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氫氣站設計規范(中)
太原潤昌化工工程設計有限公司   2012-12-18 09:11:47 作者:SystemMaster 來源: 文字大小:[][][]

12 氫氣管道

12.0.1 碳素鋼管中氫氣****流速,應符合表12.0.1的規定。

12.0.2 氫氣管道的管材應采用無縫鋼管。對氫氣純度有嚴格要求時,其管材、閥門、附件和敷設,應按現行國家標準《潔凈廠房設計規范》GB 50073中有關規定執行。

12.0.3 氫氣管道閥門的采用,應符合下列規定:

1 氫氣管道的閥門,宜采用球閥、截止閥;

2 閥門的材料,應符合表12.0.3的規定。

12.0.4 氫氣管道法蘭、墊片的選擇,宜符合表12.0.4的規定。

12. 0. 5 氫氣管道的連接,應采用焊接。但與設備、閥門的連接,可采用法蘭或錐管螺紋連接。螺紋連接處,應采用聚四氟乙烯薄膜作為填料。

12.0.6 氫氣管道穿過墻壁或樓板時,應敷設在套管內,套管內的管段不應有焊縫。管道與套管間,應采用不燃材料填塞。

12.0.7 氫氣管道與其他管道共架敷設或分層布置時,氫氣管道宜布置在外側并在上層。

12.0.8 輸送濕氫或需做水壓試驗的管道,應有不小于3‰的坡度,在管道****點處應設排水裝置。

12.0.9 氫氣放空管,應設阻火器。阻火器應設在管口處。放空管的設置,應符合下列規定:

1 應引至室外,放空管管口應高出屋脊1m;

2 應有防雨雪侵入和雜物堵塞的措施;

3 壓力大于0.1 MPa時,阻火器后的管材,應采用不銹鋼管。

12.0.10 氫氣站、供氫站和車間內氫氣管道敷設時,應符合下列規定:

1 宜沿墻、柱架空敷設,其高度不應防礙交通并便于檢修。與其他管道共架敷設時,應符合本規范附錄B的要求;

2 嚴禁穿過生活間、辦公室,并不得穿過不使用氫氣的房間;

3 車間人口處應設切斷閥,并宜設流量記錄累計儀表;

4 車間內管道末端宜設放空管;

5 接至用氫設備的支管,應設切斷閥,有明火的用氫設備還應設阻火器。

12.0.11 廠區內氫氣管道架空敷設時;應符合下列規定:

1 應敷設在不燃燒體的支架上;

2 寒冷地區,濕氫管道應采取防凍設施;

3 與其他架空管線之間的最小凈距,宜按本規范附錄B的規定執行;與建筑物、構筑物、鐵路和道路等之間的最小凈距,宜按本規范附錄C的規定執行。

12.0.12 廠區內氫氣管道直接埋地敷設時,應符合下列規定:

1 埋地敷設深度,應根據地面荷載、土壤凍結深度等條件確定,管頂距地面不宜小于0.7m。濕氫管道應敷設在凍土層以下;當敷設在凍土層內時,應采取防凍措施;

2 應根據埋設地帶的土壤腐蝕性等級,采取相應的防腐蝕措施;

3 與建筑物、構筑物、道路及其他埋地敷設管線之間的最小凈距,宜按本規范附錄D、附錄E的規定執行;

4 不得敷設在露天堆場下面或穿過熱力溝。當必須穿過熱力溝時,應設套管。套管和套管內的管段不應有焊縫;

5 敷設在鐵路或不便開挖的道路下面時,應加設套管。套管的兩端伸出鐵路路基、道路路肩或延伸至排水溝溝邊均為1m。套管內的管段不應有焊縫;套管的端部應設檢漏管;

6 回填土前,應從溝底起直至管頂以上300mm范圍內,用松散的土填平夯實或用砂填滿再回填土。

12.0.13 廠區內氫氣管道明溝敷設時,應符合下列規定:

1 管道支架應采用不燃燒體;

2 在寒冷地區,濕氫管道應采取防凍措施;

3 不應與其他管道共溝敷設。

12.0.14 氫氣管道設計對施工及驗收的要求,應符合下列規定:

1 接觸氫氣的表面,應徹底去除毛刺、焊渣、鐵銹和污垢等,管道內壁的除銹應達到出現本色為止;

2 碳鋼管的焊接,宜采用氬弧焊作底焊;不銹鋼管應采用氬弧焊;

3 管道、閥門、管件等在安裝過程中及安裝后,應采用嚴格措施防止焊渣、鐵銹及可燃物等進入或遺留在管內;

4 管道的試驗介質和試驗壓力,應符合表12.O.14的規定;

5 泄漏量試驗合格后,必須用不含油的空氣或氮氣,以不小于20m/s的流速進行吹掃,直至出口無鐵銹、無塵土及其他臟物為合格。

附錄A 氫氣站爆炸危險區域的等級范圍劃分

A.0.1 爆炸危險區域的等級定義應符合現行國家標準《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》GB 50058的規定。

A.0.2 氫氣站廠房內爆炸危險區域的劃分,應符合下列規定(圖A.0.2):

1 制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間、氫氣灌瓶間等爆炸危險房間為1區;

2 從上述各類房間的門窗邊沿計算,半徑為4.5m的地面、空間區域為2區;

