江蘇響水3.21爆炸事故為全國工業(yè)企業(yè)安全生產(chǎn)敲響了警鐘。2019年4月,國家能源局印發(fā)《關(guān)于切實(shí)加強電力行業(yè)危險化學(xué)品安全綜合治理工作的緊急通知》,要求各電力企業(yè)全面排查,堵塞危險化學(xué)品安全管理漏洞;推進(jìn)重大危險源管控和治理;提升?;窇表憫?;強化?;钒踩a(chǎn)監督管理,保障電力工業(yè)安全生產(chǎn)。
在現代300MW以上高容量火力發(fā)電機組中,氫氣以其低密度、高導熱參數的優(yōu)良特性成為汽輪發(fā)電機冷卻技術(shù)的首選冷卻介質(zhì),氫站(包括制氫站和供氫站)成為大型火力發(fā)電廠(chǎng)的必備設置。但同時(shí)由于氫氣所具有的密度小、擴散性強、著(zhù)火能量低、爆炸極限范圍寬等特點(diǎn),因而使得氫站成為電廠(chǎng)內的一個(gè)重大危險源,其安全生產(chǎn)與管理工作必須引起高度的重視。本文將從安全角度就氫站設計、調試、運行管理等方面可能存在的一些問(wèn)題加以分析和討論,借以提高相關(guān)從業(yè)者對氫站安全的認識,促進(jìn)電廠(chǎng)氫站安全生產(chǎn)與管理水平的提升。
要做好氫站的安全生產(chǎn),嚴格按照相關(guān)規范判定氫站的爆炸危險等級,做好安全設計是第一步,也是最基礎的一步。根據GB50177-2005《氫氣站設計規范》氫氣站、供氫站的生產(chǎn)火災危險性類(lèi)別,應為“甲”類(lèi)。氫氣站、供氫站內有爆炸危險房間或區域的爆炸危險等級應劃分為1區或2區。對于具體如何區分1區和2區,GB50058-2014《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規范》中做出了以下具體說(shuō)明。1、有爆炸危險的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間等的空間都不大,設備布置間距最大僅4m,因此建筑物內部的爆炸危險區域范圍,一般以房間為單位。2、規范明確“1區:在正常運行時(shí)可能出現爆炸性氣體混合物的環(huán)境”,同時(shí)注明:“正常運行是指正常的開(kāi)車(chē)、運轉、停車(chē),易燃物質(zhì)產(chǎn)品的裝卸,密閉容器蓋的開(kāi)閉,安全閥、排放閥以及所有工廠(chǎng)設備都在其設計參數范圍內工作的狀態(tài)”。氫站內有爆炸危險的房間內的生產(chǎn)設備在開(kāi)車(chē)、停車(chē)時(shí),都有可能出現爆炸性混合氣體。3、規范明確“第一級釋放源”是“預計正常運行時(shí)周期或偶爾釋放的釋放源以及在正常運行時(shí)會(huì )釋放可燃物質(zhì)的泵、壓縮機、閥門(mén)等的密封處”??紤]到目前的閥門(mén)密封技術(shù)尚無(wú)法保證氫氣的絕對密閉性,所以氫站在正常運行時(shí),存在著(zhù)周期或偶爾釋放的釋放源,即其屬于第一級釋放源。4、規范規定,釋放源級別與通風(fēng)方式將影響爆炸危險區的劃分和范圍:在自然通風(fēng)和一般機械通風(fēng)的情況下,第一級釋放源可劃分為1區;當通風(fēng)良好時(shí),應降低爆炸危險區等級;局部機械通風(fēng),在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風(fēng)和一般機械通風(fēng)更為有效時(shí),可采用局部機械通風(fēng)以降級。鑒于目前國內大多數電廠(chǎng)氫站只設有自然通風(fēng)和一般機械通風(fēng),無(wú)局部通風(fēng),因此氫站內的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間、氫氣灌裝間等室內爆炸危險物質(zhì)的釋放源屬于一級釋放源,其爆炸危險區域的劃分應定為1區。5、根據規范,將有爆炸危險為1區的各類(lèi)房間的相鄰區域、空間和氫氣排氣口周?chē)臻g等規定為2區有爆炸危險場(chǎng)所。