李政——氢能产业风险管控及过程安全管理

李政

技术主管

必维国际检验集团

我今天跟大家分享的这个题目是氢能产业风险管控以及过程安全管理。

我本人是在过去十年里一直在专注于氢能及危化行业的安全设计以及风险评估工作，目前在必维集团负责氢能方面风险管控方面的事情。

这次分享的内容主要包括四个方面，第一方面是氢能整个全产业安全风险的概述以及已经发生过的一些典型事故案例的分享；第二部分就是介绍一下我们现行的，咱们国家对氢能这个行业安全监管的体系，包括法律法规以及标准规范；第三部分是风险管控以及过程安全管理的概念以及在氢能领域的应用；第四部分介绍一下我们已经完成过的一些项目，一些案例分享。

现在氢能这个领域已经获得了前所未有的关注和投入，同时它也带了一些安全的风险，先来看几个案例。

第一个是发生在美国加州的氢气长管拖车泄漏爆炸事故，事故发生在2019年，这个事故所幸没有造成人员的伤亡，但是对当地氢燃料电池汽车氢的供应造成了短暂停供。同年6月份在挪威的奥斯陆也是一个加氢站，因为高压的储氢罐特定接头装配的错误造成了氢气泄漏，这个事故造成2个人死亡。

我们近邻韩国2019年江原道科技园一个氢气罐在测试的过程中发生了爆炸，造成了两个人的死亡。

我们国家比较典型的事故，一个是2020年“7.30”东莞氢气充装过程中，氢气发生泄漏，由于缺乏足够单向阀等安全措施，造成了爆炸事故，事故也引发广东省应急管理厅在全省范围内开展了专项的隐患排查。

今年8月4日，在沈阳，也是氢气的装卸环节，长管拖车的软管发生断裂，引发了火灾爆炸。所幸没有造成人员伤亡，但是事故进一步在国内提升了对氢安全使用的关注度。

简单说一下整个涉氢环节，从制氢、储氢、输氢、运氢、加氢以及应用端的共性风险。

首先从物料上讲，各个环节都涉及到易燃易爆的氢，主要是两个相态，一个是气，一个是液，两种状态，在风险上也有一些差异。同时各个环节，大多数都存在高压、超高压，甚至还有一些低温，像液氢，有一些环节还涉及压缩膨胀的过程，就存在设备设施超压超温、物料互窜，同时开停工阶段氮气置换不彻底，还在一些跑冒滴漏的风险。从控制角度来讲，各个环节都使用了计算机自动控制加人员的操作、确认的方式的进行，就存在一个控制系统发生拒动和误动，包括人员误操作的一个风险。从设备上讲，各个环节设备设施在设计制造存在一定的安全与质量的风险，包括材料的相容性，包括相关检测元件，像氢气的一些压力变送器，液位的变送器可靠性及密封性的问题。

从物料角度，氢和汽油、天然气相比它的危险性，列了一个表简单说明一下。首先它的分子量更小，意味着同等条件下更容易发生泄漏。另外它的比重跟天然气相比非常小，同等情况下更容易发生扩散，包括它的扩散系数也远小于汽油和天然气。另外最小点火能也是最低的，它的燃烧浓度范围以及爆炸浓度范围都是最宽的，而且它的下限是最低的，跟天然气相比它的自燃温度也更低。

除了刚才说的易燃易爆的危险，氢对健康也存在危害，虽然氢它是无毒的，但是在高浓度的时候它会造成空气中的氧分压降低，在一些受限的密闭空间，像一些电解设备的集装箱里面，通风不良的情况，发生泄漏后人员进入会有一个窒息的风险。同样，如果说在氢分压非常高的情况下，也会造成人的麻醉。所以在MSDS里面我们要求涉氢的一些操作一个是通风，一个要注意防静电的要求。在储存上，因为氢作为一个还原剂，要求与一些强氧化剂要分开存放，同时涉氢环境的一些电气设备要采用符合防爆等级要求的设备，另外涉氢场所要配备符合要求的消防器材等等。