3 從氫氣排放口計算,半徑為4.5m的空間和頂部距離為7.5m的區域為2區。

A.O.3 氫氣站內的室外制氫設備、氫氣罐爆炸危險區域劃分,應符合下列規定(圖A.0.3):

1 從室外制氫設備、氫氣罐的邊沿計算,距離為4.5m,頂部距離為7.5m的空間區域為2區;

2 從氫氣排放口計算,半徑為4.5m的空間和頂部距離為7.5m的區域為2區。

本規范用詞說明

1 為便于在執行本規范條文時區別對待,對要求嚴格程度不同的用詞說明如下:

1)表示很嚴格,非這樣做不可的用詞:

正面詞采用“必須”,反面詞采用“嚴禁”。

2)表示嚴格,在正常情況下均應這樣做的用詞:

正面詞采用“應”,反面詞采用“不應”或“不得”。

3)表示允許稍有選擇,在條件許可時首先應這樣做的用詞:

正面詞采用“宜”,反面詞采用“不宜”;

表示有選擇,在一定條件下可以這樣做的用詞,采用“可”。

2 本規范中指明應按其他有關標準、規范執行的寫法為“應符合……的規定”或“應按……執行”。

中華人民共和國國家標準

氫氣站設計規范

GB 50177-2005

條文說明

1 總 則

1.0.1 本條是本規范的宗旨。鑒于氫氣是可燃氣體,且著火、爆炸范圍寬,下限低,氫氣站的安全生產十分重要。各種制氫方法均需消耗一定數量的能量,有的制氫方法需 消耗比較多的一次能源或二次能源,如水電解制氫需消耗較多的電能,因此,應十分注意降低能量消耗,節約能源。氫氣目前主要廣泛應用于冶金、電子、化工、電 力、輕工、玻璃等行業,用作保護氣體、還原氣體、原料氣體等,由于在生產過程中的作用不同,對氫氣的質量要求也各不相同,應充分滿足生產對氫氣質量的要 求。氫能被譽為21世紀的“清潔能源”,隨著科學技術的發展,氫能的應用將會逐步得到推廣。因此,氫氣站、供氫站設計,必須認真貫徹各項方針政策,切實采 取防火、防爆安全技術措施;認真分析比較,采用先進、合理的氫氣生產流程和設備;認真執行本規范的各項規定,使設計做到安全可靠,節約能源,保護環境,滿 足生產要求,達到技術先進,經濟上合理。

1 近年來,國內工業氫氣制取方法主要有:水電解制氫、含氫氣體為原料的變壓吸附法提純氫氣、甲醇蒸氣轉化制氫以及各種副產氫氣的回收利用等。各種制氫方法因 工作原理、工藝流程、單體設備的不同,各具特色和不同的優勢,各地區、行業和企業應根據自身的實際情況和具體條件,經技術經濟比較后合理選擇氫氣制取方 法。如上海××鋼鐵公司,在一期工程時,采用水電解制氫方法,裝設2臺氫氣產量為200Nm3/h的水電解制氫裝置,由于生產發展的需要,氫氣需求量大幅度增加,該公司在擴建工程中采用于利用公司內焦化廠的副產焦爐煤氣(含氫氣50%~60%)為原料氣的變壓吸附提純氫氣系統,氫氣產量為2000Nm3/h、氫氣純度大于99.99%。變壓吸附提純氫氣技不及裝置已在我國石化、冶金、電子等行業推廣應用,取得了良好的能源效益、經濟效益。甲醇蒸氣轉化制氫也在國內外得到積極應用,據了解國內有多家制造單位已商品化生產,僅北京、天津就有多套500Nm3/h左右的甲醇蒸氣轉化制氫系統正在運行中。

各種制氫方法以不同的規模在各行業設計、建造、運行,積累了豐富的經驗,制氫以及氫氣純化、壓縮、灌裝技術日臻完善。據了解,國內設計、制造、運行中的產氫量15萬Nm3/h的變壓吸附提純氫氣系統、產氫量350Nm3/h 的水電解制氫系統等正在良好地運轉中。實踐證明,采用各種制氫方法的氫氣站在我國已有成熟的設計、建造和運營經驗,為此本規范應該適應這種實際情況和需 求,從只適用于水電解制氫的氫氧站擴大為適用于各種制氫方法的氫氣站,并按此要求將各章、節和條文作相應的修改和補充。

2 本條所指的供氫站是不含氫氣發生設備,以氫氣鋼瓶或氫氣長管鋼瓶拖車或管道輸送供應氫氣的建筑物、構筑物的統稱。本條所指的氫氣,應符合現行國家標準《工 業氫》、《純氫、高純氫和超純氫》中規定的各項技術指標及要求。據調查,目前國內電子、冶金、石化、電力、機械、輕工等行業使用的氫氣,除了工廠自建氫氣 站外,瓶裝或鄰近工廠用管道輸送供應的氫氣,均符合現行國家標準的規定。國家標準的主要技術指標如表1。

供氫站根據氫氣來源、規模、技術參數的不同,可包括:氫氣匯流排間、實瓶間、空瓶間、氫氣純化間、氫氣加壓間等。

1.0.3 本條規定的依據為:

1 氫氣的主要特性。

(1)主要特征數據:

比重:20℃時(空氣=1)為0.06953;

燃燒溫度;在空氣中為574℃,在氧氣中為560℃;

燃燒界限:在空氣中為4%~75%(體積),在氧氣中為4.5%~94%(體積);

