水电解制氢装置HAZOP分析应用研究_熊亮.pdf

59水电解制氢装置 HAZOP 分析应用研究熊亮纪钦洪丁一徐庆虎于广欣崔德春（中海油研究总院有限责任公司 新能源研究院，北京 100028）摘要根据水电解制氢装置工艺特点，在装置上开展了危险与可操作性分析方法的应用研究。在HAZOP分析时，明确了分析范围和目的，划分了节点，确定了引导词，分析了风险偏差及潜在后果，并在分析现有保护措施的基础上，制定了风险管控强化措施，以期能提高装置的本质安全和运行人员对风险辨识和管控能力，确保制氢装置的安全运行。关键词水电解制氢危险与可操作性分析节点风险Application research on HAZOP of water electrolysis hydrogen production unitXIONG Liang JI Qinhong DING Yi XU Qinghu YU Guangxin CUI Dechun（New Energy Research Institute，CNOOC Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100028，China）AbstractAccording to the process characteristics of hydrogen production by water electrolysis，the application re-search of hazard and operability analysis method is carried out on the unit.In the HAZOP analysis，the scope and pur-pose of the analysis are defined，the nodes are divided，the guide words are determined，the risk deviation and potentialconsequences are analyzed，and the strengthening measures of risk management and control are formulated based onthe analysis of existing protection measures，so as to improve the intrinsic safety of the unit and the ability of operatorsto identify and control risks，and ensure the safe operation of hydrogen production unit.Key wordshydrogen production by water electrolysisHAZOPnodehazard0引言氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正脱颖而出。因具有高能量密度以及零碳排放等优点，氢能被认为是未来最有潜力的化石燃料替代者，一直被看作是以氢燃料电池汽车为代表的移动能源领域的“终极方案”。氢源以工业副产氢、煤制氢（灰氢）、天然气制氢（蓝氢）为主，但从可持续发展以及技术的进步考虑，未来将逐步过渡到可再生能源水电解制氢（绿氢）为主，也就是电解水制氢或将成为氢气生产的主流技术。水电解制氢具有环境友好、产品纯度高以及无碳排放等优点，成为最具发展潜力的“绿色”制氢方法1。由于氢气具有易燃易爆的特殊属性，氢气的生产和使用在我国仍然按照危险化学品进行管理。现有工业化水电解制氢装置的操作压力为0.83MPa，电解槽操作温度为 8090，制氢纯度高于 99.7%，制氧纯度高于 99.6%。因为水电解制氢装置特定反应条件，以及产品易燃易爆的特性，电解槽和终端氢气处理系统成为整个制氢装置系统中较为危险的两个重点控制单元。