加氫站工程建設實施的過程管理

李玉杏

〔中國石化銷售股份有限公司 北京 100728〕

日益嚴重的能源危機和環境污染問題迫切要求人們開發潔凈、經濟的新能源。氫能是新能源革命的突破口，其燃燒產物潔凈、燃燒效率高、可再生等優點被認為是重要的二次能源。隨著氫燃料電池和電動汽車的迅速發展和產業化，新能源汽車的相關研究也因之漸行漸豐，加速氫燃料電池技術的市場引入，發揮其實現碳清潔能源系統的潛力等已經成為我國能源結構低碳轉型的重要一步。

伴隨技術的迭代更新和不斷進步，新能源汽車逐步進入商業場景應用，越來越多的家庭選擇購置新能源汽車作為交通工具，新能源汽車在車輛系統技術、加氫設施、車輛儲氫、制造成本、運行經驗、標準和法規等方面還有大量問題需要系統地考慮和解決，開展示范加氫站建設的實施過程管理研究已顯得十分必要。

1 建設背景

1.1 國內外氫能基礎設施建設

1995年5月，德國在慕尼黑國際機場建成了世界上第一座用于氫能汽車的加氫站。日本、美國以及歐洲的一些國家在過去的26年時間里也大力發展建設加氫站，成為世界上加氫站相對集中區域。

日本是世界上最早推廣氫燃料電池汽車的國家，并且很早便開始了加氫站建設。到2007年， 日本已經建成12座加氫站。后來由于種種原因建設速度放緩，在接下來的7年里，只增加了5座加氫站，總數增加到17座。日本在2014年恢復了加氫站建設，并將其作為日本未來新能源汽車的核心。2016年，日本經濟貿易產業省(METI)在燃料電池專家委員會會議上提出清潔能源汽車的長遠規劃，包括使日本加氫站至2020財年增至160座，至2025財年增至320座。

美國正在加快加氫站建設步伐。美國第一座加氫站網絡由博萊克威奇公司和第一元素燃料公司合作建設，其中包含19座加氫站。2015年，博萊克威奇公司完成了第一座TrueZero加氫站，該站位于加利福尼亞州的科林加，作為舊金山和洛杉磯之間的中途點。在該加氫站建成后的4個月內，6座加氫站相繼完工。同年，日本豐田公司也在美國加州地區提供了臨時可移動加氫站，以彌補固定加氫站數量的不足，以便于推廣其品牌下的Mirai氫燃料電池汽車。據不完全統計，截至2020年，美國建成并開放給氫燃料電池汽車用戶的加氫站共有39座，其中35座位于加利福尼亞州。

德國政府和企業在加氫站建設方面也表現出了巨大興趣。戴姆勒集團和林德集團于2014年聯合宣布，他們將于2015年底在德國建造20座加氫站。德國聯邦外貿與投資署( GTAI)稱，德國將成為第一個擁有基本加氫站網絡的國家。該加氫站網絡將從德國的北海覆蓋到南部的阿爾卑斯山，每個大都市的市區將建設至少10座加氫站。據計劃，德國將在2023年將建成400座加氫站。

據不完全統計，截至2020年底，全球主要經濟體已建成加氫站527座、在運營504座，其中歐盟179座高居榜首，日本137座緊隨其后，中國101座全面超過德國位居第三，韓國43座趕超受疫情影響的美國成為運營加氫站第四多的國家。從近年情況看，以中日韓為代表的亞洲成為推動加氫能基礎設施建設的主要力量。

2020 年12月12 日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上宣布，未來中國將全面關注碳排放指標，進一步加大減排力度，力爭在2030年前碳排放達到峰值，中國單位國內生產總值碳排放將比 2005 年下降 65 % 以上，非化石能源占一次能源消費比重達到 25 % 左右，努力爭取 2060 年前實現碳中和[1]。這展現了中國堅定不移推動經濟社會綠色轉型發展的決心。

在政府全力推動能源革命的戰略背景下，我國對氫燃料電池汽車的研究和發展不斷加快。中國石化作為國內制氫規模最大的企業，年制氫能力可達350萬t，占比全國14 %，加上終端氫氣加注網點的全力布局和物流配套設施的逐步完善，為打造氫能全產業鏈協同發展奠定了堅實的基礎。目前中國石化加氫站布局已經全面展開，已有將近20座投入運營，預計年底將達到100座以上，氫能全產業鏈的貫通對于加氫站建設布局至關重要，也是氫燃料電池汽車能夠商業化推廣的必要條件。