刚才说的氢的这些风险主要指的是氢气。对液氢而言，虽然现在液氢的规模不是很大，但是液氢跟氢相比又多了额外的风险，一个是它的低温性，人员的接触，有人员冻伤的风险，因为液氢的沸点是零下253度左右，非常低，人员直接接触有冻伤的风险。再一个就是材料面临氢脆的风险，还有一个就是固空和固氧的风险，一旦液氢的环节密封不好，存在空气和氧气的时候，接触液氢的情况下会形成固态，在密闭的环境中可能会形成固体的颗粒，增加了静电集聚点燃的风险，这是一个值得关注的风险。

第二个就是液氢跟氢相比，它有一个更容易汽化和容易扩散的风险，单位体积下，1单位体积的液氢，汽化为21摄氏度氢气的时候，它的体积要扩大840多倍，也就意味着在同样的空间条件下更容易造成人员窒息，更容易发生爆燃爆轰的事故。

简单来讲这是一些共性的风险，针对各个环节我以现在比较常见的碱性水制氢简单分享一下，这也是我们前段做的一个风险评估的项目，包括电解槽，氢氧的冷却分离、洗涤、脱氧、干燥等设备。这是液氢的，主要包括氢气的压缩机、膨胀机、换热器，液氢液氮储罐等。

对碱性水制氢来讲，从以下五个方面介绍下主要的风险，一个是物料方面，除了刚才说的过的氢气，还有氧气，再就是制备过程中的碱液，一般浓度是30%的氢氧化钾，同时还有一些添加剂，像五氧化二矾，存在人员灼伤及中毒风险。还有纯化过程中涉及到的干燥机和催化剂，存在粉尘危害，这也是一个职业健康风险。还有氢氢冷却分离器的液位和压力波动造成氢氧互窜的风险，氢气不需要泄漏在外部环境中就能发生火灾爆炸事故，这是非常典型的风险。另外，一个电解槽在制备过程中是一个放热反应，有一个超温的风险。纯化环节存在干燥器加热器干烧的风险。还有像一些常规的系统不畅，干燥剂、催化剂、破损、堵塞造成的超压或者物料泄漏的风险。

从自控上讲，我们发现很多设备在设计过程中存在一个液位和压力一次表引压管共用的问题，尤其是氢氧分离器的仪表，存在一个共因失效的风险，一旦堵塞就造成了整个液位和超压保护连锁的同时失效，这个风险性就比较高，再就是整个控制回路SIL不符合要求。

从设备上讲，除了电解槽之外，氢氧分离器，包括后续的纯化等等涉及一些压力容器，关键的一些安全阀、压力表、液位计是不是设置了，设置是不是符合要求。另外就是设计条件，材质，像一些碱液系统碳钢材质是不是进行了焊后的处理等等。

公用工程及辅助系统方面，主要包括水、电、仪表风的供应是否可靠，是不是有冗余，一旦市政水中断的时候这个设备能不能维持一定安全时间的运行，包括对冷水机组，仪表风机组，监测手段是不是方便人员在控制室远程的监控，一旦供应出现问题的时候人员不需要去到现场就能发现，气动阀门的故障设置状态是不是合理等等，这是都在项目执行过程中发现的问题。

对于储氢环节来讲存在脆化的风险，再就是一些加氢站，在低压、中压，多个气瓶组顺序加氢的控制方案，阀门部件存在一定疲劳失效的风险。

对于输氢环节，像刚刚说到的东莞和沈阳的事故都是在输氢环节，氢气的装卸过程中人员误操作的风险。

加氢环节，涉及加氢站，现在我们国家相关标准规范也更新了，这个加氢站里面涉及的设备包括压力容器，储氢气瓶，还有加氢机的加注系统。除了刚才说的氢气泄漏、人员窒息的风险之外，还有一个氢气质量不合格，刚才催化剂的老师也提到了，氢气质量不合格造成的加注的氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化物等等杂质含量超标，造成燃料电池催化剂中毒的风险，而且是不可逆的风险。另外建构筑物的结构件，像梁、柱耐火等级不符合要求也存在风险。再有就是与周边工矿企业相互影响的风险，还有消防、供电中断的风险等等。

