加氣加氫合建站工藝流程與總平面布置

趙青松， 郝蘊華， 徐明星， 劉 興

(北京市公用工程設計監理有限公司， 北京 100124)

1 概述

氫能是高效、清潔無污染和可持續發展的二次能源，氫能來源多樣、可儲存可再生，作為最有潛力的能源之一受到世界各國的重視和大力發展。

國內外正在研究開發的氫氣天然氣混合燃料(HCNG)汽車已取得可喜成果。試驗研究表明，當混合燃料中氫氣體積分數為15%～20%時，HCNG汽車具有低燃料消耗和低氮氧化物排放量的優點[1-2]。HCNG汽車加氣站單獨建站成本比較高，且建站位置宜靠近價格合適的氫源附近，限制了HCNG汽車加氣站的建設和HCNG汽車的推廣。加氣加氫合建站是解決HCNG汽車、氫燃料汽車、天然氣汽車需求的綜合方案，也解決了因服務對象單一導致的加氫站投資回收期較長問題。

某項目所在地位于廣東佛山，天然氣制氫能力為1 000 kg/d，電解制氫能力為400 kg/d，設計外購氫氣量為1 050 kg/d。天然氣加氣能力為40 000 m3/d，氫氣天然氣混合氣(以下簡稱混合氣)加氣能力為40 000 m3/d，加氫能力為1 000 kg/d。本文結合該項目，對加氣加氫合建站工藝流程與總平面布置進行分析。

2 氫源選擇

在全球范圍內，氫源主要有工業副產氫、化石燃料制氫(如煤制氫、石油制氫、天然氣制氫)、電解制氫。在我國目前的氫能供應體系中，工業副產氫提純的價格最低，但工業副產氫雜質含量高，提純裝置復雜(氯堿工業氫氣提純工藝相對簡單)，且工業副產氫工廠分布不均勻。煤制氫工藝受到資源分布限制，適合煤炭資源豐富地區。石油制氫工藝受制于我國原油大部分依靠進口，不宜在全國大規模推廣應用。且煤制氫、石油制氫投資大，投資回收期長，氫轉化率低，氫純化工藝復雜，環境污染嚴重。天然氣制氫投資小，工藝成熟，設備簡單，氫轉化率高，原料可以利用現有城市管道天然氣，制氫過程基本上無污染。天然氣制氫工藝可實現加氫站現場制氫，制氫成本適中，是氫能初級發展階段解決氫源匱乏的工藝路線[3-4]。電解制氫的氫純化工藝簡單，但制氫成本受電價制約嚴重，利用太陽能、風能等清潔能源發電制氫是未來發展方向[5]。

對于加氣加氫合建站，天然氣制氫可作為主要氫源，電解制氫作為次要氫源，外購氫氣作為備用氫源。電解制氫可充分利用市電低谷電力，更可利用附近的清潔能源電力，實現綠電制氫。在制氫設備維護期間，外購氫可滿足加氣加氫合建站業務正常開展。當氫氣價格比較低時，可以直接采用外購的氫氣作為氫源，提高加氣加氫合建站的運行經濟性。

3 加氣加氫合建站工藝流程

加氣加氫合建站工藝流程見圖1。工藝流程包括天然氣制氫工藝、電解制氫工藝、天然氣加氣工藝、混合氣加氣工藝、加氫工藝、外購氫工藝。

圖1 加氣加氫合建站工藝流程

① 天然氣制氫工藝

管道天然氣作為制氫原料、燃料進入天然氣制氫裝置，市政供水經過軟化裝置后制得純水，也作為原料進入天然氣制氫裝置。采用天然氣重整制氫工藝得到粗氫，粗氫經過變壓吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)工藝去除氫氣中雜質，使氫氣純度達到GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》要求，生產出純氫。PSA工藝吸附劑再生過程產生的再生氣體燃料可輸回天然氣制氫裝置作為燃料使用。經過PSA工藝純化后的純氫(壓力約2 MPa)進入后續流程。

