燃料電池試驗室氫安全研究與設(shè)計

劉闖，鄭治強

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

2020年以來，在國家層面對氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的政策支持下，各地爭相出臺了氫燃料電池及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或扶持政策。而國內(nèi)在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵零部件和整車集成等方面仍有較大差距。在此背景下，各大車企和相關(guān)科研機構(gòu)都在加大對氫燃料電池汽車技術(shù)的研發(fā)，很多企業(yè)、科研機構(gòu)開始建設(shè)新的氫燃料電池研發(fā)中心。

然而2019年以來，美國、韓國和挪威相繼發(fā)生氫安全事故，引發(fā)了業(yè)界對氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的擔(dān)憂和對氫能利用安全技術(shù)研究的重視與關(guān)注。氫安全貫穿氫氣的生產(chǎn)、儲運、加注、應(yīng)用終端等環(huán)節(jié)，是氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的首要保證。

目前，氫燃料電池試驗室的工程設(shè)計面臨著項目先例較少、工藝輸入條件不明晰、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)不完善等現(xiàn)狀。因此，在目前的氫燃料電池試驗室的工程設(shè)計中，涉及建筑物安全性方面的設(shè)計問題亟待解決。

本文結(jié)合氫燃料汽車試驗工藝條件以及國內(nèi)、國外的相關(guān)法規(guī)要求，總結(jié)了氫燃料電池試驗室氫安全方面的設(shè)計方法及措施，并應(yīng)用于實際的氫燃料電池試驗室的工程建設(shè)，為今后的氫燃料電池試驗室工程設(shè)計的相關(guān)安全方面問題提供設(shè)計思路及解決方案。

2 工藝需求及用氫安全對策

2.1 氫氣特性

氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆、易擴散、易發(fā)生氫脆的氣體。

常溫常壓下氫-空氣混合物的爆炸參數(shù)：爆炸下限（LEL）為4%；爆炸上限（UEL）為75.6%；最小點火能量為0.019 mJ。

氫氣密度非常小，只有空氣的1/14，故其有最大的浮力和擴散性，如果發(fā)生泄漏，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴散。

2.2 氫燃料電池試驗室供氫系統(tǒng)簡介

氫燃料電池試驗室的供氫一般采用在廠區(qū)單獨設(shè)置供氫站。工藝裝置包括卸車系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、氫氣管路系統(tǒng)、氮氣管路系統(tǒng)、放散系統(tǒng)。

氫氣通常加壓至一定壓力（18~20 MPa）后，采用氫氣管束車從制氫廠運輸至廠區(qū)加氫站。然后將氫氣管束車通過管道連接至氫氣調(diào)壓撬，過濾計量后經(jīng)自力式調(diào)壓閥調(diào)壓形成不同壓力的管線，通過架空管架分送至氫燃料電池各試驗間。

氫氣經(jīng)管線進(jìn)入各試驗間后，再經(jīng)各試驗間的供氣盤分送至各試驗設(shè)備[1]。

2.3 氫燃料電池試驗室功能組成

氫燃料電池試驗室一般包括燃料單電池試驗室、燃料電堆試驗室、燃料電池發(fā)動機試驗室以及燃料電池關(guān)鍵部件試驗室等。試驗室建成后，要對其性能、耐久、安全、環(huán)境適應(yīng)性等方面進(jìn)行試驗測試。

