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加氢站核心设备安全风险分析与防护研究进展

吕冉 ,  赵杰 ,  闫东雷 ,  王嘉龙 ,  张烘玮 ,  李敬法

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 16 -20.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 16-20. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.004
技术进展

加氢站核心设备安全风险分析与防护研究进展

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Research progress on safety risk analysis and protection of core equipment in hydrogen refueling stations

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摘要

综述了国内外加氢站用压缩机、高压储氢容器和加氢机3大核心设备的安全风险。结果表明,在高压氢环境下,隔膜压缩机的橡胶O型密封圈和膜片易损坏;由于脉冲冲击和排气温度过高会降低液驱活塞式压缩机零部件使用寿命,增加氢气泄漏的风险;高压储氢容器易出现氢脆、疲劳失效和氢气泄漏等问题;加氢机易存在主管泄漏、加注升温以及集成度高导致氢气泄漏后不易扩散等问题。由此提出针对性防范意见,研究成果可为加氢站核心设备的设计改进、选型以及加氢站的长周期安全运营提供参考。

Abstract

This review expounds the risks of compressors,high-pressure hydrogen storage vessels and hydrogen dispensers,which are core equipment in hydrogen refueling stations in the world.It is found that in the high-pressure hydrogen environment,the rubber-based O-rings and diaphragm sheets of the diaphragm compressor are easily damaged.Due to the pulse shock and high exit temperature,the service life of parts of the liquid-driven piston compressor will be reduced,increasing the risk of hydrogen leakage.High-pressure hydrogen storage vessels are prone to hydrogen embrittlement,fatigue failure,and hydrogen leakage.As for hydrogenation dispensers,there are risks of main pipes leakage and filling temperature rise,and hydrogen leakage is not easy to diffuse due to high integration.Therefore,the corresponding preventive measures are proposed.This research results can be used as a reference for the design improvement and selection of the core equipment in hydrogen refueling stations as well as the long-term safe operation of hydrogen refueling stations.

Graphical abstract

关键词

加氢站 / 泄漏 / 加氢机 / 高压储氢容器 / 压缩机

Key words

hydrogen refueling station / leakage / hydrogen dispenser / high pressure hydrogen storage vessel / compressor

Author summay

吕冉(1998-),女,硕士生。

引用本文

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吕冉,赵杰,闫东雷,王嘉龙,张烘玮,李敬法. 加氢站核心设备安全风险分析与防护研究进展[J]. , 2025, 45(2): 16-20 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.004

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在氢能产业发展过程中,加氢站是氢能产业化、商业化的重要基础设施。中国石化将在“十四五”期间建成1 000座加氢站或油氢合建站。随着加氢站数量的增多,其安全问题也成为了国内外关注的重点。近年来,国内外加氢站事故屡见不鲜,不仅给人们的生命和财产带来严重的损失,也对公众心理产生了负面影响。如2019年韩国江原道、美国加州圣塔克拉拉及挪威奥斯陆等地的加氢站,分别在储氢、输运和加注过程中发生了安全事故,导致当地宣布暂停加氢站的运营。加氢站发生的安全事故,引起了全球氢能产业的高度关注,也给氢能源的发展敲响了警钟。由国家发改委与国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》中明确提出,要加强氢能产业发展的安全监管。
目前已有的研究多集中于加氢站的安全管理,而对于加氢站设备安全的研究较为缺乏,加氢站设备多为高压设备且使用频繁,其中压缩机、高压储氢容器和加氢机是加氢站的核心设备,加氢站的技术含量、投资成本和安全运营都取决于这些关键设备,对其安全风险进行有效分析并防控是加氢站平稳运行的重要保障。鉴于此,本文中结合加氢站发展现状,总结了加氢站压缩机、高压储氢容器及加氢机3大核心设备的安全风险,并提出了针对性防范意见,旨在更好地保障加氢站的安全运营。

1 压缩机的安全风险分析及防护措施

据《2024年中国氢气压缩机行业全景图谱》数据显示,隔膜压缩机占国内加氢站压缩机市场份额的66%,液驱活塞式压缩机占34%。2种压缩机所占市场份额较大,因此重点分析其安全风险与防护技术。

