电解水制氢装置安全运行影响因素分析
骆建国，刘建春，李佩金,马仲驰
（华能（甘肃）新能源有限公司）
摘 要：电解水制氢装置生产工艺具有低碳清洁、易腐蚀和易燃易爆等特点。在运行过程中，存在人为因素、设备因素、物料因素、工艺因素、作业环境因素、自然灾害因素和静电危害因素等诸多的潜在危险因素。这些不安全因素在一定的时间和地点的相互作用就会导致事故的发生。研究表明：提升员工的技能水平和安全意识、开展安全教育培训、采用先进的设备、以无害物料替代有害物料、改进工艺技术、加强本质安全管理体系建设、制定应对自然灾害的应急处置措施，才能实现电解水制氢装置的安全稳定运行。
关键词：电解水制氢；安全运行；应急处置；危险性；影响因素；
Analysis of Factors Influencing the Safe Operation of Water
Electrolysis Hydrogen Production Systems
Liu Jianchun,Luo Jianguo,Li Peijin,Wang Dexiang,Ma Zhongchi
（Huaneng Gansu New Energy Co., Ltd.）
Abstract: The production process of hydrogen production by water electrolysis has the characteristics of low carbon and clean, easy corrosion and flammable and explosive. During operation, there are many potential risk factors such as human factors, equipment factors, material factors, process factors, working environment factors, natural disaster factors and static electricity hazard factors. The interaction of these unsafe factors at a certain time and place will lead to accidents.Enhance technical proficiency and safety awareness of personnel, establish a robust safety training and education program, strengthen the inherent safety systems, and ensure the safe and stable operation of water electrolysis hydrogen production units.
Keywords: Water Electrolysis Hydrogen Production; Safe Operation; Emergency Response; Hazard; Influencing Factors
1. 引言
能源结构向绿色、低碳化转型，并在双碳目标的加持下，将极大地刺激电解水制氢技术的发展。电解水制氢技术为制取绿氢的核心技术，有零碳排放、环保、工艺成熟可靠、操作灵活方便、可以把电网无法消纳的弃电就地转化为氢能等优点。电解水制氢工艺会随着氢燃料的广泛应用和储氢技术的发展，制氢成本、催化剂性能、能量回收、电流密度、纯化方法、储氢材料等方面均会有重大改进，使电解水制氢技术日臻成熟，装置可靠性、灵活性均有大幅度提高[1]。为了增强绿氢企业的竞争力，在保证制氢装置高可靠性、高灵活性的基础上，如何使电解水制氢装置安全稳定运行成为电解水制氢企业追求的安全保障目标。