1.2 國內氫能基礎設施建設管理現狀

我國早在十幾年前就開始探索氫能加注基礎設施建設，但前期發展比較緩慢，直到2016年10月，《節能與新能源汽車技術路線圖》正式發布，氫能基礎設施發展路線及目標才進一步明確，加氫站建設數量也開始穩步上升。上海在2007年底建成了首座固定式加氫站，之后還陸續建設了多座加氫站以滿足氫燃料電池汽車發展的需要[2]，多數由廠家牽頭組織建設，主要對安裝過程實施重點管理，但普遍存在目標規劃不到位、智能化水平差、設計和建設標準不高、報批及驗收程序不規范不到位等問題。北京加氫站初期采用一種叫做壓縮氫儲藏型加氫站，它將氫加壓至19.6 MPa，用儲氣罐和大容量拖車運輸。工程建設采用全過程項目管理模式，整個項目劃分為啟動、計劃、執行、控制和收尾這5個不同的階段，工程建設由工程總包單位與業主、廠家進行共同監督管理。2017～2019 年，我國加氫站整體增速明顯，加氫壓力由35 MPa逐步向70 MPa升級，氫氣加注能力及規模也開始不斷提升，日供氫能力甚至可以達到1 000 kg 以上。從主要服務于研發中的氫燃料電池試驗車輛到可以初步為新能源公共客車、家用轎車提供加注服務，凸顯了加氫站等加氫基礎設施在鏈接上游氫氣制備和下游氫氣應用的關鍵作用。

本文結合中國石化近幾年氫能源示范站點的建設及實施經驗，對加氫站新建項目立項選址、設計報建、建設施工、調試驗收以及經營辦證等全過程管理工作，從建設單位實施項目管理的視角進行綜合分析，為加氫站建設提出一種模塊化過程管理方法。

2 建設實施模式

2.1 選取實施模式

新建加氫站項目選取設計總承包模式。業主督導管理的EPC實施模式，按照“全員全專業全過程”的EPC實施要求，以工程項目建設管理目標為核心，制定項目相關標準和工作流程，指導項目參建方完善各自管理職能，并搭建項目管理平臺，整合多方資源，實現資源的科學、規范、有序管理，在工程建設全過程對多參與方行協同管控，提高整體工作效率，達到各項管理目標[3]。

2.2 搭建管理組織機構

新建加氫站項目建設管理組織是指為開展項目建設管理及實現組織職能而進行的組織系統的設計與建立、組織運行和組織調整。針對加氫站新建項目特點，完善EPC設計總承包模式下組織系統的設計與建立，組建全面實施項目管理任務的組織機構，配套建設必要的制度和管理辦法，劃分并明確崗位、層次、部門的責任和權力，并針對新建加氫站項目的設計、建造、運維等不同階段，確定相匹配的實施對象，來保證順利與有效地實現組織目標。

為使EPC管理模式能夠有效地進行建設服務，在實施團隊的建立過程中一定要結合工程建設項目管理團隊職能的分工，本工程確定以設計團隊作為設計階段的具體實施團隊，施工承包單位、設備供應及安裝單位和施工監理單位作為施工階段的具體實施團隊，專業的團隊完成專業的事情，以保證工作質量。同時聘請具有豐富經驗的業主方項目管理人員進行監督指導，協同工程建設全過程的組織者，對各階段、各團隊工作進行指導并完成質量的審核。新建加氫站項目工作劃分與職責見表1。

表1 新建加氫站項目工作劃分與職責

3 建設實施過程管理

本次新建加氫站從示范工程的特點出發，引入EPC建設管理模式，在實施過程中打造工程共同體概念，并結合加氫站項目示范工程階段模型(圖1)，以主要利益相關者的職責和交付物為標準，確定本工程的關鍵決策點及劃分階段(表2)，并提出過程模型(圖2)。主要分為項目立項和選址階段、項目設計和報建階段、項目建設實施階段、項目驗收和辦證階段。在監理例會、設計交底、專項會議等參建各方溝通的場合，項目指導委員會要求EPC團隊組織各方輔助參與，突破項目參建方傳統孤立的工作模式，建立基于設計總承包的多元協作機制，降低溝通成本。