按照国家应急管理部颁布通知要求2，水电解制氢装置因其反应条件及产品氢气具有易燃易爆的特性，属于临氢装置，其生产装置和运行区域必须定期开展 HAZOP 分析。危险与可操作性研究（HAZOP）分析是工业装置设计运营中的一种结构化和系统化的安全审查方法，目的在于通过安全评估科学手段识别、分级和定性可能造成人员伤害或财产损失的风险，并制定相应安全防护措施，以实现装置设计及运行的本质安全3。本研究针对自主搭建的固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢实验装置系统展开HAZOP分析，分析装置运行过程控制偏差及后果，基于已有安全操作规程，提出安全改进增强措施，确保水电解制氢装置设计和运行的本质安全。1水电解制氢装置工艺流程水电解制氢的基本原理就是一对电极浸没在电解液中，电极间安装有防止气体渗透的隔膜，整体构成水电解槽，当一定的直流电通过电解槽时，水就发生分解，分别从阳极析出氧气，阴极析出氢气，经净化、压缩处理后成为商品气体。水电解制氢工艺装置主要由纯净水制备单元、制氢电解槽单元、电解液循环单元、氧气处理和氢气2023 年第 49 卷第 3 期March 202360处理单元五部分组成，其生产工艺流程如图 1 所示。图 1水电解制氢工艺流程2水电解制氢装置 HAZOP 分析本次 HAZOP 分析以自主设计搭建的固体聚合物电解质（SPE）水电解制氢实验装置为分析对象，其设计制氢能力为 1.0m3/h，采用低含量贵金属电解催化剂，电解膜厚度 0.25 mm，设计电解密度 1 A/cm2，电解电压小于 2.3V，水电解制氢装置终端出口氢气压力 4 MPa，氢气纯度大于 99.8%，氧气纯度大于99.7%。根据国内安全生产标准要求4-5，对水电解制氢生产工艺及装置进行HAZOP分析，以期能够识别水电解制氢装置设计中存在的问题，将安全隐患尽可能消灭在项目实施起始阶段，实现水电解制氢装置建设运营的本质安全。2.1HAZOP 分析范围和目标界定水电解制氢工艺生产氢气和氧气是相对成熟的工艺，其 HAZOP 分析范围按单元划分主要包括：纯净水制备单元、制氢电解槽单元、氢气分离单元、氧气分离单元和电解液循环单元。一般来说，HAZOP分析范围涉及主要设备有纯净水箱、综合洗涤塔、气水分离器、电解槽、冷却器、电解液罐、气体压缩机等；电气仪表及配套设备元器件主要有：直流电解电源、循环泵、电解液循环泵、补水泵、电磁阀、压力变送器、温度变送器、差压变送器、流量计、压力表、减压阀、回火防止器等。水电解制氢装置 HAZOP 分析的目标是将水电解制氢装置设计、运行程序操作和各设备使用过程的潜在危险消灭在项目实施初期，实现水电解制氢装置的本质安全，确保水电解制氢装置安全稳定运行。2.2HAZOP 分析准备及工作步骤根据HAZOP分析基本要求6，本次分析主要步骤分解如下：1）分析 SPE 水电解制氢装置的工艺特点，确定本次 HAZOP 分析范围和目的。2）成立 HAZOP 分析小组。成员由制氢装置设计人员、装置运行控制人员、制氢工艺人员、生产安全员组成，全面负责水电解制氢装置 HAZOP 分析。3）根据水电解制氢装置情况，划分分析节点，选择引导词。确定水电解制氢装置 HAZOP 分析节点，按节点主要参数值为引导词，对整个装置运行工艺状态可能出现的偏差加以分析，找出其可能导致的危害。4）进行水电解制氢装置 HAZOP分析，评估现有装置的安全措施，并作出决策，编制HAZOP分析报告。5）HAZOP分析报告提交制氢装置实验部门，进行安全措施增强、跟踪和再评估，接收反馈信息，修正分析报告，分析过程结束。2.3水电解制氢装置的 HAZOP 分析流程按照HAZOP分析方法，将水电解制氢装置划分为纯水制备、电解槽制氢、气水分离和电解液循环 4个分析节点，以分析节点的主要参数值作为引导词，进行 HAZOP 分析，具体 HAZOP 分析流程如图 2。图 2HAZOP 分析流程2.4装置单元 HAZOP 分析针对水电解制氢装置 4 个主要节点，选择引导词及参数，分析偏差及产生原因，确定编差后果，分析已经有安全措施，提出增强改进措施，形成 4个节点 HAZOP 分析记录。