關(guān)于氫氣加氫站消防安全的分析研究

關(guān)于氫氣加氫站消防安全的分析研究摘要本文介紹在國家標準《氫氣加氫站技術(shù)規(guī)范》編寫過程中對加氫站等級劃分、安全距離、通風(fēng)和防爆安全措施等方面的消防安全問題的分析研究。以中國電子工程設(shè)計院為主編單位的國家標準《氫氣加氫站技術(shù)規(guī)范》已向國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部上報報批稿，不久將會發(fā)布實施，編制組在編寫過程中對氫氣加氫站的消防安全十分重視。在進行國內(nèi)外調(diào)研的基礎(chǔ)上，多次進行研討分析，本文是對這些研討分析的綜合論述，供大家參考。1.關(guān)于氫氣加氫站的等級劃分對加氫站進行等級劃分的目的主要是用于“站址的選擇及其相關(guān)安全距離的確定”。在制定中的國家標準《氫氣加氫站技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定在城市建成區(qū)內(nèi)不得建設(shè)一級氫氣加氫站和一級加氫加油站、一級加氫加氣站，并在有關(guān)條文中，規(guī)定了各等級加氫站及其儲氫罐與其他建筑物、構(gòu)筑物的防火間距。因此如何界定“等級”的規(guī)定實際上是涉及“安全距離”的規(guī)定，下面對有關(guān)要求進行分析。(1)加氫站等級的劃分的依據(jù)主要是站內(nèi)設(shè)置的儲氫罐容量。在現(xiàn)行國家標準《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006第4.3.1條規(guī)定的可燃氣體儲罐與建筑物等的防火間距中，將可燃氣體儲罐的總?cè)莘e劃分為V＜1000m3、1000≤V＜10000m3、10000≤V＜50000m3、50000≤V＜100000m34個等級；在《氫氣站設(shè)計規(guī)范》GB50177—2005中表3.0.2規(guī)定的氫氣罐與建筑物等的防火間距也是按4個等級劃分，所不同的是>50000m3為最大容量的劃分。為了使氫氣加氫站規(guī)范的制定和實施時與相關(guān)規(guī)范易于對應(yīng)、比較，擬基本采用與上述兩個標準對應(yīng)儲氫罐的總?cè)萘縿澐帧皻錃饧託湔尽睘槿齻€等級，一級站儲氫罐總?cè)萘繛?000~8000kg·氫，折合氣態(tài)氫為44000~88000m3，基本上與“50000~100000m3”相對應(yīng)；二級站為1000~4000kg·氫，折合氣態(tài)氫為11000~44000m3，基本上與“10000~50000m3”相對應(yīng)；三級站為≤1000kg·氫，折合氣態(tài)氫為＜11000m3，基本上與“1000~10000m3”相對應(yīng)。單罐儲氫罐容量是每個氫氣加氫站內(nèi)根據(jù)具體氫源情況和氫氣加注分級要求確定，通常應(yīng)設(shè)有2～3個儲氫罐。(2)參照現(xiàn)行國家標準《加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》GB50156中加油站的分級規(guī)定：一級加油站的油罐總?cè)萘繛?20＜V≤l80m3，單罐容積為≤50m3，二級站為60＜V≤120m3，單罐容積為≤50m3，三級站為V≤60m3。單罐為≤30m3。在該規(guī)范的編制說明中認為：加油站的油罐總?cè)莘e宜為3～5天的銷售量；年銷售量為5000t／a的加油站在我國城市中已建設(shè)很多.此類加油站的油罐總?cè)莘e需達到65～110m3，所以將二級站的油罐總?cè)莘e確定為120m3；建設(shè)在城市郊區(qū)或公路兩側(cè)等開闊地帶的加油站可以允許其油罐總?cè)莘e比城市建成區(qū)內(nèi)的加油站油罐總?cè)莘e大一些，所以將一級站油罐總?cè)莘e確定為121～180m3：三級加油站是從二級站派生出來的，在城市建成區(qū)內(nèi)建筑物、構(gòu)筑物比較密集，若按二級加油站建站，有時不能滿足防火距離要求，需要減少油罐總?cè)莘e，以降低加油站的運行風(fēng)險，將三級站的油罐總?cè)莘e規(guī)定為等于或小于60m3；加油站油罐的單罐容積的限制.