加氫站氫氣取樣工藝技術研究

摘要：作為氫能中下游產業(yè)鏈的關鍵一環(huán)，加氫站對氫能的推廣使用有著至關重要的作用。加氫站氫氣的品質對氫燃料車輛電池的性能和壽命有著重要影響，因此需對加氫站內氫氣進行定期取樣檢測。鑒于此，主要針對加氫站氫氣取樣要求及現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)加氫站常用取樣工藝技術存在的問題，提出了加氫站氫氣取樣工藝技術優(yōu)化方向，并針對加氫站氫氣取樣工藝的安全設計和自動化控制提出了相應策略。

關鍵詞：加氫站;取樣裝置;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TK91" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.020

0" " 引言

隨著國內氫能源技術的快速發(fā)展，近些年國內加氫站建設數(shù)量和氫能源車輛的數(shù)量急速增長。加氫站對氫氣的品質有著嚴格要求，氫氣雜質過多會引起氫燃料電池催化劑中毒，其外供氫氣必須符合GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》的相關要求。作為燃料電池用氫氣，必須滿足相應質量要求，才能保證氫燃料電池的使用性能與壽命[1]，因此，在氫氣的日常使用中，需對加氫站內氫氣進行定期取樣檢驗，確保加氫站所供氫氣滿足燃料電池車輛的使用標準。

目前，加氫站取樣常規(guī)采用人工取樣方式，取樣過程復雜，自動化程度低。隨著人們對環(huán)境問題的日益關注，對取樣分析結果的要求越來越高，人工取樣分析方式已不能滿足當前生產要求[2]。

1" " 加氫站用氫氣質量要求

根據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術規(guī)范》（2021年版），加氫站進出站氫氣質量要求應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》、GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫》和GB/T 34537—2017《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》的有關規(guī)定。

按照上述標準要求，加氫站用氫氣對純度、水含量、總烴、氧含量、顆粒物等均有嚴格要求，需定期對到站氫氣和出站氫氣進行取樣檢測，確保氫氣質量滿足規(guī)范要求，避免對氫燃料電池造成影響。

2" " 加氫站取樣特點及方法

2.1" " 加氫站取樣特點

氫氣分子量小，易泄漏，且易燃易爆，屬于危險化學品。同時，加氫站內氫氣壓力較高，取樣時必須保證取樣過程的安全、便捷。

2.2" " 加氫站取樣方法

加氫站一般在站內設備上已設置的取樣點取樣，常規(guī)取樣點位置：卸氣柱取樣點、儲氫容器取樣點、加氫機取樣點。

加氫站需對進站氫氣和出站氫氣進行取樣檢測，進站氫氣一般通過卸氣柱取樣點取樣，出站氫氣一般通過儲氫容器取樣點和加氫機取樣點取樣，各個取樣點壓力等級不盡相同，且卸氣柱、儲氫容器、加氫機取樣接口亦不盡相同。

3" " 加氫站取樣工藝現(xiàn)狀分析

3.1" " 加氫站常用取樣工藝流程

加氫站目前常用取樣方式均使用較為簡單的工藝，參考工藝流程如圖1所示。

3.2" " 加氫站常用氫氣取樣操作方法

加氫站常常采用的取樣方法包括充氣排空法或控制流量法，可根據(jù)加氫站現(xiàn)場實際情況選擇取樣方法。

充氣排空法取樣步驟（適用于吹掃盲區(qū)較大的取樣裝置）：（1）確認閥門狀態(tài);（2）連接取樣口、取樣裝置及樣品容器;（3）打開取樣口閥門、取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，待壓力平衡后關閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，充氣至所需壓力;（6）關閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，將樣品容器內壓力泄放至≥0.2 MPa時關閉放散出口閥;（7）重復上述步驟直至待檢氣體體積分數(shù)達到99.999%;（8）依次關閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，打開旁路放空閥和放散出口閥，將管路內氣體放空后，拆下取樣容器。

控制流量法取樣步驟（適用于吹掃盲區(qū)較小的取樣裝置）：（1）確認閥門狀態(tài);（2）連接取樣口、取樣裝置及樣品容器;（3）打開取樣口閥門、取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，待壓力平衡后關閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥、樣品容器出口閥，對樣品容器進行吹掃;（6）以連續(xù)穩(wěn)定的氣流進行吹掃，吹掃時注意樣品容器內氣流壓力，當樣品容器中非待檢氣體體積分數(shù)小于0.001%時結束吹掃;（7）關閉取樣容器出口閥，將樣品容器充裝至所需壓力;（8）依次關閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，打開放散出口閥、旁路放空閥，將管路內氣體放空后，拆下取樣容器。

