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“雙碳”目標下，氫能的清潔屬性備受重視，隨著新的應用場景不斷增多，氫能安全風險管控也面臨新挑戰(zhàn)。在制氫過程中，如何做好各類大規(guī)模電解水制氫裝置和儲氫容器的安全防控；在氫氣儲運及使用過程中，如何應對高壓氣瓶充裝、卸車、加氫使用等過程的安全風險等。本版專題聚焦上述氫能安全課題，展示中國石化的應對之舉。

保障氫能安全  “氫”啟綠色未來

“雙碳”背景下，氫能成為我國能源轉型的重要戰(zhàn)略選擇，引領著新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021~2035年）》，這是我國第一份氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策文件。該文件以實現(xiàn)“雙碳”為目標，明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。

氫能的生產(chǎn)、儲存和運輸常伴有易燃易爆、高壓、低溫、氫脆等風險。氫能產(chǎn)業(yè)安全快速發(fā)展的戰(zhàn)略需求與氫能安全技術基礎薄弱之間的矛盾，成為氫能產(chǎn)業(yè)面臨的主要瓶頸。

中國石化全力推動高質(zhì)量氫能應用現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈建設，所屬安全工程研究院（以下簡稱：安工院）成立氫安全實驗室，定位于我國氫能安全創(chuàng)新中心、戰(zhàn)略咨詢與政策規(guī)制研究智庫、科技人才培養(yǎng)基地、技術標準供給基地，為我國氫能規(guī)?；煤彤a(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供系統(tǒng)的安全技術支撐。他們基于系統(tǒng)安全及保護層安全防護理念，積極開展氫能風險防控，提出了氫能安全四原則——不泄漏、早發(fā)現(xiàn)、不積聚、防燃爆。

筑牢設備安全籬笆，避免氫氣泄漏

近年來國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)生多起安全事故，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氫氣泄漏導致的事故數(shù)量約占一半以上。氫能風險防控要抓在源頭，筑牢設備安全籬笆，確保臨氫設備不發(fā)生泄漏。

我國臨氫設備普遍面臨國產(chǎn)率低、使用周期短、失效數(shù)據(jù)庫缺失等突出問題，核心在于高壓臨氫設備具有的共性，即材料在高壓氫環(huán)境中的氫損傷和零部件在長周期服役過程中的疲勞失效。

安工院提出“搭建測試平臺、研究損傷機理、提出質(zhì)量管控體系并實現(xiàn)設備安全”的總體路線，認為研發(fā)高壓氫原位測試裝備，進而建立配套測試方法，是解決上述問題并實現(xiàn)臨氫設備設施本質(zhì)安全的關鍵。

安工院針對材料的氫損傷等問題，搭建高壓氫環(huán)境原位疲勞及拉伸試驗平臺，開展高壓臨氫材料相容性研究，揭示高壓臨氫材料氫致?lián)p傷機理，構建臨氫金屬材料性能指標體系；針對零部件長周期運行可靠性、低周疲勞損傷等問題，搭建氫環(huán)境的氣密性、耐久性和火燒性能等的研究試驗平臺，開展在役儲氫容器及關鍵零部件原位檢測技術研究，獲得零部件/設備的失效模式等關鍵失效數(shù)據(jù)，構建高壓臨氫零部件/設備全生命周期疲勞壽命預測模型和安全指標體系，從而在本質(zhì)安全上支撐材料測試、研發(fā)和設備選型及國產(chǎn)化。

安工院建成了中國石化首套140兆帕高壓臨氫材料與零部件研究測試平臺，包括140兆帕高壓氫高低溫環(huán)境疲勞拉伸測試平臺、400兆帕靜壓爆破測試平臺、-50~150攝氏度極限溫度壓力疲勞測試平臺、140兆帕氫氣壓力循環(huán)、氣密性測試平臺等，并針對高壓氫用金屬/非金屬材料及臨氫零部件（如閥門、軟管等）開展140兆帕壓力下材料相容性、零部件可靠性測試，支撐高壓臨氫零部件國產(chǎn)化研究，為中國石化氫能產(chǎn)業(yè)安全高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。

科技讓氫氣“現(xiàn)身”，助力氫氣泄漏早發(fā)現(xiàn)

與天然氣、汽油氣等不同的是，氫氣無色無味，泄漏后，人體無法感知，因而氫氣泄漏后的早發(fā)現(xiàn)是提升氫安全水平的重要一環(huán)，關鍵在于氫氣泄漏的有效檢測。

