加氢站建设方案研究

张 鹏

(中石化南京工程有限公司，江苏 南京 211100)

1 概述

1.1 氢燃料电池与加氢站

氢燃料电池由于其能量转化率高(发电效率理论值为85%)、“零”排放(排放物为水)、续航里程长等诸多优势，已经被视为未来汽车能源的终极发展目标。

氢燃料电池汽车的进一步研发与量产化，必将成为汽车工业领域的一场新革命，加氢站随之发展是必然趋势。

2019年《政府工作报告》中提到:在汽车市场中,要稳定汽车消费,继续执行新能源汽车购置优惠政策,推动充电、加氢等设施建设。

预计2025年后国内燃料电池汽车产业将进入快速发展阶段，到2030年国内燃料电池汽车年销量规模可达百万以上，配套加氢站数量将在4500座以上，对应加氢站投资规模800亿元，相关设备投资规模达到500亿元。

1.2 国外加氢站发展现状

截止2018年，全球共有327座加氢站正在运行的加氢站，欧洲有139座，亚洲有120座，北美有68座。

美国：截止2018年2月，共有40座加氢站处于运营中，有31座是属于零售站。

日本 :世界上加氢站最多的国家，目前公共加氢站数量为94座，预计2020年达160个，2025年达到320个，2030年增加到900个，到2050年逐步替代加油站。

韩国：预计2020年达到80座，2025年达到210座，2030年达到520座。

法国：从2019年起，到2028年，加氢站规模建设增加至400-1000座。

德国：截止2018年底共有45座加氢站，其中36座是公共加氢站。

表1为国外各加氢站规格。

图1 全球主要加氢站分配表

表1 国外各加氢站规格

1.3 我国加氢站发展现状

截止2018年底，我国已建成、在用及在建的加氢站共有49座，分别位于北京、上海、江苏、大连、安徽、张家口、佛山、成都等地。大多为城市燃料电池公共示范汽车或自有的燃料电池物流车提供加注服务，暂未实现全商业化运营。

2019年《政府工作报告》中提到：在汽车市场中,要稳定汽车消费,继续执行新能源汽车购置优惠政策,推动充电、加氢等设施建设。

博思数据发布的《2018-2024年中国加氢站市场现状分析及投资前景研究报告》，根据中国制造2025对燃料电池汽车产业发展的规划，2025年的目标是实现加氢站等配套基础设施的完善。

预计2025年后国内燃料电池汽车产业将进入快速发展阶段，到2030年国内燃料电池汽车年销量规模可达百万以上，配套加氢站数量将在4500座以上，对应加氢站投资规模800亿元，相关设备投资规模达到500亿元。

2 加氢站技术方法与工艺路线

2.1 氢气提纯工艺

加氢站提供的氢气浓度应高于99.99%，须严格控制二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氯、氢、氧、水分和颗粒物等杂质的含量。

目前石化炼厂生产出来的氢气纯度不能满足氢燃料电池的要求，需考虑在氢原料工厂增设氢气提纯装置，氢气提纯通常由低温分离、膜分离和PSA提纯法，图2方案采用PSA提纯法。

图2 PSA提纯法

2.2 氢气运输方案

气氢管束拖车输送：运输能力为250～460 kg/车(4000 NM3/车)，运输技术成熟，输送网络的数量达到8个后，管束拖车运输成本逐渐稳定在2.3元/kg。

气氢管道：输送流量310～8900 kg/h，输送效率高，但一次性投资成本高，当加氢站规模达到1500 kg/d时，运输成本大约为6元/kg。

液氢槽车：输送槽罐车容量～65 m3，每次可净运输约4000 kg氢气。输送效率高，但氢气液化投资大，能耗高，对设备要求高。液氢槽车运输氢气的最低成本为0.4元/kg。 综合比较：目前加氢站宜采用管束拖车运输。

2.3 卸气系统

通过各泊位内的卸气柱，将氢气从管束内卸载，并输送至氢气增压系统和加注机。

当管束拖车上管束内压力与固定储气瓶内压力平衡，压缩机启动，继续将管束拖车储氢瓶中的氢气卸载到固定储氢瓶组中。

当管束内的氢气压力降至设定压力时(如6 MPa)，该管束停止卸气，并离开加氢站前往气源处加气。

2.4 增压系统

增压系统是整个加氢站的关键组成。 从氢气管束拖车上卸载下来的氢气通过压缩机增压后储存在站内的高压储氢瓶组，也可通过压缩机直接增压对燃料电池车辆进行充装。

为了充分利用压缩机增压能力，以及保证项目的正常运行和维护，氢气增压系统的技术参数综合考虑了增压效率和运行效率之间的关系。

2.5 加氢工艺

氢气属易燃易爆气体，具有易燃易爆性、热膨胀性，且在加氢站以高压形式储存，设计满足GB/T 34584-2017《加氢站安全技术规范》的规定。

加氢工艺如图3所示。

图3 加氢工艺

流程描述如下：

氢气管束拖车将小于20 MPa 的压缩氢气从氢气生产单位运送进加氢站。

氢气经卸气柱卸载后通过氢气压缩机增压至 43.8 MPa储存到站内固定储氢瓶组中，通过加注机加注。

氢气管束拖车也可同站内储氢瓶一起作为站内的一级储氢装置，通过多级取气的模式从储氢瓶组中输出氢气，通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中。

3 模拟加氢站建设方案

氢气属易燃易爆气体，具有易燃易爆性、热膨胀性，且在加氢站以高压形式储存。加氢站建设应满足GB 50516-2010《加氢站技术规范》(表2)规定。

表2 加氢站技术规范

本文拟建设在城市建成区内的三级加氢站：

(1)依托现有制氢装置，采用离站式制氢加氢方式，具有占地小，生产成本低，安全性高，易规模化等优势。

(2)根据氢气来源、氢能汽车流量、汽车的氢气充装容量等因素，配比最佳的充装时间、储氢罐数量、储氢压力等级。

(3)根据氢气的离站输送方式不同，配合高效卸气系统。

(4)选用分级加注和增压加注相结合的综合加注工艺，提高加注效率。

(5)优化加氢关键设备选择，氢气压缩机流量3500 Nm3/h，进气压力：5～20 MPa，排气压力45 MPa(G) ；储氢瓶20 MPa、40 MPa；加注机额定加注压力35 MPa。

详细配置如表3。

表3 三级加氢站配置

本加氢站，储氢能力1000 kg，大约能满足每天60台小车及20台大巴加氢需求。