江苏响水3.21爆炸事故为全国工业企业安全生产敲响了警钟。2019年4月，国家能源局印发《关于切实加强电力行业危险化学品安全综合治理工作的紧急通知》，要求各电力企业全面排查，堵塞危险化学品安全管理漏洞；推进重大危险源管控和治理；提升危化品应急响应水平；强化危化品安全生产监督管理，保障电力工业安全生产。
在现代300MW以上高容量火力发电机组中，氢气以其低密度、高导热参数的优良特性成为汽轮发电机冷却技术的首选冷却介质，氢站（包括制氢站和供氢站）成为大型火力发电厂的必备设置。但同时由于氢气所具有的密度小、扩散性强、着火能量低、爆炸极限范围宽等特点，因而使得氢站成为电厂内的一个重大危险源，其安全生产与管理工作必须引起高度的重视。本文将从安全角度就氢站设计、调试、运行管理等方面可能存在的一些问题加以分析和讨论，借以提高相关从业者对氢站安全的认识，促进电厂氢站安全生产与管理水平的提升。
要做好氢站的安全生产，严格按照相关规范判定氢站的爆炸危险等级，做好安全设计是第一步，也是最基础的一步。根据GB50177-2005《氢气站设计规范》氢气站、供氢站的生产火灾危险性类别，应为“甲”类。氢气站、供氢站内有爆炸危险房间或区域的爆炸危险等级应划分为1区或2区。对于具体如何区分1区和2区，GB50058-2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中做出了以下具体说明。1、有爆炸危险的制氢间、氢气纯化间、氢气压缩机间等的空间都不大，设备布置间距最大仅4m，因此建筑物内部的爆炸危险区域范围，一般以房间为单位。2、规范明确“1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境”，同时注明：“正常运行是指正常的开车、运转、停车，易燃物质产品的装卸，密闭容器盖的开闭，安全阀、排放阀以及所有工厂设备都在其设计参数范围内工作的状态”。氢站内有爆炸危险的房间内的生产设备在开车、停车时，都有可能出现爆炸性混合气体。3、规范明确“第一级释放源”是“预计正常运行时周期或偶尔释放的释放源以及在正常运行时会释放可燃物质的泵、压缩机、阀门等的密封处”。考虑到目前的阀门密封技术尚无法保证氢气的绝对密闭性，所以氢站在正常运行时，存在着周期或偶尔释放的释放源，即其属于第一级释放源。4、规范规定，释放源级别与通风方式将影响爆炸危险区的划分和范围：在自然通风和一般机械通风的情况下，第一级释放源可划分为1区；当通风良好时，应降低爆炸危险区等级；局部机械通风，在降低爆炸性气体混合物浓度方面比自然通风和一般机械通风更为有效时，可采用局部机械通风以降级。鉴于目前国内大多数电厂氢站只设有自然通风和一般机械通风，无局部通风，因此氢站内的制氢间、氢气纯化间、氢气压缩机间、氢气灌装间等室内爆炸危险物质的释放源属于一级释放源，其爆炸危险区域的划分应定为1区。5、根据规范，将有爆炸危险为1区的各类房间的相邻区域、空间和氢气排气口周围空间等规定为2区有爆炸危险场所。氢站室外制氢设备、氢气罐的周围空间和氢气放空管周围空间规定为2区有爆炸危险场所。尽管各项设计规范力求保证氢站的安全稳定运行，但也不能排除特殊情况下氢站发生化学爆炸等极端事件的可能。泄压比的概念就是针对氢站内发生氢气燃爆事故时，保证制氢间等厂房有足够多的与外界相通的通道，以降低氢气燃爆时释放的巨大能量向周围扩散的阻力，相应减少氢气燃爆的物理损害。GB50016-1987《建筑设计防火规范》中规定：泄压面积与厂房体积的比值（m2/m3）宜采用0.05～0.22。爆炸介质威力较强或爆炸压力上升速度较快的厂房，应尽量加大比值。很多早期建设的火电厂氢站设计成了普通的钢筋混凝土框架结构及填充实心墙的结构，泄压面主要依靠门窗来实现。随着《建筑设计防火规范》相关技术要求的不断更新，2014版中明确氢站泄压比不得小于0.25，所以很多传统设计的氢站需要进行结构改造，增大泄压比，这也成为火电厂内危险源控制的一项重要工作。