外供氢加氢站工艺流程及设备

摘要：介绍了加氢站的分类、外供氢加氢站的工艺流程和主要设备、加氢站的建站成本和运营成本、加氢站的安全问题等。

加氢站是氢能产业的核心基础设施之一，对于氢燃料电池汽车和氢能技术推广等来说，加氢站的建设不可或缺。2010年以来，许多发达国家越来越重视加氢站的发展，甚至将其当作氢能产业发展的突破口，纷纷出台规划来布局加氢站建设。

其中提到了加氢基础设施建设，并提及该项工作由财政部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会、商务部、交通运输部、住房和城乡建设部、国家能源局按职责分工负责。同时，各地大力推进加氢站建设工作。

1 国内外加氢站发展状况
根据H2stations.org的报告，2019年全球新增83个加氢站，总数达到432个。根据历年公布的数字，2015-2019年，全球加氢站保有量增加135%。从新增的加氢站数量可以看出，亚洲和欧洲是氢能产业发展最快的地区。

从2006年第一座加氢站投用至2019年底，累计已建成的加氢站共有61座，其中3座已拆除，已经投入运营的有52座，在建/ 拟建加氢站数量为72座。2016年以后，我国加氢站建设开始提速，2016-2018年翻倍增长，2019年建成的加氢站数量是2018年的两倍，高速增长的态势有望延续。其中，广东以建成17座加氢站位居第一，这与近年来广东省各地政府大力支持氢能产业发展有关，尤其是佛山市。2018年，佛山市政府明确提出2018-2019年将投入氢燃料电池公交车1000台、建成加氢站28座的目标任务。

2 加氢站的分类
按照建设形式，加氢站可以分为三类，即固定站、撬装站以及临时站，
按照建设内容，加氢站可分为纯加氢站、油氢混合站、气氢混合站以及油电氢混合站。

按照氢气储存方式，加氢站可分为高压气氢站和液氢站。现阶段，我国以高压气氢站为主，美国和日本以液氢站居多。相比气氢站，液氢储运加氢站存储量更大，但建设难度较大。

按照氢气来源，加氢站可分为外供氢加氢站与内制氢加氢站。外供氢加氢站通过长管拖车或者氢气管道运输至站内。内制氢加氢站需要建设制氢系统从而在站内制氢，目前，站内制氢系统以天然气重整技术为主、电解水制氢为辅。

3 加氢站的工艺流程
当前，我国加氢站以外供氢加氢站为主，如图1所示，其工艺流程为：16 ～ 25MPa压缩氢气从站外制氢厂通过长管拖车运输到加氢站中，氢气通过加氢站的压缩机卸至高压储氢瓶组，并以不大于45MPa的压力储存；除此之外，高压储氢瓶组也可作为备用气源。车辆加氢时，加氢机从高压储氢瓶组取气，充装到氢燃料电池汽车的车载储氢瓶中。

为提高车辆的加注效率，储气装置的容量可采用多级分配。加氢站第一阶段布置9个固定储氢瓶，并与长管拖车结合，共同组成高、中、低三级储氢。加氢时，先启用长管拖车为燃料电池汽车加注，待长管拖车内压力与燃料电池汽车接近平衡时，启动第二级储氢瓶组对燃料电池汽车进行加注，若仍不能加满，燃料电池汽车增压至35MPa，再启动第三级储氢瓶组进行加注。当燃料电池汽车加注密度很高而站内储氢瓶组压力不足以达到燃料电池车充装压力时，可启动压缩机，同时为瓶组增压和为燃料电池汽车加注。

4 加氢站的主要设备
加氢站的主要设备以外供氢加氢站为例，其主要由卸氢系统、增压系统、储氢系统、加氢系统、氮气系统、放散系统和技防系统等组成。

4.1 卸氢系统
卸氢系统由氢气长管拖车和卸气柱组成。一般外供氢加氢站会有一主一辅两个长管拖车车位，其设计最大的工作压力大概为25MPa,储氢量为250-300kg,通过泊位内的卸气柱将拖车上的氢气卸载。一般长管拖车内氢气压力降低至某一个数值时（一般设定在5MPa），卸气会停止，此时拖车驶出加氢站，继续去制氢厂运气。这时，第二个长管拖车车位的卸气柱将启动，并与拖车接入，从而实现继续卸气。这便是一个循环。当加氢站内急需使用氢气时，两个卸气柱一同启动，以加快氢气供给。

4.2 增压系统
氢气压缩机和冷却机组两大部分组成增压系统。其中，压缩机有两大类别：隔膜式压缩机与离子式压缩机。隔膜式压缩机通过隔膜的往复运动来压缩和运送气体，对比离子式压缩机，它的氢气纯度更高，因为其气腔内可不添加任何润滑剂；而离子式压缩机靠离子液体来冷却，可以实现等温压缩。但是，现在离子式压缩机产品技术较新，成本较高，功率消耗较大，相对于隔膜式压缩机，其应用并不广泛。目前，外供氢加氢站一般采用隔膜式压缩机。冷却机组也有两种方式：风冷以及水冷。风冷系统设计比较简单，缺点为气缸寿命短、耗电量大等。所以，一般会选择水冷机组。增压系统基本工艺如下：来自卸气柱的氢气进入增压系统，在压缩机内，氢气经过压缩，汇集后通过换热冷却后排出。压缩机之前的管道会设置急切断阀，它的作用是在紧急情况可自行停机，并同时设置必要的联锁控制系统。

