氫能源有軌電車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)與維護(hù)管理

張 鋒

（佛山市軌道交通發(fā)展有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著能源革命的深入發(fā)展，軌道交通車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)方式逐步從蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)，供能方式也從煤炭、石油向電力發(fā)展。在電氣時(shí)代，軌道交通的供電方式在電網(wǎng)接觸送電的基礎(chǔ)上發(fā)展出了電容儲(chǔ)能和燃料電池發(fā)電等新型供電方式。燃料電池發(fā)電相對(duì)接觸送電和電容儲(chǔ)能的供電方式有著電力設(shè)備投資少和不受牽引供電制約的技術(shù)特點(diǎn)，較為適用于行車(chē)密度不高的中小運(yùn)量城市軌道交通，發(fā)展氫能源有軌電車(chē)是對(duì)有軌電車(chē)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充［1］。氫能源有軌電車(chē)的適用性關(guān)鍵表現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)期，因而在運(yùn)營(yíng)階段發(fā)現(xiàn)和掌握各設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)的規(guī)律是當(dāng)務(wù)之急。

本文根據(jù)佛山市高明區(qū)氫能源有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，圍繞涉氫區(qū)域管理、車(chē)輛的氫動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的安全設(shè)計(jì)和設(shè)備維保等核心業(yè)務(wù)，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上闡述氫動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)氫模塊的檢修要求，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)示范線項(xiàng)目首期工程線路起于滄江路路口北側(cè)，止于廣明高速前，沿高明荷富大道敷設(shè)，全線均為地面線。線路長(zhǎng)約6.57 km，設(shè)車(chē)站10座，平均站間距約705 m，設(shè)智湖停車(chē)場(chǎng)1座、加氫站1座和調(diào)度指揮中心1處，位于荷富大道東側(cè)智湖公園旁［2］。本項(xiàng)目車(chē)輛系統(tǒng)采用的是氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的鋼輪鋼軌100%低地板現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有軌電車(chē)相比采用了氫燃料電池作為動(dòng)力源。該車(chē)裝有6個(gè)140 L的儲(chǔ)氫瓶，加注一次氫氣可持續(xù)行駛約100 km，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)污染，全程“零排放”。

停車(chē)場(chǎng)內(nèi)設(shè)運(yùn)用庫(kù)、鏇輪庫(kù)，均屬于甲類廠房，采用單層門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)。

2 涉氫區(qū)域管理

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014（2018年版）3.1.1條的規(guī)定，對(duì)于使用或產(chǎn)生爆炸下限小于10%的氣體的廠房，應(yīng)定義其火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為甲類［3-4］。氫能源有軌電車(chē)的檢修庫(kù)和停車(chē)列檢棚，由于車(chē)輛檢修過(guò)程中不可避免需要使用氫氣，因此被定義為甲類庫(kù)房管理。在檢修過(guò)程中與傳統(tǒng)有軌電車(chē)檢修管理有著明確的特殊性，因此建議停車(chē)檢修庫(kù)房設(shè)計(jì)為開(kāi)放式庫(kù)棚減少氫氣聚集。

涉氫區(qū)域根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)頻次和持續(xù)時(shí)間，將運(yùn)用庫(kù)劃分為防爆1區(qū)和防爆2區(qū)，其中檢修平臺(tái)及以上為防爆1區(qū)，檢修平臺(tái)以下為防爆2區(qū)，有針對(duì)性地制定進(jìn)入相關(guān)區(qū)域的安全防范措施，并將運(yùn)用庫(kù)劃為防爆區(qū)域并封閉管理，通過(guò)建立白名單制度卡控人員進(jìn)出。涉氫區(qū)域內(nèi)任何作業(yè)（各類維修保養(yǎng)、檢修）前，務(wù)必使用手持式氫氣探測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)氫氣泄漏方可作業(yè)［5］。

2.1 防爆1區(qū)

（1）定義：正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

（2）區(qū)域設(shè)定：線路場(chǎng)/段的停車(chē)列檢線、月檢線、臨修線等設(shè)置頂棚的車(chē)庫(kù)，在帶氫電客車(chē)停放后，車(chē)頂平臺(tái)上方設(shè)定為防爆1區(qū)。

（3）管理措施：進(jìn)入該區(qū)域需穿防靜電服及鞋/鞋套，嚴(yán)禁在防爆1區(qū)內(nèi)穿脫防靜電服及鞋/鞋套；不得在該區(qū)域內(nèi)開(kāi)展任何動(dòng)火作業(yè)及點(diǎn)火、鉆孔、材料間摩擦、金屬敲擊、切割、焊接、臨時(shí)用電等任何容易產(chǎn)生火花的作業(yè)；不得帶入任何開(kāi)機(jī)狀態(tài)的手機(jī)、非防爆對(duì)講機(jī)等無(wú)線電設(shè)備；手電筒、萬(wàn)用表、PTU等生產(chǎn)設(shè)備必須使用防爆款；必須使用防爆插座，防爆插座插入或拔出時(shí)不得帶負(fù)載；不得在本區(qū)域內(nèi)存放任何其他類型易燃易爆、強(qiáng)氧化劑等危險(xiǎn)品。