提高泄压比的结构改造措施包括拆除部分墙面，缩减氢站体积的缩容整改方案，还有新建墙面，拓展氢站空间的扩建整改方案。氢气站特别是采用碱液电解技术的制氢站的投产调试，由于工作内容比较繁琐、涉及面广、危险隐患多，成为氢站安全生产管理的重点阶段。为保证氢站调试工作的安全顺利，应该严格按照以下的工作顺序进行。1、确认已经具备调试条件，包括主体设备已经安装完成，配制碱液用除盐水、工业冷却水、压缩空气、工艺与控制、照明、检修等电源都已接通。例如应确认主要工艺设备都接地良好，可以有效传导设备上的静电。另外要特别注意进入调试阶段后原则上不得再在氢站内从事动火作业。2、完成制氢设备、储氢罐体、氢气输送管路的严密性试验，并用氮气对上述系统进行置换。对于储氢罐的置换，为了减少氮气的使用，节约置换时间，也可考虑选择工业水作为置换介质，等产品氢制备出来后再用氢气顶压排水。但这一方案需要考虑避免产品氢露点上升的措施。3、对设备内外表面进行水冲洗，特别是要确保电解槽的清洁，将清洗废水从电解槽排污阀排掉。4、检查氢站控制系统的稳定性和安全性，特别要检查控制逻辑中各报警联锁点的设置是否正确。5、组织业主、监理、施工、调试及设备厂家等各单位有关人员对整个生产条件进行逐一确认，在共同确认具备试运条件后方可进入下一阶段。需要注意的是，进入试运阶段后，氢站应严格按照相关值班和巡视制度进行管理。任何个人进入氢站区域前都应注意身着棉质工作服，不穿带钢钉的鞋子，关闭手机，交出火种，同时接触导电球以消除身上静电。6、稀碱运行。稀碱的浓度为15%，运行时间至少24～48小时。稀碱运行的目的就在于检验系统的稳定性和可操作性。比如，制氢设备存在缺陷，在稀碱运行条件下出现了法兰密封破坏、漏液漏气、阀门运动卡涩等问题，就可以进行及时的发现和弥补，避免在正式浓碱运行时造成更大的危险。7、浓碱运行。浓碱的浓度是30%，浓碱运行稳定后，应及时投入纯化干燥系统，投入在线监测仪表，对氢中氧、氧中氢、氢露点等数据进行监控，同时进一步优化工艺控制参数。8、储氢系统开始储氢。当在线数据显示氢气品质合格后（一般是氢气纯度高于99.8%，氢气露点低于-50℃），可以停止氢气排空，转向氢气储罐输送合格氢气。密切注视氢罐压力数据，杜绝氢罐压力持续高升至泄压阀动作，引起氢罐应急泄压的危险状态。9、根据需要将合格氢气通过氢气管道从储罐输送到发电机，将发电机内的CO2气体置换排出，并达到合格的氢气纯度与压力（纯度＞96%，氢压0.25MPa）。发电机充氢过程中要加强发电机侧与制氢站的协调联系，时刻注意各项运行参数的变动，加强输氢管线沿线的漏氢检测和动火工作排查。从以上的氢站调试基本步骤和特别要求来看，氢站作为发电厂的内的一级危险源，其各项运行操作都应有严格的规范和标准，一切规定都是从安全生产的根本要求出发，杜绝一切可能的隐患与事故的发生。从多个氢站建设、调试和日常运维监管的经验看，氢站安全生产管理中还应当注意以下一些问题和情况：1、30%浓度的浓碱液也属于危险化学药品，特别是在高温下有极强的破坏蛋白质等生物大分子的能力，即对人体表皮组织会有潜在的损伤可能。所以在氢站投运初期的碱液配制过程中，应强调操作人员的防化学腐蚀防护，佩戴必要的护目镜、橡皮手套、化学防护服等专用装备。2、目前很多电厂氢站利用电解法制氢气过程中，都会投加五氧化二钒用作催化剂。但五氧化二钒属于剧毒危化品，若误接触、误食都会对人体产生极大危害。所以对于该药品，电厂应从采购、储存、领用、回库、销毁的全过程建立严格、缜密的管理程序，保证此类剧毒危险化学品的安全使用。3、由于氢气系统在火电企业内属于一个相对较小的辅机系统，其在运维管理中的受重视程度尚显不够。很多电厂实现氢站的无人值守、全自动化运行后，仅是安排人员定期巡视，这利于提高全厂的自动化水平，降低人力成本，但是当运维人员技术能力有限、相关知识与能力不足时，可能面临着无法及时发现和排除问题的情况。