韓 鈞,何龍輝,曾小軍,周 鑫

(1.中國石化工程建設有限公司,北京100101;2.中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州510000)

在加氫站內(nèi),儲氫容器、卸氣柱、氫氣壓縮機、加氫機、氫氣管道上設置的安全閥在出現(xiàn)超壓狀況時,會開啟泄壓,氫氣通過放空管道排放至大氣環(huán)境。站內(nèi)氫氣管道、氫氣設備檢修時放空的氫氣,也通過放空管道排放至大氣環(huán)境。

加氫站儲氫容器的額定工作壓力有45和90 MPa兩類,兩類儲氫容器安全閥的整定壓力分別大于或等于45和90MPa。加氫系統(tǒng)的額定工作壓力也有35和70MPa兩類。

阻火器是用來阻止易燃氣體火焰蔓延的安全裝置,其工作原理是:當火焰通過狹小孔隙時,由于熱損失突然增大,使燃燒不能繼續(xù)而熄火。使用阻火器可防止明火進入可燃氣系統(tǒng),造成燃燒爆炸事故。阻火器通常安裝在輸送可燃氣體的管道上,阻止火焰?zhèn)鞑?爆燃或爆轟)的通過,由阻火芯、外殼及法蘭、螺栓等附件構(gòu)成。

氫氣的化學性質(zhì)十分活潑,在與氧化劑接觸時非常容易發(fā)生自燃現(xiàn)象。目前針對氫氣泄放的研究顯示,高壓氫氣在泄放過程中有很高幾率在泄放管路出口處發(fā)生自燃,并最終泄放至外界空間形成噴射火。關(guān)于氫氣自燃機理目前還沒有統(tǒng)一的認識,現(xiàn)存的假定機理包括:

1)逆焦耳-湯姆森效應,即膨脹過程升溫。

2)靜電點火。氫氣最小點火能僅為0.017 mJ,容易被摩擦起電點燃。

3)擴散點火。氫氣被泄放過程中的前導激波加熱點燃。

4)瞬時絕熱壓縮。氫氣絕熱壓縮升溫。

5)熱表面點火。氫氣被外界高溫點火源點燃。

加氫站的氫氣放空管道上是否應設置阻火器,在業(yè)內(nèi)存在較大爭議(詳見第1節(jié)中相關(guān)規(guī)范的規(guī)定)。為此,在對GB50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標準》進行修訂時,編制組開展了專項研究。本文主要內(nèi)容來自GB50156—2021修訂專題研究報告——《加氫站放空口設置阻火器的必要性分析報告》。

1 國內(nèi)外涉氫標準有關(guān)設置阻火器的規(guī)定

下面將目前國內(nèi)涉及氫氣放空的國家標準中關(guān)于氫氣放空管道設置阻火器的規(guī)定作一梳理。

GB50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》第12.0.9條規(guī)定:氫氣放空管,應設阻火器,阻火器應設在管口處【1】。

GB/T34542.1—2017《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第1部分:通用要求》第4.3.5條規(guī)定:氫氣排放管道應設阻火器。阻火器的設置應滿足GB50177的規(guī)定【2】。

GB/T34583—2017《加氫站用儲氫裝置安全技術(shù)要求》第4.3.4.5條規(guī)定:排放管口應設阻火器【3】。

GB/T31139—2014《移動式加氫設施安全技術(shù)規(guī)范》第4.10.2條規(guī)定:移動式加氫設施內(nèi)應設置氫氣集中放空管,放空管應設置阻火器【4】。

GB4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》第8.2條規(guī)定:氫氣排放管應設阻火器,阻火器應設在管口【5】。

GB50516—2010(2021年版)《氫氣站技術(shù)規(guī)范》第6.5.4條規(guī)定:氫氣放空排氣裝置的設置應保證氫氣安全排放【6】。該標準對這一規(guī)定的條文說明為:氫氣放空管在氫氣放空時有回火的可能,降低回火引起的安全風險有多種方式。設置阻火器是防止回火的措施之一。據(jù)了解,還有采用氮氣吹掃措施的,即在氫氣放空管上采用一定流速的純度不低于99%的氮氣進行吹掃,以防止周圍的空氣擴散進入放空管內(nèi),并在氫氣放空管下部接入的氮氣管道上裝設止回閥,以防止氫氣倒流入氮氣系統(tǒng)【6】。

