เคล็ดลับการจัดเก็บไฮโดรเจนอย่างปลอดภัยสำหรับการใช้งานในเครื่องผลิตไฮโดรเจนอุตสาหกรรม

การเข้าใจอันตรายจากไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับการใช้งานเครื่องผลิตในสถานที่จริง

ความเสี่ยงจากความสามารถในการลุกไหม้และการจุดระเบิดในสภาพแวดล้อมที่จำกัดของเครื่องผลิต

ข้อเท็จจริงที่ว่าไฮโดรเจนต้องการเพียง 0.02 มิลลิจูล (mJ) เพื่อจุดติดไฟ และสามารถลุกไหม้ได้ในช่วงความเข้มข้นระหว่าง 4% ถึง 75% ในอากาศ ทำให้มันอันตรายอย่างยิ่งในพื้นที่ปิดที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แม้แต่ประกายไฟเล็กๆ จากอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือไฟฟ้าสถิตก็อาจทำให้เกิดเพลิงไหม้ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะเปลวไฟของไฮโดรเจนแทบมองไม่เห็นจนกว่าจะสายเกินไป ไฮโดรเจนมีการเคลื่อนที่ขึ้นด้านบนเร็วกว่าอากาศปกติประมาณ 14 เท่า ทำให้มันมีแนวโน้มสะสมอยู่ใต้เพดานและบริเวณที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าระบายออก หากไม่มีระบบระบายอากาศที่เหมาะสม ปริมาณไฮโดรเจนที่สะสมอยู่อาจสูงถึงระดับอันตรายเกิน 4% ได้ภายในไม่กี่นาที ตามแนวทางของ NFPA 2 ห้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนถ่ายอากาศเต็มรูปแบบอย่างน้อยหนึ่งครั้งต่อชั่วโมง การศึกษาแสดงให้เห็นว่า เมื่อติดตั้งช่องระบายอากาศที่ระดับเพดานก่อน แทนที่จะติดตั้งที่ผนังเหมือนระบบทั่วไป จะช่วยลดความเสี่ยงจากการสะสมตัวของก๊าซในชั้นต่างๆ ลงได้ประมาณ 92% ซึ่งก็สมเหตุสมผลเมื่อพิจารณาจากธรรมชาติของไฮโดรเจนที่มีแนวโน้มจะลอยตัวขึ้นด้านบน

ผลกระทบจากการเปราะตัวด้วยไฮโดรเจนต่อท่อน้ำและวาล์วที่รวมอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เมื่อชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนในระบบป้อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกทิ้งไว้นานเกินไปในสภาพแวดล้อมไฮโดรเจนความดันสูง จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การเปราะตัวจากสภาวะแวดล้อมไฮโดรเจน (HEE) ปัญหานี้เกิดขึ้นเมื่อไฮโดรเจนในรูปอะตอมแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างผลึกของโลหะ ทำให้วัสดุสูญเสียความสามารถในการยืดหยุ่นก่อนแตก กล่าวคือ ความเหนียวจะลดลงอย่างมาก บางครั้งลดลงได้ถึง 60% ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนอาจแตกร้าวได้อย่างไม่คาดคิด แม้จะทำงานที่ความดันต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของขีดจำกัดปกติ ผลกระทบทางการเงินก็ไม่ใช่เรื่องเล็กเช่นกัน จากการวิจัยล่าสุดของสถาบัน Ponemon บริษัทต่างๆ มักต้องเผชิญกับค่าใช้จ่ายประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐทุกครั้งที่เกิดเหตุการณ์การเปราะตัวนี้ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการเลือกวัสดุที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เหล็กสเตนเลสแบบออกเทนไนติกเกรด 316L โดดเด่นในด้านนี้ โดยมีความต้านทานต่อการเปราะตัวได้ดีกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปประมาณห้าเท่า ในระบบที่ใช้กับเครื่องกำเนิดไฮโดรเจน นอกจากนี้ มาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น NFPA 2 และ ISO 19880-8:2020 ก็ไม่ใช่เพียงคำแนะนำเท่านั้น แต่มีข้อกำหนดเฉพาะให้ต้องทำการทดสอบความเข้ากันได้สำหรับทุกชิ้นส่วนที่สัมผัสกับไฮโดรเจน เพื่อให้มั่นใจว่าผู้ผลิตจะไม่ตัดมุมในประเด็นด้านความปลอดภัยที่สำคัญนี้

