卸氫柱工藝系統(tǒng)吹掃置換應用優(yōu)化分析

李明昕　賈艷明　周軍旗　李俊杰　朱洪飛

摘 要：主要從加氫站卸氫柱卸氣工藝系統(tǒng)設計、自動化控制等方面對卸氫操作過程中的吹掃置換操作控制方法進行了優(yōu)化研究，通過對手動吹掃置換操作和自動吹掃置換操作進行對比分析，建立吹掃置換應用模型，并針對卸氫柱吹掃置換操作的安全設計和自動化控制提出了相應策略。

關鍵詞：卸氫柱；卸車；吹掃置換

中圖分類號：TK91? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0054-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.014

0? ? 引言

氫能是一種清潔高效的二次能源，發(fā)展氫能對保障我國能源安全、優(yōu)化能源結構及化解能源結構性過剩具有重要意義。氫能在交通領域的大力推廣可以緩解我國在能源安全、能源結構、環(huán)境惡化方面的壓力，解決部分問題，因此保障加氫站建設運營的安全高效至關重要。卸氫柱作為加氫站中一個重要的組成部分，其安全操作尤其需要重視。氫氣極易燃燒，易與空氣形成爆炸性混合氣體，爆炸極限極寬，因此，研究如何提高壓縮氫管束車充裝與運輸過程的安全管理水平尤為重要[1]。

卸氫柱作為加氫站采用管束車站外供氫的卸氫計量設備，是加氫站內的關鍵設備，在卸氫軟管與管束車接口連接或拆卸過程中，為避免雜質氣體引入，保證涉氫操作安全，會進行氮氣或氫氣吹掃置換操作。卸氣柱設置有氮氣吹掃管線和過濾精度不大于10 μm的過濾器，每次卸氫前需對管線進行吹掃置換，確保卸氫質量[2]。

卸氫操作時，由于氫氣置換步驟煩瑣、耗時長，無法保障人員隨時值守，同時，人員誤操作可能導致卸氫軟管連接不到位，造成氫氣泄漏并引起火災爆炸事故[3]。傳統(tǒng)卸氫柱為人工手動操作卸氫、吹掃置換，因為操作過程需要多次不同氣源不同壓力的操作，存在人工誤操作、吹掃不徹底導致氣態(tài)雜質引入、爆炸等安全隱患或因過度（多次）置換造成的資源浪費，存在卸氫安全隱患。基于此，本文主要從工藝系統(tǒng)設計、自動化控制等方面進行優(yōu)化改進，有效提高了設備使用過程中的安全性、操作性和綜合效益。

1? ? 卸氫柱介紹

1.1? ? 卸氫柱主要組成

卸氫柱主要由卸氫軟管、拉斷閥、單向閥、過濾器、壓力表、質量流量計、壓力變送器、電磁閥、安全閥、氫氣泄漏探測器及其電腦控制系統(tǒng)等組成，典型系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2? ? 卸氫柱工作原理

卸氫柱一端與氫氣長管束拖車連接，一端與壓縮機或順序控制盤連接。當卸氫柱需要卸氫時，首先依次進行氮氣、氫氣吹掃置換。然后，打開卸氫柱氫氣入口截止閥，氫氣依次流經卸氫軟管、拉斷閥、單向閥、過濾器、流量計、氣動截止閥后進入壓縮機，氫氣經壓縮后進入高壓儲氫容器內儲存?zhèn)溆谩．敋錃忾L管束拖車罐內氫氣壓力≤5 MPa時，或當壓力、流量達到設定值時，電腦控制系統(tǒng)控制氣動球閥自動關閉（或手動關閉卸氫柱出口截止閥），停止卸氫，關閉管束車卸氫根部閥，打開卸氫柱放散閥，將卸氫柱管路內的氫氣泄壓放散，依次氮氣吹掃置換，吹掃置換完畢后，拆除卸氫軟管，完成一次氫氣卸氣計量過程。

2? ? 卸氫柱吹掃置換系統(tǒng)優(yōu)化分析

卸氣吹掃置換：運氫長管束拖車到站后，卸氫柱卸氫軟管與管束車連接，先用氮氣吹掃置換空氣，需要經過多次置換，使管內氧氣含量小于1%；再進行氫氣置換氮氣，使管內氧氣含量降到≤0.5%；然后開始卸氫，卸氫完成后用氮氣置換氫氣，使管內氫氣含量降到≤0.4%；最后拆下卸氣軟管，完成卸氣。

