卸氫柱工藝系統(tǒng)吹掃置換應(yīng)用優(yōu)化分析

李明昕　賈艷明　周軍旗　李俊杰　朱洪飛

摘 要：主要從加氫站卸氫柱卸氣工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制等方面對(duì)卸氫操作過程中的吹掃置換操作控制方法進(jìn)行了優(yōu)化研究，通過對(duì)手動(dòng)吹掃置換操作和自動(dòng)吹掃置換操作進(jìn)行對(duì)比分析，建立吹掃置換應(yīng)用模型，并針對(duì)卸氫柱吹掃置換操作的安全設(shè)計(jì)和自動(dòng)化控制提出了相應(yīng)策略。

關(guān)鍵詞：卸氫柱；卸車；吹掃置換

中圖分類號(hào)：TK91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.014

0? ? 引言

氫能是一種清潔高效的二次能源，發(fā)展氫能對(duì)保障我國能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及化解能源結(jié)構(gòu)性過剩具有重要意義。氫能在交通領(lǐng)域的大力推廣可以緩解我國在能源安全、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境惡化方面的壓力，解決部分問題，因此保障加氫站建設(shè)運(yùn)營的安全高效至關(guān)重要。卸氫柱作為加氫站中一個(gè)重要的組成部分，其安全操作尤其需要重視。氫氣極易燃燒，易與空氣形成爆炸性混合氣體，爆炸極限極寬，因此，研究如何提高壓縮氫管束車充裝與運(yùn)輸過程的安全管理水平尤為重要[1]。

卸氫柱作為加氫站采用管束車站外供氫的卸氫計(jì)量設(shè)備，是加氫站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備，在卸氫軟管與管束車接口連接或拆卸過程中，為避免雜質(zhì)氣體引入，保證涉氫操作安全，會(huì)進(jìn)行氮?dú)饣驓錃獯祾咧脫Q操作。卸氣柱設(shè)置有氮?dú)獯祾吖芫€和過濾精度不大于10 μm的過濾器，每次卸氫前需對(duì)管線進(jìn)行吹掃置換，確保卸氫質(zhì)量[2]。

卸氫操作時(shí)，由于氫氣置換步驟煩瑣、耗時(shí)長，無法保障人員隨時(shí)值守，同時(shí)，人員誤操作可能導(dǎo)致卸氫軟管連接不到位，造成氫氣泄漏并引起火災(zāi)爆炸事故[3]。傳統(tǒng)卸氫柱為人工手動(dòng)操作卸氫、吹掃置換，因?yàn)椴僮鬟^程需要多次不同氣源不同壓力的操作，存在人工誤操作、吹掃不徹底導(dǎo)致氣態(tài)雜質(zhì)引入、爆炸等安全隱患或因過度（多次）置換造成的資源浪費(fèi)，存在卸氫安全隱患?；诖耍疚闹饕獜墓に囅到y(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，有效提高了設(shè)備使用過程中的安全性、操作性和綜合效益。

1? ? 卸氫柱介紹

1.1? ? 卸氫柱主要組成

卸氫柱主要由卸氫軟管、拉斷閥、單向閥、過濾器、壓力表、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、電磁閥、安全閥、氫氣泄漏探測器及其電腦控制系統(tǒng)等組成，典型系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2? ? 卸氫柱工作原理

卸氫柱一端與氫氣長管束拖車連接，一端與壓縮機(jī)或順序控制盤連接。當(dāng)卸氫柱需要卸氫時(shí)，首先依次進(jìn)行氮?dú)?、氫氣吹掃置換。然后，打開卸氫柱氫氣入口截止閥，氫氣依次流經(jīng)卸氫軟管、拉斷閥、單向閥、過濾器、流量計(jì)、氣動(dòng)截止閥后進(jìn)入壓縮機(jī)，氫氣經(jīng)壓縮后進(jìn)入高壓儲(chǔ)氫容器內(nèi)儲(chǔ)存?zhèn)溆谩．?dāng)氫氣長管束拖車罐內(nèi)氫氣壓力≤5 MPa時(shí)，或當(dāng)壓力、流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電腦控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)球閥自動(dòng)關(guān)閉（或手動(dòng)關(guān)閉卸氫柱出口截止閥），停止卸氫，關(guān)閉管束車卸氫根部閥，打開卸氫柱放散閥，將卸氫柱管路內(nèi)的氫氣泄壓放散，依次氮?dú)獯祾咧脫Q，吹掃置換完畢后，拆除卸氫軟管，完成一次氫氣卸氣計(jì)量過程。

