加氫站的工藝分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

胡 瑛

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司

0 概述

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)“雙碳”背景下，交通行業(yè)已迎來(lái)巨大變革，以電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)為首的新能源汽車(chē)逐漸進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域。燃料電池汽車(chē)使用氫作燃料，是新能源汽車(chē)的重要組成部分。截至2020年底全球燃料電池汽車(chē)數(shù)量已突破3.4萬(wàn)輛，其中我國(guó)達(dá)到了7 729輛，占到五分之一[1]。

燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)其配套設(shè)施——加氫站。自2019年起我國(guó)加氫站建設(shè)駛?cè)肟燔?chē)道。據(jù)2020年底統(tǒng)計(jì)，我國(guó)累計(jì)已建成加氫站128座，截至2021年7月，投運(yùn)的建成站有116座。上海市是國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)的先行城市，自2007年安亭加氫站始，至2020年底已建成9座。依據(jù)規(guī)劃，2025年前建設(shè)的加氫站會(huì)達(dá)到70座[2]（見(jiàn)表1）。

表1 2017-2020年燃料電池汽車(chē)和加氫站的統(tǒng)計(jì)

鑒于加氫站建設(shè)離不開(kāi)設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)，2021年國(guó)家陸續(xù)頒布了新的加氫站設(shè)計(jì)規(guī)范，其中引入了一些新理念，故有必要重新審視加氫站的工藝、種類(lèi)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 加氫工藝

加氫工藝按氫的不同形態(tài)，主要分為氣態(tài)和液態(tài)。

1.1 高壓氣態(tài)氫

按氣態(tài)氫的壓力等級(jí)，分為35 MPa和70 MPa兩類(lèi)。考慮技術(shù)和安全因素，國(guó)內(nèi)主要發(fā)展35 MPa加氫站，占比達(dá)89%[1]。故以35 MPa高壓氣態(tài)加氫站作為工藝分析對(duì)象。

1）工藝裝備

氣態(tài)站的核心工藝裝備包含壓縮機(jī)、加氫機(jī)和儲(chǔ)氫容器三大件。

（1）壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是將上游H2壓縮,儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫容器內(nèi)。常規(guī)形式有隔膜式和液驅(qū)式。目前，國(guó)內(nèi)已建或在建的加氫站多采用技術(shù)最成熟的隔膜壓縮機(jī)，液驅(qū)式則適應(yīng)頻繁啟停的場(chǎng)景，以林德為代表的新型離子液壓縮機(jī)已實(shí)現(xiàn)商用，鑒于后者節(jié)能高效的特點(diǎn)，未來(lái)也有應(yīng)用前景[3]（見(jiàn)表2）。

表2 壓縮機(jī)的特點(diǎn)對(duì)比

（2）加氫機(jī)

加氫機(jī)是為燃料電池汽車(chē)的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶充裝H2，其組成包括加氫槍、計(jì)量、取氣控制和冷卻設(shè)施等（見(jiàn)表3）。

表3 加氫機(jī)的主要功能

（3）儲(chǔ)氫容器

儲(chǔ)氫容器是將上游氫源儲(chǔ)存至站內(nèi)，并為下游加注提供緩沖，有移動(dòng)式和固定式兩種。移動(dòng)式為長(zhǎng)管拖車(chē)，固定式為儲(chǔ)氫瓶組（或罐）。35 MPa加氫站采用45 MPa儲(chǔ)氫瓶組，70 MPa加氫站采用90 MPa儲(chǔ)氫罐（見(jiàn)表4）。

表4 儲(chǔ)氫容器的分類(lèi)

2）工藝流程

H2通過(guò)長(zhǎng)管拖車(chē)輸送至站內(nèi)，氣源壓力為20 MPa，氫純度不低于99.97%[4]。壓縮機(jī)從長(zhǎng)管拖車(chē)取氣，增壓儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫容器，車(chē)輛需要加氫時(shí)，再由壓縮機(jī)從儲(chǔ)氫容器取氣，通過(guò)加氫機(jī)計(jì)量后為車(chē)輛加注。

