氫能源有軌電車廠內(nèi)臨時加氫工藝探討

陳建邦

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

傳統(tǒng)有軌電車普遍采用接觸網(wǎng)供電。隨著社會和技術(shù)的發(fā)展，無接觸網(wǎng)供電技術(shù)成為現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展趨勢。近年來，大功率燃料電池技術(shù)取得了重大進(jìn)展，并成功在現(xiàn)代有軌電車上得到了應(yīng)用［1］。2015 年，青島四方機車車輛股份有限公司研制的氫能源有軌電車成功下線；2016年，佛山市高明區(qū)氫能源有軌電車示范線項目開工建設(shè)，同期氫能源有軌電車生產(chǎn)制造［2］。

鑒于氫燃料有軌電車通過氫氣介質(zhì)產(chǎn)生動能，車輛在生產(chǎn)制造調(diào)試階段面臨加氫問題，如何安全、高效解決臨時加氫，保障車輛運行，成為具有現(xiàn)實意義的研究課題。本文對高明氫能源有軌電車廠內(nèi)臨時加氫設(shè)備設(shè)施、工藝流程、安全等方面進(jìn)行研究探討，為類似項目臨時加氫提供參考。

1 特點

1.1 供電制式

高明氫能源有軌電車采用氫燃料電池作為牽引動力，氫動力系統(tǒng)主要包括燃料電池子系統(tǒng)、儲氫子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、DC－DC 電源裝置、動力電池和燃料電池能量控制系統(tǒng)等。其中，儲氫子系統(tǒng)為燃料電池供應(yīng)氫氣，包含氫氣的加注、儲存和供給。儲氫系統(tǒng)配置6個儲氫氣瓶，額定工作壓力為35 MPa，額定充裝體積為840 L，加滿后共儲存氫氣20 kg，續(xù)航里程可達(dá)80～100 km，加氫口位于M1 車車頂兩側(cè)，方便加氫操作。

1.2 臨時氫氣需求

根據(jù)車輛生產(chǎn)制造工序，列車編組完成后需要進(jìn)行14 天靜動態(tài)調(diào)試，以及列車型式試驗工作，需保證用氫量。結(jié)合廠區(qū)實際，為提高氫氣加注效率，應(yīng)滿足臨時氫氣增壓達(dá)到35 MPa。

2 臨時加氫設(shè)備設(shè)施配置

依據(jù)精簡、經(jīng)濟(jì)、安全的配置原則，高明氫能源有軌電車生產(chǎn)基地為列車配置的主要設(shè)備設(shè)施包括一段約40 m的臨時存車股道、一處臨時加氫區(qū)（約30 m2）、一臺氫氣增壓站（設(shè)計壓力為35 MPa，流量為6.6 kg／h）、一支加氫槍（設(shè)計壓力為35 MPa）、一個加氫梯或升降平臺等。具體加氫區(qū)規(guī)劃如圖1 所示。臨時加氫區(qū)域不設(shè)置氫氣儲罐，氫氣瓶組通過從工廠運送至臨時加氫指定區(qū)域。

圖1 加氫區(qū)規(guī)劃

2.1 加氫股道

為確保有軌電車加氫，需要在廠內(nèi)規(guī)劃設(shè)置臨時加氫股道40 m。由于車輛加氫口位于車頂，需要在加氫股道旁配置便攜式蹬車梯或升降平臺。

2.2 加氫區(qū)

加氫場地規(guī)劃硬化地面長6 m，寬5 m，面積為30 m2，用于升降平臺和加氫梯的放置；過道長17 m，寬1.5 m，面積為25.5 m2，便于升降平臺和加氫人員的進(jìn)出，滿足GB50177《氫氣站設(shè)計規(guī)范》中3.0.1 項的相關(guān)要求［3］。

高明氫能源有軌電車加氫口位于M1 模塊車頂中心處，以加氫口為圓點，半徑20 m范圍內(nèi)定義為安全防護(hù)區(qū)域，保證加氫過程中滿足GB4962《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》的“供氫站防火間距”要求，同時平行于股道方向和垂直于加氫車輛方向設(shè)置長為30 m、寬為30 m的臨時警示隔離帶［4］。

2.3 氫氣加注系統(tǒng)

臨時氫氣加注系統(tǒng)由低壓氫氣瓶組和增壓設(shè)備、加氫槍組成［5］。低壓氫氣瓶組（20 MPa）放置在危險品專用運輸車上，從工廠直接運輸?shù)郊託洮F(xiàn)場卸載，低壓氫氣瓶組由6～10 個小瓶組成，1 個瓶組內(nèi)每一支氫氣瓶并聯(lián)組成。在需要加注時，2 個低壓氫氣瓶組串聯(lián)對車輛進(jìn)行加注，加注完畢后駛離加注場地，減少對場地的占用并降低加注場地及周圍環(huán)境的安全隱患。增壓設(shè)備包含了氫氣增壓泵、控制閥門及儀表，可形成35 MPa高壓加注能力，通過加氫機充裝到有軌電車車載儲氫瓶中。該套系統(tǒng)可以通過手動控制閥門的開關(guān)大小位置來控制氫氣加注的速度，從而實現(xiàn)氫氣的安全加注。具體加注如圖2 所示。

