綜合能源供應(yīng)站多形態(tài)供氫的規(guī)劃建設(shè)探討①

陳成敏

（中國石化銷售股份有限公司，北京 100000）

我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，發(fā)展氫能源是實(shí)現(xiàn)凈零排放終極目標(biāo)的主要路徑之一。氫能是二次能源，作為一種新興商業(yè)能源，一方面氫氣可充當(dāng)傳統(tǒng)化石能源清潔低碳化利用的媒介，另一方面可再生能源制氫，可以真正實(shí)現(xiàn)凈零排放。氫能在交通能源領(lǐng)域的發(fā)展勢頭逐漸顯現(xiàn)，加氫站建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段［1－3］。

在交通領(lǐng)域，傳統(tǒng)的加油站因城市發(fā)展面臨著改造轉(zhuǎn)型的需要，單一的能源供應(yīng)已難滿足市政發(fā)展及市場需求；在環(huán)保和碳排放的壓力下，綜合能源供應(yīng)站建設(shè)已悄然而至。在天然氣和電動車的推廣應(yīng)用中，已經(jīng)有許多企業(yè)成功地將加油站轉(zhuǎn)型升級為綜合能源供應(yīng)站，如加油加氣站、“油氣電”一體站等。綜合能源供應(yīng)站可以解決迅速增長的加氫需求，通過減少用地成本，降低行政審批難度，攤薄運(yùn)營成本，有利于能源供應(yīng)企業(yè)抓住氫能發(fā)展機(jī)遇，迅速占領(lǐng)市場。

氫能的商業(yè)化運(yùn)營尚處于起步階段，技術(shù)路線還在不斷探索，不同的供氫模式?jīng)Q定了綜合能源站的技術(shù)形態(tài)和經(jīng)營成本。同時由于氫氣特殊的理化性質(zhì)和安全性，對綜合能源站中氫氣儲運(yùn)、能源分區(qū)和設(shè)施集約擺布提出了挑戰(zhàn)［4］。本文以供氫模式為切入點(diǎn)，對比分析了不同供氫模式下，綜合能源站的規(guī)劃選址、工藝路線、站內(nèi)平面布局、安全措施和經(jīng)濟(jì)性。本文通過分析不同資源稟賦和用戶場景下綜合能源站的建站方案和經(jīng)濟(jì)性，為政府和企業(yè)規(guī)劃建設(shè)綜合能源站提供參考。

1 氫能加入綜合能源站的挑戰(zhàn)

雖然氫能源是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要途徑，但是在綜合能源供應(yīng)站引入氫能源仍面臨一系列挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：①選址規(guī)劃難。受氫氣商業(yè)化應(yīng)用樣本少、認(rèn)知恐懼，誰都不愿意“與氫為鄰”，導(dǎo)致企業(yè)在實(shí)際選址規(guī)劃時面臨許多阻礙。②站內(nèi)布局難。加氫項(xiàng)目至少要增配氫氣壓縮機(jī)、儲氫容器、加氫機(jī)、冷水機(jī)組和配套設(shè)施等，設(shè)備與站內(nèi)外的建構(gòu)筑物以及站內(nèi)設(shè)備之間需留有一定的安全間距。③供氫模式多樣，技術(shù)形態(tài)不成熟。現(xiàn)階段我國初步商業(yè)化的加氫站絕大多數(shù)都采用長管拖車外供氫模式。管道供氫可以大幅降低氫氣運(yùn)輸成本，但此模式須毗鄰制氫工廠?，F(xiàn)場制氫因成本限制和法規(guī)約束在我國還鮮有示范。④氫氣成本高，商業(yè)模式不成熟。根據(jù)研究結(jié)果，氫燃料電池車與燃油車的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)在氫氣價格38元／kg［5］，而目前氫氣的平均售價達(dá)70～80元／kg，制氫和運(yùn)輸成本太高。

2 多種供氫方式的技術(shù)規(guī)劃

在綜合能源供應(yīng)站的規(guī)劃選址和可行性研究中，應(yīng)遵循以下原則：①安全原則：站區(qū)的整體區(qū)域?qū)χ苓叺陌踩h(huán)境影響有限。②市場原則：地區(qū)有一定規(guī)模的加氫車輛，樣本的商業(yè)性可持續(xù)。③可靠原則：技術(shù)形態(tài)及設(shè)備選型成熟，技術(shù)經(jīng)過一定樣本數(shù)和工藝負(fù)荷驗(yàn)證。④經(jīng)濟(jì)原則：建設(shè)、運(yùn)輸、運(yùn)營成本最低。以下就綜合能源供應(yīng)站中幾種供氫模式進(jìn)行技術(shù)探討。

