氢气充装与加氢站系统工艺研究

刘 平，沈银杰

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

1 简介

氢能源是一种新兴、洁净的能源，为新能源汽车、氢能源公共汽车加注氢，使得氢或液氢真正作为普及性的能源被使用。使用氢能源，要点在于升压技术、储存技术和加注技术及其系统。在氢能源汽车的使用中，携带足够的氢气是关键条件，因此，必须尽可能地压缩氢气，压力越高，氢储罐储存的氢气就越多，其能量密度就越大，汽车一次充氢的实际使用里程就越多。因此，车载氢气储罐压力一般都在35 MPa，有时甚至高达70 MPa。现阶段，我国普遍使用的是20 MPa的压力。对于加氢站来说，其储罐储存氢气的压力要高于汽车氢气储罐的压力，这样才能保证为汽车充气。保证给汽车充气的压力只是一个必要条件，第二个条件是必须有足够的氢能储存用于加氢[1]。

在氢能的综合利用中，氢气充装和加氢站的建设成为必须[2]。氢气充装站的功能是：接收变压吸附后的高纯氢，加压后供液氢工厂、管束罐车和加氢站使用。加氢站的功能是：为燃料电池汽车或液氢槽车提供液氢加注。如何高效、安全、便捷地实现其功能，是我们在工艺设计时需要重点考虑的问题。本文详细阐述了氢气充装站和加氢站的工艺设计，以期为日后相关工作的顺利进行提供参考。

2 氢气充装站工艺设计

从工艺布置上考虑，充装站基础建设空间主要由压缩机厂房、分析间、控制间、排空塔、充装工位和罐车回转场地等组成。因为厂区面积有限，所以，在工艺设计中，要认真考虑设计条件带来的限制。氢气充装站主要用于接收变压吸附后的高纯氢，加压后供液氢工厂、管束罐车和加氢站使用，所以，需要根据其功能设计相应的工艺流程。

充装站的工艺流程是，变压吸附后输送的高纯原料氢经压缩机压缩加压后进入工艺管路，经汇流排分配后进入各个充装工位，最后经加注管路装入管束拖车。整个管路设置置换系统和安全排放系统。

置换系统在工艺系统中具有重要的作用，因为要保证商业用氢的纯度。整个系统在开机阶段、检修或者故障修复后，必须用氮气进行置换才能执行必要的工序或者维护工作，否则无法保证整个系统的安全性或者可维修性。因此，置换系统作为工艺路线中关键的一环，必须存在。

安全排放系统的作用是排除系统内多余的氢，在必要的时候保证氢100%被排放出。作为特殊的介质，氢的安全使用是放在第一位的。在工艺设计中，安全排放系统的设置、设计、计算以及安全阀的使用，都是工艺设计需要严格计算的指标，要根据国家相关规程和标准来进行。

氢气充装系统主要包括阀门、高压管路、加气枪、限流、显示器、计量、温度补偿、控制及紧急管路等。高压管路上加有压力报警器和安全装置，加气枪上安装有压力传感器、温度传感器、过载保护、软管断裂保护和加气优先控制系统等。过滤器主要是为了保证氢气的纯度，只有高纯度的氢才能达到整个系统的使用要求。加气枪上的整套传感系统和安全保证系统是在大规模应用时保证整个系统的安全性。整个氢气充装工艺经过严格的论证，具有很强的现实意义。氢气的充装为加氢站的大面积建设提供了有力的保证，从工艺系统的角度讲，其属于加氢站的上游工艺。

3 加氢站工艺设计

加注机是核心技术装备，加注机在使用压力75 MPa、流量50 Nm3/min、系统管道流速不大于15 m/s的工况条件下，才能使得制氢加氢站系统达到使用要求，同时，还要考虑如何计量收费才能方便商业使用。加注氢系统是由一对氢气入口、双电磁或气动控制阀单元、质子流量计、芯片控制器、显示器（显示流量、压力、温度、金额、气量）、压力感受器、温度感受器、手动截止阀和加注快卡接口组成。这样就形成了一整套的商业加注氢系统，它类似于加油站或者天然气加气站，为日后的真正商业推广提供有效助力。这也是工艺设计阶段就必须要考虑的问题。

在加氢过程中，当高中低压储气瓶组系统中任意一个储氢瓶压力低于35 MPa时，压缩机启动，对储气瓶组内的氢气进行增压，增压钢瓶顺序为高压储气瓶组→中压储气瓶组→低压储气瓶组。此外，为了便于紧急情况下对加氢站停车，在压缩系统前设置有紧急切断阀，一旦出现紧急情况，可通过紧急切断阀关闭系统。氢加注工艺设计流程如图1所示。

