近兩年來，各種充電電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼政策逐漸下降，但作為新能源汽車，燃料電池汽車及其配套設(shè)施的政府補(bǔ)貼一直在增加。燃料電池汽車克服了充電電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、電池電性能衰減快、電池報(bào)廢困難的幾個(gè)問題。然而，燃料電池汽車的推廣仍然不如充電電動(dòng)汽車順利。原因是，除了燃料電池汽車本身的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格仍然很高外，其稀缺的配套加氫設(shè)施是制約燃料電池汽車快速發(fā)展的更大障礙。

在加氫站的設(shè)計(jì)和施工過程中，制定工藝流程計(jì)劃，選擇合適的工藝設(shè)備，對(duì)加快加氫站的施工進(jìn)度，合理控制施工成本起著至關(guān)重要的作用。

1、加氫站工藝流程

目前，國(guó)內(nèi)加氫站的主要工藝流程是基于高壓氣態(tài)氫的儲(chǔ)運(yùn)方式，主要是站外長(zhǎng)管拖車的供氫。站外長(zhǎng)管拖車供氫的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫加氫站工藝流程如圖1所示。

圖1 加氫站工藝流程示意

長(zhǎng)管拖車將20MPa壓縮氫從氫生產(chǎn)單位運(yùn)輸?shù)焦潭ㄕ?，氫通過加氫站壓縮機(jī)卸載到站內(nèi)高壓儲(chǔ)氫罐。當(dāng)車輛加氫時(shí)，長(zhǎng)管拖車或儲(chǔ)氫罐中輸出的氫通過加氫機(jī)填充到燃料電池車載儲(chǔ)氫瓶。

目前國(guó)際上應(yīng)用廣泛的車載儲(chǔ)氫瓶壓力等級(jí)主要有35個(gè)MPa和70MPa兩種。加氫站的更高設(shè)計(jì)壓力等級(jí)也需要與加注車輛儲(chǔ)氫的壓力等級(jí)相匹配，除20年使用長(zhǎng)管拖車外MPa除移動(dòng)儲(chǔ)氫設(shè)施外，35MPa氫燃料電池車加氫站更高固定儲(chǔ)氫壓力一般為45MPa，70MPa氫燃料電池車加氫站更高固定儲(chǔ)氫壓力一般為90MPa。

2.加氫站設(shè)備選型

加氫站設(shè)備中的三件包括壓縮機(jī)、固定儲(chǔ)氫設(shè)施和加氫機(jī)。這三種設(shè)備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲(chǔ)氫能力。在確定車站建設(shè)規(guī)模時(shí)，通過匹配設(shè)備參數(shù)和設(shè)備數(shù)量，實(shí)現(xiàn)加氫站更佳、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備配置。

2.1壓縮機(jī)

壓縮機(jī)作為加氫站的核心設(shè)備，在氫氣增壓中發(fā)揮著重要作用。目前國(guó)內(nèi)加氫站常用的氫壓縮機(jī)主要有隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)。隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)壓縮機(jī)主要用于儲(chǔ)氫壓力不大于45MPa離子液壓縮機(jī)主要用于儲(chǔ)氫壓力90MPa國(guó)內(nèi)壓力等級(jí)的加氫站壓縮機(jī)仍在開發(fā)中，主要依靠進(jìn)口。

2.1.1隔膜壓縮機(jī)

隔膜壓縮機(jī)有一個(gè)特殊的膜片，將壓縮氣體與外界開。在隔膜壓縮機(jī)中，氣缸的功能由膜腔完成。膜腔由圓形表面的蓋板和彈性膜組成。膜周圍緊固在蓋板和身體之間。當(dāng)膜上下彎曲變形時(shí)，膜腔內(nèi)的體積發(fā)生變化，從而完成氣體的壓縮和排氣。金屬膜片隔膜壓縮機(jī)采用液力驅(qū)動(dòng)膜片，可靠近蓋板穹頂表面，相對(duì)間隙小，氣體與液體之間的膜片非常薄，壓縮過程中散熱良好。目前，金屬隔膜壓縮機(jī)的更高排氣壓力可達(dá)70MPa，但由于膜片變形量有限，處理氣體量一般較小。

圖2隔膜壓縮機(jī)工作原理

2.1.2液驅(qū)壓縮機(jī)