爆轟界限:在空氣中為18.3%~59%(體積),在氧氣中為15%~90%(體積);

不燃范圍:空氣-氫-二氧化碳中O2<8%,空氣—氫—氧中O2<5%;

****點火能量(大氣壓力):在空氣中為0.000019J,在氧氣中為0.000007J;

****燃燒溫度(氫氣與空氣的體積比為0.462)為2129℃。

(2)氫氣無色無嗅,人們不能憑感覺發現。

(3)氫氣比空氣輕,呈上升趨勢。

(4)當氫氣與空氣或氧氣混合時,形成一種混合比范圍很寬的易燃易爆混合物。

(5)點燃爆炸混合物所需能量低,僅為汽油—空氣混合物點火能的1/10。一個看不見的小火花就能引燃。

(6)氫氣易擴散,約比空氣擴散快3.8倍。

(7)氫氣易泄漏,由于分子量小和粘度低,氫氣的泄漏約為空氣的2倍。

2 按現行國家標準《建筑設計防火規范》的規定,氫氣站、供氫站屬于甲類生產。

3 按照《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中的有關條款規定,確定氫氣站、供氫站內有爆炸危險區域為1區或2區的主要依據是:

(1)有爆炸危險的制氫間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間等的空間都不大,設備布置間距****僅4m,因此本規范規定,建筑物內部的爆炸危險區域范圍,一般以房間為單位。

(2)規范規定,“1區:在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境;”并在注中明確:“正常運行是指正常的開 車、運轉、停車,易燃物質產品的裝卸,密閉容器蓋的開閉,安全閥、排放閥以及所有工廠設備都在其設計參數范圍內工作的狀態。”氫氣站內有爆炸危險的房間內 的生產設備在開車、停車時,均有可能出現爆炸性混合氣體環境。

(3)對“第一級釋放源”的規定是:“預計正常運行時周期或偶爾釋放的釋放源……在正常運行時會釋放易燃物質的泵、 壓縮機和閥門等的密封處……”鑒于目前閥門等附件的密封性能難以保證易于泄漏的氫氣不外泄,所以,氫氣站有爆炸危險房間內,在正常運行時,存在著周期或偶 爾釋放的釋放源,即屬于第一級釋放源。

(4)根據規定,釋放源級別和通風方式與爆炸危險區域劃分和范圍之間的關系是:在自然通風和一般機械通風的情況下, 第一級釋放源可劃為1區;當通風良好時,應降低爆炸危險區域等級;局部機械通風,在降低爆炸性氣體混合物濃度方面比自然通風和一般機械通風更為有效時,可 采用局部機械通風使等級降低。根據對各種類型氫氣站的調查了解,有爆炸危險房間內均設置自然通風和一般的機械通風,未設局部通風。因此,在氫氣站的制氫 間、氫氣純化間、氫氣壓縮機間、氫氣灌裝間等房間內爆炸危險物質的釋放屬于第一級釋放源,其爆炸危險區域的劃分應定為1區。

(5)按照《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中的有關條款的規定和對現有氫氣站的調查了解,本次規范修訂中, 將有爆炸危險為l區的各類房間的相鄰區域、空間和氫氣排氣口周圍空間等規定為2區有爆炸危險場所。氫氣站室外制氫設備、氫氣罐的周圍空間和氫氣放空管周圍 空間規定為2區有爆炸危險場所。

(6)本規范附錄A是根據前面的敘述和現行國家標準《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》中的有關規定,對氫氣站爆炸危險區域的等級范圍劃分作了規定,并附圖說明。

1.0.4 與本規范有關的標準、規范主要有:《建筑設計防火規范》、《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》、《供配電系統設計規范》、《電力工程電纜設計規范》、 《建筑物防雷設計規范》、《氣瓶安全監察規程》、《10kV及以下變電所設計規范》、《低壓配電設計規范》、《工礦企業總平面設計規范》、《氧氣站設計規 范》、《氫氣使用安全技術規程》、《壓縮空氣站設計規范》、《工業企業設計衛生標準》等。

3 總平面布置

3.0.1 本條規定是在工廠總平面布置時,確定氫氣站、供氫站、氫氣罐及其附屬構筑物等的位置的基本原則。確定這些原則的目的,是為了確保安全生產,保障國家財產和人身安全。

1 根據現行國家標準《工礦企業總平面設計規范》規定:“煤氣站和天然氣配氣站宜布置在主要用戶的常年最小風向頻率的下風側,并應遠離有明火或散發火花的地點”,“乙炔站應位于明火或散發火花地點常年最小風向頻率的下風側”。

氫氣與煤氣、天然氣、乙炔均屬可燃氣體。為確保工廠的生產安全,所以作本條規定。

2 按現行國家標準《建筑設計防火規范》規定:“有爆炸危險的甲、乙類廠房宜獨立設置”。

對運行中的各類制氫方法的氫氣站的調查了解,基本上為獨立建筑;另對電力部門作為發電機氫冷用氫,裝設的水電解槽的小型氫氧站的調查,也都采用獨立建筑,因此,本條的規定是必要的,也是基本符合實際情況的。

3 《工礦企業總平面設計規范》中規定:“易燃、易爆、危險品生產設施,應布置在企業的偏僻地帶”。

《火力發電廠總圖布置及交通運輸設計規定》中規定:“生產過程中有爆炸危險的建筑物、構筑物……一般布置在廠區的邊緣地段”。

氫氣站、供氫站、氫氣罐可能發生燃燒和爆炸,為了盡量減少事故的發生以及避免發生爆炸等事故造成較大的人身傷亡及經濟損失,因此規定不宜布置在人員密集地段和主要交通要道鄰近處。