ความเสี่ยงเหล่านี้จะทวีความรุนแรงขึ้นเมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำงานใกล้กับถังเก็บ ก่อให้เกิดความจำเป็นต้องมีมาตรการด้านความปลอดภัยแบบบูรณาการที่ครอบคลุมทั้งความเสี่ยงจากไฟไหม้ในทันทีและภาวะความล้มเหลวของวัสดุที่ค่อยเป็นค่อยไป

กรอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดสำหรับการจัดเก็บเครื่องกำเนิดไฮโดรเจน

ข้อกำหนดตาม NFPA 2 และ ISO 19880 สำหรับการผลิตไฮโดรเจนในสถานที่และการจัดเก็บแบบบูรณาการ

มาตรฐาน NFPA 2 ร่วมกับ ISO 19880 กำหนดกฎความปลอดภัยขั้นพื้นฐานสำหรับระบบผลิตไฮโดรเจนที่รวมถึงส่วนประกอบการจัดเก็บ แนวทางเหล่านี้เน้นย้ำให้ตรวจสอบว่าวัสดุที่ใช้ในวาล์ว ท่อ และภาชนะรับแรงดันสามารถทนต่อการสัมผัสก๊าซไฮโดรเจนได้หรือไม่ เพื่อแก้ไขปัญหาการเปราะตัวของโลหะ (metal embrittlement) ที่เคยเกิดขึ้นในการล้มเหลวทางอุตสาหกรรมมาก่อน มาตรฐานดังกล่าวกำหนดให้มีกลไกปล่อยแรงดันสำรอง พื้นที่เว้นระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างพื้นที่จัดเก็บกับจุดจุดติดไฟที่อาจเกิดขึ้น รวมทั้งระบบตรวจสอบการระบายอากาศที่เชื่อถือได้และสามารถทำงานได้อัตโนมัติเมื่อมีความจำเป็น ตาม NFPA 2 ห้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะต้องมีการเปลี่ยนถ่ายอากาศอย่างสมบูรณ์อย่างน้อยหนึ่งครั้งต่อชั่วโมง ในขณะเดียวกัน เวอร์ชัน ISO 19880-8:2020 มีข้อกำหนดเพิ่มเติมโดยบังคับให้ติดตั้งเครื่องตรวจจับการรั่วไหลอัตโนมัติที่ไวพอที่จะตรวจพบปริมาณไฮโดรเจนต่ำกว่า 1% ซึ่งอยู่ในระดับที่ปลอดภัยและต่ำกว่าระดับที่อาจทำให้เกิดการเผาไหม้ เพื่อคงความสอดคล้องตามข้อกำหนด สถานที่ต่างๆ จะต้องได้รับการรับรองถังจัดเก็บจากผู้เชี่ยวชาญอิสระทุกๆ ห้าปี โปรโตคอลการหยุดทำงานฉุกเฉินควรจัดทำเป็นลายลักษณ์อักษรอย่างชัดเจน พร้อมสนับสนุนด้วยการอ่านค่าแรงดันอย่างสม่ำเสมอและการทดสอบความสมบูรณ์ที่แสดงให้เห็นว่าตัวกันชนความปลอดภัยยังคงอยู่ในสภาพเรียบร้อยแม้เกินเงื่อนไขการปฏิบัติงานปกติ

การสอดคล้องกับมาตรฐาน OSHA และข้อกำหนดท้องถิ่นสำหรับสถาน facility ผลิตไฮโดรเจน

การติดตั้งเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนจำเป็นต้องเผชิญกับระเบียบข้อบังคับที่ซับซ้อนจากหน่วยงานภาครัฐหลายระดับ สถานประกอบการที่จัดการไฮโดรเจนเกิน 1,500 ปอนด์ จะอยู่ภายใต้กฎระเบียบด้านการจัดการความปลอดภัยของกระบวนการ (Process Safety Management) จาก OSHA ตามข้อกำหนด 29 CFR 1910.103 ซึ่งหมายความว่าต้องดำเนินการประเมินความเสี่ยงอย่างเหมาะสม รักษามาตรฐานความสมบูรณ์ของอุปกรณ์ และมั่นใจว่าพนักงานมีความรู้ความสามารถในการปฏิบัติงาน ทั้งนี้ มาตรการด้านความปลอดภัยทั้งหมดจะต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดในบทที่ 53 ของรหัสสากลด้านการป้องกันอัคคีภัย (International Fire Code) ด้วย โดยรหัสดังกล่าวครอบคลุมประเด็นต่าง ๆ เช่น ระบบไฟฟ้าที่ไม่ก่อให้เกิดประกายไฟ และการจัดวางถังไว้ห่างจากแนวเขตที่ดินตามระยะที่กำหนด เมืองส่วนใหญ่ใช้แนวทาง NFPA 55 ในการกำหนดขีดจำกัดปริมาณการเก็บไฮโดรเจนตามประเภทอาคาร บางพื้นที่อาจมีกฎเพิ่มเติมเกี่ยวกับการป้องกันแผ่นดินไหวหรือข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะสำหรับถังที่ติดตั้งภายนอกอาคาร การตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอทุกสามเดือนจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าทุกระบบยังคงเป็นไปตามมาตรฐานต่าง ๆ เหล่านี้ โดยเฉพาะการตรวจสอบระบบกักเก็บสำรอง และการบันทึกข้อมูลประสิทธิภาพการทำงานของระบบระบายอากาศในทางปฏิบัติ

