加氢站等级划分原则的研究

刘建虎，李功洲，郑津洋，刘玉涛，何广利，周向荣，李磊祚，陈霖新

(1.世源科技工程有限公司，北京 100142；2.中国电子工程设计院有限公司， 北京 100142；3.浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310058；4.中国航天科技集团有限公司 六院101所，北京 100074；5.北京低碳清洁能源研究院，北京 102211；6.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

1 概述

GB 50516—2010《加氢站技术规范》(以下简称《加氢站规范》)实施以来的近10年间，我国的氢能产业伴随着氢燃料电池电动汽车的发展呈现了快速发展的态势。依据最新统计数据，截至2020年9月底，国内已建成的各类加氢站共76座(加氢能力最大为2 000 kg/d，最小为20 kg/d)，在建10座(加氢能力最大为500 kg/d，最小为400 kg/d)，处于规划阶段78座(加氢能力最大为1 000 kg/d，最小为500 kg/d)，详见表1。已建成的加氢站其建成年份大多在2018、2019年，详见图1。

表1 国内加氢站相关建设情况

图1 国内已建成加氢站的建成年份分布

加氢站既包括独立加氢站，也包括其与油、气的合建站。合建站的优势[1]在于：可以有效解决加氢站的土地布局，降低运行费用，实现油(气)、氢收益互补，特别是在目前加氢站建设费用较高、制氢成本较高的情况下，合建站是加快推进加氢站建设的一个重要途径。

在合建站的推进方面，既有来自政府方面基于土地利用率的考虑，也有来自投资人基于成本、收益方面的推动。2014年上海市政府发布的《上海市新能源汽车推广应用实施方案(2013—2015年)》，要求进行《加油站内加氢站建设规范》的研究。2019年7月1日，国内首座氢、油合建站在广东樟坑正式建成并投入商业运营。上海市的首个氢、油合建项目(含2座合建站)也于2019年11月18日建成投运。

2 问题的提出

GB 50516—2010《加氢站技术规范》第4.0.2条规定“在城市建成区内不应建立一级加氢站、一级加氢加气合建站和一级加氢加油合建站”。关于合建站的等级划分原则为：同时考虑合建站加氢、加油或加气潜在危险的叠加，按照二级站叠加后为一级站、三级站叠加后为二级站以及三级合建站安全性、运营经济性综合考虑。

上述等级划分原则，在当时氢能发展尚处于萌芽状态的历史背景下是合理的，同时对国内已经建成的合建站也起到了积极的引导作用。这些等级划分原则在加氢、加油合建站项目的环境影响评价报告中均得到了较好体现。在《加氢站规范》实施近10年后的今天，上述等级划分原则也表现出了一些不适应的状况，主要表现在以下两方面：①侧重于概念化的规定，缺乏量化指标。例如：近几年，《加氢站规范》的主编单位在国内加氢站项目的设计中，以及编制组成员在各地氢、油合建站的方案评审中，经常会遇到一级加油站与三级加氢站(多为示范级加氢站)组合的诉求，但《加氢站规范》的规定为“不得合建”，因此只能遵循《加氢站规范》的要求。甚至二级加油站与示范级加氢站的组合，也只能按一级合建站执行。②在城市的中心区，如果目前已有的三级加油站满足三级加氢站与站外设施防火间距的要求，是否可以在不提升合建站等级的条件下，增加三级加氢站。近年来探讨城区内加氢站规划发展等内容的论文已有多篇。近日，上海市科委表示已开始规划加氢站向中环、内环地区建设。目前，上海市的加氢站多位于外环。为此，已有学者针对城市中心区内加氢站的建设提出[2]“近期示范阶段可以固定式加氢站为主，布局在城区外围；发展推广阶段以橇装式加氢站为主(固定式加氢站为辅)向城区内部渗透；远期成熟阶段以固定式和橇装式相结合，逐步形成网络布局”的发展思路。

3 加氢站及合建站等级划分原则

本次《加氢站规范》局部修订时，对于合建站等级划分引入量化指标。这一思路是受GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》中4.2节“重大危险源的辨识指标”的启发，其中第4.2.1 b)款规定：生产单元、储存单元内存在的危险化学品为多品种时，按式(1)计算，若满足式(1)，则为重大危险源。

(1)

式中S——辨识指标

n——危险化学品的种类

mi——第i种危险化学品的实际存在质量，t

mi,l——第i种危险化学品的临界质量，t

3.1 量化指标的建立

本次《加氢站规范》局部修订时，依据目前国内氢燃料电池电动汽车的发展状况，综合考虑储氢设施的能量密度、使用要求、经济性等因素，对各等级独立加氢站的储氢总容量进行了部分调整，见表2。表2中{mz}为mz以kg为单位的数值。表2中各等级加氢站的最大总容量将作为限值。

表2 加氢站的等级划分及限值

依据住房和城乡建设部发布的《汽车加油加气加氢站技术标准(征求意见稿)》第3.0.9条，各等级加油站的油罐总容积见表3。表3中{Vy,z}为Vy,z以m3为单位的数值，各等级加油站的最大总容积将作为限值。各等级LNG加气站的LNG储罐总容积见表4，表4中{VLNG,z}为VLNG,z以m3为单位的数值，各等级LNG加气站的最大总容积将作为限值。

