羅菲婭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的配管設(shè)計探討

羅菲婭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在某煤化工項目中，氫氣增壓和存儲系統(tǒng)是為各個裝置提供穩(wěn)定的氫氣。探討了氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備布置、管道布置、材料選擇等要點，提出了在氫氣增壓和存儲系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)達(dá)到工藝、優(yōu)化、方便操作、安全的目的。

高壓；氫氣管道；存儲

本文介紹的氫氣增壓和存儲系統(tǒng)是煤化工項目烯烴分離裝置的配套設(shè)施，為了保證主裝置安全平穩(wěn)的運行，需要建立一個穩(wěn)定氫氣存儲系統(tǒng)為主裝置提供穩(wěn)定的氫氣，同時還可以有一部分氫氣供給其他裝置。氫氣增壓和存儲系統(tǒng)的工藝流程相對簡單，但是由于氫氣的密度低、不宜存儲、易燃易爆等特點決定了本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備布置、管道布置以及材料都有一定的特殊性。

1 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)工藝流程簡介

氫氣是一種無色、無味、無毒的氣體，人體一般不能自動感知到氫氣的存在，燃燒的氫氣白天是不可見的。由于氫氣的密度很小，高壓氫氣儲運設(shè)備中的氫氣極易泄漏。如果在開放的空間，尚無危險，但是一旦散逸受阻，大量氫氣積聚，可能造成人員窒息。泄漏在空間中擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度的時候遇火就會燃燒，甚至爆炸［1］。

煤化工項目烯烴分離裝置中的氫氣增壓和存儲單元是由氫氣槽車將氫氣輸送進(jìn)來，通過一根DN25的管道將氫氣輸送到氫氣壓縮機(jī)1120C801增壓，之后輸送進(jìn)高壓氫氣儲罐1120V890A-I進(jìn)行高壓氫氣存儲。一般情況下，由氫氣槽車通過一根DN100的管道直接為裝置提供氫氣，若氫氣槽車未能按時到達(dá)，則由高壓氫氣儲罐向裝置提供氫氣，待槽車抵達(dá)后再將氫氣儲罐充滿。氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的流程圖見圖1。

圖1 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的流程Fig.1 Process of hydrogen compressing and storing system

此裝置內(nèi)高壓氫氣的工作壓力為18 MPa，設(shè)計壓力為19.8 MPa，壓力管道級別GC1，由于壓力高，所有閥門是雙閥設(shè)置，以保證氫氣不泄露，提高安全性。

2 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的設(shè)備布置

本氫氣增壓和儲存系統(tǒng)由一臺氫氣壓縮機(jī)和9 臺φ800×9 300的高壓氫氣儲罐組成，總?cè)萘考s為42.5 m3。9臺高壓氫氣儲罐布置于13.5 m×12 m的兩層框架上，地面布置4臺儲罐，EL+4 000層布置5臺儲罐。根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50160—2008）規(guī)定，可燃?xì)怏w、液化烴和可燃液體的塔區(qū)平臺或其他設(shè)備的構(gòu)架平臺應(yīng)設(shè)置不少于2個通往地面的梯子，作為安全疏散通道、但長度不大于8 m的甲類氣體和甲、乙A類液體設(shè)備平臺或者長度不大于15 m的乙B、丙類設(shè)備的平臺，可以設(shè)置一個梯子。本高壓氫氣儲罐構(gòu)架平臺長度大于8 m，需要設(shè)置兩個通往地面的安全疏散通道，北側(cè)設(shè)置斜梯為主要上下通道，南側(cè)設(shè)置一直爬梯。構(gòu)架頂部設(shè)置單斜坡屋頂，以防氫氣在屋頂積聚產(chǎn)生爆炸危險，整個框架為半開放式結(jié)構(gòu)。