2. 甘肃张掖某电解水制氢装置介绍
张掖某电解水制氢装置设计年产氢278吨，制氢能力1300Nm3/h，操作弹性为20%—115%。生产工艺以除盐水为原料，采用碱性电解水制氢技术，催化法除氧纯化及无损干燥工艺生产高纯度氢气产品（纯度≥99.999%(v)、残氧含量≤lppm、露点≤-70℃），高纯氢气经氢气压缩机加压至22MPa，通过充装柱充入长管拖车外售。建设有电解制氢厂房、公辅用房、中心控制室、变配电室、消防水站、氢气充装站等基础设施，为实现绿电制氢配套建设8兆瓦自备光伏电站及2.4公里10千伏地埋送出线路。
3. 电解水制氢装置安全运行的影响因素
3.1 人为因素
具不完全统计，80%以上的伤亡事故是由人为因素造成的，人的不安全行为是最大的隐患[2]。（1）操作人员安全素养不高。操作人员安全意识淡薄，存在侥幸心理或冒险心理，放纵自己的违章行为，粗心大意，未及时处理设备异常情况，进而引发事故。可能因违章指挥、违章作业、违反操作规程而引发火灾爆炸事故。例如，在制氢装置运行过程中，对装置存在的缺陷未引起重视，对生产过程中出现的异常现象不能及时发现、正确处理，可能因贻误处理时机或处理不当而引发火灾爆炸事故。（2）操作人员技能水平低下。由于操作人员的技术能力有限，未熟练掌握制氢装置的操作要点和安全生产知识。难以胜任本职工作，对制氢过程中出现的异常情况，缺乏正确的判断、分析、工况调整，导致事故的发生。（3）未严格执行安全操作规程。为了省事图方便，有意违反安全操作规程，导致制氢系统超压未得到及时控制，造成人员伤亡和设备损坏。（4）操作不当。操作人员违规操作、疏忽大意，未按规定操作程序操作，对制氢装置运行过程中存在的温度、压力、液位、流量报警未引起重视，导致设备超压运行或发生氢气泄漏事故。未按规定对电解槽、气液分离装置、纯化装置进行巡检，导致氢气泄漏未及时发现，最终引发火灾或爆炸事故。（5）培训不到位。上岗前未进行安全培训和技术培训，导致在实际操作中出现失误[3]。例如，氢氧侧液位波动较大，未进行针对性的生产培训，不知道如何去调整，导致氢氧混合形成爆炸性混合物。
3.2 设备因素
（1）压力容器的危险性。电解水制氢工艺操作压力在1.6MPa，氢气压缩机二段缸出口压力高达22MPa。在生产过程中使用的反应器、分离器、冷却器等都属于压力容器，若设计、制造、安装等有本质缺陷或在使用过程中超压，机械损伤未能及时发现，不按规定期限检测，安全附件缺失或失效，可能会发生容器爆炸事故[4]。压力容器设计不合理，选材不当，制造加工工艺差，未使用符合国家规定生产的合格产品，同时安装不规范；压力容器安全附件（压力表、液位计、温度计、安全阀）不齐全或未定期检验而导致安全附件未起到作用，生产中出现超温、超压、超负荷等异常现象时，不能自动泄压至安全范围；压力容器使用前未进行检验，未按国家有关规定办理登记使用证[5]；未按规定进行巡检，压力容器带病运转；压力容器使用管理不当，未及时检查、检修，对于已经达到设计使用年限或使用超过10年，没有委托有资格的特种设备检验检测机构对其进行检验就继续使用的压力容器。生产过程中带压容器和装置为物理性爆炸的危险源，若这些压力容器的安全附件缺失或失效，在压力超过其最高操作压力时，有可能造成容器在薄弱处破裂，存在爆炸的危险。氢气压缩机既是氢气泄漏易发区又是转动设备、电气设备高积聚区，一旦发生泄漏、电气火花易引发火灾、爆炸事故[6]。发生火灾、爆炸将会造成直接损毁设备、人员伤亡，爆炸后产生的冲击波将会发生次生事故，不仅使该装置损毁，还会殃及其它装置，乃至厂房损毁。
