加氫站主要工藝設(shè)備選型分析

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 張彥純

近兩年來，各類充電式電動(dòng)汽車補(bǔ)貼政策逐漸退坡，但同樣作為新能源汽車，燃料電池汽車及其配套設(shè)施的政府補(bǔ)貼力度一直有增無減。燃料電池汽車克服了充電式電動(dòng)汽車具有充能時(shí)間長、電池蓄電性能衰減快、電池報(bào)廢難處理的幾個(gè)問題。但是，燃料電池汽車的推廣依然不像充電式電動(dòng)汽車那么順利。究其原因，除了燃料電池汽車本身生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格依然居高不下外，其配套加氫設(shè)施的稀缺是制約燃料電池汽車快速發(fā)展的最大障礙。

在加氫站設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，制定符合需要的工藝流程方案和選取合適的工藝設(shè)備，對(duì)加快加氫站建設(shè)進(jìn)度、合理控制建設(shè)成本，能起到至關(guān)重要的作用。

1 加氫站工藝流程

目前國內(nèi)加氫站主要采用的工藝流程是基于高壓氣態(tài)氫的儲(chǔ)運(yùn)方式，主要以站外長管拖車供氫為主。站外長管拖車供氫的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫加氫站工藝流程，如圖1所示。

圖1 加氫站工藝流程示意

長管拖車將20 MPa的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運(yùn)送進(jìn)固定站，通過加氫站內(nèi)壓縮機(jī)將氫氣卸載至站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐，車輛加氫時(shí)，長管拖車或儲(chǔ)氫罐中輸出的氫氣，通過加氫機(jī)充裝到燃料電池汽車的車載儲(chǔ)氫瓶中。

目前國際上應(yīng)用比較廣泛的車載儲(chǔ)氫瓶壓力等級(jí)主要有35 MPa和70 MPa兩種。加氫站的最高設(shè)計(jì)壓力等級(jí)也需要與其加注車輛車載儲(chǔ)氫的壓力等級(jí)相匹配，除了利用長管拖車作為20 MPa移動(dòng)儲(chǔ)氫設(shè)施外，35 MPa氫燃料電池車的加氫站站內(nèi)最高固定儲(chǔ)氫壓力一般為45 MPa，70 MPa氫燃料電池車的加氫站站內(nèi)最高固定儲(chǔ)氫壓力一般為90 MPa。

2 加氫站設(shè)備選型

加氫站設(shè)備中的“三大件”包括壓縮機(jī)、固定儲(chǔ)氫設(shè)施、加氫機(jī)。這三大設(shè)備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲(chǔ)氫能力。在建站規(guī)模確定的情況下，通過設(shè)備參數(shù)和設(shè)備數(shù)量的匹配，以達(dá)到加氫站最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備配置。

2.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)作為加氫站內(nèi)的核心設(shè)備，承擔(dān)了氫氣增壓的重要作用。目前國內(nèi)加氫站常用的氫氣壓縮機(jī)主要有隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)等。其中隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲(chǔ)氫壓力不大于45 MPa的加氫站，多個(gè)國內(nèi)生產(chǎn)廠家的相關(guān)技術(shù)也已日趨成熟；離子液壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲(chǔ)氫壓力90 MPa的加氫站，國內(nèi)該壓力等級(jí)的壓縮機(jī)尚在研制過程中，目前主要還是依賴于進(jìn)口。

2.1.1 隔膜壓縮機(jī)

隔膜式壓縮機(jī)具有特設(shè)的膜片，將被壓縮的氣體與外界隔開。隔膜式壓縮機(jī)中，氣缸的職能由一個(gè)膜腔來完成，膜腔是由具有穹形型面的蓋板和彈性膜片組成的空腔，膜片周邊被緊固在蓋板與機(jī)體之間，當(dāng)膜片上下?lián)锨冃螘r(shí)，膜腔中的容積隨之變化，從而完成氣體的壓縮及排氣。金屬膜片式隔膜壓縮機(jī)采用液力驅(qū)動(dòng)膜片，膜片可緊貼蓋板穹形表面，因此相對(duì)余隙很小，而且氣體與液體之間的膜片極薄，壓縮過程中散熱情況較好。目前金屬隔膜壓縮機(jī)的最高排氣壓力可達(dá) 70 MPa，但是由于膜片的變形量有限，處理的氣體量一般較小。