GB50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標準》第10.6.5條第(4)款規(guī)定:氫氣放空排氣裝置的設置應保證氫氣安全排放。放空管道的設計壓力不應小于1.6MPa【7】。該標準對這一規(guī)定的條文說明為:“保證氫氣安全排放”是指放空管道及其組成件的設置須做到暢通無阻。氫氣放空管道自身在氫氣放空時有回火的可能,實驗表明,氫氣在管道中穩(wěn)定爆燃或爆轟的平均壓力約為0.8 MPa,通過提高放空管道設計壓力的措施,可保證氫氣放空管道發(fā)生回火時,放空管道不會遭到破壞【7】。

上述國內(nèi)涉及氫氣放空的國家標準中關(guān)于氫氣放空管道設置阻火器的規(guī)定,均沒有給出充分的依據(jù),既沒有通過理論分析論證設置阻火器的利弊,也沒有通過試驗驗證設置阻火器的必要性。

石油化工領(lǐng)域、城鎮(zhèn)燃氣領(lǐng)域的現(xiàn)行國家標準和行業(yè)標準,如GB50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標準》、GB50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設計防火標準》、GB50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》、SH/T3007—2014《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范》、SH 3136—2003《石油化工液化烴球形儲罐安全設計規(guī)范》,對壓力容器的放空管道均未要求設置阻火器【7-12】。其理由是,儲存液化烴、天然氣等危險介質(zhì)的壓力容器內(nèi),在正常運行期間其工作壓力始終高于大氣壓,外面的空氣不可能進入壓力容器,壓力容器內(nèi)不存在危險介質(zhì)爆炸的條件,故不需要設置阻火器,設置阻火器反而可能會阻礙高速氣流排放。

國外標準要求氫氣排放系統(tǒng)應做到無阻礙排放,其中歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EuropeanIndustrial GasesAssociation,簡稱EIGA)標準EIGA DOC 211/17《Hydrogen Vent Systems Customer Applications》明確指出,氫氣泄放管路不應設置阻火器或其他任何形式的限制【13】。

德國技術(shù)檢測協(xié)會標準VdTüV-Merkblatt 967—2012指出,在設定壓力大于1.5bar(即0.15 MPa)情況下,壓力容器的安全閥出口管道不需要設置阻火器【14】。

其他國外標準,如日本《高壓氣體保安法》、美國壓縮氣體學會標準CGAG-5.5—2014《HydrogenVentSystems》和ASMEB31.12《Hydrogen PipingandPipelines》中都沒有要求氫氣放空管道設置阻火器【15-17】。

2 國內(nèi)外加氫站實踐經(jīng)驗

自1999年德國慕尼黑建成第一個公共加氫站起至2021年底,全球加氫站數(shù)目達到500余座。根據(jù)了解到的情況,國外加氫站的儲氫容器放空管道上均不設置阻火器,從未有因不設置阻火器導致加氫站發(fā)生爆炸事故的報道。

國內(nèi)第一座加氫站建成于2008年,至2016年底全國僅有10座加氫站,且運行率低于50%。自2017年起,國內(nèi)加氫站建設開始快速發(fā)展,截至2021年9月底,國內(nèi)累計建成加氫站190座,其中147座已經(jīng)投入運營。根據(jù)GB50516—2010的規(guī)定,這些加氫站的儲氫容器放空管道上均設置有阻火器,可能是儲氫容器沒有發(fā)生過超壓泄放事故,目前尚沒有因設置阻火器而導致氫氣排放不暢造成事故的案例。由于運行時間短、投用數(shù)量少,國內(nèi)加氫站的運行經(jīng)驗尚不足以得出儲氫容器放空管道上設置阻火器是合理的結(jié)論。

國外加氫站儲氫容器放空管道上未設置阻火器案例如圖1和圖2所示。

圖1 美國林德-薩克拉門托液氫設施放空管上(圖中圓圈處)未設置阻火器

圖2 美國加州大學洛杉磯分校加氫站高壓儲氫容器放空管上(圖中圓圈處)未設置阻火器

3 放空管設置阻火器存在的隱患分析

放空管設置阻火器可能導致安全隱患,具體原因如下:

1)加氫站的放空系統(tǒng)用于站內(nèi)的安全閥放空及檢修排空,是加氫站最后的工藝安全保障,必須確保其暢通無阻,不應設置有阻礙氫氣順利排放的設備。

2)用于氫氣介質(zhì)的阻火器,其最大試驗安全間隙(MESG)小于0.2 mm。由于其內(nèi)部通道狹小,研制和制造難度極高,同時阻力較大,使用過程中可能因各種原因發(fā)生異物或灰塵等顆粒堵塞通道、影響安全泄放系統(tǒng)順利排放的情況,對氫氣儲存和管道系統(tǒng)的安全造成威脅。

3)從目前國內(nèi)一些加氫站放空管道上安裝的阻火器外形看,其口徑與放空管道相同,但至少阻火器的流通面積肯定大大小于放空管道的流通面積,在儲氫容器或加氫系統(tǒng)超壓泄放時,阻火器肯定會阻礙泄放系統(tǒng)的安全排放。

