氫能源有軌電車儲氫系統安全設計與維護管理

張 鋒

（佛山市軌道交通發展有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著能源革命的深入發展，軌道交通車輛的驅動方式逐步從蒸汽機、內燃機過渡到電動機，供能方式也從煤炭、石油向電力發展。在電氣時代，軌道交通的供電方式在電網接觸送電的基礎上發展出了電容儲能和燃料電池發電等新型供電方式。燃料電池發電相對接觸送電和電容儲能的供電方式有著電力設備投資少和不受牽引供電制約的技術特點，較為適用于行車密度不高的中小運量城市軌道交通，發展氫能源有軌電車是對有軌電車系統的有益補充［1］。氫能源有軌電車的適用性關鍵表現在運營期，因而在運營階段發現和掌握各設備系統維護的規律是當務之急。

本文根據佛山市高明區氫能源有軌電車的運營現狀，圍繞涉氫區域管理、車輛的氫動力系統相關的安全設計和設備維保等核心業務，在實踐的基礎上闡述氫動力系統儲氫模塊的檢修要求，總結經驗。

1 工程概況

佛山市高明區現代有軌電車示范線項目首期工程線路起于滄江路路口北側，止于廣明高速前，沿高明荷富大道敷設，全線均為地面線。線路長約6.57 km，設車站10座，平均站間距約705 m，設智湖停車場1座、加氫站1座和調度指揮中心1處，位于荷富大道東側智湖公園旁［2］。本項目車輛系統采用的是氫燃料電池驅動的鋼輪鋼軌100%低地板現代有軌電車系統，與傳統的有軌電車相比采用了氫燃料電池作為動力源。該車裝有6個140 L的儲氫瓶，加注一次氫氣可持續行駛約100 km，運行過程中無污染，全程“零排放”。

停車場內設運用庫、鏇輪庫，均屬于甲類廠房，采用單層門式輕鋼結構。

2 涉氫區域管理

根據《建筑設計防火規范》GB 50016-2014（2018年版）3.1.1條的規定，對于使用或產生爆炸下限小于10%的氣體的廠房，應定義其火災危險性類別為甲類［3-4］。氫能源有軌電車的檢修庫和停車列檢棚，由于車輛檢修過程中不可避免需要使用氫氣，因此被定義為甲類庫房管理。在檢修過程中與傳統有軌電車檢修管理有著明確的特殊性，因此建議停車檢修庫房設計為開放式庫棚減少氫氣聚集。

涉氫區域根據爆炸性氣體環境出現頻次和持續時間，將運用庫劃分為防爆1區和防爆2區，其中檢修平臺及以上為防爆1區，檢修平臺以下為防爆2區，有針對性地制定進入相關區域的安全防范措施，并將運用庫劃為防爆區域并封閉管理，通過建立白名單制度卡控人員進出。涉氫區域內任何作業（各類維修保養、檢修）前，務必使用手持式氫氣探測儀進行檢測，確認無氫氣泄漏方可作業［5］。

2.1 防爆1區

（1）定義：正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境。

（2）區域設定：線路場/段的停車列檢線、月檢線、臨修線等設置頂棚的車庫，在帶氫電客車停放后，車頂平臺上方設定為防爆1區。

（3）管理措施：進入該區域需穿防靜電服及鞋/鞋套，嚴禁在防爆1區內穿脫防靜電服及鞋/鞋套；不得在該區域內開展任何動火作業及點火、鉆孔、材料間摩擦、金屬敲擊、切割、焊接、臨時用電等任何容易產生火花的作業；不得帶入任何開機狀態的手機、非防爆對講機等無線電設備；手電筒、萬用表、PTU等生產設備必須使用防爆款；必須使用防爆插座，防爆插座插入或拔出時不得帶負載；不得在本區域內存放任何其他類型易燃易爆、強氧化劑等危險品。

2.2 防爆2區

（1）定義：正常運行時不太可能出現爆炸性氣體混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環境。

（2）區域設定：停車場/段停車列檢線、月檢線、臨修線等設置頂棚的車庫，在帶氫電客車停放后，庫內除防爆1區外的其他區域為防爆2區。

（3）管理措施：不得在該區域內開展任何動火作業及鉆孔、材料間摩擦、金屬敲擊、切割、焊接等任何容易產生火花的作業；不得帶入任何開機狀態的手機、非防爆對講機等無線電設備；不得在本區域內存放任何其他類型易燃易爆、強氧化劑等危險品。如作業（如司機作業、檢修作業）需要使用調度電話與調度聯系，須進入車輛客室、司機室內或工班房內。