纯水制备单元为产品气综合洗涤塔和水电解电解槽提供除盐水，除盐水的钙镁离子浓度若超过控61制值，在电解过程中会导致电解膜结垢，从而影响系统电解效率。除盐水补充流量控制对于电解槽压和气体净化效果有重要影响，因此以钙镁离子浓度和补水流量为两个关键控制节点，进行了 HAZOP 分析，其分析记录表如表 1 所示。电解槽制氢单元是整个制氢装置的核心组件，具有间歇性特征的风电、光电等可再生电源作为电解电源时，与之配套的水电解电解槽间歇式运行会导致电解装置压力、温度、产品气和电解液流量的波动。有研究表明7，间歇式运行电解槽负荷、压力和温度等参数大偏差波动常引发电解槽失稳，会导致电解产生的氧气和氢气在电解液中混合形成爆燃气体，此类安全隐患应尽可能避免。因此，分别以电解槽压力、电解液流量、产品（氧气和氢气）气压差、电解槽温度 4 个主要引导词，分析了现有安全措施，并提出了加强安全控制的建议，其分析记录如表2所示。表 1纯水制备节点 HAZOP 分析记录（主要部分）节点引导词偏差原因后果安全措施建议措施纯水制备钙镁离子浓度高纯净水装置失效影响电解膜电压和电流效率；形成结晶沉淀堵塞电解膜定期检查纯净水制备装置；每日水质取样检测进电解槽前经一次、二次处理除杂，干残渣1 mg/L；提高水质分析频率，每 2 h 化验水质一次；电压、电流限制联锁控制电解槽停车补水流量低补水泵故障；电气控制故障；水箱电磁阀损坏电解槽压力升高；综合洗涤塔净化效果差定期巡检净水制备装置补充流量控制监测；维修与更换泵阀元件纯净水出水流量(低于 1.0 kg/h)时触发系统报警；预设应急旁路补水系统表 2电解槽制氢节点 HAZOP 分析记录（主要部分）节点 引导词 偏差原因后果安全措施建议措施电解槽制氢电解槽压力高膜结晶堵塞；电解电流超负荷；电解液循环量偏小电解反应剧烈，产品气压过高；离子膜击穿，氢氧混合爆炸；氢气与氧气压差高引发离子膜击穿纯净水、电解液定期分析检测；高电压、高电流联锁电解槽停车电解槽电流防呆措施；氢气与氧气压差监控及联锁电解槽停车电解液流量低电解液循环故障电解反应剧烈，产品气压过高；离子膜击穿，氢氧混合爆炸；氢气与氧气压差高引发离子膜击穿电解液流量控制电解液低流量报警及人员响应；电解液流量与循环泵联动控制氢气、氧气压差高电解膜损坏；气动薄膜调节阀阀芯磨损或薄膜漏孔氢气与氧气压差高，引发离子膜击穿，氢氧混合爆炸电解槽出气端压力动态监测；电解槽压力监控；定期更换气动薄膜调节阀氢气与氧气压差监控及联锁电解槽停车；设置氢气和氧气压差控制回路电解槽温度高冷却水温度偏高或水量不足；槽温自控失灵；电解液循环量不足；电解电流失稳电解反应剧烈，电解槽压力过高，装置失控爆炸增加冷却水量，降低冷却水温度；检查冷却水调节阀、电气转换器等自控仪表，排除故障；电解液流量控制；稳定电解电压和电流进槽冷却水温度不高于 35；冷却水水压不低于 0.3 MPa；电解液循环泵与电解槽温控联调联动；电解槽电流和电解槽温度动态监控报警，电解槽电流大于 500A或温度高于85，触发系统报警提示电解液为水电解制氢装置提供电解原料，其循环系统是确保电解槽运行的重要保障部分。电解液循环的流量和电解液本身温度波动反映了循环系统的控制失稳程度，一旦超出设计波动范围，会直接导致电解槽电解反应失控。因此，以电解液流量和温度作为引导词，对电解液循环单元进行了HAZOP分析，其分析记录如表 3 所示。水电解制氢电解槽两个终端产品为氢气和氧气，产品气压差反映产品处理及压缩组件的稳定情况，压差偏大会导致电解槽失稳。产品气纯度偏差主要由净化洗涤塔水位及净化效果、电解槽隔膜损坏和电解液质量波动等因素决定。因此，以电解槽出气端压力差和产品气纯度为引导词，对气水分离单元进行 HAZOP 分析，其分析记录如表 4 所示。此次共分析水电解制氢实验装置原始设计 PID图 3 套，实验室装置运行操作规程 1 份，节点 4 个，分析偏差问题共 51 项，提出安全强化措施 17 条，其中 6 条需要进行保护层分析（Layer of protectionanalysis，即 LOPA 分析8），进一步对措施和建议措施的消減能力进行半定量的评估，以解决本次HAZ-OP 分析的不足。