一般單電池、燃料電堆試驗用氫壓力為0.6 MPa，燃料電池發(fā)動機試驗用氫壓力為2~2.5 MPa，電機動力總成試驗用氫壓力為6~7 MPa。

2.4 用氫安全對策

要使可燃?xì)怏w爆炸，必須有3個要素：合適濃度的燃料氣體；合適濃度的氧氣；足夠能量的點火源。防止爆炸就是想辦法避免以上要素同時具備。

針對氫氣特性，氫燃料試驗室用氫安全可按優(yōu)先級，按照預(yù)防為主、防護為輔的原則考慮以下對策：

1）首要措施是力求避免出現(xiàn)爆炸環(huán)境。試驗室供氫管道閥門不嚴(yán)、管道與設(shè)備接口密封不嚴(yán)或松動等都有可能造成試驗室內(nèi)氫氣泄漏，為避免氫氣爆炸，必須控制氫氣濃度低于氫氣的爆炸下限。采取的措施主要有：利用氫氣濃度探測器監(jiān)控氫氣濃度，可采用二級報警（一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL；二級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于50%LEL）或多級報警，同時采用聯(lián)動事故排風(fēng)、切斷氫氣供給、排空氫氣管路等措施。為防止氫氣上浮擴散聚集，屋面下表面應(yīng)平整光滑，避免死角，坡度不小于0.5%，在屋面高點設(shè)置排風(fēng)口。

2）二級措施是排除點火源以避免爆炸發(fā)生。采取的主要措施有：人體、設(shè)備的防靜電措施；電氣設(shè)備采用防爆設(shè)備；建筑物的防雷措施；火災(zāi)自動報警措施及建筑消防措施。

3）三級措施是當(dāng)爆炸風(fēng)險意外發(fā)生時進(jìn)行防護。抗爆措施：對建筑功能房間合理布局，試驗間與有人員的控制間用抗爆墻進(jìn)行隔離防護；提高建筑物的抗爆承載力及防倒塌能力。泄爆措施：有爆炸危險的區(qū)域進(jìn)行泄爆設(shè)計，減小爆炸對建筑物的傷害。

3 氫燃料電池試驗室安全設(shè)計

根據(jù)上述用氫安全對策的分析及現(xiàn)行規(guī)范要求，本文從以下方面對氫燃料電池試驗室安全設(shè)計進(jìn)行總結(jié)。

3.1 試驗室建筑布置

氫燃料試驗室根據(jù)試驗需求，采用單層建筑，平面分為試驗間和控制間兩部分，在控制間上部局部設(shè)置夾層作為設(shè)備間，布置公用設(shè)備及管線。試驗間和控制間沿建筑物縱向排列。

試驗室平面建筑布局示意見如圖1所示，剖面如圖2所示。

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求，試驗室房間為涉氫部分，防火類別為甲類，應(yīng)靠近外墻布置。試驗間的長徑比控制在3以下，泄壓面積A宜按式（1）計算：

式中，A為泄壓面積，m2；V為廠房的容積，m3；C為泄壓比。

一般情況所需泄爆面積較大，需要將外墻及屋面均作為泄壓面。作為泄壓設(shè)施的輕質(zhì)屋面板和墻體的質(zhì)量在滿足規(guī)范要求的前提下僅可能輕。頂棚平整無死角，廠房上部空間應(yīng)通風(fēng)良好。

與試驗間相鄰的控制間、設(shè)備間與相鄰的試驗間之間布置抗爆墻，其耐火極限不小于3 h?？刂剖遗c試驗室連通區(qū)域設(shè)置門斗，門斗采用抗爆隔墻，耐火極限不低于2 h。門采用甲級防火、抗爆門，并應(yīng)與樓梯間的門錯位設(shè)置?？刂崎g靠近外墻布置疏散通道。地坪采用防靜電環(huán)氧自流平地坪。

3.2 試驗室結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)措施

當(dāng)出現(xiàn)爆炸的偶然工況時，結(jié)構(gòu)要能保持必要的整體穩(wěn)固性、不喪失必要的承載能力、不發(fā)生連續(xù)倒塌。由于爆炸荷載不易準(zhǔn)確估計，按最不利情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計是極不經(jīng)濟的。所以，結(jié)構(gòu)需要具備較好的塑性變形能力，措施主要以提高結(jié)構(gòu)冗余度、承載力、極限變形能力為主。

