燃料電池汽車加氫站安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析與建議

周志鋒

（南京市燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京 210000）

作為向燃料電池汽車以及其他氫能利用裝置提供加注氫氣服務(wù)的主要場(chǎng)所，加氫站的建設(shè)和發(fā)展是我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化不可或缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施，但因?yàn)榧託湔緝?nèi)部?jī)?chǔ)存著數(shù)量較多的氫氣，在外界環(huán)境因素變化的影響下，因?yàn)闅錃獗旧韼в幸兹家妆匦裕坏┏霈F(xiàn)安全事故就會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。也正因如此，加氫站的設(shè)計(jì)安全問題已經(jīng)得到了相關(guān)部門以及學(xué)者的高度重視。本文研究、探討了加氫站的安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及相關(guān)工作策略，以便為今后我國(guó)加氫站的安全設(shè)計(jì)工作優(yōu)化提供參考。

1 加氫站概述

1.1 分類

作為上游氫氣制造、運(yùn)輸和下游燃料電池汽車氫氣使用的重要樞紐，加氫站自身的網(wǎng)絡(luò)化分布是我國(guó)氫能得以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展、應(yīng)用的重要基礎(chǔ)條件[1]。加氫站因?yàn)榉诸惙椒ù嬖谥欢ǖ牟町悾漕愋鸵沧兊迷桨l(fā)多元化。從建設(shè)形式方面的差異來看，加氫站可以分為固定和移動(dòng)兩種類型；從氫氣儲(chǔ)存狀態(tài)的層面來看，加氫站又可以分為液氫加氫站以及高壓氫氣加氫站；從氫能的加注方式劃分可以將加氫站劃分為單級(jí)加注以及多級(jí)加注加氫站。從氫氣的制造方法看來，電解水制氫站、甲醇現(xiàn)場(chǎng)制氫、天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫都是最為常見的方式，雖然站內(nèi)制氫能夠節(jié)省氫氣的運(yùn)輸費(fèi)用，但是加氫站內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性有了進(jìn)一步提升。

1.2 內(nèi)部設(shè)施

高壓壓縮氫氣加氫站作為當(dāng)下加氫站的主要類型，雖然氫氣供應(yīng)方式的差異會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部的系統(tǒng)存在著一定的不同。但總體看來，卸氣柱、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、加氫機(jī)、管道系統(tǒng)、順序控制盤、控制系統(tǒng)等都是其中必備的基礎(chǔ)設(shè)施，而壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐和加氫機(jī)又是整個(gè)加氫站內(nèi)的核心基礎(chǔ)設(shè)備。作為加氫站內(nèi)部核心基礎(chǔ)設(shè)施的壓縮機(jī)，目前國(guó)內(nèi)加氫站常用的有隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)以及離子式壓縮機(jī)。儲(chǔ)氫罐選擇得合理與否從某種程度上對(duì)加氫站的氫氣供給行為產(chǎn)生決定性的影響[2]，通常加氫站的儲(chǔ)氫罐會(huì)分成低級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)級(jí)別進(jìn)行儲(chǔ)存取氣。在部分情況下，氫氣的長(zhǎng)管拖車也可以作為一級(jí)氫氣儲(chǔ)存設(shè)施。加氫站內(nèi)部氫氣加注服務(wù)質(zhì)量得以持續(xù)提高的關(guān)鍵設(shè)施就是加氫機(jī)，內(nèi)部分布的諸如壓力、溫度一類的傳感器，是確保其狀態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件。