3.3" " 存在的問題和安全隱患

目前普遍使用的氣體取樣工藝存在以下問題：

（1）取樣點的壓力等級不完全一致，常規(guī)取樣工藝不能夠適用于加氫站不同位置的取樣。（2）使用安全性較差，取樣過程安全依靠操作人員的經驗，存在較大安全隱患。（3）整個取樣過程人工控制，無法保證取樣過程中的吹掃置換效果，可能會導致取樣檢測結果不準確，而取樣過程很關鍵，樣品容器在取樣過程中發(fā)生空氣污染或遷移損失，會導致準確定量困難，測定不準確度增加[3]。（4）無法實現(xiàn)從加氫槍口直接取樣。

4" " 加氫站氫氣取樣工藝優(yōu)化

針對加氫站常用取樣工藝可能存在的問題和安全隱患，本文提出取樣裝置工藝優(yōu)化策略，主要目的為解決現(xiàn)有取樣裝置存在的安全隱患以及操作復雜、取樣準確度差等問題，實現(xiàn)自動化控制，保障取樣安全。

4.1" " 加氫站氫氣取樣工藝優(yōu)化原則

4.1.1" " 安全性原則

密閉取樣系統(tǒng)選型過程中，要確保所取物料具有代表性，同時保證采樣人員的安全[4]。加氫站取樣需保證取樣過程安全可控，常規(guī)取樣人工控制，操作過程中人工檢漏未設置緊急切斷、超壓保護等安全措施，加氫站取樣優(yōu)化需重點考慮安全相關問題。

4.1.2" " 操作便捷性原則

加氫站常規(guī)取樣操作煩瑣，需進行手動吹掃置換操作，需要頻繁開關取樣裝置入口閥、取樣容器入口閥/出口閥，對操作人員有較高的素質要求，加氫站取樣優(yōu)化需考慮實現(xiàn)自動化操作，使操作更方便。

4.1.3" " 實用性原則

加氫站取樣接口卸氣柱、儲氫瓶組、加氫機接口不盡相同，需要考慮用一種取樣工藝即可滿足任意位置取樣。

4.2" " 優(yōu)化工藝流程

氫氣取樣工藝優(yōu)化后，具有一鍵自動吹掃、聲光報警、壓力顯示、壓力調節(jié)、安全保護等功能，其主要包含氮氣吹掃管路及閥門、不同取樣接口、電磁閥、取樣調壓閥、取樣鋼瓶、取樣旁路管路、壓力變送器、壓力表、安全閥、手動放散閥、自動放散閥、PLC控制器等。

氫氣取樣具體優(yōu)化工藝流程如圖2所示。

氫氣取樣優(yōu)化工藝技術特點如下：

（1）設置兩路取樣主管路，一路為卸氣柱、儲氫瓶組等接口，一路為加氫槍接口，可根據(jù)實際使用需求選擇適用的接口取樣。（2）設置氮氣接口，用于取樣前氮氣吹掃，氮氣入口設置有三通電磁閥，三通電磁閥出口分別對應第一取樣管路和第二取樣管路，放散出口設置有放散電磁閥，可以實現(xiàn)氮氣一鍵吹掃功能，氮氣吹掃操作由PLC控制器控制，PLC控制器采集壓力變送器實時數(shù)據(jù)，通過既定程序控制氮氣吹掃電磁閥和放散電磁閥的開關，實現(xiàn)高效快速的氮氣吹掃。（3）連接取樣接口、氮氣接口、放散接口且吹掃完成后可通過預設程序進行自動取樣。（4）設置兩個取樣瓶，可以同批次進行兩組取樣，避免單次取樣時出現(xiàn)較大誤差，影響取樣分析結果。取樣瓶兩端設有手動截止閥，取樣瓶與管路采用快速接口連接，取樣完成后便于取樣瓶取下。取樣瓶前設置有旁路，取樣完成后可以手動打開旁路手閥，將管路中殘余氣體通過放散出口排出，并進行氮氣吹掃，確保取樣安全。（5）取樣裝置內設有氫氣探測器，并在面板上設置聲光報警器，氫氣探測器將檢測信號傳輸至PLC控制器，當氫氣探測器檢測到氫氣濃度達到0.4%vol時，PLC控制器聯(lián)動聲光報警器報警，提醒操作人員有異常泄漏出現(xiàn)，及時停止操作，確保取樣安全。（6）取樣裝置在放散管路上設置有安全閥、手動放散閥、自動放散閥，當壓力超過整定壓力時，安全閥自動開啟，確保系統(tǒng)安全，防止取樣時超壓。

