江蘇響水3.21爆炸事故為全國工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)敲響了警鐘。2019年4月，國家能源局印發(fā)《關(guān)于切實加強電力行業(yè)危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》，要求各電力企業(yè)全面排查，堵塞危險化學品安全管理漏洞；推進重大危險源管控和治理；提升?；窇表憫?；強化危化品安全生產(chǎn)監(jiān)督管理，保障電力工業(yè)安全生產(chǎn)。
在現(xiàn)代300MW以上高容量火力發(fā)電機組中，氫氣以其低密度、高導熱參數(shù)的優(yōu)良特性成為汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的首選冷卻介質(zhì)，氫站（包括制氫站和供氫站）成為大型火力發(fā)電廠的必備設(shè)置。但同時由于氫氣所具有的密度小、擴散性強、著火能量低、爆炸極限范圍寬等特點，因而使得氫站成為電廠內(nèi)的一個重大危險源，其安全生產(chǎn)與管理工作必須引起高度的重視。本文將從安全角度就氫站設(shè)計、調(diào)試、運行管理等方面可能存在的一些問題加以分析和討論，借以提高相關(guān)從業(yè)者對氫站安全的認識，促進電廠氫站安全生產(chǎn)與管理水平的提升。
要做好氫站的安全生產(chǎn)，嚴格按照相關(guān)規(guī)范判定氫站的爆炸危險等級，做好安全設(shè)計是第一步，也是最基礎(chǔ)的一步。根據(jù)GB50177-2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》氫氣站、供氫站的生產(chǎn)火災危險性類別，應為“甲”類。氫氣站、供氫站內(nèi)有爆炸危險房間或區(qū)域的爆炸危險等級應劃分為1區(qū)或2區(qū)。對于具體如何區(qū)分1區(qū)和2區(qū)，GB50058-2014《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中做出了以下具體說明。1、有爆炸危險的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間等的空間都不大，設(shè)備布置間距最大僅4m，因此建筑物內(nèi)部的爆炸危險區(qū)域范圍，一般以房間為單位。2、規(guī)范明確“1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境”，同時注明：“正常運行是指正常的開車、運轉(zhuǎn)、停車，易燃物質(zhì)產(chǎn)品的裝卸，密閉容器蓋的開閉，安全閥、排放閥以及所有工廠設(shè)備都在其設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)工作的狀態(tài)”。氫站內(nèi)有爆炸危險的房間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備在開車、停車時，都有可能出現(xiàn)爆炸性混合氣體。3、規(guī)范明確“第一級釋放源”是“預計正常運行時周期或偶爾釋放的釋放源以及在正常運行時會釋放可燃物質(zhì)的泵、壓縮機、閥門等的密封處”?？紤]到目前的閥門密封技術(shù)尚無法保證氫氣的絕對密閉性，所以氫站在正常運行時，存在著周期或偶爾釋放的釋放源，即其屬于第一級釋放源。4、規(guī)范規(guī)定，釋放源級別與通風方式將影響爆炸危險區(qū)的劃分和范圍：在自然通風和一般機械通風的情況下，第一級釋放源可劃分為1區(qū)；當通風良好時，應降低爆炸危險區(qū)等級；局部機械通風，在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風和一般機械通風更為有效時，可采用局部機械通風以降級。鑒于目前國內(nèi)大多數(shù)電廠氫站只設(shè)有自然通風和一般機械通風，無局部通風，因此氫站內(nèi)的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間、氫氣灌裝間等室內(nèi)爆炸危險物質(zhì)的釋放源屬于一級釋放源，其爆炸危險區(qū)域的劃分應定為1區(qū)。