（2）制氢电源存在的危险性。制氢电源具有高电流、高功率易发热，铜排裸露易造成人员触电等特点，直接原因有运行过程中金属异物掉入铜排间隙及小动物闯入造成短路，过负荷、接触不良、漏电、盘管冷却水中断造成内部过热，电流产生的热量以及电火花等引燃环境中的爆炸性气体及可燃物质；其间接原因有设备缺陷、管理不善、设计及施工安装失误而存在的隐患等。整流柜设备选型不当、绝缘老化、电气设备产生火花等，均可引发电气火灾爆炸事故，继而引起生产厂房易燃、可燃物质发生火灾爆炸事故[7]。
3.3 物料因素
电解水制氢装置的原料、中间产品及最终产品主要有浓度为30%氢氧化钾溶液、氧气和高纯氢气等；辅助介质有压缩空气、氮气、阻垢剂、絮凝剂；催化剂有钯催化剂；脱水干燥剂有分子筛。这些物料存在易燃易爆、腐蚀性、毒性和窒息性。氢气为可燃物；氧气和压缩空气为助燃物；静电、电火花、高温物体表面和电弧为点火源，电解水制氢装置易发生火灾、爆炸[8]。氢氧化钾溶液为易腐蚀品，增加了设备的腐蚀程度，同时也增加了设备泄漏的可能性，泄漏或违规排放易造成环境污染和化学腐蚀事故。氮气具有窒息性，钯催化剂和分子筛具有一定的毒性[9]。
（1）生产过程中存在的易燃易爆物质主要有氢气，是一种极易燃的气体，燃点只有574℃，空气中氢的最小着火能量仅为0.019mJ时，在氧气中的最小着火能量更小，仅为0.007mJ。氢气火焰是无色的，白天肉眼几乎看不到，氢焰的辐射率小，只有汽油火焰辐射率的十分之一。与空气混合能形成爆炸性混合物，氢气在空气中的爆炸极限为4%-74.8%，在氧气中的爆炸极限为5%-95%，在热、光照或火花的刺激下易引燃，且氢气火灾很难扑灭。氢气比空气轻，工艺装置在生产过程中若氢气发生泄漏，泄漏气上升滞留屋顶不易排出，达到爆炸极限，遇到点火源易发生火灾、爆炸事故[10]。
（2）氧中氢超标，配制碱液所用的氢氧化钾，会存在少量的碳酸盐，碳酸盐很容易在碱液中结晶析出，堵塞气道，导致出口不畅。在电解槽隔膜两侧产生压差，使氢气、氧气通过隔膜渗透至另一侧，造成氢中氧超标。另外，除盐水处理不彻底，电导率超标，存在部分杂质离子，电解槽经过长期的运行，由于不断的补水、补碱，杂质离子会越积越多，这些杂质离子不断污染电解小室，形成寄生性电解，导致电解小室内氢侧产生氧气，也会造成氧中氢超标，形成爆炸性混合物，遇到点火源会引发火灾爆炸事故[11]。
3.4 工艺因素
电解水制氢装置主要影响设计阶段、运行阶段、事故处置中的工艺因素。设计阶段主要选择物质危险性小、工艺条件较缓和和成熟的工艺路线；生产设备的选型符合要求，选择可靠的温度、压力、流量、液位、气体成分等工艺参数的控制仪表和控制系统；还应设置必要的超温超压的报警、监控、自动泄压、防止氢氧混合、可燃气体检测、紧急安全泄放装置。在电解水制氢装置运行过程中，必须使工艺过程处于受控状态，保证温度、压力、液位、流量等参数稳定[12]。电解过程、氢气纯化过程中要有防止工艺设备出现物料泄漏，遇到火源引起火灾爆炸事故的防范措施。电解制氢过程中若氢气输送管道密封性不符合要求，氢气气体泄漏，当泄漏氢气达到爆炸极限时遇到火源可能会引发火灾爆炸事故。若氢气充装过程中充装系统管道密封不严或充装软管断裂，造成氢气泄漏，达到爆炸极限遇到火源可能会引发火灾爆炸事故；氢气放空管道未设置防止阻火回火装置或阻火装置失效引发放空管道着火。阀门开关不到位、卡涩、失灵或定位器故障等问题造成关键参数控制失效，压力无法控制造成氢氧互串，导致氢氧混合形成爆炸性混合物发生爆炸。仪表导压管积液或堵塞导致仪表显示失真，造成DCS运行曲线显示异常，易造成假显示，引发工艺误操作事故[13]。事故处置中，关键在于如何正确进行工艺处理，不正确的工艺处理，往往会造成事故面扩大，引发次生事故。要避免事故发生，一是要对操作人员不断进行技术培训，进行事故处置方案应急演练，提高处理突发事件的应急能力；二是保证SIS安全仪表系统可靠有效，工况不正常时可以紧急联锁停车，保证装置的安全。
3.5 作业环境因素