1.1 隔膜压缩机

橡胶O型密封圈密封效果及膜片质量是影响隔膜压缩机长周期稳定运行的主要因素。当O型圈与高压、高纯氢接触时会发生吸氢膨胀现象,氢压越高,吸氢膨胀愈明显,从而损害其弹性模量和力学性能。同时还会导致密封面上接触应力升高,过大的应力会导致O型圈发生应力松弛和变形,如图1(a)所示,从而降低密封可靠性。
为解决上述问题,隔膜压缩机应选用抗氢脆性能较好的丁腈橡胶(NBR)材质,拉伸试验结果显示在高压氢气作用下,应力-应变曲线受影响较小。此外,为了避免吸氢膨胀对高压氢系统的影响,需要控制O型圈密封结构的预压缩率,若预压缩率过大,则会导致Mises应力显著增加,造成密封失效。
膜片寿命短是影响隔膜压缩机安全稳定运行的关键问题之一。隔膜压缩机在运行过程中,膜片在拐点圆[1][如图1(d)所示]附近会承受更大的应力,而且过高的油-气压差会驱使膜片撞击并紧贴缸壁,膜片受到峰值应力和附加应力的双层叠加,容易产生裂纹。此外,隔膜压缩机散热不良会导致热应力增大,最终导致膜片破裂[2]。膜片破裂后,油会进入下游管道和设备,污染氢气和下游管路。
膜片的安全防护主要从设计和应力等因素进行探讨。隔膜压缩机一般安装3层膜片,中间膜片刻有导流槽,如图1(b)~(c)所示,以确保两侧膜片破裂时可以及时将压力引出并触发紧急停机,防止氢气被污染。应力超标是隔膜失效的根本原因,采用可控离子渗入技术(PIP)处理膜片,可防止膜片在工作过程中产生拉应力,减少膜片疲劳损伤[1]。还可通过管理液压油温来降低热应力,防止膜片破裂,当油温下降60℃时,排气温度可降低49℃[3]。此外,有效的状态监测和故障诊断是提高压缩机安全性能的关键。Ren等[4]提出了一种识别膜片状态的诊断方法,可以对膜片碰撞进行预警,结合溢油流量还可以确定失效的确切原因。

1.2 液驱活塞式压缩机

液驱活塞式压缩机的液驱气体增压器在往返换向时,驱动液压系统的管路内会产生脉冲冲击,降低系统内元件使用寿命。若压缩机在运行过程中排气温度过高,会导致密封部件损坏,增加氢气泄漏的风险。针对这些问题,Zhou等[5]提出了一种由径向活塞泵驱动的新型超高压液驱活塞氢压机,如图2所示,解决了传统往复式压缩机曲柄连杆结构零部件复杂、侧向力大和频繁损坏的问题;通过设计压缩机活塞室与油室的容积差,解决了压缩机运行时因泄漏而导致压缩机运行不稳定、压缩效率低等问题;通过设计的液压回路和缓冲结构,降低了压缩机活塞接触上下限的速度,减少了压缩机运行的冲击和噪音。
综上所述,隔膜压缩机的安全风险主要来自橡胶O型密封圈的密封性能和膜片质量问题;而液驱活塞式压缩机存在零部件易损坏的风险。在压缩机的安全风险防护方面,未来在氢气设施的事故预测和氢气系统的安全设计方面需展开深入研究,研发出可靠的安全风险评估方法或工具。

2 高压储氢容器的安全风险分析及防护

加氢站高压储氢容器主要风险有:①高压且氢气纯度高,具有高压氢脆的危险;②压力波动范围大且频繁,具有低周疲劳破坏风险;③容积大,压缩能量多,氢气易燃易爆易泄漏,事故危害严重等。

