作者：狄偉，劉瑋，劉飛，李育磊第一作者單位：國家能源集團氫能科技有限責任公司
摘自《煤氣與熱力》2020年4月刊
摘自《煤氣與熱力》2020年4月刊
1 概述
氫燃料電池汽車是氫能應用的主要發(fā)展方向，加氫站作為向氫燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施，是氫能產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化中十分關鍵、不可或缺的。中國氫能聯(lián)盟于2019年6月23日發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全球加氫站數(shù)量達到369座，我國投入運營的加氫站有27座，其中固定式加氫站僅11座。隨著我國氫燃料電池汽車市場的持續(xù)發(fā)展，加氫站的建設正在被加快提上議事日程。 與國外相比，我國加氫站技術研發(fā)及商業(yè)化開發(fā)起步較晚。盡管國內各地陸續(xù)出臺氫能產(chǎn)業(yè)的扶持政策，并有超過40個加氫站項目在建［1］，但大部分站點未按照商業(yè)化運營的標準建設。本文以如皋加氫站為例，對商業(yè)加氫站的工程實踐經(jīng)驗進行總結。
氫燃料電池汽車是氫能應用的主要發(fā)展方向，加氫站作為向氫燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施，是氫能產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化中十分關鍵、不可或缺的。中國氫能聯(lián)盟于2019年6月23日發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019）》數(shù)據(jù)顯示，截至2018年底，全球加氫站數(shù)量達到369座，我國投入運營的加氫站有27座，其中固定式加氫站僅11座。隨著我國氫燃料電池汽車市場的持續(xù)發(fā)展，加氫站的建設正在被加快提上議事日程。 與國外相比，我國加氫站技術研發(fā)及商業(yè)化開發(fā)起步較晚。盡管國內各地陸續(xù)出臺氫能產(chǎn)業(yè)的扶持政策，并有超過40個加氫站項目在建［1］，但大部分站點未按照商業(yè)化運營的標準建設。本文以如皋加氫站為例，對商業(yè)加氫站的工程實踐經(jīng)驗進行總結。
2 工程概況 如皋加氫站位于江蘇省南通市如皋國家級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，是國內首個雙模加注壓力（35、70 MPa）商業(yè)加氫示范站，屬于站外制氫加氫站。 在2019年7月完成全站管道及設備安裝后，如皋加氫站僅用28 d就實現(xiàn)了35 MPa加氫全流程的聯(lián)合調試一次成功，并在如皋市第四屆國際氫能及燃料電池汽車大會期間開展了為期3 d的試運營，完成12輛氫燃料電池商用車（10輛大巴車、2輛物流車）的加注，累計加注量達70 kg。2019年11月21日，70 MPa加氫全流程調試成功，并成功完成了豐田mirai汽車加注，加注率達到98%以上，符合國際SAE標準。目前，如皋加氫站具備了35、70 MPa雙模氫氣加注壓力的24 h運營能力，整站驗收與商業(yè)運營準備工作將于近期完成。
3 加氫站的工程實踐
3.1 立項審批 項目在2017年7月完成土地掛牌競拍和投資項目預審意見批復，同年12月取得建設用地不動產(chǎn)登記許可證（土地證）和項目備案，于2018年8月取得施工許可證后開工建設。項目按照如皋市加氫站項目審批流程，依次完成了建筑工程審圖、節(jié)能和綠化審查、消防設計審查、環(huán)境預評價、防雷設計審查、安全預評價及安全設施設計審查等18項審批事項，取得了施工許可證、消防合格證、特種壓力充裝許可證、燃氣經(jīng)營許可證等相關證照14個。
3.2 主要依據(jù)的標準規(guī)范 GB 50516—2010《加氫站技術規(guī)范》、GB50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》、GB/T 34584—2017《加氫站安全技術規(guī)范》、GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范（2008版）》、GB 150.1~150.4—2011《壓力容器》、GB/T 13347—2010《石油氣體管道阻火器》、GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》、GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術規(guī)程》、GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》。
