江蘇響水3.21爆炸事故為全國工業企業安全生產敲響了警鐘。2019年4月，國家能源局印發《關于切實加強電力行業危險化學品安全綜合治理工作的緊急通知》，要求各電力企業全面排查，堵塞危險化學品安全管理漏洞；推進重大危險源管控和治理；提升危化品應急響應水平；強化危化品安全生產監督管理，保障電力工業安全生產。
在現代300MW以上高容量火力發電機組中，氫氣以其低密度、高導熱參數的優良特性成為汽輪發電機冷卻技術的首選冷卻介質，氫站（包括制氫站和供氫站）成為大型火力發電廠的必備設置。但同時由于氫氣所具有的密度小、擴散性強、著火能量低、爆炸極限范圍寬等特點，因而使得氫站成為電廠內的一個重大危險源，其安全生產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題加以分析和討論，借以提高相關從業者對氫站安全的認識，促進電廠氫站安全生產與管理水平的提升。
要做好氫站的安全生產，嚴格按照相關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、供氫站的生產火災危險性類別，應為“甲”類。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《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中做出了以下具體說明。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：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境”，同時注明：“正常運行是指正常的開車、運轉、停車，易燃物質產品的裝卸，密閉容器蓋的開閉，安全閥、排放閥以及所有工廠設備都在其設計參數范圍內工作的狀態”。氫站內有爆炸危險的房間內的生產設備在開車、停車時，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“預計正常運行時周期或偶爾釋放的釋放源以及在正常運行時會釋放可燃物質的泵、壓縮機、閥門等的密封處”。考慮到目前的閥門密封技術尚無法保證氫氣的絕對密閉性，所以氫站在正常運行時，存在著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，釋放源級別與通風方式將影響爆炸危險區的劃分和范圍：在自然通風和一般機械通風的情況下，第一級釋放源可劃分為1區；當通風良好時，應降低爆炸危險區等級；局部機械通風，在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風和一般機械通風更為有效時，可采用局部機械通風以降級。鑒于目前國內大多數電廠氫站只設有自然通風和一般機械通風，無局部通風，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區的各類房間的相鄰區域、空間和氫氣排氣口周圍空間等規定為2區有爆炸危險場所。氫站室外制氫設備、氫氣罐的周圍空間和氫氣放空管周圍空間規定為2區有爆炸危險場所。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生化學爆炸等極端事件的可能。泄壓比的概念就是針對氫站內發生氫氣燃爆事故時，保證制氫間等廠房有足夠多的與外界相通的通道，以降低氫氣燃爆時釋放的巨大能量向周圍擴散的阻力，相應減少氫氣燃爆的物理損害。GB50016-1987《建筑設計防火規范》中規定：泄壓面積與廠房體積的比值（m2/m3）宜采用0.05～0.22。爆炸介質威力較強或爆炸壓力上升速度較快的廠房，應盡量加大比值。很多早期建設的火電廠氫站設計成了普通的鋼筋混凝土框架結構及填充實心墻的結構，泄壓面主要依靠門窗來實現。隨著《建筑設計防火規范》相關技術要求的不斷更新，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行結構改造，增大泄壓比，這也成為火電廠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的制氫站的投產調試，由于工作內容比較繁瑣、涉及面廣、危險隱患多，成為氫站安全生產管理的重點階段。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行。1、確認已經具備調試條件，包括主體設備已經安裝完成，配制堿液用除鹽水、工業冷卻水、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。另外要特別注意進入調試階段后原則上不得再在氫站內從事動火作業。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，節約置換時間，也可考慮選擇工業水作為置換介質，等產品氫制備出來后再用氫氣頂壓排水。但這一方案需要考慮避免產品氫露點上升的措施。3、對設備內外表面進行水沖洗，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鎖點的設置是否正確。