2.1 長管拖車供氫技術(shù)規(guī)劃

該項(xiàng)目在原加油站擴(kuò)建，加氫部分設(shè)計(jì)加氫能力為1 000 kg／d，站內(nèi)設(shè)計(jì)總儲氫量約為1 150 kg，由固定儲氫部分和移動儲氫部分組成，投入運(yùn)營后服務(wù)于周邊公交線路及數(shù)十臺氫能運(yùn)輸車加氫。原加油站北面為主要道路，南面與河流山林相鄰，周邊空曠，其安全環(huán)境極利于規(guī)劃布局加注壓力35 MPa、70 MPa的加氫項(xiàng)目。該站采用長管拖車外供氫模式作為氫氣來源，氫氣由周邊化工企業(yè)的副產(chǎn)氫提純，長管拖車運(yùn)輸20 MPa壓縮氫氣到站。油罐區(qū)和氫設(shè)備區(qū)分設(shè)在站的東西兩側(cè)（見圖1），方便工藝流程暢通，有效管控不同介質(zhì)的安全風(fēng)險，也便于長管拖車和油罐車的行車、疏散動線。加油車與加氫車各行其道，能提高車輛通行效率，降低加注時的風(fēng)險。

圖1 長管拖車供氫項(xiàng)目

70 MPa加氫站在全世界有一些商業(yè)案例，但其應(yīng)用樣本數(shù)少、工藝負(fù)荷低，技術(shù)攻關(guān)還在不斷進(jìn)行，這里就其核心技術(shù)中的溫度控制、泄漏安全、增壓控制、快速加注控制進(jìn)行簡單論述，只有確保上述參數(shù)穩(wěn)定可靠，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的工業(yè)目標(biāo)。70 MPa加氫站典型工作曲線見圖2。

1）溫度控制。70 MPa加注時，需對加注氫氣進(jìn)行降溫處理，保證氫氣在加注前低于－35℃，經(jīng)測試最終瓶體的測試溫度保持在50℃以下（圖2（a））。

圖2 70 MPa加氫站典型工作曲線

2）泄漏安全。利用HAZOP分析方法建立70 MPa加氫裝置危險識別及失效概率評價方法［7－8］，以評估結(jié)果為基礎(chǔ)調(diào)整工藝裝置優(yōu)化方向，在泄漏關(guān)鍵點(diǎn)布置氫氣泄漏檢測器，并連鎖到加氫站安全連鎖系統(tǒng)，保證加氫裝置的工作安全可靠。

3）增壓控制。70 MPa系統(tǒng)中氫氣需要增壓至近90 MPa，壓力區(qū)間跨越大，需要二級增壓。一級壓縮比在2左右，隨著排氣壓力增大，二級壓縮比在2～4之間緩慢上升（圖2（b）），保證壓縮機(jī)各級膜頭在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

4）快速加注控制。加注設(shè)計(jì)階段由真實(shí)氣體狀態(tài)方程，擬合常用溫度壓力范圍內(nèi)的氫氣壓縮因子，建立氫氣三級加注的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)快速加氫，達(dá)到符合國際先進(jìn)通訊協(xié)議的壓力曲線要求，圖2（c）為70 MPa典型加注過程壓力曲線。目前我國只有1 m3的儲氫罐（98 MPa），容積比（V3／V2）為1∶5，取氣率僅能達(dá)到50%左右（圖2（d）），為最大化取氣率，最具性價比的舉措是發(fā)展更大容積的87.5 MPa儲氫容器。

