商業(yè)加氫站的工程實(shí)踐

狄 偉， 劉 瑋， 劉 飛， 李育磊

(國家能源集團(tuán)氫能科技有限責(zé)任公司，北京100007)

1 概述

氫燃料電池汽車是氫能應(yīng)用的主要發(fā)展方向，加氫站作為向氫燃料電池汽車提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施，是氫能產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化中十分關(guān)鍵、不可或缺的。中國氫能聯(lián)盟于2019年6月23日發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(2019)》數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全球加氫站數(shù)量達(dá)到369座，我國投入運(yùn)營的加氫站有27座，其中固定式加氫站僅11座。隨著我國氫燃料電池汽車市場的持續(xù)發(fā)展，加氫站的建設(shè)正在被加快提上議事日程。

與國外相比，我國加氫站技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化開發(fā)起步較晚。盡管國內(nèi)各地陸續(xù)出臺(tái)氫能產(chǎn)業(yè)的扶持政策，并有超過40個(gè)加氫站項(xiàng)目在建[1]，但大部分站點(diǎn)未按照商業(yè)化運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。本文以如皋加氫站為例，對(duì)商業(yè)加氫站的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

2 工程概況

如皋加氫站位于江蘇省南通市如皋國家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是國內(nèi)首個(gè)雙模加注壓力(35、70 MPa)商業(yè)加氫示范站，屬于站外制氫加氫站。

在2019年7月完成全站管道及設(shè)備安裝后，如皋加氫站僅用28 d就實(shí)現(xiàn)了35 MPa加氫全流程的聯(lián)合調(diào)試一次成功，并在如皋市第四屆國際氫能及燃料電池汽車大會(huì)期間開展了為期3 d的試運(yùn)營，完成12輛氫燃料電池商用車(10輛大巴車、2輛物流車)的加注，累計(jì)加注量達(dá)70 kg。2019年11月21日，70 MPa加氫全流程調(diào)試成功，并成功完成了豐田mirai汽車加注，加注率達(dá)到98%以上，符合國際SAE標(biāo)準(zhǔn)。目前，如皋加氫站具備了35、70 MPa雙模氫氣加注壓力的24 h運(yùn)營能力，整站驗(yàn)收與商業(yè)運(yùn)營準(zhǔn)備工作將于近期完成。

3 加氫站的工程實(shí)踐

3.1 立項(xiàng)審批

項(xiàng)目在2017年7月完成土地掛牌競拍和投資項(xiàng)目預(yù)審意見批復(fù)，同年12月取得建設(shè)用地不動(dòng)產(chǎn)登記許可證(土地證)和項(xiàng)目備案，于2018年8月取得施工許可證后開工建設(shè)。項(xiàng)目按照如皋市加氫站項(xiàng)目審批流程，依次完成了建筑工程審圖、節(jié)能和綠化審查、消防設(shè)計(jì)審查、環(huán)境預(yù)評(píng)價(jià)、防雷設(shè)計(jì)審查、安全預(yù)評(píng)價(jià)及安全設(shè)施設(shè)計(jì)審查等18項(xiàng)審批事項(xiàng)，取得了施工許可證、消防合格證、特種壓力充裝許可證、燃?xì)饨?jīng)營許可證等相關(guān)證照14個(gè)。

3.2 主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》、GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 34584—2017《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》、GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)》、GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》、GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》、GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》、TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》、GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》。

3.3 設(shè)計(jì)與施工

① 放空管的選材

GB 50516—2010第6.5.1條規(guī)定，加氫站氫氣管道應(yīng)具有與氫氣相容特性，宜采用無縫鋼管或者高壓無縫鋼管。但是對(duì)于氫氣放空管整體材質(zhì)并沒有做出明確的強(qiáng)制要求，僅在第6.5.4條第1款(強(qiáng)制條款)中要求：阻火器后端的放空短管應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)。在第6.5.4條第1款強(qiáng)制要求的基礎(chǔ)上，加氫站放空管整體采用了316不銹鋼，并增加了內(nèi)拋光處理工序，在運(yùn)行前進(jìn)行管道粉塵吹掃處理，有效杜絕了氫氣高速通過時(shí)摩擦產(chǎn)生電火花的可能性。而且在帶氫調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行安全緊急泄放時(shí)，放空管外壁溫度最高能達(dá)到90 ℃，因此放空管整體采用316不銹鋼是非常有必要的。