3.3 設計與施工 ①放空管的選材 GB 50516—2010第6.5.1條規(guī)定，加氫站氫氣管道應具有與氫氣相容特性，宜采用無縫鋼管或者高壓無縫鋼管。但是對于氫氣放空管整體材質并沒有做出明確的強制要求，僅在第6.5.4條第1款（強制條款）中要求：阻火器后端的放空短管應采用不銹鋼材質。在第6.5.4條第1款強制要求的基礎上，加氫站放空管整體采用了316不銹鋼，并增加了內拋光處理工序，在運行前進行管道粉塵吹掃處理，有效杜絕了氫氣高速通過時摩擦產(chǎn)生電火花的可能性。而且在帶氫調試中發(fā)現(xiàn)，當高壓儲氫罐進行安全緊急泄放時，放空管外壁溫度最高能達到90 ℃，因此放空管整體采用316不銹鋼是非常有必要的。 ②壓力管道（容器）設計與驗收 加氫站的工藝管道按照壓力分為低壓管道（工作壓力＜1.2 MPa）、中壓管道（1.2 MPa≤工作壓力≤25 MPa）和高壓管道（25 MPa＜工作壓力＜96 MPa），按照介質分為氫氣管道、氮氣管道和放空管道，根據(jù)質量監(jiān)督部門監(jiān)管類別又嚴格區(qū)分為壓力管道（工業(yè)管道）和非壓力管道。 為了杜絕高壓管道出現(xiàn)爆裂、泄漏或燃燒爆炸等風險，在設計階段嚴格按照GB 50516—2010第6.5節(jié)、GB 50177—2005第12章相關內容進行管道設計，并通過了壓力試驗、氣密性試驗和泄漏試驗（參照GB 50177—2005第12章、TSG D0001—2009第4章第5節(jié)的相關內容）。針對GC1、GC2類別的壓力管道，向地方質量監(jiān)督部門申報監(jiān)檢，領取特種設備使用登記許可證。 對于固定式壓力儲氫罐（第三類壓力容器），嚴格遵照TSG 21—2016的相關要求，在制造廠內完成壓力試驗、氣密性試驗和泄漏試驗后運抵加氫站現(xiàn)場，在加氫站再次通入氮氣進行氣壓試驗、氣密性試驗和泄漏試驗（嚴格遵照TSG 21—2016的相關要求）合格后方可投入使用。 為了保障加氫站工藝系統(tǒng)安全運行，在出現(xiàn)超壓情況時能夠安全泄放，根據(jù)GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010規(guī)定，制定了安全閥、阻火器設計參數(shù)標準。全站均采用直接載荷彈簧式安全閥、阻爆轟型阻火器，并逐一報送江蘇省特檢單位進行校驗、檢測。 ③電力系統(tǒng)安全設計與施工 依據(jù)GB 50516—2010、GB 50058—2014等標準，加氫站內進行了涵蓋供配電、電氣系統(tǒng)防爆、防雷和防靜電等的電力系統(tǒng)安全設計。 在電氣系統(tǒng)防爆設計施工中，根據(jù)GB 50058—2014第3.2節(jié)將設備區(qū)劃分為爆炸危險區(qū)域1區(qū)、2區(qū)。在爆炸危險區(qū)域的電氣線路施工時，電纜一律穿鍍鋅鋼管保護，嚴格實現(xiàn)隔離密封。針對爆炸危險區(qū)域，設備配電線纜采用ZBN-YJV-0.6/1kV型阻燃耐火型線纜，低壓電纜（指電壓10 V以內，電流為4~20 mA的自控信號電纜）均采用ZB-YJV-0.6/1kV型阻燃（B級）銅芯交聯(lián)電力電纜。爆炸危險區(qū)域內的儀表全部采用防爆等級不低于氫氣爆炸混合物的級別、組別（ⅡCT1），以確保安全生產(chǎn)。對于儲氫罩棚等有爆炸危險的隔離區(qū)域，專門增設自通風排氣帽和事故排風機（防爆型），并與火災報警和氣體檢測系統(tǒng)（Fire Alarm and Gas Detector System，簡稱FGS）的濃度報警裝置進行連鎖。 在防雷接地設計施工上，全站區(qū)域內所有的設備基礎、金屬管道、建筑物金屬結構、進線配電箱的PE母排等全部進行等電位聯(lián)結，采用熱鍍鋅扁鋼暗埋于廠區(qū)地下作為接地網(wǎng)（扁鋼埋深1 m，接地電阻不大于1 Ω）。接地端子與接地網(wǎng)之間用螺栓緊固連接，對有振動、位移的設備和管道，其連接處加撓性連接線過渡。 在防靜電設計施工中，對生產(chǎn)區(qū)進出處、爆炸危險區(qū)域邊界、管道分支處及長距離無分支管道每隔50 m處均設防靜電接地，電阻均不應大于10 Ω。所有工藝設備、管道均設置防靜電接地裝置，管道法蘭全部采用截面積不小于6 mm2多股銅導線跨接。