2? ? 卸氫柱吹掃置換系統(tǒng)優(yōu)化分析

卸氣吹掃置換：運(yùn)氫長管束拖車到站后，卸氫柱卸氫軟管與管束車連接，先用氮?dú)獯祾咧脫Q空氣，需要經(jīng)過多次置換，使管內(nèi)氧氣含量小于1%；再進(jìn)行氫氣置換氮?dú)?，使管?nèi)氧氣含量降到≤0.5%；然后開始卸氫，卸氫完成后用氮?dú)庵脫Q氫氣，使管內(nèi)氫氣含量降到≤0.4%；最后拆下卸氣軟管，完成卸氣。

2.1? ? 典型卸氫吹掃置換分析

2.1.1? ? 典型卸氫柱工藝流程

典型卸氫柱卸氣操作采用手動(dòng)吹掃置換，工藝流程圖如圖2所示。

2.1.2? ? 手動(dòng)吹掃置換操作

1）卸氫前吹掃置換。

第一步，氮?dú)獯祾咧脫Q：打開放散手閥13，當(dāng)壓力表10指示≤0.1 MPa時(shí)，關(guān)閉放散手閥13停止泄壓放散。此時(shí)，打開氮?dú)獯祾呤珠y9，氮?dú)饬鹘?jīng)氮?dú)獯祾呤珠y9、氮?dú)獯祾邌蜗蜷y8進(jìn)入氫氣主管路，當(dāng)壓力表10指示≥0.8 MPa時(shí)，打開放散手閥13開始泄壓放散；當(dāng)壓力表10指示=0.2 MPa時(shí)，關(guān)閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氮?dú)獯祾咧脫Q操作。一般重復(fù)上述操作5次，完成氮?dú)獯祾咧脫Q操作。

第二步，氫氣吹掃置換：輕微打開氫氣長管束拖車氫氣卸車口手閥，氫氣流經(jīng)卸氫軟管1、拉斷閥2進(jìn)入氫氣主管路，當(dāng)壓力表10指示≥5 MPa時(shí)，打開放散手閥13開始泄壓放散；當(dāng)壓力表10指示=0.2 MPa時(shí)，關(guān)閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氫氣吹掃置換操作。重復(fù)上述操作5次，完成氫氣吹掃置換操作。

2）卸氫后吹掃置換。

卸氫完成后，關(guān)閉手動(dòng)球閥4，打開放散手閥13，當(dāng)壓力表10指示≤0.2 MPa時(shí)，關(guān)閉放散手閥13停止泄壓放散。然后，打開氮?dú)獯祾呤珠y9，氮?dú)饬鹘?jīng)氮?dú)獯祾呤珠y9、氮?dú)獯祾邌蜗蜷y8進(jìn)入氫氣主管路，當(dāng)壓力表10指示≥0.8 MPa時(shí)，關(guān)閉氮?dú)獯祾呤珠y9，打開放散手閥13開始泄壓放散；當(dāng)壓力表10指示=0.2 MPa時(shí)，關(guān)閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氮?dú)獯祾咧脫Q操作。一般重復(fù)上述操作3～5次，完成氮?dú)獯祾咧脫Q操作。

2.1.3? ? 手動(dòng)吹掃置換操作存在的問題和隱患

1）操作手動(dòng)閥門多，操作流程煩瑣、復(fù)雜不便，極易誤操作；2）吹掃置換靠操作工把控，吹掃置換次數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)，容易出現(xiàn)操作失誤；3）氫氣在空氣中的爆燃極限為4%～75%（體積分?jǐn)?shù)），管路過度吹掃置換會(huì)造成資源浪費(fèi)，吹掃不徹底則存在安全隱患；4）操作人員的專業(yè)性、工作經(jīng)驗(yàn)和工作態(tài)度直接影響到實(shí)際吹掃置換效果。