2.1? ? 典型卸氫吹掃置換分析

2.1.1? ? 典型卸氫柱工藝流程

典型卸氫柱卸氣操作采用手動吹掃置換，工藝流程圖如圖2所示。

2.1.2? ? 手動吹掃置換操作

1）卸氫前吹掃置換。

第一步，氮氣吹掃置換：打開放散手閥13，當壓力表10指示≤0.1 MPa時，關閉放散手閥13停止泄壓放散。此時，打開氮氣吹掃手閥9，氮氣流經氮氣吹掃手閥9、氮氣吹掃單向閥8進入氫氣主管路，當壓力表10指示≥0.8 MPa時，打開放散手閥13開始泄壓放散；當壓力表10指示=0.2 MPa時，關閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氮氣吹掃置換操作。一般重復上述操作5次，完成氮氣吹掃置換操作。

第二步，氫氣吹掃置換：輕微打開氫氣長管束拖車氫氣卸車口手閥，氫氣流經卸氫軟管1、拉斷閥2進入氫氣主管路，當壓力表10指示≥5 MPa時，打開放散手閥13開始泄壓放散；當壓力表10指示=0.2 MPa時，關閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氫氣吹掃置換操作。重復上述操作5次，完成氫氣吹掃置換操作。

2）卸氫后吹掃置換。

卸氫完成后，關閉手動球閥4，打開放散手閥13，當壓力表10指示≤0.2 MPa時，關閉放散手閥13停止泄壓放散。然后，打開氮氣吹掃手閥9，氮氣流經氮氣吹掃手閥9、氮氣吹掃單向閥8進入氫氣主管路，當壓力表10指示≥0.8 MPa時，關閉氮氣吹掃手閥9，打開放散手閥13開始泄壓放散；當壓力表10指示=0.2 MPa時，關閉放散手閥13停止泄壓放散，完成一次氮氣吹掃置換操作。一般重復上述操作3～5次，完成氮氣吹掃置換操作。

2.1.3? ? 手動吹掃置換操作存在的問題和隱患

1）操作手動閥門多，操作流程煩瑣、復雜不便，極易誤操作；2）吹掃置換靠操作工把控，吹掃置換次數(shù)均為經驗，容易出現(xiàn)操作失誤；3）氫氣在空氣中的爆燃極限為4%～75%（體積分數(shù)），管路過度吹掃置換會造成資源浪費，吹掃不徹底則存在安全隱患；4）操作人員的專業(yè)性、工作經驗和工作態(tài)度直接影響到實際吹掃置換效果。

2.2? ? 卸氫柱吹掃置換優(yōu)化設計方案

為提高卸氫柱吹掃置換的可操作性，對卸氫系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)一鍵自動吹掃置換，優(yōu)化措施如下：1）管路系統(tǒng)優(yōu)化，采用電動閥或氣動閥替代手動操作閥門；2）吹掃次數(shù)優(yōu)化，準確計算卸氫前和卸氫后各節(jié)點吹掃置換次數(shù)；3）控制系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)卸氫前一鍵吹掃置換和卸氫后一鍵吹掃置換。

2.2.1? ? 工藝系統(tǒng)優(yōu)化設計

卸氫柱優(yōu)化工藝采用自動吹掃置換，工藝流程圖如圖3所示。

2.2.2? ? 自動吹掃置換操作控制方法

卸氫軟管連接好管束車，通過卸氫柱內設置的氮氣吹掃電磁閥、氫氣吹掃電磁閥、放散電磁閥實現(xiàn)自動控制，按照設定程序進行吹掃作業(yè)，實現(xiàn)一鍵自動吹掃置換。自動吹掃完成后，手動打開管束車根部閥開始卸車，卸車完成后，關閉管束車根部閥，一鍵完成氮氣自動吹掃置換，然后拆下卸氫軟管，完成一次卸車過程。另外，卸氫柱內部設置氫氣緩沖瓶，在每次卸氫過程中由控制系統(tǒng)先行為儲氫瓶平壓，作為下一次自動吹掃的高壓氫氣源。

1）卸車前吹掃置換。

連接卸氫軟管，先進行氮氣吹掃置換：當卸氫工藝管路需要吹掃置換時，按下氮氣吹掃置換按鈕，壓力變送器13檢測管路壓力＞0.1 MPa時，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力≤0.1 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，然后氮氣吹掃電磁閥9打開，氮氣流經氮氣吹掃電磁閥9、氮氣吹掃單向閥8進入氫氣主管路，壓力變送器13檢測管路壓力≥0.8 MPa時，氮氣吹掃電磁閥9關閉，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，完成一次氮氣吹掃置換操作。以上動作重復數(shù)次，即完成氮氣吹掃置換操作。

