自備制氫加氫站技術(shù)方案分析

李 迎(陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安710043)

1 概述

近年來(lái)，氫能以其燃燒產(chǎn)物潔凈、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，加氫站也得到一定的發(fā)展。加氫站的氫氣來(lái)源因地區(qū)、城市資源的不同，采取不同的氫氣生產(chǎn)方法而獲得氫氣，氣源成為加氫站建設(shè)的制約因素。

本文以某加氫站為例，加氫設(shè)計(jì)規(guī)模為1 000 kg/d，設(shè)計(jì)2種方案。方案1：供氫方式采用自備制氫系統(tǒng)和氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，2種方式互為備用關(guān)系，不同時(shí)進(jìn)行，自備制氫系統(tǒng)既作為該加氫站的氣源，又可給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝，作為其他加氫站的氣源。方案2：供氫方式采用自備制氫系統(tǒng)和氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，兩種方式互為備用關(guān)系，不同時(shí)進(jìn)行，自備制氫系統(tǒng)不給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝，僅作為該加氫站的氣源。針對(duì)上述2種方案，分別從總平面布置、建站等級(jí)、工藝流程、消防給水系統(tǒng)、氫氣純度等方面進(jìn)行分析，探討加氫站不同技術(shù)方案的特點(diǎn)。

2 供氫方式

本文中供氫方式是指加氫站的氣源供應(yīng)方式。

已有的加氫站的供氫方式主要有以下3種：氫氣長(zhǎng)管拖車從氫氣生產(chǎn)工廠將氫氣運(yùn)輸至加氫站；從氫氣生產(chǎn)工廠(或車間)以氫氣管道將氫氣輸送至加氫站；加氫站內(nèi)自備制氫裝置獲得氫氣后，以氫氣管道將氫氣輸送至加氫系統(tǒng)。

制氫方式主要有以下3種：水電解制氫，以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫。

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50516—2010)第3.0.1條規(guī)定，加氫站可采用氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸、管道輸送或自備制氫系統(tǒng)等方式供氫。根據(jù)GB 50516—2010的條文說(shuō)明第3.0.1條，由于制氫成本等因素，對(duì)于自備制氫系統(tǒng)供氫方式，主要采用水電解制氫裝置或天然氣重整制氫裝置，制取氫氣經(jīng)加壓、儲(chǔ)存后供應(yīng)。

加氫站供氫方式可以采用上述單一方式，也可以采用2種或3種共同供應(yīng)方式。

3 方案1

3.1 總平面布置

方案1總平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 方案1總平面布置

由于制氫部分制取的氫氣用途既對(duì)內(nèi)又對(duì)外，因此，在總平面布置時(shí)，不能簡(jiǎn)單地以自備制氫加氫站對(duì)待，而是制氫部分與加氫部分應(yīng)按兩個(gè)獨(dú)立功能的站對(duì)待。兩個(gè)站之間的防火間距按站外考慮。

制氫部分總平面布置時(shí)，按氫氣站考慮。氫氣站、氫氣罐與建筑物、構(gòu)筑物的防火間距按GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50177—2005)第3.0.2條表3.0.2執(zhí)行。氫氣站、氫氣罐與鐵路、道路的防火間距按GB 50177—2005第3.0.3條表3.0.3執(zhí)行。氫氣站工藝裝置內(nèi)的設(shè)備、建筑物平面布置的防火間距按GB 50177—2005第6.0.2條表6.0.2執(zhí)行，同時(shí)還應(yīng)滿足GB 50177—2005中相關(guān)規(guī)定的要求。

加氫部分總平面布置時(shí)，站內(nèi)設(shè)施之間的防火間距按GB 50516—2010第5.0.1條執(zhí)行。加氫部分的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火間距按GB 50516—2010第4.0.4條執(zhí)行，同時(shí)還應(yīng)滿足GB 50516—2010中相關(guān)規(guī)定的要求。

總平面布置按兩個(gè)獨(dú)立功能的站布置，占地120.0 m×105.5 m，面積為12 660.0 m2，占地較多。

制氫部分給加氫部分供氫并給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝，服務(wù)車輛單一。制氫部分總平面布置按功能劃分為制氫部分工藝裝置區(qū)、充裝區(qū)、消防泵房、消防水池、輔助用房。制氫部分工藝裝置區(qū)將水電解制氫裝置、氫氣罐、制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)、放空管集中布置。充裝區(qū)是給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝的區(qū)域，設(shè)置3個(gè)充裝口、3個(gè)氫氣長(zhǎng)管拖車固定停車位，可以同時(shí)停放3輛氫氣長(zhǎng)管拖車，遠(yuǎn)離輔助用房，避免閑雜人員進(jìn)入。輔助用房為單層建筑。