氫站室外制氫設備、氫氣罐的周?chē)臻g和氫氣放空管周?chē)臻g規定為2區有爆炸危險場(chǎng)所。盡管各項設計規范力求保證氫站的安全穩定運行,但也不能排除特殊情況下氫站發(fā)生化學(xué)爆炸等極端事件的可能。泄壓比的概念就是針對氫站內發(fā)生氫氣燃爆事故時(shí),保證制氫間等廠(chǎng)房有足夠多的與外界相通的通道,以降低氫氣燃爆時(shí)釋放的巨大能量向周?chē)鷶U散的阻力,相應減少氫氣燃爆的物理?yè)p害。GB50016-1987《建筑設計防火規范》中規定:泄壓面積與廠(chǎng)房體積的比值(m2/m3)宜采用0.05~0.22。爆炸介質(zhì)威力較強或爆炸壓力上升速度較快的廠(chǎng)房,應盡量加大比值。很多早期建設的火電廠(chǎng)氫站設計成了普通的鋼筋混凝土框架結構及填充實(shí)心墻的結構,泄壓面主要依靠門(mén)窗來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)《建筑設計防火規范》相關(guān)技術(shù)要求的不斷更新,2014版中明確氫站泄壓比不得小于0.25,所以很多傳統設計的氫站需要進(jìn)行結構改造,增大泄壓比,這也成為火電廠(chǎng)內危險源控制的一項重要工作。提高泄壓比的結構改造措施包括拆除部分墻面,縮減氫站體積的縮容整改方案,還有新建墻面,拓展氫站空間的擴建整改方案。氫氣站特別是采用堿液電解技術(shù)的制氫站的投產(chǎn)調試,由于工作內容比較繁瑣、涉及面廣、危險隱患多,成為氫站安全生產(chǎn)管理的重點(diǎn)階段。為保證氫站調試工作的安全順利,應該嚴格按照以下的工作順序進(jìn)行。1、確認已經(jīng)具備調試條件,包括主體設備已經(jīng)安裝完成,配制堿液用除鹽水、工業(yè)冷卻水、壓縮空氣、工藝與控制、照明、檢修等電源都已接通。例如應確認主要工藝設備都接地良好,可以有效傳導設備上的靜電。另外要特別注意進(jìn)入調試階段后原則上不得再在氫站內從事動(dòng)火作業(yè)。2、完成制氫設備、儲氫罐體、氫氣輸送管路的嚴密性試驗,并用氮氣對上述系統進(jìn)行置換。對于儲氫罐的置換,為了減少氮氣的使用,節約置換時(shí)間,也可考慮選擇工業(yè)水作為置換介質(zhì),等產(chǎn)品氫制備出來(lái)后再用氫氣頂壓排水。但這一方案需要考慮避免產(chǎn)品氫露點(diǎn)上升的措施。3、對設備內外表面進(jìn)行水沖洗,特別是要確保電解槽的清潔,將清洗廢水從電解槽排污閥排掉。4、檢查氫站控制系統的穩定性和安全性,特別要檢查控制邏輯中各報警聯(lián)鎖點(diǎn)的設置是否正確。5、組織業(yè)主、監理、施工、調試及設備廠(chǎng)家等各單位有關(guān)人員對整個(gè)生產(chǎn)條件進(jìn)行逐一確認,在共同確認具備試運條件后方可進(jìn)入下一階段。需要注意的是,進(jìn)入試運階段后,氫站應嚴格按照相關(guān)值班和巡視制度進(jìn)行管理。任何個(gè)人進(jìn)入氫站區域前都應注意身著(zhù)棉質(zhì)工作服,不穿帶鋼釘的鞋子,關(guān)閉手機,交出火種,同時(shí)接觸導電球以消除身上靜電。6、稀堿運行。稀堿的濃度為15%,運行時(shí)間至少24~48小時(shí)。稀堿運行的目的就在于檢驗系統的穩定性和可操作性。比如,制氫設備存在缺陷,在稀堿運行條件下出現了法蘭密封破壞、漏液漏氣、閥門(mén)運動(dòng)卡澀等問(wèn)題,就可以進(jìn)行及時(shí)的發(fā)現和彌補,避免在正式濃堿運行時(shí)造成更大的危險。7、濃堿運行。濃堿的濃度是30%,濃堿運行穩定后,應及時(shí)投入純化干燥系統,投入在線(xiàn)監測儀表,對氫中氧、氧中氫、氫露點(diǎn)等數據進(jìn)行監控,同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化工藝控制參數。8、儲氫系統開(kāi)始儲氫。當在線(xiàn)數據顯示氫氣品質(zhì)合格后(一般是氫氣純度高于99.8%,氫氣露點(diǎn)低于-50℃),可以停止氫氣排空,轉向氫氣儲罐輸送合格氫氣。