自備制氫加氫站技術方案分析

李 迎(陜西省燃氣設計院有限公司，陜西西安710043)

1 概述

近年來，氫能以其燃燒產(chǎn)物潔凈、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點而備受關注。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，加氫站也得到一定的發(fā)展。加氫站的氫氣來源因地區(qū)、城市資源的不同，采取不同的氫氣生產(chǎn)方法而獲得氫氣，氣源成為加氫站建設的制約因素。

本文以某加氫站為例，加氫設計規(guī)模為1 000 kg/d，設計2種方案。方案1：供氫方式采用自備制氫系統(tǒng)和氫氣長管拖車運輸，2種方式互為備用關系，不同時進行，自備制氫系統(tǒng)既作為該加氫站的氣源，又可給氫氣長管拖車充裝，作為其他加氫站的氣源。方案2：供氫方式采用自備制氫系統(tǒng)和氫氣長管拖車運輸，兩種方式互為備用關系，不同時進行，自備制氫系統(tǒng)不給氫氣長管拖車充裝，僅作為該加氫站的氣源。針對上述2種方案，分別從總平面布置、建站等級、工藝流程、消防給水系統(tǒng)、氫氣純度等方面進行分析，探討加氫站不同技術方案的特點。

2 供氫方式

本文中供氫方式是指加氫站的氣源供應方式。

已有的加氫站的供氫方式主要有以下3種：氫氣長管拖車從氫氣生產(chǎn)工廠將氫氣運輸至加氫站；從氫氣生產(chǎn)工廠(或車間)以氫氣管道將氫氣輸送至加氫站；加氫站內(nèi)自備制氫裝置獲得氫氣后，以氫氣管道將氫氣輸送至加氫系統(tǒng)。

制氫方式主要有以下3種：水電解制氫，以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫。

GB 50516—2010《加氫站技術規(guī)范》(以下簡稱GB 50516—2010)第3.0.1條規(guī)定，加氫站可采用氫氣長管拖車運輸、管道輸送或自備制氫系統(tǒng)等方式供氫。根據(jù)GB 50516—2010的條文說明第3.0.1條，由于制氫成本等因素，對于自備制氫系統(tǒng)供氫方式，主要采用水電解制氫裝置或天然氣重整制氫裝置，制取氫氣經(jīng)加壓、儲存后供應。

加氫站供氫方式可以采用上述單一方式，也可以采用2種或3種共同供應方式。

3 方案1

3.1 總平面布置

方案1總平面布置見圖1。

圖1 方案1總平面布置

由于制氫部分制取的氫氣用途既對內(nèi)又對外，因此，在總平面布置時，不能簡單地以自備制氫加氫站對待，而是制氫部分與加氫部分應按兩個獨立功能的站對待。兩個站之間的防火間距按站外考慮。

制氫部分總平面布置時，按氫氣站考慮。氫氣站、氫氣罐與建筑物、構筑物的防火間距按GB 50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》(以下簡稱GB 50177—2005)第3.0.2條表3.0.2執(zhí)行。氫氣站、氫氣罐與鐵路、道路的防火間距按GB 50177—2005第3.0.3條表3.0.3執(zhí)行。氫氣站工藝裝置內(nèi)的設備、建筑物平面布置的防火間距按GB 50177—2005第6.0.2條表6.0.2執(zhí)行，同時還應滿足GB 50177—2005中相關規(guī)定的要求。

加氫部分總平面布置時，站內(nèi)設施之間的防火間距按GB 50516—2010第5.0.1條執(zhí)行。加氫部分的氫氣工藝設施與站外建筑物、構筑物的防火間距按GB 50516—2010第4.0.4條執(zhí)行，同時還應滿足GB 50516—2010中相關規(guī)定的要求。

