上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 張彥純

近兩年來，各類充電式電動(dòng)汽車補(bǔ)貼政策逐漸退坡，但同樣作為新能源汽車，燃料電池汽車及其配套設(shè)施的政府補(bǔ)貼力度一直有增無減。燃料電池汽車克服了充電式電動(dòng)汽車具有充能時(shí)間長、電池蓄電性能衰減快、電池報(bào)廢難處理的幾個(gè)問題。但是，燃料電池汽車的推廣依然不像充電式電動(dòng)汽車那么順利。究其原因，除了燃料電池汽車本身生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格依然居高不下外，其配套加氫設(shè)施的稀缺是制約燃料電池汽車快速發(fā)展的最大障礙。

在加氫站設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，制定符合需要的工藝流程方案和選取合適的工藝設(shè)備，對加快加氫站建設(shè)進(jìn)度、合理控制建設(shè)成本，能起到至關(guān)重要的作用。

1 加氫站工藝流程

目前國內(nèi)加氫站主要采用的工藝流程是基于高壓氣態(tài)氫的儲運(yùn)方式，主要以站外長管拖車供氫為主。站外長管拖車供氫的高壓氣態(tài)儲氫加氫站工藝流程，如圖1所示。

圖1 加氫站工藝流程示意

長管拖車將20 MPa的壓縮氫氣從氫氣生產(chǎn)單位運(yùn)送進(jìn)固定站，通過加氫站內(nèi)壓縮機(jī)將氫氣卸載至站內(nèi)高壓儲氫罐，車輛加氫時(shí)，長管拖車或儲氫罐中輸出的氫氣，通過加氫機(jī)充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。

目前國際上應(yīng)用比較廣泛的車載儲氫瓶壓力等級主要有35 MPa和70 MPa兩種。加氫站的最高設(shè)計(jì)壓力等級也需要與其加注車輛車載儲氫的壓力等級相匹配，除了利用長管拖車作為20 MPa移動(dòng)儲氫設(shè)施外，35 MPa氫燃料電池車的加氫站站內(nèi)最高固定儲氫壓力一般為45 MPa，70 MPa氫燃料電池車的加氫站站內(nèi)最高固定儲氫壓力一般為90 MPa。

2 加氫站設(shè)備選型

加氫站設(shè)備中的“三大件”包括壓縮機(jī)、固定儲氫設(shè)施、加氫機(jī)。這三大設(shè)備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力。在建站規(guī)模確定的情況下，通過設(shè)備參數(shù)和設(shè)備數(shù)量的匹配，以達(dá)到加氫站最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備配置。

2.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)作為加氫站內(nèi)的核心設(shè)備，承擔(dān)了氫氣增壓的重要作用。目前國內(nèi)加氫站常用的氫氣壓縮機(jī)主要有隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)等。其中隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲氫壓力不大于45 MPa的加氫站，多個(gè)國內(nèi)生產(chǎn)廠家的相關(guān)技術(shù)也已日趨成熟；離子液壓縮機(jī)主要應(yīng)用于儲氫壓力90 MPa的加氫站，國內(nèi)該壓力等級的壓縮機(jī)尚在研制過程中，目前主要還是依賴于進(jìn)口。

2.1.1 隔膜壓縮機(jī)

隔膜式壓縮機(jī)具有特設(shè)的膜片，將被壓縮的氣體與外界隔開。隔膜式壓縮機(jī)中，氣缸的職能由一個(gè)膜腔來完成，膜腔是由具有穹形型面的蓋板和彈性膜片組成的空腔，膜片周邊被緊固在蓋板與機(jī)體之間，當(dāng)膜片上下?lián)锨冃螘r(shí)，膜腔中的容積隨之變化，從而完成氣體的壓縮及排氣。金屬膜片式隔膜壓縮機(jī)采用液力驅(qū)動(dòng)膜片，膜片可緊貼蓋板穹形表面，因此相對余隙很小，而且氣體與液體之間的膜片極薄，壓縮過程中散熱情況較好。目前金屬隔膜壓縮機(jī)的最高排氣壓力可達(dá) 70 MPa，但是由于膜片的變形量有限，處理的氣體量一般較小。

圖2 隔膜式壓縮機(jī)工作原理示意

2.1.2 液驅(qū)式壓縮機(jī)