4 氫氣站屬于有爆炸和火災危險的場所,是企業的重要能源供應站之一。有的單位若中斷供氫將會造成較大的經濟損失或工廠停產。因此,應作為工廠的重要安全保衛 場所。據調查,設有圍墻者占有較大比例,有的單位在建設過程中未設圍墻,投產運行后,為防止事故的發生,確保安全生產,后增設了圍墻。為此,制定本條規 定。

3.0.2~3.0.4 為明確氫氣站、供氫站、氫氣罐與建筑物、構筑物的防火間距,將現行國家標準《建筑設計防火規范》中的有關規定具體化。

表3.0.2的注2規定:固定容積的氫氣罐,總容積按其水容量(m3)和工作壓力(****壓力)的乘積計算。氫氣罐總容積計算時,工作壓力的單位為(kg/cm2),如某氫氣罐的水容量為4m3、工作壓力為1.5 MPa(****壓力),則氫氣罐總容積≈4×15≈60m3 。

3.0.5 在氫氣站設計中,有時受占地面積和具體用地條件的限制,使氫氣站的站區布置較為困難;有時為了氫氣供應方便,與用氫車間毗連布置。為此,在遵守現行國家標 準《建筑設計防火規范》的前提下,且符合本條各款的規定時,允許氫氣站與其他車間呈L形、П形、Ш形毗連布置。

1 按現行國家標準《建筑設計防火規范》的規定,甲類生產類別、單層廠房、二級耐火等級時,防火分區的****允許占地面積為3000m2。考慮到氫氣的爆炸著火范圍寬,點火能低,爆炸威力大,為了保證氫氣生產的安全和一旦發生事故后減少損失,本條規定毗連的氫氣站站房面積不應超過1000m2,為防火分區****允許占地面積的1/3。

2 氫氣生產過程中,有氫氣泄漏的可能,為確保安全生產,氫氣站不得同明火或散發火花的生產車間、場所布置在同一建筑物內,如:熱處理車間、焊接車間、鍛壓車間、汽車庫、鍋爐房等。與氫氣站毗連的其他車間的建筑耐火等級,應與氫氣站一致,不應低于二級。

3 據對國內已經建成投產的氫氣站的調查,一些單位為了減少占地面積,方便運行和管理,降低基本建設投資,在符合現行國家標準《建筑設計防火規范》的規定的前 提下,經有關部門的審查批準,將氫氣站與冷凍站、壓縮空氣站、氮氧站等動力站或其他車間以L形、П形、Ш形毗連布置。

3.0.6 制定本條的依據是:

1 按現行國家標準《氫氣使用安全技術規程》中規定:當氫氣實瓶數量不超過60瓶時,可與耐火等級不低于二級的用氫廠房毗連;

2 美國防火標準NFPA51中規定:在建筑物內儲存的燃氣氣瓶,除正在使用或連接后準備使用者外,乙炔及非液化氣體的儲存量不應超過2500立方英尺(約70m3);

3 根據對一些用氫量較小的用氫單位的調查,許多單位在用氫車間設有氫氣匯流排和儲存少量氫氣鋼瓶,其布置方式是設在廠房端部或靠外墻或與用氫車間毗連的專用房間內。

當使用氫氣的工廠采用鄰近工廠管道輸送氫氣供應時,是按供應氫氣和使用氫氣的技術參數,在供氫站內設置必要的增壓、儲存、純化裝置。若供氫站的占地面積不超過500m2時,為了方便管理,減少占地面積,可與耐火等級不低于二級的用氫車間或其他非明火作業的丁、戊類車間毗連。

由于此類供氫站內設備布置較緊湊,廠房不高,一般通風條件較制氫間差,為從嚴控制,本條規定毗連布置的站房面積不得超過500m2, 比本規范第3.0.5條減少1/2。據調查,國內此類供氫站運行中采取如下做法:南京某廠使用鄰近的某化肥廠用管道輸送的氫氣,在廠內的用氫車間內設有穩 壓裝置和氫氣壓縮機;自貢某廠從鄰近氯堿廠用管道輸送氫氣,在廠內用氫車間設有增壓、凈化裝置的供氫站;北京某廠從鄰近工廠用管道輸送的氫氣,在廠內設有 氫氣純化裝置等的供氫站。這些供氫站的占地面積均未超過500m2 。

4 工藝系統

4.0.1 本條規定了確定氫氣站制氫系統類型的主要因素。

1 氫氣廣泛用于電子、冶金、電力、建材、石油化工等行業,由于用途不同,要求供應的氫氣純度、壓力等技術參數均不相同,表2是各行業使用氫氣的主要技術參數。

2 各行各業使用氫氣的企業,由于產品品種、產能規模的不同和電力供應、含氫原料氣供應的差異,需要經過比較選擇合適的制氫方法和適用的制氫工藝系統,所以本 條提供了確定制氫工藝系統類型的基本因素,供氫氣站設計人員參照執行。如:某用氫企業地處水力發電十分豐富的地區或者當地電網谷段電價低廉,而該單位的氫 氣用量不大,若自建氫氣站時,可選用比小時用氫量大的壓力型水電解制氫系統,在電網谷段生產氫氣儲存在壓力氫氣罐內,利用水電價廉或峰谷電價差,降低氫氣 成本,經技術經濟比較可在較短時間回收所增加的建設投資時,宜選用工作壓力大于1.6MPa的壓力型水電解制氫裝置。同上一例,若該用氫企業鄰近處有豐 富、低廉的副產氫氣(焦爐煤氣、氯堿廠副產氫等)時,經技術經濟比較,也可采用變壓吸附法提純氫獲得所需的氫氣。