圖2 氫能源列車氫氣加注

3 臨時加氫工藝

為了保證氫能源有軌電車臨時加氫的有效實施和安全防范措施到位，必須制定嚴(yán)格的工藝控制措施。

3.1 工藝流程策劃

為確保廠內(nèi)氫氣加注過程的高效實施，保障現(xiàn)場安全有序，策劃形成廠內(nèi)加氫工藝流程，具體加注工藝流程如圖3 所示。

圖3 氫能源列車臨時氫氣加注工藝流程

3.2 工藝措施

3.2.1 氫氣加注前整備

3.2.1.1 氫氣整備

氫氣組架經(jīng)汽車運輸至臨時加氫區(qū)域，應(yīng)滿足：

（1）氫氣組架已經(jīng)到位，氫氣組架最大工作壓力為20 MPa；

（2）叉車到位，用于氫氣組架的運輸；

（3）氫氣組架氫氣接入氫氣加注工裝；

（4）當(dāng)氫氣組架到達(dá)現(xiàn)場時，首先要將現(xiàn)場的地線接到瓶組架上的特定位置，以免靜電放電產(chǎn)生火花。

3.2.1.2 有軌電車整備

氫能源有軌電車經(jīng)公鐵兩用車調(diào)拉至加氫股道，應(yīng)滿足：

（1）有軌電車已經(jīng)完成車輛導(dǎo)通、絕緣耐壓、靜態(tài)調(diào)試、動力電池試驗、轉(zhuǎn)向試驗，除氫能源外滿足車輛動態(tài)試驗條件；

（2）有軌電車MC1 車，手動隔離開關(guān)K201 至于“斷開”位，整車處于斷電狀態(tài)；

（3）檢查車載加氫口，確認(rèn)無物理損壞。

3.2.1.3 加氫場地整備

加氫場地達(dá)到各類安全防護(hù)要求，應(yīng)滿足：

（1）加氫口下方防靜電接地處于工作狀態(tài)（接地電阻不得大于10 Ω）；

（2）加氫場地范圍必須處于防雷措施保護(hù)，且避雷針的高度必須高于氫氣放空管路的高度；

（3）加氫場地警示帶封閉，進(jìn)入加氫場地人員不得開手機、撥打電話、拍照或者錄像、攜帶火源，臨時警示隔離帶（半徑30 m）內(nèi)不得有明火，警示標(biāo)識到位，不得有機動車輛走動；

（4）加氫梯或升降平臺處于工作狀態(tài)；

（5）現(xiàn)場配備至少2 瓶干粉或二氧化碳滅火器。

3.2.1.4 人員整備

由于氫氣加注的專業(yè)性和危險性，必須由取得政府監(jiān)督部門頒發(fā)的相應(yīng)資質(zhì)（車用氣瓶充裝證，并接受過專業(yè)的氫氣加注實操培訓(xùn)）的專業(yè)技能人員，嚴(yán)格按照操作流程和規(guī)范進(jìn)行操作，無證人員不得擅自操作，并滿足：

（1）自身防護(hù)措施的自查，包括防靜電服和手套、安全帽、安全防護(hù)眼鏡、導(dǎo)靜電鞋，確保人員自身防護(hù)措施到位；

（2）自身物品的自查，將攜帶的電子產(chǎn)品（移動電話、對講機、相機等）置于控制室或其他遠(yuǎn)離氫氣加注現(xiàn)場的地方，禁止攜帶火種；

（3）攜帶工具的自查，確保攜帶的工具為銅質(zhì)工具，例如銅質(zhì)的扳手——用于加氫槍與氣源設(shè)備的連接；

（4）必備表單的檢查，確認(rèn)攜帶車輛加注記錄表和氫氣組架使用記錄表；

（5）加氫槍的檢查，確認(rèn)接口和接頭完備，加氫槍頭完好，認(rèn)真檢查并確認(rèn)氫氣充裝軟管與加氫槍之間的鏈接完好。

3.2.1.5 安全監(jiān)督整備

為了保證現(xiàn)場氫氣加注的安全，現(xiàn)場配置一名安全監(jiān)督人員，嚴(yán)格監(jiān)督落實相關(guān)安全措施，應(yīng)滿足：

（1）提前確認(rèn)計劃進(jìn)入隔離區(qū)域的人員信息；

（2）進(jìn)入隔離帶前，自查必備工具——手持氫氣檢漏儀（確保其正?？捎茫┖秃粑?；

（3）加注過程中，禁止無關(guān)人員進(jìn)入加注現(xiàn)場，并隨時用手持氫氣檢漏儀監(jiān)測車輛和氫氣組架周圍的氫氣濃度，檢查和禁止可能引起事故的現(xiàn)象，確保加注現(xiàn)場始終處于安全監(jiān)控之下。