圖1 加氫站項目示范工程階段模型

表2 加氫站項目關鍵決策點及劃分階段

圖2 加氫站項目示范工程過程模型

3.1 加氫站項目立項和選址階段過程管理

建設方依據自身需求及所處的政策環境進行市場調研以及技術發展調研，主要包括前期考察選擇、可行性研究報告編制、立項手續辦理、前期設計等工作，形成加氫站示范工程的初步概念和遠景規劃。加氫站項目選址需要綜合考慮多方面因素進行，包括地理位置、產業政策、配套保障、市場需求、經濟效益等因素。

(1)加氫站建設選址要關注政策環境、用地性質、周邊條件和國土空間規劃，確保符合地方產業政策和發展規劃。在行業發展初期，為鼓勵加氫站建設，部分地區政府在試點項目上對加氫站建設用地政策有所突破，個別項目利用非商業用地進行加氫站建設，但從未來加氫站商業化運作的趨勢和角度來看，存在一定的風險。因此，建議加氫站建設選址初期就要鎖定商用土地，從源頭上確保后續建設經營合法合規。

(2)選址時要根據現行GB 50516《加氫站技術規范》中續表4.0.4A，綜合考慮站外建構筑物安全間距要求。各類建筑、廠房、物品倉庫、變配電站、鐵路、城市道路、進出道口、高架橋、架空通信線路等，要充分考慮市政消防用水，氫氣運距、進出管束車行駛區域等影響因素，嚴格遵照現行規范及標準要求，統籌考慮各方面因素，合理確定選址。

(3)選址時要確保審批手續完備。選址過程中應及時取得規劃、土地、交通、住建、應急等部門綜合批復意見，同時加快與發改部門銜接辦理項目核準或備案手續。

(4)在確定加氫站建設初步方案后，建設方組織發規、經營、財務、安全等方面的專家對項目進行論證，形成項目可行性建議書，并將此意向書提交給總部銷售公司，待收到項目批復后，確定項目的資金情況，并對工程進行招投標程序。

3.2 加氫站項目設計和報建階段過程管理

加氫站立項完成后，在確認項目符合各項規定后由建設方選擇工藝方案和工藝設計包，通過合規程序委托具備資質要求的EPC設計總承包單位(即項目領導組)開展方案設計和詳細設計。設計階段一般由總圖、工藝、設備、儀表、電氣、建筑(土建)、結構、給排水、采暖通風、概算等專業共同完成，作好EPC設計總包相應過程管理計劃，對資源、資金、質量、進度、風險、環保等環節作出實施方案，并在EPC項目組織設計中對安全設施、防治污染設施、防疫設施、勞動安全衛生設施、職業病防護設施等開展三同時工作，總體設計方案需向相關主管部門辦理報審手續，并向建設主管部門申請辦理工程施工許可證，待前述手續落實后方可進入施工階段。

在項目設計階段，建設方對加氫站工藝設計提出要求，需要綜合考慮氫氣壓縮能力、站內儲氫能力、氫氣運輸能力、日加注能力、峰值加注能力、連續加注能力、加注效率、加氫預冷能力、有效加氫時間、綜合能耗等參數指標，并結合生產運營需求，確定工藝方案[4]。

3.2.1 氫氣儲氣瓶設計

加氫站內壓縮氫氣的儲存一般采用兩種方式：一是采用無縫鍛造的大型儲氫瓶組，單個氣瓶水容積為600～l 500 L；二是采用小容積氣瓶，單個氣瓶水容積為45～80 L。相比較來說，兩種方式各有利弊，大型儲氫瓶組的投資成本明顯高于小型瓶組，但由于氣閥、管件和安全附件數量少，后續維護成本降低，大型瓶組的可靠性和安全性等優勢也更加突出。

