氫氣充裝與加氫站系統(tǒng)工藝研究

劉 平，沈銀杰

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 簡介

氫能源是一種新興、潔凈的能源，為新能源汽車、氫能源公共汽車加注氫，使得氫或液氫真正作為普及性的能源被使用。使用氫能源，要點(diǎn)在于升壓技術(shù)、儲存技術(shù)和加注技術(shù)及其系統(tǒng)。在氫能源汽車的使用中，攜帶足夠的氫氣是關(guān)鍵條件，因此，必須盡可能地壓縮氫氣，壓力越高，氫儲罐儲存的氫氣就越多，其能量密度就越大，汽車一次充氫的實(shí)際使用里程就越多。因此，車載氫氣儲罐壓力一般都在35 MPa，有時(shí)甚至高達(dá)70 MPa?，F(xiàn)階段，我國普遍使用的是20 MPa的壓力。對于加氫站來說，其儲罐儲存氫氣的壓力要高于汽車氫氣儲罐的壓力，這樣才能保證為汽車充氣。保證給汽車充氣的壓力只是一個(gè)必要條件，第二個(gè)條件是必須有足夠的氫能儲存用于加氫[1]。

在氫能的綜合利用中，氫氣充裝和加氫站的建設(shè)成為必須[2]。氫氣充裝站的功能是：接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用。加氫站的功能是：為燃料電池汽車或液氫槽車提供液氫加注。如何高效、安全、便捷地實(shí)現(xiàn)其功能，是我們在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題。本文詳細(xì)闡述了氫氣充裝站和加氫站的工藝設(shè)計(jì)，以期為日后相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供參考。

2 氫氣充裝站工藝設(shè)計(jì)

從工藝布置上考慮，充裝站基礎(chǔ)建設(shè)空間主要由壓縮機(jī)廠房、分析間、控制間、排空塔、充裝工位和罐車回轉(zhuǎn)場地等組成。因?yàn)閺S區(qū)面積有限，所以，在工藝設(shè)計(jì)中，要認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)條件帶來的限制。氫氣充裝站主要用于接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用，所以，需要根據(jù)其功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝流程。

充裝站的工藝流程是，變壓吸附后輸送的高純原料氫經(jīng)壓縮機(jī)壓縮加壓后進(jìn)入工藝管路，經(jīng)匯流排分配后進(jìn)入各個(gè)充裝工位，最后經(jīng)加注管路裝入管束拖車。整個(gè)管路設(shè)置置換系統(tǒng)和安全排放系統(tǒng)。

置換系統(tǒng)在工藝系統(tǒng)中具有重要的作用，因?yàn)橐ＷC商業(yè)用氫的純度。整個(gè)系統(tǒng)在開機(jī)階段、檢修或者故障修復(fù)后，必須用氮?dú)膺M(jìn)行置換才能執(zhí)行必要的工序或者維護(hù)工作，否則無法保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性或者可維修性。因此，置換系統(tǒng)作為工藝路線中關(guān)鍵的一環(huán)，必須存在。

安全排放系統(tǒng)的作用是排除系統(tǒng)內(nèi)多余的氫，在必要的時(shí)候保證氫100%被排放出。作為特殊的介質(zhì)，氫的安全使用是放在第一位的。在工藝設(shè)計(jì)中，安全排放系統(tǒng)的設(shè)置、設(shè)計(jì)、計(jì)算以及安全閥的使用，都是工藝設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格計(jì)算的指標(biāo)，要根據(jù)國家相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。

氫氣充裝系統(tǒng)主要包括閥門、高壓管路、加氣槍、限流、顯示器、計(jì)量、溫度補(bǔ)償、控制及緊急管路等。高壓管路上加有壓力報(bào)警器和安全裝置，加氣槍上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、過載保護(hù)、軟管斷裂保護(hù)和加氣優(yōu)先控制系統(tǒng)等。過濾器主要是為了保證氫氣的純度，只有高純度的氫才能達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的使用要求。加氣槍上的整套傳感系統(tǒng)和安全保證系統(tǒng)是在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。整個(gè)氫氣充裝工藝經(jīng)過嚴(yán)格的論證，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。氫氣的充裝為加氫站的大面積建設(shè)提供了有力的保證，從工藝系統(tǒng)的角度講，其屬于加氫站的上游工藝。