2.1 氢脆

钢制高压储氢容器选材一般为低合金Cr-Mo钢(主要为4130X)、奥氏体钢等。低合金Cr-Mo钢预充氢后断裂韧性大幅度下降,且在断口脆性区出现大量二次裂纹[6]。在45 MPa和70 MPa高压氢环境下,4130X的氢致开裂应力强度因子门槛值(KIH)相较于空气中分别下降了58.4%和74.4%[7]。因此,材料的KIH会随氢压的升高而显著降低。而奥氏体钢虽具有更低的氢脆敏感性和强氢陷阱结合能,但这些特性仅能发挥延迟作用,在氢气浓度或外部氢压足够高的情况下,长期暴露在氢环境中仍可能导致氢损伤现象。
氢脆的防护主要为材质升级和材料表面强化 2种技术。奥氏体钢抗氢性能优异,通过对S31603和S30408预充氢至30 mg/L后发现前者具有更高的抗氢脆性能,如图3所示[8],这是因为氢可以降低奥氏体钢层错能,从而在形变过程中引发马氏体相变。但是有研究表明可利用较高的成形温度(100~300℃)调控S30408不锈钢的微观组织,打破“强度-氢脆”的平衡,在高强度基础上提高材料的抗氢脆性能[9]。
在70 MPa氢环境中,A6061-T6铝合金的断面收缩率为77.1%,与在氩气中的相差不大[10]。这表明上述2种储氢材料可有效地限制氢脆的发生。此外,对材料进行喷丸处理,使其内表面形成局部残余压应力,可提高抗氢脆能力。有研究表明在金属表面沉积Fe3Si可以有效抑制氢的吸附[11],以对金属提供保护。

2.2 疲劳失效

高压储氢容器在复杂、频繁充放氢工况下,材料的疲劳失效风险加剧。在45 MPa氢环境下4130X的疲劳裂纹扩展速率比空气环境加快了10~15倍,断裂韧度降低超过70%[12]。在92 MPa高纯氢气中,4130X的疲劳裂纹扩展速率是空气环境下的 30~50倍[13]。通过对容积为35 L、初始裂纹深度约为1.3 mm的小型储罐进行疲劳试验后发现,氢气储罐循环疲劳寿命通常不到汽油储罐循环疲劳寿命的10%[14]。
抗疲劳可以从容器的结构和制造精度的角度探讨,结构以碳纤维全缠绕典型抗疲劳结构、钢带错绕式的特殊型式为主。目前87.5 MPa钢内胆碳纤维全缠绕氢气瓶正在研制,纤维缠绕层选用碳纤维作为增强材料可以充分发挥出高强高模的特性,提高储罐的抗内压能力,改善储罐的耐疲劳特性。采用钢带错绕式的特殊型式,如图4所示,可将疲劳破坏的失效形式改变为“只漏不爆”,且在泄漏初期通过检漏孔快速检测到,有效避免事故的发生。

2.3 氢泄漏

加氢站内长管拖车需要频繁地连接软管进行装卸作业,发生泄漏的可能性更大。为了衡量扩散后果的严重程度,有学者以氢气体积分数4%作为标准,对氢气的泄漏扩散问题进行研究,如图5所示[15]。
经对比发现,氢气容易在泄漏方向①和②的情况下,因受到防火墙和地面的限制会在防火墙内侧、长管拖车底部等区域积聚,增大了被点燃的风险。对于高压储氢罐的泄漏,当无障碍物(L=∞)时危险区域在水平方向传输距离最大[图6(a)];当存在障碍物时,随着间距的增加,障碍物对垂直方向危险区域传输距离的影响逐渐减弱[图6(b)][16]。
防止氢气泄漏主要从人为、环境因素及加氢站结构设计、应急设备着手。其中,人为失误是事故频繁发生的主要原因。Lee等[17]制定了有效的操作员培训计划,提供安全信息和公共关系,以便工作人员更安全地操作设备。氢气的泄漏扩散还受环境因素的影响。在相同风向和泄漏情况下,爆炸造成的最远危害距离为35.7 m,最远致命距离为18.8 m[18]。而且风会促进障碍物附近再循环区的形成,可用带倾角罩棚形式的加氢站代替传统形式建筑来避免这一问题。在罩棚底部应减少障碍物的放置并且周围半径7 m的范围内不得出现高温热源[19]。还可以储备N2、CO2等惰性气体,对泄漏处注入以防氢气燃爆事故的发生。
综上可知,高压储氢容器主要存在氢脆、疲劳失效及氢气泄漏3大问题。市面上的储氢容器种类繁多,因材料、结构、人为、环境等因素有所不同,所导致的安全问题也各不相同。除上述防护手段外,还需要对提高材料的抗氢脆、抗疲劳性能及氢气泄漏检测技术进行深入研究,不断提高容器的安全性能。