既考慮了安全因素，又考慮了加油站的運營需要；柴油的閃點較高(屬丙類)，其危險性遠不及汽油(甲類)，所以規(guī)定柴油罐容積可折半計人油罐總?cè)莘e。(3)按燃油、氫氣的能量密度進行折算比較，1m3燃油約折算為250kg·H2，在加油站的等級劃分中的油罐總?cè)莘e界面分別為l80m3、120m3、60m3，相對應(yīng)的氫氣容量約為45000kg、30000kg、15000kg；油罐單罐容積為30m3、50m3，相對應(yīng)的氫氣量為7500kg、2500kg。在制定中的加氫站的規(guī)范將以規(guī)定的加氫站等級劃分的儲氫罐總?cè)萘拷缑娣謩e為8000kg、4000kg、1000kg；儲氫罐單罐容量分別為2000kg、1000kg、500kg，按能量折算僅為燃油1/15至1/5。作出這樣的規(guī)定主要是考慮兩方面因素，一是人們對氫安全、氫能應(yīng)用的認知度尚待普及、提高；二是氫能汽車在起步階段數(shù)量較少的狀況。(4)根據(jù)目前國內(nèi)外氫氣加氫站的建設(shè)、運營以及氫能汽車的發(fā)展趨勢，在近期內(nèi)若以三級加氫站的儲氫罐容量用于充裝、氫能燃料電池公交大巴汽車時，約可滿足25輛2～3天的氫氣耗量；若用以充裝氫能燃料電池轎車時，約可滿足100輛2～3天氫氣耗量。這樣的氫氣加注能力是可以適應(yīng)實際運營需求的，可以預(yù)料在氫能汽車發(fā)展的初期甚至中期，二級站、三級站的加注能力基本可滿足需求。(5)加氫加油合建站、加氫加氣合建站的建設(shè)、營運對于發(fā)展我國氫能汽車的發(fā)展所需的加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是十分有利的，同時對節(jié)約用地、方便管理、節(jié)約能源也是十分有益的。據(jù)了解國外從建設(shè)氫氣加氫站初期便十分重視這種“合建”的探索研究，至今已建的數(shù)十座加氫站大多采用“合建站”的形式。規(guī)范中對合建站等級劃分的規(guī)定是參照GB50156中對加油加氣合建站的等級劃分原則，主要是考量由于儲氫罐與儲氣裝置或儲油罐迭加后潛在危險的增加，基本是按二級站迭加后提升為一級站，三級站迭加后提升為二級站。2.關(guān)于氫氣加氫站的安全距離的確定(1)氫氣與天然氣均為可燃氣體，它們的主要性能參數(shù)見表1，從表1中數(shù)據(jù)可見氫氣和天然氣密度均比空氣輕，但氫氣密度更小，僅為天然氣的1／8左右，一旦發(fā)生氫氣泄漏比天然氣更容易擴散，且不易在設(shè)備或建筑物的低處積聚，雖然氫氣在空氣中的燃燒、爆炸范圍寬，只要通風(fēng)良好是不容易積聚形成爆炸混合氣的。據(jù)資料[1]介紹，為了確定加氫站的安全距離，該研究小組利用實效模型和相關(guān)參數(shù)的計算后認為：“壓縮氫氣(350bar和700bar)與汽油、天然氣的加注站至民眾生活、工作場所的安全距離是同一量級，但液化石油氣(LPG)加注站的安全距離則要大得多；加油站可安裝加氫裝置，而不需增加安全距離?！?2)根據(jù)目前收集到的國外有關(guān)氫氣設(shè)施的安全距離方面的標準、規(guī)范、規(guī)程中的規(guī)定，大多數(shù)比目前國內(nèi)相關(guān)標準、規(guī)范中的安全距離要小，有的還小得較多，下面列舉幾個國外標準中的相關(guān)安全距離的規(guī)定。1)美國消防標準《汽車燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA52，2006版中表9.3.1.3室外氣態(tài)氫系統(tǒng)的間距要求，見表2。從表中數(shù)據(jù)可見，氫氣壓縮、儲存和加注設(shè)備與鐵路軌道的距離為15.2m3(我國現(xiàn)行國家標準《氫氣站設(shè)計規(guī)范》GB50177中規(guī)定為25~30m)；與公共街道或便道線的間距為3.1m3(在GB50177中規(guī)定與城市道路的距離為15m)。在NFPA52中對液態(tài)氫(LH2)儲罐與建筑物的距離和液化天然氣(LNG)是相同的，LH2的距離規(guī)定在表14.2.2中，LNG在表l6.5.1中，現(xiàn)分別在表3、表4列出。