نصائح لتخزين الهيدروجين بأمان في استخدام المولدات الصناعية للهيدروجين

فهم المخاطر المرتبطة بالهيدروجين الخاصة باستخدام المولدات في الموقع

مخاطر الاشتعال واشتعال الهيدروجين في البيئات المغلقة للمولدات

حقيقة أن الهيدروجين يحتاج فقط إلى 0.02 مللي جول للاشتعال، ويشتعل في أي مكان بين تركيز 4٪ و75٪ في الهواء، تجعله خطيرًا بحق في المناطق المغلقة التي تحتوي على المولدات. حتى الشرارة الصغيرة الناتجة عن المعدات الكهربائية أو الكهرباء الساكنة قد تتسبب في حريق، خاصةً وأن لهب الهيدروجين يكون شبه غير مرئي حتى يفوت الأوان. يصعد الهيدروجين لأعلى بسرعة تبلغ حوالي 14 مرة أسرع من الهواء العادي، وبالتالي يميل إلى التجمع مباشرة أسفل الأسقف وفي المناطق المحيطة بمنافذ خروج المولدات. إذا لم تكن هناك نظام تهوية مناسب، يمكن أن تصل هذه الجيوب من الهيدروجين إلى مستويات خطرة تزيد عن 4٪ خلال بضع دقائق فقط. وفقًا لإرشادات NFPA 2، يجب أن تتوفر في غرف المولدات عملية تبديل هواء كاملة على الأقل كل ساعة. تُظهر الدراسات أنه عندما توضع فتحات العادم في مستوى السقف أولًا، بدلاً من وضعها على الجدران كما هو الحال في معظم الترتيبات، فإن ذلك يقلل من خطر التراكم الخطر للهيدروجين بنسبة تقارب 92٪. وهذا أمر منطقي عند التفكير في الطريقة التي يميل بها الهيدروجين بشكل طبيعي إلى الصعود.

تأثيرات هشاشة الهيدروجين على أنابيب وصمامات المولدات المتكاملة

عندما تظل أجزاء من الصلب الكربوني في أنظمة تغذية المولدات لفترة طويلة في بيئات هيدروجينية عالية الضغط، فإنها تعاني مما يُعرف بالت embrittال الهيدروجيني (HEE). وتحدث المشكلة عندما يتسلل الهيدروجين الذري إلى هيكل الشبكة المعدنية، ما يجعل المواد تفقد قدرتها على الانحناء قبل الكسر. نحن نتحدث عن انخفاض كبير في القابلية للتشوه قد يصل أحيانًا إلى 60%، ما يعني أن المكونات قد تتصدع بشكل مفاجئ حتى عند العمل بأقل من نصف حدود ضغطها العادية. والأثر المالي ليس تافهًا أيضًا. وفقًا لأحدث الأبحاث الصادرة عن معهد بونيمون، تتكبد الشركات عادةً تكاليف تبلغ حوالي 740,000 دولار أمريكي كلما حدثت هذه الحوادث الناتجة عن الت embrittال. ولهذا السبب فإن اختيار المواد المناسبة أمر بالغ الأهمية. ويتميز الفولاذ الأوستنيتي من الدرجة 316L بأنه مقاوم للت embrittال بنحو خمس مرات أكثر من الصلب الكربوني العادي في أنظمة مولدات الهيدروجين. كما أن المواصفات القياسية الصناعية مثل NFPA 2 وISO 19880-8:2020 ليست مجرد اقتراحات. فهي تنص بشكل صريح على ضرورة إجراء اختبارات التوافق لأي مكون يتعرض للهيدروجين، لضمان عدم تهاون المصنعين في هذه المسألة الحرجة المتعلقة بالسلامة.

تتضاعف هذه المخاطر عندما تعمل المولدات بالقرب من خزانات التخزين، مما يتطلب بروتوكولات سلامة متكاملة تعالج كلًا من مخاطر الحريق الفورية والفشل التدريجي للمواد.

