撬裝加氫裝置技術方案研究

李雪松，許 劍，周遠喆

(中石化石油機械股份有限公司研究院，湖北 武漢 430000)

加氫站之于燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統燃油汽車、充電站之于純電動汽車，是支撐燃料電池汽車產業發展必不可少的基石。燃料電池汽車的發展和商業化離不開加氫站基礎設施的建設。

加氫站可分為固定式加氫站、撬裝式加氫裝置和加氫車。固定式加氫站是為氫能汽車、氫氣內燃機汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等儲氫瓶充裝氫燃料的專門場所，目前我國已建成的加氫站絕大多數均屬于此種；撬裝式加氫裝置，是將制氫裝置、儲氫裝置、加注裝置、連接管線和安全設施等集成到一個撬或幾個撬，可整體移動；加氫車是為滿足不同用途需要而開發，集高壓氫氣的儲存、運輸、加載、自增壓、卸載和加注功能為一體，適合與固定式加氫站配合，以固定站為母站，以被加注對象的運行范圍為服務區域，與母站共同構成小型高壓氫氣加注網絡，在我國上海世博會、深圳大運會期間均有應用[1]。

加氫站按照制氫方式不同又可分為站外制氫加氫站和站內制氫加氫站。站外制氫加氫站是靠高壓氫氣長管拖車（目前主流方式）、液氫槽車、管道輸送供氫。站內制氫加氫站包括電解水制氫加氫站、天然氣重整制氫加氫站[2]。

1 加氫站國內外現狀和存在問題

1.1 加氫站發展現狀

據統計，2015 年全球加氫站數目為54 座，2018年底增加到369 座，年均增速高達194.4%，其中日本、美國、德國位居前列。目前，我國正在運營的加氫站共有18 座，其中固定站9 座，撬裝站9 座。

從全球加氫站建設情況來看，我國加氫站的運營數量仍然比較少，僅占全球的5%左右，但從我國制定的與氫燃料電池汽車相關的政策來看，隨著氫燃料電池汽車的加速發展，加氫站的建設速度將不斷加快。根據 《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》，我國加氫站數量到2020 年達到100 座，到2030 年達到1000 座[3]。

表1 中國部分建成運營加氫站

1.2 建設存在的問題

目前制約我國加氫站建設發展的主要原因之一是加氫站的建設成本過高，以每天加氫能力為1000kg（10h）的固定式35MPa 加氫站為例，初始投資金額約為2000 萬元（不包括土地成本及供氫長管拖車的成本）。首先建設加氫站所需的關鍵部件沒有量產的成熟產品，部分裝備部件仍依靠進口，其次土地成本高昂，在申請加氫站建設時，必須申請使用商業用地，如果建設在相對較為便宜的工業用地上，那么建設好的加氫站只能給自己的產品加氫或進行實驗，不能公開運營，這些因素是造成國內固定式加氫站建設費用居高不下的重要原因。近年來，撬裝加氫裝置正在逐漸興起，在各地逐漸增多。撬裝加氫裝置相較于固定式加氫站，優點在于投資小、占地面積少、建設周期短。

2 撬裝加氫裝置工藝流程研究

本研究涉及的撬裝加氫裝置是針對高壓氣態氫氣加注而開發的，主要包括卸氣系統、增壓系統、冷卻系統、儲氫系統、加氫系統、控制系統和儀表風系統，要求便于運輸和安裝[4]。

表2 撬裝加氫裝置技術參數

具體工藝流程：氫氣長管車通過管道連接至氫氣卸車柱，卸車柱計量之后經過壓縮機壓縮，儲存至儲氣瓶組，按高、中、低壓瓶組順序向各儲氣瓶組充氣，儲存的氫氣通過加氫機對車輛進行加注。加氫機加注，先從管束取氣，當管束內的氫氣壓力與汽車上的車載儲氣瓶壓力平衡時，停止從管束取氣；切換至儲氣瓶組，依次從低、中、高壓儲氣瓶組取氣。當儲氣瓶組與車載儲氣瓶內壓力平衡時，開啟壓縮機，壓縮機從管束內取氣，進行增壓后，直接給加氫機供氣，直到汽車加滿氫氣。瓶組壓力低于設置值時，自動啟動壓縮機補壓。

圖1 撬裝加氫裝置工藝流程圖

3 配套設備的方案研究

撬裝加氫裝置分為四大部分，包括增壓撬、加氫撬、儲氫撬、配套撬。增壓撬主要為氫氣壓縮機，加氫撬主要為氫氣加注設備，儲氫撬主要為現場儲存氫氣的設備，配套撬主要包括冷卻系統、控制系統等其他輔助設施。相關設備的選型分析如下。