5、根據(jù)規(guī)范，將有爆炸危險為1區(qū)的各類房間的相鄰區(qū)域、空間和氫氣排氣口周圍空間等規(guī)定為2區(qū)有爆炸危險場所。氫站室外制氫設(shè)備、氫氣罐的周圍空間和氫氣放空管周圍空間規(guī)定為2區(qū)有爆炸危險場所。盡管各項設(shè)計規(guī)范力求保證氫站的安全穩(wěn)定運行，但也不能排除特殊情況下氫站發(fā)生化學爆炸等極端事件的可能。泄壓比的概念就是針對氫站內(nèi)發(fā)生氫氣燃爆事故時，保證制氫間等廠房有足夠多的與外界相通的通道，以降低氫氣燃爆時釋放的巨大能量向周圍擴散的阻力，相應減少氫氣燃爆的物理損害。GB50016-1987《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)定：泄壓面積與廠房體積的比值（m2/m3）宜采用0.05～0.22。爆炸介質(zhì)威力較強或爆炸壓力上升速度較快的廠房，應盡量加大比值。很多早期建設(shè)的火電廠氫站設(shè)計成了普通的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及填充實心墻的結(jié)構(gòu)，泄壓面主要依靠門窗來實現(xiàn)。隨著《建筑設(shè)計防火規(guī)范》相關(guān)技術(shù)要求的不斷更新，2014版中明確氫站泄壓比不得小于0.25，所以很多傳統(tǒng)設(shè)計的氫站需要進行結(jié)構(gòu)改造，增大泄壓比，這也成為火電廠內(nèi)危險源控制的一項重要工作。提高泄壓比的結(jié)構(gòu)改造措施包括拆除部分墻面，縮減氫站體積的縮容整改方案，還有新建墻面，拓展氫站空間的擴建整改方案。氫氣站特別是采用堿液電解技術(shù)的制氫站的投產(chǎn)調(diào)試，由于工作內(nèi)容比較繁瑣、涉及面廣、危險隱患多，成為氫站安全生產(chǎn)管理的重點階段。為保證氫站調(diào)試工作的安全順利，應該嚴格按照以下的工作順序進行。1、確認已經(jīng)具備調(diào)試條件，包括主體設(shè)備已經(jīng)安裝完成，配制堿液用除鹽水、工業(yè)冷卻水、壓縮空氣、工藝與控制、照明、檢修等電源都已接通。例如應確認主要工藝設(shè)備都接地良好，可以有效傳導設(shè)備上的靜電。另外要特別注意進入調(diào)試階段后原則上不得再在氫站內(nèi)從事動火作業(yè)。2、完成制氫設(shè)備、儲氫罐體、氫氣輸送管路的嚴密性試驗，并用氮氣對上述系統(tǒng)進行置換。對于儲氫罐的置換，為了減少氮氣的使用，節(jié)約置換時間，也可考慮選擇工業(yè)水作為置換介質(zhì)，等產(chǎn)品氫制備出來后再用氫氣頂壓排水。但這一方案需要考慮避免產(chǎn)品氫露點上升的措施。3、對設(shè)備內(nèi)外表面進行水沖洗，特別是要確保電解槽的清潔，將清洗廢水從電解槽排污閥排掉。4、檢查氫站控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，特別要檢查控制邏輯中各報警聯(lián)鎖點的設(shè)置是否正確。5、組織業(yè)主、監(jiān)理、施工、調(diào)試及設(shè)備廠家等各單位有關(guān)人員對整個生產(chǎn)條件進行逐一確認，在共同確認具備試運條件后方可進入下一階段。需要注意的是，進入試運階段后，氫站應嚴格按照相關(guān)值班和巡視制度進行管理。任何個人進入氫站區(qū)域前都應注意身著棉質(zhì)工作服，不穿帶鋼釘?shù)男樱P(guān)閉手機，交出火種，同時接觸導電球以消除身上靜電。6、稀堿運行。稀堿的濃度為15%，運行時間至少24～48小時。稀堿運行的目的就在于檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。比如，制氫設(shè)備存在缺陷，在稀堿運行條件下出現(xiàn)了法蘭密封破壞、漏液漏氣、閥門運動卡澀等問題，就可以進行及時的發(fā)現(xiàn)和彌補，避免在正式濃堿運行時造成更大的危險。7、濃堿運行。