對于氫氣泄漏檢測，在制氫、儲氫、加氫和用氫等臨氫設備、管道集中布置區(qū)域內(nèi)，應設置高靈敏度氫氣濃度檢測及報警系統(tǒng)，系統(tǒng)的設置應充分考慮泄漏后氫氣的擴散特性、風速、周圍環(huán)境等多種因素的影響，實現(xiàn)氫氣的有效檢測及報警。

據(jù)統(tǒng)計，1座加氫站內(nèi)設備、管道連接位點有300余處，僅壓縮機橇內(nèi)就有百余處，而壓縮機橇通常設置1~2臺固定式氫氣泄漏檢測報警器，面臨氫氣泄漏檢測覆蓋率低、可靠性差、無法實現(xiàn)泄漏定位等難題。同時，壓縮機、加氫機、卸氫柱等因操作頻繁，泄漏風險更高。

安工院自主研發(fā)了光學氫敏變色技術，形成了氫敏變色功能膠帶等相關技術產(chǎn)品，實現(xiàn)了氫氣泄漏快速檢測及精準定位，氫氣變色響應時間為1秒；環(huán)境耐受性超過1年，且變色前后顏色對比大，易于人眼辨識；能夠在室溫條件下5秒內(nèi)自粘，具有安裝便捷的優(yōu)勢。目前，該技術已在中國石化10余座加氫站、供氫母站等現(xiàn)場應用，助力氫氣泄漏早發(fā)現(xiàn)、早處置，提高了安全水平。

除了氫氣泄漏監(jiān)測，也應高度重視氫氣火焰的準確識別。與天然氣、汽油火焰不同，氫氣火焰是一種淡藍色火焰，無論白天還是黑夜，人眼通常難以辨識。因此，氫能“制儲運加用”各環(huán)節(jié)需要根據(jù)檢測距離、覆蓋范圍、響應時間等因素選擇固定式氫火焰識別及報警系統(tǒng)，同時也要配備便攜式氫火焰監(jiān)測儀。另外，不應使用烴類火焰探測器檢測氫氣火焰。

夯實場景安全設計，避免氫氣泄漏積聚

氫氣一旦發(fā)生泄漏，避免積聚是首先要考慮的問題。如果條件允許，所有臨氫設備設施均應在戶外，避免泄漏后氫氣發(fā)生積聚。在現(xiàn)場布置過程中，既要考慮站內(nèi)建筑和設備設施布局對通風的影響，又要考慮城市規(guī)劃以避免周邊高層建筑或地形對風的阻擋等不良影響。對加氫機、加油機設置在同一罩棚下的油氫合建站，需要對原有的罩棚進行改造，譬如在頂部增加氫氣逃逸通道，防止氫氣在罩棚下積聚，同時考慮加氫、加油車輛的?？课恢?、方向對空氣流動的影響，尤其要重點關注車輛排隊較多的加氫站。

安工院開發(fā)了基于計算流體力學（CFD）的快速后果分析軟件和風險定量評估工具，可兼顧計算精確性和快速性，對安全專業(yè)早期介入、提高工程設計水平起到重要作用。對放置在橇體結構內(nèi)的臨氫設備設施，應保證橇體本身具有良好的通風性，不存在易積聚氫氣的部位。此外，橇體內(nèi)部也要有合理的布局與間距設計，以滿足充分通風，包括正常運行時的自然通風及事故中的應急排風或鼓風，避免出現(xiàn)死角，并有相應點火源控制措施。針對外部氫氣大量泄漏進入半封閉空間的可能場景，橇體結構、站內(nèi)及周邊建筑物的通風入口或空調(diào)進氣口，需要避開可能的氫氣泄漏點位，同時，盡量縮小半封閉空間，譬如封堵罩棚原有的夾層。這些都需要安全專業(yè)人員早期介入、評估并指導工程設計。

強化安全底線思維，杜絕氫氣燃爆事故

氫噴射火危害較大，臨氫設備設施科學的空間布局及合適的安全距離，對減輕氫噴射火危害十分重要。對重點建筑物或易發(fā)生氫噴射火的地方，設置防護墻、考慮被動防火設計也是減輕氫噴射火危害的重要舉措。

此外，可以考慮合理的抑爆、泄爆等主動和被動防護設計。通過噴灑超細粉末滅火劑等措施降低甚至抑制爆炸傳播，進而降低爆炸超壓。對橇裝設備，可通過采用輕質(zhì)屋頂、輕質(zhì)易碎墻等泄爆設施減輕氫氣爆炸產(chǎn)生的危害。對于站房、外操室等人員密集區(qū)，開展必要的抗爆改造也是重要的防護手段。