② 電解制氫工藝

市政供水經過軟化裝置制得純水，作為制氫原料進入電解制氫裝置，利用市電或清潔能源電力電解得到粗氫。粗氫經過除水純化裝置除掉雜質氣體和水分，得到滿足GB/T 37244—2018要求的純氫(壓力約2 MPa)，進入后續流程。

③ 天然氣加氣工藝

管道天然氣經天然氣凈化裝置去除氣體雜質、水分和顆粒物，達到GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》要求。利用天然氣壓縮機將天然氣增壓至15、20、25 MPa，儲存在低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組內。進行天然氣加氣時，天然氣加氣機從低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組依次取氣加注。

④ 混合氣加氣工藝

凈化天然氣與純氫按一定體積比混合并達到GB/T 34537—2017《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》要求。利用混合氣壓縮機，將混合氣分別增壓至15、20、25 MPa，儲存在低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組內。進行混合氣加氣作業時，混合氣加氣機從低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組依次取氣加注。

⑤ 加氫工藝

純氫進入氫氣緩沖罐，儲氫壓縮機將氫氣增壓至20 MPa后，儲存在低壓儲氫罐。然后利用加氫壓縮機，將氫氣分別增壓至35、45 MPa，儲存在中壓、高壓儲氫罐內。進行氫氣加注作業時，加氫機從低壓、中壓、高壓儲氫罐依次取氫加注。

⑥ 外購氫工藝

氫氣的純度應達到GB/T 37244—2018要求。外購氫使用氫氣長管拖車、氫氣管束式集裝箱運至站內，將氫氣卸車至低壓儲氫罐內。

4 總平面布置

加氣加氫合建站總平面布置見圖2。按照GB 50516—2010《加氫站技術規范》(2021年版)、GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》(2020年版)、GB 50177—2005《氫氣站設計規范》、GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》、GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統技術規范》、GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》、GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)等標準進行設計。

圖2 加氣加氫合建站總平面布置

站區總面積約5 785 m2。天然氣制氫區、電解制氫區與加氣加氫區通過柵欄、伸縮門分開，防止閑雜車輛、人員穿行兩個區域。加氣加氫區設有獨立出入口，方便加氣加氫車輛進出站。制氫區設計有單獨的物料進出口，使制氫區在任何時候都可以實現與加氣加氫區隔離。制氫區通過伸縮門、2.5 m高實體圍墻與站外隔離。

制氫區分為氫氣卸車區域、蓄水罐區、軟化水區(包括為氣動閥門提供壓縮空氣的壓縮機)、壓縮機區、冷水機組區(為加氫機、壓縮機提供冷水)、冷卻塔區(為制氫工藝提供冷卻水)、天然氣制氫裝置區、電解制氫裝置區、天然氣儲存設備區(含天然氣凈化裝置以及低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組)、混合氣儲存設備區(含混合器以及低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組)、氫氣儲存設備區(含低壓、中壓、高壓儲氫罐)、氮氣區(生產氮氣)、變配電區。

壓縮機、冷水機組集中布置，方便管理維護。氫氣卸車區布置在制氫區域，遠離加氣機、加氫機，可以避免閑雜車輛、人員靠近氫氣長管拖車、氫氣管束式集裝箱，保證卸車過程安全。

加氣加氫區設置2臺天然氣加氣機、2臺混合氣加氣機、4臺加氫機。加氣機、加氫機頂部設有罩棚，罩棚旁邊設有站房、臨時停車位。站房內設計有衛生間、值班室、營業室。加氣加氫區通過伸縮門、2.5 m高實體圍墻與站外隔離。

5 結語

采用天然氣制氫作為主要氫源、電解制氫作為次要氫源、外購氫作為備用氫源，為解決加氣加氫合建站氫源提供了合理方案。在建站初期，若混合氣加氣業務需求不足，可關閉天然氣與氫氣混合器的氫氣入口，利用混合氣加氣設備提供天然氣加氣服務，在合適時候恢復混合氣加氣業務。這樣，可充分利用站內設備，提高加氣加氫合建站運營經濟性。