撬裝加氫裝置技術(shù)方案研究

李雪松，許 劍，周遠喆

(中石化石油機械股份有限公司研究院，湖北 武漢 430000)

加氫站之于燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電站之于純電動汽車，是支撐燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少的基石。燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

加氫站可分為固定式加氫站、撬裝式加氫裝置和加氫車。固定式加氫站是為氫能汽車、氫氣內(nèi)燃機汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等儲氫瓶充裝氫燃料的專門場所，目前我國已建成的加氫站絕大多數(shù)均屬于此種；撬裝式加氫裝置，是將制氫裝置、儲氫裝置、加注裝置、連接管線和安全設(shè)施等集成到一個撬或幾個撬，可整體移動；加氫車是為滿足不同用途需要而開發(fā)，集高壓氫氣的儲存、運輸、加載、自增壓、卸載和加注功能為一體，適合與固定式加氫站配合，以固定站為母站，以被加注對象的運行范圍為服務(wù)區(qū)域，與母站共同構(gòu)成小型高壓氫氣加注網(wǎng)絡(luò)，在我國上海世博會、深圳大運會期間均有應(yīng)用[1]。

加氫站按照制氫方式不同又可分為站外制氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站。站外制氫加氫站是靠高壓氫氣長管拖車（目前主流方式）、液氫槽車、管道輸送供氫。站內(nèi)制氫加氫站包括電解水制氫加氫站、天然氣重整制氫加氫站[2]。

1 加氫站國內(nèi)外現(xiàn)狀和存在問題

1.1 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，2015 年全球加氫站數(shù)目為54 座，2018年底增加到369 座，年均增速高達194.4%，其中日本、美國、德國位居前列。目前，我國正在運營的加氫站共有18 座，其中固定站9 座，撬裝站9 座。

從全球加氫站建設(shè)情況來看，我國加氫站的運營數(shù)量仍然比較少，僅占全球的5%左右，但從我國制定的與氫燃料電池汽車相關(guān)的政策來看，隨著氫燃料電池汽車的加速發(fā)展，加氫站的建設(shè)速度將不斷加快。根據(jù) 《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書》，我國加氫站數(shù)量到2020 年達到100 座，到2030 年達到1000 座[3]。

表1 中國部分建成運營加氫站

1.2 建設(shè)存在的問題

目前制約我國加氫站建設(shè)發(fā)展的主要原因之一是加氫站的建設(shè)成本過高，以每天加氫能力為1000kg（10h）的固定式35MPa 加氫站為例，初始投資金額約為2000 萬元（不包括土地成本及供氫長管拖車的成本）。首先建設(shè)加氫站所需的關(guān)鍵部件沒有量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，部分裝備部件仍依靠進口，其次土地成本高昂，在申請加氫站建設(shè)時，必須申請使用商業(yè)用地，如果建設(shè)在相對較為便宜的工業(yè)用地上，那么建設(shè)好的加氫站只能給自己的產(chǎn)品加氫或進行實驗，不能公開運營，這些因素是造成國內(nèi)固定式加氫站建設(shè)費用居高不下的重要原因。近年來，撬裝加氫裝置正在逐漸興起，在各地逐漸增多。撬裝加氫裝置相較于固定式加氫站，優(yōu)點在于投資小、占地面積少、建設(shè)周期短。

2 撬裝加氫裝置工藝流程研究

本研究涉及的撬裝加氫裝置是針對高壓氣態(tài)氫氣加注而開發(fā)的，主要包括卸氣系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和儀表風系統(tǒng)，要求便于運輸和安裝[4]。

表2 撬裝加氫裝置技術(shù)參數(shù)

具體工藝流程：氫氣長管車通過管道連接至氫氣卸車柱，卸車柱計量之后經(jīng)過壓縮機壓縮，儲存至儲氣瓶組，按高、中、低壓瓶組順序向各儲氣瓶組充氣，儲存的氫氣通過加氫機對車輛進行加注。加氫機加注，先從管束取氣，當管束內(nèi)的氫氣壓力與汽車上的車載儲氣瓶壓力平衡時，停止從管束取氣；切換至儲氣瓶組，依次從低、中、高壓儲氣瓶組取氣。當儲氣瓶組與車載儲氣瓶內(nèi)壓力平衡時，開啟壓縮機，壓縮機從管束內(nèi)取氣，進行增壓后，直接給加氫機供氣，直到汽車加滿氫氣。瓶組壓力低于設(shè)置值時，自動啟動壓縮機補壓。

圖1 撬裝加氫裝置工藝流程圖

3 配套設(shè)備的方案研究

撬裝加氫裝置分為四大部分，包括增壓撬、加氫撬、儲氫撬、配套撬。增壓撬主要為氫氣壓縮機，加氫撬主要為氫氣加注設(shè)備，儲氫撬主要為現(xiàn)場儲存氫氣的設(shè)備，配套撬主要包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等其他輔助設(shè)施。相關(guān)設(shè)備的選型分析如下。

