油氫電合建站的建設(shè)設(shè)計與實踐

張素珍

〔中國電子工程設(shè)計院有限公司 北京 100097〕

低碳化、多元化、清潔化的能源供應(yīng)體系是我國能源轉(zhuǎn)型的總體戰(zhàn)略目標。氫能作為可持續(xù)發(fā)展的清潔可再生能源,將占據(jù)我國能源轉(zhuǎn)型中重要地位。中國燃料電池汽車的發(fā)展目標計劃到2025年將有5萬輛氫燃料電池汽車上路。隨著燃料電池汽車的逐年增加,急需加大加氫站的建設(shè)力度。

1 河南新鄉(xiāng)某石油公司合建站發(fā)展環(huán)境分析

該公司擁有在營加油站133座,主要從事汽油、柴油、煤油的批發(fā)、零售以及便利店非油商品銷售,承擔(dān)著該市60%的市場保供責(zé)任,是該市最大的商品流通企業(yè)之一。雖然公司在加氫站建設(shè)方面仍處于起步階段,加氫市場需求尚需培育,但如果利用好現(xiàn)有的加油站點資源,可在符合建設(shè)條件的加油站增設(shè)加氫、充電設(shè)施,使其成為“綜合加能站”。

通過對貨運、客運車輛主管部門的調(diào)研,綜合政策推動的力度,加強與城市公交、環(huán)衛(wèi)、郵政、通勤車輛等公司的合作,通過更換、新增新能源汽車或清潔能源汽車,利用其需求量大、客戶穩(wěn)定的特點,以確保加氫系統(tǒng)的盈利穩(wěn)步增長。該合建站可提供35 MPa高壓氫加注服務(wù),預(yù)留了燃料電池轎車70 MPa高壓氫加注設(shè)施的平面位置,并可為周圍運營的社會車輛提供加注汽、柴油的服務(wù),同時為電動汽車提供充電服務(wù)。本站站內(nèi)最大儲氫量約1 160.6 kg。合建站加氫設(shè)施配置情況見表1。

表1 合建站加氫設(shè)施配置情況

本站站內(nèi)最大儲油量折合汽油容積105 m3,其設(shè)施配置見表2。

表2 合建站儲油罐配置情況

2 工藝流程設(shè)計

本項目加氫、加油設(shè)施按照工藝功能區(qū)域劃分為8部分：氣源系統(tǒng)、卸油系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、儲氣系統(tǒng)、儲油系統(tǒng)、售氣系統(tǒng)、售油系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。該油氫電合建站具體的加氫工藝流程如圖1所示。

圖1 加氫工藝流程

2.1 氣源系統(tǒng)

氫氣由長管拖車自加氫、加油站外運至本站,經(jīng)卸氣系統(tǒng)至氫氣壓縮系統(tǒng)。

2.2 壓縮系統(tǒng)

壓縮系統(tǒng)包含2臺45 MPa隔膜式氫氣壓縮機、1臺90 MPa隔膜式氫氣壓縮機(預(yù)留位置)。20 MPa的氫氣從長管拖車經(jīng)45 MPa隔膜式氫氣壓縮機升壓至45 MPa,經(jīng)管道至45 MPa儲氫罐(儲罐設(shè)計壓力為50 MPa)。氫氣也可由20 MPa的氫氣從長管拖車經(jīng)90 MPa隔膜式氫氣壓縮機(預(yù)留)升壓至90 MPa經(jīng)管道至90 MPa儲氫罐(預(yù)留)。

2.3 儲氫系統(tǒng)

本項目設(shè)計氫氣儲罐作為固定的儲氫設(shè)備,同時根據(jù)需要配置長管拖車以提高供氫能力。

固定式儲氫罐由3個45 MPa儲氫罐、2個90 MPa儲氫罐(預(yù)留位置)組成。45 MPa儲氫罐長7 656 mm、直徑1 598 mm、重45 900 kg,用于儲存45 MPa壓縮機排出的氫氣,并為下一步工序的35 MPa加氫機提供氣源及氣量保證。90 MPa儲氫罐1個(預(yù)留)用于儲存90 MPa壓縮機排出的氫氣,并為下一步工序的70 MPa加氫機提供氣源及氣量保證。本項目的站內(nèi)固定儲氫量約1 160.6 kg。

2.4 加氫系統(tǒng)

加氫系統(tǒng)有2臺加氫機,共用一個加氫島。2臺為35 MPa加氫機,用于給35 MPa燃料電池大巴車加氫,并為該加氫機附帶制冷系統(tǒng),用于把來自儲氫罐的氫氣預(yù)冷至-40 ℃再加注給車輛,從而保障安全快速的氫氣加注。

