加氫站氫氣取樣工藝技術(shù)研究

摘要：作為氫能中下游產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵一環(huán)，加氫站對(duì)氫能的推廣使用有著至關(guān)重要的作用。加氫站氫氣的品質(zhì)對(duì)氫燃料車輛電池的性能和壽命有著重要影響，因此需對(duì)加氫站內(nèi)氫氣進(jìn)行定期取樣檢測(cè)。鑒于此，主要針對(duì)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(shù)存在的問(wèn)題，提出了加氫站氫氣取樣工藝技術(shù)優(yōu)化方向，并針對(duì)加氫站氫氣取樣工藝的安全設(shè)計(jì)和自動(dòng)化控制提出了相應(yīng)策略。

關(guān)鍵詞：加氫站;取樣裝置;工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK91" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）15-0081-04

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

0" " 引言

隨著國(guó)內(nèi)氫能源技術(shù)的快速發(fā)展，近些年國(guó)內(nèi)加氫站建設(shè)數(shù)量和氫能源車輛的數(shù)量急速增長(zhǎng)。加氫站對(duì)氫氣的品質(zhì)有著嚴(yán)格要求，氫氣雜質(zhì)過(guò)多會(huì)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(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》的相關(guān)要求。作為燃料電池用氫氣，必須滿足相應(yīng)質(zhì)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(duì)加氫站內(nèi)氫氣進(jìn)行定期取樣檢驗(yàn)，確保加氫站所供氫氣滿足燃料電池車輛的使用標(biāo)準(zhǔn)。

目前，加氫站取樣常規(guī)采用人工取樣方式，取樣過(guò)程復(fù)雜，自動(dòng)化程度低。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，對(duì)取樣分析結(jié)果的要求越來(lái)越高，人工取樣分析方式已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)要求[2]。

1" " 加氫站用氫氣質(zhì)量要求

根據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》（2021年版），加氫站進(jìn)出站氫氣質(zhì)量要求應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37244—2018《質(zhì)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?xì)狻返挠嘘P(guān)規(guī)定。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)要求，加氫站用氫氣對(duì)純度、水含量、總烴、氧含量、顆粒物等均有嚴(yán)格要求，需定期對(duì)到站氫氣和出站氫氣進(jìn)行取樣檢測(cè)，確保氫氣質(zhì)量滿足規(guī)范要求，避免對(duì)氫燃料電池造成影響。

2" " 加氫站取樣特點(diǎn)及方法

2.1" " 加氫站取樣特點(diǎn)

氫氣分子量小，易泄漏，且易燃易爆，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品。同時(shí)，加氫站內(nèi)氫氣壓力較高，取樣時(shí)必須保證取樣過(guò)程的安全、便捷。

2.2" " 加氫站取樣方法

加氫站一般在站內(nèi)設(shè)備上已設(shè)置的取樣點(diǎn)取樣，常規(guī)取樣點(diǎn)位置：卸氣柱取樣點(diǎn)、儲(chǔ)氫容器取樣點(diǎn)、加氫機(jī)取樣點(diǎn)。

加氫站需對(duì)進(jìn)站氫氣和出站氫氣進(jìn)行取樣檢測(cè)，進(jìn)站氫氣一般通過(guò)卸氣柱取樣點(diǎn)取樣，出站氫氣一般通過(guò)儲(chǔ)氫容器取樣點(diǎn)和加氫機(jī)取樣點(diǎn)取樣，各個(gè)取樣點(diǎn)壓力等級(jí)不盡相同，且卸氣柱、儲(chǔ)氫容器、加氫機(jī)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(jiǎn)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(chǎng)實(shí)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(rèn)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(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，待壓力平衡后關(guān)閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測(cè)器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，充氣至所需壓力;（6）關(guān)閉取樣裝置進(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，將樣品容器內(nèi)壓力泄放至≥0.2 MPa時(shí)關(guān)閉放散出口閥;（7）重復(fù)上述步驟直至待檢氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.999%;（8）依次關(guān)閉取樣裝置進(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，打開旁路放空閥和放散出口閥，將管路內(nèi)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(rèn)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(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，待壓力平衡后關(guān)閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測(cè)器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥、樣品容器出口閥，對(duì)樣品容器進(jìn)行吹掃;（6）以連續(xù)穩(wěn)定的氣流進(jìn)行吹掃，吹掃時(shí)注意樣品容器內(nèi)氣流壓力，當(dāng)樣品容器中非待檢氣體體積分?jǐn)?shù)小于0.001%時(shí)結(jié)束吹掃;（7）關(guān)閉取樣容器出口閥，將樣品容器充裝至所需壓力;（8）依次關(guān)閉取樣裝置進(jìn)氣控制閥、樣品容器進(jìn)口閥，打開放散出口閥、旁路放空閥，將管路內(nèi)氣體放空后，拆下取樣容器。