加氫部分的服務(wù)對(duì)象是面向社會(huì)的公交車、乘用車、商用車等氫燃料電池汽車。加氫部分總平面布置按功能劃分為卸車區(qū)、加氫部分工藝裝置區(qū)、加氫罩棚、站房。卸車區(qū)是氫氣長(zhǎng)管拖車卸車的區(qū)域，設(shè)置2個(gè)氫氣長(zhǎng)管拖車固定停車位，可以同時(shí)停放2輛氫氣長(zhǎng)管拖車。加氫部分工藝裝置區(qū)屬易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所，盡量避免人員進(jìn)入，同時(shí)考慮管道布置順暢，將工藝設(shè)備集中布置。加氫機(jī)置于加氫罩棚下。站房為單層建筑，將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。

制氫部分和加氫部分的進(jìn)、出口分開(kāi)設(shè)置。根據(jù)GB 50177—2005第3.0.1條，制氫部分東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)(圖1中的方向?yàn)樯媳毕履稀⒆笪饔覗|，以下同)及制氫部分和加氫部分之間用高度不低于2.5 m的不燃實(shí)體圍墻隔開(kāi)。根據(jù)GB 50516—2010第5.0.2條，加氫部分東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)用高度不低于2.2 m的不燃實(shí)體圍墻隔開(kāi)。面向進(jìn)、出口道路的一側(cè)開(kāi)放。整體考慮消防給水系統(tǒng)并留有消防環(huán)形通道，方便事故狀況下消防車輛進(jìn)出。

根據(jù)GB 50516—2010第6.2.2條規(guī)定，自產(chǎn)氫氣采用壓縮機(jī)加壓進(jìn)行高壓儲(chǔ)存時(shí)，氫氣進(jìn)入氫氣壓縮機(jī)前應(yīng)設(shè)置緩沖罐。緩沖罐設(shè)置在加氫部分。在制氫部分，為了保護(hù)制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)，減少壓縮機(jī)開(kāi)啟頻率，節(jié)約能源消耗，水電解制氫裝置制取的氫氣在進(jìn)入制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)前設(shè)置氫氣罐。

3.2 主要設(shè)備

制氫部分主要設(shè)備一覽表見(jiàn)表1，加氫部分主要設(shè)備一覽表見(jiàn)表2。本文中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指0 ℃、101.325 kPa時(shí)的狀態(tài)。

表1 制氫部分主要設(shè)備一覽表

表2中，壓縮機(jī)冷水機(jī)組和加氫機(jī)冷水機(jī)組的冷卻水均為閉式循環(huán)水。壓縮機(jī)冷水機(jī)組是給加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)提供冷卻水，加氫機(jī)冷水機(jī)組是給加氫機(jī)前的換熱器提供冷卻水，氫氣和冷卻水通過(guò)換熱器進(jìn)行換熱。

表2 加氫部分主要設(shè)備一覽表

3.3 建站等級(jí)

3.3.1 儲(chǔ)氫罐總?cè)萘坑?jì)算

本文中將氫氣儲(chǔ)氣瓶組、緩沖罐、氫氣罐、氫氣長(zhǎng)管拖車氫氣儲(chǔ)氣瓶組統(tǒng)稱為儲(chǔ)氫罐。

加氫站等級(jí)劃分按GB 50516—2010第3.0.2條執(zhí)行。在進(jìn)行加氫站等級(jí)劃分時(shí)，應(yīng)按儲(chǔ)氫罐總?cè)萘?以總質(zhì)量m計(jì))劃分。

3.3.2 建站等級(jí)劃分

制氫部分各儲(chǔ)氫罐相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3，加氫部分各儲(chǔ)氫罐相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。表4中，氫氣儲(chǔ)氣瓶組及氫氣長(zhǎng)管拖車氫氣儲(chǔ)氣瓶組單罐(組)容量為單組容量，緩沖罐單罐(組)容量為單罐容量。

表3 制氫部分各儲(chǔ)氫罐相關(guān)技術(shù)參數(shù)

表4 加氫部分各儲(chǔ)氫罐相關(guān)技術(shù)參數(shù)

