潘相敏：氢安全事故案例分析及加氢站安全设计

大家下午好！主办方给了我一个命题作文，好在以前做过相关方面的研究，也收集过信息，借此机会跟大家分享。
主要分享两部分内容，第一部分讲氢安全事故案例分析。关于氢气是否安全的答案，显而易见是不安全的，它是典型的易燃易爆危险品。平常我们在媒体报道中经常会误会，动不动说到4-75%就是氢气在空气中的爆炸极限，其实不是的。严谨来说，4-75%是形成可燃极限，它的爆炸极限是18-59%，所以也不是那么容易混合以后就发生爆炸，还是要达到一定的浓度才会爆炸。同样的问题，换一种问法，氢气危险吗？刚才说了它两个很危险的特性，但是反过来它还有两个安全特性，氢气的密度大家知道是最小的，它在空气中的浮力相比天然气、汽油、LPG来说是最大的，它的扩散系数也是最大的，意味着一旦氢气发生泄露，它在空气中会快速向上、向四周扩散，这样不容易形成可燃气的浓度，从这个角度来说，只要我们采用科学、规范的技术措施，氢气是完全可控的。
这两年国内外氢能产业发展非常火，但是恰恰在这两年，从2018年到现在媒体报道了好几起国内外较大的涉氢事故，发生爆炸或者是失火。氢能作为化工原料已经应用近百年，在化工厂的事件很多，但是这两年随着氢能作为燃料气得到大家关注，所有事件大家就会更关注。大家看到比较多的是2019年6月挪威加氢站爆炸，还有国内广东也有制氢厂的事故，还有一些大家不太知道的事故。我今天会选三个事故跟大家分享，这三个事故都可以查到相关的事后调查和分析。
第一个案例，挪威加氢站的爆炸事故，所幸这是无人职守加氢站，没有人员伤亡，造成附近非燃料电池汽车安全气囊弹出，造成人员受伤，附近办公楼受损。挪威应急部门响应非常迅速，而且很科学，在很短时间到位，设置安全区。事后分析结果表明，由于高压储氢罐端头部分一个特殊结构安装中的失误，导致氢气发生泄露，一开始是微小的泄露，微小泄露集聚以后导致枪体压力上升，越泄越大，最后从轻微泄露变成了集聚快速泄露，进而在相对堵塞的空间发生起火和爆炸。为什么会起火，调查还是不清楚的，推断原因可能是因为喷射的氢气流喷射到地面或者是周边的支架上，引起氢气的自燃。这里面有一个潜在的原因，对于高压氢气这种快速氢气流发生自燃，以及燃烧的过程中转爆燃、爆轰，机理还没有探索清楚。
第二个案例，2018年2月11日下午，美国一家国际知名气体公司，一辆氢气长管拖车在制氢厂到加氢站的运输过程中，在道路上发生起火，所幸并没有发生爆炸。比较蹊跷的是它的氢气制造和许可也是美国交通部（DOT）通过的，发生事故之前，那时候刚刚完成了五年周期的重新检查。事后DOT组织了调查，这个事件没有造成很大损失，调查原因也是非常清晰。某种程度来说这个原因是很低级的，部分52兆帕高压氢气瓶的PRD设置压力是错误的，这个事故是不可避免的。
第三个案例，国内发生在东莞的事故，国家应急管理部也组织事后严肃的追查追责，好在这起事故没有造成重大的人员伤亡，但是造成财务损失。事故发生在东莞工厂的一个充装站，当时是给两个长管拖车进行充装，其中一个充装的软管破裂，软管破裂以后并没有按照规范安装防甩脱层，导致软管在剧烈的气流冲击下甩动，甩动导致碰撞火花，然后进一步发生燃烧。事故总结发现，第一是工艺设计存在本质上的安全缺陷，没有按照规定在并联充装多台长管拖车充装管道上设置止回阀；第二是现场发现并没有应急气断阀；第三是防甩脱层并没有安装；最后，安全生产制度落实的不严格。
