氫能源有軌電車廠內臨時加氫工藝探討

陳建邦

（佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

傳統有軌電車普遍采用接觸網供電。隨著社會和技術的發展，無接觸網供電技術成為現代有軌電車的發展趨勢。近年來，大功率燃料電池技術取得了重大進展，并成功在現代有軌電車上得到了應用［1］。2015 年，青島四方機車車輛股份有限公司研制的氫能源有軌電車成功下線；2016年，佛山市高明區氫能源有軌電車示范線項目開工建設，同期氫能源有軌電車生產制造［2］。

鑒于氫燃料有軌電車通過氫氣介質產生動能，車輛在生產制造調試階段面臨加氫問題，如何安全、高效解決臨時加氫，保障車輛運行，成為具有現實意義的研究課題。本文對高明氫能源有軌電車廠內臨時加氫設備設施、工藝流程、安全等方面進行研究探討，為類似項目臨時加氫提供參考。

1 特點

1.1 供電制式

高明氫能源有軌電車采用氫燃料電池作為牽引動力，氫動力系統主要包括燃料電池子系統、儲氫子系統、冷卻子系統、DC－DC 電源裝置、動力電池和燃料電池能量控制系統等。其中，儲氫子系統為燃料電池供應氫氣，包含氫氣的加注、儲存和供給。儲氫系統配置6個儲氫氣瓶，額定工作壓力為35 MPa，額定充裝體積為840 L，加滿后共儲存氫氣20 kg，續航里程可達80～100 km，加氫口位于M1 車車頂兩側，方便加氫操作。

1.2 臨時氫氣需求

根據車輛生產制造工序，列車編組完成后需要進行14 天靜動態調試，以及列車型式試驗工作，需保證用氫量。結合廠區實際，為提高氫氣加注效率，應滿足臨時氫氣增壓達到35 MPa。

2 臨時加氫設備設施配置

依據精簡、經濟、安全的配置原則，高明氫能源有軌電車生產基地為列車配置的主要設備設施包括一段約40 m的臨時存車股道、一處臨時加氫區（約30 m2）、一臺氫氣增壓站（設計壓力為35 MPa，流量為6.6 kg／h）、一支加氫槍（設計壓力為35 MPa）、一個加氫梯或升降平臺等。具體加氫區規劃如圖1 所示。臨時加氫區域不設置氫氣儲罐，氫氣瓶組通過從工廠運送至臨時加氫指定區域。

圖1 加氫區規劃

2.1 加氫股道

為確保有軌電車加氫，需要在廠內規劃設置臨時加氫股道40 m。由于車輛加氫口位于車頂，需要在加氫股道旁配置便攜式蹬車梯或升降平臺。

2.2 加氫區

加氫場地規劃硬化地面長6 m，寬5 m，面積為30 m2，用于升降平臺和加氫梯的放置；過道長17 m，寬1.5 m，面積為25.5 m2，便于升降平臺和加氫人員的進出，滿足GB50177《氫氣站設計規范》中3.0.1 項的相關要求［3］。

高明氫能源有軌電車加氫口位于M1 模塊車頂中心處，以加氫口為圓點，半徑20 m范圍內定義為安全防護區域，保證加氫過程中滿足GB4962《氫氣使用安全技術規程》的“供氫站防火間距”要求，同時平行于股道方向和垂直于加氫車輛方向設置長為30 m、寬為30 m的臨時警示隔離帶［4］。

2.3 氫氣加注系統

臨時氫氣加注系統由低壓氫氣瓶組和增壓設備、加氫槍組成［5］。低壓氫氣瓶組（20 MPa）放置在危險品專用運輸車上，從工廠直接運輸到加氫現場卸載，低壓氫氣瓶組由6～10 個小瓶組成，1 個瓶組內每一支氫氣瓶并聯組成。在需要加注時，2 個低壓氫氣瓶組串聯對車輛進行加注，加注完畢后駛離加注場地，減少對場地的占用并降低加注場地及周圍環境的安全隱患。增壓設備包含了氫氣增壓泵、控制閥門及儀表，可形成35 MPa高壓加注能力，通過加氫機充裝到有軌電車車載儲氫瓶中。該套系統可以通過手動控制閥門的開關大小位置來控制氫氣加注的速度，從而實現氫氣的安全加注。具體加注如圖2 所示。

