氫能利用一體化系統設計

劉平　蘇楓

【摘 要】液氫生產、輸送、儲存和安全使用方面一直是氫能源廣泛利用中的難題。根據液氫的特點以及現有的技術條件，結合液氫生產和使用的經驗，提出了從生產到最終使用的氫能利用一體化系統的設計方案。

【關鍵詞】液氫；一體化；安全

中圖分類號： TK91 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0029-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.012

0 引言

液氫生產、輸送、儲存和使用方面一直是氫能源利用推廣中的難題。項目組依據GJB2645《液氫貯存運輸要求》、QJ2298《用氫安全技術規范》形成了獨特的具有完整知識產權的技術儲備，可以作為氫能利用一體化系統設計的技術基礎。

1 氫能利用一體化系統設計

氫能利用是一個專業的系統化工程。現以我司現有項目為例，詳細說明該系統如何設計。該一體化系統由液氫工廠、氫氣充裝站及加氫站三個主要部分組成：

1.1 液氫工廠

液氫工廠主要包含氫安全系統、總監控系統及氫液化系統。

a）氫安全系統

氫安全系統主要包括氫氣濃度報警、火焰報警以及視頻監控。安全系統合理排布在三個項目的現場，主機置于總控制間。安全系統的電源和信號傳輸完全獨立于控制系統，只有關鍵的聯鎖停車與控制系統相連，確保整個氫能綜合利用項目的安全。

b）總監控系統

為了便于在運行過程中對三個工藝系統的監控和調度，建立一套總監控系統，本套系統可以使調度和上級部門在總控室實時看到整個工藝系統的各個參數，進而進行更加合理的調度。本套總監控系統主要包括工控機、大屏幕顯示器以及配套的軟件、控制柜和線纜等等。

c）氫液化系統

氫液化系統是液氫制備站的核心部分，該系統可以將氣源氫氣經過壓縮、預冷、純化、正仲氫轉化、膨脹等過程之后實現液化，完成將原料氫氣制備成產品液氫的任務。本套系統主要包括液化系統、控制系統、循環水系統、儀表氣系統、分析系統等。系統常用參數如下：

產品液氫壓力：常壓產品；液氫溫度：-253℃；液氫產量：6.5t/d

1.2 氫氣充裝站

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、管束罐車及加氫站使用。氫氣充裝分兩部分，分別為基礎建設設計及生產設計部分：

a）基礎平面布置

充裝站基礎建設的空間分布主要分為壓縮機廠房、分析間、控制間、排空塔、充裝工位及罐車回轉場地等組成，廠區空間為92m×75m，如圖1所示。

壓縮廠房為建筑基準點，廠房內主要布置18套壓縮機，其中8套22MPa壓縮機，3套45MPa壓縮機，預留二期工程7套備份壓縮機安裝空間，備份壓縮機中含5套22MPa壓縮機，2套45MPa壓縮機，每套壓縮機安裝工位大小為4.1m×3.1m，每列工位間余留1.8m檢修通道，每行工位間余留2m檢修通道，最外側設備與廠方內墻間余留4m行走空間。

在廠房下部大于15m距離外設置控制間，控制間建筑平面約60m2，控制間屋頂與地面間距不小于3m，墻壁采用厚度不小于500mm的防爆墻。

在廠房上部大于4.5m距離外設置分析間，分析間建筑面積約40m2，分析間屋頂與地面間距不小于3m，墻壁采用厚度不小于500mm的防爆墻。

在廠房右部，間距不小于10m處設置充裝位，共有十個充裝位，每兩個充裝位設置為一組，每組充裝位間設置防爆隔離墻，墻后不小于500mm，墻高不低于2.5m，充裝位無頂棚，充裝位后部設置寬2.0m，高出地坪1.2m的充裝臺，每個充裝位有效空間為12m×3.5m，每組充裝位有效空間為12m×7.5m。

在充裝位毗連部設置18m×45m的罐車換轉區域。

在充裝位及壓縮廠房中間位置，距廠房間距不小于7.5m位置處設置排空塔，排空口高度大于所有建筑最高點2.0m。

b）設備及附屬系統設計

充裝站主要設備有壓縮機、過濾器、分析系統、會流排、充裝管路、置換系統、控制系統、安全監測系統、放空系統、緊急排風系統及附屬管路閥門等。

壓縮機主要位于壓縮廠房，主要功能是將變壓吸附后的高純氫加壓后輸入后續工藝管路。

過濾器位于壓縮機后部，輸送工藝管路前端，主要設備安裝于壓縮機廠房內，起到對壓縮后的高壓氫起到再過濾作用。

分析系統位于工藝管路部分，對過濾后的高壓氫采樣分析，分析系統主要位于分析間內，采樣口位于工藝管路上。

壓縮后的高壓氫通過工藝管路輸送至液氫工廠及加氫站，還有部分進入充裝站，在進入充裝管路前，高壓氫需要進入匯流排，進行流量分配，匯流排位于充裝臺上，總長度約40m，分布有10個充裝口。

充裝管路位于匯流排后部，安裝于充裝臺上，每套充裝管路設置有獨立的安全排放口及充裝匯流口。

置換系統主要作用使將管道系統中的雜質氣置換排放，位于匯流排前，主要設備安裝于充裝臺上。

控制系統對整個系統起到控制作用主要設備位于控制間。安全監測系統主要對個廠房、充裝位的氫泄漏及濃度進行實時監測，并及時發出預警采取措施。放空系統位于壓縮廠房、分析間、控制間及充裝臺，對多余氫及管道氫通過放空管路高空排放。排風系統主要位于壓縮廠房、分析間、控制間等密閉空間，對空間內的氣體進行排放置換。管路及閥門位于各個功能設備直間，對系統的氫起到輸送控制等作用。其具體參數如下：充裝壓力：20MPa；充裝純度：99.999%；充裝流量：4000Nm3/h

充裝工位：10個；適應車輛：標準管束拖車

1.3 加氫站

加氫站的設計主要設備包含：儲氫氣瓶、高壓管道及接頭、閥門及其組件、加氫機、氮氣配氣臺、氫集中排放裝置、氫濃度傳感器、視頻監控系統、CPU控制系統、電源管理系統、電纜及其附件、固定支架、安裝撬、冷卻系統。

加氫站設計加注壓力：35Mpa；最高儲存壓力：45MPa；加氫量：1000kg/12h；加注流量：≤5kg/min；存儲容量：800kg；連續加注：20輛燃料電池汽車和8輛燃料電池大巴。

加氫站設計加注流量：≤5kg/min；存儲容量：800kg；連續加注：20輛燃料電池汽車和8輛燃料電池大巴。

2 小結

氫能的大規模利用是一個具有很大潛力的行業，符合國家清潔能源計劃和發展政策，如何安全、便捷、高效的使用氫能是一個亟待解決的重大課題，在這方面，結合我們多年的經驗與技術，提出了一套行之有據的解決方案。