2.2 防爆2區(qū)

（1）定義：正常運(yùn)行時(shí)不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

（2）區(qū)域設(shè)定：停車(chē)場(chǎng)/段停車(chē)列檢線、月檢線、臨修線等設(shè)置頂棚的車(chē)庫(kù)，在帶氫電客車(chē)停放后，庫(kù)內(nèi)除防爆1區(qū)外的其他區(qū)域?yàn)榉辣?區(qū)。

（3）管理措施：不得在該區(qū)域內(nèi)開(kāi)展任何動(dòng)火作業(yè)及鉆孔、材料間摩擦、金屬敲擊、切割、焊接等任何容易產(chǎn)生火花的作業(yè)；不得帶入任何開(kāi)機(jī)狀態(tài)的手機(jī)、非防爆對(duì)講機(jī)等無(wú)線電設(shè)備；不得在本區(qū)域內(nèi)存放任何其他類型易燃易爆、強(qiáng)氧化劑等危險(xiǎn)品。如作業(yè)（如司機(jī)作業(yè)、檢修作業(yè)）需要使用調(diào)度電話與調(diào)度聯(lián)系，須進(jìn)入車(chē)輛客室、司機(jī)室內(nèi)或工班房?jī)?nèi)。

3 有軌電車(chē)氫動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

高明氫能源有軌電車(chē)氫動(dòng)力系統(tǒng)主要包括氫燃料電池、儲(chǔ)氫模塊、冷卻模塊、DC-DC裝置、動(dòng)力電池等。為車(chē)輛提供持續(xù)安全穩(wěn)定的動(dòng)力來(lái)源。目前選用的氫燃料電池是加拿大Ballard公司提供的質(zhì)子交換膜燃料電池模塊，其理論使用壽命大約為12 000 h。氫動(dòng)力各個(gè)系統(tǒng)均與能量管理控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，受整車(chē)能量控制器進(jìn)行控制，根據(jù)不同工況，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，為整車(chē)提供電能［6］。氫動(dòng)力轉(zhuǎn)換如圖1所示。

圖1 氫動(dòng)力轉(zhuǎn)換示意圖

4 有軌電車(chē)儲(chǔ)氫模塊安全設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氫冷卻模塊儲(chǔ)氫系統(tǒng)滿足儲(chǔ)氫、供氫，儲(chǔ)氫系統(tǒng)滿足防爆要求。儲(chǔ)氫冷卻模塊的儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要由左/右加氫口組成、6個(gè)儲(chǔ)氫氣瓶、1個(gè)氫閥箱、各類管接頭、電器元件、氣管管路組成及骨架構(gòu)成。儲(chǔ)氫冷卻模塊爆炸示意圖如圖2所示［6］。

圖2 儲(chǔ)氫冷卻模塊爆炸示意圖

4.1 儲(chǔ)氫系統(tǒng)泄漏設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氫系統(tǒng)氫氣泄漏主要存在以下情況。

（1）氫瓶?jī)啥说慕M合瓶閥、尾堵總成溫度過(guò)高，PRD打開(kāi)泄放氫氣。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮降低氫瓶溫度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)能夠安全泄放。在氫瓶頂部增加罩板，罩板底部增加保溫棉，避免陽(yáng)光直照氫瓶，同時(shí)選用的組合瓶閥自帶溫度傳感器，通過(guò)溫度傳感器可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)氫瓶溫度。

（2）各器件及管路接頭未按照工藝文件要求施工，導(dǎo)致接頭漏氣。施工時(shí)需加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，產(chǎn)品裝車(chē)前對(duì)每套儲(chǔ)氫系統(tǒng)都進(jìn)行37MPa的保壓試驗(yàn)，確保儲(chǔ)氫系統(tǒng)各接頭的密封性。

（3）氫瓶及管路壓力過(guò)大，導(dǎo)致器件損壞、接頭漏氣。設(shè)計(jì)時(shí)需在高壓管路，即組合瓶閥位置增加高壓壓力變送器，在閥箱低壓管路位置增加低壓壓力變送器，通過(guò)壓力變送器隨時(shí)監(jiān)測(cè)氫系統(tǒng)壓力。

儲(chǔ)氫系統(tǒng)假如出現(xiàn)漏氣，可通過(guò)儲(chǔ)氫冷卻模塊中布置的各個(gè)氫濃度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器位于罩板下部，傳感器處于氫瓶和各電器件連接點(diǎn)位置，可以有效檢測(cè)氫氣泄漏位置。