總平面布置按兩個獨立功能的站布置，占地120.0 m×105.5 m，面積為12 660.0 m2，占地較多。

制氫部分給加氫部分供氫并給氫氣長管拖車充裝，服務車輛單一。制氫部分總平面布置按功能劃分為制氫部分工藝裝置區(qū)、充裝區(qū)、消防泵房、消防水池、輔助用房。制氫部分工藝裝置區(qū)將水電解制氫裝置、氫氣罐、制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機、放空管集中布置。充裝區(qū)是給氫氣長管拖車充裝的區(qū)域，設置3個充裝口、3個氫氣長管拖車固定停車位，可以同時停放3輛氫氣長管拖車，遠離輔助用房，避免閑雜人員進入。輔助用房為單層建筑。

加氫部分的服務對象是面向社會的公交車、乘用車、商用車等氫燃料電池汽車。加氫部分總平面布置按功能劃分為卸車區(qū)、加氫部分工藝裝置區(qū)、加氫罩棚、站房。卸車區(qū)是氫氣長管拖車卸車的區(qū)域，設置2個氫氣長管拖車固定停車位，可以同時停放2輛氫氣長管拖車。加氫部分工藝裝置區(qū)屬易燃易爆危險場所，盡量避免人員進入，同時考慮管道布置順暢，將工藝設備集中布置。加氫機置于加氫罩棚下。站房為單層建筑，將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。

制氫部分和加氫部分的進、出口分開設置。根據(jù)GB 50177—2005第3.0.1條，制氫部分東側、南側、西側(圖1中的方向為上北下南、左西右東，以下同)及制氫部分和加氫部分之間用高度不低于2.5 m的不燃實體圍墻隔開。根據(jù)GB 50516—2010第5.0.2條，加氫部分東側、南側、西側用高度不低于2.2 m的不燃實體圍墻隔開。面向進、出口道路的一側開放。整體考慮消防給水系統(tǒng)并留有消防環(huán)形通道，方便事故狀況下消防車輛進出。

根據(jù)GB 50516—2010第6.2.2條規(guī)定，自產(chǎn)氫氣采用壓縮機加壓進行高壓儲存時，氫氣進入氫氣壓縮機前應設置緩沖罐。緩沖罐設置在加氫部分。在制氫部分，為了保護制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機，減少壓縮機開啟頻率，節(jié)約能源消耗，水電解制氫裝置制取的氫氣在進入制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機前設置氫氣罐。

3.2 主要設備

制氫部分主要設備一覽表見表1，加氫部分主要設備一覽表見表2。本文中標準狀態(tài)是指0 ℃、101.325 kPa時的狀態(tài)。

表1 制氫部分主要設備一覽表

表2中，壓縮機冷水機組和加氫機冷水機組的冷卻水均為閉式循環(huán)水。壓縮機冷水機組是給加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機提供冷卻水，加氫機冷水機組是給加氫機前的換熱器提供冷卻水，氫氣和冷卻水通過換熱器進行換熱。

表2 加氫部分主要設備一覽表

3.3 建站等級

3.3.1 儲氫罐總容量計算

本文中將氫氣儲氣瓶組、緩沖罐、氫氣罐、氫氣長管拖車氫氣儲氣瓶組統(tǒng)稱為儲氫罐。

加氫站等級劃分按GB 50516—2010第3.0.2條執(zhí)行。在進行加氫站等級劃分時，應按儲氫罐總容量(以總質量m計)劃分。

3.3.2 建站等級劃分

制氫部分各儲氫罐相關技術參數(shù)見表3，加氫部分各儲氫罐相關技術參數(shù)見表4。表4中，氫氣儲氣瓶組及氫氣長管拖車氫氣儲氣瓶組單罐(組)容量為單組容量，緩沖罐單罐(組)容量為單罐容量。

表3 制氫部分各儲氫罐相關技術參數(shù)

表4 加氫部分各儲氫罐相關技術參數(shù)

表4中，各儲氫罐工作溫度均為常溫，可按300 K考慮。據(jù)文獻[1]表4-110查得相應工況下的氫氣的密度，經(jīng)計算得到各儲氫罐單罐(組)容量，經(jīng)進一步計算可得儲氫罐總容量m為975.6 kg。