液體驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力缸直接連接到往復(fù)泵的工作室，往復(fù)泵的活塞驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的活塞通過液體（主要是油）完成氣體壓縮。液體驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的中間是兩個(gè)對(duì)應(yīng)的氣缸，柱塞是壓縮氫氣的活塞，上部是控制滑動(dòng)閥，以釋放動(dòng)力氣缸中的油。這種結(jié)構(gòu)可以做成多列，所以功率更大。

圖3液驅(qū)壓縮機(jī)工作原理示意圖

2.1.三離子液壓縮機(jī)

自動(dòng)化、航空航天、電子電器或能源領(lǐng)域通常使用離子液體。離子液體本身幾乎不可壓縮，幾乎沒有蒸汽壓力，可以取代金屬在等溫條件下產(chǎn)生高壓，可以長(zhǎng)期運(yùn)行，無需維護(hù)，節(jié)約能耗。與普通壓縮機(jī)相比，離子液壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件大大降低，維護(hù)方便。目前已用于國(guó)外部分天然氣加氣站和氫能供應(yīng)站，更大排氣壓力可達(dá)90MPa以上。

2.1.4各類壓縮機(jī)對(duì)比分析

隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)的性能比較見下表1。

表1隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)的性能比較

國(guó)內(nèi)許多壓縮機(jī)制造商在隔膜壓縮機(jī)和液體驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的技術(shù)研發(fā)方面越來越成熟，相當(dāng)一部分加氫站已經(jīng)開始應(yīng)用完全本地化的氫壓縮機(jī)。但相對(duì)而言，國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性有待提高。目前，我國(guó)相當(dāng)一部分加氫站設(shè)備供應(yīng)商采購(gòu)進(jìn)口壓縮機(jī)頭作為核心部件，配套輔助部件采用國(guó)內(nèi)采購(gòu)組裝。這樣，對(duì)于而言，不僅提高了設(shè)備的可靠性，而且降低了設(shè)備的采購(gòu)成本。目前國(guó)內(nèi)已建成或在建的35MPa隔膜壓縮機(jī)或液驅(qū)壓縮機(jī)多用于加氫站。由于價(jià)格高，離子壓縮機(jī)更適合加注壓力高的70MPa加氫站。

2.固定儲(chǔ)氫設(shè)施

高壓儲(chǔ)氫瓶組和高壓儲(chǔ)氫罐主要用最近建成或在建的加氫站的固定儲(chǔ)氫設(shè)施。

高壓儲(chǔ)氫設(shè)施具有氫氣儲(chǔ)存和壓力緩沖作用，通過壓力、溫度等傳感器對(duì)儲(chǔ)存介質(zhì)參數(shù)、安全狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。加氫站氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的工作壓力越高或該工作壓力與氫能汽車充氫壓力差越大，將使氫能汽車充氫時(shí)間縮短；氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)工作壓力的提高也會(huì)使氫氣壓縮機(jī)開啟頻繁度降低。

(1)儲(chǔ)氫壓力不大于20MPa高壓儲(chǔ)氫瓶組一般可用作儲(chǔ)氫設(shè)施。目前主要用于以低壓管道氫為氣源的加氫站，作為一級(jí)儲(chǔ)氫站。這種儲(chǔ)氫瓶組參考ASME(American Society of Mechanical Engineers，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)TSG設(shè)計(jì)制造21-2016年《固定壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》，主要材料為4130X高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，瓶體為單層厚壁結(jié)構(gòu)。

(2)儲(chǔ)氫壓力大于20MPa考慮到高壓氫的氫脆腐蝕，一般選擇高壓儲(chǔ)氫罐作為儲(chǔ)氫設(shè)施，儲(chǔ)罐壁也成為多層結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層采用耐氫脆腐蝕不銹鋼，外層采用高強(qiáng)度碳鋼加固，具有耐腐蝕、耐高壓的特點(diǎn)。

35MPa更高儲(chǔ)氫壓力為45MPa的儲(chǔ)氫罐，70MPa加氫站通常還要增設(shè)更高儲(chǔ)氫壓力為90MPa的儲(chǔ)氫罐。

2.3加氫機(jī)