3 有軌電車氫動力系統簡介

高明氫能源有軌電車氫動力系統主要包括氫燃料電池、儲氫模塊、冷卻模塊、DC-DC裝置、動力電池等。為車輛提供持續安全穩定的動力來源。目前選用的氫燃料電池是加拿大Ballard公司提供的質子交換膜燃料電池模塊，其理論使用壽命大約為12 000 h。氫動力各個系統均與能量管理控制器進行實時信息交互，受整車能量控制器進行控制，根據不同工況，實現統一協調工作，為整車提供電能［6］。氫動力轉換如圖1所示。

圖1 氫動力轉換示意圖

4 有軌電車儲氫模塊安全設計

儲氫冷卻模塊儲氫系統滿足儲氫、供氫，儲氫系統滿足防爆要求。儲氫冷卻模塊的儲氫系統主要由左/右加氫口組成、6個儲氫氣瓶、1個氫閥箱、各類管接頭、電器元件、氣管管路組成及骨架構成。儲氫冷卻模塊爆炸示意圖如圖2所示［6］。

圖2 儲氫冷卻模塊爆炸示意圖

4.1 儲氫系統泄漏設計

儲氫系統氫氣泄漏主要存在以下情況。

（1）氫瓶兩端的組合瓶閥、尾堵總成溫度過高，PRD打開泄放氫氣。設計時需考慮降低氫瓶溫度，當溫度過高時能夠安全泄放。在氫瓶頂部增加罩板，罩板底部增加保溫棉，避免陽光直照氫瓶，同時選用的組合瓶閥自帶溫度傳感器，通過溫度傳感器可以隨時監測氫瓶溫度。

（2）各器件及管路接頭未按照工藝文件要求施工，導致接頭漏氣。施工時需加強質量監控，產品裝車前對每套儲氫系統都進行37MPa的保壓試驗，確保儲氫系統各接頭的密封性。

（3）氫瓶及管路壓力過大，導致器件損壞、接頭漏氣。設計時需在高壓管路，即組合瓶閥位置增加高壓壓力變送器，在閥箱低壓管路位置增加低壓壓力變送器，通過壓力變送器隨時監測氫系統壓力。

儲氫系統假如出現漏氣，可通過儲氫冷卻模塊中布置的各個氫濃度傳感器進行監測。傳感器位于罩板下部，傳感器處于氫瓶和各電器件連接點位置，可以有效檢測氫氣泄漏位置。

4.2 安全泄放量

氫系統最大泄放量為組合瓶閥和尾堵總成部位，按照GB/T 33215-2016設計要求換算如下［7］：

組合瓶閥額定排放量為：

尾堵總成額定排放量為：

標準要求額定排放量不低于氣瓶的安全泄放量的50%，即設計選型滿足使用要求。

4.3 儲氫系統防爆措施

儲氫系統設計時應按照EC79要求選用防爆部件［8］，防爆器件包含儲氫氣瓶、組合瓶閥、電磁閥、氫濃度傳感器。應按要求選用防爆部件，同時儲氫氫瓶的組合瓶閥和尾堵總成器件設有安全排放口，管路中設有安全閥，當儲氫氣瓶和管路壓力過高時，能夠通過安全泄放口進行釋放，防止爆炸。安全泄放口位于儲氫系統頂部。儲氫系統位于車體頂部，氫氣可以迅速擴散，避免氫氣堆積產生濃度過高引起爆炸事故。

5 儲氫模塊維護要求

氫能源有軌電車與傳統有軌電車相比，車輛檢修人員除需考取高、低壓電工證、特種設備操作證、特種設備安全管理員證外，還需考取車用高壓氣瓶充裝證、危險化學品經營單位生產管理人員證。同時根據運營單位要求全員接受氫能源專項安全培訓和氫動力系統相關廠家培訓。

5.1 涉氫部件

氫能源有軌電車涉氫部件件主要包括燃料電池、儲氫罐、組合瓶閥、減壓閥、球閥、針閥、電磁閥、安全閥、過濾器、限流閥、單向閥、壓力表、壓力變送器等。

5.2 涉氫部件檢修

每周對各類涉氫部件進行外觀檢查和氣密性檢測檢測；車輛上電狀態下，讀取相關減壓閥、電磁閥的工作狀態。涉氫部件相關的壓力表、儲氫罐等為特種設備均需按期送檢。

（1）外觀檢測。檢測儲氫系統加氫口、壓力表、過濾器、不銹鋼管、各類管接頭＼閥、氫瓶＼變送器外漏部位的表面是否存在裂紋、磕碰、腐蝕、器件脫落等缺陷。

（2）儲氫系統氣密性檢測。使用手攜氫濃度檢測儀和肥皂水對加氫口組件-左＼右、組合瓶閥部位、氫氣瓶尾部器件PRD、閥箱內部、進氣管路及尾部所對應的不銹鋼管、各類管接頭＼閥及其他器件接頭部位進行檢測，確認各器件及管路接頭部位無氫氣泄漏情況。