3.1 增壓撬

增壓撬主要為氫氣壓縮機，壓縮機作為加氫站的核心裝備，由于加氫站對氫氣純度要求特別高（一般為99.99%），因此要求所用的壓縮機均為無油潤滑的方式。目前加氫站在用的壓縮機主要包括金屬隔膜壓縮機、電動液驅(qū)壓縮機和離子壓縮機，其中以前兩者為主。國內(nèi)外大部分加氫站均采用美國PDC 公司的金屬隔膜壓縮機，也有少量加氫站采用國產(chǎn)化金屬隔膜壓縮機；國內(nèi)張家口、撫順等地部分加氫站采用了電動液驅(qū)壓縮機，國外也有少量應(yīng)用。離子壓縮機僅在個別站應(yīng)用。

從優(yōu)缺點、成本、應(yīng)用情況和技術(shù)成熟度幾方面，對比三類壓縮機的特點如下。

表3 三種氫氣壓縮機技術(shù)對比

通過三類壓縮機對比，建議選擇金屬隔膜壓縮機或電動液驅(qū)壓縮機。

圖2 隔膜壓縮機（左）和液壓壓縮機（右）

3.2 加氫撬

加氫撬主要為氫氣加注設(shè)備，即加氫機，其主要部件，包括閥門、管路、質(zhì)量流量計、電磁閥等的材料均為316L 或316SS 不銹鋼，但上述材料都經(jīng)過特殊處理以應(yīng)對氫脆現(xiàn)象，如控制鎳、鉻含量。依據(jù)《GB/T 31138-2014 汽車用壓縮氫氣加氣機》的要求，加氫機的加氫速度應(yīng)不大于3.6kg/min，其目的在于防止加注過程中溫升過快導(dǎo)致車載供氫系統(tǒng)的損壞，特別是車載儲氫罐。

根據(jù)氫燃料電池汽車情況，建議采取雙閥雙槍的模式，一般配備TK16 和TK25 兩種加氫槍，可同時對兩輛汽車實現(xiàn)加注[5]。

表4 加氫機技術(shù)參數(shù)

3.3 儲氫撬

儲氫撬主要為現(xiàn)場儲存氫氣的設(shè)備，有固定式高壓儲氫容器和無縫管式儲氫瓶兩種形式。國內(nèi)目前的固定式高壓儲氫容器主要以鋼帶錯繞式高壓儲氫容器為主，容器的壽命較長、容積較大，一般水容積在1～20m3，工作壓力為47MPa 和98MPa。該容器參考國家標準 《GB/T 26466-2011 固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》[6]。

無縫管式儲氫瓶用于充裝高壓氫氣，由單個或者多個鋼質(zhì)無縫管式儲氣瓶、管道、閥門與管件等組成，主要用于將氫氣由產(chǎn)地運往加氫站或直接放置在加氫站作為站內(nèi)儲氫容器使用。目前長管氣瓶水容積一般在500～2000L 之間，主要有20MPa 和45MPa 兩種壓力等級，45MPa 長管氣瓶只能用于加氫站儲氫，不能用于運輸，是目前國內(nèi)加氫站使用最多的儲氫形式。因此，對于撬裝加氫裝置來說，建議采用管式儲氫瓶的儲氫形式。

圖3 固定儲氫容器（左）和儲氫瓶（右）

3.4 配套撬

配套撬主要包括冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，其中冷卻系統(tǒng)主要為風冷冷凍機及換熱器，設(shè)置在加氫機進口端，使氫氣預(yù)冷至-20 ℃，保證快速、高效加氫，相關(guān)設(shè)備國內(nèi)制造企業(yè)較多。

控制系統(tǒng)主要由設(shè)備自控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、加氫機控制系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)共同完成對整個加氫站的集中監(jiān)視、管理和自動控制，確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運行[7]。

輔助系統(tǒng)主要包括房體、卸氣柱、氮氣瓶組、管線閥門、防雷設(shè)施、維保工具等。撬裝加氫裝置的房體設(shè)計保證整橇內(nèi)部通風，整橇噪音≤85dB，便于整橇吊裝和運移。卸氣柱為卸車專用設(shè)備，工作壓力一般為25MPa。管路和閥門的選擇方面要考慮耐高壓、抗氫脆的要求。除此以外，為提高加氫裝置的安全性，還需要設(shè)置氫氣集中放散系統(tǒng)。

圖4 控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

（1）撬裝加氫裝置具有占地面積小、投資成本低、施工工期短、設(shè)備安裝擴容方便的特點，能在較短時間內(nèi)滿足客戶的加氫需求，可以作為固定加氫站的重要補充。

（2）總體上，我國已具備設(shè)計建設(shè)35MPa 加氫站的能力，關(guān)鍵設(shè)備如加氫機、壓縮機、儲氫瓶組均有相應(yīng)設(shè)計制造單位，部分已具備國際水平，但壓縮機的設(shè)計制造水平距國際水平略有差距。在目前國際流行的70MPa 加氫站及關(guān)鍵設(shè)備方面，需要加大研發(fā)投入力度，爭取早日實現(xiàn)裝備設(shè)計制造的國產(chǎn)化。