表4中，各儲(chǔ)氫罐工作溫度均為常溫，可按300 K考慮。據(jù)文獻(xiàn)[1]表4-110查得相應(yīng)工況下的氫氣的密度，經(jīng)計(jì)算得到各儲(chǔ)氫罐單罐(組)容量，經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算可得儲(chǔ)氫罐總?cè)萘縨為975.6 kg。

根據(jù)GB 50177—2005，制氫部分無(wú)等級(jí)劃分。根據(jù)GB 50516—2010第3.0.2條表3.0.2規(guī)定，在m≤1 000 kg，且儲(chǔ)氫罐單罐容量≤500 kg條件時(shí)，為三級(jí)加氫站。根據(jù)上文分析，本項(xiàng)目?jī)?chǔ)氫罐總?cè)萘縨<1 000 kg，各儲(chǔ)氫罐單罐(組)容量<500 kg。因此，本項(xiàng)目由氫氣站和三級(jí)加氫站組成。

需要說(shuō)明的是，緩沖罐設(shè)置在加氫部分，在進(jìn)行加氫站等級(jí)劃分時(shí)，應(yīng)將緩沖罐的容量計(jì)算在內(nèi)。若緩沖罐設(shè)置在制氫部分，在進(jìn)行加氫站等級(jí)劃分時(shí)，不應(yīng)將緩沖罐的容量計(jì)算在內(nèi)。

3.4 工藝流程

3.4.1 工藝流程框圖

工藝流程可分為制氫流程、卸車流程、增壓流程、加氫流程4部分。方案1工藝流程框圖見(jiàn)圖2。

圖2 方案1工藝流程框圖

3.4.2 制氫流程

制氫采用水電解制氫，水電解后的氫氣壓力為1.0 MPa，經(jīng)制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)增壓至20.0 MPa，一路通過(guò)充裝口給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝，一路去加氫部分緩沖罐。制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)的出口壓力應(yīng)和加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力一致，最高工作壓力為20.0 MPa。

3.4.3 卸車流程

氫氣長(zhǎng)管拖車進(jìn)入站區(qū)加氫部分氫氣長(zhǎng)管拖車固定停車位，固定車輛并連接卸車軟管，通過(guò)氫氣卸氣柜將氫氣從氫氣長(zhǎng)管拖車氫氣儲(chǔ)氣瓶組內(nèi)卸載，并輸送至加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)。當(dāng)氫氣長(zhǎng)管拖車氫氣儲(chǔ)氣瓶組內(nèi)氫氣壓力低于設(shè)定值時(shí)，停止卸車，脫離卸車軟管，移走車輛限位卡，氫氣長(zhǎng)管拖車駛離本站。

3.4.4 增壓流程

來(lái)自氫氣卸氣柜或制氫系統(tǒng)的氫氣經(jīng)過(guò)加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)增壓，去往氫氣儲(chǔ)氣瓶組或加氫機(jī)。在加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)前總管道上設(shè)置緊急切斷閥，用于緊急情況下對(duì)氣源的切斷，且加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)設(shè)置必要的連鎖控制系統(tǒng)。

3.4.5 加氫流程

加氫系統(tǒng)主要包括高壓氫氣管道和加氫機(jī)。從氫氣儲(chǔ)氣瓶組出來(lái)的氫氣由管道輸送至加氫機(jī)，經(jīng)加氫機(jī)加注到氫燃料電池汽車內(nèi)。當(dāng)氫氣儲(chǔ)氣瓶組壓力較低時(shí)，從加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)出來(lái)的氫氣直接由管道輸送至加氫機(jī)，經(jīng)加氫機(jī)加注到氫燃料電池汽車內(nèi)。加氫機(jī)上安裝壓力傳感器、過(guò)壓保護(hù)裝置、軟管拉斷保護(hù)裝置等。

3.5 消防給水系統(tǒng)

GB 50516—2010第7.1.1條規(guī)定，加氫站應(yīng)設(shè)消防給水系統(tǒng)。消防給水系統(tǒng)根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50016—2014(2018年版))第8章及GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50974—2014)第3.1節(jié)、第3.4.12條、第3.6.2條等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。

站房及輔助用房均為單層建筑，根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)第8.1.2條，可不設(shè)室外消火栓系統(tǒng)；根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)第8.2.1條，可不設(shè)室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。

根據(jù)GB 50974—2014第3.1.1條及GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(2018年版)第8.4.2條，消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)按制氫部分儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘?以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積計(jì)，以下同)、加氫部分儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘績(jī)烧咧休^大者進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)GB 50974—2014第3.4.12條，表3.4.12注1，計(jì)算儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘?。依?jù)表3、4中數(shù)據(jù)，計(jì)算可得制氫部分儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘繛?0 909.0 m3，加氫部分儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘繛?4 604.0 m3，可見(jiàn)，加氫部分儲(chǔ)氫罐的總?cè)萘枯^大，因此，應(yīng)按此進(jìn)行消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