這里所說的蓄液區(qū)是指：為避免液態(tài)氫(LH)或液化天然氣(LNG)一旦從儲罐泄漏時漫流，擴大安全事故的范圍，與儲油罐區(qū)同樣設(shè)有保護堤形成蓄液區(qū)。從表3、表4數(shù)據(jù)可見，從液態(tài)氫或液化天然氣蓄液區(qū)至建筑物的距離是3.0~23.0m3(單個LH2或LNG儲罐容量為0.5~265m3，折算為氣態(tài)氫的儲罐容量為350～185500Nm3)；在我國的現(xiàn)行國家標準《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016中第4.3.7條規(guī)定：“液氫儲罐與建筑物等的防火間距可按第4.4.1條相應(yīng)儲量的LPG儲罐防火間距的規(guī)定減少25％確定?！痹诒?.4.1條中規(guī)定LPG儲罐總?cè)萘繛?0～200m3的儲罐至工業(yè)企業(yè)建筑物的防火間距為27～30m，減少25％后為20.25~22.5m；至民用建筑的防火間距為40~45m，減少25％后為30~33.75m。2)歐洲工業(yè)氣體協(xié)會2006版的《氣態(tài)氫氣站》IGCDOC15／06E標準中4.3節(jié)關(guān)于“站址”選擇要求中作出“表1氫氣站的最小安全距離”的規(guī)定，現(xiàn)將該標準中的表1轉(zhuǎn)列于表5，該表中規(guī)定：“地上大宗易燃液體及LPG儲罐與氫氣站的最小安全距離為8m，與木制建筑或結(jié)構(gòu)的最小安全距離為8m??”，我國現(xiàn)行國家標準《氫氣站設(shè)計規(guī)范》GB50177中規(guī)定：氫氣站與四級耐火等級建筑物的防火間距為16m；在GB50016中的表4.2.1中規(guī)定地上甲、乙、丙類可燃液體儲罐與一、二級建筑物的防火間距為12~25m。3)美國消防標準《壓縮氣體及低溫流體采用便攜式和固定式容器、氣瓶、儲罐、儲存、使用、運輸標準》NFPA55(Standardforthestorage，use，andHandlingofcompressedGasesandCryogenicFluidsinportableandStationaryContainers，Cylinders，andTanks)2005版中表10.3.2.2.1室外氫系統(tǒng)的最小距離規(guī)定：>425m3的氫系統(tǒng)(包括儲存、壓縮)與各種類型建筑物的最小距離為1.5～15.2m，與公共集會場的最小距離為15.2m，距電車、火車等為15m：在表11.3.2.2液態(tài)氫系統(tǒng)的最小距離中規(guī)定：LH2總?cè)萘繛?6~283m3與各種類型建筑物的最小距離為1.5～30.5m，與公共集會場所的最小距離為23m。(3)氫氣加氫站技術(shù)規(guī)范編制過程中參編人員對于有關(guān)安全距離的確定，進行了多次研討和走訪有關(guān)單位和工程技術(shù)人員，達到了如下共識；鑒于氫氣加氫站在國內(nèi)剛開始起步，國際上雖然建造了數(shù)十座氫氣加氫站。但多為“示范”或“短期運行”，尚未達到商業(yè)運營狀態(tài)；因此在本次規(guī)范制定中應(yīng)結(jié)合目前我國的國情，對于氫氣加氫站的工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火間距基本上應(yīng)按我國相關(guān)的現(xiàn)行國家標準中的有關(guān)規(guī)定：對于加氫站站內(nèi)設(shè)施之間的防火間距，應(yīng)參照國內(nèi)相關(guān)標準的規(guī)定并結(jié)合國外有關(guān)標準中的有關(guān)規(guī)定進行綜合分析確定。本文只以儲氫罐與民用建筑的防火間距進行說明，其余詳見規(guī)范規(guī)定。儲氫罐與民用建筑的防火間距，根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016第4.3.1條的規(guī)定，民用建筑與各種總?cè)萘康目扇細怏w儲罐的防火間距分別為30m3(儲罐總?cè)莘e為50000~100000m3時)、25m3(10000~50000m3時)、20m3(1000~10000m3時)；在現(xiàn)行國家標準《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》GB50156中表4.0.5規(guī)定，地上LPG罐的一級站與一類、二類、三類保護的民用建筑的防火距離分別為45m、35m、25m，二級站則分別為38m、28m、22m，三級站則分別為33m、22m、18m。