考慮到加氫站商業化運營后承載的氫氣需求量將逐步增大，可考慮選擇大型儲氫瓶組作為站內固定儲氫裝置，同時采取二三級取氣加注的模式建設，單個儲氫瓶水容積為895 L，按每組6瓶設置6只高壓站用鋼瓶(圖3)，固定儲氫總量在200 kg以上。按此方案，可以節省車內氫瓶充滿時間，實現車輛快速加注，同時有效減少了壓縮機啟動頻次，氫氣加注的工藝流程進一步優化。另外，可考慮在儲氫瓶組上方設計引入冷水噴淋裝置，一旦出現季節性氣溫過高的情形，立即對瓶組啟動噴淋降溫，避免由于高溫而導致瓶內氫氣產生超壓現象。

圖3 加氫站站用高壓儲氫瓶組示意圖

3.2.2 氫氣壓縮機設計

氫氣壓縮設備常用的為隔膜式壓縮機(圖4)，該類型壓縮機主要靠金屬膜片在氣缸中往復運動來壓縮和輸送氣體。膜片沿周邊由兩限制板夾緊并組成氣缸，并由機械或液壓驅動在氣缸內往復運動，從而實現對氣體的壓縮和輸送，是整個加氫站中最為關鍵的設備之一。上海某加氫站就是采用撬裝式結構，在撬內設置兩臺隔膜式氫氣壓縮機組，并共用一套閉環冷卻系統，但控制系統和放散系統相互獨立，相互不受影響。該壓縮機系統最高可將站內氫氣增壓至45 MPa，充分滿足進站每天車輛氫氣加注需求[5]。隔膜式氫氣壓縮機原理示意見圖4。

圖4 隔膜式氫氣壓縮機原理示意圖

3.2.3 氫氣加注設計

加氫機即為氫氣加注設備，其原理與加氣機相似，加注氫氣時壓力需達到35 MPa，因此對氫氣加注過程中的安全性能和要求也有著更加嚴格的標準。特別是氫氣加注配套的流量計、閥門、加氫槍、拉斷閥等設施均需確保計量準確、結構銜接緊密且具有較強的耐高壓性能，保證加氫過程中的安全。

3.2.4 加氫站內控制系統

加氫站內控制系統(圖5)是保障整個加氫站工藝流程正常有序運行的關鍵，控制系統必須對加氫站內所有工藝程序全覆蓋，并能夠實施監控站內工藝運轉情況。站內控制系統一般采用分布、分級的控制方式，可以實現分散控制、集中管理。加氫站控制系統由兩級計算機組成，站內全部檢測儀表、閥門狀態、可燃氣體檢測等信號可以在控制室集中顯示、統一監測，同時也可以對閥門實施自動控制。因此，站控系統可以實現對加氫站運行全過程的實時監測、控制，也可以實現對站內卸氣、增壓、儲氫、可燃氣體檢測、火焰探測、視頻監控、加氣等關鍵數據進行統一采集。加氫站內控制系統見圖5所示。

圖5 加氫站內控制系統示意圖

3.3 加氫站項目建設實施階段過程管理

在加氫站項目設計和報建階段評審合格后，需要將圖紙和模型具體化，進行建造施工以及設備安裝。EPC設計總承包單位應組織施工實施團隊與設備集成供應及安裝團隊進行加氫站建設及設備安裝。項目指導委員會與監理實施團隊共同對工程建設過程進行監督管理審核，并做好變更管理和過程控制。

項目的施工過程管理包括監理實施團隊介入、招投標、材料采購、長周期設備制作、 施工過程、中間交接等內容，重點是安全、健康、環境對工程質量、進度、成本三要素的科學化管理和最優化控制。工程監理實施團隊對施工質量承擔監理責任。

3.3.1 加氫站項目進度實施管理

為推動加氫站工期建設目標安全、高效實現，需要細化項目管理職能，根據項目特點和建設模式成立EPC設計總包項目實施團隊和建設方監督管理團隊，進一步明確項目責任主體和管理職責，項目團隊合理分工，實施項目經理負責制，并根據職能配備相應專業人員作為技術支持和配套保障，推動項目快速有序開展實施。

在設計牽頭總包管理模式下，由項目設計實施團隊和施工實施團隊共同編制工程總體統籌控制計劃和施工設計大綱，工期安排和成本支出嚴格按照制定的計劃執行，保證項目關鍵節點( 里程碑) 如期完成，從而確保整個項目目標的實現。根據項目施工承包管理模式不同，合理安排項目招標采購、設備進廠時間，合理安排工期并提高項目建設效率。

