氫氣充裝站的擴建及安全技術改造

王菊花，澹臺姝嫻，楊 展

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南 開封 475003）

氫是主要的工業原料，也是重要的工業氣體和特種氣體，用途十分廣泛。但氫氣同時還是一種易燃易爆的氣體，其在空氣中的爆炸極限是4%～75%，會引發事故災難。

隨著氫能經濟的發展，市場對氫氣需求量不斷增加，氫氣的異地間輸送也與日俱增。氫氣包裝運輸方式主要有氫氣長管車、瓶組或鋼瓶。傳統的中、小容積氣瓶運輸量小，難以實現大容量供氣的要求。而采用氫氣長管車裝載壓縮氫氣，由于具有工作壓力高、運輸量大、運輸效率高、運輸成本低等優點，得以迅速發展。氫氣長管車是將幾只大容積鋼質無縫氣瓶裝配在一起，并將氣瓶頭部連通，作為移動式儲罐給用戶送氣的設備。單臺設備的運輸能力可達到4 000 m3氫氣。

2011年，中國平煤神馬集團開封東大化工公司（以下簡稱“東大公司”）離子膜燒堿生產裝置能力增大到18.6萬t/a，每小時生產氫氣量為6 510 m3/h。除去公司生產鹽酸用去氫氣1 890 m3/h，燃氫鍋爐用去2 671 m3/h氫氣外，還有很大的富裕。富裕的氫氣被輸送到氫氣充裝站用來充裝氫氣瓶外銷。原有氫氣充裝站的最大充裝能力為680 m3/h，隨著產能的擴大，尚有很大一部分氫氣未得到利用。為了充分利用這部分富裕氫氣，開拓更大的氫氣市場，2012年5月，東大公司在原有氫氣分廠車間又新建了1 000 m3/h的氫氣長管車充裝裝置。使東大公司總的氫氣充裝站的生產能力達到1 500 m3/h。同時，完善原有的氫氣放空裝置，增加自動放空設施，使整個氫氣充裝站能更加安全、穩定、可靠地運行。

1 氫氣充裝站的生產工藝流程

氫氣充裝工藝流程簡圖見圖1。

由離子膜氫氣處理崗位送來的0.07 MPa，30℃，98%原料氫氣，依次經緩沖罐、阻火器、分配臺1#、氫氣袋后、通過氫氣分配臺2#,分別進入中壓氫氣壓縮機1及高壓氫氣壓縮機2內進行壓縮.冷卻、干燥后的氫氣分別通過管道送往各氫氣匯流排進行充裝。壓力為14 MPa的中壓氫氣用于充裝氫氣鋼瓶或瓶組銷售,壓力為20 MPa的高壓氫氣用于充裝氫氣長管車銷售。

2 新建氫氣壓縮機的安全保障

2.1 壓縮機設備的選擇

根據充裝工藝要求，本次擴建選用2臺500 m3/h的少油潤滑氫氣壓縮機。該機為對稱平衡型，雙列、五級壓縮、級差活塞水冷式結構，由防爆電機通過聯軸器傳動，在常溫下將7 kPa的氫氣分為五級壓縮至20 MPa（表壓），專供氫氣長管車充裝。

2.2 設備運行的安全措施

氫氣壓縮機采用PLC可編程控制器進行集中控制，控制系統還設置有各種自動保護功能和故障報警及故障信息顯示功能，在整個工藝系統中，也設置了安全保護措施。

（1）氫氣壓縮機的循環冷卻水壓力與壓縮機連鎖，當循環冷卻水回水壓力＜0.02 MPa時，壓縮機連鎖自動停機。

（2）氫氣壓縮機的潤滑油壓力與壓縮機連鎖，當潤滑油壓力＜0.10 MPa時,壓縮機連鎖自動停機。

（3）氫氣壓縮機的二級排氣壓力與壓縮機連鎖，當二級排氣壓力＞1.2 MPa時，壓縮機連鎖自動停機。

（4）氫氣壓縮機末級排氣壓力與壓縮機連鎖，當末級排氣壓力＞20.5 MPa時,壓縮機連鎖自動停機。

（5）氫氣進緩沖罐前的總管壓力與壓縮機連鎖，當氫氣總管壓力＜0.03 MPa時,壓縮機連鎖自動停機。

（6）在氫氣壓縮機各級冷卻器氣體出口管路上還裝有彈簧式安全閥，各級安全閥排放壓力分別為：一級：0.35～0.36 MPa； 二級：1.26～1.32 MPa；三級：3.3～3.5 MPa；四級：8.50～8.90 MPa；五級：21.00～22.00 MPa。