电解水制氢装置的作业环境有易燃易爆、易腐蚀、高温、高压和噪声等因素。易燃易爆作业环境增加了发生火灾或爆炸事故的可能性。在氢气的生产过程中，所涉及产品氢气往往具有较低的点火能量[14]。一旦发生爆炸，燃烧速度极快，会造成设备损坏，还会对岗位巡检人员和灭火人员的生命安全构成威胁。对腐蚀性介质检修作业进行全面的风险分析，并采取有效的安全措施，是保障检修人员生命安全、防止环境污染以及确保生产装置稳定运行的关键。腐蚀性介质能够对人体皮肤、眼睛、呼吸道等造成严重伤害。高温环境来自气液分离装置介质辐射放热，电解槽电解反应放热，纯化装置脱水干燥器加热丝工作放热。高温环境导致操作人员容易出汗，疲劳，巡检以及操作的主动性大大降低。同时，由于散热的需要，人员对防护装备的佩戴也有所欠缺，不能正确穿戴防护服，不佩戴防酸碱手套，工作服袖子挽起，衣服扣子不系紧等习惯性违章行为。高温环境容易发生情绪失控的情况；高温环境下操作人员大量出汗，难以散热，因此可能会出现缺水、中暑的情况。高温环境对设备的影响。高温环境下循环水普遍温度偏高，对物料的降温效果也会大大降低。可能影响制氢装置的正常运行，尤其是当工艺条件对温度有较高要求时，高温循环水可能会降低氢气产品品质。同时也影响制冷机制冷效果，环境温度高，其制冷效果会有较大的折扣，制冷机散热介质循环水温度上升，从而导致制冷能力下降。为了确保安全需要根据实际制冷量来调整纯化系统的处理量，制冷量的下降会影响到产品氢气的露点不达标。氢气压缩机工作压力、高压氢气管道、氢气充装站压力高达22MPa，高压的工作环境容易造成氢气泄漏，高浓度的氢气不仅导致人员吸入后窒息，同时也增加了导致火灾的安全风险。空气压缩机、循环水泵、氢气压缩机、碱液循环泵的运行，氢气、氧气放空管道都会释放噪声。长期接触高分贝噪声会导致听力下降、耳鸣。噪声也会刺激交感神经，引起血压升高、心率加快，长期可能诱发高血压、冠心病等。持续噪声易引发焦虑、抑郁、易怒等情绪问题，影响心理健康。
3.6 自然灾害因素
（1）雷电引发的火灾危险。雷电是一种自然灾害，会产生几万伏的冲击电压，有不可控的破坏作用。设施和设备遭雷击时，会产生相当高的过电压和过电流，可能造成设备设施损坏，导致火灾或爆炸，甚至人员伤亡。生产区防雷设计不符合规范要求或防雷设施不完善，不能覆盖应保护的区域，雷击可造成设备设施损坏，导致氢气泄漏进而引发火灾爆炸事故；在雷电天气下，进行氢气放空作业，雷击可引发着火爆炸事故[15]。
（2）冬季严寒极端天气引发的危险。制氢站防冻、防凝主要分为日常的防冻防凝工作和严寒极端天气下的防冻防凝工作两方面。若放空管道凝液不及时排出，导致放空管道凝液冻结，氢气放空不畅造成制氢装置超压的危险性；极寒天气管道积水未排干净，电伴热加热温度不够会存在冻坏管道的风险；极寒天气厂房室内温度低于5℃，存在冻坏整流柜或电解槽的风险。
3.7 静电危害因素
氢气流速过快，可能会因摩擦产生静电，若管道材质选择不当，无有效的导除静电的措施和设施，产生的静电火花可引发火灾爆炸事故；反应器、换热器、塔器等未设置可靠的静电接地装置，法兰、阀门等静电跨接线接触不良，遇到氢气流速过快或因氢气泄漏喷溅产生的静电火花可引发火灾爆炸事故。在进入电解制氢厂房或进行氢气充装作业时，作业人员未穿防静电工作服，未释放人体静电，因人体静电放电或衣物磨擦产生的静电火花也可能引发火灾爆炸事故。
4. 结语
笔者也是根据多年的危化品生产方面的工作经验，总结出的一些电解水制氢装置影响安全运行的因素。我们应消除这些影响因素，抑制人的不安全行为、采用先进的设备、改进工艺技术、强化应急处置能力、制定应对自然灾害的措施。通过对电解水制氢装置运行过程中的影响因素进行深入剖析，并制定相应的科学合理的应对措施，可以有效提高电解水制氢装置的安全性和可靠性，减少事故的发生，保障操作人员生命安全和设备安全。
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