2 常見的加氫站建站工作模式

加氫站在站點(diǎn)建立的過程中，通常可以分為站內(nèi)制氫和站外制氫兩種模式。站內(nèi)制氫通常是以電解水制氫和天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫工藝為主，這種站內(nèi)氫氣制造的方法能夠在縮減運(yùn)輸成本的同時(shí)降低儲(chǔ)氫罐的容積，但因?yàn)橹茪湓O(shè)備占地面積相對(duì)較大，導(dǎo)致應(yīng)用范圍遭到了一定的限制。此外，因?yàn)槠嚉錃饧幼в忻黠@的隨機(jī)性特點(diǎn)，制氫設(shè)備需要經(jīng)常性地進(jìn)行啟動(dòng)和停止，操作方面的管理工作難度有所增加[3]。此外，除了我國(guó)新批準(zhǔn)的加氫站建設(shè)用地之外，國(guó)內(nèi)的油氫合建站，氣氫合建站等并不允許使用站內(nèi)制氫的方法。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的加油站和加氣站土地本質(zhì)上都屬于商業(yè)用地的一種，在制氫設(shè)備增加之后，土地性質(zhì)則會(huì)轉(zhuǎn)化為工業(yè)用地，在政府的審批、消防驗(yàn)收等環(huán)節(jié)會(huì)遭遇重大的困難。

加氫站外的氫氣制作模式是指氫氣再經(jīng)由化工廠、制氫廠凈化、壓縮處理之后通過長(zhǎng)管拖車或者是管道運(yùn)輸?shù)郊託湔緝?nèi)部，在加氫站內(nèi)只需要設(shè)置氫氣的存儲(chǔ)、壓縮和加注設(shè)施即可。這種加氫站的制氫方法需要投入一定的運(yùn)輸氫氣的成本，而這一成本與加氫站和氫氣源頭之間的距離有著緊密的關(guān)聯(lián)。一般而言，在300km以內(nèi)，集裝管束的運(yùn)輸成本優(yōu)于其他方式，為了保障加氫站運(yùn)輸成本的合理性，通過集裝管束的氫氣運(yùn)輸半徑需要控制在較短的范圍以內(nèi)。通過管道運(yùn)輸氫氣的方法，因?yàn)槭艿綒錃馓厥庑砸约熬嚯x、城鄉(xiāng)規(guī)劃等多種因素的影響，僅能夠在化工園區(qū)這類小范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行使用，并且一次投資的成本相對(duì)較高。

3 燃料電池汽車加氫站的安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 等級(jí)方面的科學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合目前我國(guó)有關(guān)加氫站建設(shè)方面的技術(shù)規(guī)范文件，加氫站內(nèi)部?jī)?chǔ)氫罐的容量需要結(jié)合氫氣的來源、燃料電車的具體數(shù)量以及單體車輛氫氣充裝的容量、時(shí)間科學(xué)確定，氫氣儲(chǔ)存罐本身的容積與其潛在危險(xiǎn)之間呈現(xiàn)出一種正相關(guān)關(guān)系，現(xiàn)行的規(guī)范文件中明確在城市中心區(qū)不應(yīng)建一級(jí)加氫站、一級(jí)加油加氫合建站。現(xiàn)階段，我國(guó)氫氣日加注量為1 000kg的油氫合建站通常使用的都是站外制氫模式，加氫站內(nèi)設(shè)置了固定儲(chǔ)氫罐以及能夠移動(dòng)的長(zhǎng)管拖車，并且固定的儲(chǔ)氫罐容量一般維持在400～650kg，長(zhǎng)管拖車的氫氣儲(chǔ)存量保持在250～460kg，氫氣的卸載時(shí)長(zhǎng)為3～5h。因?yàn)槲覈?guó)燃料電池汽車正處于一種快速發(fā)展的狀態(tài)下，氫氣使用量也會(huì)快速增加，為了滿足高峰時(shí)間節(jié)點(diǎn)的氫氣加注需求，加氫站內(nèi)需要停放兩輛及以上的長(zhǎng)管拖車，這樣就要求氫氣的總儲(chǔ)量至少要滿足1 000kg。城市中心區(qū)及城市建成區(qū)周邊設(shè)施都很完善，規(guī)范上要求加氫站與周邊的距離隨著等級(jí)的提高而加大，從實(shí)際加氫需求以及安全設(shè)計(jì)角度來看，可以在城市中心區(qū)及城市建成區(qū)建設(shè)三級(jí)加氫站，氫氣儲(chǔ)存罐容量總體維持在3 000kg以下，并且單罐容量需要維持在800kg以下。在城市中心區(qū)及城市建成區(qū)考慮建設(shè)加油加氫合建站時(shí)，三級(jí)站通常滿足不了加氫需求，可以建設(shè)二級(jí)站，氫氣儲(chǔ)存罐容量總體維持在2 000kg。

