加氫站建設方案研究

張 鵬

(中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 211100)

1 概述

1.1 氫燃料電池與加氫站

氫燃料電池由于其能量轉化率高(發電效率理論值為85%)、“零”排放(排放物為水)、續航里程長等諸多優勢，已經被視為未來汽車能源的終極發展目標。

氫燃料電池汽車的進一步研發與量產化，必將成為汽車工業領域的一場新革命，加氫站隨之發展是必然趨勢。

2019年《政府工作報告》中提到:在汽車市場中,要穩定汽車消費,繼續執行新能源汽車購置優惠政策,推動充電、加氫等設施建設。

預計2025年后國內燃料電池汽車產業將進入快速發展階段，到2030年國內燃料電池汽車年銷量規模可達百萬以上，配套加氫站數量將在4500座以上，對應加氫站投資規模800億元，相關設備投資規模達到500億元。

1.2 國外加氫站發展現狀

截止2018年，全球共有327座加氫站正在運行的加氫站，歐洲有139座，亞洲有120座，北美有68座。

美國：截止2018年2月，共有40座加氫站處于運營中，有31座是屬于零售站。

日本 :世界上加氫站最多的國家，目前公共加氫站數量為94座，預計2020年達160個，2025年達到320個，2030年增加到900個，到2050年逐步替代加油站。

韓國：預計2020年達到80座，2025年達到210座，2030年達到520座。

法國：從2019年起，到2028年，加氫站規模建設增加至400-1000座。

德國：截止2018年底共有45座加氫站，其中36座是公共加氫站。

表1為國外各加氫站規格。

圖1 全球主要加氫站分配表

表1 國外各加氫站規格

1.3 我國加氫站發展現狀

截止2018年底，我國已建成、在用及在建的加氫站共有49座，分別位于北京、上海、江蘇、大連、安徽、張家口、佛山、成都等地。大多為城市燃料電池公共示范汽車或自有的燃料電池物流車提供加注服務，暫未實現全商業化運營。

2019年《政府工作報告》中提到：在汽車市場中,要穩定汽車消費,繼續執行新能源汽車購置優惠政策,推動充電、加氫等設施建設。

博思數據發布的《2018-2024年中國加氫站市場現狀分析及投資前景研究報告》，根據中國制造2025對燃料電池汽車產業發展的規劃，2025年的目標是實現加氫站等配套基礎設施的完善。

預計2025年后國內燃料電池汽車產業將進入快速發展階段，到2030年國內燃料電池汽車年銷量規模可達百萬以上，配套加氫站數量將在4500座以上，對應加氫站投資規模800億元，相關設備投資規模達到500億元。

2 加氫站技術方法與工藝路線

2.1 氫氣提純工藝

加氫站提供的氫氣濃度應高于99.99%，須嚴格控制二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氯、氫、氧、水分和顆粒物等雜質的含量。

目前石化煉廠生產出來的氫氣純度不能滿足氫燃料電池的要求，需考慮在氫原料工廠增設氫氣提純裝置，氫氣提純通常由低溫分離、膜分離和PSA提純法，圖2方案采用PSA提純法。

圖2 PSA提純法

2.2 氫氣運輸方案

氣氫管束拖車輸送：運輸能力為250～460 kg/車(4000 NM3/車)，運輸技術成熟，輸送網絡的數量達到8個后，管束拖車運輸成本逐漸穩定在2.3元/kg。

氣氫管道：輸送流量310～8900 kg/h，輸送效率高，但一次性投資成本高，當加氫站規模達到1500 kg/d時，運輸成本大約為6元/kg。

液氫槽車：輸送槽罐車容量～65 m3，每次可凈運輸約4000 kg氫氣。輸送效率高，但氫氣液化投資大，能耗高，對設備要求高。液氫槽車運輸氫氣的最低成本為0.4元/kg。 綜合比較：目前加氫站宜采用管束拖車運輸。

2.3 卸氣系統

通過各泊位內的卸氣柱，將氫氣從管束內卸載，并輸送至氫氣增壓系統和加注機。

當管束拖車上管束內壓力與固定儲氣瓶內壓力平衡，壓縮機啟動，繼續將管束拖車儲氫瓶中的氫氣卸載到固定儲氫瓶組中。

當管束內的氫氣壓力降至設定壓力時(如6 MPa)，該管束停止卸氣，并離開加氫站前往氣源處加氣。

2.4 增壓系統

增壓系統是整個加氫站的關鍵組成。 從氫氣管束拖車上卸載下來的氫氣通過壓縮機增壓后儲存在站內的高壓儲氫瓶組，也可通過壓縮機直接增壓對燃料電池車輛進行充裝。

為了充分利用壓縮機增壓能力，以及保證項目的正常運行和維護，氫氣增壓系統的技術參數綜合考慮了增壓效率和運行效率之間的關系。

2.5 加氫工藝

氫氣屬易燃易爆氣體，具有易燃易爆性、熱膨脹性，且在加氫站以高壓形式儲存，設計滿足GB/T 34584-2017《加氫站安全技術規范》的規定。

加氫工藝如圖3所示。

圖3 加氫工藝

流程描述如下：

氫氣管束拖車將小于20 MPa 的壓縮氫氣從氫氣生產單位運送進加氫站。

氫氣經卸氣柱卸載后通過氫氣壓縮機增壓至 43.8 MPa儲存到站內固定儲氫瓶組中，通過加注機加注。

氫氣管束拖車也可同站內儲氫瓶一起作為站內的一級儲氫裝置，通過多級取氣的模式從儲氫瓶組中輸出氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中。

3 模擬加氫站建設方案

氫氣屬易燃易爆氣體，具有易燃易爆性、熱膨脹性，且在加氫站以高壓形式儲存。加氫站建設應滿足GB 50516-2010《加氫站技術規范》(表2)規定。

表2 加氫站技術規范

本文擬建設在城市建成區內的三級加氫站：

(1)依托現有制氫裝置，采用離站式制氫加氫方式，具有占地小，生產成本低，安全性高，易規模化等優勢。

(2)根據氫氣來源、氫能汽車流量、汽車的氫氣充裝容量等因素，配比最佳的充裝時間、儲氫罐數量、儲氫壓力等級。

(3)根據氫氣的離站輸送方式不同，配合高效卸氣系統。

(4)選用分級加注和增壓加注相結合的綜合加注工藝，提高加注效率。

(5)優化加氫關鍵設備選擇，氫氣壓縮機流量3500 Nm3/h，進氣壓力：5～20 MPa，排氣壓力45 MPa(G) ；儲氫瓶20 MPa、40 MPa；加注機額定加注壓力35 MPa。

詳細配置如表3。

表3 三級加氫站配置

本加氫站，儲氫能力1000 kg，大約能滿足每天60臺小車及20臺大巴加氫需求。