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摘要：本文以风光氢储一体化项目的制氢站为研究对象，深入分析了制氢站的电气防爆设计要点。本文介绍了风光氢储系统的组成和工作原理，然后详细分析了制氢站的爆炸危险区域划分，以及电气设备、仪表和控制器的选型、设置及功能要求。讨论了报警装置、紧急切断和泄放装置的设计原则，以及防雷、接地系统的布置与要求。总结指出本文提出的电气防爆设计要点能够为我国氢能产业的发展提供安全保障和技术支持，具有重要的理论和实践意义。

关键词：风光氢储；防爆电气设计；制氢站；爆炸危险区域；仪表和控制器

Abstract： This article takes the hydrogen production station of the integrated wind solar hydrogen storage project as the research object， and deeply analyzes the electrical explosion-proof design points of the hydrogen production station. This article introduces the composition and working principle of wind solar hydrogen storage systems， and then analyzes in detail the division of explosion hazardous areas in hydrogen production stations， as well as the selection， setting， and functional requirements of electrical equipment， instruments， and controllers. The summary points out that the electrical explosion-proof design points proposed in this article can provide safety guarantees and technical support for the development of China's hydrogen energy industry， and have important theoretical and practical significance.

Key words：wind and solar hydrogen storage; explosion proof electrical design; hydrogen generator station; explosion hazard area; instruments and controllers

0 引言

氢能是一种绿色低碳、来源丰富的二次能源，国家能源局、国家发改委印发了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，国家将大力发展氢能。风光氢储一体化项目是氢能大规模、产业化发展的理想选择。

制氢站是“风光氢储”一体化项目的组成部分，是进行氢气有效储存的中心位置，由于氢气的物理性质和化学性质都很活泼，极易与外界环境发生反应而引起爆炸，一旦引起爆炸势必会引发火灾，为“风光氢储”一体化项目的日常生产生活带来不可估量的经济损失。因此，对“风光氢储”一体化项目制氢站的电气防爆设计要点的分析和研究是非常重要的，能够进一步有效地推动我国电力能源生产体系的稳定发展，为氢能产业发展奠定安全基础。

1 风光氢储系统

典型的风光互补发电制氢、储氢和利用综合应用系统主要包括风力发电系统、光伏发电系统、逆变器、变流器、控制器以及制氢单元。风能光伏发电联合式水电解制氢系统如图1所示。光伏发电装置和风力发电装置分别利用太阳能和风能发电，作为系统的能量输入单元。逆变器可以完成系统中交流电和直流电的转换，确保系统内各种设备单元之间的能量传递平衡。电解槽用于电解水以产生氢气，将电能转化为氢能和氧气，所得氢气和氧气集中储存在储罐中。随后，可以给个用户使用或压缩充装。

2 电解水制氢系统

水电解制氢系统可分为常压型和压力型，其主体设备为水电解槽。电解池由电极、隔膜和电解质溶液等构成。水电解制氢系统结构由制氢装置的工作压力、氢（氧）气的用途、气体纯度及其允许杂质含量等因素确定。水电解制氢系统见图2。

3 制氢站爆炸危险区域划分

电气防爆设计与防爆分区的选取密切相关，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058的规定[1]，把危险场所分为0区、1区和2区，其中：

（1）0区指的是持续存在、频繁发生或长期出现爆炸性气体混合物环境的场所;

（2）1区指的是在正常运行工作时可能偶尔产生爆炸性气体混合物环境的场所;

（3）2区指的是在正常运行工作时不太可能出现爆炸性气体混合物环境或即便出现，也仅是短暂存在的场所。[1][2][3]

制氢站主要包括制氢间、氢气纯化间、氢气压缩机间、辅助设备间、氢气放空管等设备设施。制氢站爆炸危险区域按照图2划分为：制氢设备及纯化间等爆炸危险房间为1区；爆炸危险区域1区边缘半径4.5m的地面及周围空间、7.5m的顶部空间的区域为2区。图2中1为水电解制氢设备及纯化间；2为辅助设备间；3为氢气放空管管口；4为门。

4 发电厂制氢站防爆电气设计要点

4.1电气设备及供配电系统设计要点

制氢站的电气设备的选型需根据氢气的特性以及国家标准进行确定，设备的级别应为ⅡC[4]，具体选型如表所示。

在有爆炸危险环境区域内敷设的电缆和导线，应符合电力工程电缆设计标准的要求。敷设电缆或导线用的保护钢管，应在电缆和电气设备接头部位做隔离密封。

制氢站应按供配电系统设计有关规定要求，负荷分级宜定为三级负荷，仪表和控制系统应设置不间断供电电源。

水电解制系统的外供电系统的电压等级宜为10kV、380V。每台水电解槽应独立配置直流电源，应具备调压、稳流和过流保护装置。

制氢站应设置应急照明，连续供电时间不应少于90min。

制氢站入口门锁应使用碰撞时不产生火花的锁；入口处应装设人体静电释放装置。

制氢站应通风良好，及时排除可燃气体。制氢站应设气窗或通风口，自然通风换气次数不得少于3次每小时，事故通风换气次数不得少于7次每小时，应选用防爆型风机。

制氢室的内照明灯具、开关、接线盒均应满足防爆级别。

4.2仪表和控制器设计要点

制氢系统的仪表和控制器应对主要工艺参数进行监控，故障时及时报警并安全停车。

仪表和控制系统宜应具备下列报警和联锁功能：系统压力高；氧压力高；水电解槽温度高；直流过电流；电源故障；紧急断电按钮动作；普氧中氢含量高；空气中氢含量高；机械通风系统故障；仪表气源故障；冷却水故障；电力供应故障。