2.5 卸油系統(tǒng)

汽、柴油經(jīng)油罐車運輸?shù)接蜌浜辖ㄕ拘队忘c,在相應(yīng)的卸車位停好后熄火,然后接好靜電接地裝置,靜置15 min后連接油罐與卸油口的快速接頭,油品經(jīng)卸油口軟管自流至埋地油罐。卸油完成后靜置5 min拆除連通軟管,封閉好油罐卸油口快速接頭,拆除靜電接地裝置。

2.6 儲油系統(tǒng)

本設(shè)計油罐采用內(nèi)鋼外玻璃纖維增強塑料(SF)雙層罐(即內(nèi)層罐為鋼制殼體,外層罐為玻璃纖維增強塑料殼體),配套相應(yīng)的測漏系統(tǒng)(包括測漏報警器和夾層泄漏檢測儀表等),能夠在線檢測油品泄漏并發(fā)出報警信號,以便采取相應(yīng)措施,從而有效避免滲漏油品進入環(huán)境,污染土壤和地下水。在油罐內(nèi)的進油管道上安裝防溢流閥,當油罐內(nèi)油品容積達到95%時,能自動關(guān)閉閥門,停止卸油。

根據(jù)《關(guān)于印發(fā)加油站地下水污染防治技術(shù)指南(試行)的通知》(環(huán)辦水體函〔2017〕3號)及《關(guān)于地下水資源保護區(qū)加油站設(shè)置油罐防滲措施的緊急通知》(石化股份豫發(fā)函〔2014〕85號)等相關(guān)文件的環(huán)保要求,河南地區(qū)建設(shè)的加油站均采取防油品滲漏的保護,采用了雙層油罐、雙層管道、成品防滲操作井、加油機成品防滲底槽、輸油管道為雙層復(fù)合管道等防滲設(shè)備和技術(shù),以及卸油油氣回收和加油油氣回收工藝。油罐設(shè)置液位計及高液位報警功能,可有效監(jiān)控油罐溢出事故;加油站進油采用汽車油罐車運送、密閉式自流卸油方式。

2.7 加油系統(tǒng)

通過加油機的油泵將油品從儲油罐抽出,然后用加油槍加到汽車油箱。

設(shè)置六槍三油品自吸型加油機。加油槍本身自帶拉斷閥,在加油站發(fā)生意外時可緊急切斷加油機設(shè)備;同時汽油加油機設(shè)計了加油油氣回收系統(tǒng)以減少汽油容器倒換過程中油氣揮發(fā)排放的可能性,該技術(shù)和設(shè)備成熟、可靠。

2.8 汽油油氣回收系統(tǒng)

本站所有地下管道均采用直埋敷設(shè)。加油管道坡向各自油罐,坡度≥0.5%;卸油管道坡向各自油罐,坡度≥0.5%;通氣管坡向各自油罐,坡度≥1%;油氣回收管道坡度≥1%,所有管道均有坡度,且均不得反坡。

3 合建站布置

3.1 總平面布置

本項目總用地面積為10 317.29m2?？偲矫娌贾冒础禛B 50156-2012(2014年版)汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》和《GB 50516-2010加氫站技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。站區(qū)出入口位置根據(jù)城鄉(xiāng)規(guī)劃局高新區(qū)規(guī)劃分局的市政工程設(shè)計要求距城市道路紅線交叉點不應(yīng)小于70 m,不得對道路交叉口的交通造成影響,站房距西側(cè)220 kV高壓線滿足1.5倍桿高(見圖2)。

圖2 合建站總平面布置圖

該站站址地勢平坦、開闊。場地共有一西一北一東三個出入口,開于西側(cè)道路、北側(cè)道路、東側(cè)道路上,加油加氫機兩側(cè)道路寬度約10 m,便于車輛兩側(cè)加油加氫。加油加氫站平面布局合理緊湊,滿足車輛運行及設(shè)備檢修要求。站區(qū)南側(cè)設(shè)有實體圍墻,地塊北側(cè)通過綠籬與市政道路隔開,中間圍墻為實體圍墻。

3.2 工藝設(shè)備及加油加氫區(qū)布置

工藝設(shè)備平面布置按《GB 50516-2010加氫站技術(shù)規(guī)范》和《GB 50156-2012(2014年版)汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》執(zhí)行(見圖3)。