การเลือกโซลูชันการจัดเก็บไฮโดรเจนที่ปลอดภัยและเหมาะสมสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ถังประเภท III และประเภท IV: สมรรถนะ ขอบเขตความปลอดภัย และการบูรณาการกับพื้นที่ติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไฮโดรเจน

ในตลาดปัจจุบัน ภาชนะความดันประเภทที่ III (ซึ่งหุ้มด้วยเส้นใยคาร์บอนรอบเปลือกอลูมิเนียม) และประเภทที่ IV (เส้นใยคาร์บอนหุ้มบนพื้นผิวเทอร์โมพลาสติก) ได้กลายเป็นทางเลือกหลักสำหรับการเก็บก๊าซไฮโดรเจนใกล้กับจุดผลิตในสถานที่นั้นๆ โดยโมเดลประเภทที่ III โดยทั่วไปสามารถรองรับความดันได้ระหว่าง 300 ถึง 700 บาร์ และมีจุดเด่นคือทนต่อแรงกระแทกได้ดี รวมทั้งสามารถใช้งานได้อย่างมั่นใจภายใต้สภาวะสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องที่พบในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมหลายประเภท ขณะที่ถังประเภทที่ IV นั้นมีศักยภาพในการรองรับความดันเกินกว่า 700 บาร์ และยังกำจัดความเสี่ยงจากการเปราะหักได้อย่างสิ้นเชิง เนื่องจากเปลือกของมันไม่ได้ทำจากโลหะเลย ทำให้เหมาะอย่างยิ่งเมื่อมีการเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบป้อนก๊าซไฮโดรเจนจากเครื่องผลิต ภาชนะทั้งสองประเภทมาพร้อมกับอุปกรณ์ลดความดันจากความร้อนเฉพาะที่เรียกว่า TPRD เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไปจากไฟไหม้ อุปกรณ์เหล่านี้จะปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกโดยอัตโนมัติ ซึ่งถือเป็นคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่สำคัญมาก โดยเฉพาะภายในห้องเครื่องกำเนิดก๊าซที่แคบ เพราะหากเกิดการระเบิดขึ้นจะส่งผลร้ายแรงอย่างมาก

การติดตั้งอุปกรณ์ในแนวราบช่วยหลีกเลี่ยงการทับซ้อนกับพื้นที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และการจัดเรียงโมดูลแบบซ้อนกันทำให้ขยายกำลังการผลิตได้ง่ายขึ้นเมื่อจำเป็น เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงถึงประมาณ 55 องศาเซลเซียส ถังเก็บประเภท IV มีระยะปลอดภัยที่ดีกว่าถังเหล็กธรรมดาประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ จากข้อมูลการศึกษาที่ตีพิมพ์โดย Energy Storage Journal เมื่อปีที่แล้ว นอกจากนี้ ถังเหล่านี้ยังมีแนวโน้มรั่วไหลน้อยลงประมาณ 19% ในสภาวะเดียวกัน สำหรับพื้นที่ที่จำกัดด้านพื้นที่ ก็ยังสามารถใช้ระบบติดตั้งใต้ดินแบบ Type III ได้ ซึ่งการติดตั้งเหล่านี้สามารถเข้ากับโครงสร้างพื้นฐานเดิมได้อย่างเหมาะสม โดยไม่รบกวนจุดเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาเครื่องกำเนิด หรือปิดกั้นทางระบายอากาศที่จำเป็นสำหรับการระบายอากาศอย่างเหมาะสม