2.2 管道供氫技術(shù)規(guī)劃

管道供氫項(xiàng)目為氫產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃新站，加氫部分設(shè)計(jì)加氫能力為1 000 kg／d，站內(nèi)設(shè)計(jì)總儲氫量約為1 250 kg，由固定儲氫部分和移動儲氫部分組成。投入運(yùn)營后服務(wù)于產(chǎn)業(yè)園區(qū)氫能乘用車示范運(yùn)行加氫以及為園區(qū)氫能物流車、專用車加氫，此外還具備當(dāng)管道斷供或供氫不足時，為氫產(chǎn)業(yè)園廠區(qū)保供氫氣的功能。該站距制氫廠800 m，該站的南面和西面都是公路，附近沒有人流聚集的區(qū)域。制氫廠純化的氫氣通過DN250的主管道輸送至氫產(chǎn)業(yè)園區(qū)（見圖3），再通過DN80的支管道引入綜合能源站。管道輸入的2.0 MPa氫氣由一級壓縮機(jī)增壓至20 MPa，儲存至20 MPa儲氫瓶組，再由二級壓縮機(jī)增壓儲存至45 MPa、87.5 MPa儲氫瓶組，向35 MPa、70 MPa加注系統(tǒng)供氫。設(shè)置了長管拖車卸車位，主要考慮特殊情況時，能用長管拖車運(yùn)氫到站，保證氫氣的臨時供應(yīng)。

圖3 管道供氫方案示意

2.3 天然氣現(xiàn)場制氫技術(shù)規(guī)劃

該項(xiàng)目原是高速公路服務(wù)區(qū)的加油加氣站，三面環(huán)山，加氫部分設(shè)計(jì)加氫能力為1 000 kg／d，站內(nèi)設(shè)計(jì)總儲氫量約為650 kg，投入運(yùn)營后服務(wù)于城際氫能重載卡車加氫。制氫項(xiàng)目利用原天然氣儲罐供氣，液化天然氣經(jīng)氣化調(diào)壓至2.5 MPa后，經(jīng)過重整產(chǎn)生的氫氣通過變壓吸附裝置純化得到滿足氫燃料電池車要求的高純氫，壓力約為2.0 MPa。氫設(shè)備區(qū)設(shè)置在該站北面，從北到南依次為氫設(shè)備區(qū)、液化天然氣設(shè)備區(qū)、油罐區(qū)，三者的工藝路線相互獨(dú)立，從卸車到加注都無交叉（圖4（a））。天然氣制氫裝置與液化天然氣儲罐同側(cè)放置，方便將天然氣接入制氫裝置。從制氫裝置出來的2 MPa氫氣依次通過20 MPa壓縮機(jī)和儲罐，經(jīng)過順序控制盤進(jìn)入45 MPa壓縮機(jī)和儲罐，工藝路線流暢。制氫裝置與站內(nèi)設(shè)備間的安全間距要求較大，如液化天然氣儲罐、站房與制氫裝置的距離應(yīng)大于15 m，在設(shè)計(jì)布局時要充分考慮安全間距［9］。

圖4 現(xiàn)場制氫方案示意

2.4 電解水現(xiàn)場制氫技術(shù)規(guī)劃

該項(xiàng)目在原加油站擴(kuò)建，加氫部分設(shè)計(jì)加氫能力為1 000 kg／d，站內(nèi)設(shè)計(jì)總儲氫量約為650 kg，投入運(yùn)營后主要服務(wù)于周邊氫能物流車和乘用車加氫。該站北面是主要道路，站房后是近7 000 m2的空地，東面是一家化工公司，西面較為空曠，西南至南面是一個池塘。原油區(qū)不改動，氫設(shè)備區(qū)與油區(qū)分布在站區(qū)南北兩邊（圖4（b））。加氫項(xiàng)目采用成套質(zhì)子交換膜技術(shù)，站內(nèi)電解水制氫裝置制氫氣，裝置出口壓力約為3.0 MPa。氫設(shè)備區(qū)在平面布局時將制氫和儲氫設(shè)備靠西南面放置，電解水制氫裝置基于與東面化工公司安全間距和安全的考慮放置在靠池塘一邊。所制取的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后經(jīng)由順序控制盤儲存至儲氫瓶組，從站區(qū)中部輸送至加氫機(jī)。在氫設(shè)備區(qū)的靠左側(cè)布置長管拖車位，應(yīng)急時外源供氫。

3 多形態(tài)綜合能源供應(yīng)站經(jīng)濟(jì)性與方案探討

3.1 各供氫模式的成本核算

綜合能源站加氫項(xiàng)目的成本主要分為兩部分：一部分是一次性的建設(shè)投資，包括土地成本（表1）和設(shè)備投資（表2）；另一部分是氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸及運(yùn)營成本（見表3）。