3.3" " 存在的問(wèn)題和安全隱患

目前普遍使用的氣體取樣工藝存在以下問(wèn)題：

（1）取樣點(diǎn)的壓力等級(jí)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(guò)程安全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，存在較大安全隱患。（3）整個(gè)取樣過(guò)程人工控制，無(wú)法保證取樣過(guò)程中的吹掃置換效果，可能會(huì)導(dǎo)致取樣檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，而取樣過(guò)程很關(guān)鍵，樣品容器在取樣過(guò)程中發(fā)生空氣污染或遷移損失，會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確定量困難，測(cè)定不準(zhǔn)確度增加[3]。（4）無(wú)法實(shí)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(duì)加氫站常用取樣工藝可能存在的問(wèn)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(fù)雜、取樣準(zhǔn)確度差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guò)程中，要確保所取物料具有代表性，同時(shí)保證采樣人員的安全[4]。加氫站取樣需保證取樣過(guò)程安全可控，常規(guī)取樣人工控制，操作過(guò)程中人工檢漏未設(shè)置緊急切斷、超壓保護(hù)等安全措施，加氫站取樣優(yōu)化需重點(diǎn)考慮安全相關(guān)問(wèn)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(jìn)行手動(dòng)吹掃置換操作，需要頻繁開關(guān)取樣裝置入口閥、取樣容器入口閥/出口閥，對(duì)操作人員有較高的素質(zhì)要求，加氫站取樣優(yōu)化需考慮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，使操作更方便。

4.1.3" " 實(shí)用性原則

加氫站取樣接口卸氣柱、儲(chǔ)氫瓶組、加氫機(jī)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(dòng)吹掃、聲光報(bào)警、壓力顯示、壓力調(diào)節(jié)、安全保護(hù)等功能，其主要包含氮?dú)獯祾吖苈芳伴y門、不同取樣接口、電磁閥、取樣調(diào)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(dòng)放散閥、自動(dòng)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(shù)特點(diǎn)如下：

（1）設(shè)置兩路取樣主管路，一路為卸氣柱、儲(chǔ)氫瓶組等接口，一路為加氫槍接口，可根據(jù)實(shí)際使用需求選擇適用的接口取樣。（2）設(shè)置氮?dú)饨涌冢糜谌忧暗獨(dú)獯祾撸獨(dú)馊肟谠O(shè)置有三通電磁閥，三通電磁閥出口分別對(duì)應(yīng)第一取樣管路和第二取樣管路，放散出口設(shè)置有放散電磁閥，可以實(shí)現(xiàn)氮?dú)庖绘I吹掃功能，氮?dú)獯祾卟僮饔蒔LC控制器控制，PLC控制器采集壓力變送器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)既定程序控制氮?dú)獯祾唠姶砰y和放散電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)高效快速的氮?dú)獯祾摺＃?）連接取樣接口、氮?dú)饨涌凇⒎派⒔涌谇掖祾咄瓿珊罂赏ㄟ^(guò)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行自動(dòng)取樣。（4）設(shè)置兩個(gè)取樣瓶，可以同批次進(jìn)行兩組取樣，避免單次取樣時(shí)出現(xiàn)較大誤差，影響取樣分析結(jié)果。取樣瓶?jī)啥嗽O(shè)有手動(dòng)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(shè)置有旁路，取樣完成后可以手動(dòng)打開旁路手閥，將管路中殘余氣體通過(guò)放散出口排出，并進(jìn)行氮?dú)獯祾撸_保取樣安全。（5）取樣裝置內(nèi)設(shè)有氫氣探測(cè)器，并在面板上設(shè)置聲光報(bào)警器，氫氣探測(cè)器將檢測(cè)信號(hào)傳輸至PLC控制器，當(dāng)氫氣探測(cè)器檢測(cè)到氫氣濃度達(dá)到0.4%vol時(shí)，PLC控制器聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警，提醒操作人員有異常泄漏出現(xiàn)，及時(shí)停止操作，確保取樣安全。（6）取樣裝置在放散管路上設(shè)置有安全閥、手動(dòng)放散閥、自動(dòng)放散閥，當(dāng)壓力超過(guò)整定壓力時(shí)，安全閥自動(dòng)開啟，確保系統(tǒng)安全，防止取樣時(shí)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(shí)先安裝固定好取樣鋼瓶，然后按照取樣位置連接至對(duì)應(yīng)取樣接口（接口B/C/D/E），將氮?dú)饨又恋獨(dú)饨涌贏，將放散接口F通過(guò)管道連接至加氫站內(nèi)放散管路。（2）確認(rèn)連接狀態(tài)后，關(guān)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?dú)獯祾甙粹o/第二管路氮?dú)獯祾甙粹o，氮?dú)獯祾哌^(guò)程由PLC控制器自動(dòng)控制。（3）氮?dú)獯祾咧脫Q完成后，氮?dú)獯祾呷ㄩy和放散電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)設(shè)置減壓閥出口壓力至設(shè)定壓力，根據(jù)需求按下取樣面板對(duì)應(yīng)接口取樣按鈕，PLC控制器按照預(yù)設(shè)程序自動(dòng)控制取樣過(guò)程，取樣過(guò)程中先進(jìn)行氫氣置換，置換完成后完成取樣。（4）取樣完成后，手動(dòng)關(guān)閉取樣瓶?jī)啥似靠陂y，打開旁路手閥，按下第一管路氮?dú)獯祾甙粹o/第二管路氮?dú)獯祾甙粹o，自動(dòng)進(jìn)行氮?dú)獯祾撸瑢?duì)取樣裝置管路進(jìn)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(gè)取樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹掃、自動(dòng)取樣，根據(jù)不同的取樣方法可設(shè)定不同的自動(dòng)控制邏輯。取樣時(shí)，由PLC控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹掃、自動(dòng)取樣。