3.2.2 氫氣加注

3.2.2.1 加注前準(zhǔn)備

加注前準(zhǔn)備如下。

（1）打開分閥。當(dāng)軟管、地線都接好后，緩慢打開氫氣組架上所有氣瓶的閥門，確認(rèn)全部閥門打開后可以進(jìn)行下一步。

（2）測漏。檢漏液測漏，當(dāng)分閥／總閥打開時，對軟管瓶組架接口和列車加氫接口進(jìn)行測漏?，F(xiàn)場至少配備2 個便攜式氫氣濃度檢測儀，實時對現(xiàn)場氫氣泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測，確認(rèn)沒有泄漏后可以進(jìn)行下一步。

（3）吹掃。目的是將氫氣充裝軟管中的空氣吹走，保證氣體的質(zhì)量，以達(dá)到純度要求。關(guān)閉加氫槍吹掃閥，打開瓶組架的總閥，讓氣體充滿軟管后將瓶組架總閥關(guān)閉，慢慢打開加氫槍的吹掃閥，將軟管里的氣體排出。注意排放的速度，當(dāng)軟管內(nèi)氣體壓力降低到0.2 MPa時，將吹掃閥關(guān)閉。最少要吹掃12次以上，然后關(guān)閉吹掃閥、瓶組架總閥。

3.2.2.2 加注

將加氫槍與待加注車輛連接，對車載儲氫容器進(jìn)行預(yù)充，當(dāng)瓶組架壓力與儲氫容器壓力平衡時，打開增壓機啟動增壓功能，直至加壓到35 MPa，停止充裝。

3.2.2.3 加注結(jié)束

關(guān)閉氫氣組架；關(guān)閉氫氣組架的總閥和所有氣瓶的閥門，拆除加氫槍。

3.2.3 氫氣加注結(jié)束后整備

3.2.3.1 加氫設(shè)備整備

氫氣組架與氫氣加注設(shè)備的分離；加氫槍存放于氫氣加注設(shè)備上，妥善放置，以免磕碰加氫槍；取下防靜電接地線，存放于專用存放處；氫氣組架運輸和裝卸至氫氣運輸車輛上。

3.2.3.2 車輛整備

待氫氣組架運輸車離開氫氣加注場地；氫氣加注設(shè)備整備完畢；確認(rèn)相關(guān)加注壓力數(shù)據(jù)，并最終完成加注數(shù)據(jù)的記錄手續(xù)；車輛調(diào)拉至動調(diào)試驗線。

3.2.3.3 加氫區(qū)域整備

加氫梯或升降平臺處于非工作狀態(tài)；加氫場地護(hù)欄撤離。

4 安全注意事項

氫氣屬于甲類易燃?xì)怏w，與空氣混合能形成爆炸混合物，爆炸極限范圍為4.1%～74.1%。試驗表明，由于氫氣密度很低，當(dāng)氫向一個敞開的空間泄漏后會迅速擴散，相對汽油燃料泄漏后向地面滴落，還會滲入縫隙，燃燒迅速、猛烈。因此，儲氫技術(shù)比汽油儲存要安全，只要有完善配套的氫泄漏探測、報警和緊急切斷裝置，氫用作燃料是安全的［6－7］。針對氫的特性，燃料電池有軌電車臨時加氫安全特別注意：

（1）臨時加氫區(qū)域安全防火距離滿足規(guī)范要求和保證現(xiàn)場警示隔離帶；

（2）氫氣加注設(shè)備滿足安全接地基礎(chǔ)上，各類加氫管路應(yīng)設(shè)置事故切斷閥或過流閥，遇到緊急情況下，能手動關(guān)閉或自動關(guān)閉；

（3）氫氣加注人員應(yīng)同時掌握高處作業(yè)和加氫作業(yè)兩項特種作業(yè)的安全操作規(guī)范和相關(guān)緊急預(yù)防措施；

（4）臨時加氫結(jié)束后，帶氫設(shè)備設(shè)施應(yīng)盡快撤離。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，氫燃料電池技術(shù)快速發(fā)展且在更多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如汽車、航空航天、船舶、軌道交通等。然而社會標(biāo)準(zhǔn)化加氫站建設(shè)規(guī)模及便利性仍存在許多不足，特殊情況下氫燃料電池車輛臨時加氫成為了現(xiàn)實迫切需要，政府及行業(yè)監(jiān)管部對車輛臨時加氫的工藝流程方法及安全保障措施提出了更高的要求。本文通過探討氫能源有軌電車廠內(nèi)臨時加氫的設(shè)備設(shè)施、工藝流程和安全防范措施，為行業(yè)提供借鑒參考。