2.2? ? 卸氫柱吹掃置換優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為提高卸氫柱吹掃置換的可操作性，對(duì)卸氫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)吹掃置換，優(yōu)化措施如下：1）管路系統(tǒng)優(yōu)化，采用電動(dòng)閥或氣動(dòng)閥替代手動(dòng)操作閥門；2）吹掃次數(shù)優(yōu)化，準(zhǔn)確計(jì)算卸氫前和卸氫后各節(jié)點(diǎn)吹掃置換次數(shù)；3）控制系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)卸氫前一鍵吹掃置換和卸氫后一鍵吹掃置換。

2.2.1? ? 工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

卸氫柱優(yōu)化工藝采用自動(dòng)吹掃置換，工藝流程圖如圖3所示。

2.2.2? ? 自動(dòng)吹掃置換操作控制方法

卸氫軟管連接好管束車，通過卸氫柱內(nèi)設(shè)置的氮?dú)獯祾唠姶砰y、氫氣吹掃電磁閥、放散電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，按照設(shè)定程序進(jìn)行吹掃作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)吹掃置換。自動(dòng)吹掃完成后，手動(dòng)打開管束車根部閥開始卸車，卸車完成后，關(guān)閉管束車根部閥，一鍵完成氮?dú)庾詣?dòng)吹掃置換，然后拆下卸氫軟管，完成一次卸車過程。另外，卸氫柱內(nèi)部設(shè)置氫氣緩沖瓶，在每次卸氫過程中由控制系統(tǒng)先行為儲(chǔ)氫瓶平壓，作為下一次自動(dòng)吹掃的高壓氫氣源。

1）卸車前吹掃置換。

連接卸氫軟管，先進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q：當(dāng)卸氫工藝管路需要吹掃置換時(shí)，按下氮?dú)獯祾咧脫Q按鈕，壓力變送器13檢測管路壓力＞0.1 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力≤0.1 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，然后氮?dú)獯祾唠姶砰y9打開，氮?dú)饬鹘?jīng)氮?dú)獯祾唠姶砰y9、氮?dú)獯祾邌蜗蜷y8進(jìn)入氫氣主管路，壓力變送器13檢測管路壓力≥0.8 MPa時(shí)，氮?dú)獯祾唠姶砰y9關(guān)閉，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，完成一次氮?dú)獯祾咧脫Q操作。以上動(dòng)作重復(fù)數(shù)次，即完成氮?dú)獯祾咧脫Q操作。

完成氮?dú)獯祾咧脫Q操作后進(jìn)行氫氣吹掃置換：氮?dú)獯祾咧脫Q完成后，按下氫氣吹掃置換按鈕，當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力＞0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力≤0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，或壓力變送器13檢測管路壓力≤0.2 MPa時(shí)，氫氣吹掃電磁閥10自動(dòng)打開，氫氣流經(jīng)氫氣吹掃電磁閥10、單向閥3進(jìn)入氫氣主管路，當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力≥5 MPa時(shí)，氫氣吹掃電磁閥10關(guān)閉，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，完成一次氫氣吹掃置換操作。以上動(dòng)作重復(fù)數(shù)次，即完成氫氣吹掃置換操作。

2）卸車后吹掃置換。

當(dāng)卸車停止需要吹掃置換時(shí)，先關(guān)閉管束車根部閥，按下氮?dú)獯祾咧脫Q按鈕，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，然后氮?dú)獯祾唠姶砰y9打開，氮?dú)饬鹘?jīng)氮?dú)獯祾唠姶砰y9、氮?dú)獯祾邌蜗蜷y8進(jìn)入氫氣主管路，壓力變送器13檢測管路壓力≥0.8 MPa時(shí)，氮?dú)獯祾唠姶砰y9關(guān)閉，放散電磁閥15自動(dòng)打開，開始泄壓放散。當(dāng)壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時(shí)，放散電磁閥15自動(dòng)關(guān)閉，停止泄壓放散，完成一次氮?dú)獯祾咧脫Q操作。重復(fù)以上動(dòng)作數(shù)次，即完成氮?dú)獯祾咧脫Q操作。

2.2.3? ? 卸氫系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)吹掃置換次數(shù)計(jì)算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算吹掃置換次數(shù)。