以上是跟各位分享我查到的详细事故分析案例，可以说是给火热发展的氢能不断敲响警钟。国际上有这些氢事故数据库，这些数据库有助于我们更好的去吸取经验，保障整个产业的安全。比较知名的几个数据库，一个是日本High Pressure Gas Safety Act数据库，它从2000年开始一直到现在，它是整个高压气体，不光是氢能，它一直都在统计，每年统计的事故都在三五十起，造成死亡率大概是0-6人。左下角的是欧盟Hydrogen Incident and Accident Database数据库，实际上是欧盟前期资助的一个项目，这个项目结束结果一直保留下来，这个数据库是时断时续。美国能源部全球氢事故报告数据库（H2Tools），它是一个开源数据库，业内可以不断往里补充新的事件、事故、故障等信息，然后做一些分析。根据它的分析，统计下来主要的氢安全事故来自于设计缺陷、密封失效、设备故障、操作失误或维护不当。这里面对记录在案的340起事故做了分析，事故原因中设备故障、设计缺陷、维护不当占了过半，管道阀门易发生事故或泄露。好在所有的统计事故中，人身伤害占比只是占21%。
美国加州拥有将近60座加氢站，其中29座加氢站有统计安全事件。根据这些安全实践，它的定位分为三类：一类是只有很轻微的泄露，没有造成持续性的后果；一类是接近出现险情的状况，稍有不慎就可能进一步发生失火；最后是所谓的安全事件，安全事件可能造成了误工、设备损伤、人员伤亡。统计后还是以很微小的泄露为主，主要是不充分的设备维护导致的问题。
国内典型案例安亭加氢站，是上海第一座、中国第二座，是国内迄今为止安全运营时间最长的一座站。这么多年的运行，它总共出现250次故障，年均出现大概16次，前几年相对比较平稳，判断是由于设备都用了十年以上，最近几年故障率也越来越高。按照设备来分析，跟国外统计略有差异，根据安亭加氢站单站统计，主要发生泄露是在压缩机，其次是加氢机。按照故障的类型来分，泄露的频率最高。我们有一个指标来判断，叫做可用度、可靠度。所谓的可用度是指一年365天，排除掉不能给汽车用户加氢的日子，剩下的做统计。一年365天里面，不能加氢的情况包括出现事故、故障以及正常的例行维护。总体来看，长达十几年的运行当中，维持90%多的可靠度还是可以的。
上面是跟大家分享一些案例，包括故障的统计数据，这个很重要，跟我接下来讲的加氢站安全设计和量化风险都有关系。
简单的总结国际通用的加氢站/所的氢设施都遵循的五层安全设计理念。首先第一，从工艺的设计上保证氢不泄露，尽可能保证它本质的安全。第二层，氢泄露之后能不能被及时检测到并及时去阻止进一步泄露，这就要求有安防系统设计以及一系列的措施；第三层，如果发生泄露，还没有控制住，它持续泄露，从设计上就要有充分的措施保证良好的通风，只要不集聚还是安全的，这需要从建筑和其他的安全设计上进行考虑；第四层，如果发生泄露的集聚，那么一定要杜绝点火源，通过电器的防爆设计以及严禁烟火等等的安全制度来保障；第五层，还是发生失火爆炸，要尽可能减轻火灾和爆炸以后对周边设施的影响，将影响程度控制在最小范围，例如采取防爆墙等措施。再总结一下就是事前的本质安全、事中的主动安全以及事后的被动安全。只要有这个基本的理念，我们所有氢设施是可以保障的。
针对加氢站而言，其实不是没有标准，而是有很多标准，一定要严格执行标准，可能会有很多大众质疑标准过严，我个人是秉持这样的观点，在产业发展的前期、开始阶段，严比松好。从加氢站的安全设施角度肯定是关键的设备必须要考量，加氢机已经有标准，国标正在修订。我今天整个汇报主题是针对高压。高压氢气加注跟天然气加注的效应是不一样的，它比传统的天然气加注温升更为剧烈。国内来讲，我以前是在同济，还有浙江大学，相关的科研机构在这块做了很多工作，但很多后来者可能容易疏忽掉这方面的工作。针对大家都关注的70兆帕加注，国际上已经有实践可行的标准，SAE J2601，其实还有SAE J2601-2、SAE J2601-3，针对不同的车型都有标准。欧盟也在制定类似的标准，日本有自己的标准，中国氢标委也已经推出团标，在制定国标，但这块还值得持续深入的研究。