濃堿的濃度是30%，濃堿運行穩(wěn)定后，應及時投入純化干燥系統(tǒng)，投入在線監(jiān)測儀表，對氫中氧、氧中氫、氫露點等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，同時進一步優(yōu)化工藝控制參數(shù)。8、儲氫系統(tǒng)開始儲氫。當在線數(shù)據(jù)顯示氫氣品質(zhì)合格后（一般是氫氣純度高于99.8%，氫氣露點低于-50℃），可以停止氫氣排空，轉(zhuǎn)向氫氣儲罐輸送合格氫氣。密切注視氫罐壓力數(shù)據(jù)，杜絕氫罐壓力持續(xù)高升至泄壓閥動作，引起氫罐應急泄壓的危險狀態(tài)。9、根據(jù)需要將合格氫氣通過氫氣管道從儲罐輸送到發(fā)電機，將發(fā)電機內(nèi)的CO2氣體置換排出，并達到合格的氫氣純度與壓力（純度＞96%，氫壓0.25MPa）。發(fā)電機充氫過程中要加強發(fā)電機側(cè)與制氫站的協(xié)調(diào)聯(lián)系，時刻注意各項運行參數(shù)的變動，加強輸氫管線沿線的漏氫檢測和動火工作排查。從以上的氫站調(diào)試基本步驟和特別要求來看，氫站作為發(fā)電廠的內(nèi)的一級危險源，其各項運行操作都應有嚴格的規(guī)范和標準，一切規(guī)定都是從安全生產(chǎn)的根本要求出發(fā)，杜絕一切可能的隱患與事故的發(fā)生。從多個氫站建設(shè)、調(diào)試和日常運維監(jiān)管的經(jīng)驗看，氫站安全生產(chǎn)管理中還應當注意以下一些問題和情況：1、30%濃度的濃堿液也屬于危險化學藥品，特別是在高溫下有極強的破壞蛋白質(zhì)等生物大分子的能力，即對人體表皮組織會有潛在的損傷可能。所以在氫站投運初期的堿液配制過程中，應強調(diào)操作人員的防化學腐蝕防護，佩戴必要的護目鏡、橡皮手套、化學防護服等專用裝備。2、目前很多電廠氫站利用電解法制氫氣過程中，都會投加五氧化二釩用作催化劑。但五氧化二釩屬于劇毒危化品，若誤接觸、誤食都會對人體產(chǎn)生極大危害。所以對于該藥品，電廠應從采購、儲存、領(lǐng)用、回庫、銷毀的全過程建立嚴格、縝密的管理程序，保證此類劇毒危險化學品的安全使用。3、由于氫氣系統(tǒng)在火電企業(yè)內(nèi)屬于一個相對較小的輔機系統(tǒng)，其在運維管理中的受重視程度尚顯不夠。很多電廠實現(xiàn)氫站的無人值守、全自動化運行后，僅是安排人員定期巡視，這利于提高全廠的自動化水平，降低人力成本，但是當運維人員技術(shù)能力有限、相關(guān)知識與能力不足時，可能面臨著無法及時發(fā)現(xiàn)和排除問題的情況。而從一系列的安全事故發(fā)生的事后調(diào)查來看，人的不安全行為是導致事故發(fā)生的首要和關(guān)鍵因素。因此，加強電廠化學人員（目前氫站運行工作普遍由化學人員承擔）的氫站運維理論水平和實操能力，防患于未然至關(guān)重要。4、氫站作為易燃易爆氣體氫氣的制備、儲存、輸送系統(tǒng)，必須要保證設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、安全性。這就要求加強氫站設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝環(huán)節(jié)的監(jiān)管和追責，從源頭消滅設(shè)備缺陷，不讓物的不安全因素誘發(fā)事故的發(fā)生。歷史上，天津楊柳青電廠氫罐燃爆事故就源于制氫設(shè)備運行過程中，氫、氧壓力調(diào)整器卡澀引起氧氣竄入氫罐內(nèi)最終形成了氫氧混合爆炸氣體。該電廠事故設(shè)備中的壓力調(diào)整器是一種傳統(tǒng)的機械浮筒式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的調(diào)整器針型閥在運行中經(jīng)?？瑸槭鹿实陌l(fā)生埋下了隱患。而近年來，多個電廠氫站調(diào)試現(xiàn)場一線也遇到過制氫機濃堿泄露噴出、儲氫罐輸出減壓閥卡澀無法正常減壓、壓力液位調(diào)節(jié)閥故障等眾多設(shè)備問題，給氫站的正常投運帶來很多困擾甚至危及安全運行。