為提高加注效率，加氫機(jī)和容器一般采用多級(jí)取氣：先容器分組，再設(shè)定各組不同壓力，由低至高順序?yàn)槠?chē)加注。儲(chǔ)氫容器一般為6～15瓶或1～3罐，分三級(jí)，有1:1:1或2:3:4等劃分形式[5]（見(jiàn)圖1）。

圖1 氣態(tài)站的工藝流程示意圖

1.2 低溫液態(tài)氫

液態(tài)氫加氫站是加氫站的另一種類(lèi)型，目前全球已有120多座，占總數(shù)1/5[6]。液態(tài)相比氣態(tài)的儲(chǔ)運(yùn)效率更高，大規(guī)模長(zhǎng)途運(yùn)輸有經(jīng)濟(jì)性[7]。

液態(tài)站區(qū)別于氣態(tài)站的主要工藝裝備有液氫儲(chǔ)罐、液氫泵和氣化器（高壓或低壓）等。液態(tài)氫存至站內(nèi)液氫儲(chǔ)罐后，可先增壓再高壓氣化至站內(nèi)儲(chǔ)氫容器，也可先低壓氣化再增壓至儲(chǔ)氫容器。前者利用液氫冷能為加氫機(jī)加注過(guò)程預(yù)冷，能耗低，但低溫泵和高壓氣化器技術(shù)門(mén)檻高；后者采用壓縮機(jī)增壓，能耗較高，但常規(guī)氣態(tài)壓縮機(jī)和低壓氣化器的技術(shù)門(mén)檻較低，兩種工藝各有優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖2）。

圖2 液態(tài)站的工藝流程示意圖

1.3 其他工藝形式

隨著技術(shù)發(fā)展，未來(lái)加氫站也會(huì)采用一些新的工藝形式。

1）有機(jī)液體

有機(jī)液體利用不飽和有機(jī)物液體的加氫和脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫，反應(yīng)可逆、安全穩(wěn)定且便于運(yùn)輸，可利用現(xiàn)有加油站設(shè)施。常用液體如甲苯、吡啶及乙基咔唑等[8]。

2）固態(tài)材料

固體儲(chǔ)氫利用氫氣與儲(chǔ)氫材料之間發(fā)生物化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固溶體或氫化物進(jìn)行儲(chǔ)氫。這種方式儲(chǔ)氫體積密度大、運(yùn)輸方便且低壓安全，發(fā)展?jié)摿Υ骩9]。

2 建設(shè)類(lèi)型

2.1 定義

按站內(nèi)能源服務(wù)形式，加氫站主要分為純氫站和合建站。

1）純氫站

純氫站指單純提供加氫服務(wù)的獨(dú)立能源加注站，服務(wù)對(duì)象僅為燃料電池汽車(chē)。純氫站又可分為固定站和撬裝站，其中撬裝站是臨時(shí)加氫過(guò)渡設(shè)施，但建設(shè)審批同樣執(zhí)行固定站要求。

2）合建站

合建站指加氫和其他一種或多種能源服務(wù)（加油、加氣、充電）合建的加注站。合建站的優(yōu)勢(shì)在于可有效服務(wù)于現(xiàn)階段多種車(chē)用能源并存的場(chǎng)景。

2.2 建站分類(lèi)

1）純氫站（見(jiàn)表5、圖3）

表5 純氫站案例

圖3 純氫站展示圖

固定站工藝分為氣態(tài)和液態(tài)，其設(shè)計(jì)需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、符合安全間距；撬裝站和固定站工藝原理基本相同，為實(shí)現(xiàn)快速投運(yùn)，會(huì)采用減少儲(chǔ)氫容積、使用液驅(qū)壓縮的加注一體裝備。