（3）測量冷卻液系統中冷卻液的電導率值，保證電導率值低于5 μs/cm

5.3 長期停放及專項修時的維護、保養

車輛長期停放時，需要存放于遠離明火、易燃易爆、可燃物及操作溫度等于或高于燃點的設備，同時保證儲氫系統處于通風狀態；如不具備以上存儲條件或長期存放，要求將儲氫系統輸出部位球閥關閉，將儲氫系統中的氫氣置換成氮氣，保持儲氫氣瓶中氮氣處于正壓狀態（0.1～0.2MPa）。

5.4 專項修氫氮氣置換

氮氣置換的主要作用是排除儲氫系統內的氫氣，使氣瓶及管路內的氮氣（惰性氣體）濃度符合維護要求。氫氣置換的主要作用是排除儲氫系統內的氮氣及雜質，使氣瓶及管路內的氫氣濃度符合燃料電池使用要求。

5.4.1 需進行氮氣置換的情況

出現以下情況時，需進行氮氣置換：（1）車輛鏇輪及動火作業；（2）氫氣瓶更換、檢測和維保；（3）車輛長期停放或大修等。氮氫氣置換工藝流程如圖3所示。

圖3 氮氫氣置換工藝流程

5.4.2 氮氣置換操作流程

操作人員登車頂關閉與燃料電池連接的“球閥F1”、“球閥F2”（切斷與燃料電池氣路連接）。如圖4所示。

圖4 儲氫瓶閥門示意圖

（1）氫氣瓶組氫氣排空泄壓：車內技術人員使用專用電腦連打開“電磁閥”，車頂操作人員把“排放針閥2”打開，將氫瓶氫氣壓力降到0.2 MPa后立即關閉“電池閥”和“排放針閥2”。

（2）用氮氣進行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮氣，將氫瓶混合氣壓力升到2 MPa后停止加注，拔出置換槍。

（3）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復步驟（1）排放泄壓。

（4）用氮氣進行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮氣，將氫瓶混合氣壓力升到3 MPa后停止加注，拔出置換槍。

（5）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復步驟（1）排放泄壓。

（6）用氮氣進行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氮氣，將氫瓶混合氣壓力升到5 MPa立即停止加注，拔出置換槍。

（7）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：重復步驟（1）排放泄壓。

（8）為減少儲氫瓶氫氣濃度，保障作業安全，氮氫置換至少3次才算置換完畢。

置換計算：由（2/20）n=0.001，可求得n=3，即純度若想達到99.7%，至少需置換3次。

圖5 排放球閥示意圖

5.4.3 氫氣置換的情況

出現以下情況時，需進行氫氣置換：新造、改造儲氫系統后的首次充裝前；需對氣瓶、管路進行吹掃，清除雜質的情況；氣瓶使用后剩余壓力小于等于0.1 MPa后；氣瓶存在其他氣體等。氫氮氣置換工藝流程如圖6所示。

圖6 氫氮氣置換工藝流程

5.4.4 氫氣置換

（1）用氫氣進行加注升壓：加氫站操作人員用置換槍在加氫口加注氫氣，將氫瓶混合氣壓力升到5 MPa立即停止加注，拔出置換槍。

（2）氫氣瓶組混合氣排空泄壓：車內技術人員使用專用電腦連接打開“電磁閥”，車頂操作人員把“排放針閥2”打開，將氫瓶混合氣壓力降到0.2 MPa后立即關閉“電池閥”和“排放針閥2”。

（3）重復（1）和（2）步驟至少4次完成置換。

置換完畢后車頂操作人員打開與燃料電池連接的“球閥F1”、“球閥F2”（打開與燃料電池氣路連接）。

置換計算：由（2/50）n=0.000 01，可求得n=4，即純度若想達到99.999%，至少置換4次。

6 結束語

目前氫能源列車的檢修仍借鑒地鐵的周期性檢修模式，涉及氫動力系統設備的檢修參考特種設備危化品的檢修管理，對于氫能源列車的維護管理提出如下思考。

（1）氫能源列車沒有完善的檢修標準借鑒參考，涉及列車氫動力系統設備的檢修管理還需近一步探索。

（2）針對運營特殊作業和重大事故工況（如救援聯掛、車輛傾覆、相撞和脫軌等）及其引起的次生災害，需明確相關處置原則和細化相關預案。

（3）運營期間的涉氫運作維護管理無相關經驗、研究、規章可循，如開放性甲類庫房的安全管理措施、氫氣泄漏的應急處置方案、涉氫設備設施的維護保養等仍未明確。