液驅(qū)式壓縮機(jī)的動(dòng)力缸與往復(fù)泵的工作腔直接相通，往復(fù)泵的活塞通過液體(大多為油)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)活塞完成氣體的壓縮。液驅(qū)式壓縮機(jī)中部為對置式的兩個(gè)氣缸，柱塞為活塞，用來壓縮氫氣，上部為控制滑閥，用于釋放動(dòng)力液缸中的油。這種結(jié)構(gòu)可以做成多列，因此功率較大。

圖3 液驅(qū)式壓縮機(jī)工作原理示意

2.1.3 離子液壓縮機(jī)

離子液體通常用于自動(dòng)化、航空航天、電子電器或能源領(lǐng)域，作為工程流體或新材料使用。離子液體本身幾乎不可壓縮，幾乎沒有蒸氣壓，可以替代金屬在等溫條件下產(chǎn)生高壓，并且能長期運(yùn)行而無需維護(hù)，節(jié)省能耗。離子液壓縮機(jī)的構(gòu)造簡單，相比普通壓縮機(jī)的零件大大減少，因此維護(hù)方便。目前在國外已用于部分天然氣加氣站和氫能供應(yīng)站，最高排氣壓力可達(dá)到90 MPa以上。

2.1.4 各類型壓縮機(jī)對比分析

隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)三者的性能對比見下表1。

表1 隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)三者的性能對比

國內(nèi)多個(gè)壓縮機(jī)制造企業(yè)在隔膜式壓縮機(jī)和液驅(qū)式壓縮機(jī)的技術(shù)研發(fā)方面已日趨成熟，有相當(dāng)一部分加氫站已開始應(yīng)用完全國產(chǎn)化的氫氣壓縮機(jī)。但相對而言，國產(chǎn)壓縮機(jī)在穩(wěn)定性可靠性方面還有待提高。目前，國內(nèi)有相當(dāng)一部分加氫站設(shè)備供應(yīng)商，采購進(jìn)口的壓縮機(jī)機(jī)頭作為核心部件，配套輔助部件采用國內(nèi)采購和組裝的方式。這樣，對于建設(shè)單位而言，不僅提高了設(shè)備的可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備采購成本。目前國內(nèi)已建成或在建的35 MPa加氫站較多采用隔膜式壓縮機(jī)或液驅(qū)式壓縮機(jī)。離子壓縮機(jī)由于價(jià)格較高，更適用于加注壓力較高的70 MPa加氫站。

2.2 固定儲氫設(shè)施

國內(nèi)近期建成或在建的加氫站主要采用高壓儲氫瓶組和高壓儲氫罐作為站內(nèi)的固定儲氫設(shè)施。

高壓儲氫設(shè)施具有氫氣儲存和壓力緩沖作用，通過壓力、溫度等傳感器對儲存介質(zhì)參數(shù)、安全狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測。加氫站氫氣儲存系統(tǒng)的工作壓力越高或該工作壓力與氫能汽車充氫壓力差越大，將使氫能汽車充氫時(shí)間縮短；氫氣儲存系統(tǒng)工作壓力的提高也會使氫氣壓縮機(jī)開啟頻繁度降低。

(1)儲氫壓力不大于20 MPa時(shí)，一般可選用高壓儲氫瓶組作為儲氫設(shè)施。目前主要應(yīng)用于通過低壓管道氫氣作為氣源的加氫站，作為第一級儲氫。該類儲氫瓶組參照 ASME(American Society of Mechanical Engineers，美國機(jī)械工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)及TSG 21－2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，主體材質(zhì)為4130X高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，瓶身為單層厚壁結(jié)構(gòu)。

(2)儲氫壓力大于20 MPa時(shí)，考慮到高壓氫氣的“氫脆腐蝕”，一般選用高壓儲氫罐作為儲氫設(shè)施，儲罐壁也變?yōu)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層采用耐氫脆腐蝕的不銹鋼材質(zhì)，外層采用高強(qiáng)度碳鋼進(jìn)行加固，從而兼具耐腐蝕和耐高壓的特點(diǎn)。

35 MPa加氫站通常采用最高儲氫壓力為 45 MPa的儲氫罐，70 MPa加氫站通常還要增設(shè)最高儲氫壓力為90 MPa的儲氫罐。

2.3 加氫機(jī)