仪表的精度等级和量程应满足使用要求，并应有产品合格证和检定日期，经校核合格铅封后方可安装，其安装位置应便于作业人员观察和检修。

应定期校核仪表和控制器，以确保其工作正常。

4.3报警装置设计要点

制氢站应设氢气探测器。氢气探测器的报警信号应接入厂火灾自动报警系统。当检测到氢系统超压、泄漏、氢火焰等异常情况或部件故障时，报警装置应提供声光报警装置，并且应符合防爆电气要求。气泄漏检测报警信号应送控制室，控制室有24小时有人值守。运行期间应定期对气系统进行泄漏检测，间隔不得超过3个月。应至少每月进行一次报警装置测试，每年进行一次报警装置检定。

4.4紧急切断和泄放装置设计要点

制氢站宜设置整站自动控制系统及带记录功能的视频监控系统。

制氢站应设置安全运行联锁紧急切断系统，该系统应在事故状态下迅速切断水电解制氢系统的电源，并关闭站内氢气传输管道的阀门。紧急切断系统应具有失效保护功能。

制氢站电源的切断宜通过高压开关和断路保护器实现，高压开关安装在高压开关柜内，断路保护器宜安装在配电柜内；管道的紧急切断宜通过紧急切断阀实现，紧急切断阀通过控制柜内的PLC控制系统实现。

紧急切断系统应在以下位置设置开关：人员便于操作的位置、控制室、值班室等。

紧急切断系统应只能手动复位。

制氢站内氢气工艺设施应单独设置放空管，不同压力等级的放空管不应直接连通，应分别引至放空总管。

关闭阀、切断阀如采用电动阀门安装在爆炸危险区域，则应选用防爆电气设备。

4.5防雷系统设计要点

为防止制氢站受到雷电的击打，需要对其进行防雷措施的设计。首先，要根据发电厂以及制氢站的建筑高度来进行避雷针高度的计算和设置。需要注意的是由于避雷系统的复杂性和重要性，在进行该装置的设置时，要注意以下几点：第一，若对相关电力设备设施房进行单独避雷针或接地装置的使用，需要将设置的位置进行有效的控制。第二，需要注意的是避雷装置与地下管网的连接距离不应小于3m。第三，避雷针要放置在自然通风口处，且与通风口的位置保持在一定距离内。对于本文所涉及的项目来说，在制氢站外墙进行了避雷针的设置，且在安全范围内。第四，避雷针与自然通风口的水平距离不应少于1.5m，与强迫通风口的距离不应少于3.0m；与放空管口的距离不应少于5.0m。避雷针的保护范围应高出放空管口1.0m以上。[3][5]

4.6 接地系统设计要点

接地系统是由工作接地、保护接地、雷电保护接地以及防静电接地等多种形式组成，能够对建筑物和电气设备进行安全保护，并将建筑物所接收到的电流进行传输，与接地装置共同作用下进行电流的有效导入。在进行接地系统的设计时，需要将接电线的水平距离与建筑外墙的距离进行有效的控制。接地系统应遵循以下设计原则：

第一，要严格按照水平接地体与建筑外墙的距离控制在1.5～2m范围之内。

第二，在进行接地装置线路铺设过程中，要将线路保持在水平线内，且距离地面的有效距离控制在一定范围内，如果不沿外墙水平方向进行铺设，便需要将接地线与房屋的外墙距离控制在规定的数据范围内。

第三，在室内外进行接地装置设计和线路铺设前，要确定接地体之间的焊接点。第四，垂直方向的接地极设计的间距要参考总体长度来进行设计，对于水平接地极的间距来说，只需将间距控制在5m以上即可。

第四，接地设备如果要与防雷装置设计在一起，需要注意的是将单项避雷针和单项接地系统相连接。接地设备的电阻数值较时，或者单项接地设备与接地总系统间距无法达到相关规范时，可以将其他设备与主设备相连接，而此时便可以将避雷针与接地系统的引线相连接，从而形成接地网系统。

5 结论

本文对风光氢储一体化项目制氢站电气防爆设计进行研究，论述了其防爆电气设计要点。随着我国不断提升氢能产业竞争力和创新力，本文对风力发、光伏发电转化为氢能的一体化项目建设具有借鉴作用，在项目前期分析电气防爆设计要点，在项目的安全设施设计专篇中进行设计运营，真正做到本质安全。本文提出的电气防爆设计要点能够为我国氢能产业的发展提供安全保障和技术支持，具有重要的理论和实践意义。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范：GB50058—2014［S］．北京：中国标准出版社，2014：10．

[2]张怡，范勇刚，王金成.燃机电厂防爆危险区域探讨[J].电气防爆，2022（02）：32-36.DOI：10.14023/j.cnki.dqfb.2022.02.008.

[3]蒋航，孙磊，刘育.浅谈发电厂内制氢站电气防爆设计[J].四川水力发电，2019，38（02）：116-119+125+140.

[4]刘哲.制氢站防爆电气设计要点[J].电气时代，2019（01）：70-72.

[5]陆建莺，牛丽.发电厂制氢站电气设计探讨[J].电力勘测设计，2010（01）：35-38.

[6]国家安全生产监督管理总局．危险场所电气防爆安全规范：AQ3009—2007［S］．北京：中国标准出版社，2008：1．

[7]国家能源局．石油设施电气设备场所Ⅰ级0区1区和2区的分类推荐作法：SY/T6671—2017［S］．北京：石油工业出版社，2018：2．