表1 綜合能源供應(yīng)站土地成本構(gòu)成表（綜合各站實(shí)際測算）

表2 綜合能源供應(yīng)站設(shè)備成本構(gòu)成表（根據(jù)現(xiàn)階段500 kg／d加氫規(guī)模測算）

表3 綜合能源站氫氣成本構(gòu)成表（參考相關(guān)文獻(xiàn)［10－13］）

目前20 MPa長管拖車供氫是現(xiàn)有加氫站或綜合能源站供氫的主要方式，成本約36～43元／kg，化工副產(chǎn)氫是主要的氫氣來源，不同形態(tài)綜合能源供應(yīng)站中制氫成本和運(yùn)輸成本存在較大差異。管道供氫可以降低運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本，若制氫廠距離加氫站近，選擇直接管道輸送氫氣到加氫站，運(yùn)輸成本可降至0.8～1.2元／kg，氫氣成本可降至31～36元／kg，是性價比最高的氫氣運(yùn)輸解決方案。現(xiàn)場制氫則可以直接省去氫氣運(yùn)輸成本，是理想的綜合能源站技術(shù)形態(tài)之一。但電價及天然氣價對氫氣價格影響較大，加上較大的設(shè)備攤銷成本，現(xiàn)階段其價格與外采氫氣差異不大：天然氣現(xiàn)場制氫氣成本24～29元／kg，電解水現(xiàn)場制氫氣成本24～29元／kg。通過對當(dāng)前一個35 MPa商業(yè)化運(yùn)作加氫站進(jìn)行財務(wù)核算，長管拖車供氫模式在進(jìn)銷價差為20元／kg的情況下，每天銷售400 kg氫氣能實(shí)現(xiàn)投資回報目標(biāo)。

3.2 多形態(tài)供氫可行性探討

從綜合能源供應(yīng)站的技術(shù)規(guī)劃方案、經(jīng)濟(jì)性分析可以看到，影響綜合能源供應(yīng)站建設(shè)規(guī)劃形態(tài)、可持續(xù)商業(yè)運(yùn)行的主要技術(shù)性因素有（不考慮政策因素）：氫氣資源、應(yīng)用市場、土地資源（面積）。只有充分考慮站點(diǎn)的區(qū)位、技術(shù)形態(tài)、加注負(fù)荷才能降低投資造價和經(jīng)營成本。

當(dāng)加氫規(guī)模500～1 000 kg／d，加注壓力35 MPa或35 MPa、70 MPa，站點(diǎn)距氫源100 km以內(nèi)，基于經(jīng)濟(jì)性考慮，可考慮長管拖車供氫，其建設(shè)總投資在1 000萬元至2 000萬元左右。這種模式技術(shù)成熟，供應(yīng)規(guī)?？伸`活調(diào)節(jié)，是最早被采用的技術(shù)形態(tài)，被廣泛應(yīng)用于有終端氫燃料電池車應(yīng)用場景的地區(qū)。

當(dāng)加氫規(guī)模1 000～2 000 kg／d，加注壓力35 MPa或35 MPa、70 MPa，綜合能源供應(yīng)站毗鄰氫源的場景下，可優(yōu)先考慮管道供氫模式，其建設(shè)總投資在1 300萬元至2 500萬元（剔除站外管道建設(shè)成本）。這種情況下往往氫源周邊有氫能產(chǎn)業(yè)園或聚集區(qū)，氫能基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用場景較為理想，同時終端價格低廉的氫氣可以吸引周邊更多的商業(yè)用戶或普通消費(fèi)者選擇氫燃料電池車，具備良好的商業(yè)化運(yùn)營能力。

當(dāng)加氫能力500～1 000 kg／d，加注壓力35 MPa或35 MPa、70 MPa，一些綜合能源站已經(jīng)有天然氣站基礎(chǔ)時，這些站點(diǎn)可綜合占地及終端市場，優(yōu)先考慮天然氣現(xiàn)場制氫［14］。另外，我國可再生能源豐富，光伏和風(fēng)電已占發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量20%，但這些能源具有隨機(jī)性、間歇性、能量密度低等特點(diǎn)，并網(wǎng)后難以調(diào)峰，造成了風(fēng)光棄電的問題［1，15－16］。氫氣既是二次能源，又能高效地儲存能量，所以在可再生能源豐富的地區(qū)，企業(yè)可以考慮利用超低價的風(fēng)光棄電進(jìn)行站內(nèi)電解水現(xiàn)場制氫。但現(xiàn)階段現(xiàn)場制氫的設(shè)備成本較高，其建設(shè)總投資在4 000萬元左右。