在应用端以燃料电池为例，我们讨论主要包括车载氢气系统和燃料电池堆两部分，它涉及的风险一个是氢气聚集的风险，一个是电气系统和氢系统之间安全间距不满足要求的风险。再就是在车辆发生碰撞或者故障的时候，供氢系统不能完整和有效切断，造成氢气泄露的风险。另外运行过程中燃料电池里面质子交换膜发生了一定程度的降解，或者由于它的强度不足或者下降，造成了燃料电池内部气体的窜漏，也是一个氢氧的混合形成了的危险环境。电池大规模放电的时候，冷却措施不到位或者冷却效果差也会造成超温风险，还有燃料电池堆端板、极板，由于设计不良或者长时间运行、性能下降造成氢气泄漏的风险。

以上快速分享了一下我们在项目执行中发现的一些共性风险，第二个部分跟大家分享一下现行这个阶段我们国家对氢能这个领域安全监管的监管体系，这个监管体系主要包括三个层面：

一个是法律层面。法律层面除了刚刚修订的《安全生产法》是一个根本大法，第二个就是2020年4月20日发布的《能源法（征求意见稿）》，把氢列入了能源的范畴，也就是说之前氢更加关注的是它的危化品的属性，现在赋予了氢能源的属性；另外还有包括一些《突发事件应对法》，以及企业必须应对的消防、环保、通用设备等法律的要求。

第二个层面就是法规和规章层面。右图是2013年国家应急管理部（以前叫国家安监总局），发布的首批重点监管的危险化学品目录，其中氢被列为第八种，就是说它是国家重点监管的危险化学品，也就是它是具有危化品的属性。同时我们国家针对危化这个领域出台了很多的标准规范以及法律规规章，做了一个简单的列举，包括“三同时”管理办法，包括危化品取证条例，包括危险化学品安全管理条例，包括重大安全源的暂行管理规定40号令等等。

我们也发现在2019年的时候国家能源局做了一个复函，关于氢的安全性，比如说现在的氢目前还是归危化管，以后到底是什么管？从这个复函里面可以一窥，两部委达成共识，在氢能管理方面，无论目前是做危化品管理，还是以后按能源属性的管理，都要将“安全”作为这个行业发展的前提，所以我们大胆预测，今后关于涉氢方面的安全监管要求只会更加严格，更多，不会更少。

地方法规方面，我们以佛山为例，佛山作为最早的出台加氢站管理规范蓝本的地区城市，2017年的时候就明确了监管部门是住建局，同时监管方式就是以天然气管理的方式 进行加氢站的管理。同时明确除了加氢站以外的氢气的生产、储存应用参照危化品的要求进行监管，也发布了相关一系列的体系要求，右图就是加氢站管理办法，也规定了作为危化品管理的要求，包括执行“三同时”。同时河北省和张家口，张家口作为全国氢能示范城市，也发布了一些相关的要求，就展开不介绍了。包括福州、成都、大同等等都有，还有无锡、苏州，贵州等。

总的来看各个地区市都达成了共识，就是按照危化品来监管。既然按照危化品来监管，我们看已经有哪些发布的适用于它的法规和规章？其中一个是76号文，就是涉及“两重点一重大”和首次工业化设计的建设项目，必须在基础设计阶段开展HAZOP分析，除了重点监管危险化学品，还有重点监管危化工艺。首批重点监管的危险化工工工艺目录是2013年颁布的，当时对电解水没有把它划为重点监管的工艺，把把氯碱电解制氢列入了。产品确实有一定差异，一个是氢气和氯气，再一个是氢气和氧气，但是它的工艺是有类似性的。再一个就是“一重大”，指的是构成危险化学品的重大危险源。另外88号文的明确要求，涉及两重点一重大的建设项目，每三年进行一次分析，包括HAZOP分析。另外116号文化明确规定要设置符合要求的安全功能回路。