由于目前氫氣加氫站的規(guī)模一般都還較小，為了與GB50016中規(guī)定的可燃氣體儲罐與民用建筑防火間距基本一致的要求.本規(guī)范中規(guī)定二類、三類保護的民用建筑與二級、三級加氫站的儲氫罐的防火間距分別為30m、25m、20m；與一類保護民用建筑的防火間距增加5m，分別為35m、30m、30m：這樣的規(guī)定與GB50016和GB50156相比，嚴于前者的規(guī)定；二級、三級站與GB50156相應(yīng)級別的防火間距接近，一級站一類、二類的防火間距小于GB50156中的規(guī)定，因為LPG加氣站的折算容量均大于相應(yīng)級別的加氫站，且LPG的潛在危險也比氫氣大，因此作出相應(yīng)的規(guī)定。3.氫氣加氫站的通風(fēng)、防爆安全措施的制定由于氫氣的密度小、易擴散和燃爆范圍寬、著火能小等物化特性，根據(jù)可燃氣體著火、燃爆的基本要素：燃爆混合氣、著火能或著火溫度。在所有氫氣設(shè)施的設(shè)計、建造中均應(yīng)十分重視防止氫氣在建筑內(nèi)、設(shè)備內(nèi)以及各種場所的可能積聚，以避免在空氣中達到燃爆極限的混合氣體的生成；防止各類火源、著火能量或溫度的可能形成。為此，在規(guī)范中設(shè)有相應(yīng)的條文規(guī)定了站內(nèi)有爆炸危險場所的電氣設(shè)施的設(shè)防等級、防靜電接地等方面的要求.在下面著重對有關(guān)條文內(nèi)容作一些分析。(1)為防止氫氣的積聚，除了在建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備構(gòu)造上采取措施外，規(guī)范中規(guī)定在站內(nèi)有爆炸危險(即在有氫氣的場所)場所如氫氣壓縮機間、氫氣壓力調(diào)節(jié)器間、制氫間等的房間頂部易積聚泄漏氫氣的場所，均應(yīng)設(shè)置空氣中氫氣濃度超限報警裝置，目前國內(nèi)外都有商品化的各種氫濃度報警器，如接觸燃燒式、熱化學(xué)式、氣敏半導(dǎo)體式和鈀柵場效應(yīng)晶體管等，其中鈀棚場效應(yīng)式應(yīng)用較多，其靈敏和選擇性好，并只對氫氣進行報警的特點。據(jù)調(diào)查.國內(nèi)設(shè)有氫氣設(shè)施的場所均設(shè)有此類報警裝置，只是一些單位對氫氣特性了解不夠或一時疏忽，未將“氫氣報警探測器裝設(shè)在場所內(nèi)最易積聚氫氣的頂部“死角”處，”這是需特別注意的：在規(guī)范中規(guī)定當“空氣中氫氣濃度達到0.4％時(即燃爆下限的10％)應(yīng)進行報警”。在氫氣加氫站運營中一旦進行報警，運行管理、操作應(yīng)按“安全事故預(yù)案”采取相應(yīng)措施，檢測氫氣泄漏處并采取應(yīng)對措施杜絕泄漏繼續(xù)發(fā)生；若空氣中氫氣濃度繼續(xù)升高，一旦達到1％時(即燃爆下限的25％)應(yīng)啟動事故排風(fēng)機，加強場所內(nèi)通風(fēng)換氣，使該場所的氫氣濃度得到控制，并應(yīng)即時組織人員查明原因。采取相應(yīng)的防止氫氣泄漏的措施。為防止有爆炸危險場所形成“可燃氣體燃爆混合氣”，所有“有氫氣的場所”均必須具有換氣次數(shù)達到5次以上的自然通風(fēng)措施。據(jù)了解國內(nèi)外相關(guān)標準規(guī)范均有相似的規(guī)定，如美國消防標準《汽車燃料系統(tǒng)為標準》NFPA52中對機械排風(fēng)的規(guī)定：“單位房間面積的通風(fēng)速率最小為1ft3／min／ft2”等；國內(nèi)現(xiàn)有的氫氣設(shè)施均在有爆炸危險房間的頂部(最高處)設(shè)有自然通風(fēng)裝置(自然通風(fēng)帽、氣窗等)，確保換氣次數(shù)超過5次；另在此類房間設(shè)有機械排風(fēng)機(事故排風(fēng))，一般設(shè)在側(cè)墻上的較高處(頂部)，排風(fēng)機與空氣中氫濃度報警裝置連鎖控制。(2)為