圖2 隔膜式壓縮機(jī)工作原理示意

2.1.2 液驅(qū)式壓縮機(jī)

液驅(qū)式壓縮機(jī)的動(dòng)力缸與往復(fù)泵的工作腔直接相通，往復(fù)泵的活塞通過液體(大多為油)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)活塞完成氣體的壓縮。液驅(qū)式壓縮機(jī)中部為對(duì)置式的兩個(gè)氣缸，柱塞為活塞，用來壓縮氫氣，上部為控制滑閥，用于釋放動(dòng)力液缸中的油。這種結(jié)構(gòu)可以做成多列，因此功率較大。

圖3 液驅(qū)式壓縮機(jī)工作原理示意

2.1.3 離子液壓縮機(jī)

離子液體通常用于自動(dòng)化、航空航天、電子電器或能源領(lǐng)域，作為工程流體或新材料使用。離子液體本身幾乎不可壓縮，幾乎沒有蒸氣壓，可以替代金屬在等溫條件下產(chǎn)生高壓，并且能長期運(yùn)行而無需維護(hù)，節(jié)省能耗。離子液壓縮機(jī)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，相比普通壓縮機(jī)的零件大大減少，因此維護(hù)方便。目前在國外已用于部分天然氣加氣站和氫能供應(yīng)站，最高排氣壓力可達(dá)到90 MPa以上。

2.1.4 各類型壓縮機(jī)對(duì)比分析

隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)三者的性能對(duì)比見下表1。

表1 隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)三者的性能對(duì)比

國內(nèi)多個(gè)壓縮機(jī)制造企業(yè)在隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)的技術(shù)研發(fā)方面已日趨成熟，有相當(dāng)一部分加氫站已開始應(yīng)用完全國產(chǎn)化的氫氣壓縮機(jī)。但相對(duì)而言，國產(chǎn)壓縮機(jī)在穩(wěn)定性可靠性方面還有待提高。目前，國內(nèi)有相當(dāng)一部分加氫站設(shè)備供應(yīng)商，采購進(jìn)口的壓縮機(jī)機(jī)頭作為核心部件，配套輔助部件采用國內(nèi)采購和組裝的方式。這樣，對(duì)于建設(shè)單位而言，不僅提高了設(shè)備的可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備采購成本。目前國內(nèi)已建成或在建的35 MPa加氫站較多采用隔膜式壓縮機(jī)或液驅(qū)式壓縮機(jī)。離子壓縮機(jī)由于價(jià)格較高，更適用于加注壓力較高的70 MPa加氫站。

2.2 固定儲(chǔ)氫設(shè)施

國內(nèi)近期建成或在建的加氫站主要采用高壓儲(chǔ)氫瓶組和高壓儲(chǔ)氫罐作為站內(nèi)的固定儲(chǔ)氫設(shè)施。

高壓儲(chǔ)氫設(shè)施具有氫氣儲(chǔ)存和壓力緩沖作用，通過壓力、溫度等傳感器對(duì)儲(chǔ)存介質(zhì)參數(shù)、安全狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。加氫站氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的工作壓力越高或該工作壓力與氫能汽車充氫壓力差越大，將使氫能汽車充氫時(shí)間縮短；氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)工作壓力的提高也會(huì)使氫氣壓縮機(jī)開啟頻繁度降低。

(1)儲(chǔ)氫壓力不大于20 MPa時(shí)，一般可選用高壓儲(chǔ)氫瓶組作為儲(chǔ)氫設(shè)施。目前主要應(yīng)用于通過低壓管道氫氣作為氣源的加氫站，作為第一級(jí)儲(chǔ)氫。該類儲(chǔ)氫瓶組參照 ASME(American Society of Mechanical Engineers，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)及TSG 21－2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，主體材質(zhì)為4130X高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，瓶身為單層厚壁結(jié)構(gòu)。

(2)儲(chǔ)氫壓力大于20 MPa時(shí)，考慮到高壓氫氣的“氫脆腐蝕”，一般選用高壓儲(chǔ)氫罐作為儲(chǔ)氫設(shè)施，儲(chǔ)罐壁也變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層采用耐氫脆腐蝕的不銹鋼材質(zhì)，外層采用高強(qiáng)度碳鋼進(jìn)行加固，從而兼具耐腐蝕和耐高壓的特點(diǎn)。