而从一系列的安全事故发生的事后调查来看，人的不安全行为是导致事故发生的首要和关键因素。因此，加强电厂化学人员（目前氢站运行工作普遍由化学人员承担）的氢站运维理论水平和实操能力，防患于未然至关重要。4、氢站作为易燃易爆气体氢气的制备、储存、输送系统，必须要保证设备的可靠性、稳定性、安全性。这就要求加强氢站设备的设计、制造、安装环节的监管和追责，从源头消灭设备缺陷，不让物的不安全因素诱发事故的发生。历史上，天津杨柳青电厂氢罐燃爆事故就源于制氢设备运行过程中，氢、氧压力调整器卡涩引起氧气窜入氢罐内最终形成了氢氧混合爆炸气体。该电厂事故设备中的压力调整器是一种传统的机械浮筒式结构，这种结构的调整器针型阀在运行中经常卡涩，为事故的发生埋下了隐患。而近年来，多个电厂氢站调试现场一线也遇到过制氢机浓碱泄露喷出、储氢罐输出减压阀卡涩无法正常减压、压力液位调节阀故障等众多设备问题，给氢站的正常投运带来很多困扰甚至危及安全运行。所以，氢站设备的制造和安装质量也是安全生产管理的重要组成部分。氢站作为火力发电厂中一个非常特殊的组成部分，潜藏着很多的安全隐患点和风险源，是火电企业危化品安全管理的重点领域和关键环节之一，由不得任何的疏忽与松懈。氢站的安全管理是一个系统性的工程，从初步设计到设备制造、安装，再到施工验收、投运调试，最后到日常的运行和维护，每一阶段都应建立一整套的安全管理规范和保障制度。特别是将传统化工制氢系统成熟应用的HAZOP分析方法应用于火力发电厂的制氢过程，可以更高效的辨识氢站存在的安全隐患，提高氢站运行的可靠性，有助于企业安全生产。另外，从众多的实际生产经验看，氢站在建设之初的安全管理工作至关重要，设计、设备制造和安装中形成的一系列细微缺陷可能会导致后续安全管理中的若干困难，甚至造成灾难性后果。总之，氢站管理人员应该从本质安全理论出发，排查氢站可能存在的任何细小安全隐患，将事故消灭在萌芽状态，为电力行业危化品安全管理做出贡献。
四、制氢站气体爆炸危险场所电气设备防爆型式选型
1、氢气来源及特性
氢气的来源比较广泛，主要有化石能源制氢、含氢物质制氢、化工副产物氢气回收、太阳能制氢和风能制氢。化石能源制氢包含煤气化制氢技术、天然气重整制氢和甲醇裂解制氢，含氢物质制氢包含电解水制氢、氨分解制氢和硼氢化钠水解制氢，化工副产物氢气回收包含烧碱、焦炭和轻油裂解。通过对上述几种制氢方案的经济性分析，水电解制氢是最经济的方案，水电解方案电力的来源可是采用太阳能或者风能。水电解制氢原理比较简单，在充满氢氧化钾或氢氧化钠的电解槽中通入经整流器变换后的直流电，水分子在电极上发生电化学反应。化学方程式为:阴极:2H2O+2eH2↑+2OH-阳极:2OH-2eH2O+1/2O2↑总反应式:2H2O=2H2↑+O2↑水在电解槽中电解为氢气和氧气，然后经过分离器进行气液分离，分离器中分离的氢气和氧气经过洗涤、冷凝、除水后，氢气送至纯化装置后然后输送到储存装置。据有关研究，氢气的物理、化学特性如表1所示。
氢气物理、化学特性
2、制氢站的危险区域划分
场所分类是对可能出现爆炸性环境的场所进行分析和分类的一种方法，以便正确选择和安装危险场所中的电气设备，达到安全使用的目的，并把气体的级别和温度组别考虑进去。在使用可燃性物质的许多实际场所，无法保证爆炸性环境永不出现;也无法确保设备永不成为点燃源。因此，应该根据场所存在爆炸性环境的频繁程度，对场所进行危险场所分区。
2.1分区世界各国对危险场所区域划分不同，但大致分为两大派系:我国和大多数欧洲国家采用国际电工委员会(IEC)的分类方法，而以美国和加拿大为主要代表的其他国家则采用北美分类方法。根据爆炸性气体(蒸气)环境出现的频率和持续时间，把危险场所分为以下区域:0区:爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。1区:在正常运行时，可能出现爆炸性气体环境的场所。2区:在正常运行时，不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。