當然，這些舉措僅是氫氣燃爆事故發(fā)生后減輕危害的手段之一，更為關鍵的是確保氫氣不發(fā)生泄漏、泄漏后快速檢測并切斷、泄漏后的氫氣不發(fā)生積聚。

安工院組建氫能安全創(chuàng)新團隊，以“系統(tǒng)安全，層層設防”的理念指導學科建設和科技研發(fā)，針對氫氣泄漏擴散與燃爆行為規(guī)律及致災機制、高壓氫對材料/部件的損傷機理等關鍵問題，開展氫能安全基礎研究；聚焦氫能安全風險評估技術、臨氫材料與裝備安全技術、氫能安全防護技術與裝備、氫能安全標準體系構建等方向進行研發(fā)創(chuàng)新。

為強化我國氫能安全創(chuàng)新生態(tài)圈建設，推動氫能安全關鍵技術攻關，搭建氫能安全合作與促進平臺，建立健全氫能安全標準規(guī)范，提供氫能安全社會公共服務，在應急管理部指導下，安工院組建國家氫安全戰(zhàn)略聯(lián)盟，旨在通過重大科技任務引領，整合氫能行業(yè)資源和力量，形成“產(chǎn)學研用”組織網(wǎng)絡和創(chuàng)新平臺，加快氫能安全、應急技術研發(fā)應用，有效應對氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中面臨的新風險。（ 本報記者 谷成林 通訊員 劉 歡）

觀點摘要

管控氫能安全風險要堅持預防為主、防患未然

中國工程院院士 曹湘洪

管控氫能安全風險要以預防為主、防患未然，同時堅持本質(zhì)安全、系統(tǒng)防控。從技術角度來講，首先，要系統(tǒng)開展氫能安全技術研究。形成以國家重點實驗室為主體、社會科技力量積極參與的氫能安全技術研究體制，堅持問題導向和發(fā)展目標導向，總體規(guī)劃，加大投入。其次，要修訂和完善氫能安全國家標準。組織專門團隊，梳理我國已有和正在制定的氫能安全國家標準，從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀和對氫能安全管控的要求出發(fā)，進行頂層設計，制定、修訂、完善標準，盡早形成系統(tǒng)完整的標準體系。最后，要成立面向氫能系統(tǒng)各類設備、管道管件、閥門、儀器、儀表等的檢測檢驗機構。

堅持問題導向、協(xié)同攻關  攻克氫氣“儲運輸用”關鍵問題

中國工程院院士  陳學東

從技術角度看，氫氣儲、運、輸和終端利用方面仍存在很多關鍵問題沒有解決，在儲運裝備方面，50兆帕以上超大容積固定式儲氫容器、90兆帕氫氣壓縮機設計制造還有短板；抗氫氣高速沖擊高壓加氫站閥門、耐深冷溫度液氫閥門、高集成度瓶口組合閥等特殊閥門零部件還存在“卡脖子”問題；70兆帕車載Ⅳ型儲氫氣瓶、50兆帕大容量管束集裝箱設計制造技術還未完全掌握。建議國內(nèi)科研院所、高校、企業(yè)，堅持問題導向、協(xié)同攻關，共同推動創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展。

夯實材料安全基礎  保障氫能本質(zhì)安全

中國工程院院士  涂善東    

氫能發(fā)展過程中的安全技術，是推動氫能安全應用的關鍵。其中，材料安全尤其重要，是保障氫能本質(zhì)安全的物質(zhì)基礎；在本質(zhì)安全設計方面，需要基于失效模式，考慮過量變形、斷裂失效和交互作用的破壞等。分析兩種儲氫載體——氨和甲醇的特點，會發(fā)現(xiàn)氨易于儲存運輸，但制造過程的耗能與甲醇相比高約10%，且氨分解的轉化率較低，常規(guī)溫度壓力工況下轉化率低于60%。此外，氨泄漏有毒性，易導致氨中毒。相比而言，甲醇在常溫下穩(wěn)定安全，是氫含量最高的液體燃料。

氫氣管道輸送前景廣闊  但面臨一系列難題和挑戰(zhàn)