當氫氣各級冷卻器后的壓力超過規定值時，安全閥自動起跳，保護氫氣壓縮機及整個氫氣系統的安全。

3 完善氫氣充裝站的消防設施

氫氣充裝站原來配置的消防設施主要為 “干粉”滅火器。室外消防水為一次水，壓力較低，小于0.1 MPa，本次技改完善了氫氣充裝站的消防設施。

（1）氫氣放空管增加氮氣滅火系統。本次擴建，專門為氫氣充裝裝置配置了氮氣管道。在氫氣壓縮機進口管道、每個氫氣放空管道及氫氣安全閥后放空管道均設置了含氧量小于0.5%的氮氣置換滅火設施。在生產正常運行期間，氮氣管道系統一直保持0.6 MPa的壓力，更有效地保證了氫氣生產的安全運行。

（2）提高消防水的壓力。本次改造在一次水管道路上增加1臺加壓泵，使一次水的壓力達到0.3MPa，并增加一次水低壓報警信號，保證了消防水穩定的壓力。

4 氫氣灌裝系統的安全設置

為保障氫氣充裝系統的安全運行，在系統上增設了安全設施。

（1）在氫氣充裝排上設置氫氣超壓泄壓安全閥，避免氫氣充裝系統發生超壓事故。

（2）在氫氣充裝排上設置氫氣回流閥，氫氣回流至氫氣壓縮機前的管道，保證壓縮機前的氫氣管道處于正壓狀態。正常情況下，氫氣回流利用，減少排放大氣的氫氣量，既利于安全，也減少了浪費。

（3）在氫氣充裝排上增設氮氣吹掃、置換管道，在不正常情況或開、停車時，對系統進行吹掃置換，保障了氫氣系統的安全性。

（4）在充裝排上設置氫氣放空管道，并接至室外屋脊1 m以上處，在放空管道上安裝阻火器。在氫氣壓縮機開、停車時，進行放空，既利于氫氣系統的提純，又避免了剛開車時，管道內的空氣與氫氣形成爆炸性的混合氣體，保證了生產系統的安全。

5 氫氣生產裝置內新增的安全設施

為保障氫氣充裝站的安全運行，在生產裝置內增設了安全設施。

（1）在氫氣壓縮機廠房、氫氣匯流排間、氫氣長管車氫氣充裝接口等氫氣容易泄漏的爆炸危險區域均按要求共設置了4臺氣敏半導體式氫氣檢漏報警裝置，保障整個氫氣充裝站的生產設備及人身安全。

（2）在氫氣袋廠房內增設了防爆攝像頭，使操作人員在操作室能及時、清楚地觀察到氫氣袋的變化，以便在緊急情況時，能及時采取正當的處理措施。保證生產正常安全、穩定運行。

（3）氫氣放空管道設置了安全連鎖裝置，代替原來的人工放空操作。在氫氣袋后的氫氣分配臺上設置了氫氣壓力遠傳信號，在氫氣袋前氫氣分配臺上的氫氣放空管上設置了自動放空閥，使氫氣袋后的壓力與放空管上的自動放空閥連鎖。當氫氣壓力超過0.6 MPa時，自動放空閥打開，系統內的氫氣放空；當氫氣壓力降低至0.5 MPa時，放空閥自動關閉，保證氫壓機在突然停車時，氫氣系統及氫氣氣袋內的壓力穩定，保障氫氣站的安全運行。

（4）氫氣總管壓力與氫氣壓縮機設置連鎖裝置。在氫氣總管上設置氫氣自動切斷閥，與總管上的氫氣壓力及氫壓機連鎖，當氫氣總管壓力低于0.5 MPa時，氫氣壓力低壓報警；當氫氣壓力低于0.3 MPa時，氫氣自動切斷閥門關閉，氫氣壓縮機連鎖停車。避免了因為氫氣系統壓力低，而使空氣抽入氫氣系統中，使氫氣與空氣混合，形成爆炸性氣體，對整個氫氣系統造成威協。

6 運行效果

新建的1 000 m3/h氫氣長管車生產裝置自2012年6月15日開車以來，運行效果良好，設備生產能力大，運行穩定。與氫氣鋼瓶的充裝相比較，生產裝置的安全性大大提高，同時，用氫氣長管車充裝氫氣，一次充裝時間較長，中間操作很少，充裝接管接通以后，操作人員只需定時巡檢即可。氫氣鋼瓶充裝前必須進行檢驗，單瓶容量小，數量多，操作復雜，需用操作人員多；且氫氣鋼瓶來回搬運，勞動強度大、效率低、運行費用高。氫氣長管車充裝使操作頻率大大減小，勞動強度和生產成本明顯降低。

氫氣充裝站擴建后，生產能力大幅提高。年生產時間按8000h計，每年可多充裝氫氣800萬m3，創造經濟效益640萬元。

氫氣長管車充裝技術改造的實施，極大地提高了氫氣生產工藝裝置的安全性，提高了充裝效率，改進了操作人員工作環境，降低了勞動強度，保障了氫氣生產的正常運行，使氫氣充裝能力大大地提高，拓寬了氫氣銷售市場，具很好的安全性，在易燃易爆等危險性氣體包裝裝置中具有推廣價值。