圖3 合建站工藝設(shè)備及加油加氫區(qū)布置

3.3 爆炸危險環(huán)境

根據(jù)工藝運行特點,按國家標準《GB 50058-2014爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》、《GB 50516-2010加氫站技術(shù)規(guī)范》及《GB 50156-2012(2014年版)汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定,本工程儲氫罐、氫氣長管拖車、氫氣壓縮機組、加氫機的設(shè)備內(nèi)為 1 區(qū),以設(shè)備外輪廓線為界面,以 4.5 m為半徑的地面區(qū)域、頂部空間區(qū)域為 2 區(qū)。氫氣排放口半徑為 4.5 m的空間和頂部距離為 7.5 m的區(qū)域為 2 區(qū);同時對加油機、油罐根據(jù)規(guī)范要求進行1區(qū)和2區(qū)的劃分。爆炸危險區(qū)域的電氣設(shè)備按相應(yīng)區(qū)域的防爆要求選型。

3.4 防雷保護系統(tǒng)

本項目建設(shè)地點河南省新鄉(xiāng)市的年均雷暴日為 24.1 d。加氫站防雷不應(yīng)低于二類防雷建筑。根據(jù)《GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,本站按照不低于二類防雷建筑設(shè)計;站內(nèi)各建筑物和構(gòu)筑物設(shè)置防雷保護措施,防雷保護系統(tǒng)包含避雷針(帶)、引下線、接地板、接地端子和接地極等。

4 自動控制

PLC 系統(tǒng)通過集成站內(nèi)各設(shè)備的運行及控制信號,完成在站控室的統(tǒng)一控制,工藝管路各參數(shù)及緊急切斷閥的控制信號均接入站控系統(tǒng)。在發(fā)生緊急情況時,按下設(shè)置在站房、加氫機附近的緊急按鈕,可緊急切斷供氫的管路,停止設(shè)備運行并切斷氫氣相關(guān)設(shè)備的電源。

4.1 壓縮機控制系統(tǒng)

氫氣壓縮機設(shè)有獨立的 PLC 控制系統(tǒng)控制其啟停、報警和安全卸壓等功能。除壓縮機上的操作柱外,還在就地設(shè)有控制柜,設(shè)有手動和自動兩種模式控制壓縮機的啟停。

4.2 加氫機控制系統(tǒng)

加氫機有獨立的 PLC 控制系統(tǒng),可控制加氫機對目標車輛進行氫氣加注和計量、計費等。

4.3 加氫站控系統(tǒng)

加氫站控系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全系統(tǒng)組成。其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視所有站內(nèi)操作位及關(guān)鍵運行區(qū)域;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄站內(nèi)各設(shè)備的運行數(shù)據(jù);安全系統(tǒng)通過火焰探頭及空氣中氫氣濃度報警、氫氣泄漏探頭不間斷探測保障加氫站安全運行,并與緊急停車系統(tǒng)聯(lián)動。

4.4 加油機、液位儀、測漏報警儀微機自動監(jiān)控系統(tǒng)

油罐液位計采用高精度磁致伸縮液位計,精度高、有高低液位報警和測漏功能。汽油機和汽油通氣管設(shè)置加油油氣回收在線監(jiān)測裝置。加油油氣回收在線監(jiān)測控制器自帶報警功能。當油氣回收發(fā)生故障時,控制器發(fā)出聲光報警,并在顯示屏顯示對應(yīng)發(fā)生滲漏的管道。

5 重大危險源辨識和重大危險源等級

依據(jù)《GB 18218-2009危險化學(xué)品重大危險源辨識》的表1危險化學(xué)品名稱及其臨界量,對本站進行重大危險源辨識,見表3。

表3 危險化學(xué)品重大危險源的辨識

本站內(nèi)存在的危險化學(xué)品為多品種,根據(jù)規(guī)范需要按式(1)計算,不滿足式(1),則認為未構(gòu)成危險化學(xué)品重大危險源：

S=q1/Q1+q2/Q2+…+qn/Qn≥1

(1)

式中：S為辨識指標;q1,q2,......,qn為每種危險化學(xué)品的實際存在量,t;Q1,Q2,......,Qn為與各危險化學(xué)品相對應(yīng)的臨界量[1],t。

