制氢站氢气球罐危险性风险评价

制氢站氢气球罐危险性风险评价

ir动力

制氢站氢气球罐危险性风险评价马良军张敏

(. 1上海交通大学工业工程；2宝钢股份宝钢分公司冷轧厂 ) .

摘

要

氢气储氢罐是制氢站中危险性最大的设备之一，本文结合宝钢冷轧厂制氢站的储

氢球罐的实际状况。对一旦发生事故后的危险性的评价分析，将对氢气储罐设备事故的有效监控是有益的。

关键词制氢站氢气球罐事故

危险性

宝钢分公司冷轧厂制氢站采用德国林德变压吸附装置，以焦炉煤气为原料经变压吸附制备纯度达 9 . 9 9 9%的纯氢产品，成品氢气分两路：一路直供能源部氢气管网，另一路经 9氢气压缩机加压后送人氢气储罐备用。制氢站布置在 4 mX(7 6 0 4￣6 m)的地块内，占地面积 2 0 ,在其东部由北向南， 35 m2 按流程分别布置阀门操作平台、煤气压缩机、中间冷却装置、预吸附器和变压吸附器，紧

靠其西面是一排管廊，在管廊西面边缘地带布置二台氢气球罐，单个球罐的容积为 4 0, 0 m 工作压力为 20 a . MP .中间有连通管平衡两个氢罐压力。整个装置露天布置，地势开阔， 通风良好，四周无人员集中场所。

1氢气球罐基本情况 .表 1储罐基本情况储存介质储罐型式直径( m)容积( ) m 最大量 () t

氢球罐 9 . 2 40 0×2 07 4 X2 . 3 5

工作压力 ( a MP )相对分子量相对密度 (气= )空 1沸点 ( )℃ 熔点( )℃

20 .2O 6 .1 00 . 7一5. 2 28 一5. 29 2

引燃温度 ( )℃蒸气压 (P ) k a爆炸极限 ( )%

50 6 1 . (2 7℃ 1 33一 5 . 3 94O 5O .~7 .

临界温度 ( )℃临界压力 ( a MP )

一 4 2013 .O

燃烧热 (J 1 k/ ) mo最小点燃能 (d) n

2 21 4.0 1 . 9 0

3 8

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20 0 9年第 1期

2事故易发性 B 1价。 1评事故易发性 B包含物质事故易发性 B和工艺事故易发性 B两方面及其耦合。Ⅲ ( )物质事故易发性 B 1川选取氢气作为物质易发性评价的对象。根据“易燃、易爆、有毒重大危险源评价法”,爆炸性气体根据最大安全缝隙、

爆炸极限、最小点燃电流、最小点燃能量和引燃温度 5个

判据给出总分值。如表 2所示。表 2氢气事故易发性 B计算表川类别项目 最大安全缝隙爆炸极限

分级判据数据 0 8 l . mT 2 140 .%~ 7 .% 50

分级<05 IC . .IH=l .5 77

评分

|分

1 0l 7

爆炸性气体特性最小点燃电流最小点燃能引燃温度总分

2 1 mA 00 9 .1 mJ 50 6℃

< 0 5 IC . .I 4< 01 . >5 0 T 6,l

2 0 2 0 5G=7 2

爆炸性气体的易发性系数：仅=1 , . 0氢气事故易发性的评分值：B…=仅 G=1×7=7 i . 0 2 2()工艺过程事故易发性 B 2

对于变压吸附生产工艺过程可以从火灾爆炸事故危险方面进行评价。

火灾爆炸危险系数 B 2¨一 在多项火灾爆炸危险工艺影响因素中氢气球罐存在以下几方面构成工艺过程事故易发危险性。 物质事故易发性与工艺过程事故易发性之间的相关性用相关系数 Wi示，如表 3所 i表