目前國內商業化的制氫系統主要有兩大類,一是水電解制氫系統,這是采用水電解法制取氫氣、氧氣。此類系統按操作壓力劃分為常壓型、壓力型,按產品氫氣純度劃分為普氣型、純氣型。目前水電解制氫系統氫產量****為350Nm3/h,但制氣能力可達500Nm3/h。水電解制氫系統具有氫氣純度高、維護操作方便,但電能消耗較大;二是變壓吸附法(簡稱PSA法)提純氫系統,這類系統因原料氣的不同,其提純氫系統有不同的設備配置。PSA提純氫系統有普氣型、純氣型,國產PSA提純氫系統的****處理能力達20萬~30萬Nm3/h。只要需用氫氣的企業、地區有合適的原料氣,如煤制合成氣、天然氣、煤層氣、焦爐煤氣、氯堿廠副產氫氣、石油煉廠含氫氣體和甲醇轉化氣等,且氫氣用量較大,均以采用PSA提純氫系統為宜。

鑒于上述兩大類制氫系統的特點,本條規定:氫氣站的制氫系統類型的選擇,應按氫氣站的規模;當地的資源或含氫原料氣狀況;產品氫的純度、雜質含量和壓力等要求。經技術經濟比較后確定。

4.0.2 本條是水電解制氫系統應設有的裝置要求。

1 水電解制氫過程中,目前還主要采用石棉隔膜布將氫電解小室和氧電解小室分別制取的氫氣、氧氣分隔,使水電解制氫裝置不會發生氫氣、氧氣相互摻混形成爆鳴 氣。但石棉布必須浸泡在電解液中,呈現濕潤狀態方能起到分隔氫氣、氧氣的作用。因此,在水電解制氫裝置運行中,必須確保氫、氧側(陰極、陽極側)的壓力差 不能過大,若超過某一設定值后,就會造成某一電解小室或多個電解小室的“干槽”現象,從而使氫氣、氧氣互相摻混,降低氫氣或氧氣的純度,嚴重時形成爆炸混 合氣。這是十分危險的,極易引起事故的發生。所以本款規定:應設置壓力調節裝置,以確保氫氣、氧氣之間的壓差設定值。

氫、氧氣之間的壓差值的規定,與水電解制氫裝置的氣道與隔膜框的結構尺寸有關。我們在調查統計國內外商品化生產的水 電解槽有關結構尺寸的基礎上,在本款中規定水電解槽出口氫氣、氧氣之間的壓差值宜小于0.5kPa。此值均小于現有水電解槽氣道至隔膜框上石棉布的距離, 并有一定的富裕度。

2 鑒于水電解制氫裝置在開車、停車或發生事故時,都應將純度不合格的氣體或置換氣體排入大氣,只有在經過取樣分析,氣體純度符合規定后,才能把氣體送入氣體 總管。為此,本款規定:每套水電解制氫裝置的氫氣、氧氣出氣管與氫氣、氧氣總管之間,應設置放空管、切斷閥和取樣分析閥。

3 本款規定:在水電解制氫系統中,應設有原料水制備裝置,包括原料水箱、原料水泵等。水電解制氫的原料水系統與其工作壓力有關,常壓水電解制氫系統的原料水 都是定期用原料水泵注入高位水箱,再由高位水箱定期或連續地流入水電解槽,補充原料水;壓力型水電解制氫系統的原料水是定期或連續(手動或自動)地用原料 水泵直接注入或注入平衡水箱,在平衡水箱內接有氣體平衡管,使平衡水箱內的壓力與制氫系統內氣體壓力一致,確保原料水順利流入水電解槽。致于原料水箱中的 原料水從何處引入,則與各企業的具體條件有關,各行各業的用氫企業差異較大,所以本規范對原料水來源不作規定。但是無論是何種情況、何種水電解制氫裝置, 均需設有原料水箱、原料水泵,而原料水泵出口壓力只與水電解制氫系統的工作壓力有關,為此本條對原料水供應只作基本內容的規定。

4 水電解制氫系統所需堿液(電解液)都是在氫氣站內進行配制;在水電解槽檢修時,為減少消耗和改善環境,都是將水電解槽中的堿液回收后重復使用,因此,本款規定:水電解制氫系統應設有堿液配制、回收裝置。

水電解槽運行時,電解液(堿液)在水電解槽、分離器、冷卻器之間不斷循環,帶走水電解過程產生的熱量。為避免電解液 中過多的雜質堵塞進液孔或出氣孔或在電解小室內沉積機械雜質,為提高水電解槽使用壽命和電能效率,在水電解制氫系統的堿液循環管道上,均設有堿液過濾器。 為確保水電解槽的正常運行,本款規定:“水電解槽入口應設堿液過濾器”。在一些企業的水電解制氫系統的堿液制備、循環管路上,不僅在水電解槽入口設有堿液 過濾器,還在堿液配制箱出口管路等處設有堿液過濾器。