4.3" " 取樣裝置優(yōu)化工藝控制方法

取樣操作步驟如下：

（1）取樣時先安裝固定好取樣鋼瓶，然后按照取樣位置連接至對應取樣接口（接口B/C/D/E），將氮氣接至氮氣接口A，將放散接口F通過管道連接至加氫站內放散管路。（2）確認連接狀態(tài)后，關閉旁路手閥，打開取樣鋼瓶前后端瓶口閥，根據(jù)需要按下第一管路氮氣吹掃按鈕/第二管路氮氣吹掃按鈕，氮氣吹掃過程由PLC控制器自動控制。（3）氮氣吹掃置換完成后，氮氣吹掃三通閥和放散電磁閥自動關閉。此時設置減壓閥出口壓力至設定壓力，根據(jù)需求按下取樣面板對應接口取樣按鈕，PLC控制器按照預設程序自動控制取樣過程，取樣過程中先進行氫氣置換，置換完成后完成取樣。（4）取樣完成后，手動關閉取樣瓶兩端瓶口閥，打開旁路手閥，按下第一管路氮氣吹掃按鈕/第二管路氮氣吹掃按鈕，自動進行氮氣吹掃，對取樣裝置管路進行吹掃。（5）吹掃完成后，取下取樣瓶送檢。（6）操作完成后，斷開所有接口連接，完成全部取樣操作。

整個取樣系統(tǒng)實現(xiàn)自動吹掃、自動取樣，根據(jù)不同的取樣方法可設定不同的自動控制邏輯。取樣時，由PLC控制器實現(xiàn)自動吹掃、自動取樣。

取樣工藝控制原理如圖3所示。

吹掃置換次數(shù)計算如下：

設每次置換充放氣終止壓力相同，置換n次后樣品容器內待檢氣體體積分數(shù)按下列公式計算：

Xn=1-

×100%

式中：Xn為樣品容器置換n次后待檢氣體體積分數(shù);P0為樣品容器內初始氣體壓力（絕對壓力）;PF為置換充氣終止時樣品容器內氣體壓力（絕對壓力）;PR為置換放氣終止時樣品容器內氣體壓力（絕對壓力）。

吹掃時間計算如下：

Xt=X0e

式中：Xt為吹掃時間t后樣品容器內非待檢氣體的體積分數(shù);X0為初始時刻樣品容器內非待檢氣體的體積分數(shù)，一般為100%;Q為吹掃流量;V為樣品容器容積;t為吹掃時間。

取樣時，將取樣容器體積和取樣壓力等信息輸入至PLC系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)根據(jù)程序按照上述計算方式計算出氮氣吹掃置換次數(shù)和吹掃時間等，并按照程序控制相應電磁閥的開關，實現(xiàn)氮氣吹掃置換、氫氣吹掃、氫氣取樣過程，同時PLC采集壓力變送器、氫氣探測器信息，實現(xiàn)壓力監(jiān)控、泄漏檢測報警預警功能。當發(fā)生異常情況時，可立即按下面板上急停按鈕，自動關閉氣體入口并自動放散，確保人員和設備安全。

4.4" " 工藝優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后工藝技術特點如下：

（1）取樣裝置可以適用于整個加氫站任意位置設備的取樣接口，包括可以通過加氫機加氫槍進行直接取樣。（2）取樣裝置配置減壓閥，可以根據(jù)不同入口壓力調節(jié)至所需取樣壓力。（3）取樣裝置配置自動吹掃系統(tǒng)，可以實現(xiàn)取樣時對取樣器的一鍵自動吹掃置換，確保吹掃效果，保證取樣準確性。（4）取樣過程自動化控制，由PLC控制器自動控制取樣過程，操作簡單方便，對人員要求低。（5）取樣裝置設置有安全閥、可燃氣體報警器、急停按鈕等，確保取樣過程安全可控。

5" " 結束語

目前加氫站取樣工藝基本采用手動操作，且操作復雜，對操作人員要求高，在取樣過程中存在安全隱患，只能通過人工判斷和手動檢測超壓、泄漏等異常情況。

加氫站加氫取樣優(yōu)化工藝采用自動控制策略，實現(xiàn)取樣工藝自動化，保證了安全性和實用性，可為后期加氫站運營帶來極大的便捷性和安全性，勢必成為加氫站取樣工藝的發(fā)展方向，取樣工藝自動化也有利于加氫站氫氣在線分析的發(fā)展和應用。

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收稿日期：2023-06-14

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。