圖2 氫能源列車氫氣加注

3 臨時加氫工藝

為了保證氫能源有軌電車臨時加氫的有效實施和安全防范措施到位，必須制定嚴格的工藝控制措施。

3.1 工藝流程策劃

為確保廠內氫氣加注過程的高效實施，保障現場安全有序，策劃形成廠內加氫工藝流程，具體加注工藝流程如圖3 所示。

圖3 氫能源列車臨時氫氣加注工藝流程

3.2 工藝措施

3.2.1 氫氣加注前整備

3.2.1.1 氫氣整備

氫氣組架經汽車運輸至臨時加氫區域，應滿足：

（1）氫氣組架已經到位，氫氣組架最大工作壓力為20 MPa；

（2）叉車到位，用于氫氣組架的運輸；

（3）氫氣組架氫氣接入氫氣加注工裝；

（4）當氫氣組架到達現場時，首先要將現場的地線接到瓶組架上的特定位置，以免靜電放電產生火花。

3.2.1.2 有軌電車整備

氫能源有軌電車經公鐵兩用車調拉至加氫股道，應滿足：

（1）有軌電車已經完成車輛導通、絕緣耐壓、靜態調試、動力電池試驗、轉向試驗，除氫能源外滿足車輛動態試驗條件；

（2）有軌電車MC1 車，手動隔離開關K201 至于“斷開”位，整車處于斷電狀態；

（3）檢查車載加氫口，確認無物理損壞。

3.2.1.3 加氫場地整備

加氫場地達到各類安全防護要求，應滿足：

（1）加氫口下方防靜電接地處于工作狀態（接地電阻不得大于10 Ω）；

（2）加氫場地范圍必須處于防雷措施保護，且避雷針的高度必須高于氫氣放空管路的高度；

（3）加氫場地警示帶封閉，進入加氫場地人員不得開手機、撥打電話、拍照或者錄像、攜帶火源，臨時警示隔離帶（半徑30 m）內不得有明火，警示標識到位，不得有機動車輛走動；

（4）加氫梯或升降平臺處于工作狀態；

（5）現場配備至少2 瓶干粉或二氧化碳滅火器。

3.2.1.4 人員整備

由于氫氣加注的專業性和危險性，必須由取得政府監督部門頒發的相應資質（車用氣瓶充裝證，并接受過專業的氫氣加注實操培訓）的專業技能人員，嚴格按照操作流程和規范進行操作，無證人員不得擅自操作，并滿足：

（1）自身防護措施的自查，包括防靜電服和手套、安全帽、安全防護眼鏡、導靜電鞋，確保人員自身防護措施到位；

（2）自身物品的自查，將攜帶的電子產品（移動電話、對講機、相機等）置于控制室或其他遠離氫氣加注現場的地方，禁止攜帶火種；

（3）攜帶工具的自查，確保攜帶的工具為銅質工具，例如銅質的扳手——用于加氫槍與氣源設備的連接；

（4）必備表單的檢查，確認攜帶車輛加注記錄表和氫氣組架使用記錄表；

（5）加氫槍的檢查，確認接口和接頭完備，加氫槍頭完好，認真檢查并確認氫氣充裝軟管與加氫槍之間的鏈接完好。

3.2.1.5 安全監督整備

為了保證現場氫氣加注的安全，現場配置一名安全監督人員，嚴格監督落實相關安全措施，應滿足：

（1）提前確認計劃進入隔離區域的人員信息；

（2）進入隔離帶前，自查必備工具——手持氫氣檢漏儀（確保其正常可用）和呼吸罩；

（3）加注過程中，禁止無關人員進入加注現場，并隨時用手持氫氣檢漏儀監測車輛和氫氣組架周圍的氫氣濃度，檢查和禁止可能引起事故的現象，確保加注現場始終處于安全監控之下。