4.2 安全泄放量

氫系統(tǒng)最大泄放量為組合瓶閥和尾堵總成部位，按照GB/T 33215-2016設(shè)計(jì)要求換算如下［7］：

組合瓶閥額定排放量為：

尾堵總成額定排放量為：

標(biāo)準(zhǔn)要求額定排放量不低于氣瓶的安全泄放量的50%，即設(shè)計(jì)選型滿足使用要求。

4.3 儲(chǔ)氫系統(tǒng)防爆措施

儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照EC79要求選用防爆部件［8］，防爆器件包含儲(chǔ)氫氣瓶、組合瓶閥、電磁閥、氫濃度傳感器。應(yīng)按要求選用防爆部件，同時(shí)儲(chǔ)氫氫瓶的組合瓶閥和尾堵總成器件設(shè)有安全排放口，管路中設(shè)有安全閥，當(dāng)儲(chǔ)氫氣瓶和管路壓力過(guò)高時(shí)，能夠通過(guò)安全泄放口進(jìn)行釋放，防止爆炸。安全泄放口位于儲(chǔ)氫系統(tǒng)頂部。儲(chǔ)氫系統(tǒng)位于車(chē)體頂部，氫氣可以迅速擴(kuò)散，避免氫氣堆積產(chǎn)生濃度過(guò)高引起爆炸事故。

5 儲(chǔ)氫模塊維護(hù)要求

氫能源有軌電車(chē)與傳統(tǒng)有軌電車(chē)相比，車(chē)輛檢修人員除需考取高、低壓電工證、特種設(shè)備操作證、特種設(shè)備安全管理員證外，還需考取車(chē)用高壓氣瓶充裝證、危險(xiǎn)化學(xué)品經(jīng)營(yíng)單位生產(chǎn)管理人員證。同時(shí)根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位要求全員接受氫能源專項(xiàng)安全培訓(xùn)和氫動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)廠家培訓(xùn)。

5.1 涉氫部件

氫能源有軌電車(chē)涉氫部件件主要包括燃料電池、儲(chǔ)氫罐、組合瓶閥、減壓閥、球閥、針閥、電磁閥、安全閥、過(guò)濾器、限流閥、單向閥、壓力表、壓力變送器等。

5.2 涉氫部件檢修

每周對(duì)各類涉氫部件進(jìn)行外觀檢查和氣密性檢測(cè)檢測(cè)；車(chē)輛上電狀態(tài)下，讀取相關(guān)減壓閥、電磁閥的工作狀態(tài)。涉氫部件相關(guān)的壓力表、儲(chǔ)氫罐等為特種設(shè)備均需按期送檢。

（1）外觀檢測(cè)。檢測(cè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)加氫口、壓力表、過(guò)濾器、不銹鋼管、各類管接頭＼閥、氫瓶＼變送器外漏部位的表面是否存在裂紋、磕碰、腐蝕、器件脫落等缺陷。

（2）儲(chǔ)氫系統(tǒng)氣密性檢測(cè)。使用手?jǐn)y氫濃度檢測(cè)儀和肥皂水對(duì)加氫口組件-左＼右、組合瓶閥部位、氫氣瓶尾部器件PRD、閥箱內(nèi)部、進(jìn)氣管路及尾部所對(duì)應(yīng)的不銹鋼管、各類管接頭＼閥及其他器件接頭部位進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)各器件及管路接頭部位無(wú)氫氣泄漏情況。

（3）測(cè)量冷卻液系統(tǒng)中冷卻液的電導(dǎo)率值，保證電導(dǎo)率值低于5 μs/cm

5.3 長(zhǎng)期停放及專項(xiàng)修時(shí)的維護(hù)、保養(yǎng)

車(chē)輛長(zhǎng)期停放時(shí)，需要存放于遠(yuǎn)離明火、易燃易爆、可燃物及操作溫度等于或高于燃點(diǎn)的設(shè)備，同時(shí)保證儲(chǔ)氫系統(tǒng)處于通風(fēng)狀態(tài)；如不具備以上存儲(chǔ)條件或長(zhǎng)期存放，要求將儲(chǔ)氫系統(tǒng)輸出部位球閥關(guān)閉，將儲(chǔ)氫系統(tǒng)中的氫氣置換成氮?dú)?，保持?chǔ)氫氣瓶中氮?dú)馓幱谡龎籂顟B(tài)（0.1～0.2MPa）。

5.4 專項(xiàng)修氫氮?dú)庵脫Q

氮?dú)庵脫Q的主要作用是排除儲(chǔ)氫系統(tǒng)內(nèi)的氫氣，使氣瓶及管路內(nèi)的氮?dú)猓ǘ栊詺怏w）濃度符合維護(hù)要求。氫氣置換的主要作用是排除儲(chǔ)氫系統(tǒng)內(nèi)的氮?dú)饧半s質(zhì)，使氣瓶及管路內(nèi)的氫氣濃度符合燃料電池使用要求。