มาตรการควบคุมเชิงวิศวกรรม: การระบายอากาศและการตรวจจับการรั่วไหลสำหรับสถานีผลิตไฮโดรเจน

การออกแบบการระบายอากาศจากเพดานก่อน เพื่อลดการรวมตัวของไฮโดรเจนใกล้เครื่องกำเนิด

เพราะไฮโดรเจนลอยอยู่บนอากาศได้ง่ายๆ การระบายอากาศที่เหมาะสม จึงเป็นสิ่งจําเป็นอย่างยิ่ง เพื่อจับกุมก๊าซที่หลุดออกมา ก่อนที่มันจะเพิ่มขึ้นเป็นระดับอันตราย ระบบที่ติดตั้งอยู่บนระดับเพดานทํางานได้ดีที่สุด เพราะมันสร้างรูปแบบการไหลของอากาศขึ้นไป ซึ่งจับไฮโดรเจนตรงที่มันมักจะสะสม การตั้งตั้งแบบเหล่านี้ ปกติจะจัดการกับการแลกเปลี่ยนอากาศ 12 ถึง 15 ครั้งต่อชั่วโมง โดยรักษาความถี่ของไฮโดรเจน อยู่ใต้ปริมาณ 4% ในขณะเดียวกันช่องลมที่ตั้งอยู่ใกล้พื้น ช่วยให้การไหลของอากาศผ่านพื้นที่ทั้งหลังได้เรียบร้อย ป้องกันจุดตายที่ก๊าซอาจสะสมตัวหลังจากเกิดการรั่วไหล ตามแบบคอมพิวเตอร์ที่จําลองรูปแบบการไหลของอากาศ การจัดทํานี้ลดความเสี่ยงในการจัดชั้นโดยเกือบ 92% ในห้องเครื่องกําเนิดที่เล็กกว่า 500 เมตรคิวบิก นั่นทําให้ระบบที่เน้นเพดานนี้ ดีกว่ามาก ในการจัดการความปลอดภัย เมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ ที่ติดผนังเก่ากว่า ที่ไม่จัดการกับคุณสมบัติพิเศษของไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คู่มือการเลือกเซนเซอร์: เซนเซอร์ดูดซับด้วยเลเซอร์ เทียบกับ เซนเซอร์อิเล็กโทรเคมี สำหรับการตรวจสอบเครื่องผลิตไฮโดรเจนแบบเรียลไทม์

การตรวจจับการรั่วไหลอย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยการเลือกเทคโนโลยีเซนเซอร์ให้สอดคล้องกับระดับความเสี่ยงและพื้นที่ใช้งาน:

เซ็นเซอร์ตรวจจับด้วยการดูดซับเลเซอร์สามารถให้การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ทั่วทั้งพื้นที่ผ่านลำแสงแบบเปิดทางเดิน เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานได้ดีมากในห้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ ที่ก๊าซสามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วและต้องการการแจ้งเตือนล่วงหน้าเมื่อมีการรั่วไหล ในทางกลับกัน เซ็นเซอร์อิเล็กโทรเคมีเหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบุตำแหน่งเฉพาะที่เกิดปัญหา เช่น ข้อต่อหรือแกนวาล์ว แม้ว่าจะต้องมีการตรวจสอบและเปลี่ยนบ่อยกว่าเซ็นเซอร์เลเซอร์ก็ตาม ปัจจุบันสถานประกอบการส่วนใหญ่ใช้กลยุทธ์แบบชั้นๆ ที่เรียกว่า 'Layered Strategy' โดยติดตั้งเซ็นเซอร์เลเซอร์ใกล้เพดานเพื่อตรวจจับการเคลื่อนที่ของก๊าซปริมาณมาก และจัดวางกลุ่มเซ็นเซอร์อิเล็กโทรเคมีไว้ตามจุดเชื่อมต่อที่มักเกิดการรั่วไหล การติดตั้งลักษณะนี้โดยทั่วไปสามารถตรวจจับการรั่วไหลได้ประมาณ 99.6 เปอร์เซ็นต์ ก่อนที่ระดับก๊าซจะถึง 10% ของ Lower Flammable Limit (LFL) ระบบดังกล่าวสอดคล้องกับข้อกำหนดทั้งหมดตามมาตรฐาน NFPA 2 รวมถึงแนวทางปฏิบัติล่าสุด ISO 19880-8:2020 สำหรับประสิทธิภาพด้านความปลอดภัย