3 加氢机的安全风险分析与防护

加氢机是加氢站故障率较高的设备,相关的故障事件数占比达到57%[20]。加氢机内部集成度高,当70 MPa加氢机主管泄漏量为1%时,在不到1 s的时间内,加氢机内部就会形成可燃气云,并将在很长一段时间内保持可点燃状态[21]。加氢机的主管内漏是最严重的情况,造成的致死距离约为3.2 m,危害距离约为7.5 m[22]。喷嘴软管上的外泄漏由于泄漏点附近没有堵塞,氢气泄漏和燃烧影响范围更大,致死距离约为3.8 m,但泄漏率要小很多。此外,氢气具有负焦耳汤姆逊系数,在快速充装过程中会出现显著升温现象。除了加氢机整机存在的安全风险外,加氢枪因结构较为复杂,集成度高,散热差,所导致的安全问题不容忽视。在相同间隙下,加氢枪在高压环境中的泄漏量比常压下大几倍甚至几十倍。而且在超高压条件下,加氢枪则需要更高的密封比压及更高硬度、强度的密封材料。同时,高压加氢枪在工作时具有极高流速,造成的热量会引起一些结构上的变形以及热传导,极易造成加氢枪内部部件损坏。
加氢机的安全防护主要从整机的安全设计、加注时温升控制等角度展开。加氢机整机需采用一种结合隔爆与本质安全的混合型防爆形式,零部件、管道等应有可靠的防渗透、泄漏措施,以及尽可能地消除加氢机内部所有可能的引爆源。同时,保持加注时氢气温度的稳定是降低加氢站事故风险的关键。可采用车载气瓶与加氢机智能系统联动的方式,实现加氢枪自动调节加氢升压速率,以及在加氢机前设置预冷器,对氢气进行预冷。当氢气入口温度降低25℃时,储罐气体最高平均温度可降低16.5℃[23],通过这2种方式可达到控制氢气温度的效果。此外,Hirayama等[24]利用专业软件得到了加氢机爆炸的安全距离为3.9 m,射流火灾的安全距离为 4.9 m,闪火的安全距离为8.0 m,有助于实际中加氢机安全距离的确立。
综上可知,加氢机由于集成度高并且主管泄漏扩散速度极快,造成的事故后果严重。因此,需要保证加氢机内部及周围无引爆源。此外,加氢枪的高集成度、密封性及高流速等问题严重威胁着加氢站的安全运营。未来发展应以形成高性能安全可靠的加注控制策略以及实现加氢机关键零部件的技术突破方向为主。

4 展望

从加氢站用压缩机、高压储氢容器、加氢机3个核心设备出发,分析了其中主要的安全隐患并给出了防护建议。基于此,提出以下几点展望。
(1)对于隔膜压缩机而言,需要重点考虑与加氢站频繁启停和大流量的实际运营工况相结合的研发需求;而液驱活塞式压缩机还需加强在整体结构以及密封件寿命等方面的研究,优化液压驱动系统,提高控制精度。
(2)我国目前在高压储氢容器标准方面存在较大缺口,应加强推进对临氢材料的性能分级评价标准、专项建造标准的制订工作。此外,阻氢涂层是防止临氢材料失效的有效途径,但存在着断裂应变过低、附着力差和涂层本身缺陷等问题,该方法并未得到广泛应用,未来可进行深入探索。
(3)我国有加氢机整机研发集成的能力,但在加氢装备的核心零部件研发技术方面尚未实现国产化,进口依赖度高,需突破加氢基础设施关键装备制造技术。

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