35 MPa加氫站通常采用最高儲(chǔ)氫壓力為 45 MPa的儲(chǔ)氫罐，70 MPa加氫站通常還要增設(shè)最高儲(chǔ)氫壓力為90 MPa的儲(chǔ)氫罐。

2.3 加氫機(jī)

加氫機(jī)的主要功能是為氫燃料電池汽車的車載儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加注。

加氫機(jī)的基本部件包括箱體、用戶顯示面板、加氫口、加氫軟管、拉斷閥、流量計(jì)量、控制系統(tǒng)、過濾器、節(jié)流保護(hù)、管道、閥門、管件和安全系統(tǒng)等。另外，還包括一些輔助系統(tǒng)：電子讀卡系統(tǒng)(如收費(fèi)系統(tǒng))、多級(jí)儲(chǔ)氣優(yōu)先控制系統(tǒng)、兩種不同壓力的輔助加氫口和軟管、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和車輛信息整合控制系統(tǒng)。

加氫機(jī)加注時(shí)有“焦－湯效應(yīng)”，導(dǎo)致氫氣溫度上升。因此加注過程中如何防止氫氣溫度不斷升高是加氫機(jī)的關(guān)鍵性能之一。目前國內(nèi)主要的 35 MPa加氫機(jī)生產(chǎn)商在應(yīng)對(duì)加注時(shí)氫氣升溫方面主要采用下面兩種方式：

(1)采用美國機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)SAE(Society of Automotive Engineers) J2601標(biāo)準(zhǔn)，在加氫機(jī)內(nèi)設(shè)置與汽車車載瓶相連接的通訊接口，將加注過程中車載氣瓶的溫度和壓力信號(hào)輸入到加氫機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)加氫升壓速率，達(dá)到控制氫氣溫度的效果。

(2)采用加氫前預(yù)冷的方式。氫氣進(jìn)入加氫機(jī)前首先通過一臺(tái)外置換熱器進(jìn)行換熱，使氫氣溫度下降后對(duì)車載氣瓶進(jìn)行加注。換熱器冷卻介質(zhì)為低溫循環(huán)冷卻水，需要外設(shè)一臺(tái)大功率冷水機(jī)組將冷卻水溫度降至5～10 ℃。

在上述兩種加氫機(jī)的選擇上，可根據(jù)項(xiàng)目具體實(shí)際情況確定。如站址面積較為緊湊，且對(duì)節(jié)能要求較高的加氫站，可考慮采用第一種加氫機(jī)；對(duì)日常加注車輛較多，需要實(shí)現(xiàn)快速加氫需求的，可考慮采用第二種加氫機(jī)。

另外，加氫機(jī)的加注速率還與加氫站內(nèi)壓縮機(jī)配置和儲(chǔ)氫罐容積有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

綜合上述，以較為典型的加注能力為1 000 kg/12h，加注壓力35 MPa加氫站為例，推薦設(shè)備配置見表2。

表1 1 000kg/12h，35 MPa加氫站推薦設(shè)備配置

2.4 其他工藝設(shè)施

2.4.1 卸氣柱

卸氣柱是長管拖車與站內(nèi)工藝管道間的接口，與拖車車位逐一對(duì)應(yīng)。每組卸氣柱上設(shè)有一根連接拖車的柔性軟管、拉斷閥、過濾器、單向止回閥、手動(dòng)截止閥、安全閥及壓力表。每組卸氣柱均采用集中放散。作為加氫站與長管拖車的氣源對(duì)接點(diǎn)，卸氣柱出口管路 上需設(shè)置緊急切斷閥，以確保站內(nèi)發(fā)生事故工況時(shí)，能夠在第一時(shí)間切斷氣源。

2.4.2 順序控制閥組

順序控制閥組是實(shí)現(xiàn)加氫站加注取氣自動(dòng)化控制的重要組件，由一系列氣動(dòng)閥、電磁閥和壓力傳感器組成。將現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)上傳至控制室內(nèi)PLC控制柜，通過預(yù)制程序?qū)r進(jìn)行判斷，然后發(fā)出信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)夤苈冯姶砰y的啟閉，進(jìn)而控制氣動(dòng)閥的啟閉。