根據(jù)GB 50974—2014第3.4.12條室外消火栓設(shè)計(jì)流量為20 L/s。根據(jù)GB 50974—2014第3.6.2條，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不小于3 h。因此，本工程按照火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3 h考慮，設(shè)置有效容積為216 m3的消防水池。

3.6 氫氣純度

根據(jù)GB 50516—2010第6.1.1條，加氫站進(jìn)站氫氣的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3634《工業(yè)氫氣》(以下簡(jiǎn)稱GB 3634)或GB/T 7445《純氫、高純氫和超純氫》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 7445)中規(guī)定的氫氣和高純氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前，GB 3634的版本為GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 3634.1—2006)，GB/T 7445的版本為GB/T 3634.2—2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 3634.2—2011)。根據(jù)GB/T 3634.1—2006第3.1條及GB/T 3634.2—2011第3.1條，考慮用于燃料電池汽車的氫氣質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，制氫系統(tǒng)制取的氫氣及氫氣長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸而來(lái)的氫氣的純度(體積分?jǐn)?shù))應(yīng)為99.999%。

4 方案2

方案2與方案1的區(qū)別是，制氫系統(tǒng)制取的氫氣僅作為該加氫站的氣源，沒(méi)有給氫氣長(zhǎng)管拖車充裝的功能。方案2的主要設(shè)備、建站等級(jí)、工藝流程、消防給水系統(tǒng)與方案1有一些差別，但類似，參見(jiàn)方案1。

方案2總平面布置見(jiàn)圖3。在總平面布置時(shí)，按自備制氫加氫站對(duì)待，即按一個(gè)站考慮，制氫系統(tǒng)按站內(nèi)制氫間對(duì)待，站內(nèi)設(shè)施之間的防火間距按GB 50516—2010第5.0.1條執(zhí)行，加氫站的氫氣工藝設(shè)施與站外建筑物、構(gòu)筑物的防火距離按GB 50516—2010第4.0.4條執(zhí)行，同時(shí)還應(yīng)滿足GB 50516—2010中相關(guān)規(guī)定的要求，制氫系統(tǒng)還應(yīng)符合GB 50177—2005的有關(guān)規(guī)定。

圖3 方案2總平面布置

按照上述要求進(jìn)行總平面布置，方案2占地95.0 m×83.0 m，面積為7 885.0 m2，與方案1相比，占地較少。

方案2的服務(wù)對(duì)象是面向社會(huì)的公交車、乘用車、商用車等氫燃料電池汽車，不為氫氣長(zhǎng)管拖車充裝，總平面布置不考慮充裝區(qū)?？偲矫娌贾冒垂δ軇澐譃樾盾噮^(qū)、工藝裝置區(qū)、加氫罩棚、站房、輔助用房、消防泵房、消防水池。卸車區(qū)是氫氣長(zhǎng)管拖車卸車的區(qū)域，設(shè)置2個(gè)氫氣長(zhǎng)管拖車固定停車位，可同時(shí)停放2輛氫氣長(zhǎng)管拖車。將所有工藝設(shè)備集中布置在工藝裝置區(qū)，根據(jù)其易燃易爆危險(xiǎn)特性，避免人員進(jìn)入。加氫機(jī)置于加氫罩棚下。站房及輔助用房均為單層建筑，將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。進(jìn)、出口分開(kāi)設(shè)置。根據(jù)GB 50516—2010第5.0.2條，周圍用高度不低于2.2 m的不燃實(shí)體圍墻隔開(kāi)，面向進(jìn)、出口道路的一側(cè)開(kāi)放。站區(qū)考慮消防給水系統(tǒng)并留有消防環(huán)形通道，方便事故狀況下消防車輛進(jìn)出。

在進(jìn)入加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)前設(shè)置緩沖罐，在進(jìn)入制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)前設(shè)置氫氣罐。

5 結(jié)語(yǔ)

方案1和方案2由于自備制氫系統(tǒng)制取氫氣的用途不同，其總平面布置等設(shè)計(jì)存在差異。在進(jìn)行加氫站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)供氫方式、自備制氫系統(tǒng)制取氫氣的用途及實(shí)際情況，在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及功能需求的前提下，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求方案最優(yōu)化。