表3 加油站的等级划分及限值

表4 LNG加气站的等级划分及限值

引入判别公式：

(2)

式中S0——判别指标

mH，S——设计氢气总容量，kg

mH,l——各等级加氢站的储氢容量限值，kg

VS——设计油罐或LNG加气站的LNG储罐的容积，m3

Vl——各等级加油站的油罐或LNG加气站的LNG储罐的容积限值，m3

3.2 与量化指标有关的数据

加氢站与加油、加气站合建的结果，是储存能量的变化及潜在风险的叠加。

3.2.1 各等级独立站最大储能量

最大储能量通过计算储存能源的最大质量与其低热值的乘积获得。

① 各等级独立加氢站的最大储能量

各等级独立加氢站的最大储能量见表5，其中氢气纯度按100%计，氢气的低热值按120.21 MJ/kg计。

表5 各等级独立加氢站的最大储能量

② 各等级独立加油站的最大储能量

各等级独立加油站的最大储能量见表6，其中汽油密度(20 ℃时)按GB 1793—2016《车用汽油》取平均值，即747.5 kg/m3；油罐充装系数按《汽车加油加气加氢站技术标准(征求意见稿)》中第6.1.13条规定的95%计；汽油的平均低热值按GB/T 2589—2020《综合能耗计算通则》附录A，取43.124 MJ/kg。按汽油计最大储能量。

表6 各等级独立加油站的最大储能量

③ 各等级独立LNG加气站的最大储能量

各等级独立LNG加气站的最大储能量见表7，其中LNG低热值为46.521 MJ/kg；LNG密度(-162 ℃下)按453.2 kg/m3计；LNG储罐的充装系数按GB/T 18442.3—2019《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》中第13.2 b)条规定的90%计。

表7 各等级独立LNG加气站最大储能量

3.2.2 各等级独立站的潜在风险

关于潜在风险，其量化指标采用同类项目安全评价的通用方法，以易燃、易爆场所子单元中蒸气云爆炸(VCE)事故模型分析爆炸威力的TNT当量来描述。仅取1台最大容量储存容器进行分析，不计及多米诺效应。

① 独立加氢站蒸气云爆炸TNT当量

TNT当量按下式[3]计算：

(3)

式中mTNT——蒸气云爆炸的TNT当量，kg

α——蒸气云爆炸的TNT当量系数，取4%

mf——燃料总质量，kg，各级独立加氢站按单罐最大容量计算

Qf——燃料的低热值，MJ/kg

QTNT——TNT的爆热，MJ/kg，取4.50 MJ/kg

各等级独立加氢站蒸气云爆炸的TNT当量见表8。

表8 各等级独立加氢站蒸气云爆炸的TNT当量

② 独立加油站蒸气云爆炸TNT当量

《汽车加油加气加氢站技术标准(征求意见稿)》中第4.0.4条规定的油罐均为埋地油罐，其爆炸机理是油罐内油品气化形成混合性爆炸气体并达到爆炸极限，遇明火或高温所致。故不能用地上油罐油品泄漏产生蒸气云爆炸计算TNT当量的方法计算埋地油罐的TNT当量。

埋地油罐的TNT当量依然采用公式(3)进行计算，其中mf计算公式为：

mf=Vqρqφs

(4)

式中Vq——汽油罐单罐容积,m3

ρq——汽油蒸气密度，kg/m3

φs——汽油的爆炸上限

各等级独立加油站蒸气云爆炸的TNT当量见表9。

表9 各等级独立加油站蒸气云爆炸TNT当量

③ 独立LNG加气站蒸气云爆炸TNT当量

各等级独立LNG加气站蒸气云爆炸的TNT当量按下式[4]计算：

(5)

式中mTNT,LNG——LNG加气站的蒸气云爆炸的TNT当量，kg

A——地面爆炸系数,由于蒸气云爆炸是地面或近地面爆炸,爆炸总能量是实际能量的1.8倍,取1.8

mf，LNG——燃料的总质量，kg，各级独立LNG加气站按单罐最大容积计算

Qf,LNG——LNG的低热值，MJ/kg

各等级独立LNG加气站蒸气云爆炸的TNT当量见表10。

表10 各等级独立LNG加气站蒸气云爆炸TNT当量

3.2.3 各等级独立站最大储能量及TNT当量汇总

各等级独立加氢站、加油站、LNG加气站最大储能量及蒸气云爆炸TNT当量见表11。

表11 各等级独立加氢站、加油站、LNG加气站最大储能量及蒸气云爆炸TNT当量

续表11

从表11可以看出，在各级独立站中以加油站的最大储能量为最大，以LNG加气站的TNT当量为最大且各级LNG加气站的TNT当量相同。

3.3 合建站最大储能量及TNT当量限值确定

① 加氢、加油合建站

将各级独立站的最大储能量的最大值作为各等级合建站最大储能量的限值，将各级独立站的TNT当量的最大值作为各等级合建站TNT当量的限值，见表12。

表12 各等级加氢、加油合建站最大储能量及TNT当量限值

② 加氢、加气合建站

将各级独立站的最大储能量的最大值作为各等级合建站最大储能量的限值。由于各等级LNG加气站的TNT当量相同，考虑LNG站的两种加注方式(加注LNG、加注CNG)，一般需要配置CNG储罐，因此将TNT当量增加10%作为二级合建站的限值，增加15%作为一级合建站的限值，见表13。