3.3.2 加氫站項目質量實施管理

實施過程質量管控(圖6)由建設、監理和EPC總包單位共同負責。嚴把招標采購關，招標工作啟動前便進行項目嚴格管理，嚴格審查資質，從簽訂的技術協議、材料采購合同、工程施工合同上提高項目施工質量，特別是要全面關注主設備采購、監檢、安裝，壓力容器、壓力管道報監、安裝和測試，防雷、防爆和防靜電施工與測試，消防和安防系統施工以及調試、系統和聯合調試等重點工作。

圖6 影響質量因素示意圖

嚴控材料驗收。完善材料設備的驗收程序，對入廠材料把關驗收，嚴格入廠質量控制。在使用過程中通過抽查、抽檢，利用先進儀器進行材料質量控制。嚴格關注設備質量，設備來源要確保，杜絕低端廠家的設備，清楚界定招標門檻，確保進廠設備滿足工藝生產要求。并將原材料及構件出廠證明、質量鑒定、復驗單存檔。

壓力容器和壓力管道施工是加氫站建設過程管控的關鍵環節。基于氫氣本質安全管理需要，要防止氫氣泄漏、逸出、聚集及外源污染，全面杜絕生燃燒和爆炸隱患[6]。建設實施過程中需嚴格控制水蒸汽、油脂、顆粒物等外源污染，確保進站車輛安全加注符合車用燃料電池要求的氫氣。同時對于壓力容器和壓力管道的施工在進場前要提前辦理監檢報備，確保符合政府主管部門要求，施工測試后需取得壓力容器和壓力管道使用許可證，以便后續手續辦理順暢。

施工過程中建設和監理單位要共同做好現場監督和協調，確保現場施工質量可控、進度可控。先由施工單位質量自檢、監理單位質量監督驗收、職能部門聯合質量驗收、工程質量監督機構全過程監督的質量保證體系，明確質量控制點，對重點部位、關鍵工序進行動態控制。對地質勘探、基礎工程、隱蔽工程、焊接試驗等各類工作做好驗收記錄。

3.3.3 加氫站項目成本實施管理

加氫站項目的成本管控，一般是指在項目推進過程中，對所消耗的人力、物力等資源以及各項費用支出進行指導、跟蹤、監管和控制，適時對比實際執行與計劃的差異，及時采取糾偏措施，把項目推進涉及的各項費用控制在計劃成本范圍之內，努力確保成本目標的實現。施工工期和施工成本之間應當是一種辨證的統一的關系。較長的施工工期，必然導致固定費用的增加，而過短的掩工工期，肯定會使資源的投入加大，導致費用的增加。因此，合理的工期會產生合理的工程成本。質量和成本有一定的聯系，但影響的因素很多，關系比較復雜[7]。一般情況下，項目成本會隨著施工質量水平(包括技術、工藝和管理要求等)的提高而相應增加。而項目成本的控制，一方面要盡可能控制成本支出，另一方面還要同步提高項目預期收益，這樣才能實現更好的成本控制水平。

在項目實施管理過程中，可采取相應措施推動成本控制：①建立項目資金使用及往來登記臺賬，做好月度財務收支計劃分析比對，用計劃執行率管控成本費用支出；②建立項目成本審核簽證制度，控制成本費用支出；③強化質量管控，合理降低質量成本；④堅持現場管理標準化，堵塞浪費漏洞；⑤定期對項目開展經濟核算“三同步”檢查(即統計核算、業務核算、會計核算)，避免項目成本出現異常；⑥引入成本控制工具，比如成本分析表法來輔助項目成本控制；⑦認真會審圖紙，積極提出修改意見；⑧加強合同預算管理，增刨工程預算收入；⑨制訂先進的、經濟合理的施工方案；⑩落實技術組織措施；組織均衡施工，加快施工進度。加氫站施工平面示意圖見圖7。