根據(jù)GB 50177—2005，制氫部分無等級劃分。根據(jù)GB 50516—2010第3.0.2條表3.0.2規(guī)定，在m≤1 000 kg，且儲氫罐單罐容量≤500 kg條件時，為三級加氫站。根據(jù)上文分析，本項目儲氫罐總容量m<1 000 kg，各儲氫罐單罐(組)容量<500 kg。因此，本項目由氫氣站和三級加氫站組成。

需要說明的是，緩沖罐設置在加氫部分，在進行加氫站等級劃分時，應將緩沖罐的容量計算在內(nèi)。若緩沖罐設置在制氫部分，在進行加氫站等級劃分時，不應將緩沖罐的容量計算在內(nèi)。

3.4 工藝流程

3.4.1 工藝流程框圖

工藝流程可分為制氫流程、卸車流程、增壓流程、加氫流程4部分。方案1工藝流程框圖見圖2。

圖2 方案1工藝流程框圖

3.4.2 制氫流程

制氫采用水電解制氫，水電解后的氫氣壓力為1.0 MPa，經(jīng)制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機增壓至20.0 MPa，一路通過充裝口給氫氣長管拖車充裝，一路去加氫部分緩沖罐。制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機的出口壓力應和加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機進口壓力一致，最高工作壓力為20.0 MPa。

3.4.3 卸車流程

氫氣長管拖車進入站區(qū)加氫部分氫氣長管拖車固定停車位，固定車輛并連接卸車軟管，通過氫氣卸氣柜將氫氣從氫氣長管拖車氫氣儲氣瓶組內(nèi)卸載，并輸送至加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機。當氫氣長管拖車氫氣儲氣瓶組內(nèi)氫氣壓力低于設定值時，停止卸車，脫離卸車軟管，移走車輛限位卡，氫氣長管拖車駛離本站。

3.4.4 增壓流程

來自氫氣卸氣柜或制氫系統(tǒng)的氫氣經(jīng)過加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機增壓，去往氫氣儲氣瓶組或加氫機。在加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機前總管道上設置緊急切斷閥，用于緊急情況下對氣源的切斷，且加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機設置必要的連鎖控制系統(tǒng)。

3.4.5 加氫流程

加氫系統(tǒng)主要包括高壓氫氣管道和加氫機。從氫氣儲氣瓶組出來的氫氣由管道輸送至加氫機，經(jīng)加氫機加注到氫燃料電池汽車內(nèi)。當氫氣儲氣瓶組壓力較低時，從加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機出來的氫氣直接由管道輸送至加氫機，經(jīng)加氫機加注到氫燃料電池汽車內(nèi)。加氫機上安裝壓力傳感器、過壓保護裝置、軟管拉斷保護裝置等。

3.5 消防給水系統(tǒng)

GB 50516—2010第7.1.1條規(guī)定，加氫站應設消防給水系統(tǒng)。消防給水系統(tǒng)根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)《建筑設計防火規(guī)范》(以下簡稱GB 50016—2014(2018年版))第8章及GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》(以下簡稱GB 50974—2014)第3.1節(jié)、第3.4.12條、第3.6.2條等相關內(nèi)容進行設計。

站房及輔助用房均為單層建筑，根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)第8.1.2條，可不設室外消火栓系統(tǒng)；根據(jù)GB 50016—2014(2018年版)第8.2.1條，可不設室內(nèi)消火栓系統(tǒng)。

根據(jù)GB 50974—2014第3.1.1條及GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設計防火標準》(2018年版)第8.4.2條，消防給水系統(tǒng)設計應按制氫部分儲氫罐的總容量(以標準狀態(tài)下的體積計，以下同)、加氫部分儲氫罐的總容量兩者中較大者進行設計。

根據(jù)GB 50974—2014第3.4.12條，表3.4.12注1，計算儲氫罐的總容量。依據(jù)表3、4中數(shù)據(jù)，計算可得制氫部分儲氫罐的總容量為10 909.0 m3，加氫部分儲氫罐的總容量為14 604.0 m3，可見，加氫部分儲氫罐的總容量較大，因此，應按此進行消防給水系統(tǒng)設計。

