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，是氫能產業化與商業化中十分關鍵、不可或缺的。中國氫能聯盟于2019年6月23日發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019）》數據顯示，截至2018年底，全球加氫站數量達到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發展，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及商業化開發起步較晚。盡管國內各地陸續出臺氫能產業的扶持政策，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化運營的標準建設。本文以如皋加氫站為例，對商業加氫站的工程實踐經驗進行總結。
氫燃料電池汽車是氫能應用的主要發展方向，加氫站作為向氫燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施，是氫能產業化與商業化中十分關鍵、不可或缺的。中國氫能聯盟于2019年6月23日發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019）》數據顯示，截至2018年底，全球加氫站數量達到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發展，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及商業化開發起步較晚。盡管國內各地陸續出臺氫能產業的扶持政策，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化運營的標準建設。本文以如皋加氫站為例，對商業加氫站的工程實踐經驗進行總結。
2 工程概況 如皋加氫站位于江蘇省南通市如皋國家級經濟技術開發區，是國內首個雙模加注壓力（35、70 MPa）商業加氫示范站，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就實現了35 MPa加氫全流程的聯合調試一次成功，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、節能和綠化審查、消防設計審查、環境預評價、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、燃氣經營許可證等相關證照14個。
3.2 主要依據的標準規范 GB 50516—2010《加氫站技術規范》、GB50177—2005《氫氣站設計規范》、GB/T 34584—2017《加氫站安全技術規范》、GB 50316—2000《工業金屬管道設計規范（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《供配電系統設計規范》、GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》、TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程—工業管道》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 4962—2008《氫氣使用安全技術規程》、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生電火花的可能性。而且在帶氫調試中發現，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，根據質量監督部門監管類別又嚴格區分為壓力管道（工業管道）和非壓力管道。 為了杜絕高壓管道出現爆裂、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、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節的相關內容）。針對GC1、GC2類別的壓力管道，向地方質量監督部門申報監檢，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安全運行，在出現超壓情況時能夠安全泄放，根據GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010規定，制定了安全閥、阻火器設計參數標準。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電力系統安全設計與施工 依據GB 50516—2010、GB 50058—2014等標準，加氫站內進行了涵蓋供配電、電氣系統防爆、防雷和防靜電等的電力系統安全設計。 在電氣系統防爆設計施工中，根據GB 50058—2014第3.2節將設備區劃分為爆炸危險區域1區、2區。在爆炸危險區域的電氣線路施工時，電纜一律穿鍍鋅鋼管保護，嚴格實現隔離密封。針對爆炸危險區域，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）銅芯交聯電力電纜。爆炸危險區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。對于儲氫罩棚等有爆炸危險的隔離區域，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（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結，采用熱鍍鋅扁鋼暗埋于廠區地下作為接地網（扁鋼埋深1 m，接地電阻不大于1 Ω）。接地端子與接地網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，對生產區進出處、爆炸危險區域邊界、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生電火花的可能性。而且在帶氫調試中發現，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，根據質量監督部門監管類別又嚴格區分為壓力管道（工業管道）和非壓力管道。 為了杜絕高壓管道出現爆裂、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、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節的相關內容）。針對GC1、GC2類別的壓力管道，向地方質量監督部門申報監檢，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安全運行，在出現超壓情況時能夠安全泄放，根據GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010規定，制定了安全閥、阻火器設計參數標準。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電力系統安全設計與施工 依據GB 50516—2010、GB 50058—2014等標準，加氫站內進行了涵蓋供配電、電氣系統防爆、防雷和防靜電等的電力系統安全設計。 在電氣系統防爆設計施工中，根據GB 50058—2014第3.2節將設備區劃分為爆炸危險區域1區、2區。在爆炸危險區域的電氣線路施工時，電纜一律穿鍍鋅鋼管保護，嚴格實現隔離密封。針對爆炸危險區域，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）銅芯交聯電力電纜。爆炸危險區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。對于儲氫罩棚等有爆炸危險的隔離區域，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（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結，采用熱鍍鋅扁鋼暗埋于廠區地下作為接地網（扁鋼埋深1 m，接地電阻不大于1 Ω）。接地端子與接地網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，對生產區進出處、爆炸危險區域邊界、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 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）系統以及可視化站控運營控制系統。實現數據采集傳輸、設備自動控制、緊急情況自動響應及視頻監控和報警等多維一體的安全防控。 FGS重點監控加氫島、氫氣壓縮機、儲氫罐區、卸氣柱區等易產生氫氣泄漏和氫氣聚集的區域，監測氫氣泄漏濃度、明火源和超溫風險源。根據氫氣泄漏濃度執行聲光報警與風機強排功能，并與ESD系統連鎖，執行緊急停車指令。預留消防信息系統聯網端口，及時向站區負責人及消防部門的集控系統發送報警信息。 當加氫站設備、管道及相關設施出現緊急情況時（超溫、超壓、著火、非法入侵、意外斷電等），由ESD系統發出報警信號，對現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采用物聯網、云計算、大數據、區塊鏈等技術，實現了工藝系統、FGS、ESD系統的一體化、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、安全高效，依照《中華人民共和國安全生產法》、GB 4962—2008等法律和標準，并借鑒國內外加氫站系統調試和試運行管理制度、工作規范，編制了《如皋加氫站系統調試和試生產安全管理規程》，形成了調試和試運行過程中的安全作業管理規程、工作票制度、專項應急預案管理規程、消防安全管理規程等安全管理制度。 在此基礎上，進一步梳理明晰加氫站調試和試運行作業流程，制定加氫站調試技術大綱。按照調試技術大綱規定的業務流程，從調試前準備和核查工作、設備的單機調試、聯合調試（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、各環節監控、多方人員協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GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業氫氣》和GB/T 3634.2—2011《氫氣 第2部分：純氫、高純氫和超純氫》，按照工業氫氣提供的高純氫品質。
4 結語 在項目設計和開發建設中，實現了對設計資源、裝備供應鏈、施工組織、調試隊伍、審批流程的多環節實踐，探索出一套商業化加氫站建設和經營審批流程，積累形成了加氫站建設經驗。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點，總結出設計與施工、安全控制系統、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業發展戰略研究［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業發展戰略研究［J］. 中國工程科學，2019，22（3）：76-83.
