氫氣充裝與加氫站系統工藝研究

劉 平，沈銀杰

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

1 簡介

氫能源是一種新興、潔凈的能源，為新能源汽車、氫能源公共汽車加注氫，使得氫或液氫真正作為普及性的能源被使用。使用氫能源，要點在于升壓技術、儲存技術和加注技術及其系統。在氫能源汽車的使用中，攜帶足夠的氫氣是關鍵條件，因此，必須盡可能地壓縮氫氣，壓力越高，氫儲罐儲存的氫氣就越多，其能量密度就越大，汽車一次充氫的實際使用里程就越多。因此，車載氫氣儲罐壓力一般都在35 MPa，有時甚至高達70 MPa。現階段，我國普遍使用的是20 MPa的壓力。對于加氫站來說，其儲罐儲存氫氣的壓力要高于汽車氫氣儲罐的壓力，這樣才能保證為汽車充氣。保證給汽車充氣的壓力只是一個必要條件，第二個條件是必須有足夠的氫能儲存用于加氫[1]。

在氫能的綜合利用中，氫氣充裝和加氫站的建設成為必須[2]。氫氣充裝站的功能是：接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用。加氫站的功能是：為燃料電池汽車或液氫槽車提供液氫加注。如何高效、安全、便捷地實現其功能，是我們在工藝設計時需要重點考慮的問題。本文詳細闡述了氫氣充裝站和加氫站的工藝設計，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

2 氫氣充裝站工藝設計

從工藝布置上考慮，充裝站基礎建設空間主要由壓縮機廠房、分析間、控制間、排空塔、充裝工位和罐車回轉場地等組成。因為廠區面積有限，所以，在工藝設計中，要認真考慮設計條件帶來的限制。氫氣充裝站主要用于接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用，所以，需要根據其功能設計相應的工藝流程。

充裝站的工藝流程是，變壓吸附后輸送的高純原料氫經壓縮機壓縮加壓后進入工藝管路，經匯流排分配后進入各個充裝工位，最后經加注管路裝入管束拖車。整個管路設置置換系統和安全排放系統。

置換系統在工藝系統中具有重要的作用，因為要保證商業用氫的純度。整個系統在開機階段、檢修或者故障修復后，必須用氮氣進行置換才能執行必要的工序或者維護工作，否則無法保證整個系統的安全性或者可維修性。因此，置換系統作為工藝路線中關鍵的一環，必須存在。

安全排放系統的作用是排除系統內多余的氫，在必要的時候保證氫100%被排放出。作為特殊的介質，氫的安全使用是放在第一位的。在工藝設計中，安全排放系統的設置、設計、計算以及安全閥的使用，都是工藝設計需要嚴格計算的指標，要根據國家相關規程和標準來進行。

氫氣充裝系統主要包括閥門、高壓管路、加氣槍、限流、顯示器、計量、溫度補償、控制及緊急管路等。高壓管路上加有壓力報警器和安全裝置，加氣槍上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、過載保護、軟管斷裂保護和加氣優先控制系統等。過濾器主要是為了保證氫氣的純度，只有高純度的氫才能達到整個系統的使用要求。加氣槍上的整套傳感系統和安全保證系統是在大規模應用時保證整個系統的安全性。整個氫氣充裝工藝經過嚴格的論證，具有很強的現實意義。氫氣的充裝為加氫站的大面積建設提供了有力的保證，從工藝系統的角度講，其屬于加氫站的上游工藝。

3 加氫站工藝設計

加注機是核心技術裝備，加注機在使用壓力75 MPa、流量50 Nm3/min、系統管道流速不大于15 m/s的工況條件下，才能使得制氫加氫站系統達到使用要求，同時，還要考慮如何計量收費才能方便商業使用。加注氫系統是由一對氫氣入口、雙電磁或氣動控制閥單元、質子流量計、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥和加注快卡接口組成。這樣就形成了一整套的商業加注氫系統，它類似于加油站或者天然氣加氣站，為日后的真正商業推廣提供有效助力。這也是工藝設計階段就必須要考慮的問題。

在加氫過程中，當高中低壓儲氣瓶組系統中任意一個儲氫瓶壓力低于35 MPa時，壓縮機啟動，對儲氣瓶組內的氫氣進行增壓，增壓鋼瓶順序為高壓儲氣瓶組→中壓儲氣瓶組→低壓儲氣瓶組。此外，為了便于緊急情況下對加氫站停車，在壓縮系統前設置有緊急切斷閥，一旦出現緊急情況，可通過緊急切斷閥關閉系統。氫加注工藝設計流程如圖1所示。