4.0.3 制定本條的依據是:

1 水電解制氫系統在制取氫氣的同時也產生氧氣,產量為氫氣量的一半。氧氣若回收使用,可提高氫氣站的經濟效益,節約電能,相應降低氫氣的單位能耗。當氫氣站 所在單位使用氧氣時,可采用中壓或低壓氧氣管道輸送;當所在單位不使用或少量使用氧氣時,則需將氧氣加壓灌瓶外銷。據調查了解,近年來許多采用水電解制氫 的氫氣站都回收氧氣使用或灌瓶外銷。如:上海某廠氫氣站,氫氣生產能力為150m3/h,氧氣生產能力為75m3/h,在進行氫氣站技術改造時,增加了氧氣回收灌瓶系統,增加建筑面積300m2和600m3氧 氣罐1只、氧氣壓縮機2臺,每天可提供360瓶氧氣,既增加了收入,每年又可節約電能75萬kW•h。江蘇××化工廠氫氣站副產氧氣回收灌瓶多年,氧氣灌 瓶可達1500瓶/d,取得了較好的社會效益和經濟效益。為此本條規定,可根據工廠的具體情況,采用不同方式回收利用。

2 目前許多工廠已將氧氣灌瓶外銷,并積累了許多有益的經驗。但嚴格控制水電解氧氣的純度至關重要,若純度降低或不穩定,將使瓶裝氧氣質量下降。嚴重時,還可 能造成氧氣純度較大幅度降低,以至形成爆炸混合氣,將會發生爆炸事故。據了解,與電解氧回收利用相關的爆炸事故時有發生。為防止電解氧氣灌瓶及使用中爆炸 事故的發生,本條規定:當回收電解氧氣時,必須設置氧中氫自動分析和手工分析儀裝置。之所以還須設手工分析裝置,是為了更為嚴格地、可靠地確保安全;定期 采用手工分析,既能校核自動儀表可靠性,又可提高操作人員的安全生產意識。同時,還應設氧中氫含量報警裝置。

3 若氧氣不回收直接排入大氣時,對常壓型水電解制氫系統需設置氧氣調節水封;利用水封高度,保持氫側、氧側的壓力平衡;壓力型水電解制氫系統可設氧氣排空水 封,以便壓力調節裝置的正常運行,保持氫側、氧側壓力平衡。水封高度約為1500mm。如:在電力系統用于氫冷火力發電機組供應氫氣的氫氣站,通常裝設產 氫量5~10Nm3/h水電解制氫裝置制取氫氣;氧氣產量較小,各發電廠氫氣站都不回收電解氧氣,均設有氧氣排空水封,其水封高度約1500mm。

4.0.4 變壓吸附提純氫系統設置通常應根據下列因素確定:

1 變壓吸附的原理是基于不同的氣體組分在相同的壓力下在吸附劑上的吸附能力有差異,同一氣體組分在不同的壓力下在吸附劑上的吸附能力亦有差異的特性。通常周 期性的壓力變化,實現氣體的分離提純和被吸附氣體的解吸。原料氣組成的差異直接影響系統的配置,組成復雜的原料氣,根據其雜質的成分及含量應增設預處理設 施,且雜質組成將直接影響產品氫的收率。原料氣的壓力、組成決定選用吸附劑的類型、配比及用量。

2 產品氫氣的壓力取決于吸附壓力的選擇,若超出吸附壓力,需增設產品增壓系統。氫氣的純度決定系統設置,一般氫氣純度要求可通過變壓吸附分離直接得到滿足,對雜質含量有特殊要求者還應增設產品氫純化系統。如焦爐煤氣變壓吸附制氫裝置的脫氧及干燥系統。

3 氫氣使用的連續性決定設備的配置,連續性較強的變壓吸附提純氫氣系統中配置的活塞式壓縮機、真空泵等配套設備均應設備用,吸附器及閥門的配置應實現程序控制閥及儀表等的在線維修。氫氣負荷變化可通過多床吸附器的切換及調整吸附時間來實現。

4 變壓吸附提純氫系統的配置和壓力的選擇,在一定的范圍內吸附壓力高有利于吸附過程向正方向進行,可減少吸附劑的用量,但是增加了設備的成本及能耗。采用抽 真空解吸的變壓吸附提氫工藝與常壓解吸工藝比較,前者可增加氫氣的回收率,但同時又增加設備的投資及能耗。所以,變壓吸附提純氫工藝的設置在滿足工藝要求 的同時應考慮技術經濟因素。

4.0.5 變壓吸附提純氫系統,通常應設有下列裝置:

1 原料氣中一些在變壓吸附系統吸附劑上通過常規降壓手段難于解吸或可使吸附劑中毒失效的雜質組分,必須在變壓吸附前增設預處理系統。如通過在變壓吸附前設變溫吸附預處理裝置可脫除高碳烴類的雜質;增加脫硫工序可脫除原料氣中的硫化物等。

2 變壓吸附提純氫氣的吸附壓力通常為0.7~3.0 MPa,若低于0.7MPa,吸附劑吸附雜質的能力降低,不能保證提純氫氣的純度及裝置的處理能力,對提高氫氣收率也不利。需增加原料氣增壓設施,以保證吸附壓力,或滿足用戶對氫氣壓力的需求。