完成氮氣吹掃置換操作后進行氫氣吹掃置換：氮氣吹掃置換完成后，按下氫氣吹掃置換按鈕，當壓力變送器13檢測管路壓力＞0.2 MPa時，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力≤0.2 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，或壓力變送器13檢測管路壓力≤0.2 MPa時，氫氣吹掃電磁閥10自動打開，氫氣流經氫氣吹掃電磁閥10、單向閥3進入氫氣主管路，當壓力變送器13檢測管路壓力≥5 MPa時，氫氣吹掃電磁閥10關閉，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，完成一次氫氣吹掃置換操作。以上動作重復數(shù)次，即完成氫氣吹掃置換操作。

2）卸車后吹掃置換。

當卸車停止需要吹掃置換時，先關閉管束車根部閥，按下氮氣吹掃置換按鈕，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，然后氮氣吹掃電磁閥9打開，氮氣流經氮氣吹掃電磁閥9、氮氣吹掃單向閥8進入氫氣主管路，壓力變送器13檢測管路壓力≥0.8 MPa時，氮氣吹掃電磁閥9關閉，放散電磁閥15自動打開，開始泄壓放散。當壓力變送器13檢測管路壓力=0.2 MPa時，放散電磁閥15自動關閉，停止泄壓放散，完成一次氮氣吹掃置換操作。重復以上動作數(shù)次，即完成氮氣吹掃置換操作。

2.2.3? ? 卸氫系統(tǒng)各節(jié)點吹掃置換次數(shù)計算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，計算吹掃置換次數(shù)。

PV=nRT

式中：P為壓強；V為氣體體積；n為氣體的物質的量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度。

設初始時管道內壓力為P0，管道內物質的量為n0，計算目標成分氣體的物質的量n1，管道內目標介質氣體的含量為C0，管道內目標介質氣體的含量只和物質的量有關。

在置換n（n為正整數(shù)，n=1，2，3，…）次后，管道內目標介質氣體的含量為：

Cn=■×■×…×■×■×■×C0

1）卸車前吹掃置換。

卸車吹掃置換前，卸氫軟管內部為常溫常壓空氣（氧氣含量20.9%）。先用氮氣置換空氣，向管內充入0.8 MPa氮氣（純度99.9%），每次壓力平衡后，釋放管內壓力至0.2 MPa，經過多次置換后使管內氧氣含量小于1%。然后氫氣置換氮氣，向管內充入5 MPa氫氣，每次壓力平衡后，釋放管內壓力至0.2 MPa，經過多次置換后使管內氧氣含量降到≤0.5%。吹掃次數(shù)計算結果如圖4所示。

經過計算，卸氫前需要進行氮氣吹掃置換2次，氫氣吹掃置換1次，可以使管內氧氣含量降到0.03%（≤0.5%）。

2）卸車后吹掃置換。

卸車后卸氫管內氫氣含量達到99.99%，壓力0.2 MPa。現(xiàn)在用氮氣置換氫氣，向管內充入0.8 MPa氮氣（純度99.9%），每次壓力平衡后，釋放管內壓力至0.2 MPa，經過多次置換后，使管內氫氣含量降到≤0.4%。吹掃置換次數(shù)計算結果如圖5所示。

經過計算，卸氫后需要進行氮氣吹掃置換4次，可以使管內氫氣含量降到0.39%（≤0.4%）。

3? ? 卸氫系統(tǒng)自動吹掃置換工藝優(yōu)化效果

3.1? ? 系統(tǒng)安全性

手動吹掃置換依據(jù)傳統(tǒng)或經驗來確定氣源吹掃壓力、時長或次數(shù)等參數(shù)，以保證吹掃置換徹底。手動操作閥門眾多，且操作過程為依次順序人為手動操作，吹掃過程中系統(tǒng)操作壓力均以壓力表為唯一參考，存在人為誤操作、目測誤差、經驗操作無法準確判斷是否吹掃徹底等問題。

自動吹掃置換依據(jù)工藝管路鋼管內徑、長度及鋼管內部殘余氣體壓力等參數(shù)，經過科學計算得出吹掃壓力、次數(shù)，一鍵式自動吹掃置換由控制系統(tǒng)控制，管路壓力由壓力變送器實時采集，形成閉環(huán)式控制，不僅有數(shù)據(jù)依據(jù)，而且極大地規(guī)避了人為誤操作、目測誤差、經驗操作帶來的潛在風險，保證了氫氣管路的清潔度、氫氣的純凈度，能確保管路內氫氣密度低于氫氣爆燃極限（4%～75.6%），極大地保證了操作的安全性。