PV=nRT

式中：P為壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體的物質(zhì)的量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度。

設(shè)初始時(shí)管道內(nèi)壓力為P0，管道內(nèi)物質(zhì)的量為n0，計(jì)算目標(biāo)成分氣體的物質(zhì)的量n1，管道內(nèi)目標(biāo)介質(zhì)氣體的含量為C0，管道內(nèi)目標(biāo)介質(zhì)氣體的含量只和物質(zhì)的量有關(guān)。

在置換n（n為正整數(shù)，n=1，2，3，…）次后，管道內(nèi)目標(biāo)介質(zhì)氣體的含量為：

Cn=■×■×…×■×■×■×C0

1）卸車前吹掃置換。

卸車吹掃置換前，卸氫軟管內(nèi)部為常溫常壓空氣（氧氣含量20.9%）。先用氮?dú)庵脫Q空氣，向管內(nèi)充入0.8 MPa氮?dú)猓兌?9.9%），每次壓力平衡后，釋放管內(nèi)壓力至0.2 MPa，經(jīng)過多次置換后使管內(nèi)氧氣含量小于1%。然后氫氣置換氮?dú)?，向管?nèi)充入5 MPa氫氣，每次壓力平衡后，釋放管內(nèi)壓力至0.2 MPa，經(jīng)過多次置換后使管內(nèi)氧氣含量降到≤0.5%。吹掃次數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過計(jì)算，卸氫前需要進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q2次，氫氣吹掃置換1次，可以使管內(nèi)氧氣含量降到0.03%（≤0.5%）。

2）卸車后吹掃置換。

卸車后卸氫管內(nèi)氫氣含量達(dá)到99.99%，壓力0.2 MPa。現(xiàn)在用氮?dú)庵脫Q氫氣，向管內(nèi)充入0.8 MPa氮?dú)猓兌?9.9%），每次壓力平衡后，釋放管內(nèi)壓力至0.2 MPa，經(jīng)過多次置換后，使管內(nèi)氫氣含量降到≤0.4%。吹掃置換次數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)過計(jì)算，卸氫后需要進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q4次，可以使管內(nèi)氫氣含量降到0.39%（≤0.4%）。

3? ? 卸氫系統(tǒng)自動(dòng)吹掃置換工藝優(yōu)化效果

3.1? ? 系統(tǒng)安全性

手動(dòng)吹掃置換依據(jù)傳統(tǒng)或經(jīng)驗(yàn)來確定氣源吹掃壓力、時(shí)長或次數(shù)等參數(shù)，以保證吹掃置換徹底。手動(dòng)操作閥門眾多，且操作過程為依次順序人為手動(dòng)操作，吹掃過程中系統(tǒng)操作壓力均以壓力表為唯一參考，存在人為誤操作、目測誤差、經(jīng)驗(yàn)操作無法準(zhǔn)確判斷是否吹掃徹底等問題。

自動(dòng)吹掃置換依據(jù)工藝管路鋼管內(nèi)徑、長度及鋼管內(nèi)部殘余氣體壓力等參數(shù)，經(jīng)過科學(xué)計(jì)算得出吹掃壓力、次數(shù)，一鍵式自動(dòng)吹掃置換由控制系統(tǒng)控制，管路壓力由壓力變送器實(shí)時(shí)采集，形成閉環(huán)式控制，不僅有數(shù)據(jù)依據(jù)，而且極大地規(guī)避了人為誤操作、目測誤差、經(jīng)驗(yàn)操作帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證了氫氣管路的清潔度、氫氣的純凈度，能確保管路內(nèi)氫氣密度低于氫氣爆燃極限（4%～75.6%），極大地保證了操作的安全性。

3.2? ? 置換氣體用量

吹掃所需氮?dú)?氫氣用量計(jì)算公式如下：

V=■■-■×■ND

式中：V為每年需消耗的吹掃置換氮?dú)?氫氣量；V1為單次吹掃置換管路體積；n為單次換車時(shí)，卸車前或卸車后的吹掃置換操作次數(shù)；N為每天管束車換車次數(shù)；P為吹掃置換氮?dú)?氫氣壓力；Pn為吹掃置換時(shí)初始?jí)毫?；M為吹掃氣體摩爾質(zhì)量；Mn為吹掃置換前氣體摩爾質(zhì)量；ρ為吹掃氣體密度；ρn為吹掃置換前的氣體密度；R為理想狀態(tài)氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；D為年運(yùn)行時(shí)間。