3.2.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)試驗室建筑布局，主體結(jié)構(gòu)一般以框架結(jié)構(gòu)居多，可采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或鋼框架結(jié)構(gòu)，原因如下：

1）參考GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）條文：有爆炸危險的甲、乙類廠房宜獨立設(shè)置，宜采用敞開或半敞開式。其承重結(jié)構(gòu)宜采用鋼筋混凝土或鋼框架、排架結(jié)構(gòu)。

2）試驗室房間大小不一，采用框架結(jié)構(gòu)，方便房間布置。

3）框架結(jié)構(gòu)整體性好、抗側(cè)力強。

4）采用框架結(jié)構(gòu)便于在外墻面設(shè)置大面積的泄壓面積。

由于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)防火性能好，可優(yōu)先考慮鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)措施

1）在防爆區(qū)域縱橫兩個方向盡可能形成完整的框架，以增加結(jié)構(gòu)的冗余度。當(dāng)屋面為泄爆屋面時，為加強框架梁側(cè)向剛度，宜在屋面框架梁間增設(shè)屋面水平支撐。

2）適當(dāng)提高框架柱及框架梁的抗彎承載能力，加強框架的節(jié)點設(shè)計，以便在爆炸工況下能形成塑性鉸。配筋時，框架柱應(yīng)對稱配筋，框架梁上部鋼筋宜通長配置，樓板應(yīng)配置雙排雙向鋼筋網(wǎng)。

3）加強結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造，提高框架柱、梁的延性。框架梁、柱箍筋型式參照抗震構(gòu)造，采用封閉箍筋，并宜全長加密。以提高框架梁、柱的抗剪承載力，加強對混凝土的約束避免剪切脆性破壞。

3.2.3 抗爆墻選型

為保證試驗室的靈活布局以及泄爆面積，抗爆墻體一般選用纖維水泥復(fù)合鋼板墻。如考慮裝飾裝修問題，也可選用裝飾一體化抗爆墻。

3.2.4 泄爆墻、板選型

一般采用巖棉夾芯彩鋼板泄爆墻較為適宜。其外形美觀，質(zhì)量輕，自重一般不大于0.3 kN/m2。因其不會破碎飛濺，安全性較好。泄爆壓力原則上越小越好，同時泄爆螺栓還應(yīng)滿足作用在圍護結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載要求。壓力值通常在1~2 kPa。

3.3 試驗室排風(fēng)設(shè)計

建筑物設(shè)置平時通風(fēng)和事故通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)換氣率要滿足所有操作和緊急事故情況下泄漏氫氣的濃度稀釋到不大于25%LEL[2]。各試驗區(qū)域均設(shè)置防爆屋頂排風(fēng)機，平時部分風(fēng)機運行進(jìn)行排風(fēng)，保證室內(nèi)換氣次數(shù)不低于7次/h。各試驗區(qū)域設(shè)置全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，采用下送風(fēng)方式向室內(nèi)送風(fēng)，用以作為平時排風(fēng)的補風(fēng)。氫氣發(fā)生泄漏，氫氣探測器低濃度報警后，屋頂風(fēng)機全部開啟，同時自動開啟建筑物側(cè)墻下部安裝的防爆邊墻風(fēng)機向室內(nèi)送風(fēng)，保證室內(nèi)換氣次數(shù)不小于15次/h，確保氫氣排出。若屋頂排風(fēng)機發(fā)生故障或接受信號有誤未能自動啟動時，安裝在側(cè)墻處的電動窗可自動開啟，保證室內(nèi)外聯(lián)通，將室內(nèi)氫氣排至室外。

