世博加氫站規(guī)劃啟示

文／李冬梅

世博加氫站除滿足示范運行各類燃料電池車加氫需求外，對我國后續(xù)加氫站建設(shè)提供了有益借鑒。

燃料電池汽車技術(shù)因其高效率和零排放等優(yōu)點，成為21世紀(jì)最理想、最可能替代傳統(tǒng)汽車動力系統(tǒng)的技術(shù)。發(fā)展燃料電池汽車技術(shù)將可同時徹底解決車輛發(fā)展所帶來的能源和環(huán)境問題，真正實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，得到了世界各國政府和企業(yè)的高度重視，特別是美國、日本和德國及其企業(yè)加大了燃料電池汽車的研發(fā)與示范力度，并且取得了重大進展。

加氫站備受關(guān)注

隨著燃料電池汽車的快速發(fā)展，對大規(guī)模氫基礎(chǔ)配套設(shè)施的需求越來越迫切。總體來說，加氫站仍處初期發(fā)展階段，全球大多數(shù)已建成的加氫站作為驗證或示范項目，以期從中積累相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，為未來加氫站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)這些加氫站的測試結(jié)果和運行經(jīng)驗，一些國家和機構(gòu)已發(fā)布或正在起草燃料電池汽車加氫站的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進一步促進了燃料電池汽車技術(shù)和市場的發(fā)展。

我國燃料電池汽車與加氫站也在快速發(fā)展。多家汽車生產(chǎn)商和知名高校開展了大量的研究工作，國內(nèi)燃料電池汽車技術(shù)已經(jīng)逐步提升至國際先進水平。2003—2006年，聯(lián)合國開發(fā)計劃署和全球環(huán)境基金（UNDP－GEF）項目一期順利完成，3輛燃料電池公交車和1座加氫站在北京投入示范運行。

2010年上海世博會之前，國內(nèi)已有兩座示范性質(zhì)的加氫站用于燃料電池汽車小規(guī)模的實驗和示范運行。除上文提到的北京加氫站外，同濟大學(xué)和上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司承建的上海安亭加氫站在2007年正式投入使用。該加氫站的投入使用，為今后加氫站的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

設(shè)計目標(biāo)和技術(shù)路線

按計劃，2010年上海世博會期間有90輛燃料電池VIP轎車、100輛燃料電池觀光車和6輛燃料電池巴士，用于世博園區(qū)內(nèi)外的公共交通運輸以及VIP貴賓接送，車輛總數(shù)達到了規(guī)模空前的196輛。

如此大規(guī)模的燃料電池汽車運行必須配備相應(yīng)的加氫基礎(chǔ)設(shè)施，因此需要在世博園區(qū)附近新建1座固定加氫站（以下簡稱世博加氫站）和2輛移動加氫車作為配套設(shè)施，并利用已建成的安亭加氫站組成一個加氫網(wǎng)絡(luò)，為燃料電池汽車提供氫氣加注服務(wù)，保證世博會期間燃料電池汽車能夠順利運行。

課題組決定新建的世博加氫站采用外供氫技術(shù)路線，即用氫氣管束車將焦化廠提純并壓縮后的副產(chǎn)氫氣運送至世博加氫站。另外，以新建的兩個移動加氫站為子站，以世博加氫站和安亭加氫站為母站，構(gòu)成國內(nèi)首個加氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，保障世博會燃料電池汽車的示范運行。

地理布置及平面布置

加氫站站址位于上海市濟陽路西側(cè)、楊思路北側(cè)，南面為上海水上競技中心公交樞紐，屬于規(guī)劃發(fā)展備用地，距世博會圍欄區(qū)約2.4km。濟陽路為城市主干路，規(guī)劃紅線寬度為70m，兩側(cè)綠化帶各為10m。

世博加氫站站址占地面積為3000m2，為50m×60m的矩形地塊。站內(nèi)主要由以下幾部分組成：拖車卸車區(qū)，包括長管拖車和卸氣柱；儲氣壓縮區(qū)，包括固定式高壓儲氣裝置（主要是站內(nèi)儲氫瓶組）和氫氣壓縮機；加氫區(qū)，包括加氫機及加氫區(qū)天棚；控制室和辦公區(qū)，包括營業(yè)間、辦公休息間、變配電間、儀表控制間、展示廳等。

氫氣管束拖車和站內(nèi)固定儲氫瓶組位于加氫站西南側(cè)，遠(yuǎn)離加氫站對面的公共建筑物（根據(jù)上海市地方標(biāo)準(zhǔn)須距重要公共建筑50m以上），并且有防爆墻將其與站房和后面的新能源汽車基地隔離開；儲氫瓶組東面是壓縮機組；在站房西北角的防爆區(qū)外放置有空氣壓縮機，用以產(chǎn)生壓縮空氣供給加氫機作為防爆正壓保護和吹掃的氣源。

所有貯氫設(shè)備及壓縮機集中在防爆區(qū)內(nèi)，壓縮機北側(cè)與站房之間也有防爆隔離墻。四座加氫島設(shè)置在加氫站東側(cè)，靠近站外的主干道，加氫站的大門按照車輛通行方向設(shè)計為北進南出，方便車輛進出站。

加氫站內(nèi)工作人員日常值守的站房為單層建筑，主要分為三部分，站房東側(cè)是加氫站工作人員辦公用房，中間設(shè)有控制室和儀表間，西側(cè)則是為加氫站和加氫站后面的新能源汽車基地提供電力供應(yīng)的配電間。

考慮到世博加氫站的示范展示功能，加氫站在建筑設(shè)計上從實用性和美觀性出發(fā)，建筑總體以銀灰色為主色調(diào)，加氫站雨棚采用鋼構(gòu)波浪造型，鋪設(shè)藍(lán)色陽光板，代表氫氣從水中來的環(huán)保理念，極具現(xiàn)代科技感。