根據(jù)式(1)計算公式S=q1/Q1+q2/Q2,求得S=0.37<1。

根據(jù)上述辨識結(jié)果,該項目未構(gòu)成危險化學(xué)品重大危險源,故不必進行重大危險源分級。

6 設(shè)計采用的其他安全設(shè)施和措施

(1)工藝過程采取的防泄漏、防火、防爆等主要措施：①設(shè)備、管道材質(zhì)、壓力等級選擇與其使用的溫度、壓力、介質(zhì)等條件相適應(yīng);②法蘭、墊片、緊固件的材質(zhì)、壓力等級選擇與其使用的溫度、壓力、介質(zhì)等條件相適應(yīng);③工藝過程設(shè)計中,設(shè)置各種檢測儀表、自動聯(lián)鎖裝置;④在生產(chǎn)過程中加強管理,嚴格按規(guī)范要求進行操作,防止泄漏造成火災(zāi)、爆炸事故;⑤采用密閉卸油系統(tǒng),卸油快速接頭均設(shè)置密封蓋;⑥加油站選用SF雙層臥式油罐,埋地敷設(shè)在罩棚下,雙層油罐在油罐頂部的縱向中心線上設(shè)滲漏檢測立管,保證油罐內(nèi)外任何部位出現(xiàn)滲漏均能夠被發(fā)現(xiàn);⑦采用TN-S接地系統(tǒng)建筑的防雷接地、電氣保護接地、通信接地等接地共用地網(wǎng),接地電阻小于等于1 Ω,在站區(qū)內(nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)端子箱,將電氣裝置外露可導(dǎo)電部分和裝置外的金屬管道、支架等可導(dǎo)電部分作可靠的等電位聯(lián)接。整個站區(qū)內(nèi)所有的設(shè)備基礎(chǔ)、進出的金屬管道(水、氣管等)、建筑物金屬結(jié)構(gòu)、進線配電箱的PE母排等需作等電位聯(lián)接,采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼,暗埋于站區(qū)地下作為接地網(wǎng),扁鋼埋深1 m,以實現(xiàn)聯(lián)合接地連接。站區(qū)內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)與接地網(wǎng)連接,連接點不少于兩處。過路需穿無堿玻璃纖維增強電纜導(dǎo)管保護,導(dǎo)管內(nèi)徑50 mm,剛度SN50。站內(nèi)的設(shè)備、管道、構(gòu)架、電纜金屬外皮、放空管、風(fēng)管等均應(yīng)與接地網(wǎng)連接。管道法蘭、閥門等連接處采用金屬線跨接。站區(qū)接地網(wǎng)由接地干線、接地極、接地支線以及地面以上的接地板等組成。防雷、防靜電及電氣設(shè)備的接地均接入站區(qū)接地網(wǎng)。站區(qū)內(nèi)設(shè)置防靜電地面的工作區(qū)域,在工作區(qū)域出入口設(shè)置了防靜電釋放金屬球;⑧汽油通氣管口安裝阻火通氣帽及機械呼吸閥;氫氣放散管口安裝阻火器。

(2)防噪音設(shè)計：對于壓縮機、風(fēng)機等設(shè)備的選型選用低噪音系列電機,電機設(shè)置防護罩,使噪聲控制在75 dB以下。

(3)氫氣分子小,易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象,會導(dǎo)致管道、管件、閥門破壞。當高壓氫氣泄漏后高壓氣流與空氣分子產(chǎn)生碰撞、摩擦最終導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸事故。

本站氫氣管道采用ASME31.3-2014標準的無縫316L不銹鋼管,儀表風(fēng)(氮氣)、放空、冷凍水管道材質(zhì)選用304不銹鋼管。管道連接形式,對于工作壓力為20 MPa的氫氣管道采用3600PSI卡套管連接、45 MPa的氫氣管道采用20000PSI系列錐面螺紋連接;設(shè)計壓力為2.5 MPa的氮氣管道采用卡套連接;冷凍水管道DN≤40采用承插焊連接。

(4)氮氣置換管道的常規(guī)設(shè)計是氮氣管道加裝單向閥、切斷閥后連入氫氣管道,但由于閥門內(nèi)漏的問題不可完全避免并不易察覺,一旦發(fā)生內(nèi)漏,氫氣會串入氮氣管道內(nèi),嚴重時可能會導(dǎo)致氫氣進入儀表風(fēng)(氮氣)系統(tǒng),帶來很大的安全隱患。目前已經(jīng)有加氫站發(fā)生此類事故。為了解決這個問題,本站采用了將置換氮氣單向閥、切斷閥后連接快速接頭軟管,需要置換吹掃時把此軟管連接到氫氣管道快速接頭上開啟閥門進行吹掃,吹掃后斷開快速接頭并蓋上密封蓋,防止污染管道及快速接頭。

7 結(jié)束語

該油氫合建站在設(shè)計上充分考慮到影響安全的諸多因素,對可能發(fā)生的不安全因素采取較為全面的防范措施,規(guī)劃合理,選址得當,工藝技術(shù)成熟可靠,主要裝置、設(shè)施選型可靠,配套公用工程能力滿足要求,周邊安全距離、總平面布局、安全設(shè)施等均符合國家相關(guān)的法律、法規(guī)、標準及規(guī)范的要求。