密切注視氫罐壓力數據,杜絕氫罐壓力持續高升至泄壓閥動(dòng)作,引起氫罐應急泄壓的危險狀態(tài)。9、根據需要將合格氫氣通過(guò)氫氣管道從儲罐輸送到發(fā)電機,將發(fā)電機內的CO2氣體置換排出,并達到合格的氫氣純度與壓力(純度>96%,氫壓0.25MPa)。發(fā)電機充氫過(guò)程中要加強發(fā)電機側與制氫站的協(xié)調聯(lián)系,時(shí)刻注意各項運行參數的變動(dòng),加強輸氫管線(xiàn)沿線(xiàn)的漏氫檢測和動(dòng)火工作排查。從以上的氫站調試基本步驟和特別要求來(lái)看,氫站作為發(fā)電廠(chǎng)的內的一級危險源,其各項運行操作都應有嚴格的規范和標準,一切規定都是從安全生產(chǎn)的根本要求出發(fā),杜絕一切可能的隱患與事故的發(fā)生。3 氫站安全生產(chǎn)還應注意的一些問(wèn)題從多個(gè)氫站建設、調試和日常運維監管的經(jīng)驗看,氫站安全生產(chǎn)管理中還應當注意以下一些問(wèn)題和情況:1、30%濃度的濃堿液也屬于危險化學(xué)藥品,特別是在高溫下有極強的破壞蛋白質(zhì)等生物大分子的能力,即對人體表皮組織會(huì )有潛在的損傷可能。所以在氫站投運初期的堿液配制過(guò)程中,應強調操作人員的防化學(xué)腐蝕防護,佩戴必要的護目鏡、橡皮手套、化學(xué)防護服等專(zhuān)用裝備。2、目前很多電廠(chǎng)氫站利用電解法制氫氣過(guò)程中,都會(huì )投加五氧化二釩用作催化劑。但五氧化二釩屬于劇毒?;?,若誤接觸、誤食都會(huì )對人體產(chǎn)生極大危害。所以對于該藥品,電廠(chǎng)應從采購、儲存、領(lǐng)用、回庫、銷(xiāo)毀的全過(guò)程建立嚴格、縝密的管理程序,保證此類(lèi)劇毒危險化學(xué)品的安全使用。3、由于氫氣系統在火電企業(yè)內屬于一個(gè)相對較小的輔機系統,其在運維管理中的受重視程度尚顯不夠。很多電廠(chǎng)實(shí)現氫站的無(wú)人值守、全自動(dòng)化運行后,僅是安排人員定期巡視,這利于提高全廠(chǎng)的自動(dòng)化水平,降低人力成本,但是當運維人員技術(shù)能力有限、相關(guān)知識與能力不足時(shí),可能面臨著(zhù)無(wú)法及時(shí)發(fā)現和排除問(wèn)題的情況。而從一系列的安全事故發(fā)生的事后調查來(lái)看,人的不安全行為是導致事故發(fā)生的首要和關(guān)鍵因素。因此,加強電廠(chǎng)化學(xué)人員(目前氫站運行工作普遍由化學(xué)人員承擔)的氫站運維理論水平和實(shí)操能力,防患于未然至關(guān)重要。4、氫站作為易燃易爆氣體氫氣的制備、儲存、輸送系統,必須要保證設備的可靠性、穩定性、安全性。這就要求加強氫站設備的設計、制造、安裝環(huán)節的監管和追責,從源頭消滅設備缺陷,不讓物的不安全因素誘發(fā)事故的發(fā)生。歷史上,天津楊柳青電廠(chǎng)氫罐燃爆事故就源于制氫設備運行過(guò)程中,氫、氧壓力調整器卡澀引起氧氣竄入氫罐內最終形成了氫氧混合爆炸氣體。該電廠(chǎng)事故設備中的壓力調整器是一種傳統的機械浮筒式結構,這種結構的調整器針型閥在運行中經(jīng)???,為事故的發(fā)生埋下了隱患。而近年來(lái),多個(gè)電廠(chǎng)氫站調試現場(chǎng)一線(xiàn)也遇到過(guò)制氫機濃堿泄露噴出、儲氫罐輸出減壓閥卡澀無(wú)法正常減壓、壓力液位調節閥故障等眾多設備問(wèn)題,給氫站的正常投運帶來(lái)很多困擾甚至危及安全運行。所以,氫站設備的制造和安裝質(zhì)量也是安全生產(chǎn)管理的重要組成部分。氫站作為火力發(fā)電廠(chǎng)中一個(gè)非常特殊的組成部分,潛藏著(zhù)很多的安全隱患點(diǎn)和風(fēng)險源,是火電企業(yè)?;钒踩芾淼闹攸c(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節之一,由不得任何的疏忽與松懈。