2）合建站（見(jiàn)表6、圖4）

圖4 合建站展示圖

表6 國(guó)內(nèi)合建站案例

（1）加氫加油合建站

此類(lèi)加氫站帶有一定的行業(yè)屬性。從國(guó)內(nèi)發(fā)展看，中石油和中石化等傳統(tǒng)油企傾向于發(fā)展油氫合建站。利用以油補(bǔ)氫來(lái)支持加氫站的發(fā)展，這也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)維持加氫站市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的一種商業(yè)模式。

（2）加氫加氣合建站

以華潤(rùn)為代表的燃?xì)馄髽I(yè)在低碳能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中也十分重視加氫站，并可利用其現(xiàn)有加氣站用地實(shí)施合建。

（3）加氫充電合建站

充電站是新能源的最終發(fā)展趨勢(shì)，電力企業(yè)在轉(zhuǎn)型過(guò)程中，充分把握行業(yè)優(yōu)勢(shì)，將充電和加氫進(jìn)行合建。

（4）綜合能源站

綜合能源站指三種及以上能源服務(wù)合建的類(lèi)型，包含加油、加氣、充電和加氫，俗稱(chēng)“四位一體”。綜合能源站能夠提供多種能源服務(wù)方式，是未來(lái)合建站的主流趨勢(shì)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 規(guī)范發(fā)展的時(shí)間軸

我國(guó)加氫站設(shè)計(jì)起步于2010年，當(dāng)時(shí)住建部發(fā)布了《加氫站技術(shù)規(guī)范》（GB50516），形成基礎(chǔ)是2007年上海和北京等兩座示范站，該標(biāo)準(zhǔn)可指導(dǎo)國(guó)內(nèi)加氫站的設(shè)計(jì)。但2010版中存在一些缺漏，如針對(duì)合建站僅說(shuō)明了兩種合建情況，對(duì)于三種及以上的合建來(lái)說(shuō)，定義不明。

2021年為進(jìn)一步指導(dǎo)純氫站及合建站的設(shè)計(jì)，《加氫站技術(shù)規(guī)范》2021年修訂版移除了合建站內(nèi)容，將合建站并入2021年頒布的新版《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50156-2021）。至此，2021年兩本規(guī)范的同時(shí)修訂終于完善了純氫站及合建站的設(shè)計(jì)依據(jù)，在新形勢(shì)下可有效指導(dǎo)各類(lèi)加氫站的設(shè)計(jì)。

下文中《加氫站技術(shù)規(guī)范》（GB50516-2010（2021版））簡(jiǎn)稱(chēng)GB50516；《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50156-2021）簡(jiǎn)稱(chēng)GB50156。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.2.1 采標(biāo)依據(jù)

純氫站和合建站都是加氫站，存在規(guī)范的采用問(wèn)題。

解析：按上述兩本規(guī)范的適用定義，純氫站適用于GB50516，合建站則更適用于GB50156，但GB50156未明確的內(nèi)容仍應(yīng)參照GB50516執(zhí)行（見(jiàn)表7）。

表7 加氫站設(shè)計(jì)建議采標(biāo)情況

3.2.2 GB50516主要更新條款

GB50516新版是在原2010年版基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限修訂。

1）主要更新條款（見(jiàn)表8）

表8 GB50516的更新條款

設(shè)計(jì)中需重視上述更新條款，其中最重要的更新條款解釋如下。

2）重要更新條款的解析

（1）允許液氫和站內(nèi)制氫

條款：3.0.1

“加氫站應(yīng)結(jié)合供氫方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。加氫站可采用氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸、氫氣管束式集裝箱運(yùn)輸、液氫罐車(chē)運(yùn)輸、液氫罐式集裝箱運(yùn)輸、管道輸送或站內(nèi)制氫系統(tǒng)等方式供氫。加氫站可與天然氣加氣站或加油站聯(lián)合建站。”