5.4.1 需進(jìn)行氮?dú)庵脫Q的情況

出現(xiàn)以下情況時(shí)，需進(jìn)行氮?dú)庵脫Q：（1）車(chē)輛鏇輪及動(dòng)火作業(yè)；（2）氫氣瓶更換、檢測(cè)和維保；（3）車(chē)輛長(zhǎng)期停放或大修等。氮?dú)錃庵脫Q工藝流程如圖3所示。

圖3 氮?dú)錃庵脫Q工藝流程

5.4.2 氮?dú)庵脫Q操作流程

操作人員登車(chē)頂關(guān)閉與燃料電池連接的“球閥F1”、“球閥F2”（切斷與燃料電池氣路連接）。如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)氫瓶閥門(mén)示意圖

（1）氫氣瓶組氫氣排空泄壓：車(chē)內(nèi)技術(shù)人員使用專用電腦連打開(kāi)“電磁閥”，車(chē)頂操作人員把“排放針閥2”打開(kāi)，將氫瓶氫氣壓力降到0.2 MPa后立即關(guān)閉“電池閥”和“排放針閥2”。

（2）用氮?dú)膺M(jìn)行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮?dú)猓瑢淦炕旌蠚鈮毫ι? MPa后停止加注，拔出置換槍。

（3）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復(fù)步驟（1）排放泄壓。

（4）用氮?dú)膺M(jìn)行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮?dú)猓瑢淦炕旌蠚鈮毫ι? MPa后停止加注，拔出置換槍。

（5）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復(fù)步驟（1）排放泄壓。

（6）用氮?dú)膺M(jìn)行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮?dú)猓瑢淦炕旌蠚鈮毫ι? MPa立即停止加注，拔出置換槍。

（7）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復(fù)步驟（1）排放泄壓。

（8）為減少儲(chǔ)氫瓶氫氣濃度，保障作業(yè)安全，氮?dú)渲脫Q至少3次才算置換完畢。

置換計(jì)算：由（2/20）n=0.001，可求得n=3，即純度若想達(dá)到99.7%，至少需置換3次。

圖5 排放球閥示意圖

5.4.3 氫氣置換的情況

出現(xiàn)以下情況時(shí)，需進(jìn)行氫氣置換：新造、改造儲(chǔ)氫系統(tǒng)后的首次充裝前；需對(duì)氣瓶、管路進(jìn)行吹掃，清除雜質(zhì)的情況；氣瓶使用后剩余壓力小于等于0.1 MPa后；氣瓶存在其他氣體等。氫氮?dú)庵脫Q工藝流程如圖6所示。

圖6 氫氮?dú)庵脫Q工藝流程

5.4.4 氫氣置換

（1）用氫氣進(jìn)行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氫氣，將氫瓶混合氣壓力升到5 MPa立即停止加注，拔出置換槍。

（2）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：車(chē)內(nèi)技術(shù)人員使用專用電腦連接打開(kāi)“電磁閥”，車(chē)頂操作人員把“排放針閥2”打開(kāi)，將氫瓶混合氣壓力降到0.2 MPa后立即關(guān)閉“電池閥”和“排放針閥2”。

（3）重復(fù)（1）和（2）步驟至少4次完成置換。

置換完畢后車(chē)頂操作人員打開(kāi)與燃料電池連接的“球閥F1”、“球閥F2”（打開(kāi)與燃料電池氣路連接）。

置換計(jì)算：由（2/50）n=0.000 01，可求得n=4，即純度若想達(dá)到99.999%，至少置換4次。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前氫能源列車(chē)的檢修仍借鑒地鐵的周期性檢修模式，涉及氫動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的檢修參考特種設(shè)備?；返臋z修管理，對(duì)于氫能源列車(chē)的維護(hù)管理提出如下思考。

（1）氫能源列車(chē)沒(méi)有完善的檢修標(biāo)準(zhǔn)借鑒參考，涉及列車(chē)氫動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的檢修管理還需近一步探索。

（2）針對(duì)運(yùn)營(yíng)特殊作業(yè)和重大事故工況（如救援聯(lián)掛、車(chē)輛傾覆、相撞和脫軌等）及其引起的次生災(zāi)害，需明確相關(guān)處置原則和細(xì)化相關(guān)預(yù)案。

（3）運(yùn)營(yíng)期間的涉氫運(yùn)作維護(hù)管理無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)、研究、規(guī)章可循，如開(kāi)放性甲類庫(kù)房的安全管理措施、氫氣泄漏的應(yīng)急處置方案、涉氫設(shè)備設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)等仍未明確。