加氢站另外一个关键设备是压缩机，前面讲到安亭站的经验，压缩机是最容易发生氢气泄露的。部分针对加氢站用的压缩机还没有国标，但在相关的国标中都有相应的规定，包括安全设置都有相应的规定。目前来讲，在高压气氢加氢站当中最常用的是隔膜式压缩机、增压泵式（气驱或液驱）、离子液体压缩机，其实各有各的优缺点，考虑成本、运行可以根据各个站的特点来选择。
储氢装置，加氢站的高压储氢装置现在有国标，也有团标，而且这个团标在最新的国标里面有引用，一定是要严格遵循这样的标准来设计加氢站。在2019年国内某个高压储氢容器厂出现严重质量问题。
整站工艺设计原则，既要考虑所谓的全日加注能力，更多应该关注峰值加注能力和连续加注能力。因为真的商业化运行，车辆加注势必像传统车加注一样，是会有峰值的，所以要有弹性设计，既保证峰值满加注能力，又让整个加氢站能耗处于合理有效的范围。
安防系统是加氢站必不可失的环节，是加氢站安全设计的重要部分。简单来讲，它有数据采集系统，需要融合可燃气的报警、火焰的报警、红外周界，各种周界报警所有的信号，通过信号发出警示或者是连锁反应，让加氢站保持安全运行。通过这套系统要实时采集监控加氢站的数据，上海相关地标已经发布了，我知道佛山也有相应的地标，各个加氢站的数据会集中到一个平台上运营管理，我认为这是一件非常好的事情，大势所趋。把加氢站的数据作长期的积累、监控，不光是一个实时监控以及事故的事后回溯，还可以为将来大数据分析起到事前对潜在事故隐患的预测和判断。
讲到站点设计，我之前从学术角度做了一些工作，跟站点设计密切相关的加氢站定量风险评价或者叫量化风险评价不是一个新的概念，在化工行业或者燃气行业也有用到，应该是很成熟了。针对加氢站的量化风险评价，在ISO19880-1国际标准里面已经正式写入，有一套规范流程。这里面的特点主要是这些泄露频率的取值和判断。这样的工作，我以前在同济的时候，早在2010上海世博会的加氢站就做过，做它的量化风险评价。我们发展三维量化风险评价。这是上海驿蓝能源科技有限公司投资建设，这个站是国内第一个管道送氢，70MPa加氢。我们对它设计之初就采用量化风险评估的方法。我们发现泄露风险最大的仍然是在压缩机区域。在此基础上，这两年也探索了一下针对油氢合建站。如果单纯从油氢合建站的氢气设备来讲，其实与纯氢站是一样的，风险值也是符合标准的。但是这个站上还有油，对加油的设备进行设计，加油机发生泄露，会对旁边的加氢站造成进一步的损伤。油氢合建站加注区的风险有所增加，但总体上还是处于风险可接受水平，且未产生风险越级。
以上是我今天想跟大家分享的一些信息，最后做一个小结，契合整个大会的主题，让大家知道安全是发展的前提，发展氢能不能谈氢色变，当然也不能无滋无味，不能盲目追寻速度和规模，有的时候可能起到的效果是欲速则不达。能源的价值与其风险往往是一体两面的，没有绝对的安全能源，核心在于是否可控。加强氢安全基础研究，联盟是一个很好的机制，建议能够共建共享中国氢安全数据库。我个人认为事故的发生只是一个概率的问题。一切的一切，希望业界共同努力，在我们产业刚刚蓬勃向上的时候，如果发生比较致命的，公众影响力非常大的事故，对我们的产业会造成致命的损伤。以上是跟大家分享的观点，谢谢！