所以，氫站設(shè)備的制造和安裝質(zhì)量也是安全生產(chǎn)管理的重要組成部分。氫站作為火力發(fā)電廠中一個非常特殊的組成部分，潛藏著很多的安全隱患點和風險源，是火電企業(yè)?；钒踩芾淼闹攸c領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由不得任何的疏忽與松懈。氫站的安全管理是一個系統(tǒng)性的工程，從初步設(shè)計到設(shè)備制造、安裝，再到施工驗收、投運調(diào)試，最后到日常的運行和維護，每一階段都應建立一整套的安全管理規(guī)范和保障制度。特別是將傳統(tǒng)化工制氫系統(tǒng)成熟應用的HAZOP分析方法應用于火力發(fā)電廠的制氫過程，可以更高效的辨識氫站存在的安全隱患，提高氫站運行的可靠性，有助于企業(yè)安全生產(chǎn)。另外，從眾多的實際生產(chǎn)經(jīng)驗看，氫站在建設(shè)之初的安全管理工作至關(guān)重要，設(shè)計、設(shè)備制造和安裝中形成的一系列細微缺陷可能會導致后續(xù)安全管理中的若干困難，甚至造成災難性后果。總之，氫站管理人員應該從本質(zhì)安全理論出發(fā)，排查氫站可能存在的任何細小安全隱患，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，為電力行業(yè)危化品安全管理做出貢獻。
四、制氫站氣體爆炸危險場所電氣設(shè)備防爆型式選型
1、氫氣來源及特性
氫氣的來源比較廣泛，主要有化石能源制氫、含氫物質(zhì)制氫、化工副產(chǎn)物氫氣回收、太陽能制氫和風能制氫?；茉粗茪浒簹饣茪浼夹g(shù)、天然氣重整制氫和甲醇裂解制氫，含氫物質(zhì)制氫包含電解水制氫、氨分解制氫和硼氫化鈉水解制氫，化工副產(chǎn)物氫氣回收包含燒堿、焦炭和輕油裂解。通過對上述幾種制氫方案的經(jīng)濟性分析，水電解制氫是最經(jīng)濟的方案，水電解方案電力的來源可是采用太陽能或者風能。水電解制氫原理比較簡單，在充滿氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解槽中通入經(jīng)整流器變換后的直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學反應?；瘜W方程式為:陰極:2H2O+2eH2↑+2OH-陽極:2OH-2eH2O+1/2O2↑總反應式:2H2O=2H2↑+O2↑水在電解槽中電解為氫氣和氧氣，然后經(jīng)過分離器進行氣液分離，分離器中分離的氫氣和氧氣經(jīng)過洗滌、冷凝、除水后，氫氣送至純化裝置后然后輸送到儲存裝置。據(jù)有關(guān)研究，氫氣的物理、化學特性如表1所示。
氫氣物理、化學特性
2、制氫站的危險區(qū)域劃分
場所分類是對可能出現(xiàn)爆炸性環(huán)境的場所進行分析和分類的一種方法，以便正確選擇和安裝危險場所中的電氣設(shè)備，達到安全使用的目的，并把氣體的級別和溫度組別考慮進去。在使用可燃性物質(zhì)的許多實際場所，無法保證爆炸性環(huán)境永不出現(xiàn);也無法確保設(shè)備永不成為點燃源。因此，應該根據(jù)場所存在爆炸性環(huán)境的頻繁程度，對場所進行危險場所分區(qū)。
2.1分區(qū)世界各國對危險場所區(qū)域劃分不同，但大致分為兩大派系:我國和大多數(shù)歐洲國家采用國際電工委員會(IEC)的分類方法，而以美國和加拿大為主要代表的其他國家則采用北美分類方法。根據(jù)爆炸性氣體(蒸氣)環(huán)境出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間，把危險場所分為以下區(qū)域:0區(qū):爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所。1區(qū):在正常運行時，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所。2區(qū):在正常運行時，不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶爾發(fā)生并且僅是短時間存在的場所。