加氫機(jī)的主要功能是加注氫燃料電池汽車的車載儲(chǔ)氫瓶。

加氫機(jī)的基本部件包括箱體、用戶顯示面板、加氫口、加氫軟管、斷閥、流量計(jì)量、控制系統(tǒng)、過濾器、節(jié)流保護(hù)、管道、閥門、管件、安全系統(tǒng)等。此外，還包括一些輔助系統(tǒng)：電子讀卡系統(tǒng)（如收費(fèi)系統(tǒng)）、多級(jí)儲(chǔ)氣優(yōu)先控制系統(tǒng)、兩個(gè)不同壓力的輔助加氫口和軟管、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和車輛信息集成控制系統(tǒng)。

加氫機(jī)加注時(shí)有焦湯效應(yīng)，導(dǎo)致氫氣溫度升高。因此，如何防止氫氣溫度在加注過程中上升是加氫機(jī)的關(guān)鍵性能之一。目前，中國(guó)主要有35臺(tái)MPa加氫機(jī)制造商主要采用以下兩種方采用以下兩種方法：

(1)采用美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)SAE(Society of Auto motive Engineers)J根據(jù)2601標(biāo)準(zhǔn)，在加氫機(jī)中設(shè)置與汽車瓶相連的通信接口，將加氫過程中車載瓶的溫度和壓力信號(hào)輸入加氫機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)加氫加壓速率，控制氫溫度。

(2)加氫前預(yù)冷。氫氣進(jìn)入加氫機(jī)前，首先通過外置換熱器換熱，降低氫氣溫度后加注車載氣瓶。換熱器冷卻介質(zhì)為低溫循環(huán)冷卻水，需要外設(shè)大功率冷水機(jī)組將冷卻水溫度降至5~10℃。

根據(jù)項(xiàng)目的具體實(shí)際情況，可以選擇上述兩種加氫機(jī)。如果站址面積緊湊，對(duì)節(jié)能要求高，可以考慮使用第一種加氫機(jī)；如果日常加注車輛較多，需要快速加氫，可以考慮使用第二種加氫機(jī)。

此外，加氫機(jī)的加注速率也與加氫站壓縮機(jī)的配置和儲(chǔ)氫罐的體積有關(guān)，設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮。

綜上所述，以典型的加注能力為1萬kg/12h，加注壓力35MPa以加氫站為例，推薦設(shè)備配置見表2。

表2 1000kg/12h，35MPa加氫站推薦設(shè)備配置

2.其他工藝設(shè)施

2.4.1卸氣柱

卸氣柱是長(zhǎng)管拖車與車站工藝管道之間的接口，與拖車停車位逐一對(duì)應(yīng)。每組卸氣柱配有柔性軟管、斷裂閥、過濾器、單向止回閥、手動(dòng)止回閥、安全閥和壓力表。每組排氣柱集中分散。作為加氫站與長(zhǎng)管拖車的氣源對(duì)接點(diǎn)，應(yīng)在排氣柱出口管道上設(shè)置緊急切斷閥，以確保在車站發(fā)生事故時(shí)第一次切斷氣源。

2.4.二是順序控制閥組

順序控制閥組是由一系列氣動(dòng)閥、電磁閥和壓力傳感器組成的加氫站注氣自動(dòng)控制的重要組成部分。將現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)上傳到控制室PLC控制柜，通過預(yù)制程序判斷工況，然后發(fā)出信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)夤艿离姶砰y的開閉，然后控制氣動(dòng)閥的開閉。

2.4.3氫氣管道系統(tǒng)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，加氫站內(nèi)的氫氣工藝管道應(yīng)具有與氫相容的特點(diǎn)，應(yīng)采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應(yīng)符合GB/T8163-2018《輸送流體無縫鋼管》GB5310-2017《高壓鍋爐無縫鋼管》GB/T14976-2012《流體輸送不銹鋼無縫鋼管》ASMEB31.三、工藝管道和ASTMA269《一般設(shè)備無縫焊接奧氏體不銹鋼管》的有關(guān)規(guī)定。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T29729-2013《氫系統(tǒng)安全基本要求》采用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料。在本規(guī)范附錄D中，建議在氫環(huán)境中使用奧氏體不銹鋼S31603、S31608、鋁合金6061。

GB50516-2010年《加氫站技術(shù)規(guī)范》還提出了氫管連接方式的基本要求:氫管連接應(yīng)采用焊接或夾套接頭；氫管與設(shè)備、閥門的連接可采用法蘭或螺紋連接。在目前的加氫站設(shè)計(jì)中，氫氣管道的連接主要采用夾套連接和錐螺紋連接。其中，壓縮機(jī)前20MPa氫管主要采用夾套連接；壓縮機(jī)后的管道主要采用錐螺紋連接。