4)加氫站儲氫容器或加氫系統(tǒng)超壓泄放時的排放壓力很高,而排放系統(tǒng)末端為大氣,壓差很大。超壓泄放時的排放速度很高,阻火器的阻火元件是否能滿足排放系統(tǒng)的壓差要求尚未可知,有可能因承受不了放空系統(tǒng)的壓差而損壞,失去阻火的功能;也有可能氣體被堵塞在放空管道中,使儲氫容器或加氫系統(tǒng)的壓力升高,造成儲氫容器或加氫系統(tǒng)的破環(huán)或次生災害。國內(nèi)曾有CNG放空管道上設置有阻火器、阻火器在高壓CNG放空時因高速氣流沖擊而損壞的案例。

圖3和圖4是用于氫氣管道的阻火器芯盤實物照片。由圖4可見,其間隙只有0.2 mm,光線很難通過。

圖3 用于氫氣管道的阻火器芯盤

圖4 光線很難通過0.2mm的間隙

4 必要性分析

下面對設置阻火器的必要性進行分析討論:

1)壓力容器的安全閥泄放時,安全閥的開啟壓力越高,泄放氣體流速越快。高壓儲氫容器的安全閥泄放時,由于氫氣點火能量低且流速快,泄放氫氣容易在放散口處形成噴射火,當容器內(nèi)壓力泄放低到一定程度時,安全閥會自動關(guān)閉,此時容器內(nèi)部仍處于較高壓力狀態(tài)且沒有氧氣進入,外界噴射火焰不會傳播至設備內(nèi)部,故不會引發(fā)設備內(nèi)部進一步的燃爆事故。

2)放空管道上設置阻火器的主要目的,是保護危險介質(zhì)容器的安全,如加油站埋地油罐是常壓儲罐,罐內(nèi)不可避免會有空氣進入,有可能在罐內(nèi)形成爆炸性氣體,所以應在油罐的放空管道出口處設置阻火器,阻止雷電火花或其他明火。操作介質(zhì)為危險介質(zhì)的壓力容器在正常運行期間始終處于高壓狀態(tài),外面的空氣不可能進入壓力容器,容器內(nèi)部不具備爆炸三要素共存的條件,所以不存在出現(xiàn)回火引起設備內(nèi)部發(fā)生爆炸的可能,也就不需阻火器保護。所以,石化行業(yè)和城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)所有壓力容器(包括民用液化石油氣罐)的排氣管或放空管上都不要求設置阻火器。

3)氫氣放空管道在氫氣放空時有回火的可能,但這種危險完全可以通過提高管道設計壓力來避免。實驗表明,氫氣在管道中穩(wěn)定爆燃或爆轟的平均壓力約為0.8 MPa(表壓),GB50156—2021第10.6.5條第(4)款規(guī)定“放空管道的設計壓力不應小于1.6MPa”,這一規(guī)定可保證即使發(fā)生回火,也不會破壞管道。在此條件下,設置阻火器完全沒有必要。高壓容器放空時,氣體流速大(往往大于100 m/s),設置阻火器會阻礙氣體放空。為了避免放空管道回火而設置阻火器,卻增加了儲氫容器因排放不暢而超壓損壞的風險是得不償失的。

4)事故案例也證明,儲氫容器或氫氣管道不設置阻火器是安全的。2020年7月30日,廣東東莞某企業(yè)為氫氣長管拖車加注氫氣時,氫氣管道突然斷裂,形成高壓氫氣直接對大氣排放的狀況,泄漏的氫氣因摩擦起火,而閥門關(guān)閉后斷裂處火焰自然熄滅。這一案例真實模擬了超壓設備或氫氣管道系統(tǒng)不設阻火器直接對大氣排放的情況。在閥門關(guān)閉過程中,管道內(nèi)回火是有可能的,但可靠的管道及設備設計是可以承受的,不會被回火破壞,說明儲氫容器或氫氣管道的排放管道上不設置阻火器是安全的。

5 結(jié)語

儲氫容器和加氫系統(tǒng)管道內(nèi)壓力高,不存在氧氣侵入條件,因此不具備著火爆炸可能,而其放空管道設計壓力不小于1.6 MPa,即使發(fā)生回火,也具有承受回火爆炸的能力,所以氫氣放空管道設置阻火器沒有必要;阻火器會阻礙高速氣流排放,可能造成儲氫容器和加氫系統(tǒng)管道憋壓,進而導致設備和管道破壞或次生災害,故氫氣放空管道不應設置阻火器。