2.2释放等级连续级释放源:连续释放或预计长期释放的释放源。如:连续对大气开放或是长期向大气开放的可燃性液体表面上方的空间。1级释放源:正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源。如:在正常工作条件下预计释放可燃性物质的泵、压缩机或阀门的密封处;在正常操作时预计可燃性物质会释放到大气中的取样点。2级释放源:在正常运行时，预计不可能释放，如果释放也仅是偶尔和短时释放的释放源。如:设备正常运行时，预计可燃性物质不会释放的泵、压缩机和阀门处;在正常运行时，预计可燃性物质不会释放的法兰、连接件和管道配件处。
2.3制氢站危险区域划分在进行危险区域划分时，首先识别鉴定释放源和确定释放源的等级，并分析可能影响危险场所类型和其他因素，然后确定区域类型(0区、1区、2区)，最后确定危险区域范围。本文涉及的制氢站采用的电解水制氢，危险区域划分参考了标准GB50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058总则中明确不适用于利用电能进行生产并与生产工艺过程直接关联的电解、电镀等电力装置区域)。主要依据GB3836.14—2014《爆炸性环境第14部分:场所分类爆炸性气体环境》和SYT6671—2006《石油设施电气设备安装区域一级、0区、1区和2区区域划分推荐作法》进行危险区域划分，制氢站的危险物质为氢气，释放源为管线法兰处。经过对释放频率、释放量和通风效率等工艺计算，分析并最终确定危险区域的范围。
3、制氢站防爆电气设备选型
制氢站设备的选型需根据氢气的特性进行选择，选用的设备的级别为IIC，温度组别不低于T1，防爆设备选型如表2所示。
气体爆炸危险场所用电气设备防爆型式选
4、制氢站防爆电气设备、线路安装
4.1照明灯具按照规范要求，考虑到节约能源，设计中选用防爆型式为ExdIICT4的LED防爆灯，线路布线采用电缆布线，采用钢管保护，安装时需要注意LED防爆灯引入口内的密封圈内径与电缆外径相差±1mm，与钢管连接时，须加装过渡压紧元件，先用过渡压紧元件通过垫圈、密封圈将电缆压紧，然后通过后端的接头连接钢管。
4.2变送器制氢站选用的变送器防爆型式为本安型，采用外接电源供电，一般采用防爆挠性管进行保护，对于外接电源的本安型设备需提供本安设备与安全栅的补充描述性文件，并依此文件对系统本安性能参数进行确认。
4.3其他防爆设备安装制氢站常用设备主要还有防爆接线箱、防爆配电箱、防爆照明开关等，采用电缆配线方式。需要特别注意的是对于隔爆型设备电缆引入装置的选用需满足图1要求。
隔爆型设备电缆引入装置选型图
该项目选用的配电箱、照明开关防爆型式均为隔爆型且内部有打火元件，选用的引入装置须为填料函，防爆接线箱虽然为隔爆型但内部无打火元件选用的引入装置为密封圈式引入装置。对于防爆设备的接地，爆炸危险场所除2区内照明灯具以外的电气设备应采用专用接地线;宜采用多股软胶丝线，其铜芯截面积不得小于4mm2，金属管线、电缆的金属外壳等可作为辅助接地线。
4.4 不同区域之间的隔离当爆炸危险区域的爆炸性气体通过孔洞进入其他区域，其他区域选用的设备如果使用非防爆设备，极易引起爆炸。故不同区域之间应考虑隔离措施，敷设电气线路的沟道、电缆或钢管，所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞，应采用非燃性材料严密堵塞。图2为电缆配线采用钢管保护穿越不同区域隔离的安装方法。
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6、应急处置能力不足。