示。二者耦合成为事故易发性 B¨。表 3工艺过程火灾爆炸事故易发性 B 2相关系数 W i”与 j评价因素 B l高压 l 2 Bl I 1u腐蚀 22 B 泄漏Ⅲ B l工艺布置 l 2 B l 2静电 l_ 2l内容与参数 1~40 a . 6 .MP 速率为 05 1 mm/ .~ . 0年设备泄漏单元高度 5 1 m~ 0 气体流动 Bl l 2 7 5 2 0 2 0 2 0 3 0相关系数 Wi 1 1 .:. o 9 2 i=0 : W i 1: 09: .1 . 2J 2 3 09= . W . 1=: . _ .1 09 2j 6 Wi 1 2 .: .1 9 2 J 0

( )氢气事故易发性 B 31、 1

Bl l=i 1 =

( Bm) jBu) i ( zj Wi=1

7 2X ( 5 . 0X09 0×09 0×09+3 7×09+2 .+2 .+2 . 0×09=1 6 2 .) 0 9

3氢气球罐的破坏半径 .爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或

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急剧转化成机械功的现象，它通常是借助于气体膨胀来实现。按爆

炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸两种。

翩氢站氢气球罐的爆炸主要表现为蒸气云爆炸，所谓蒸气云爆炸，是指蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，在无限空间中的气体爆炸，属于化学爆炸类型。

蒸气云爆炸通常采用 n当量法估计蒸气云爆炸的严重度。n当量计算公式：WT= 1 o Q/ m N .t f r 8 Wt Qr 表 4氢气球罐的物性数据地面爆炸系数蒸气云当量系数理 氢气的爆热 Q f 1 . 8取 e O0 t .= 4取 Q=1 1 2 . k/g f 496 k 5J

T NT的爆热 Q球罐氢气质量 W

取 Q= 50 J g m 42/ kk4 0×2 . 3×O 9 5 8 4 g 0×2 09 3 .=1 0 . k 5 0 6

为了估计爆炸所造成的人员伤亡情况，一种简单但较为合理的预测程序是将危险源周围划分为死亡区、重伤区、轻伤区和财产损失区。= 18X 00 . .4× 1 086 5 .4X 41 265 4 20= 3 0. g 1 9 ./ 5 41 7k

死亡半径：R= 1.( N/0 0￣=2 .1 l 36 WT 10 )r 1 T r - r 4 I

重伤半径：△P=017 - 019 02 9一 00 9 s . Z3 .1Z+ . Z .1 3+ 6一Z=R (oE) 2P/△ P=4 0 0 P s 4 0/o

解得：R=5 .m 2 81

轻伤半径：△P=01 7 - 01 9 t 0 6 Z - .1 s . Z3 .1Z+ . 9一 0 9 3+ 2 0Z=R (oE)/ 3P/ 1 3a P= 1 0 0 P。 0/0 7

解得：R=145 l 3 0 .n

财产损失半径：=5 wT[ (15w肿) 6 . N' 1 3 7/ 6 r/+ 3 2=7 m]

图 l氢气球罐 ( A、B)蒸气云爆炸死亡半径情景

4 0

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20 0 9年第 1期陵 I _【 f rd } I 1§

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财产损失半径 7m 6\\ 0聿—L P‘ L I‘ =t 一i{

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图 2氢气球罐 ( A、B)蒸气云爆炸死亡、重伤、轻伤、财产损失半径1死亡半径 2 . m;2重伤半径 5 .m;3轻伤半径 1 45;4财产损失半径 7 m . 1 4 . 81 . 0 .m . 6

4事故严重度 B .的估计事故严重度 B。用符号 S表示，反映发生事故造成的经济损失大小，包括人员伤害和财产损失二个方面，并把人的伤害也折算成财产损失 (万元 )。Bl=C+ 0 N1 05+1 5/ 0 0: 1 8 9 2 ( .×6一 1 9 9 2=S 2 (+ .N2 0 N36 0 ) 0 5+ 0 0 5 ) 0 1

式中：C一事故中财产损失的评估值，万元； N。:,N,N,事故中人员死亡、重伤、轻伤人数的评估值。一 表 5氢气球罐蒸气云爆炸事故严重度事故死亡重伤 (度烧伤 )二 轻伤 (度烧伤 )一半径/ m范围人员半径/ m

财产损失范围

类型半径/ m范围人员半径/ m范围人员

2台氢气蒸气云爆炸 2 1.