3.2? ? 置換氣體用量

吹掃所需氮氣/氫氣用量計算公式如下：

V=■■-■×■ND

式中：V為每年需消耗的吹掃置換氮氣/氫氣量；V1為單次吹掃置換管路體積；n為單次換車時，卸車前或卸車后的吹掃置換操作次數(shù)；N為每天管束車換車次數(shù)；P為吹掃置換氮氣/氫氣壓力；Pn為吹掃置換時初始壓力；M為吹掃氣體摩爾質量；Mn為吹掃置換前氣體摩爾質量；ρ為吹掃氣體密度；ρn為吹掃置換前的氣體密度；R為理想狀態(tài)氣體常數(shù)；T為熱力學溫度；D為年運行時間。

以1 000 kg加氫站為例，管束車按常規(guī)一輛26 m3容積（20 MPa）計，總容量為360 kg，每臺管束車氫氣利用率約為70%，每輛管束車可使用氫氣量約260 kg，每天約需用4輛管束車。按照年運行360天，每天用4輛管束車計算，其中卸氫吹掃置換管路長8 m，卸氫軟管1/2″，內徑？準12.7 mm，長6 m，與軟管連接涉及吹掃的主管路，管徑3/4″，長2 m，內徑？準14.85 mm。

優(yōu)化前單次換車需氮氣吹掃置換10次（卸車前5次，卸車后5次）、氫氣吹掃置換5次，優(yōu)化后單次換車需氮氣吹掃置換6次（卸車前2次，卸車后4次）、氫氣吹掃置換1次，計算優(yōu)化前后用于吹掃的氮氣和氫氣年用量，對比結果如表1所示。

按照計算結果，優(yōu)化工藝后年節(jié)約氮氣消耗量7.95 Nm3，節(jié)約氫氣消耗量63.8 Nm3，優(yōu)化工藝后用于卸車氮氣吹掃的氮氣消耗量降低了40%，氫氣消耗量降低了80%。

3.3? ? 經濟性和操作性

通過優(yōu)化工藝，對比氮氣置換操作和氫氣置換操作次數(shù)，工藝優(yōu)化后可大幅降低吹掃置換操作次數(shù)，極大地提高工作效率。以1 000 kg加氫站為例，對比優(yōu)化前后氮氣吹掃和氫氣吹掃操作次數(shù)，加氫站月度操作次數(shù)對比如圖6所示。

同時，優(yōu)化工藝后，氮氣、氫氣吹掃置換閥門開關次數(shù)大幅減少，以1 000 kg加氫站為例，優(yōu)化前單次換車開關次數(shù)30次，優(yōu)化后單次換車開關次數(shù)14次，工藝優(yōu)化后閥門可使用年限約為優(yōu)化前的2.1倍，大幅降低了閥門更換頻次。

手動吹掃置換需手動順序操作各個閥門，完成氮氣、氫氣吹掃置換操作需1～2人，不僅操作流程煩瑣、操作復雜不便、工作效率低，而且對操作崗位配置人員有嚴格要求。

自動吹掃置換可以實現(xiàn)遠程或現(xiàn)場一鍵式操作，極大地降低了操作人員數(shù)量配置與崗位素質技術門檻要求，準確計算控制吹掃置換次數(shù)，提高了設備使用過程的經濟性，同時提高了設備操作的便捷性與操作體驗，實現(xiàn)了智能化、自動化聯(lián)動控制。

4? ? 結束語

本文通過對卸氫柱在卸氫前和卸氫后的吹掃置換數(shù)值模擬計算和操作優(yōu)化分析，提出了吹掃置換優(yōu)化技術依據(jù)，保證了加氫站氫氣供給前端的卸氫安全，提高了卸氫設備的可操作性、運營成本的經濟性。該技術已在國內多座加氫站運行實踐，效果良好，是卸氫柱工藝系統(tǒng)的一次重大技術改進，同時為以后相關產品的研發(fā)提供了借鑒。

[參考文獻]

[1] 高永宜，馬榮勝.壓縮氫管束車充裝與運輸?shù)陌踩芾砼c要求[J].化工管理，2017（21）：133-134.

[2] 張旭.燃料電池汽車加氫站安全設計要點分析與建議[J].煉油技術與工程，2022，52（3）：59-64.

[3] 莫皓，賈佳，楊丹，等.加氫站安全風險及評估方法綜述[J].油氣與新能源，2022，34（6）：36-42.

收稿日期：2023-05-11

作者簡介：李明昕（1979—），男，河南鄭州人，高級工程師，從事氫能技術研究與應用工作。