所有可能與氫氣接觸設(shè)備均采用防爆類型。室內(nèi)設(shè)備及鐵皮管道均靜電接地。

3.4 試驗室消防設(shè)計

建筑物設(shè)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，室內(nèi)消火栓保證室內(nèi)各點均有兩栓保護。沿建筑物周圍設(shè)置室外消火栓，間距≤120 m，保護半徑≤150 m?？刂崎g及設(shè)備間部分設(shè)置濕式自動噴水滅火系統(tǒng)，降低火災(zāi)蔓延風(fēng)險。涉氫試驗室均設(shè)置干粉滅火器。有重要設(shè)備的試驗室設(shè)置高壓細(xì)水霧自動滅火設(shè)施，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時以便保護設(shè)備。

3.5 試驗室電氣及防雷設(shè)計

各涉氫試驗室按爆炸危險環(huán)境2區(qū)設(shè)計，試驗室內(nèi)電氣設(shè)備包括燈具、插座、開關(guān)、風(fēng)機按鈕等保護級別選用Gbd（隔爆型）。

試驗室內(nèi)電氣回路采用BV導(dǎo)線穿低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管沿墻及頂板明敷，鋼管配線的電氣線路應(yīng)做好隔離密封。

防雷設(shè)計：按二類防雷建筑物設(shè)計。建筑的防雷裝置滿足防直擊雷、防雷電感應(yīng)及雷電波的侵入。屋面設(shè)置明接閃帶，并在建筑物內(nèi)設(shè)置總等電位裝置及聯(lián)結(jié)干線，所有進(jìn)出建筑物的金屬管道在入戶處與建筑物等電位干線連接。試驗室設(shè)備間屋面有氫氣放散管通過，需根據(jù)放散管及放散口位置在屋面增設(shè)接閃桿保護氫氣放散管上部區(qū)域，進(jìn)行直擊雷防護，保護范圍上邊線高于被保護物。

3.6 試驗室弱電系統(tǒng)設(shè)計

消防報警設(shè)計遵循“預(yù)防為主、全面保護、危險區(qū)域重點防護”的設(shè)計原則。設(shè)置火災(zāi)報警系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測報警系統(tǒng)、消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)及電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

火災(zāi)自動報警系統(tǒng)采用二總線火災(zāi)報警系統(tǒng)。除了設(shè)備自帶消防保護措施外，建筑物內(nèi)一般場所均設(shè)置感煙探測器，濕度較大或有煙氣滯留等場所設(shè)置感溫探測器；涉氫場所設(shè)置防爆型火焰探測器及感煙探測器。雙重探測以達(dá)到重點防護的效果，同時滿足及時滅火的消防聯(lián)動需求。

可燃?xì)馓綔y報警系統(tǒng)采用總線制可燃?xì)怏w探測報警，氫氣泄漏時應(yīng)將報警信號上傳至消防控制室可燃?xì)鈭缶鳈C，消防控制室應(yīng)具備聯(lián)動控制本系統(tǒng)管道電磁閥、事故排風(fēng)機及聲光報警器等設(shè)備的功能。在可能散發(fā)氫氣的場所，按照“分層探測”的思路，不僅在可能的氫氣泄漏點附近設(shè)置氫氣探測器，同時在室內(nèi)頂板處均勻布置氫氣探測器，且分兩級報警，以盡早發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏，并防止氫氣聚集。

其他防爆措施：建筑內(nèi)防爆區(qū)域內(nèi)設(shè)備均采用防爆型；線纜穿越防爆墻處，均穿管敷設(shè)，墻兩側(cè)均設(shè)置防爆模塊；當(dāng)火災(zāi)確認(rèn)后，應(yīng)立即切斷所有供油及供氣管道電磁閥，切斷所有非消防電源。

4 結(jié)語

本文介紹了氫燃料電池試驗室的供氣系統(tǒng)及試驗室的功能需求，從氫氣的特性出發(fā)進(jìn)行用氫安全的對策分析，提出了從預(yù)防試驗風(fēng)險到降低意外損失的三級措施，進(jìn)而在試驗室的設(shè)計和建設(shè)方面將安全理念落實到建筑物的各個方面。對氫燃料電池試驗室的設(shè)計及建設(shè)具有重要意義。