表4 綜合能源供應(yīng)站經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比較

綜合各種形態(tài)供氫方式的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性來看，長管拖車供氫在一段時間內(nèi)仍會是綜合能源供應(yīng)站的主流供氫方式，將來隨著技術(shù)的發(fā)展、政策的完善，管道供氫、現(xiàn)場制氫逐步會成為發(fā)展的趨勢。探討這些多形態(tài)的供氫方式，可以讓企業(yè)和政府根據(jù)氫源、站點(diǎn)、地區(qū)資源稟賦的不同，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形態(tài)，使氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)營更具經(jīng)濟(jì)性，降低氫氣成本。

4 綜合能源站建設(shè)要點(diǎn)

1）規(guī)劃選址。70 MPa加氫、天然氣現(xiàn)場制氫、水電解現(xiàn)場制氫這些技術(shù)在我國還沒有足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注選址的安全環(huán)境，盡量選擇周邊沒有大型企業(yè)和居住區(qū)的站點(diǎn)，同時要充分考慮氫氣運(yùn)輸、運(yùn)行、應(yīng)急等對站址的安全技術(shù)要求。

2）方案審定。無論是哪種供氫模式的綜合能源供應(yīng)站，企業(yè)都應(yīng)組織專家審查項(xiàng)目的可行性報告、平面方案、安全評價報告等涉及工藝流程和安全性的材料。特別是對70 MPa加注、現(xiàn)場制氫等方案，企業(yè)應(yīng)組織行業(yè)安全專家進(jìn)行HAZOP、SIL分析，根據(jù)分析結(jié)果對潛在的安全風(fēng)險進(jìn)行整改。

3）勘探建設(shè)。企業(yè)應(yīng)委托有資質(zhì)的單位對地塊進(jìn)行勘察，采取合理地基處理方式，能有效載重，避免因不均勻沉降導(dǎo)致的管線拉裂。土建基礎(chǔ)施工時需重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備對荷載和振動的要求，保證基礎(chǔ)經(jīng)過足夠長的養(yǎng)護(hù)時間后再進(jìn)行壓縮機(jī)安裝、接管等施工。安裝調(diào)試需重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)口材料的進(jìn)場核驗(yàn)手續(xù)和PMI抽檢、壓縮機(jī)和儲氫瓶組安裝的水平度、管道安裝的承重和應(yīng)力釋放等等。

4）“三查四定”及內(nèi)部驗(yàn)收。加壓調(diào)試結(jié)束后，應(yīng)組織行業(yè)內(nèi)專家使用設(shè)計(jì)、工藝、電氣、儀控、消防等專業(yè)內(nèi)部驗(yàn)收表格，開展“三查四定”內(nèi)部驗(yàn)收，形成專家意見，根據(jù)意見整改后再進(jìn)行行政驗(yàn)收。

5 結(jié) 論

本文從綜合能源供應(yīng)站供氫模式角度切入，以項(xiàng)目實(shí)例分析了氣態(tài)“長管拖車供氫”“管道供氫”“電解水現(xiàn)場制氫”“天然氣現(xiàn)場制氫”等多種供氫模式在綜合能源供應(yīng)站中的應(yīng)用。在技術(shù)方面，討論了多種供氫形態(tài)綜合能源供應(yīng)站的可行性；在經(jīng)濟(jì)性方面，分析了各形態(tài)綜合能源站的投資和經(jīng)營成本；在建設(shè)方面，總結(jié)了加氫項(xiàng)目規(guī)劃、土建及安裝調(diào)試的一些要點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和路徑之一的氫氣供應(yīng)新型綜合能源供應(yīng)站的規(guī)劃建設(shè)提供先行先試技術(shù)范例。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比較中可以看出，長管拖車供氫在一段時間內(nèi)仍會是綜合能源供應(yīng)站的主流供氫方式，管道供氫或現(xiàn)場制氫模式可以在區(qū)位條件優(yōu)越的站點(diǎn)示范運(yùn)行，讓包含氫氣供應(yīng)的綜合能源供應(yīng)站成為“有市場、可持續(xù)、成規(guī)模、能見效、保安全”的先進(jìn)商業(yè)范例。