② 壓力管道(容器)設(shè)計(jì)與驗(yàn)收

加氫站的工藝管道按照壓力分為低壓管道(工作壓力<1.2 MPa)、中壓管道(1.2 MPa≤工作壓力≤25 MPa)和高壓管道(25 MPa<工作壓力<96 MPa)，按照介質(zhì)分為氫氣管道、氮?dú)夤艿篮头趴展艿?，根?jù)質(zhì)量監(jiān)督部門監(jiān)管類別又嚴(yán)格區(qū)分為壓力管道(工業(yè)管道)和非壓力管道。

為了杜絕高壓管道出現(xiàn)爆裂、泄漏或燃燒爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格按照GB 50516—2010第6.5節(jié)、GB 50177—2005第12章相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，并通過了壓力試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)(參照GB 50177—2005第12章、TSG D0001—2009第4章第5節(jié)的相關(guān)內(nèi)容)。針對(duì)GC1、GC2類別的壓力管道，向地方質(zhì)量監(jiān)督部門申報(bào)監(jiān)檢，領(lǐng)取特種設(shè)備使用登記許可證。

對(duì)于固定式壓力儲(chǔ)氫罐(第三類壓力容器)，嚴(yán)格遵照TSG 21—2016的相關(guān)要求，在制造廠內(nèi)完成壓力試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)后運(yùn)抵加氫站現(xiàn)場，在加氫站再次通入氮?dú)膺M(jìn)行氣壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)(嚴(yán)格遵照TSG 21—2016的相關(guān)要求)合格后方可投入使用。

為了保障加氫站工藝系統(tǒng)安全運(yùn)行，在出現(xiàn)超壓情況時(shí)能夠安全泄放，根據(jù)GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010規(guī)定，制定了安全閥、阻火器設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。全站均采用直接載荷彈簧式安全閥、阻爆轟型阻火器，并逐一報(bào)送江蘇省特檢單位進(jìn)行校驗(yàn)、檢測。

③ 電力系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)與施工

依據(jù)GB 50516—2010、GB 50058—2014等標(biāo)準(zhǔn)，加氫站內(nèi)進(jìn)行了涵蓋供配電、電氣系統(tǒng)防爆、防雷和防靜電等的電力系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)。

在電氣系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)施工中，根據(jù)GB 50058—2014第3.2節(jié)將設(shè)備區(qū)劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)、2區(qū)。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的電氣線路施工時(shí)，電纜一律穿鍍鋅鋼管保護(hù)，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)隔離密封。針對(duì)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)備配電線纜采用ZBN-YJV-0.6/1kV型阻燃耐火型線纜，低壓電纜(指電壓10 V以內(nèi)，電流為4～20 mA的自控信號(hào)電纜)均采用ZB-YJV-0.6/1kV型阻燃(B級(jí))銅芯交聯(lián)電力電纜。爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的儀表全部采用防爆等級(jí)不低于氫氣爆炸混合物的級(jí)別、組別(ⅡCT1)，以確保安全生產(chǎn)。對(duì)于儲(chǔ)氫罩棚等有爆炸危險(xiǎn)的隔離區(qū)域，專門增設(shè)自通風(fēng)排氣帽和事故排風(fēng)機(jī)(防爆型)，并與火災(zāi)報(bào)警和氣體檢測系統(tǒng)(Fire Alarm and Gas Detector System，簡稱FGS)的濃度報(bào)警裝置進(jìn)行連鎖。

在防雷接地設(shè)計(jì)施工上，全站區(qū)域內(nèi)所有的設(shè)備基礎(chǔ)、金屬管道、建筑物金屬結(jié)構(gòu)、進(jìn)線配電箱的PE母排等全部進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，采用熱鍍鋅扁鋼暗埋于廠區(qū)地下作為接地網(wǎng)(扁鋼埋深1 m，接地電阻不大于1 Ω)。接地端子與接地網(wǎng)之間用螺栓緊固連接，對(duì)有振動(dòng)、位移的設(shè)備和管道，其連接處加撓性連接線過渡。

在防靜電設(shè)計(jì)施工中，對(duì)生產(chǎn)區(qū)進(jìn)出處、爆炸危險(xiǎn)區(qū)域邊界、管道分支處及長距離無分支管道每隔50 m處均設(shè)防靜電接地，電阻均不應(yīng)大于10 Ω。所有工藝設(shè)備、管道均設(shè)置防靜電接地裝置，管道法蘭全部采用截面積不小于6 mm2多股銅導(dǎo)線跨接。

3.4 安全控制系統(tǒng)