62表 3电解液循环节点 HAZOP 分析记录（主要部分）节点引导词偏差原因后果安全措施建议措施电解液循环流量低/高电解液循环回路失控；电解槽泄漏，电解液流失电解反应失控，电解槽失稳，氢气、氧气压差偏大定期检查电解液循环回路；检查漏点，更换密封元件电解液低流量报警及人员响应；电解液流量与循环泵联动控制温度低/高电解液冷动系统失效电解反应失控，电解槽失稳，氢气、氧气压差偏大控制电解液冷却塔进水量和水温；控制电解液循环泵流量电解液冷却塔控制与电解槽温度联动；电解液温度控制与电解槽停车联锁，进槽温度高于 60，激活联锁停车表 4气水分离节点 HAZOP 分析记录（主要部分）节点引导词偏差原因后果安全措施建议措施气水分离电解槽出气端压差高氢气、氧气净化、压缩异常；电解电流异常；压力表故障氢气、氧气压差失稳，引发爆炸电解槽出气端压力动态监测；氢气氧气差超限报警；设置氢气浓度监测仪产品气端设置双压力表；氢气、氧气高压差联锁电解槽停车产品气纯度低电解液不合格；电解槽隔膜损坏；电解液循环量失稳；洗涤塔补水量和液位过高或过低气水分离效果差；净化效果不佳，产品气不合格定期分析电解液原料；定期检查电解槽；调节电解液循环流量在最佳数值；控制洗涤塔时水量和液位位置调节洗涤塔进水量、液位等参数，与纯净水补充泵开成联动；及时更换损坏电解槽隔膜本次分析最终形成 水电解制氢装置HAZOP分析报告，提出的建议措施提交水电解制氢装置运行和管理部门，将在水电解制氢装置运行过程中根据实际情况对所提措施建议进行评估，从而确定是否采纳和改进。3总结和思考1）通过对水电解制氢装置HAZOP分析，进一步识别了水电解制氢装置的工艺风险及其后果，并提出了装置潜在风险安全预防和现有安全措施的强化补救措施及建议，对于提高装置设计、运行本质安全有一定参考意义。2）就水电解制氢装置而言，电解槽压力、温度控制，氢气、氧气压差和电解液循环是工艺安全控制关键点，安全管控失效会产生严重后果。因此，在HAZ-OP 基础上，应进一步进行 LOPA 分析，建全安全管理措施，以实现水电解制氢装置安全稳定运行的目的。3）水电解装置 HAZOP 分析质量依赖于分析小组成员的专业技术知识、安全管理经验和合作程度。因此，在组建分析小组是应该充分考虑人员对装置工艺特点掌握的熟练程度，安全管理水平，才能够高效识别出装置设计和操作过程中的风险点、偏差，准备分析偏差后果，从而制定有效预防补救措施。参考文献1 张萍俊，孙树成，俞红梅，等.不同材料作为阳极扩散层对质子交换膜水电解池性能的影响 J.可再生能源，2019，37（10）：1429-1433.2 危险化学品安全监督管理司.化工园区安全风险排查治理导则（试行）和 危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则（应急 2019 78 号）Z.北京：中华人民共和国应急管理部，2019.3 中国化学品安全协会.危险与可操作性分析（HAZOP）基础及应用 M.北京：中国石化出版社，2012.4国家安全生产监督管理局.危险与可操作性分析（HAZ-OP 分析）应用导则：AQ/T 30492013 S.北京：国家安全生产监督管理总局，2013.5 国家安全生产监督管理局.化工建设项目安全设计管理导则：AQ/T30332010 S.北京：国家安全生产监督管理总局，2010.6 中国化学品安全协会.危险与可操作性分析（HAZOP）应用指南 M.北京：中国石化出版社，2012：10-22.7邓智宏，江岳文.考虑制氢效率特性的风氢系统容量优化 J.可再生能源，2020，38（2）：256-266.8 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.保护层分析（LOPA）应用指南：GB/T 328572016 S.北京：中国机械工业联合会，2016.作者简介熊亮（1975），硕士，高级工程师，主要从事石油化工、新能源和化工安全等领域技术研究。E-mail：。（收稿日期：2022-03-07）