3.2 站址方面的科學(xué)設(shè)計(jì)

加氫站以及合建加氫站的站址選擇需要完全符合城鎮(zhèn)的發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)以及能源節(jié)約、消防部門安全方面的需求，并且建設(shè)地址需要選擇在交通相對(duì)較為便利，能夠?yàn)橛脩籼峁┝己梅?wù)的位置，避免設(shè)置在城市主干道的交叉路口附近?？紤]到一級(jí)加氫站以及合建加氫站的氫氣儲(chǔ)存容量相對(duì)較大，需要從安全和交通兩個(gè)方面出發(fā)，避免在中心區(qū)建設(shè)一級(jí)加氫站和加油加氣加氫站。加氫站內(nèi)部各項(xiàng)設(shè)備之間同樣也需要保持一個(gè)安全的防火間距，加氫站內(nèi)部的間距要求往往會(huì)影響全站的布局，也會(huì)影響站址的選擇。目前汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氫氣壓縮機(jī)和站房之間的距離保持在5m。為了減少占地、節(jié)省施工時(shí)間，通常加氫站壓縮機(jī)管道系統(tǒng)采用撬裝方式，我國(guó)現(xiàn)行的加氫站技術(shù)規(guī)范中卻明確規(guī)定了撬裝工藝設(shè)備在防火安全間距設(shè)計(jì)的過程中，需要將之視為制氫間，在這種情況下，氫壓機(jī)撬裝加氫設(shè)備和站房之間的距離需要控制在15m以上，而氫氣壓縮機(jī)間和站房的間距卻只用5m。不同規(guī)范要求的間距數(shù)值相差較大，會(huì)給工程建設(shè)各參與方帶來意見分歧，會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施。目前我國(guó)加氫站，尤其是合建加氫站占地面積相對(duì)有限，合建站的氫氣壓縮機(jī)和站房之間的距離可以按5m控制。而在加氫站設(shè)計(jì)占地面積受限時(shí)，氫氣壓縮機(jī)和站房之間的安全距離建議在前期通過安全定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定，并取得相關(guān)主管部門認(rèn)可。

3.3 加氫站的總體平面設(shè)計(jì)

從加氫站內(nèi)部的區(qū)域功能劃分開來，具體可以分為卸車區(qū)、壓縮區(qū)、氫氣儲(chǔ)存區(qū)、加注區(qū)、營(yíng)業(yè)辦公區(qū)和輔助區(qū)等，合建站通常可以使用功能分區(qū)和相對(duì)隔離的方法。一般而言，最為常見的油氫合建站具體區(qū)域可以分為加油設(shè)備區(qū)、加氫設(shè)備區(qū)、汽車加注區(qū)和商業(yè)區(qū)四個(gè)部分[5]。在總體平面布局設(shè)計(jì)的過程中，需要在站房的東側(cè)設(shè)置獨(dú)立性質(zhì)的加氫區(qū)域，這一區(qū)域內(nèi)可以完成氫氣的卸載、壓縮、儲(chǔ)存和加注等多項(xiàng)工作，這一區(qū)域同樣可以配合實(shí)體圍墻和柵欄進(jìn)行隔離，防止除加氫站之外的工作人員進(jìn)入。同時(shí)，加油島也可以逐步改造為加氫島，并且二者可以共同使用一個(gè)罩棚。加氫機(jī)和儲(chǔ)氫設(shè)備之間的管線通常設(shè)置在管溝內(nèi)，并且需要在管溝內(nèi)進(jìn)行填砂或者是設(shè)置帶孔蓋板，防止管溝內(nèi)出現(xiàn)氫氣聚集。在各區(qū)域劃分完成之后，需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的標(biāo)線和標(biāo)識(shí)，確保燃料電池車輛和加油車輛能夠分別結(jié)合標(biāo)識(shí)到達(dá)相應(yīng)位置進(jìn)行加注，保障駕駛過程的安全。