取樣工藝控制原理如圖3所示。

吹掃置換次數(shù)計(jì)算如下：

設(shè)每次置換充放氣終止壓力相同，置換n次后樣品容器內(nèi)待檢氣體體積分?jǐn)?shù)按下列公式計(jì)算：

Xn=1-

×100%

式中：Xn為樣品容器置換n次后待檢氣體體積分?jǐn)?shù);P0為樣品容器內(nèi)初始?xì)怏w壓力（絕對(duì)壓力）;PF為置換充氣終止時(shí)樣品容器內(nèi)氣體壓力（絕對(duì)壓力）;PR為置換放氣終止時(shí)樣品容器內(nèi)氣體壓力（絕對(duì)壓力）。

吹掃時(shí)間計(jì)算如下：

Xt=X0e

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

取樣時(shí)，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(jì)算方式計(jì)算出氮?dú)獯祾咧脫Q次數(shù)和吹掃時(shí)間等，并按照程序控制相應(yīng)電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)氮?dú)獯祾咧脫Q、氫氣吹掃、氫氣取樣過(guò)程，同時(shí)PLC采集壓力變送器、氫氣探測(cè)器信息，實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)控、泄漏檢測(cè)報(bào)警預(yù)警功能。當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，可立即按下面板上急停按鈕，自動(dòng)關(guān)閉氣體入口并自動(dòng)放散，確保人員和設(shè)備安全。

4.4" " 工藝優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后工藝技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）取樣裝置可以適用于整個(gè)加氫站任意位置設(shè)備的取樣接口，包括可以通過(guò)加氫機(jī)加氫槍進(jìn)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(diào)節(jié)至所需取樣壓力。（3）取樣裝置配置自動(dòng)吹掃系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)取樣時(shí)對(duì)取樣器的一鍵自動(dòng)吹掃置換，確保吹掃效果，保證取樣準(zhǔn)確性。（4）取樣過(guò)程自動(dòng)化控制，由PLC控制器自動(dòng)控制取樣過(guò)程，操作簡(jiǎn)單方便，對(duì)人員要求低。（5）取樣裝置設(shè)置有安全閥、可燃?xì)怏w報(bào)警器、急停按鈕等，確保取樣過(guò)程安全可控。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

目前加氫站取樣工藝基本采用手動(dòng)操作，且操作復(fù)雜，對(duì)操作人員要求高，在取樣過(guò)程中存在安全隱患，只能通過(guò)人工判斷和手動(dòng)檢測(cè)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(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)取樣工藝自動(dòng)化，保證了安全性和實(shí)用性，可為后期加氫站運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的便捷性和安全性，勢(shì)必成為加氫站取樣工藝的發(fā)展方向，取樣工藝自動(dòng)化也有利于加氫站氫氣在線分析的發(fā)展和應(yīng)用。

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收稿日期：2023-06-14

作者簡(jiǎn)介：李明昕（1979—），男，河南鄭州人，高級(jí)工程師，從事氫能技術(shù)研究與應(yīng)用工作。