氫站的安全管理是一個(gè)系統性的工程,從初步設計到設備制造、安裝,再到施工驗收、投運調試,最后到日常的運行和維護,每一階段都應建立一整套的安全管理規范和保障制度。特別是將傳統化工制氫系統成熟應用的HAZOP分析方法應用于火力發(fā)電廠(chǎng)的制氫過(guò)程,可以更高效的辨識氫站存在的安全隱患,提高氫站運行的可靠性,有助于企業(yè)安全生產(chǎn)。另外,從眾多的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗看,氫站在建設之初的安全管理工作至關(guān)重要,設計、設備制造和安裝中形成的一系列細微缺陷可能會(huì )導致后續安全管理中的若干困難,甚至造成災難性后果。總之,氫站管理人員應該從本質(zhì)安全理論出發(fā),排查氫站可能存在的任何細小安全隱患,將事故消滅在萌芽狀態(tài),為電力行業(yè)?;钒踩芾碜龀鲐暙I。
四、制氫站氣體爆炸危險場(chǎng)所電氣設備防爆型式選型
1、氫氣來(lái)源及特性
氫氣的來(lái)源比較廣泛,主要有化石能源制氫、含氫物質(zhì)制氫、化工副產(chǎn)物氫氣回收、太陽(yáng)能制氫和風(fēng)能制氫?;茉粗茪浒簹饣茪浼夹g(shù)、天然氣重整制氫和甲醇裂解制氫,含氫物質(zhì)制氫包含電解水制氫、氨分解制氫和硼氫化鈉水解制氫,化工副產(chǎn)物氫氣回收包含燒堿、焦炭和輕油裂解。通過(guò)對上述幾種制氫方案的經(jīng)濟性分析,水電解制氫是最經(jīng)濟的方案,水電解方案電力的來(lái)源可是采用太陽(yáng)能或者風(fēng)能。水電解制氫原理比較簡(jiǎn)單,在充滿(mǎn)氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解槽中通入經(jīng)整流器變換后的直流電,水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應?;瘜W(xué)方程式為:陰極:2H2O+2eH2↑+2OH-陽(yáng)極:2OH-2eH2O+1/2O2↑總反應式:2H2O=2H2↑+O2↑水在電解槽中電解為氫氣和氧氣,然后經(jīng)過(guò)分離器進(jìn)行氣液分離,分離器中分離的氫氣和氧氣經(jīng)過(guò)洗滌、冷凝、除水后,氫氣送至純化裝置后然后輸送到儲存裝置。據有關(guān)研究,氫氣的物理、化學(xué)特性如表1所示。
氫氣物理、化學(xué)特性
2、制氫站的危險區域劃分
場(chǎng)所分類(lèi)是對可能出現爆炸性環(huán)境的場(chǎng)所進(jìn)行分析和分類(lèi)的一種方法,以便正確選擇和安裝危險場(chǎng)所中的電氣設備,達到安全使用的目的,并把氣體的級別和溫度組別考慮進(jìn)去。在使用可燃性物質(zhì)的許多實(shí)際場(chǎng)所,無(wú)法保證爆炸性環(huán)境永不出現;也無(wú)法確保設備永不成為點(diǎn)燃源。因此,應該根據場(chǎng)所存在爆炸性環(huán)境的頻繁程度,對場(chǎng)所進(jìn)行危險場(chǎng)所分區。
2.1分區世界各國對危險場(chǎng)所區域劃分不同,但大致分為兩大派系:我國和大多數歐洲國家采用國際電工委員會(huì )(IEC)的分類(lèi)方法,而以美國和加拿大為主要代表的其他國家則采用北美分類(lèi)方法。根據爆炸性氣體(蒸氣)環(huán)境出現的頻率和持續時(shí)間,把危險場(chǎng)所分為以下區域:0區:爆炸性氣體環(huán)境連續出現或長(cháng)時(shí)間存在的場(chǎng)所。1區:在正常運行時(shí),可能出現爆炸性氣體環(huán)境的場(chǎng)所。2區:在正常運行時(shí),不可能出現爆炸性氣體環(huán)境,如果出現也是偶爾發(fā)生并且僅是短時(shí)間存在的場(chǎng)所。