3.4 內(nèi)部設(shè)備的安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)

卸氣柱、壓縮機(jī)、加氫機(jī)等作為加氫站內(nèi)的主要設(shè)備，長(zhǎng)管拖車可以借助卸氣軟管將氫氣運(yùn)輸?shù)叫稓庵鶅?nèi)部，在經(jīng)過計(jì)量和升壓之后，直接通過加氫機(jī)或者儲(chǔ)存在高壓氣瓶中，借此進(jìn)行燃料電池車的加氫。卸氣柱內(nèi)通常都設(shè)置有氮?dú)獯祾吖芫€以及過濾精度少于10μm的過濾器。在氫氣卸載之前，需要進(jìn)行管線的吹掃置換，以此保障卸載的氫氣質(zhì)量。卸車的軟管一端需要設(shè)置拉斷閥以防止長(zhǎng)管拖車溜車，或者是其他錯(cuò)誤操作引發(fā)軟管斷裂和氫氣泄漏的問題。在氫氣卸載的過程中，一旦出現(xiàn)了上游超壓的現(xiàn)象，可以通過卸氣柱上設(shè)計(jì)的安全泄壓閥，確保壓力能夠始終維持在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)。設(shè)置緊急切斷閥可以預(yù)防在發(fā)生各種緊急事件的情況下，自動(dòng)切斷氫氣傳輸源頭，降低事故發(fā)生的影響程度。壓縮機(jī)作為加氫站內(nèi)的核心設(shè)備，加氫的品質(zhì)、加注速率以及車輛的充裝壓力與其性能水平都有著緊密的關(guān)聯(lián)，最為常見的金屬隔膜、液驅(qū)活塞和機(jī)械活塞等壓縮機(jī)，在具體選型設(shè)計(jì)的過程中，又以金屬隔膜和液驅(qū)活塞應(yīng)用最為廣泛。通過在壓縮機(jī)前后設(shè)置緩沖罐，壓縮機(jī)進(jìn)出口與第一個(gè)切斷閥之間設(shè)置安全閥，壓縮機(jī)與支撐氫氣管道的支架單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，并對(duì)管道進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，最大程度地降低設(shè)備運(yùn)行過程中振動(dòng)因素對(duì)于管道的影響，有效避免氫氣管道泄漏的發(fā)生。

加氫站內(nèi)的氫氣存儲(chǔ)設(shè)備具體可以分為固定和移動(dòng)兩種形式。固定性質(zhì)的儲(chǔ)氫裝備在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、使用、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)不僅需要符合我國(guó)鋼制壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要結(jié)合特種設(shè)備安全檢查、使用管理等方面的規(guī)則要求，并完全滿足加氫站內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。儲(chǔ)氫裝置在設(shè)計(jì)的過程中，需要始終遵循安全第一的設(shè)計(jì)理念。通過設(shè)置超壓泄放安全閥、壓力報(bào)警以及泄漏檢測(cè)點(diǎn)，并且在儲(chǔ)氫管路上設(shè)置緊急切斷閥，確保將事故發(fā)生的概率降為最低。作為向燃料電池汽車提供氫氣加注服務(wù)的重要設(shè)施，加氫機(jī)本身帶有計(jì)量和計(jì)價(jià)的功能，并呈現(xiàn)出一種隨機(jī)加注、操作頻繁的特征，加氫機(jī)的軟管設(shè)置分離拉力小于600N的拉斷閥，防止因?yàn)槠囈馔鈫?dòng)出現(xiàn)的軟管拉斷或者是加氫機(jī)拉倒的現(xiàn)象，避免出現(xiàn)氫氣的泄漏事故。通常，在氫氣加注的過程中，由于焦耳-湯普森效應(yīng)會(huì)使充壓容器內(nèi)部的氫氣溫度升高，為了避免出現(xiàn)車載儲(chǔ)氣瓶溫度超過限值的現(xiàn)象，可以在加注前對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)冷降溫并控制加注的速率。加氫管道也需要設(shè)計(jì)全啟安全閥防止出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，通過切斷閥和緊急停車按鈕的設(shè)置，確保能夠在發(fā)生緊急情況時(shí)自動(dòng)進(jìn)行閥門的關(guān)閉，停止加氫作業(yè)，并向站內(nèi)的控制系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)的信號(hào)，最終保障終端的氫氣品質(zhì)以及氫氣加注的服務(wù)質(zhì)量。