一臺高壓氫氣壓縮機(jī)安裝于地面，上部設(shè)置斜坡屋頂，主要為了遮雨。高壓氫氣儲罐構(gòu)架和氫氣壓縮機(jī)分別布置在管廊的兩側(cè)，管廊分兩層，EL+4 000層走氫氣管道和公用工程管道，EL+7 000層為安全閥平臺，布置9臺高壓氫氣儲罐的安全閥。同時，本單元布置中考慮兩輛槽車的停放，設(shè)計了轉(zhuǎn)彎半徑為15 m的行車路線。根據(jù)《氫氣站設(shè)計規(guī)范》（GB 50177—2005）要求，整個單元設(shè)置2.0 m高非燃燒實體圍墻作為防護(hù)墻。整個系統(tǒng)占地26 m×55 m，總面積為1 430 m2。氫氣增壓和儲存系統(tǒng)設(shè)備平面布置圖見圖2，設(shè)備立面布置圖見圖2、圖3。

3 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的管道布置

氫氣管道的設(shè)計有以下要求：

（1）氫氣管道與其他管道平行敷設(shè)時，氫氣管道應(yīng)布置在外側(cè)并在上層；架空敷設(shè)時，與其他熱力管道的凈距應(yīng)不小于250 mm；

（2）氫氣管道穿過墻壁或樓板時，應(yīng)采用套管敷設(shè)，并且在套管的縫隙填充保溫材料。本單元內(nèi)的的管道有氫氣管道、公用工程管道、循環(huán)水管道以及火炬管道，管廊EL+4000層走管道，根據(jù)設(shè)計規(guī)定，氫氣管道布置于管廊東側(cè)，其余管道布置于管廊中部與西部，以保證氫氣管道與管道間有一定間距。

本單元中采用的氫氣壓縮機(jī)為隔膜式壓縮機(jī)，是一種特殊結(jié)構(gòu)的容積式壓縮機(jī)，靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體，具有壓縮比大，密封性好、壓縮氣體不受潤滑油和其它雜質(zhì)所污染的特點。根據(jù)工藝流程，從槽車卸下來的氫氣通過一根DN 25的管道進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過氣體壓縮增壓后通過一根DN 25的管道輸入儲罐。由于隔膜式壓縮機(jī)本身屬于往復(fù)式壓縮機(jī)的一種，其自身的機(jī)體振動就會引起管道振動；其次，壓縮機(jī)的吸氣和排氣是在進(jìn)行周期性以及間歇性的變化，從而產(chǎn)生氣體脈動，管道受到氣體脈動的影響也會產(chǎn)生振動。對于氫氣壓縮機(jī)的進(jìn)出口管道必然產(chǎn)生振動，所以對于進(jìn)出口管道要盡量簡化管道走向，減少管系彎頭，在彎頭出增設(shè)固定支架，對于小管道可以在U型管卡與管道之間增加彈性內(nèi)襯來減少振動［2］。

圖2 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的設(shè)備平面布置Fig.2 Plan of hydrogen compressing and storing system

圖3 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的設(shè)備立面布置（圖a ）Fig.3 Elevation of hydrogen compressing and storing system （a）

4 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)材料選擇的要點

氫的化學(xué)屬性決定了它的存儲有一定難度，目前技術(shù)成熟、使用廣泛的氫氣存儲樣式有兩種：一是將氫氣以氣態(tài)的形式壓入鋼瓶中實現(xiàn)存儲，另一種是將氫氣液化后存儲。本裝置內(nèi)采用的是壓縮氣體后高壓存儲的方式，其優(yōu)點是技術(shù)要求低，沒有存儲時間的限制，相對于液化氫氣的方式可以實現(xiàn)氫氣的常溫存儲；其缺點是壓縮氫氣存儲設(shè)備所承受的壓力高，在極高壓力下氫氣會溶解于儲罐材料內(nèi)，并形成氫氣分子，造成集中應(yīng)力，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，使得儲氫罐的安全性降低，所以對高壓氫氣管道和儲罐材料的要求非常高。