為了確保運(yùn)營安全可靠，加氫站除進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)(安全閥、緊急切斷閥、緊急泄放閥、拉斷閥等)外，還部署了FGS、ESD(緊急停車裝置)系統(tǒng)以及可視化站控運(yùn)營控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸、設(shè)備自動(dòng)控制、緊急情況自動(dòng)響應(yīng)及視頻監(jiān)控和報(bào)警等多維一體的安全防控。

FGS重點(diǎn)監(jiān)控加氫島、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐區(qū)、卸氣柱區(qū)等易產(chǎn)生氫氣泄漏和氫氣聚集的區(qū)域，監(jiān)測氫氣泄漏濃度、明火源和超溫風(fēng)險(xiǎn)源。根據(jù)氫氣泄漏濃度執(zhí)行聲光報(bào)警與風(fēng)機(jī)強(qiáng)排功能，并與ESD系統(tǒng)連鎖，執(zhí)行緊急停車指令。預(yù)留消防信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)端口，及時(shí)向站區(qū)負(fù)責(zé)人及消防部門的集控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。

當(dāng)加氫站設(shè)備、管道及相關(guān)設(shè)施出現(xiàn)緊急情況時(shí)(超溫、超壓、著火、非法入侵、意外斷電等)，由ESD系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施進(jìn)行安全保護(hù)動(dòng)作，防止危險(xiǎn)擴(kuò)散造成更大事故。

可視化的站控運(yùn)營系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)、FGS、ESD系統(tǒng)的一體化、智能化、可視化的集成，為加氫站運(yùn)行管理人員的值守、安全監(jiān)控和運(yùn)營管理提供更便捷高效的操作體驗(yàn)。

3.5 調(diào)試和試運(yùn)行

為了保障加氫站調(diào)試和試運(yùn)行的依法合規(guī)、安全高效，依照《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》、GB 4962—2008等法律和標(biāo)準(zhǔn)，并借鑒國內(nèi)外加氫站系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行管理制度、工作規(guī)范，編制了《如皋加氫站系統(tǒng)調(diào)試和試生產(chǎn)安全管理規(guī)程》，形成了調(diào)試和試運(yùn)行過程中的安全作業(yè)管理規(guī)程、工作票制度、專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案管理規(guī)程、消防安全管理規(guī)程等安全管理制度。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理明晰加氫站調(diào)試和試運(yùn)行作業(yè)流程，制定加氫站調(diào)試技術(shù)大綱。按照調(diào)試技術(shù)大綱規(guī)定的業(yè)務(wù)流程，從調(diào)試前準(zhǔn)備和核查工作、設(shè)備的單機(jī)調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試(試運(yùn)行)，到加氫站調(diào)試專用物資保障等方面，研究編制形成《如皋加氫站調(diào)試工作組織方案》(以下簡稱《方案》)。按照《方案》明確加氫站調(diào)試工作機(jī)制、人員組織和崗位職責(zé)，制定調(diào)試計(jì)劃、應(yīng)急預(yù)案、人員和物資保障方案以及安全檢查、隱患排查和整改督導(dǎo)機(jī)制等。從而形成調(diào)試和試運(yùn)行的全過程設(shè)計(jì)、多層次復(fù)核、各環(huán)節(jié)監(jiān)控、多方人員協(xié)同的風(fēng)險(xiǎn)排查與操作可控的管理機(jī)制，確保調(diào)試成功和試運(yùn)行的順利展開。

3.6 氫品質(zhì)管理

如皋加氫站依據(jù)GB/T 37244—2018對(duì)車用氫燃料電池用氫涉及的CO、總硫、甲醛、甲酸、氨、總鹵化物和最大顆粒物物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)等指標(biāo)的具體要求，要求氫氣供應(yīng)商必須針對(duì)上述雜質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)出具專門的檢測報(bào)告，有效保障氫氣品質(zhì)滿足聚全氟磺酸類質(zhì)子交換膜燃料電池車要求，而不是目前大部分氫氣供應(yīng)商依據(jù)GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫氣》和GB/T 3634.2—2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》，按照工業(yè)氫氣提供的高純氫品質(zhì)。

4 結(jié)語

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)資源、裝備供應(yīng)鏈、施工組織、調(diào)試隊(duì)伍、審批流程的多環(huán)節(jié)實(shí)踐，探索出一套商業(yè)化加氫站建設(shè)和經(jīng)營審批流程，積累形成了加氫站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。以加氫站本質(zhì)安全體系構(gòu)建和保障氫氣高品質(zhì)供給為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)出設(shè)計(jì)與施工、安全控制系統(tǒng)、調(diào)試和試運(yùn)行、氫品質(zhì)管理等方面的實(shí)踐成果。