3.2.2 氫氣加注

3.2.2.1 加注前準備

加注前準備如下。

（1）打開分閥。當軟管、地線都接好后，緩慢打開氫氣組架上所有氣瓶的閥門，確認全部閥門打開后可以進行下一步。

（2）測漏。檢漏液測漏，當分閥／總閥打開時，對軟管瓶組架接口和列車加氫接口進行測漏。現場至少配備2 個便攜式氫氣濃度檢測儀，實時對現場氫氣泄漏情況進行監測，確認沒有泄漏后可以進行下一步。

（3）吹掃。目的是將氫氣充裝軟管中的空氣吹走，保證氣體的質量，以達到純度要求。關閉加氫槍吹掃閥，打開瓶組架的總閥，讓氣體充滿軟管后將瓶組架總閥關閉，慢慢打開加氫槍的吹掃閥，將軟管里的氣體排出。注意排放的速度，當軟管內氣體壓力降低到0.2 MPa時，將吹掃閥關閉。最少要吹掃12次以上，然后關閉吹掃閥、瓶組架總閥。

3.2.2.2 加注

將加氫槍與待加注車輛連接，對車載儲氫容器進行預充，當瓶組架壓力與儲氫容器壓力平衡時，打開增壓機啟動增壓功能，直至加壓到35 MPa，停止充裝。

3.2.2.3 加注結束

關閉氫氣組架；關閉氫氣組架的總閥和所有氣瓶的閥門，拆除加氫槍。

3.2.3 氫氣加注結束后整備

3.2.3.1 加氫設備整備

氫氣組架與氫氣加注設備的分離；加氫槍存放于氫氣加注設備上，妥善放置，以免磕碰加氫槍；取下防靜電接地線，存放于專用存放處；氫氣組架運輸和裝卸至氫氣運輸車輛上。

3.2.3.2 車輛整備

待氫氣組架運輸車離開氫氣加注場地；氫氣加注設備整備完畢；確認相關加注壓力數據，并最終完成加注數據的記錄手續；車輛調拉至動調試驗線。

3.2.3.3 加氫區域整備

加氫梯或升降平臺處于非工作狀態；加氫場地護欄撤離。

4 安全注意事項

氫氣屬于甲類易燃氣體，與空氣混合能形成爆炸混合物，爆炸極限范圍為4.1%～74.1%。試驗表明，由于氫氣密度很低，當氫向一個敞開的空間泄漏后會迅速擴散，相對汽油燃料泄漏后向地面滴落，還會滲入縫隙，燃燒迅速、猛烈。因此，儲氫技術比汽油儲存要安全，只要有完善配套的氫泄漏探測、報警和緊急切斷裝置，氫用作燃料是安全的［6－7］。針對氫的特性，燃料電池有軌電車臨時加氫安全特別注意：

（1）臨時加氫區域安全防火距離滿足規范要求和保證現場警示隔離帶；

（2）氫氣加注設備滿足安全接地基礎上，各類加氫管路應設置事故切斷閥或過流閥，遇到緊急情況下，能手動關閉或自動關閉；

（3）氫氣加注人員應同時掌握高處作業和加氫作業兩項特種作業的安全操作規范和相關緊急預防措施；

（4）臨時加氫結束后，帶氫設備設施應盡快撤離。

5 結束語

當前，氫燃料電池技術快速發展且在更多領域得到了應用，如汽車、航空航天、船舶、軌道交通等。然而社會標準化加氫站建設規模及便利性仍存在許多不足，特殊情況下氫燃料電池車輛臨時加氫成為了現實迫切需要，政府及行業監管部對車輛臨時加氫的工藝流程方法及安全保障措施提出了更高的要求。本文通過探討氫能源有軌電車廠內臨時加氫的設備設施、工藝流程和安全防范措施，為行業提供借鑒參考。