4 燃料電池加氫站的安全設(shè)計(jì)及管理工作策略

4.1 加氫站安全設(shè)計(jì)工作策略

因?yàn)槲覈?guó)的加氫站建設(shè)、發(fā)展時(shí)間相對(duì)較晚，在質(zhì)量工程建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)管理等過程存在著明顯的質(zhì)量參差不齊的問題。在具體設(shè)計(jì)的過程中，從加氫站的選址和總體平面布置方面來看，必須正確選擇規(guī)范并嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的要求，并結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確保設(shè)備和站外設(shè)施保持安全的間距。氫氣的儲(chǔ)存罐需要通過充壓次數(shù)計(jì)數(shù)器的設(shè)置，更好地掌握儲(chǔ)罐壓力的疲勞次數(shù)。卸氣柱、加氫機(jī)需要為其設(shè)置拉斷閥，以避免誤操作導(dǎo)致各種氫氣泄漏問題的發(fā)生。在安全輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，卸氣柱、加氫機(jī)、壓縮機(jī)都需要設(shè)置安全閥和緊急切斷閥，儲(chǔ)氫罐需要為其單獨(dú)設(shè)計(jì)放空閥。因?yàn)闅錃庥兄黠@的向上擴(kuò)散的特性，需要科學(xué)地配置氫火焰探測(cè)器、泄漏探測(cè)器和聲光警報(bào)器，確保能夠在發(fā)生各種緊急情況時(shí)，第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行的加氫站設(shè)計(jì)規(guī)范文件看來，加氫站需要設(shè)計(jì)不發(fā)火的地面，且氫氣和除氮?dú)庖酝獾钠渌墓霉こ坦艿啦坏迷谕粋€(gè)管溝內(nèi)進(jìn)行敷設(shè)，加氫站內(nèi)的放散管道需分別引至放散總管中進(jìn)行統(tǒng)一的放散處理。

4.2 加氫站安全管理工作策略

為了確保加氫站始終處于一種安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理正確選擇管道材料、閥門、設(shè)備等；施工時(shí)，需要對(duì)管道、安全閥、放空閥、加氫軟管、閥門、壓縮機(jī)彼此之間連接，以及儀表、墊片等的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，保障加氫站各設(shè)施的施工質(zhì)量，站內(nèi)設(shè)置的金屬設(shè)備、管道和管架需要設(shè)置完善的防雷和靜電接地系統(tǒng)；在日常運(yùn)行維護(hù)時(shí)，需要針對(duì)法蘭連接部位、加氫軟管等容易泄漏的位置定期進(jìn)行檢查，針對(duì)軟管和膜片定期更換。在日常的加氫站管理工作中，需要杜絕站內(nèi)以及周邊區(qū)域出現(xiàn)明火。相關(guān)人員在工作時(shí)需要穿戴防靜電工作服物，配合巡檢以及操作規(guī)程的有效落實(shí)，保障加氫站內(nèi)的氫氣加注以及運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)語

在我國(guó)高度關(guān)注氫能這一清潔能源普及應(yīng)用的背景下，燃料電池汽車逐漸得以推廣，但加氫站內(nèi)儲(chǔ)存的氫氣帶有明顯的易燃易爆特性。為了保障加氫站內(nèi)氫氣的質(zhì)量和運(yùn)行安全，要從加氫站的等級(jí)、地址選擇、總體平面布局和內(nèi)部設(shè)備等多個(gè)方面入手，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范科學(xué)地設(shè)計(jì)加氫站，以保障加氫站能夠始終處于一種安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。