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国家电投杨福明:氢能设施风险评估与安全保障

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2021/4/10 9:14:03 我要投稿

北极星氢能网讯:“如何保障氢安全?可以采用一个梯级的策略来防范氢气事故并缓解事故后果。”国家电投集团中央研究院新能源技术研究所杨福明博士在第三届综合能源服务产业创新发展大会上发表了以《氢能设施风险评估与安全保障》为主题的演讲。

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以下为发言实录:

杨福明:大家下午好,我演讲的主题是《氢能设施风险评估与安全保障》。

众所周知,国内有五大发电集团,而国家电投在这五大发电集团中清洁能源装机比例最高,国家电投具有世界第一大的光伏装机容量,以及国内第二大的风电装机容量,目前国家电投新能源已走到了发电企业的前列。

国家电投同时具备水电、火电、核电和新能源相关运营资质,同时也正在布局综合智慧能源、氢能、储能等业务方向。

国家电投是国内较早进军氢能的央企之一,目前已经跟国内超过16个省市区建立了氢能战略合作关系。国家电投有近20家的子公司已经在氢能方面开展相关业务,主要包括研发制造、设计施工、投资运营等。

国家电投中央研究院在整个氢能产业链上都有所布局,包括氢气的制、储、运、用及涵盖整个产业链的氢安全研究。制氢方面主要依托于国家电投清洁能源的资产,开展可再生能源电解水制氢项目规划及技术跟踪;储运氢方向主要开展固态储氢、高压气态储氢及天然气掺氢研究及应用示范;在应用层面,研究院在氢能的分布式供能以及氢燃机方向都有所布局。

国家电投中央研究院的氢安全工作是在早期核电站氢安全研究基础上发展起来的,目前已经将相关方法和工具拓展应用于氢能领域。

对于氢气,应该全面看待其安全相关属性。一方面,氢具备有利于安全的特性,比如无毒无刺激,直接接触对健康无害。氢气密度低、扩散系数大,泄漏之后很容易向周围扩散,不易形成可燃气云。氢气燃烧辐射热较低,不易对周围人员和设备产生热伤害。另一方面,氢气也有不利于不安全的特性,比如氢的分子很小,很容易通过连接部位泄漏。对临氢部件存在氢脆效应,在选择材料的时候要特别注意。氢的点火能相当于天然气或汽油的十五分之一,很小的能量就能把氢气引燃。另外,氢的燃烧范围很宽,比汽油和天然气要宽好几倍。同时氢火焰在白天是看不见的,很容易无意中被火焰直接灼伤。近年来发生的多起涉氢事故表明,我们需要更多关注氢的不安全方面,因为一旦发生严重事故,其产生的影响将是非常大的,可能是造成整个行业的停滞甚至是倒退。

那么如何保障氢安全呢?通过分析氢气事故发展进程可以看出,一般氢气事故的始发事件都是泄漏,如接口松动、碰撞、疲劳损伤、误操作等各种原因都可能导致泄漏。氢气泄漏之后被直接点燃就会发展为喷射火事故,聚集之后点燃则可能发生更为严重的爆炸事故。

对此,我们认为可以采用梯级的策略来防范氢气事故或者缓解事故后果。第一点,防止泄漏,主要体现在系统设计里要有些本质安全的设计,避免出现薄弱环节导致泄漏。施工过程当中也要注意,要有相应的规程来指导施工,比如挪威加氢站爆炸事故就是由于螺栓预紧力不足造成的。一旦发生泄漏,则需要有探测系统来尽快发现泄漏,进而切断泄漏源,避免产生大规模泄漏。接下来就是要避免氢气聚集,防聚集是整个事故防控中非常重要的一点,因为聚集后可能导致爆炸,在设计上应设置机械或者自然通风,合理设计罩棚结构,让氢气尽快消散掉。再一个是避免点火,主要依靠防爆设计以及在操作上要有一些防静电的措施,尽量把火源消除掉。上述各个环节一旦失效,最终将导致火灾或者爆炸,这时应该考虑如何缓解事故后果,主要可以改进防火墙的设计,合理确定安全距离和安全区域,制定消防措施、应急预案等等。

刚才提到梯级策略,那么如何实现梯级策略呢?我们认为需要科学的方法和工具来做支撑。国家电投中央研究院在这方面做了些工作,包括软件和硬件方面。在软件方面,我们开发了一套氢气风险分析评价软件,包括三维建模、定性分析、概率分析、后果分析、风险分析等模块。

三维建模模块用于氢能设施建模,我们在该模块做了储氢罐、压缩机、阀门、管道等的预制模型,可以快速便捷地把加氢站或者其他氢能设施建起来。模型建好的同时,站内有哪些设备、有多少台、管道有多长,这些相关信息也都被统计出来了,便于后续分析使用。

定性分析模块用于分析氢能设施里哪些设备可能失效,失效模式有哪些,失效之后会产生什么影响,然后将分析结果列成一张分析表,我们可以据此进行设备重要度的分级,重要设备需要给予重点关注。

概率分析模块内置了各种设备的泄漏概率数据库,我们把氢能设施中不同设备泄漏频率叠加起来得出整个设施的泄漏频率,再结合事件树获得喷射火和爆炸事故的发生概率。

后果分析模块主要是用CFD方法分析氢气扩散、喷射火、爆燃爆轰等行为及后果。扩散分析关注氢气如何迁移、风对氢气迁移有什么影响、结构是否对氢气的扩散是否产生阻碍。射流火分析主要关注辐射热流在氢能设施里的分布是什么样的、防火墙是不是能把辐射热流挡住、防火墙后边的人有没有可能被烧伤。氢气局部聚集被点燃之后可能发生爆炸,通过我们的分析可以获得压力波在空间中的分布。结合相应的伤害阈值可以得出人员伤亡的可能性。

最后是风险分析模块,该模块把概率分析和后果分析的结果结合起来,获得定量风险值,可以对照相关标准判断该设施的整体风险水平是否满足要求。如果不满足则需要对设计进行优化调整。

上边介绍了软件的主要功能。在硬件方面,我们开发了一套氢气泄漏快速监测系统。因为泄漏是始发事件,泄漏了之后就希望快速探测到,尽快采取措施。传统的单纯采用固定式氢气探头的方法有时并不是很有效,我们希望开发更加高效准确的泄漏监测系统。在我们设计的系统中综合使用了多种传感器,包括浓度、振动、光学等。通过合理的传感器布置,再结合深度学习算法,我们能够实现快速发现泄漏,并能够准确定位泄漏源,这使得泄漏后的处置更加快速而有针对性,维修工作也更容易开展。其中使用的浓度传感器是我们自己研发的,能够做到5秒以内的响应,这在市面上是比较快的响应速率。

这套氢安全软硬件综合解决方案可以指导氢能设施的系统优化设计、支持安全运营、辅助开展氢能设施的审批、决策、监管等,我们希望给设计单位、运营单位、审批部门、监管机构、标准制定机构等提供一套科学的工具,为氢能安全高效发展保驾护航,这是我们的目标和初衷。谢谢大家。

(来源:北极星氢能网,发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核,如需转载请完整转载全文不允许删减)

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