图1 氢加注工艺设计流程图

加氢站的功能是为燃料电池汽车或液氢槽车提供氢加注。本站工艺流程主要由增压系统、储氢系统、加氢系统、氮气系统、氢集中排放系统和氢安全监控系统组成。

3.1 储氢系统

采用分级充气加注方案，分别配置45 MPa和22 Mpa的储氢气瓶，可实现快速加氢，并且提高站内氢气利用率。储氢容器为固定式装置，总储氢量为180 kg。

3.2 加氢系统

加氢系统的功能主要是实现氢的加注，这是该工艺的核心。在加氢系统工艺方面，主要考虑如何又快又安全地完成氢的加注，同时，实现自动计量计价。根据其功能，工艺设备主要包括一对氢气入口、双电磁阀单元、流量计、芯片控制器、显示器（显示流量、压力、温度、金额、气量）、压力感受器、温度感受器、手动截止阀等，还要有快速使用的加注口。加氢口压力为35 MPa，采用双枪加氢机形式，对应不同种类的车型。加氢机采用取气源优先控制技术，利用多级储气设施，采用编程优先控制器设定气源优先级，所加注的氢气来自压缩机和2个压力等级的固定式储气瓶组，优先次序考虑储气设施的数量和能力、压缩机的能力等因素。加氢系统是工艺的核心，除了完成功能外，还要考虑紧急停机的功能，在特殊情况下能够自动切断加氢这一工艺过程，而且不对系统造成大的影响或者损失。

3.3 氮气配气系统

所有的加氢站都会配置有氮气，气控系统气源、加氢站各种工艺管路、工艺设备的吹扫清洁都需要氮气。氮气的供应也是系统的一个重要组成部分，因此，设计了氮气供应系统的工艺，即高压氮气瓶组提供充足的氮气，氮气经过减压装置（减压装置出来后氮气的压力大概在0.7 Mpa）分两路供气，其中一路作为其控制气体，供给系统内紧急切断阀的各个执行机构，以保证紧急状态下系统的可靠性和安全性；另外一路气体负责启动阀门的启闭，这是通过起源控制压缩机内的各个气动阀门的执行机构来实现的。在工艺上，还应该考虑在氮气输送管路上预留用于系统吹扫的接口，当系统需要吹扫时，只需要很简便的操作就可以完成氮气对系统的吹扫洁净功能。另外，该路气也可用在系统调试和维修过程中，这时候进行吹扫和空气置换是很有必要的，而且对于整个工艺系统来说是必不可少的。

3.4 氢集中排放系统

氢气易燃易爆，属于高危性气体气源，从站内安全性考虑，对于加氢机、储氢气瓶、压缩机等各装置所排出的氢气，工艺系统内设置有汇流排，汇流排会收集汇总各位置的氢，然后高空排放。高空排放时，要符合国家危险气体或者废物排放安全规程。

3.5 氢安全监控系统

考虑到氢气的易扩散性、易燃烧性、易爆炸性的特点，需要在站内特别增加一套氢安全监控系统，以确保站点的运营安全。氢安全监控系统对加氢工艺过程进行控制和状态监测，实现系统稳定可靠运行和氢气的安全排放，以满足工艺系统相应的阀门控制、温度、压力等状态实时监控及现场工艺流程安全监控和处理要求。

3.6 测控系统

加氢站测控系统主要包括工程师站、操作站、以太网通信系统、现场控制站系统、测量传感器、供电电源和测控电缆等。现阶段，加氢站测控系统采用云平台远程控制技术，基于最新的测控和检测手段实时监控数据。依据加氢工艺原理图，测控系统的控制对象是管路上的电磁阀、气动阀，测量的参数有温度、压力、液位、氢浓度、火焰报警信号。这些信号都可以实时传递到相关的云平台、场站，使用单位可以接入监控系统，授权相关责任人员，根据责任等级分配不同权限，对系统进行实时有效的监测。在必要的时候，具有特殊权限的工程技术人员能够强制操作，以防危险的发生。

4 结束语

人类对安全、高效、便捷的能源需求是无止境的，氢能的出现很好地解决了这一难题。但是，氢在自然界中是比较稀有的，要想使用氢能源，从如何获取氢或氢气，再到氢的液化以及增压存储，到氢的充装和加注，以及最终氢燃料电池或者氢能源汽车的普及和使用，形成整个产业链条是至关重要的。氢能普及，工艺先行，因此，我们从工艺的角度进行了一些研究。

本文结合实践经验和现有技术，提出了加氢站和氢气充装站系统设计工艺，具有重要的现实意义，为氢能整个产业链条的完善提供了有益的思考和借鉴。在氢能的利用中，高效、安全、便捷使用是人类最终的需求和目的，只有不断研究和试验，才能最终实现氢能的普及。

［1］顾年华，尤丽霞，吴育华.2l世纪我国新能源开发展望［J］.中国能源，2002（1）：37-38.

［2］王恒秀，李莉.一种新型制氢技术［J］.化工进展，2001（7）：12-15.