表13 各等级加氢、加气合建站最大储能量及TNT当量限值

3.4 判别指标的验证

mz≤2 000 kg的三级加氢站简称小三级加氢站，其单罐容量≤500 kg。VLNG,z≤30 m3的LNG加气站称为小三级加气站，其单罐容积≤30 m3。

3.4.1 加氢、加油合建站

① 当加油站的等级高于加氢站的等级时，判别指标的公式为：

(6)

式中S1——加油站等级高于加氢站等级时的判别指标

m3H,z——三级加氢站的临界储氢总容量，kg，当mz≤2 000 kg时，取2 000 kg；当2 000 kg

Vy,S——加油站的设计油罐总容积，m3

Vy,l——加油站的油罐总容积限值，m3

② 当加油站的等级低于加氢站的等级时，判别指标的公式为：

(7)

式中S2——加油站等级低于加氢站等级时的判别指标

V3y,l——三级加油站的临界油罐总容积，m3,当Vy，z≤90 m3时，取90 m3；当90 m3

③ 判别指标的验证

加氢、加油合建站等级划分判别指标验证见表14。出于表述研究成果的需要，表14采用了较复杂的表格形式，未采用网格表。

表14 加氢、加油合建站等级划分判别指标验证

以二级加油站和小三级加氢站合建为例，对合建站等级划分判别指标验证过程进行分析。

对于S1>1的情况，二级加油站和小三级加氢站储能量都取限值，进行分析。小三级加氢站的储能量为241 GJ，二级加油站的储能量为5 512 GJ，则合建站的储能量为5 753 GJ。此值大于二级合建站的最大储能量限值，且小于一级合建站的最大储能量限值。小三级加氢站的TNT当量为534 kg，二级加油站的TNT当量为5 kg，则合建站的TNT当量为539 kg，此值均小于一级、二级合建站的TNT当量限值。因此综合考虑储能量和TNT当量，判断S1>1时二级加油站和小三级加氢站的合建站为一级。

对于S1≤1的情况，取S1=1极端情况分析。

设二级加油站的总储油量占总容积限值的比例为a，则小三级加氢站的总储氢量占总容量限值的比例为1-a。

合建站的储能量计算公式为：

Qz=(1-a)QH,x+aQy

(8)

式中Qz——二级加油站和小三级加氢站合建站的储能量，GJ

a——二级加油站的总储油量占总容积限值的比例

QH,x——小三级加氢站最大储能量，GJ

Qy——二级加油站的最大储能量，GJ

将有关数据代入式(8)，得到Qz=241+5 271a。由于0

小三级加氢站的TNT当量为534 kg，二级加油站的TNT当量为5 kg，则合建站的TNT当量为539 kg。此值均小于二级合建站的TNT当量限值、三级合建站的TNT当量限值。因此综合考虑储能量和TNT当量，判断S1≤1时二级加油站和小三级加氢站的合建站为二级。

其他小三级加氢站与加油站合建站、Vy,z≤90 m3的三级加油站(简称小三级加油站)与加氢站合建站情况，以及表15中小三级加氢站与LNG加气站合建站、小三级LNG加气站与加氢站合建站情况与此验证过程类似。

3.4.2 加氢、加气合建站

① 当加气站的等级高于加氢站的等级，判别指标的公式为：

(9)

式中S3——加气站等级高于加氢站等级时的判别指标

VLNG,S——设计LNG储罐总容积，m3

VLNG,l——对应加气站等级的临界LNG储罐总容积，m3

② 当加气站的等级低于加氢站的等级时，判别指标的公式为：

(10)

式中S4——加气站等级低于加氢站等级时的判别指标

V3LNG,l——三级加气站的临界LNG储罐总容积，m3，当VLNG，z≤30 m3时，取30 m3；当30 m3

③ 判别指标的验证

加氢、加气合建站等级划分判别指标验证见表15。出于表述研究成果的需要，表15采用了较复杂的表格形式，未采用网格表。

表15 加氢、加气合建站等级划分判别指标验证

续表15

在计算中，9 m3的CNG储罐的储能量取108 GJ，TNT当量取958 kg。

3.5 基于判别指标的等级划分表

将前文的表14、15简化为表16、17，则分别作为加氢、加油合建站以及加氢、加气合建站的等级划分原则。

表16 加氢、加油合建站等级划分原则

表17 加氢、加气合建站等级划分原则

续表17

4 结论

指出GB 50516—2010《加氢站技术规范》关于加氢加气合建站、加氢加油合建站等级划分原则存在的不理想之处。进行GB 50516—2010《加氢站技术规范》局部修订过程中对加氢站等级划分原则的研究，引入储能量、TNT当量作为量化指标，确定更加科学合理的加氢站等级划分原则。