以1 000 kg加氫站為例，管束車按常規(guī)一輛26 m3容積（20 MPa）計(jì)，總?cè)萘繛?60 kg，每臺(tái)管束車氫氣利用率約為70%，每輛管束車可使用氫氣量約260 kg，每天約需用4輛管束車。按照年運(yùn)行360天，每天用4輛管束車計(jì)算，其中卸氫吹掃置換管路長8 m，卸氫軟管1/2″，內(nèi)徑？準(zhǔn)12.7 mm，長6 m，與軟管連接涉及吹掃的主管路，管徑3/4″，長2 m，內(nèi)徑？準(zhǔn)14.85 mm。

優(yōu)化前單次換車需氮?dú)獯祾咧脫Q10次（卸車前5次，卸車后5次）、氫氣吹掃置換5次，優(yōu)化后單次換車需氮?dú)獯祾咧脫Q6次（卸車前2次，卸車后4次）、氫氣吹掃置換1次，計(jì)算優(yōu)化前后用于吹掃的氮?dú)夂蜌錃饽暧昧?，?duì)比結(jié)果如表1所示。

按照計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化工藝后年節(jié)約氮?dú)庀牧?.95 Nm3，節(jié)約氫氣消耗量63.8 Nm3，優(yōu)化工藝后用于卸車氮?dú)獯祾叩牡獨(dú)庀牧拷档土?0%，氫氣消耗量降低了80%。

3.3? ? 經(jīng)濟(jì)性和操作性

通過優(yōu)化工藝，對(duì)比氮?dú)庵脫Q操作和氫氣置換操作次數(shù)，工藝優(yōu)化后可大幅降低吹掃置換操作次數(shù)，極大地提高工作效率。以1 000 kg加氫站為例，對(duì)比優(yōu)化前后氮?dú)獯祾吆蜌錃獯祾卟僮鞔螖?shù)，加氫站月度操作次數(shù)對(duì)比如圖6所示。

同時(shí)，優(yōu)化工藝后，氮?dú)?、氫氣吹掃置換閥門開關(guān)次數(shù)大幅減少，以1 000 kg加氫站為例，優(yōu)化前單次換車開關(guān)次數(shù)30次，優(yōu)化后單次換車開關(guān)次數(shù)14次，工藝優(yōu)化后閥門可使用年限約為優(yōu)化前的2.1倍，大幅降低了閥門更換頻次。

手動(dòng)吹掃置換需手動(dòng)順序操作各個(gè)閥門，完成氮?dú)?、氫氣吹掃置換操作需1～2人，不僅操作流程煩瑣、操作復(fù)雜不便、工作效率低，而且對(duì)操作崗位配置人員有嚴(yán)格要求。

自動(dòng)吹掃置換可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場一鍵式操作，極大地降低了操作人員數(shù)量配置與崗位素質(zhì)技術(shù)門檻要求，準(zhǔn)確計(jì)算控制吹掃置換次數(shù)，提高了設(shè)備使用過程的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提高了設(shè)備操作的便捷性與操作體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制。

4? ? 結(jié)束語

本文通過對(duì)卸氫柱在卸氫前和卸氫后的吹掃置換數(shù)值模擬計(jì)算和操作優(yōu)化分析，提出了吹掃置換優(yōu)化技術(shù)依據(jù)，保證了加氫站氫氣供給前端的卸氫安全，提高了卸氫設(shè)備的可操作性、運(yùn)營成本的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)已在國內(nèi)多座加氫站運(yùn)行實(shí)踐，效果良好，是卸氫柱工藝系統(tǒng)的一次重大技術(shù)改進(jìn)，同時(shí)為以后相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供了借鑒。

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收稿日期：2023-05-11

作者簡介：李明昕（1979—），男，河南鄭州人，高級(jí)工程師，從事氫能技術(shù)研究與應(yīng)用工作。