5、組織業主、監理、施工、調試及設備廠家等各單位有關人員對整個生產條件進行逐一確認，在共同確認具備試運條件后方可進入下一階段。需要注意的是，進入試運階段后，氫站應嚴格按照相關值班和巡視制度進行管理。任何個人進入氫站區域前都應注意身著棉質工作服，不穿帶鋼釘的鞋子，關閉手機，交出火種，同時接觸導電球以消除身上靜電。6、稀堿運行。稀堿的濃度為15%，運行時間至少24～48小時。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、閥門運動卡澀等問題，就可以進行及時的發現和彌補，避免在正式濃堿運行時造成更大的危險。7、濃堿運行。濃堿的濃度是30%，濃堿運行穩定后，應及時投入純化干燥系統，投入在線監測儀表，對氫中氧、氧中氫、氫露點等數據進行監控，同時進一步優化工藝控制參數。8、儲氫系統開始儲氫。當在線數據顯示氫氣品質合格后（一般是氫氣純度高于99.8%，氫氣露點低于-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作，引起氫罐應急泄壓的危險狀態。9、根據需要將合格氫氣通過氫氣管道從儲罐輸送到發電機，將發電機內的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）。發電機充氫過程中要加強發電機側與制氫站的協調聯系，時刻注意各項運行參數的變動，加強輸氫管線沿線的漏氫檢測和動火工作排查。從以上的氫站調試基本步驟和特別要求來看，氫站作為發電廠的內的一級危險源，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的根本要求出發，杜絕一切可能的隱患與事故的發生。從多個氫站建設、調試和日常運維監管的經驗看，氫站安全生產管理中還應當注意以下一些問題和情況：1、30%濃度的濃堿液也屬于危險化學藥品，特別是在高溫下有極強的破壞蛋白質等生物大分子的能力，即對人體表皮組織會有潛在的損傷可能。所以在氫站投運初期的堿液配制過程中，應強調操作人員的防化學腐蝕防護，佩戴必要的護目鏡、橡皮手套、化學防護服等專用裝備。2、目前很多電廠氫站利用電解法制氫氣過程中，都會投加五氧化二釩用作催化劑。但五氧化二釩屬于劇毒危化品，若誤接觸、誤食都會對人體產生極大危害。所以對于該藥品，電廠應從采購、儲存、領用、回庫、銷毀的全過程建立嚴格、縝密的管理程序，保證此類劇毒危險化學品的安全使用。3、由于氫氣系統在火電企業內屬于一個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。很多電廠實現氫站的無人值守、全自動化運行后，僅是安排人員定期巡視，這利于提高全廠的自動化水平，降低人力成本，但是當運維人員技術能力有限、相關知識與能力不足時，可能面臨著無法及時發現和排除問題的情況。而從一系列的安全事故發生的事后調查來看，人的不安全行為是導致事故發生的首要和關鍵因素。因此，加強電廠化學人員（目前氫站運行工作普遍由化學人員承擔）的氫站運維理論水平和實操能力，防患于未然至關重要。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事故的發生。歷史上，天津楊柳青電廠氫罐燃爆事故就源于制氫設備運行過程中，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常卡澀，為事故的發生埋下了隱患。而近年來，多個電廠氫站調試現場一線也遇到過制氫機濃堿泄露噴出、儲氫罐輸出減壓閥卡澀無法正常減壓、壓力液位調節閥故障等眾多設備問題，給氫站的正常投運帶來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量也是安全生產管理的重要組成部分。氫站作為火力發電廠中一個非常特殊的組成部分，潛藏著很多的安全隱患點和風險源，是火電企業危化品安全管理的重點領域和關鍵環節之一，由不得任何的疏忽與松懈。氫站的安全管理是一個系統性的工程，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電廠的制氫過程，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，有助于企業安全生產。另外，從眾多的實際生產經驗看，氫站在建設之初的安全管理工作至關重要，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安全理論出發，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，為電力行業危化品安全管理做出貢獻。
四、制氫站氣體爆炸危險場所電氣設備防爆型式選型
1、氫氣來源及特性