氫氣管道的材料選擇有以下規(guī)定：

（1）為避免因氫氣泄漏造成燃燒和爆炸事故的發(fā)生，規(guī)定氫氣管道的管材應(yīng)采用無縫鋼管，對氫氣純度要求高的管道宜采用不銹鋼管；

（2）氫氣管道的閥門，宜采用球閥、截止閥，嚴(yán)禁使用閘閥，不宜采用銅基合金材料制作閥門部件［3］；

（3）閥門的材料，應(yīng)符合表1的規(guī)定；

（4）氫氣管道法蘭、墊片的選擇，宜符合表2的規(guī)定；

（5）氫氣管道的連接，應(yīng)采用焊接。但與設(shè)備、閥門的連接，可采用法蘭或錐管螺紋連接。螺紋連接處，應(yīng)采用聚四氟乙烯薄膜作為填料［4］。

由于氫氣介質(zhì)的特殊性（分子小，易滲透發(fā)生氫脆，爆炸性等）對于閥門材質(zhì)的要求很高，閥體、閥蓋材質(zhì)優(yōu)先選用鍛件。由于壓力較高，根據(jù)設(shè)計壓力，本系統(tǒng)中高壓氫氣閥門的連接方式為對焊式，并按照ASME B16.25要求加工坡口。

由于氫氣的密度很小，在高壓情況下極易泄漏，所以閥門的密封形式選擇自壓密封。選擇自壓密封截止閥的結(jié)構(gòu)特點：彈性閘板；公稱壓力小于等于16 MPa，中腔采用法蘭連接；公稱壓力大于等于20 MPa，中腔采用壓力自緊密封；閥桿具有上密封功能；密封面堆焊CR13，硬質(zhì)合金或者本體，耐磨，耐高溫，壽命長。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；制造和維護(hù)比較方便；工作行程小，啟閉時間短；密封性好，密封面間摩擦力小，壽命較長。缺點：流體阻力大，開啟和關(guān)閉時所需力較大；不適用于帶顆粒、粘度較大、易結(jié)焦的介質(zhì)；調(diào)節(jié)性能較差。本單元中選擇的高壓氫氣閥門為CL 1 500自壓密封對接焊Y型截止閥。高壓氫氣閥門都要根據(jù)API 598要求做高壓閥座關(guān)閉性測試、低壓密封試驗、上密封試驗和高壓氣體試驗，泄露檢查不得有任何泄漏。

圖4 氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的設(shè)備立面布置（圖b ）Fig.4 Elevation of hydrogen compressing and storing system （b）

表1 閥門材料選擇Tab.1 Selection of valve materials

表2 法蘭、墊片的選擇Tab.2 Selection of flange，gasket

5 結(jié)束語

氫氣增壓和儲存系統(tǒng)在煤化工項目中是重要的配套單元，給整個裝置提供穩(wěn)定可靠的氫氣供給，整套系統(tǒng)的流程比較簡單，但是由于氫氣本身的特殊性和高壓存儲的特點給配管設(shè)計提出了一定的要求。本文通過對氫氣增壓和儲存系統(tǒng)的設(shè)備布置、管道布置、材料選擇等方面要點的闡述，在類似系統(tǒng)的配管設(shè)計時，注意相關(guān)的設(shè)計要點，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計，方便操作，減少安全隱患的目的。

［1］鄭津洋，開方明，劉仲強(qiáng)，等.高壓氫氣春運設(shè)備及其風(fēng)險評價［J］.太陽能學(xué)報，2006，27（11）：1168-1174。

［2］申健.氫氣壓縮機(jī)管線振動原因分析及改造［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（7）：243.

［3］GB 50177—2005 氫氣站設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］張德姜.全國壓力管道設(shè)計審批人員培訓(xùn)教材（第三版）［M］.北京：中國石化出版社，2015，12.

Discussion of Pipeline Layout Design for Hydrogen Compression and Storage System

Luo Feiya
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

In one chemical plant，hydrogen compression and storage system is applied to stably supply hydrogen to various construction.In this article，the features of this system，including process，equipment arrangement，pipeline layout and material selection，were discussed.It was indicated that in design of hydrogen compression and storage system，the requirements in process，optimization，convenient operation and safety should be reached.

high pressure； hydrogen piping； storage

TQ 116.2

A

2095-817X（2016）04-0017-004

2016-05-17

羅菲婭（1984—），女，工程師，主要從事設(shè)備布置、管道設(shè)計及管理工作。