氢气气柜的安全设计

郝立伟，于 军，马 爽

（1.蓝星（北京）化工机械有限公司，北京100176；2.沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司，辽宁 沈阳110136）

目前随着氢能发电、氢动力汽车、氢能电池等技术的发展，氢能资源的开发利用已成趋势，可实现对氢的整合、再利用。但在众多离子膜烧碱企业中，为保证氢气系统的稳定、可靠、安全，多数氯碱企业在氢压机后设置放空管线，以保证整个生产过程的平稳，这样就造成了资源的极大浪费。

对于下游有多个用氢装置的企业，氢气放空反而不能保证整个装置的平稳运行，甚至会出现氢气供应不足的情况。对于烧碱企业，设置氢气气柜既能保证装置的平稳运行，又可在一定时间内保证氢气的储存，实现资源利用的最大化。

本文从氢气气柜的液位监测、压力控制、放空管设置、防冻措施、DCS及SIS系统联锁等几方面着手研究，保证了气柜的安全、稳定运行。

考虑到氢气气柜气相、液相均需要检测，故氢气气柜配备了多项监测仪表，某企业设计的氢气气柜工艺流程示意图见图1。

图1 氢气气柜工艺流程图

1 气柜的液位监测

（1）气柜储气容积（液位）监测。在氢气气柜钟罩顶部设置4台液位计，为保证监测数据准确无误，4台液位计均具备远传、联锁功能，在气柜顶部均匀布置在四角；远传液位计为2种不同测量方式的液位计，1台差压液位计，3台雷达液位计。其中1台雷达液位计进入DCS系统，2台雷达液位计和1台差压液位计（两种不同类型）进入SIS系统，3选2保证安全性，此回路的SIL等级为SIL1。液位计同时与气柜后的氢压机和气柜前的放空阀联锁，保证气柜不会抽瘪和超压。气柜液位下限报警时，降低氢压机功率或停机；液位超压报警时开启放空阀门，降低气柜的储气量。

（2）对于水槽液位采取了3种液位监控措施，分别为长流水设计、液位开关报警和现场浮漂液位计。补水口管线长期不间断向水槽内补水，溢出水从两个溢流口流出（溢流口低于水槽平台300 mm），以保证气柜水槽始终维持一个稳定的液位。比溢流口低200 mm设置液位开关，信号远传至控制室，当补水出现故障，液位不足时报警启动，通知工作人员。低于水槽平台300 mm处设置1台现场浮漂液位计，方便巡检人员观察水槽液位。

2 气柜的压力控制

气柜进口管线设置2台压力检测仪表，出口管线设置1台压力检测仪表，3台压力仪表均与氢压机和放空阀联锁，超压报警或启动联锁放空阀，低压报警或停氢压机。在SIS系统中设置压力高报警，设置3选2压力高高（低低）联锁，此SIF的SIL等级为SIL1。

由于采用的湿式气柜，气柜进、出气管线难免夹带液滴，故在进出口管顶部、底部增加压差计，并设置压差高报警，达到报警上限时人员积极响应，排净管内积水，防止凝结水过多导致管线堵塞。排放管路设置2个手动阀，阀门中间安装疏水阀，既能迅速排除夹带水，又能防止氢气外泄。

3 放空管设置

气柜钟罩顶部设置1根手动放空管（DN150），用于气柜高位和氮气置换的放空。管路上设置双手阀，放空管顶部设置管道放空阻火器，阻火器后管线材质为不锈钢，防止因普通钢管生绣后放空着火现象出现。钟罩顶部设置4根被动放空管，放空管在钟罩顶部四角均布，插入钟罩内，距离钟罩底部200 mm。当钟罩升高，底部距离水面200 mm时，气体从放空管自动排除，防止气柜继续上升导致氢气外泄甚至拱顶。

4 气柜防冻设计

为防止气柜内水结冰影响钟罩的升降，冬季寒冷地区的企业应对气柜采取防冻措施。水槽上设置温度检测仪表，远传至控制室，实时显示水槽内水的温度，并设置低温报警。对室外温度低于-5℃的寒冷地区，钢水槽的水可采用蒸汽加热保温；对室外温度低于-20℃的寒冷地区，钢水槽的水可采用蒸汽加热防冻措施或采用蒸汽加热和钢水槽外设置保温墙的组合措施[1]。同时溢流、放净管线也要采取伴热措施，防止冬季发生冻堵情况，运行时，需实时监测水槽温度仪表的变化，根据气温变化调整蒸汽用量。

5 DCS和SIS控制系统的综合利用

本装置同时设置DCS系统和SIS系统2种自动化控制系统，将液位、压力等数据远传至DCS控制室实时监控；为保证整个装置的安全性，将进气柜前的液位、压力仪表接入SIS系统，此SIF的SIL等级为SIL1。因为SIS系统的安全等级高于DCS的自动化控制系统，当自动化生产系统出现异常时，SIS会进行干预，降低事故发生的可能性。目前大多数烧碱企业均引入了SIS系统，建议将几个关键检测点引入，以保证装置的绝对安全。

6 气柜的合理布局

氢气气柜应根据石油化工企业及其相邻工厂或设施的特点和火灾危险性，结合地形、风向等条件，合理布置[2]。同时应考虑气柜上下游装置的距离，由于气柜工作压力低（4 000 Pa），过远的距离势必会增大管道的阻力降，影响氢气的输送能力。

7 其他安全措施

（1）充氮保护。在氢气进、出口管设置充氮口，用于开停车时的空气置换，保证气柜内氢气的纯度，防止氢气含量达到爆炸极限。

（2）安全罩帽的设置。在气柜顶部设置安全罩帽（与氢气出口管同心），当气柜完全落下时，罩帽插底管进入水面以下，此时气柜出口管完全与气相隔离，防止气柜被抽瘪。当气柜充氮时，气柜上升，打开安全罩帽手动阀，氮气将罩帽内的气体完全置换，不留死角，保证安全。

（3）岗位巡检制度。定期对气柜进行升降实验，防止气柜导轨卡死；按时对气柜的各项关键部件展开巡检，将安全隐患消灭在萌芽状态。

8 结语

氢气本身具有易燃、易爆的特性，氢气气柜的设计更有其复杂性。建议利用现有的技术优势，从工艺、自动化等角度弥补氢气气柜的不足；同时加强安全教育，完善管理制度，从根本上杜绝安全事故的发生。