢气泄露在空气中较高浓度时会有致人缺氧窒息的风险，且具有易燃易爆性、热膨胀性、易扩散性。所以，加氢站的工艺安全性非常重要，绝不容忽视。易燃易爆性：氢气为甲类可燃气体，极易被引燃，着火能量仅为0.019 ml，燃点为574℃，与空气混合的爆炸极限（体积分数）范围为4.1%-74.1%，极易形成爆炸空间。易扩散性：氢气因其密度小且扩散性强，容易在容器或建筑屋顶部聚集，遇到明火极易燃烧甚至爆炸，燃烧时火焰传播速度快且不易被察觉。热膨胀性：体积随温度的升高明显膨胀，在压力容器或管道中，当温度升高时可能使其超压或者引发氢气泄漏，危险性较大。另外，氢气的相对分子质量仅为2.01，密度仅为0.0899/L，相比于其它气体和液体，更容易渗透、泄漏，且其扩散速率快（在空气中的扩散系数为0.61cm² /s，为甲烷的3.8倍）。此外，氢气能对金属材料造成多种危害，使金属韧度降低、形成氢化物、高压氢微细穿孔、渗透容易形成“氢脆现象”。
为此，加氢站设计时要充分考虑防范以上风险，严格按照GB50516规范要求设计工艺安全控制设施，尽可能降低危险性。一是重点对设置安全阀、切断阀、温度、压力、流量超限报警、停机装置等安全保护装置。按照规范要求氢气压缩机进、出口与第一个截断阀之间应设安全阀，安全阀应选用全启式安全阀；压缩机进口应设置高、低压力报警装置，出口应设置高压、高温超限停机装置；压缩机的冷却系统应设置温度、压力及流量报警和停机装置；采用隔膜压缩机时，应设膜片破裂报警和停机装置。当采用撬装式氢气压缩机时，箱柜内应设置自然通风、氢气浓度报警、火焰报警、事故排风及其联锁装置等安全设施。二是按照 GB/T 34584 的相关规定，站内应设置紧急切断系统，该系统应能再事故状态下迅速切断站内各工艺设施的动力电源和关闭介质管道阀门，紧急切断系统具有实效保护功能。三是在储氢区、氢气压缩机、加氢机、卸车区等区域应安装可燃气体探测器及报警器。可燃气体探测器平面布置应完全覆盖按照 GB 50058要求划分的爆炸危险源区域，且安装高度为泄漏源上方，不低于 1.5 m。四是站内有爆炸危险房间的自然通风换气次数不得少于 5 次/h；房间内应设置事故排风装置，事故排风换气次数不得少于 15 次/h，并应与空气中氢气浓度报警装置联锁。五是加氢机应含有自动切断阀、拉断阀、安全泄压装置、防撞柱（栏）外，加氢机内部氢气易积聚处应设置氢气检测报警装置，具备当发生氢气泄漏在空气中含量达0.4%时（10%LEL）发出报警信号，当发生氢气泄漏在空气中含量达1.6%(40%LEL）时应向加氢站内控制系统发出停车信号，并自动关闭阀门停止加气的功能。另外，站内用管道、阀门、压力表、安全阀等，在设计选型时应考虑氢脆的影响。

4 爆炸危险区

加氢站爆炸危险区域划分为1区和2区，爆炸危险区域的等级定义，应符合《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》（GB50058）规定，室外或罩棚内储氢容器或瓶式储氢压力容器组的爆炸危险区域划分：设备本身为1区；以设备外轮廓线为界面，以4.5米为半径的地面区域、顶部空间区域为2区；从氢气放空管管口计算，半径为4.5米的空间和顶部以上7.5米的空间区域为2区。爆炸危险区域的划分相对于《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156)比较与露天设置的LNG泵的爆炸危险区域划分一致，并未有更为苛刻的距离限制。

综上所述，燃料电池汽车是我国新能源汽车发展的重要方向，也是国家能源技术革命的重点任务，加氢站作为氢能基础设施，是影响产业发展的重要纽带，基于目前比较完善加油（气）站网络，从站址选择、总平布置、安全措施等方面在现有的加油（气）站网络基础上选择性布局建设加油加氢合建站具有先天优势，既能提高土地利用率、增加加氢服务，也能为布局氢燃料加注市场抢占先机，从而为未来实现能源转型打好基础。

参考文献：

[1]GB 50516.加氢站技术规范[S].北京：中国计划出版社，2021.

[2]GB/T 34584加氢站安全技术规范[S].北京：中国标准出版社，2017.

[3]GB/T 31139移动式加氢设施安全技术规范[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4]T/CECA-G0080加氢加油合建站建设技术规范[S].北京：中国节能协会，2020.

[5]洗静江．加氢站工艺和运行安全[J]．煤气与热力，2017，(9)，4—5.