3.3 設計與施工 ①放空管的選材 GB 50516—2010第6.5.1條規(guī)定，加氫站氫氣管道應具有與氫氣相容特性，宜采用無縫鋼管或者高壓無縫鋼管。但是對于氫氣放空管整體材質并沒有做出明確的強制要求，僅在第6.5.4條第1款（強制條款）中要求：阻火器后端的放空短管應采用不銹鋼材質。在第6.5.4條第1款強制要求的基礎上，加氫站放空管整體采用了316不銹鋼，并增加了內拋光處理工序，在運行前進行管道粉塵吹掃處理，有效杜絕了氫氣高速通過時摩擦產(chǎn)生電火花的可能性。而且在帶氫調試中發(fā)現(xiàn)，當高壓儲氫罐進行安全緊急泄放時，放空管外壁溫度最高能達到90 ℃，因此放空管整體采用316不銹鋼是非常有必要的。 ②壓力管道（容器）設計與驗收 加氫站的工藝管道按照壓力分為低壓管道（工作壓力＜1.2 MPa）、中壓管道（1.2 MPa≤工作壓力≤25 MPa）和高壓管道（25 MPa＜工作壓力＜96 MPa），按照介質分為氫氣管道、氮氣管道和放空管道，根據(jù)質量監(jiān)督部門監(jiān)管類別又嚴格區(qū)分為壓力管道（工業(yè)管道）和非壓力管道。 為了杜絕高壓管道出現(xiàn)爆裂、泄漏或燃燒爆炸等風險，在設計階段嚴格按照GB 50516—2010第6.5節(jié)、GB 50177—2005第12章相關內容進行管道設計，并通過了壓力試驗、氣密性試驗和泄漏試驗（參照GB 50177—2005第12章、TSG D0001—2009第4章第5節(jié)的相關內容）。針對GC1、GC2類別的壓力管道，向地方質量監(jiān)督部門申報監(jiān)檢，領取特種設備使用登記許可證。 對于固定式壓力儲氫罐（第三類壓力容器），嚴格遵照TSG 21—2016的相關要求，在制造廠內完成壓力試驗、氣密性試驗和泄漏試驗后運抵加氫站現(xiàn)場，在加氫站再次通入氮氣進行氣壓試驗、氣密性試驗和泄漏試驗（嚴格遵照TSG 21—2016的相關要求）合格后方可投入使用。 為了保障加氫站工藝系統(tǒng)安全運行，在出現(xiàn)超壓情況時能夠安全泄放，根據(jù)GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010規(guī)定，制定了安全閥、阻火器設計參數(shù)標準。全站均采用直接載荷彈簧式安全閥、阻爆轟型阻火器，并逐一報送江蘇省特檢單位進行校驗、檢測。 ③電力系統(tǒng)安全設計與施工 依據(jù)GB 50516—2010、GB 50058—2014等標準，加氫站內進行了涵蓋供配電、電氣系統(tǒng)防爆、防雷和防靜電等的電力系統(tǒng)安全設計。 在電氣系統(tǒng)防爆設計施工中，根據(jù)GB 50058—2014第3.2節(jié)將設備區(qū)劃分為爆炸危險區(qū)域1區(qū)、2區(qū)。在爆炸危險區(qū)域的電氣線路施工時，電纜一律穿鍍鋅鋼管保護，嚴格實現(xiàn)隔離密封。針對爆炸危險區(qū)域，設備配電線纜采用ZBN-YJV-0.6/1kV型阻燃耐火型線纜，低壓電纜（指電壓10 V以內，電流為4~20 mA的自控信號電纜）均采用ZB-YJV-0.6/1kV型阻燃（B級）銅芯交聯(lián)電力電纜。爆炸危險區(qū)域內的儀表全部采用防爆等級不低于氫氣爆炸混合物的級別、組別（ⅡCT1），以確保安全生產(chǎn)。對于儲氫罩棚等有爆炸危險的隔離區(qū)域，專門增設自通風排氣帽和事故排風機（防爆型），并與火災報警和氣體檢測系統(tǒng)（Fire Alarm and Gas Detector System，簡稱FGS）的濃度報警裝置進行連鎖。 在防雷接地設計施工上，全站區(qū)域內所有的設備基礎、金屬管道、建筑物金屬結構、進線配電箱的PE母排等全部進行等電位聯(lián)結，采用熱鍍鋅扁鋼暗埋于廠區(qū)地下作為接地網(wǎng)（扁鋼埋深1 m，接地電阻不大于1 Ω）。接地端子與接地網(wǎng)之間用螺栓緊固連接，對有振動、位移的設備和管道，其連接處加撓性連接線過渡。 在防靜電設計施工中，對生產(chǎn)區(qū)進出處、爆炸危險區(qū)域邊界、管道分支處及長距離無分支管道每隔50 m處均設防靜電接地，電阻均不應大于10 Ω。所有工藝設備、管道均設置防靜電接地裝置，管道法蘭全部采用截面積不小于6 mm2多股銅導線跨接。