3 加氫站工藝設(shè)計(jì)

加注機(jī)是核心技術(shù)裝備，加注機(jī)在使用壓力75 MPa、流量50 Nm3/min、系統(tǒng)管道流速不大于15 m/s的工況條件下，才能使得制氫加氫站系統(tǒng)達(dá)到使用要求，同時(shí)，還要考慮如何計(jì)量收費(fèi)才能方便商業(yè)使用。加注氫系統(tǒng)是由一對氫氣入口、雙電磁或氣動控制閥單元、質(zhì)子流量計(jì)、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥和加注快卡接口組成。這樣就形成了一整套的商業(yè)加注氫系統(tǒng)，它類似于加油站或者天然氣加氣站，為日后的真正商業(yè)推廣提供有效助力。這也是工藝設(shè)計(jì)階段就必須要考慮的問題。

在加氫過程中，當(dāng)高中低壓儲氣瓶組系統(tǒng)中任意一個(gè)儲氫瓶壓力低于35 MPa時(shí)，壓縮機(jī)啟動，對儲氣瓶組內(nèi)的氫氣進(jìn)行增壓，增壓鋼瓶順序?yàn)楦邏簝馄拷M→中壓儲氣瓶組→低壓儲氣瓶組。此外，為了便于緊急情況下對加氫站停車，在壓縮系統(tǒng)前設(shè)置有緊急切斷閥，一旦出現(xiàn)緊急情況，可通過緊急切斷閥關(guān)閉系統(tǒng)。氫加注工藝設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 氫加注工藝設(shè)計(jì)流程圖

加氫站的功能是為燃料電池汽車或液氫槽車提供氫加注。本站工藝流程主要由增壓系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、氫集中排放系統(tǒng)和氫安全監(jiān)控系統(tǒng)組成。

3.1 儲氫系統(tǒng)

采用分級充氣加注方案，分別配置45 MPa和22 Mpa的儲氫氣瓶，可實(shí)現(xiàn)快速加氫，并且提高站內(nèi)氫氣利用率。儲氫容器為固定式裝置，總儲氫量為180 kg。

3.2 加氫系統(tǒng)

加氫系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)氫的加注，這是該工藝的核心。在加氫系統(tǒng)工藝方面，主要考慮如何又快又安全地完成氫的加注，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)量計(jì)價(jià)。根據(jù)其功能，工藝設(shè)備主要包括一對氫氣入口、雙電磁閥單元、流量計(jì)、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥等，還要有快速使用的加注口。加氫口壓力為35 MPa，采用雙槍加氫機(jī)形式，對應(yīng)不同種類的車型。加氫機(jī)采用取氣源優(yōu)先控制技術(shù)，利用多級儲氣設(shè)施，采用編程優(yōu)先控制器設(shè)定氣源優(yōu)先級，所加注的氫氣來自壓縮機(jī)和2個(gè)壓力等級的固定式儲氣瓶組，優(yōu)先次序考慮儲氣設(shè)施的數(shù)量和能力、壓縮機(jī)的能力等因素。加氫系統(tǒng)是工藝的核心，除了完成功能外，還要考慮緊急停機(jī)的功能，在特殊情況下能夠自動切斷加氫這一工藝過程，而且不對系統(tǒng)造成大的影響或者損失。

3.3 氮?dú)馀錃庀到y(tǒng)