圖7 加氫站施工平面示意圖

3.4 加氫站項目驗收和取證階段過程管理

在中交驗收前，需編制出包括氫氣運輸過程的整站運行方案，組織好人員、技術、安全環保、物資、資金、經營和外部條件等工作。工程中間標志著施工告一段落，項目開始進入聯動調試階段。對于加氫站項目來說，設備運行準備、試車和注氫運行是建設階段轉入生產運營的必要條件，建設方應組織供氫資源，并與EPC總包單位配合，在監理部門的監督審核下，對各類裝備生產能力、工藝指標、產品質量、設備性能、自控水平、消耗定額等是否達到設計要求進行全面考核。

此階段以工程移交為關鍵決策點，包括工程決算審計以及環保、消防、安全、職業衛生、檔案等專業部門的驗收工作。需要將項目管理過程中生成的所有文件(包括聲像文件)歸檔整理給檔案管理部門。項目后評價是對項目論證、決策、實施、運營等管理過程進行全方位梳理和分析，從目標實現率、合規性、實效性和創新性等方面進行全面評估。

加氫站項目完成試運行并達到相關規定要求后，建設單位要向住建、規劃、消防、質監、氣象、檔案、環保、市場監管等政府部門申請專項驗收。同時還要組織開展安全、環保“三同時驗收”，若政府相關驗收流程還未配套落實，也可由建設單位依據前期安全條件、設施審查意見并參考相關規定自行組織驗收，驗收合格后報當地應急管理局備案。以上專項驗收通過后，建設單位按照各地相應規定提報主管部門核發《燃氣經營許可證》、《氣瓶(壓力容器)充裝許可證》、《氫氣經營許可證》。取得相應證照后建設單位依法開展加氫站商業經營活動。

4 建設案例應用及分析

中石化南寧某加氫站采用EPC設計總承包并由建設方全程介入協調管理的模式，站點占地面積約7 800 m2，原已設置并經營汽柴油、CNG等兩種能源，該站緊鄰原有閑置油庫，得益于場地的獨特便利條件，利用周邊空余場地對站點功能進行全面升級改造，增設加氫、光伏、充電、換電及非油品多業態的綜合體服務功能；其中加氫部分設計為三級加氫站(儲氫量≤1 000 kg)，站內設置一組9根型45 MPa儲氫瓶組，總水容積9 m3，2臺雙槍雙系統加氫機，1臺≥500 kg/12 h排氣能力隔膜式壓縮機，2臺單柜雙系統卸氣柱，1組順序控制柜及其他配套工藝管線、儀表風、自控、冷卻系統等，可同時滿足4輛車加注，單日加氫能力可達500 kg，同時預留二期設備位置，確保后續加氫量增加后可以增設相應的設備[8]。

該項目實施過程中業主方、設計方和監理方全程合力監督，出現設計與實際條件沖突的情況時能夠及時論證出具設計變更，盡早作出既滿足規范標準又符合建設場地實際情況的調整，同時嚴格執行施工質量驗收規范和中石化集團統一標準做法，進一步降低了時間成本和溝通成本[9]；這種一體化建設模式有利于整個項目的統籌協同，有效解決設計與施工的銜接、減少采購與施工的中間環節，解決施工方案的實用性、技術性和安全性的矛盾關系，對費用和進度的控制都有很好的效果。而傳統的管理模式質量監督管理多依托監理方，返工情況時有出現，對建設工期和成本均造成損耗。

正常來說，加氫站建設周期約需4～5個月(120～150天)的時間，南寧加氫站項目原定工期計劃為105天，采用EPC總承包并由建設方全程介入協調管理模式推進，實際僅用時90天就完成了全部內容，提前3周組織項目驗收，比計劃節省15天；另外，在成本管控方面，南寧加氫站設計源頭把控較好，實施過程中較少出現變更及返工情況，目前看預計投資可節省約16 %，也進一步驗證了這種模式在項目實施階段的管理優勢。

5 結束語

經科學數據統計，在集中制氫廠制氫，并用汽車將裝有氫氣的高壓氣瓶輸運到氫氣加注站，加注給以氫氣為燃料的燃料電池汽車是全生命周期的能源利用效率、環境影響和經濟性指標均為最佳的實施方案，這就促使我國加氫站基礎設施建設進入快速增長期。基建建設隨著項目管理手段的不斷完善以及管理模式的日趨成熟，逐漸形成一體化建站模式。