氫氣的來源比較廣泛，主要有化石能源制氫、含氫物質制氫、化工副產物氫氣回收、太陽能制氫和風能制氫。化石能源制氫包含煤氣化制氫技術、天然氣重整制氫和甲醇裂解制氫，含氫物質制氫包含電解水制氫、氨分解制氫和硼氫化鈉水解制氫，化工副產物氫氣回收包含燒堿、焦炭和輕油裂解。通過對上述幾種制氫方案的經濟性分析，水電解制氫是最經濟的方案，水電解方案電力的來源可是采用太陽能或者風能。水電解制氫原理比較簡單，在充滿氫氧化鉀或氫氧化鈉的電解槽中通入經整流器變換后的直流電，水分子在電極上發生電化學反應。化學方程式為:陰極:2H2O+2eH2↑+2OH-陽極: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，然后經過分離器進行氣液分離，分離器中分離的氫氣和氧氣經過洗滌、冷凝、除水后，氫氣送至純化裝置后然后輸送到儲存裝置。據有關研究，氫氣的物理、化學特性如表1所示。
氫氣物理、化學特性
2、制氫站的危險區域劃分
場所分類是對可能出現爆炸性環境的場所進行分析和分類的一種方法，以便正確選擇和安裝危險場所中的電氣設備，達到安全使用的目的，并把氣體的級別和溫度組別考慮進去。在使用可燃性物質的許多實際場所，無法保證爆炸性環境永不出現;也無法確保設備永不成為點燃源。因此，應該根據場所存在爆炸性環境的頻繁程度，對場所進行危險場所分區。
2.1分區世界各國對危險場所區域劃分不同，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(IEC)的分類方法，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方法。根據爆炸性氣體(蒸氣)環境出現的頻率和持續時間，把危險場所分為以下區域:0區:爆炸性氣體環境連續出現或長時間存在的場所。1區:在正常運行時，可能出現爆炸性氣體環境的場所。2區:在正常運行時，不可能出現爆炸性氣體環境，如果出現也是偶爾發生并且僅是短時間存在的場所。
2.2釋放等級連續級釋放源:連續釋放或預計長期釋放的釋放源。如:連續對大氣開放或是長期向大氣開放的可燃性液體表面上方的空間。1級釋放源:正常運行時，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的泵、壓縮機或閥門的密封處;在正常操作時預計可燃性物質會釋放到大氣中的取樣點。2級釋放源:在正常運行時，預計不可能釋放，如果釋放也僅是偶爾和短時釋放的釋放源。如:設備正常運行時，預計可燃性物質不會釋放的泵、壓縮機和閥門處;在正常運行時，預計可燃性物質不會釋放的法蘭、連接件和管道配件處。
2.3制氫站危險區域劃分在進行危險區域劃分時，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所類型和其他因素，然后確定區域類型(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《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(GB50058總則中明確不適用于利用電能進行生產并與生產工藝過程直接關聯的電解、電鍍等電力裝置區域)。主要依據GB3836.14—2014《爆炸性環境第14部分:場所分類爆炸性氣體環境》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》進行危險區域劃分，制氫站的危險物質為氫氣，釋放源為管線法蘭處。經過對釋放頻率、釋放量和通風效率等工藝計算，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。
氣體爆炸危險場所用電氣設備防爆型式選
4、制氫站防爆電氣設備、線路安裝
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，線路布線采用電纜布線，采用鋼管保護，安裝時需要注意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，須加裝過渡壓緊元件，先用過渡壓緊元件通過墊圈、密封圈將電纜壓緊，然后通過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箱、防爆配電箱、防爆照明開關等，采用電纜配線方式。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、照明開關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，防爆接線箱雖然為隔爆型但內部無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，爆炸危險場所除2區內照明燈具以外的電氣設備應采用專用接地線;宜采用多股軟膠絲線，其銅芯截面積不得小于4mm2，金屬管線、電纜的金屬外殼等可作為輔助接地線。
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孔洞進入其他區域，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，敷設電氣線路的溝道、電纜或鋼管，所穿過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。