3 變壓吸附提純氫氣裝置包括吸附器組、吸附劑、程序控制閥及控制系統。吸附器組及程序控制閥是變壓吸附提純氫裝置的主要組成部分。

4 變壓吸附提純氫裝置氫氣的輸出雖然是連續的,但隨著時序的變化,每個周期輸出的氫氣氣量和壓力均有一定的波動,故增設氫氣緩沖罐可使輸出氫氣的壓力波動減少、流量穩定。每個周期內輸出的解吸氣是不連續的,如果對解吸氣有連續性和穩定性的要求,則應增設解吸氣緩沖罐。

5 視原料氣的組成情況,通常提純氫氣后的解吸氣熱值增高,可通過增壓返回到廠區燃料氣管網作氣體燃料,回收能量。

4.0.6 甲醇制氫系統,通常應設有下列裝置:

1 原料甲醇及脫鹽水的儲存、輸送裝置。甲醇裂解制氫的原料是甲醇和脫鹽水,甲醇儲罐是必不可少的設備。甲醇裂解反應在1.0 MPa、220~280℃下,在專用催化劑上進行,所以甲醇或脫鹽水均需通過泵輸送到反應器中;

2 甲醇裂解裝置的主要設備是甲醇轉化反應器,甲醇轉化反應在此進行。根據反應溫度的要求,外部供熱一般采用加熱導熱油為反應器提供熱量;通過增設換熱器回收 轉化器的熱量,以達到熱量的合理利用。因此,甲醇轉化制氫系統應設有甲醇轉化反應器及其輔助裝置,如加熱爐或加熱器、熱回收設備等;

3 甲醇轉化反應的轉化氣組成:H2為73%~74%,C02為23%~24.5%,CO為0~1.O%,其余為甲醇及飽和水。為獲得純氫產品應設置變壓吸附裝置,經分離可獲得99%~99.999%純度的氫氣。

4.0.7 為防止氫氣壓縮機的吸氣管道產生負壓和制氫裝置出口氫氣壓力波動,并由此引起制氫裝置不能正常運行或發生空氣滲入氫氣系統形成爆炸混合氣。為此,本條規定氫氣壓縮機前應設氫氣緩沖罐。

據調查了解,氫氣站內設有多臺氫氣壓縮機時,許多單位都是采用從同一氫氣管道吸氣,所以本條作了“數臺氫氣壓縮機可 并聯從同一氫氣管道吸氣”的規定。同時為確保安全生產,本條還規定凡數臺氫氣壓縮機經同一根吸氣管吸氣時,應裝設確保氫氣保持正壓的措施,如設氫氣壓力報 警、回流調節裝置、氫氣壓縮機的進氣管與排氣管之間設旁通管等措施。

為了使中、低壓氫氣壓縮機在開車、調節負荷時,不會發生大量氫氣排入大氣,提高運行安全度,減少氫氣排放量,節約電 能。本條規定在中、低壓氫氣壓縮機的進氣、排氣管之間,應設回流旁通管。回流旁通管上的調節閥在氫氣壓縮機正常運轉時,一般適當開啟,氫氣回流以減少氫氣 壓縮機的開停次數,有利于氫氣站的安全運行。回流旁通管上的調節閥一般采用手動、氣動、自力式等。

4.0.8 氫氣壓縮機的安全保護裝置的設置,是確保其安全、穩定、可靠運行的重要保證,也是確保氫氣站安全運行的重要條件,因此本條為強制性條文。

本條第1款的規定,是對氫氣壓縮機進行超壓保護,確保安全、可靠運行的必須具備措施之一。第2款至第5款都是氫氣壓 縮機的安全保護措施。這里特別要強調說明的是:氫氣壓縮機的進氣氫氣管應設低壓報警和超限停機裝置,由于氫氣為可燃氣體,不允許在氫氣壓縮機進口氫氣壓力 的不正常降低,若因操作不慎進口壓力降低以致吸入空氣,形成爆炸混合氣,將可能造成嚴重人身傷亡、設備損壞的事故,所以本條作為強制性條文的規定,設計時 必須遵守。第5款規定的進口、出口氫氣管路應設有置換吹掃口,這是確保初次投產或氫氣壓縮機檢修前、后的安全保護措施。

本條的第2款至第4款的安全保護裝置一般是由氫氣壓縮機制造廠配套提供。

4.0.9 本條是對氫氣站、供氫站的儲氣設施提出的要求。

1 氫氣站、供氫站一般設有一定儲量的儲氣設施,目前氫氣儲氣設施主要有兩類:一是高、中、低壓氫氣罐,氫氣罐的儲氫壓力、儲氫能力應按制氫設備(或供氫裝 置)的壓力、氫氣用戶的用氫壓力、用氫量及其負荷變化狀況等因素確定。高壓氫氣罐(壓力大于15 MPa),具有儲氫能力大、能滿足各類用戶的需求;中壓(壓力大于1.6 MPa)、低壓(壓力小于或等于1.6 MPa)氫氣罐的儲氫能力主要根據制氫或供氫壓力、用氫壓力和均衡連續供氫要求確定。二是金屬氫化物儲氫材料,它是依據金屬氫化物在不同壓力、不同溫度下 的吸氫、放氫特性儲存氫氣。目前一些科研單位正研制儲氫性能優良的儲氫材料和裝置,但由于儲氫能力尚不理想,還不能滿足實際應用的要求,但是這種儲氫方法 將是未來氫能應用中具有巨大競爭力的儲氫方法。