أطر الامتثال لتخزين مولدات الهيدروجين

متطلبات NFPA 2 وISO 19880 للإنتاج الموقعي والتخزين المتكامل

تحدد معيار NFPA 2 إلى جانب ISO 19880 القواعد الأساسية للسلامة في أنظمة توليد الهيدروجين التي تتضمن مكونات التخزين. وتصر هذه المبادئ التوجيهية على التحقق مما إذا كانت المواد المستخدمة في الصمامات والأنابيب وأوعية الضغط قادرة على تحمل التعرض للغاز الهيدروجيني، وهو ما يعالج مشكلة هشاشة المعادن التي ظهرت في حالات فشل صناعية سابقة. وتشترط المعايير توفر آليات احتياطية لإطلاق الضغط، والتباعد المناسب بين مناطق التخزين والنقط المحتملة للاشتعال، إضافة إلى أنظمة مراقبة تهوية موثوقة تُفعَّل عند الحاجة. ووفقاً لـ NFPA 2، يجب أن تتم تبادل كامل للهواء في غرف المولدات مرة واحدة على الأقل كل ساعة. وفي الوقت نفسه، يذهب الإصدار ISO 19880-8:2020 إلى أبعد من ذلك من خلال اشتراط كواشف تسرب آلية تكون حساسة بدرجة كافية لاكتشاف مستويات الهيدروجين أقل من 1%، وهي نسبة آمنة دون المستوى الذي قد يتسبب في مشكلات اشتعال. وللحفاظ على الامتثال، يجب على المرافق الحصول على شهادة خبراء مستقلين لمخازن التخزين كل خمس سنوات. كما ينبغي توثيق بروتوكولات الإغلاق الطارئة بشكل واضح، مع دعمها بقياسات منتظمة للضغط واختبارات سلامة تُظهر استمرار فعالية ضوابط السلامة حتى خارج ظروف التشغيل العادية.

مواءمة معايير OSHA والأنظمة المحلية لمرافق مولدات الهيدروجين

يتطلب إعداد مولدات الهيدروجين التعامل مع شبكة معقدة من اللوائح الصادرة عن مستويات مختلفة من الحكومة. تقع المنشآت التي تتعامل مع أكثر من 1500 رطلاً من الهيدروجين تحت قواعد إدارة السلامة في العمليات الخاصة بـ OSHA والموجودة في 29 CFR 1910.103. وهذا يعني إجراء تقييمات مناسبة للمخاطر، والحفاظ على سلامة المعدات، وضمان كفاءة الموظفين في أعمالهم. ويجب أن تعمل جميع هذه التدابير الأمنية بالتوازي مع متطلبات الفصل 53 من كود الإطفاء الدولي. حيث يغطي هذا الكود جوانب مثل الأنظمة الكهربائية التي لا تشعل الحرائق، والحفاظ على مسافات معينة بين الخزانات وحدود العقارات. تتبع معظم المدن إرشادات NFPA 55 عند تحديد حدود كميات الهيدروجين القابلة للتخزين وفقًا لنوع المبنى. وتفرض بعض المناطق قواعد إضافية تتعلق بالزلازل أو القضايا البيئية، وهي أمور مهمة خاصة بالنسبة للخزانات الموضوعة في الخارج. وتساعد الفحوصات الدورية كل ثلاثة أشهر في ضمان الامتثال المستمر لجميع هذه المعايير، مع التركيز بشكل خاص على أنظمة الاحتواء الاحتياطية، والاحتفاظ بسجلات لأداء أنظمة تهوية الهواء فعليًا في الممارسة العملية.

اختيار حلول آمنة لتخزين الهيدروجين وملائمة لمولدات الكهرباء

خزانات النوع الثالث والرابع: الأداء، هامش السلامة، والتكامل مع مساحة مولدات الهيدروجين

في السوق اليوم، أصبحت أوعية الضغط من النوع الثالث (التي تكون مغلفة بألياف الكربون حول بطانات الألومنيوم) وأوعية النوع الرابع (ألياف الكربون فوق البوليمر الحراري) هي الحلول المفضلة لتخزين الهيدروجين بجانب الموقع الذي يُنتج فيه. عادةً ما تتعامل نماذج النوع الثالث مع ضغوط تتراوح بين 300 و700 بار، وتتميز بقدرتها العالية على تحمل الصدمات والاهتزازات المستمرة الموجودة في العديد من البيئات الصناعية. أما خزانات النوع الرابع فتتجاوز سعة 700 بار تمامًا، مما يلغي تمامًا خطر التهشّم لأن بطانتها ليست معدنية على الإطلاق. وهذه الخزانات مناسبة عند الربط المباشر بنظم تغذية مولدات الهيدروجين. ويأتي كلا النوعين مزودَين بجهاز تخفيف الضغط الحراري الخاص المسمى TPRD. وعند ارتفاع درجة الحرارة بسبب الحرائق، تقوم هذه الأجهزة تلقائيًا بإطلاق غاز الهيدروجين. وهي في الواقع ميزة أمان بالغة الأهمية، خاصة داخل غرف المولدات الضيقة التي قد تكون فيها الانفجارات كارثية.