所有的加氫站都會配置有氮?dú)?，氣控系統(tǒng)氣源、加氫站各種工藝管路、工藝設(shè)備的吹掃清潔都需要氮?dú)狻５獨(dú)獾墓?yīng)也是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因此，設(shè)計(jì)了氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)的工藝，即高壓氮?dú)馄拷M提供充足的氮?dú)?，氮?dú)饨?jīng)過減壓裝置（減壓裝置出來后氮?dú)獾膲毫Υ蟾旁?.7 Mpa）分兩路供氣，其中一路作為其控制氣體，供給系統(tǒng)內(nèi)緊急切斷閥的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以保證緊急狀態(tài)下系統(tǒng)的可靠性和安全性；另外一路氣體負(fù)責(zé)啟動閥門的啟閉，這是通過起源控制壓縮機(jī)內(nèi)的各個(gè)氣動閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。在工藝上，還應(yīng)該考慮在氮?dú)廨斔凸苈飞项A(yù)留用于系統(tǒng)吹掃的接口，當(dāng)系統(tǒng)需要吹掃時(shí)，只需要很簡便的操作就可以完成氮?dú)鈱ο到y(tǒng)的吹掃潔凈功能。另外，該路氣也可用在系統(tǒng)調(diào)試和維修過程中，這時(shí)候進(jìn)行吹掃和空氣置換是很有必要的，而且對于整個(gè)工藝系統(tǒng)來說是必不可少的。

3.4 氫集中排放系統(tǒng)

氫氣易燃易爆，屬于高危性氣體氣源，從站內(nèi)安全性考慮，對于加氫機(jī)、儲氫氣瓶、壓縮機(jī)等各裝置所排出的氫氣，工藝系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有匯流排，匯流排會收集匯總各位置的氫，然后高空排放。高空排放時(shí)，要符合國家危險(xiǎn)氣體或者廢物排放安全規(guī)程。

3.5 氫安全監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到氫氣的易擴(kuò)散性、易燃燒性、易爆炸性的特點(diǎn)，需要在站內(nèi)特別增加一套氫安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保站點(diǎn)的運(yùn)營安全。氫安全監(jiān)控系統(tǒng)對加氫工藝過程進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行和氫氣的安全排放，以滿足工藝系統(tǒng)相應(yīng)的閥門控制、溫度、壓力等狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及現(xiàn)場工藝流程安全監(jiān)控和處理要求。

3.6 測控系統(tǒng)

加氫站測控系統(tǒng)主要包括工程師站、操作站、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站系統(tǒng)、測量傳感器、供電電源和測控電纜等。現(xiàn)階段，加氫站測控系統(tǒng)采用云平臺遠(yuǎn)程控制技術(shù)，基于最新的測控和檢測手段實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。依據(jù)加氫工藝原理圖，測控系統(tǒng)的控制對象是管路上的電磁閥、氣動閥，測量的參數(shù)有溫度、壓力、液位、氫濃度、火焰報(bào)警信號。這些信號都可以實(shí)時(shí)傳遞到相關(guān)的云平臺、場站，使用單位可以接入監(jiān)控系統(tǒng)，授權(quán)相關(guān)責(zé)任人員，根據(jù)責(zé)任等級分配不同權(quán)限，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測。在必要的時(shí)候，具有特殊權(quán)限的工程技術(shù)人員能夠強(qiáng)制操作，以防危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 結(jié)束語

人類對安全、高效、便捷的能源需求是無止境的，氫能的出現(xiàn)很好地解決了這一難題。但是，氫在自然界中是比較稀有的，要想使用氫能源，從如何獲取氫或氫氣，再到氫的液化以及增壓存儲，到氫的充裝和加注，以及最終氫燃料電池或者氫能源汽車的普及和使用，形成整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條是至關(guān)重要的。氫能普及，工藝先行，因此，我們從工藝的角度進(jìn)行了一些研究。

本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有技術(shù)，提出了加氫站和氫氣充裝站系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為氫能整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條的完善提供了有益的思考和借鑒。在氫能的利用中，高效、安全、便捷使用是人類最終的需求和目的，只有不斷研究和試驗(yàn)，才能最終實(shí)現(xiàn)氫能的普及。

［1］顧年華，尤麗霞，吳育華.2l世紀(jì)我國新能源開發(fā)展望［J］.中國能源，2002（1）：37-38.

［2］王恒秀，李莉.一種新型制氫技術(shù)［J］.化工進(jìn)展，2001（7）：12-15.