圖1 氫加注工藝設計流程圖

加氫站的功能是為燃料電池汽車或液氫槽車提供氫加注。本站工藝流程主要由增壓系統、儲氫系統、加氫系統、氮氣系統、氫集中排放系統和氫安全監控系統組成。

3.1 儲氫系統

采用分級充氣加注方案，分別配置45 MPa和22 Mpa的儲氫氣瓶，可實現快速加氫，并且提高站內氫氣利用率。儲氫容器為固定式裝置，總儲氫量為180 kg。

3.2 加氫系統

加氫系統的功能主要是實現氫的加注，這是該工藝的核心。在加氫系統工藝方面，主要考慮如何又快又安全地完成氫的加注，同時，實現自動計量計價。根據其功能，工藝設備主要包括一對氫氣入口、雙電磁閥單元、流量計、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥等，還要有快速使用的加注口。加氫口壓力為35 MPa，采用雙槍加氫機形式，對應不同種類的車型。加氫機采用取氣源優先控制技術，利用多級儲氣設施，采用編程優先控制器設定氣源優先級，所加注的氫氣來自壓縮機和2個壓力等級的固定式儲氣瓶組，優先次序考慮儲氣設施的數量和能力、壓縮機的能力等因素。加氫系統是工藝的核心，除了完成功能外，還要考慮緊急停機的功能，在特殊情況下能夠自動切斷加氫這一工藝過程，而且不對系統造成大的影響或者損失。

3.3 氮氣配氣系統

所有的加氫站都會配置有氮氣，氣控系統氣源、加氫站各種工藝管路、工藝設備的吹掃清潔都需要氮氣。氮氣的供應也是系統的一個重要組成部分，因此，設計了氮氣供應系統的工藝，即高壓氮氣瓶組提供充足的氮氣，氮氣經過減壓裝置（減壓裝置出來后氮氣的壓力大概在0.7 Mpa）分兩路供氣，其中一路作為其控制氣體，供給系統內緊急切斷閥的各個執行機構，以保證緊急狀態下系統的可靠性和安全性；另外一路氣體負責啟動閥門的啟閉，這是通過起源控制壓縮機內的各個氣動閥門的執行機構來實現的。在工藝上，還應該考慮在氮氣輸送管路上預留用于系統吹掃的接口，當系統需要吹掃時，只需要很簡便的操作就可以完成氮氣對系統的吹掃潔凈功能。另外，該路氣也可用在系統調試和維修過程中，這時候進行吹掃和空氣置換是很有必要的，而且對于整個工藝系統來說是必不可少的。

3.4 氫集中排放系統

氫氣易燃易爆，屬于高危性氣體氣源，從站內安全性考慮，對于加氫機、儲氫氣瓶、壓縮機等各裝置所排出的氫氣，工藝系統內設置有匯流排，匯流排會收集匯總各位置的氫，然后高空排放。高空排放時，要符合國家危險氣體或者廢物排放安全規程。

3.5 氫安全監控系統

考慮到氫氣的易擴散性、易燃燒性、易爆炸性的特點，需要在站內特別增加一套氫安全監控系統，以確保站點的運營安全。氫安全監控系統對加氫工藝過程進行控制和狀態監測，實現系統穩定可靠運行和氫氣的安全排放，以滿足工藝系統相應的閥門控制、溫度、壓力等狀態實時監控及現場工藝流程安全監控和處理要求。

3.6 測控系統

加氫站測控系統主要包括工程師站、操作站、以太網通信系統、現場控制站系統、測量傳感器、供電電源和測控電纜等。現階段，加氫站測控系統采用云平臺遠程控制技術，基于最新的測控和檢測手段實時監控數據。依據加氫工藝原理圖，測控系統的控制對象是管路上的電磁閥、氣動閥，測量的參數有溫度、壓力、液位、氫濃度、火焰報警信號。這些信號都可以實時傳遞到相關的云平臺、場站，使用單位可以接入監控系統，授權相關責任人員，根據責任等級分配不同權限，對系統進行實時有效的監測。在必要的時候，具有特殊權限的工程技術人員能夠強制操作，以防危險的發生。

4 結束語

人類對安全、高效、便捷的能源需求是無止境的，氫能的出現很好地解決了這一難題。但是，氫在自然界中是比較稀有的，要想使用氫能源，從如何獲取氫或氫氣，再到氫的液化以及增壓存儲，到氫的充裝和加注，以及最終氫燃料電池或者氫能源汽車的普及和使用，形成整個產業鏈條是至關重要的。氫能普及，工藝先行，因此，我們從工藝的角度進行了一些研究。

本文結合實踐經驗和現有技術，提出了加氫站和氫氣充裝站系統設計工藝，具有重要的現實意義，為氫能整個產業鏈條的完善提供了有益的思考和借鑒。在氫能的利用中，高效、安全、便捷使用是人類最終的需求和目的，只有不斷研究和試驗，才能最終實現氫能的普及。

［1］顧年華，尤麗霞，吳育華.2l世紀我國新能源開發展望［J］.中國能源，2002（1）：37-38.

［2］王恒秀，李莉.一種新型制氫技術［J］.化工進展，2001（7）：12-15.