2 在供氫站或燃料電池汽車用加氫站中,為了滿足灌充高壓氫氣或汽車加氫的需要,一般應設置高壓(如壓力大于40MPa)氫氣罐。對這種高壓氫氣罐升壓充氫或接收外部供應的氫氣進行升壓,需設置增壓用氫氣壓縮機;這種增壓氫氣壓縮機可采用膜式壓縮機或氣動/液動增壓機。

4.0.10 本條第1款是氫氣罐的超壓保護裝置,是確保氫氣罐安全、可靠運行必須具備的基本技術措施。第2款的規定是氫氣站設計、運行的經驗教訓總結,由于氫氣比重僅 為O.069(空氣為1.O時),在使用氮氣吹掃置換時,若系統的****點或氫氣罐的****點未設放空管,則很難將系統內的氫氣吹掃置換干凈,有時甚至吹掃數 天也不能達到規定值。如某研究所的一座濕式氫氣罐,為檢修動火,打開氫氣罐放空管排放氫氣達7d,因未用氮氣吹掃置換,仍發生了氫氣罐爆炸事故,造成設備 損壞,3人死亡。為此,本條規定,在氫氣罐頂部****點必須裝設放空管。

4.0.11 各種制氫系統的氫氣中冷凝水排放過程中將不可避免地有少量氫氣同時排出.若操作不當或操作人員未及時關好冷凝水排放閥,使氫氣排入房間內或在排水管(溝) 中形成爆炸混合物,將會造成爆炸事故等嚴重后果。據調查,曾在一些工廠多次發生此類事故。如:上海某廠氫氣管道積水,在氣水分離器處向房間內直接排水,曾 在一次排放冷凝水過程中,操作人員違章離開現場,致使氫氣排入房間內,氫氣濃度達到了爆炸極限,當操作人員開燈時,發生爆炸,塌房2間,燒傷2人;另一工 廠,在排放氫氣管道積水時,用膠管接至室外,因膠管脫落,氫氣泄漏到房間內,形成了爆炸混合氣,在操作人員下班關燈時,發生爆炸,炸壞房屋,2人輕傷。鑒 于上述情況,為杜絕此類事故的發生,本條規定冷凝水應經疏水裝置或排水水封排至室外。這樣的裝置已在許多工廠使用,做到了在氫氣沒備及管道內的冷凝水排放 過程中,沒有氫氣泄漏到房間內。

水電解制氫系統中的氧氣中冷凝水排出時,與氫氣一樣也有氧氣泄漏到房間內的情況,氧氣比空氣重,又為助燃氣體,為了 確保安全生產,防止因氧氣泄漏、積存引起的著火事故的發生,氧氣設備及管道內的冷凝水排放也應經單獨設置的疏水裝置或氧氣排水水封排至室外。這里要強調的 是氫氣、氧氣中冷凝水疏水裝置或排水水封應各自設置,不得合用一個疏水裝置或排水水封,這是為了避免形成氫氣、氧氣爆炸混合氣。所以,本條規定:“應經各 自的專用疏水裝置或排水水封排至室外”。

4.0.12 按表2所列,各行業對氫氣純度和雜質含量的要求是不相同的。為了采用技術先進、經濟合理、操作管理方便、建設投資少的氫氣純化方法和裝置,應根據具體工程 原料氫氣的條件、技術參數和用氫設備對產品氫氣所需的純度和雜質含量,進行技術經濟比較后選用合適的氫氣純化系統。如:常壓型水電解制氫裝置制取的氫氣經 加壓后,可采用加熱再生或無熱再生的氫氣純化系統;壓力型水電解制氫裝置制取的氫氣,可采用自身工作氣再生或兩級氫氣純化系統。對半導體集成電路工廠為制 取高純氫氣,可采用催化吸附凈化裝置作為初級純化,而以低溫吸附或吸氣劑型純化裝置為末端氫氣純化。

4.0.13 為確保氫氣灌裝系統安全、可靠的運行,應設置相應的安全裝置,這是因為:一是氫氣為易燃、易爆和易泄漏的氣體;二是灌裝系統為高壓運行,一般氫氣灌裝壓力 大于15 MPa;三是氫氣灌裝容器均為高壓氣瓶。本條規定,氫氣灌裝系統應設有超壓泄放用安全閥、分組切斷閥、壓力顯示儀表,避免發生超壓事故和分組管理灌裝氣 瓶;應設有氫氣回流閥、吹掃放空閥;氫氣放空管接至室外安全處,正常情況下,氫氣回流利用,減少排放大氣的氫氣量,既有利安全也減少浪費,但在不正常情況 或開車、停車時,則應對系統進行放空和吹掃置換。

4.0.14 氫氣系統中的含塵量與制氫系統的設備選型、設備和管道的材質、氫氣純度等因素有關。據調查測定,未經過濾的氫氣系統中粒徑大于0.5/μm的塵粒含量達每升數千到數萬粒,因此當用戶對氫氣中的塵粒粒徑和塵粒濃度有要求時,應設置不同過濾精度的過濾器。

4.0.15 各類制氫系統在檢修、開車、停車時,都應進行吹掃置換,將系統中的殘留氫氣或空氣吹除干凈,尤要注意死角末端殘留氣,并分析系統內氫中氧的含量,達到規定 值,方可進行檢修動火、開車、停車。按現行國家標準《氫氣使用安全技術規程》規定,置換氮氣中含氧量不得超過O.5%。

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