2.4.3 氫氣管道系統(tǒng)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，加氫站內(nèi)的氫氣工藝管線應(yīng)具有與氫相容的特性，宜采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應(yīng)符合GB/T 8163－2018《輸送流體用無縫鋼管》、GB 5310－2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB/T 14976－2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》、ASME B31.3《工藝管道》和ASTM A269《一般設(shè)備用途的無縫和焊接奧氏體不銹鋼管》的有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29729－2013《氫系統(tǒng)安全的基本要求》，氫環(huán)境中應(yīng)采用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料。在該規(guī)范的附錄 D中，推薦在氫環(huán)境中常用的金屬材料有奧氏體不銹鋼S31603、S31608、和鋁合金6061。

GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》還提出了關(guān)于氫氣管道連接方式的基本要求：氫氣管道的連接宜采用焊接或卡套接頭；氫氣管道與設(shè)備、閥門的連接可采用法蘭或螺紋連接等。目前的加氫站設(shè)計(jì)中，氫氣管道的連接主要采用卡套連接和錐面螺紋連接兩種方式。其中，壓縮機(jī)前的20 MPa氫氣管道主要采用卡套連接；壓縮機(jī)后的管道重要采用錐面螺紋連接。

2.4.4 放散系統(tǒng)

加氫站的放散方式主要分超壓安全泄放及手動(dòng)放散。

(1)超壓安全泄放主要包括壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、加氫機(jī)等設(shè)備氫氣管路上設(shè)置的安全閥進(jìn)行超壓放散。安全閥的開啟壓力不大于管道的設(shè)計(jì)壓力，且需根據(jù)GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》要求，按照最大工作壓力的不同，設(shè)定安全閥開啟壓力。超壓安全泄放為不可控放散，主要是由于設(shè)備運(yùn)行故障等因素引起的，一般放散量較少，放散幾率也低。

(2)手動(dòng)放散主要作用是在設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)，對(duì)設(shè)備和氫氣管道進(jìn)行泄壓，泄壓后采用氮?dú)膺M(jìn)行置換與吹掃，使儲(chǔ)罐內(nèi)氫氣排放干凈，確保設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)的安全性。手動(dòng)發(fā)散為可控放散，可通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)截止閥開度來控制放散氣體的流速，但一般放散量較大，放散幾率根據(jù)設(shè)備檢修維護(hù)的周期來確定。

加氫站內(nèi)的放散管一般根據(jù)氫氣管道和設(shè)備的壓力級(jí)制分別接入放散總管后，通過放散豎管放散至大氣中。為防止高速噴出的放散氣在放散管口與空氣接觸產(chǎn)生火花造成回火，需在放散管接近末端處設(shè)置阻火器，以確保安全。

2.4.5 置換吹掃系統(tǒng)

加氫站通常采用氮?dú)鈱?duì)設(shè)備和氫氣管道進(jìn)行吹掃置換。工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置專用的氮?dú)饧b格和氮?dú)獯祾咧脫Q閥組，與氫氣管道和設(shè)備氫氣管路相連，連接處設(shè)置止回閥，止回閥及氫氣端的管道設(shè)計(jì)壓力需要與氫氣設(shè)備或氫氣管道的設(shè)計(jì)壓力匹配，以防止高壓氫氣回流至氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)內(nèi)。

2.4.6 儀表風(fēng)系統(tǒng)

加氫站的儀表風(fēng)系統(tǒng)主要作用是為加氫站工藝系統(tǒng)的氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣。

(1)采用氮?dú)庾鳛閮x表風(fēng)氣源，通過氮?dú)饧b格、氮?dú)鈨x表風(fēng)閥組及儀表風(fēng)管路為氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣。采用氮?dú)庾鳛閮x表風(fēng)氣源時(shí)，由于用氣量較小，一般可與氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)共用氮?dú)饧b格作為氣源。通過人工檢測(cè)氮?dú)饧b格壓力變化，以確定氮?dú)饧b格的更換時(shí)間。

(2)采用壓縮空氣作為儀表風(fēng)氣源，通過空壓機(jī)和儀表風(fēng)管路為氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣，一般需要配置一臺(tái)功率為3～5 kW的空壓機(jī)進(jìn)行持續(xù)工作，以確保壓力穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加氫站的一些主要設(shè)備進(jìn)行比選，為今后類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)際工程中，在確定加氫站設(shè)備選型時(shí)，不光要考慮加氫站的綜合性能，同時(shí)也要考慮設(shè)備采購的經(jīng)濟(jì)性。隨著時(shí)間的推進(jìn)，還會(huì)有更多新設(shè)備、新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)，將為加氫站建設(shè)提供更多更好的選擇。