3.1 增壓撬

增壓撬主要為氫氣壓縮機，壓縮機作為加氫站的核心裝備，由于加氫站對氫氣純度要求特別高（一般為99.99%），因此要求所用的壓縮機均為無油潤滑的方式。目前加氫站在用的壓縮機主要包括金屬隔膜壓縮機、電動液驅壓縮機和離子壓縮機，其中以前兩者為主。國內外大部分加氫站均采用美國PDC 公司的金屬隔膜壓縮機，也有少量加氫站采用國產化金屬隔膜壓縮機；國內張家口、撫順等地部分加氫站采用了電動液驅壓縮機，國外也有少量應用。離子壓縮機僅在個別站應用。

從優缺點、成本、應用情況和技術成熟度幾方面，對比三類壓縮機的特點如下。

表3 三種氫氣壓縮機技術對比

通過三類壓縮機對比，建議選擇金屬隔膜壓縮機或電動液驅壓縮機。

圖2 隔膜壓縮機（左）和液壓壓縮機（右）

3.2 加氫撬

加氫撬主要為氫氣加注設備，即加氫機，其主要部件，包括閥門、管路、質量流量計、電磁閥等的材料均為316L 或316SS 不銹鋼，但上述材料都經過特殊處理以應對氫脆現象，如控制鎳、鉻含量。依據《GB/T 31138-2014 汽車用壓縮氫氣加氣機》的要求，加氫機的加氫速度應不大于3.6kg/min，其目的在于防止加注過程中溫升過快導致車載供氫系統的損壞，特別是車載儲氫罐。

根據氫燃料電池汽車情況，建議采取雙閥雙槍的模式，一般配備TK16 和TK25 兩種加氫槍，可同時對兩輛汽車實現加注[5]。

表4 加氫機技術參數

3.3 儲氫撬

儲氫撬主要為現場儲存氫氣的設備，有固定式高壓儲氫容器和無縫管式儲氫瓶兩種形式。國內目前的固定式高壓儲氫容器主要以鋼帶錯繞式高壓儲氫容器為主，容器的壽命較長、容積較大，一般水容積在1～20m3，工作壓力為47MPa 和98MPa。該容器參考國家標準 《GB/T 26466-2011 固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》[6]。

無縫管式儲氫瓶用于充裝高壓氫氣，由單個或者多個鋼質無縫管式儲氣瓶、管道、閥門與管件等組成，主要用于將氫氣由產地運往加氫站或直接放置在加氫站作為站內儲氫容器使用。目前長管氣瓶水容積一般在500～2000L 之間，主要有20MPa 和45MPa 兩種壓力等級，45MPa 長管氣瓶只能用于加氫站儲氫，不能用于運輸，是目前國內加氫站使用最多的儲氫形式。因此，對于撬裝加氫裝置來說，建議采用管式儲氫瓶的儲氫形式。

圖3 固定儲氫容器（左）和儲氫瓶（右）

3.4 配套撬

配套撬主要包括冷卻系統、控制系統、輔助系統等，其中冷卻系統主要為風冷冷凍機及換熱器，設置在加氫機進口端，使氫氣預冷至-20 ℃，保證快速、高效加氫，相關設備國內制造企業較多。

控制系統主要由設備自控系統、安全監控系統、加氫機控制系統組成，各系統共同完成對整個加氫站的集中監視、管理和自動控制，確保系統安全、可靠、穩定的運行[7]。

輔助系統主要包括房體、卸氣柱、氮氣瓶組、管線閥門、防雷設施、維保工具等。撬裝加氫裝置的房體設計保證整橇內部通風，整橇噪音≤85dB，便于整橇吊裝和運移。卸氣柱為卸車專用設備，工作壓力一般為25MPa。管路和閥門的選擇方面要考慮耐高壓、抗氫脆的要求。除此以外，為提高加氫裝置的安全性，還需要設置氫氣集中放散系統。

圖4 控制系統

4 結論

（1）撬裝加氫裝置具有占地面積小、投資成本低、施工工期短、設備安裝擴容方便的特點，能在較短時間內滿足客戶的加氫需求，可以作為固定加氫站的重要補充。

（2）總體上，我國已具備設計建設35MPa 加氫站的能力，關鍵設備如加氫機、壓縮機、儲氫瓶組均有相應設計制造單位，部分已具備國際水平，但壓縮機的設計制造水平距國際水平略有差距。在目前國際流行的70MPa 加氫站及關鍵設備方面，需要加大研發投入力度，爭取早日實現裝備設計制造的國產化。