中國工程院院士  鄭津洋

氫氣的管道輸送具有體量大、距離遠、能耗低等優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)氫能的大規(guī)模、低成本、長距離運輸，但目前仍有不小挑戰(zhàn)。在氫環(huán)境中，材料性能除了與材料本身的微觀組織、化學成分有關，還與環(huán)境、應力、制造工藝等影響因素密切相關。環(huán)境方面，如氫分壓、純度、溫度，制造方面，如熱處理工藝、焊接工藝、成型方法等，都會對材料性能產(chǎn)生影響。在關鍵技術上，需要攻克低成本高強度抗氫脆材料、高性能氫能管道設計制造技術、氫能管道系統(tǒng)運行和控制技術等難題。

知識鏈接

氫能安全“三性”

⒈ 氫的泄漏與擴散特性

涉氫事故大多起源于氫泄漏。氫氣是密度最小的氣體，僅為空氣的7%，在常溫下是甲烷的1/8、丙烷的1/22，具有更易泄漏且泄漏速度更快的特點。氫氣的擴散系數(shù)是天然氣的3.8倍、丙烷的6.1倍、汽油氣的12倍，因此具有更大的浮力及擴散性。即使在無風或不通風的情況下，遠離泄漏源的氫氣也會迅速向上擴散。

⒉ 氫的燃燒特性

氫氣的燃燒爆炸特性主要與其點火能量、燃燒極限及自燃溫度等因素密切相關。首先，氫的最小點火能量很低，在常壓空氣中其點火能量為0.019毫焦（此時氫氣濃度約為28%），遠低于天然氣和汽油的0.3毫焦。其次，氫的燃燒范圍很寬，為4%~75%（體積比），其燃燒下限（4%）比除甲烷（5%）以外的其他烴類氣體要高得多。然而，由于氫氣燃點（自燃溫度）為527攝氏度，遠高于汽油自燃溫度220攝氏度，被熱表面點燃風險略低。

⒊ 氫的爆炸特性

氫氣反應活性比一般烴類氣體強，容易發(fā)生爆燃轉爆轟，后果較為嚴重，但爆轟條件并不容易形成。氫氣的爆轟下限為13%~18.3%（體積濃度），爆轟上限為59%，而當氫氣濃度小于13%或大于59%時，即使遇到火源，也不會爆轟。相比之下，天然氣的爆轟下限為6.3%，汽油氣的爆轟下限為1.1%，與氫氣相比，天然氣和汽油氣泄漏云團更容易達到爆轟極限濃度。因此，只要做好及時的泄漏監(jiān)測和有效的通風，氫氣發(fā)生爆轟的風險較低。

氫能風險

氫氣具有易泄漏擴散、燃燒爆炸、使金屬材料性能劣化等特點，不可避免地會導致氫能“制儲運加用”各環(huán)節(jié)均存在一定的安全風險。

⒈ 大規(guī)模綠電制氫風險

水電解制氫通常包括堿性水電解制氫技術、質(zhì)子交換膜純水電解（PEM）技術、固體氧化物水電解（SOEC）技術等，其中大規(guī)模綠電制氫主要采用成熟的堿性水電解技術，以及正在快速發(fā)展的質(zhì)子交換膜純水電解技術，其系統(tǒng)均由電解槽及配套的分離、純化等輔助裝置組成。大規(guī)模綠電制氫主要面臨的風險包括水電解制氫系統(tǒng)固有風險及可再生能源供電波動性引發(fā)的風險。

⒉ 氫能儲運及使用過程風險

當前氫能儲存技術主要包括高壓氣氫儲存、低溫液態(tài)儲氫、有機液體儲氫及固態(tài)儲氫等，目前高壓氣氫儲存仍然是主要形式。

①高壓氣態(tài)儲氫面臨的風險

高壓氣態(tài)儲氫工作壓力高，對儲氫設施的材質(zhì)和密封性要求較高，高壓運行狀態(tài)易使儲氫裝置發(fā)生破裂造成氫氣泄漏引發(fā)燃燒爆炸。

②低溫液氫儲存面臨的風險

由于液氫溫度低、沸點低，一旦發(fā)生泄漏或液氫管路、設備絕熱保溫失效，其低溫特性可能對周圍設備和人員造成較大傷害。

③氫氣管輸面臨的風險

氫氣管輸是廠際間、長距離氫氣輸送的常用手段。氫氣管輸風險主要包括氫脆與氫泄漏燃爆。

④加氫站面臨的風險

加氫站是為氫能汽車供能的基礎設施，站內(nèi)氫氣儲存、加注壓力更高，高壓設備及零部件面臨因低周疲勞損傷導致失效并引發(fā)氫氣泄漏、燃爆等風險。