解析：該條款引入了液態(tài)氫的供氫方式，同時(shí)明確允許站內(nèi)制氫，為未來(lái)加氫站工藝形式的豐富提供了重要依據(jù)。

（2）等級(jí)規(guī)模調(diào)整（見(jiàn)表9）

表9 兩版加氫站等級(jí)劃分對(duì)比

條款：3.0.2

解析：二、三級(jí)站將是今后城市建成區(qū)的主要形式，本次更新調(diào)整了這兩級(jí)的上限和單罐規(guī)模，有利于新能源設(shè)施的規(guī)模普及；此外，一、二級(jí)站新的分界為5 000 kg，與國(guó)內(nèi)其他規(guī)范對(duì)危化品重大危險(xiǎn)源的識(shí)別一致[10]。

3.2.3 GB50516與GB50156對(duì)照

雖然兩本規(guī)范都是2021年頒布，且分別適用于純氫站和合建站。但在應(yīng)用中有個(gè)別條款存在差異，需在設(shè)計(jì)過(guò)程中仔細(xì)甄別。

1）差異性條款（見(jiàn)表10）

表10 兩本規(guī)范的差異性條款

2）主要差異性條款的解析

（1）儲(chǔ)氫容器與壓縮機(jī)的安全間距

條款號(hào):GB50516-5.0.1A;GB50156-5.0.14

解析：GB50516中，儲(chǔ)氫容器（含槽車(chē)）分三級(jí)，與壓縮機(jī)之間安全間距是9 m；GB50156中取消了儲(chǔ)氫容器的分級(jí)和壓縮機(jī)的間距要求。

合建站的用地更緊湊，因此GB50156條款符合其集約用地的現(xiàn)狀。但在設(shè)計(jì)中，仍應(yīng)盡量兼顧兩本規(guī)范的安全措施，建議合建站有條件也可引入中間防爆墻（GB50516有要求），來(lái)提高取消安全間距后的本質(zhì)安全。

（2）圍墻設(shè)置

條款號(hào):GB50156-10.7.5

解析：GB50516的純氫站僅有加氫的一種工藝設(shè)備區(qū)；GB50156的合建站有不同類(lèi)型的工藝設(shè)備區(qū)，因此后者新增規(guī)定“站內(nèi)固定儲(chǔ)氫容器、氫氣儲(chǔ)氣井、氫氣壓縮機(jī)與加氫區(qū)、加油站地上工藝設(shè)備區(qū)、加氣站工藝設(shè)備區(qū)、站房、輔助設(shè)施之間應(yīng)設(shè)置不小于0.2 m厚的鋼筋混凝土實(shí)體防護(hù)墻或厚度不小于6 mm且支持牢固的鋼板”。

該條在設(shè)計(jì)合建站時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，另外考慮到鋼不耐久火，建議更多使用鋼筋混凝土實(shí)體防護(hù)墻來(lái)進(jìn)行隔離保護(hù)。

（3）放散總管的控制半徑

條款號(hào)：GB50516-6.5.4;GB50156-10.6.5

解析：純氫站內(nèi)建構(gòu)筑物較少，因此放散總管高出全站實(shí)施最高點(diǎn)2 m是可以做到的。但合建站中設(shè)施較多，如不同的加油和加氣罩棚，且綜合能源站的占地更大，因此高出全站所有設(shè)施2 m較難實(shí)現(xiàn)，會(huì)造成放散總管高度太高，故設(shè)置了12 m范圍要求，十分合理。

此外油氣與城燃等行業(yè)對(duì)放散總管的控制半徑也有不同，可對(duì)比學(xué)習(xí)（見(jiàn)表11）。

表11 放散總管高出周邊建構(gòu)筑物2 m的控制半徑

4 結(jié)論

本文主要介紹了加氫站的不同工藝流程、加氫站的不同建設(shè)類(lèi)型、純氫站和合建站的設(shè)計(jì)規(guī)范采用、解析GB50516和GB50156的差異性?xún)?nèi)容。

加氫站是氫能產(chǎn)業(yè)的核心配套設(shè)施，符合新能源汽車(chē)發(fā)展潮流，伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，加氫站設(shè)計(jì)者們還將繼續(xù)不斷地對(duì)加氫工藝及設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行完善。