3.4 安全控制系統(tǒng) 為了確保運營安全可靠，加氫站除進行本質安全設計（安全閥、緊急切斷閥、緊急泄放閥、拉斷閥等）外，還部署了FGS、ESD（緊急停車裝置）系統(tǒng)以及可視化站控運營控制系統(tǒng)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸、設備自動控制、緊急情況自動響應及視頻監(jiān)控和報警等多維一體的安全防控。 FGS重點監(jiān)控加氫島、氫氣壓縮機、儲氫罐區(qū)、卸氣柱區(qū)等易產(chǎn)生氫氣泄漏和氫氣聚集的區(qū)域，監(jiān)測氫氣泄漏濃度、明火源和超溫風險源。根據(jù)氫氣泄漏濃度執(zhí)行聲光報警與風機強排功能，并與ESD系統(tǒng)連鎖，執(zhí)行緊急停車指令。預留消防信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)端口，及時向站區(qū)負責人及消防部門的集控系統(tǒng)發(fā)送報警信息。 當加氫站設備、管道及相關設施出現(xiàn)緊急情況時（超溫、超壓、著火、非法入侵、意外斷電等），由ESD系統(tǒng)發(fā)出報警信號，對現(xiàn)場設備設施進行安全保護動作，防止危險擴散造成更大事故。 可視化的站控運營系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術，實現(xiàn)了工藝系統(tǒng)、FGS、ESD系統(tǒng)的一體化、智能化、可視化的集成，為加氫站運行管理人員的值守、安全監(jiān)控和運營管理提供更便捷高效的操作體驗。
3.5 調試和試運行 為了保障加氫站調試和試運行的依法合規(guī)、安全高效，依照《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》、GB 4962—2008等法律和標準，并借鑒國內外加氫站系統(tǒng)調試和試運行管理制度、工作規(guī)范，編制了《如皋加氫站系統(tǒng)調試和試生產(chǎn)安全管理規(guī)程》，形成了調試和試運行過程中的安全作業(yè)管理規(guī)程、工作票制度、專項應急預案管理規(guī)程、消防安全管理規(guī)程等安全管理制度。 在此基礎上，進一步梳理明晰加氫站調試和試運行作業(yè)流程，制定加氫站調試技術大綱。按照調試技術大綱規(guī)定的業(yè)務流程，從調試前準備和核查工作、設備的單機調試、聯(lián)合調試（試運行），到加氫站調試專用物資保障等方面，研究編制形成《如皋加氫站調試工作組織方案》（以下簡稱《方案》）。按照《方案》明確加氫站調試工作機制、人員組織和崗位職責，制定調試計劃、應急預案、人員和物資保障方案以及安全檢查、隱患排查和整改督導機制等。從而形成調試和試運行的全過程設計、多層次復核、各環(huán)節(jié)監(jiān)控、多方人員協(xié)同的風險排查與操作可控的管理機制，確保調試成功和試運行的順利展開。
3.6 氫品質管理 如皋加氫站依據(jù)GB/T 37244—2018對車用氫燃料電池用氫涉及的CO、總硫、甲醛、甲酸、氨、總鹵化物和最大顆粒物物質的量分數(shù)等指標的具體要求，要求氫氣供應商必須針對上述雜質的物質的量分數(shù)出具專門的檢測報告，有效保障氫氣品質滿足聚全氟磺酸類質子交換膜燃料電池車要求，而不是目前大部分氫氣供應商依據(jù)GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫氣》和GB/T 3634.2—2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》，按照工業(yè)氫氣提供的高純氫品質。
4 結語 在項目設計和開發(fā)建設中，實現(xiàn)了對設計資源、裝備供應鏈、施工組織、調試隊伍、審批流程的多環(huán)節(jié)實踐，探索出一套商業(yè)化加氫站建設和經(jīng)營審批流程，積累形成了加氫站建設經(jīng)驗。以加氫站本質安全體系構建和保障氫氣高品質供給為出發(fā)點，總結出設計與施工、安全控制系統(tǒng)、調試和試運行、氫品質管理等方面的實踐成果。
參考文獻：
［1］凌文，劉瑋，李育磊，等. 中國氫能基礎設施產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］. 中國工程科學，2019，22（3）：76-83.
［1］凌文，劉瑋，李育磊，等. 中國氫能基礎設施產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］. 中國工程科學，2019，22（3）：76-83.