圖1 世博加氫站工藝流程示意圖

具體設(shè)計思路

在設(shè)計方面，主要分為四方面，分別是固定加氫站的設(shè)計與集成、移動加氫站的設(shè)計與集成、SCADA系統(tǒng)設(shè)計與集成和加氫站的風(fēng)險及應(yīng)對措施。

固定式加氫站的設(shè)計與集成

根據(jù)需求，課題設(shè)計的世博加氫站的基本工藝流程如圖1所示。該設(shè)計的加氫站基本工作過程如下。

管束拖車將16MPa～20MPa的壓縮氫氣從上海焦化廠運送進加氫站，一方面作為第一級儲備氣源，另一方面通過加氫站內(nèi)壓縮機將氫氣增壓至站內(nèi)高壓儲氫瓶組，并以不大于45MPa的壓力儲存。

車輛加氫時，儲氫瓶組中輸出的氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中，或移動車加氫車車載儲氫瓶內(nèi)。為提高儲氫瓶組中氫氣的利用率和車輛的加注安全性，儲氫瓶組采用多級分配。

在天然氣加氫站中常規(guī)采用高中低三級制分配。本設(shè)計將管束拖車作為站內(nèi)儲氣的一級，則儲氣裝置可分為“高中低級拖車”四級制。主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下。

儲氫壓力：43.8 MPa（最高45 MPa）；固定儲氫量：300 kg；最大儲氫量：900kg；加注壓力：35 MPa 最高43.8 MPa)；單次連續(xù)加注能力≥120 kg；加氫速率：公交車≤30min, 轎車≤5min。

移動式加氫站的設(shè)計與集成

加氫站子站既可獨立作為一個小型加氫站，又可與固定站協(xié)同構(gòu)建加氫站網(wǎng)絡(luò)，為燃料電池汽車，特別是燃料電池轎車和微型車提供高壓氫氣加注服務(wù)。通過加氫站子站與固定站的配合，借助加氫站子站的可移動性，固定站間接地擴大了氫氣加注服務(wù)半徑，提高了固定站的利用效率。

這樣的特點，非常適合于世博會燃料電池汽車集中大規(guī)模示范運行的場合。因此，課題組充分應(yīng)用前期研究成果，在此次世博會項目上進一步集成制造了兩座新的加氫站子站，用于組建世博會加氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

加氫站子站主要技術(shù)指標(biāo)包括：儲存壓力45MPa；加注壓力 35MPa；儲存容量 100kg；加注速度1.0 kg/min（觀光車加注時間不超過3min）；連續(xù)加注能力不小于40kg。

SCADA系統(tǒng)設(shè)計與集成

SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。其可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

上海世博加氫網(wǎng)絡(luò)SCADA系統(tǒng)主要由世博加氫站站控系統(tǒng)、安亭加氫站站控系統(tǒng)、2套移動加氫站終端站控系統(tǒng)和加氫站安防系統(tǒng)構(gòu)成，利用GPRS無線通信及GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)以SCADA系統(tǒng)綜合調(diào)度功能與GPS導(dǎo)航和GPS定位相結(jié)合，為世博會的交通運輸車輛提供清潔、綠色的能源，保證世博會成功順利舉行。

安全風(fēng)險分析及對應(yīng)措施

通過考察世博加氫站內(nèi)十三種典型的失效情形，量化評價了站內(nèi)氫氣泄漏后事故后果（閃火、射流火焰、蒸汽云爆炸及高壓物理爆炸）帶來的風(fēng)險，研究結(jié)果如下。

壓縮機連接部件泄漏和加氫機軟管泄漏是主要的風(fēng)險貢獻源，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先針對壓縮機和加氫機采取合適的安全措施。

為保證加氫站員工和加氫顧客的安全，必須采取相應(yīng)的安全措施，以阻止壓縮機和加氫機連續(xù)泄漏事件的發(fā)生。

在采取合適的安全措施，主要是拉斷閥、氫氣探頭以及緊急制動系統(tǒng)之后，世博加氫站站內(nèi)員工、加氫顧客以及站外人群面臨風(fēng)險水平均可降到風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)以下。

運營成果

以2010年4月15日世博加氫站為第一輛燃料電池汽車加注氫氣為標(biāo)志，世博加氫站開始投入內(nèi)部試運行。截至世博會結(jié)束，世博加氫站共運行200天。在此期間，世博加氫站主要為參與世博會期間運行的90輛燃料電池汽車、6輛燃料電池巴士、2輛移動加氫車和100輛燃料電池觀光車進行氫氣供應(yīng)保障。

由于項目組對運行期可能出現(xiàn)的情況進行了充分的預(yù)判，研究制定了詳盡的運營方案和應(yīng)急預(yù)案，使得整個運行期井然有序，運轉(zhuǎn)正常，圓滿完成了各種燃料電池汽車的加氫任務(wù)，實現(xiàn)了世博加氫站安全運行、保障供應(yīng)的兩大目標(biāo)。各類燃料電池汽車加氫匯總?cè)缦隆?/p>

世博加氫站除滿足示范運行的各類燃料電池汽車的加氫需求外，對我國后續(xù)加氫站的建設(shè)提供了有益的借鑒作用。

通過世博加氫站（含移動子站）的成功建設(shè)和示范運行，驗證了課題組此前編制的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池汽車加氫站技術(shù)規(guī)程》和國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《加氫車技術(shù)條件》兩項標(biāo)準(zhǔn)的適用性，并對有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的進一步完善和編制起到了很好的引導(dǎo)作用。