根據(jù)GB 50974—2014第3.4.12條室外消火栓設計流量為20 L/s。根據(jù)GB 50974—2014第3.6.2條，火災延續(xù)時間不小于3 h。因此，本工程按照火災延續(xù)時間3 h考慮，設置有效容積為216 m3的消防水池。

3.6 氫氣純度

根據(jù)GB 50516—2010第6.1.1條，加氫站進站氫氣的質量應符合現(xiàn)行國家標準GB 3634《工業(yè)氫氣》(以下簡稱GB 3634)或GB/T 7445《純氫、高純氫和超純氫》(以下簡稱GB/T 7445)中規(guī)定的氫氣和高純氫氣質量標準。目前，GB 3634的版本為GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫》(以下簡稱GB/T 3634.1—2006)，GB/T 7445的版本為GB/T 3634.2—2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》(以下簡稱GB/T 3634.2—2011)。根據(jù)GB/T 3634.1—2006第3.1條及GB/T 3634.2—2011第3.1條，考慮用于燃料電池汽車的氫氣質量要求較為嚴格，制氫系統(tǒng)制取的氫氣及氫氣長管拖車運輸而來的氫氣的純度(體積分數(shù))應為99.999%。

4 方案2

方案2與方案1的區(qū)別是，制氫系統(tǒng)制取的氫氣僅作為該加氫站的氣源，沒有給氫氣長管拖車充裝的功能。方案2的主要設備、建站等級、工藝流程、消防給水系統(tǒng)與方案1有一些差別，但類似，參見方案1。

方案2總平面布置見圖3。在總平面布置時，按自備制氫加氫站對待，即按一個站考慮，制氫系統(tǒng)按站內(nèi)制氫間對待，站內(nèi)設施之間的防火間距按GB 50516—2010第5.0.1條執(zhí)行，加氫站的氫氣工藝設施與站外建筑物、構筑物的防火距離按GB 50516—2010第4.0.4條執(zhí)行，同時還應滿足GB 50516—2010中相關規(guī)定的要求，制氫系統(tǒng)還應符合GB 50177—2005的有關規(guī)定。

圖3 方案2總平面布置

按照上述要求進行總平面布置，方案2占地95.0 m×83.0 m，面積為7 885.0 m2，與方案1相比，占地較少。

方案2的服務對象是面向社會的公交車、乘用車、商用車等氫燃料電池汽車，不為氫氣長管拖車充裝，總平面布置不考慮充裝區(qū)。總平面布置按功能劃分為卸車區(qū)、工藝裝置區(qū)、加氫罩棚、站房、輔助用房、消防泵房、消防水池。卸車區(qū)是氫氣長管拖車卸車的區(qū)域，設置2個氫氣長管拖車固定停車位，可同時停放2輛氫氣長管拖車。將所有工藝設備集中布置在工藝裝置區(qū)，根據(jù)其易燃易爆危險特性，避免人員進入。加氫機置于加氫罩棚下。站房及輔助用房均為單層建筑，將站房和加氫罩棚面向站外道路布置，方便車輛出入。進、出口分開設置。根據(jù)GB 50516—2010第5.0.2條，周圍用高度不低于2.2 m的不燃實體圍墻隔開，面向進、出口道路的一側開放。站區(qū)考慮消防給水系統(tǒng)并留有消防環(huán)形通道，方便事故狀況下消防車輛進出。

在進入加氫系統(tǒng)氫氣壓縮機前設置緩沖罐，在進入制氫系統(tǒng)氫氣壓縮機前設置氫氣罐。

5 結語

方案1和方案2由于自備制氫系統(tǒng)制取氫氣的用途不同，其總平面布置等設計存在差異。在進行加氫站設計時，應根據(jù)供氫方式、自備制氫系統(tǒng)制取氫氣的用途及實際情況，在滿足標準規(guī)范及功能需求的前提下，合理地進行設計，力求方案最優(yōu)化。