2.2釋放等級連續級釋放源:連續釋放或預計長(cháng)期釋放的釋放源。如:連續對大氣開(kāi)放或是長(cháng)期向大氣開(kāi)放的可燃性液體表面上方的空間。1級釋放源:正常運行時(shí),預計可能周期性或偶爾釋放的釋放源。如:在正常工作條件下預計釋放可燃性物質(zhì)的泵、壓縮機或閥門(mén)的密封處;在正常操作時(shí)預計可燃性物質(zhì)會(huì )釋放到大氣中的取樣點(diǎn)。2級釋放源:在正常運行時(shí),預計不可能釋放,如果釋放也僅是偶爾和短時(shí)釋放的釋放源。如:設備正常運行時(shí),預計可燃性物質(zhì)不會(huì )釋放的泵、壓縮機和閥門(mén)處;在正常運行時(shí),預計可燃性物質(zhì)不會(huì )釋放的法蘭、連接件和管道配件處。
2.3制氫站危險區域劃分在進(jìn)行危險區域劃分時(shí),首先識別鑒定釋放源和確定釋放源的等級,并分析可能影響危險場(chǎng)所類(lèi)型和其他因素,然后確定區域類(lèi)型(0區、1區、2區),最后確定危險區域范圍。本文涉及的制氫站采用的電解水制氫,危險區域劃分參考了標準GB50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規范》(GB50058總則中明確不適用于利用電能進(jìn)行生產(chǎn)并與生產(chǎn)工藝過(guò)程直接關(guān)聯(lián)的電解、電鍍等電力裝置區域)。主要依據GB3836.14—2014《爆炸性環(huán)境第14部分:場(chǎng)所分類(lèi)爆炸性氣體環(huán)境》和SYT6671—2006《石油設施電氣設備安裝區域一級、0區、1區和2區區域劃分推薦作法》進(jìn)行危險區域劃分,制氫站的危險物質(zhì)為氫氣,釋放源為管線(xiàn)法蘭處。經(jīng)過(guò)對釋放頻率、釋放量和通風(fēng)效率等工藝計算,分析并最終確定危險區域的范圍。
3、制氫站防爆電氣設備選型
制氫站設備的選型需根據氫氣的特性進(jìn)行選擇,選用的設備的級別為IIC,溫度組別不低于T1,防爆設備選型如表2所示。
氣體爆炸危險場(chǎng)所用電氣設備防爆型式選
4、制氫站防爆電氣設備、線(xiàn)路安裝
4.1照明燈具按照規范要求,考慮到節約能源,設計中選用防爆型式為ExdIICT4的LED防爆燈,線(xiàn)路布線(xiàn)采用電纜布線(xiàn),采用鋼管保護,安裝時(shí)需要注意LED防爆燈引入口內的密封圈內徑與電纜外徑相差±1mm,與鋼管連接時(shí),須加裝過(guò)渡壓緊元件,先用過(guò)渡壓緊元件通過(guò)墊圈、密封圈將電纜壓緊,然后通過(guò)后端的接頭連接鋼管。
4.2變送器制氫站選用的變送器防爆型式為本安型,采用外接電源供電,一般采用防爆撓性管進(jìn)行保護,對于外接電源的本安型設備需提供本安設備與安全柵的補充描述性文件,并依此文件對系統本安性能參數進(jìn)行確認。
4.3其他防爆設備安裝制氫站常用設備主要還有防爆接線(xiàn)箱、防爆配電箱、防爆照明開(kāi)關(guān)等,采用電纜配線(xiàn)方式。需要特別注意的是對于隔爆型設備電纜引入裝置的選用需滿(mǎn)足圖1要求。
隔爆型設備電纜引入裝置選型圖
該項目選用的配電箱、照明開(kāi)關(guān)防爆型式均為隔爆型且內部有打火元件,選用的引入裝置須為填料函,防爆接線(xiàn)箱雖然為隔爆型但內部無(wú)打火元件選用的引入裝置為密封圈式引入裝置。對于防爆設備的接地,爆炸危險場(chǎng)所除2區內照明燈具以外的電氣設備應采用專(zhuān)用接地線(xiàn);宜采用多股軟膠絲線(xiàn),其銅芯截面積不得小于4mm2,金屬管線(xiàn)、電纜的金屬外殼等可作為輔助接地線(xiàn)。
4.4 不同區域之間的隔離當爆炸危險區域的爆炸性氣體通過(guò)孔洞進(jìn)入其他區域,其他區域選用的設備如果使用非防爆設備,極易引起爆炸。故不同區域之間應考慮隔離措施,敷設電氣線(xiàn)路的溝道、電纜或鋼管,所穿過(guò)的不同區域之間墻或樓板處的孔洞,應采用非燃性材料嚴密堵塞。圖2為電纜配線(xiàn)采用鋼管保護穿越不同區域隔離的安裝方法。
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6、應急處置能力不足。