2.4.4放散系統(tǒng)

加氫站的放散方式主要分為超壓安全放松和手動(dòng)放松。

(1)超壓安全排放主要包括設(shè)置在壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐、加氫機(jī)等設(shè)備氫氣管道上的安全閥。安全閥的開啟壓力不大于管道的設(shè)計(jì)壓力，且需根據(jù)GB根據(jù)50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》的要求，根據(jù)更大工作壓力，設(shè)置安全閥開啟壓力。超壓安全排放為不可控排放，主要由設(shè)備運(yùn)行故障等因素引起，一般排放量較小，排放概率較低。

（2）手動(dòng)分散的主要功能是在設(shè)備維護(hù)過程中對(duì)設(shè)備和氫管進(jìn)行壓力泄漏。壓力泄漏后，用氮?dú)飧鼡Q和清洗，使儲(chǔ)罐內(nèi)的氫氣排放干凈，確保設(shè)備維護(hù)過程中的安全。手動(dòng)分散為可控分散，可通過手動(dòng)調(diào)整截止閥開度來控制分散氣體的流量，但一般分散量較大，分散概率根據(jù)設(shè)備維護(hù)周期確定。

加氫站內(nèi)的放散管一般根據(jù)氫管和設(shè)備的壓力系統(tǒng)分別連接到放散管，并通過放散垂直管放入大氣中。為防止高速噴射的放散氣與空氣接觸引起回火，應(yīng)在放散管接近末端設(shè)置阻火器，以確保安全。

2.4.5.更換吹掃系統(tǒng)

加氫站通常用氮?dú)馇逑春透鼡Q設(shè)備和氫氣管道。工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置專用氮?dú)饧b箱和氮?dú)馇逑粗脫Q閥組，與氫氣管道和設(shè)備氫氣管道相連，連接處設(shè)置止回閥。止回閥和氫端的管道設(shè)計(jì)壓力應(yīng)與氫氣設(shè)備或氫氣管道的設(shè)計(jì)壓力相匹配，以防止高壓氫回流到氮?dú)庵脫Q清洗系統(tǒng)。

2.4.6儀表風(fēng)系統(tǒng)

加氫站儀表風(fēng)系統(tǒng)的主要功能是為加氫站工藝系統(tǒng)的氣動(dòng)閥供氣。

(1)以氮?dú)鉃閮x表風(fēng)源，通過氮?dú)饧b箱、氮?dú)鈨x表風(fēng)閥組和儀表風(fēng)管為氣動(dòng)閥供氣。以氮?dú)鉃閮x表風(fēng)源時(shí)，由于用氣量小，一般可與氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)共用氮?dú)饧b箱作為氣源。通過人工檢測(cè)氮?dú)饧b箱的壓力變化，確定氮?dú)饧b箱的更換時(shí)間。

(2)以壓縮空氣為儀表風(fēng)源，通過空壓機(jī)和儀表風(fēng)管為氣動(dòng)閥供氣，一般需要配置3個(gè)功率~5kW為保證壓力穩(wěn)定，空壓機(jī)繼續(xù)工作。

3、結(jié)語

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加氫站部分主要設(shè)備進(jìn)行比較，為今后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。在實(shí)際工程中，在確定加氫站設(shè)備的選擇時(shí)，不僅要考慮加氫站的綜合性能，還要考慮設(shè)備采購(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。隨著時(shí)間的推移，市場(chǎng)上將會(huì)有更多的新設(shè)備和技術(shù)，這將為加氫站的建設(shè)提供更多更好的選擇。

重慶融能機(jī)電設(shè)備股份有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、成套、銷售、安裝、維護(hù)等為一體的綜合性高新技術(shù)企業(yè)，“專精特新企業(yè)”，重慶首批國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)貫標(biāo)企業(yè)。主要提供CNG加氣站成套設(shè)備、 LNG加氣站成套設(shè)備、 高壓空壓站成套設(shè)備、 加氫站成套設(shè)備、 石油化工壓縮機(jī)成套設(shè)備、 PET吹瓶空壓站成套設(shè)備、 熱交換系統(tǒng)成套設(shè)備、 等服務(wù)。

文章網(wǎng)址：http://westall.com.cn/news/industry/861.html