加氫機(jī)的主要功能是為氫燃料電池汽車的車載儲氫瓶進(jìn)行加注。

加氫機(jī)的基本部件包括箱體、用戶顯示面板、加氫口、加氫軟管、拉斷閥、流量計(jì)量、控制系統(tǒng)、過濾器、節(jié)流保護(hù)、管道、閥門、管件和安全系統(tǒng)等。另外，還包括一些輔助系統(tǒng)：電子讀卡系統(tǒng)(如收費(fèi)系統(tǒng))、多級儲氣優(yōu)先控制系統(tǒng)、兩種不同壓力的輔助加氫口和軟管、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和車輛信息整合控制系統(tǒng)。

加氫機(jī)加注時(shí)有“焦－湯效應(yīng)”，導(dǎo)致氫氣溫度上升。因此加注過程中如何防止氫氣溫度不斷升高是加氫機(jī)的關(guān)鍵性能之一。目前國內(nèi)主要的 35 MPa加氫機(jī)生產(chǎn)商在應(yīng)對加注時(shí)氫氣升溫方面主要采用下面兩種方式：

(1)采用美國機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會SAE(Society of Automotive Engineers) J2601標(biāo)準(zhǔn)，在加氫機(jī)內(nèi)設(shè)置與汽車車載瓶相連接的通訊接口，將加注過程中車載氣瓶的溫度和壓力信號輸入到加氫機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)加氫升壓速率，達(dá)到控制氫氣溫度的效果。

(2)采用加氫前預(yù)冷的方式。氫氣進(jìn)入加氫機(jī)前首先通過一臺外置換熱器進(jìn)行換熱，使氫氣溫度下降后對車載氣瓶進(jìn)行加注。換熱器冷卻介質(zhì)為低溫循環(huán)冷卻水，需要外設(shè)一臺大功率冷水機(jī)組將冷卻水溫度降至5～10 ℃。

在上述兩種加氫機(jī)的選擇上，可根據(jù)項(xiàng)目具體實(shí)際情況確定。如站址面積較為緊湊，且對節(jié)能要求較高的加氫站，可考慮采用第一種加氫機(jī)；對日常加注車輛較多，需要實(shí)現(xiàn)快速加氫需求的，可考慮采用第二種加氫機(jī)。

另外，加氫機(jī)的加注速率還與加氫站內(nèi)壓縮機(jī)配置和儲氫罐容積有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

綜合上述，以較為典型的加注能力為1 000 kg/12h，加注壓力35 MPa加氫站為例，推薦設(shè)備配置見表2。

表1 1 000kg/12h，35 MPa加氫站推薦設(shè)備配置

2.4 其他工藝設(shè)施

2.4.1 卸氣柱

卸氣柱是長管拖車與站內(nèi)工藝管道間的接口，與拖車車位逐一對應(yīng)。每組卸氣柱上設(shè)有一根連接拖車的柔性軟管、拉斷閥、過濾器、單向止回閥、手動(dòng)截止閥、安全閥及壓力表。每組卸氣柱均采用集中放散。作為加氫站與長管拖車的氣源對接點(diǎn)，卸氣柱出口管路 上需設(shè)置緊急切斷閥，以確保站內(nèi)發(fā)生事故工況時(shí)，能夠在第一時(shí)間切斷氣源。

2.4.2 順序控制閥組

順序控制閥組是實(shí)現(xiàn)加氫站加注取氣自動(dòng)化控制的重要組件，由一系列氣動(dòng)閥、電磁閥和壓力傳感器組成。將現(xiàn)場壓力傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)上傳至控制室內(nèi)PLC控制柜，通過預(yù)制程序?qū)r進(jìn)行判斷，然后發(fā)出信號，控制現(xiàn)場氮?dú)夤苈冯姶砰y的啟閉，進(jìn)而控制氣動(dòng)閥的啟閉。

2.4.3 氫氣管道系統(tǒng)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，加氫站內(nèi)的氫氣工藝管線應(yīng)具有與氫相容的特性，宜采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應(yīng)符合GB/T 8163－2018《輸送流體用無縫鋼管》、GB 5310－2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》、GB/T 14976－2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》、ASME B31.3《工藝管道》和ASTM A269《一般設(shè)備用途的無縫和焊接奧氏體不銹鋼管》的有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29729－2013《氫系統(tǒng)安全的基本要求》，氫環(huán)境中應(yīng)采用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料。在該規(guī)范的附錄 D中，推薦在氫環(huán)境中常用的金屬材料有奧氏體不銹鋼S31603、S31608、和鋁合金6061。

GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》還提出了關(guān)于氫氣管道連接方式的基本要求：氫氣管道的連接宜采用焊接或卡套接頭；氫氣管道與設(shè)備、閥門的連接可采用法蘭或螺紋連接等。目前的加氫站設(shè)計(jì)中，氫氣管道的連接主要采用卡套連接和錐面螺紋連接兩種方式。其中，壓縮機(jī)前的20 MPa氫氣管道主要采用卡套連接；壓縮機(jī)后的管道重要采用錐面螺紋連接。

2.4.4 放散系統(tǒng)

加氫站的放散方式主要分超壓安全泄放及手動(dòng)放散。

(1)超壓安全泄放主要包括壓縮機(jī)、儲罐、加氫機(jī)等設(shè)備氫氣管路上設(shè)置的安全閥進(jìn)行超壓放散。安全閥的開啟壓力不大于管道的設(shè)計(jì)壓力，且需根據(jù)GB 50516－2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》要求，按照最大工作壓力的不同，設(shè)定安全閥開啟壓力。超壓安全泄放為不可控放散，主要是由于設(shè)備運(yùn)行故障等因素引起的，一般放散量較少，放散幾率也低。

(2)手動(dòng)放散主要作用是在設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)，對設(shè)備和氫氣管道進(jìn)行泄壓，泄壓后采用氮?dú)膺M(jìn)行置換與吹掃，使儲罐內(nèi)氫氣排放干凈，確保設(shè)備檢修維護(hù)時(shí)的安全性。手動(dòng)發(fā)散為可控放散，可通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)截止閥開度來控制放散氣體的流速，但一般放散量較大，放散幾率根據(jù)設(shè)備檢修維護(hù)的周期來確定。

加氫站內(nèi)的放散管一般根據(jù)氫氣管道和設(shè)備的壓力級制分別接入放散總管后，通過放散豎管放散至大氣中。為防止高速噴出的放散氣在放散管口與空氣接觸產(chǎn)生火花造成回火，需在放散管接近末端處設(shè)置阻火器，以確保安全。

2.4.5 置換吹掃系統(tǒng)

加氫站通常采用氮?dú)鈱υO(shè)備和氫氣管道進(jìn)行吹掃置換。工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置專用的氮?dú)饧b格和氮?dú)獯祾咧脫Q閥組，與氫氣管道和設(shè)備氫氣管路相連，連接處設(shè)置止回閥，止回閥及氫氣端的管道設(shè)計(jì)壓力需要與氫氣設(shè)備或氫氣管道的設(shè)計(jì)壓力匹配，以防止高壓氫氣回流至氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)內(nèi)。

2.4.6 儀表風(fēng)系統(tǒng)

加氫站的儀表風(fēng)系統(tǒng)主要作用是為加氫站工藝系統(tǒng)的氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣。

(1)采用氮?dú)庾鳛閮x表風(fēng)氣源，通過氮?dú)饧b格、氮?dú)鈨x表風(fēng)閥組及儀表風(fēng)管路為氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣。采用氮?dú)庾鳛閮x表風(fēng)氣源時(shí)，由于用氣量較小，一般可與氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)共用氮?dú)饧b格作為氣源。通過人工檢測氮?dú)饧b格壓力變化，以確定氮?dú)饧b格的更換時(shí)間。

(2)采用壓縮空氣作為儀表風(fēng)氣源，通過空壓機(jī)和儀表風(fēng)管路為氣動(dòng)閥門進(jìn)行供氣，一般需要配置一臺功率為3～5 kW的空壓機(jī)進(jìn)行持續(xù)工作，以確保壓力穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對加氫站的一些主要設(shè)備進(jìn)行比選，為今后類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)際工程中，在確定加氫站設(shè)備選型時(shí)，不光要考慮加氫站的綜合性能，同時(shí)也要考慮設(shè)備采購的經(jīng)濟(jì)性。隨著時(shí)間的推進(jìn)，還會有更多新設(shè)備、新技術(shù)進(jìn)入市場，將為加氫站建設(shè)提供更多更好的選擇。