2台氢气球

涉及装置周 7 6

变压吸附装置全部财产 7o万元+ 00 煤气站 5 8×23 79/=

4

球罐 .变罐，压吸附变压吸附装 5 . 81 145围邻近区域 0. 装置全部 .控及道路置大部分制室 6人

3 5万元 89

5固有危险性 B及危险等级 A . 氢气球罐的固有危险性为：Bl B1× B1= 1 6 2× 1= l 2 09 091 9= 1 67 9 1 45 48

A=l(。1= l( 7 5 4/0) 3 6 g B/0) g 16 4 9 81= . 7 1 0

(下转第 3 2页)

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I r动力

环境温度为 2￣状态时，水的理论分解电压为 1 3、析氧过电位、阳极液电压降、隔 5C . 2 V)膜电压降、阴极液电压降、析氢过电位组成。降低单位

氢气电耗，主要途径除选用析气过电位低的材料作为电极、改善电极结构、降低膜电阻等以外，在电解液中加入适量的活性

剂。可降低电解液的电阻，这些活性剂本身并不参与反应和消耗，但能够降低电解能耗。 在同等的工作条件下，即工作压力、工作温度、电解液浓度、直流电解电压等因素相同 .我们对几种活性剂在同一台制氢装置进行筛选对比试验研究，筛选出一种作为活性剂。实践证明，所选用的活性剂效果较好，达到了降低电解电压的目的。

5结语 .机动制氢系统是制氢技术的机动应用研究并得到成功应用的范例，制氢技术的机动应

用研究，拓宽了电解水制氢应用的范畴，具有广阔的应用前景。 当然。我们对制氢技术的机动应用研究和设计，只是探索过程中迈出的第一步，还有许多技术问题需要探索研究。例如系统在极限环境条件下的工作还有需改进之处，望有识之士共同探讨。 参考文献【】伟星. l张高空气象探测教程[]北京：解放军出版社，2 0 z. 06[】 2陈延禧 .电解工程[ .津：天津科学技术出版社. 9 6 7— 8 M】天 19 . 9 2 1 2【】 BT174 20,水电解制氢系统技术要求【] 3G/ 97 - 05 S [】 B 0 7 .0 5 4 G 5 172 0,氢气站设计规范[ s]【】训海 .起氢气爆炸事故[,氢气简讯，2 0,1 14 5魏一 J】 0 32:— 2 4

,

【】延禧 .解工程[ .津：天津科学技术出版社 . 9 . 2 16 6陈电 M】天 1 61—7 9 7≯ ≯ j

(上接第 4 1页) 危险性等级为：重大危险源级别A/万元十

一级≥ 35 .

二级25 35 .~ .

三级15 25 .~ .

四级< 15 .

25 .<A<35 .,属于二级重大危险源。

结语：氢气球罐做为制氢站重要设备，属于二级重大危险源。大量事故统计表明，工

艺设备故障、人的误操作和生产管理上的缺陷是引发事故发生的三大原因，因而对氢气球罐设备危险进行有效监控。提高操作人员基本素质和提高安全管理的有效性，能大大抑制事故的发生。但是大量的事故统计事实同样表明，上述三种因素在许多情况下并不相互独

立。而是偶合在一起发生作用的，

如果只控制其中一种或两种是不可能完全杜绝事故发生的。甚至当上述三种因素都得到充分控制以后，只要固有危险性存在，现实危险性不可能抵消至零。这是因为还有很少一部分事故是由上述三种因素以外的偶然原因引发的。因此。一种因素在控制事故发生中的作用是与另外两种因素的受控程度密切相关的，每种因

素都是在其他两种因素控制得越好时，发挥出的控制效率越大，即对事故的监控应当重视发挥三种因素的综合效应。

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