يساعد تركيب المعدات أفقيًا في تجنب التداخل مع منصات المولدات، كما أن ترتيب الوحدات بشكل متراص يجعل من السهل توسيع السعة عند الحاجة. وعندما تصل درجات الحرارة المحيطة إلى حوالي 55 درجة مئوية، فإن خزانات التخزين من النوع الرابع تتمتع بحواف سلامة أفضل بنسبة 30 بالمئة تقريبًا مقارنة بالخزانات الفولاذية العادية، وفقًا للدراسات التي نُشرت في مجلة تخزين الطاقة العام الماضي. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الخزانات أقل عرضة للتسرب بنسبة 19 بالمئة تقريبًا في ظل ظروف مماثلة. ومع ذلك، يمكن للمواقع التي تعاني من ضيق المساحة الاستفادة من أنظمة التخزين تحت الأرض من النوع الثالث. حيث تناسب هذه التركيبات البنية التحتية الحالية دون التأثير على نقاط الوصول للصيانة الخاصة بالمولدات أو حجب مسارات تدفق الهواء الضرورية لتهوية مناسبة.

ضوابط هندسية: التهوية وكشف التسرب لمواقع مولدات الهيدروجين

تصميم التهوية من السقف أولاً للحد من طبقات الهيدروجين بالقرب من المولدات

لأن الهيدروجين يطفو بسهولة في الهواء، فإن التهوية المناسبة تصبح ضرورية للغاية لاحتواء أي غاز يخرج قبل أن يتراكم إلى مستويات خطيرة. الأنظمة المثبتة على مستوى السقف تعمل بشكل أفضل لأنها تخلق نمطًا لتدفق الهواء صعوداً يلتقط الهيدروجين حيث يميل بشكل طبيعي إلى التجمع. هذه الإعدادات عادةً ما تُدير حوالي 12 إلى 15 تبادلًا كاملًا للهواء كل ساعة، مما يبقي تركيزات الهيدروجين أقل بكثير من علامة 4٪ حيث تصبح الأشياء قابلة للاشتعال. في الوقت نفسه، تساعد فتحات التهوية الموضعة بالقرب من الأرضية على الحفاظ على تدفق الهواء بسلاسة عبر المساحة بأكملها، مما يمنع تلك النقاط الميتة التي قد يتجمع فيها الغاز بعد حدوث تسرب. ووفقاً لنماذج الكمبيوتر التي تحاكي أنماط تدفق الهواء، فإن هذا الترتيب يقلل من مخاطر طبقات النبات بنسبة 92% تقريباً في غرف المولدات التي تقل عن 500 متر مكعب. وهذا يجعل هذه الأنظمة التي تركز على السقف أفضل بكثير في إدارة السلامة مقارنةً بالبدائل القديمة المثبتة على الجدار التي لا تتعامل مع خصائص الهيدروجين الفريدة بشكل فعال.

دليل اختيار المستشعرات: مستشعرات الامتصاص الليزري مقابل المستشعرات الكهروكيميائية لمراقبة مولد الهيدروجين في الوقت الفعلي

يتطلب الكشف الفعّال عن التسرب مطابقة تقنية المستشعر مع مستوى المخاطر في التطبيق والنطاق المكاني:

توفر أجهزة استشعار امتصاص الليزر مراقبة في الوقت الفعلي عبر مناطق بأكملها من خلال تلك الحزم المفتوحة المسار. وتعمل هذه الأجهزة بشكل جيد للغاية داخل غلاف المولدات الكبيرة حيث تنتشر الغازات بسرعة وتحتاج إلى تحذيرات كشف مبكرة. من ناحية أخرى، تعد أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية ممتازة للتركيز على نقاط مشكلة محددة مثل الشفاه أو قضبان الصمامات، رغم أنها تتطلب فحصًا واستبدالًا أكثر تكرارًا مقارنةً بنظيراتها الليزرية. تعتمد معظم المرافق حاليًا ما نسميه استراتيجية طبقات. يتم تركيب أجهزة الاستشعار الليزرية بالقرب من السقف لرصد أي حركة كتلية للغازات، ثم تجميع وحدات كهروكيميائية عند نقاط الاتصال حيث تحدث التسريبات عادةً. وعادةً ما يُمكن لهذا الإعداد اكتشاف نحو 99.6 بالمئة من التسريبات قبل أن تصل المستويات حتى إلى 10% من الحد الأدنى لقابلية الاشتعال. ويستوفي النظام جميع المتطلبات الواردة في معايير NFPA 2 وكذلك أحدث إرشادات ISO 19880-8:2020 المتعلقة بأداء السلامة.