2.2釋放等級連續(xù)級釋放源:連續(xù)釋放或預計長期釋放的釋放源。如:連續(xù)對大氣開放或是長期向大氣開放的可燃性液體表面上方的空間。1級釋放源:正常運行時，預計可能周期性或偶爾釋放的釋放源。如:在正常工作條件下預計釋放可燃性物質(zhì)的泵、壓縮機或閥門的密封處;在正常操作時預計可燃性物質(zhì)會釋放到大氣中的取樣點。2級釋放源:在正常運行時，預計不可能釋放，如果釋放也僅是偶爾和短時釋放的釋放源。如:設(shè)備正常運行時，預計可燃性物質(zhì)不會釋放的泵、壓縮機和閥門處;在正常運行時，預計可燃性物質(zhì)不會釋放的法蘭、連接件和管道配件處。
2.3制氫站危險區(qū)域劃分在進行危險區(qū)域劃分時，首先識別鑒定釋放源和確定釋放源的等級，并分析可能影響危險場所類型和其他因素，然后確定區(qū)域類型(0區(qū)、1區(qū)、2區(qū))，最后確定危險區(qū)域范圍。本文涉及的制氫站采用的電解水制氫，危險區(qū)域劃分參考了標準GB50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(GB50058總則中明確不適用于利用電能進行生產(chǎn)并與生產(chǎn)工藝過程直接關(guān)聯(lián)的電解、電鍍等電力裝置區(qū)域)。主要依據(jù)GB3836.14—2014《爆炸性環(huán)境第14部分:場所分類爆炸性氣體環(huán)境》和SYT6671—2006《石油設(shè)施電氣設(shè)備安裝區(qū)域一級、0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)區(qū)域劃分推薦作法》進行危險區(qū)域劃分，制氫站的危險物質(zhì)為氫氣，釋放源為管線法蘭處。經(jīng)過對釋放頻率、釋放量和通風效率等工藝計算，分析并最終確定危險區(qū)域的范圍。
3、制氫站防爆電氣設(shè)備選型
制氫站設(shè)備的選型需根據(jù)氫氣的特性進行選擇，選用的設(shè)備的級別為IIC，溫度組別不低于T1，防爆設(shè)備選型如表2所示。
氣體爆炸危險場所用電氣設(shè)備防爆型式選
4、制氫站防爆電氣設(shè)備、線路安裝
4.1照明燈具按照規(guī)范要求，考慮到節(jié)約能源，設(shè)計中選用防爆型式為ExdIICT4的LED防爆燈，線路布線采用電纜布線，采用鋼管保護，安裝時需要注意LED防爆燈引入口內(nèi)的密封圈內(nèi)徑與電纜外徑相差±1mm，與鋼管連接時，須加裝過渡壓緊元件，先用過渡壓緊元件通過墊圈、密封圈將電纜壓緊，然后通過后端的接頭連接鋼管。
4.2變送器制氫站選用的變送器防爆型式為本安型，采用外接電源供電，一般采用防爆撓性管進行保護，對于外接電源的本安型設(shè)備需提供本安設(shè)備與安全柵的補充描述性文件，并依此文件對系統(tǒng)本安性能參數(shù)進行確認。
4.3其他防爆設(shè)備安裝制氫站常用設(shè)備主要還有防爆接線箱、防爆配電箱、防爆照明開關(guān)等，采用電纜配線方式。需要特別注意的是對于隔爆型設(shè)備電纜引入裝置的選用需滿足圖1要求。
隔爆型設(shè)備電纜引入裝置選型圖
該項目選用的配電箱、照明開關(guān)防爆型式均為隔爆型且內(nèi)部有打火元件，選用的引入裝置須為填料函，防爆接線箱雖然為隔爆型但內(nèi)部無打火元件選用的引入裝置為密封圈式引入裝置。對于防爆設(shè)備的接地，爆炸危險場所除2區(qū)內(nèi)照明燈具以外的電氣設(shè)備應采用專用接地線;宜采用多股軟膠絲線，其銅芯截面積不得小于4mm2，金屬管線、電纜的金屬外殼等可作為輔助接地線。
4.4 不同區(qū)域之間的隔離當爆炸危險區(qū)域的爆炸性氣體通過孔洞進入其他區(qū)域，其他區(qū)域選用的設(shè)備如果使用非防爆設(shè)備，極易引起爆炸。故不同區(qū)域之間應考慮隔離措施，敷設(shè)電氣線路的溝道、電纜或鋼管，所穿過的不同區(qū)域之間墻或樓板處的孔洞，應采用非燃性材料嚴密堵塞。圖2為電纜配線采用鋼管保護穿越不同區(qū)域隔離的安裝方法。
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6、應急處置能力不足。