第三个层面就是标准规范层面，国家标准化管理委员会联合相关部门在今年的10月份也发布了氢能行业的标准化白皮书，其中包括99项国家已经发布的氢能行业相关的国家标准，基本上涵盖了刚才说到的从制到加到储到用各个环节，尤其是对专门的氢气安全标准占到了将近10%的数量，也就是国家对这一块的监管是非常重视的。右侧除了符合这些要求以外，现在现行的涉及到的，像火灾报警，你要设计你的火灾报警系统，你这个项目是不是构成了危险化学品重大危险源，你要进行辨识，项目内容设置的防静电，包括建构筑物、安全阀等等都要符合国家强制标准的要求以及行业要求。

第三部分和大家分享一下风险管控及过程安全管理的基本概念，以及它的一些主要要素和一些氢能领域的应用，时间关系简单说一下。

我们刚才说到了这个行业存在这么多的风险，我们怎么去描述它呢？我们采用一种风险级别的概念来描述。不管是一个项目，还是一个系统，还是一个装置，还是一个单元，还是一个设备它的危险性，它的风险程度是一个可能性和后果严重程度的关系。只要你的风险程度处于可接受的水平我们就认为是安全的，因为没有绝对安全。所以说对于我们相关行业、企业来讲要有一个自己风险的矩阵，就是我的风险可接受水平是怎么样的，这样才可以执行整个项目风险的管理。

由此，怎么实行整个全生命周期的风险管理？我们现在在危化行业、化工行业应用比较成熟的是过程安全管理系统，最早是1984年美国人提出来的。2020年我们国家为了在国内推广，我们把它引入，同时制定了AQ3034这个导则，经过这十几年的运行和总结，今年我们国家对它进行了一个重新的修订发布。首先对它的标准适用范围，由原来石油化工行业扩展到化工生产，同时对原来十几个元素进行了增补，现在一共是20个要素。通过这20个要素的实行，实现对整个项目全周期的一个风险管控。我们也可以看到这20个要素，可以说完全涵盖了刚才讲到的这些管理规定里面的东西。比如说我们可以通过这20个要素有效的执行，可以实现的是什么呢？对于我们氢能的项目，从前期的工艺开发到立项到设计、施工到实施生产，到正常生产以及到设备停用全生命周期的风险识别、分级以及管控，这是过程管理系统要做的事情。这当中也涉及到了很多的方法，很多的原则，很多的辨识的手段去执行，比如说设计阶段，我们装置的风险是不是得到了有效的控制？我们现有的设计方案，对各个环节的风险是不是做到了有效的识别、分级以及针对不同风险等级考虑了比较完备的安全措施，这个就是通过我们等等一系列的安全技术措施和方法进行一个充分的辨识，包括在立项阶段，选址采用QRA的方法，对存在的风险进行一个定量的辨识和评价。

后面是各个要素主要的内容，这个地方我就不再展开讲了。

第四部分简单分享一下现在已经执行过的案例，包括国内某一个水电制氢项目，我们进行了HAZOP分析，提出了20多条优化建议，包括降低风险，包括提升操作水平。

这是我们在迪拜一个绿氢电站实行的安全风险分析项目，包括风险的分析，辩识及安全培训等等。

从2000年开始，我们就开始进入氢能行业，直到今年5月份正式加入了中国氢能联盟，并且是理事单位之一，在去年12月份我们也发布了制氢单元自愿性认证程序文件。现在对整个行业从制到压缩，到储运，到加注，到应用端，基本上可以涵盖安全和质量方面相关的所有服务。同时，通过项目执行我们也跟很多客户都建立了比较良好的合作关系，屏幕上是我的联系方式，如果大家有进一步的需求也欢迎大家下面继续保持沟通交流，谢谢！

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