4.3 储氢系统
储氢系统由储氢瓶组组成，国内已开发出工作压力45MPa的储氢瓶组，并成功应用于加氢站。根据加氢站的连续加注要求，站内的固定储氢量需要9支储氢瓶组，总固定储氢量可达250kg,分为低、中、高三级容量配置。

4.4 加氢系统
加氢系统由高压管路和加氢机组成。加氢机内配备温度和压力传感器、软管放拉裂保护、控制系统以及过压保护等。加氢机目前使用质量流量计，其通过氢气的加注质量来测定记录数据。质量流量计的优势是它可以无温度压力修正误差，损失的压力较少，计量的重复度不超过0.2%，相对误差不超过0.35%。
加氢机配备的加氢枪的工作压力为35MPa，可同时满足氢能源物流车和大巴车的加氢需求，物流车加注时间约为6min,大巴车单车加注时间约为20min。

4.5 氮气系统
氮气系统别名为置换吹扫系统。设备和氢气管道常采用氮气来吹扫置换。置换吹扫系统的基本工艺是：作为控制气体的高压氮气（储存在氮气瓶中）经过减压器使得其降低到0.8MPa的压力，便可供给气动阀、紧急切断阀的气动执行机构。同时，接至各吹扫口，在系统调试或维修过程中使用氮气便可对系统进行吹扫。

4.6 放散系统
放散方式分两种，即超压安全泄放（不可控放散）和手动放散（可控放散）。不可控放散是由设备运行等故障引起的，一般放散量很少且概率较低；可控放散为对设备和氢气管道进行泄压后，用氮气吹扫置换，使储罐内的氢气彻底排出，以确保安全。一般加氢站卸气柱和正式加氢设备的放散统一汇至集中放散总管。

4.7 技防系统
技防系统包括过程控制系统（SCS）（用于实现对整个装置的集中监视和控制）、紧急停车系统（用于事故状态下对加氢站的主要阀门进行切断）、视频监控（用于重要部位图像监控和站内入侵检测）、泄漏报警系统（用于氢气泄漏报警及联锁、火焰检测探头、可燃气体泄露报警探测器和含氧量检测探头）、数据管理系统（站内数据接入管理计算机进行统一管理）、防雷防静电系统、水喷淋降温、消防系统等。一个1000kg/d三级加氢站的主要设备清单如表2所示。

5 加氢站的成本
加氢站的成本分两部分：建站成本与运营成本。

5.1 建站成本
以外供氢加氢站为例，主要成本是工程土建施工费用、设备费用及其他系统费用等，如图2所示。建站费用大概为1600万元/座。

5.2 运营成本
我国氢气售价之所以高，是因为制氢和储运氢气的成本较高，其中氢气成本占70%，为加氢站运营成本之首，如图3所示。

6 加氢站的安全 
从2019年5月开始，挪威、美国、韩国接连发生氢气爆炸事件，分别是：2019年5月，韩国江原道氢燃料储存罐爆炸；2019年6月，美国加利福尼亚州圣塔克拉拉储氢罐泄露爆炸；2019年6月10日，挪威首都奥斯陆地铁站附近的KJRBO加氢站发生着火爆炸。一波未平，一波又起，2020年4月7日，美国北卡罗来纳州朗维尤(LongView)的OneH2氢燃料电池工厂发生了爆炸事故。综合这次事故来看，氢安全问题已经充斥在氢气的制、储、运和加氢站、用氢等各个环节，氢安全问题已经到了必须重视的程度。

氢气属于甲类易燃、易爆物质，氢气爆炸范围为4.1%-74.2%(体积比)。氢气和空气反应，形成爆炸性混合物，其遇明火或高热则会燃烧爆炸，与氧化剂结合，也会发生剧烈反应。运输氢气的管道也会存在一定危险，氢气在高压作用下会渗透到金属设备的碳素中，从而造成金属管道及设备的“氢脆”破坏。这样会使管道及设备的塑性和强度急剧下降，后期更易引起泄漏。除此之外，氢气因高压作用而从管口、缝隙处泄漏，会产生静电，静电荷的大小与流速成正比，当达到一定值时，就会引起着火爆炸。

氢气具有带电性质，这也会使输气管道处、储罐出口处较容易产生静电积聚放电现象，这将是氢气安全事故的导火线，而接地装置有故障时，甚至会有火灾爆炸出现。

人们在加氢站设计、建设、运营中应注意以下问题：加氢设备、输送管道等应采取可靠的防泄漏措施处理；加氢站内配置的电气元件应为防爆器件，同时采取可靠的防静电措施；加氢站内应设置排风排气装置，及时排除泄漏的氢气；加氢站中的加注模块应具备安全联锁功能和过压保护功能，还要防止高速氢流与储氢瓶之间摩擦导致的高电位氢流等。

7 结语
在实际建设加氢站中，应严格遵循《加氢站安全技术规范》(GB/T34584—2017),这是目前我国加氢站建设方面最新、最全、最权威的国家标准。