加氢站工程建设实施的过程管理

李玉杏

〔中国石化销售股份有限公司 北京 100728〕

日益严重的能源危机和环境污染问题迫切要求人们开发洁净、经济的新能源。氢能是新能源革命的突破口，其燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是重要的二次能源。随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展和产业化，新能源汽车的相关研究也因之渐行渐丰，加速氢燃料电池技术的市场引入，发挥其实现碳清洁能源系统的潜力等已经成为我国能源结构低碳转型的重要一步。

伴随技术的迭代更新和不断进步，新能源汽车逐步进入商业场景应用，越来越多的家庭选择购置新能源汽车作为交通工具，新能源汽车在车辆系统技术、加氢设施、车辆储氢、制造成本、运行经验、标准和法规等方面还有大量问题需要系统地考虑和解决，开展示范加氢站建设的实施过程管理研究已显得十分必要。

1 建设背景

1.1 国内外氢能基础设施建设

1995年5月，德国在慕尼黑国际机场建成了世界上第一座用于氢能汽车的加氢站。日本、美国以及欧洲的一些国家在过去的26年时间里也大力发展建设加氢站，成为世界上加氢站相对集中区域。

日本是世界上最早推广氢燃料电池汽车的国家，并且很早便开始了加氢站建设。到2007年， 日本已经建成12座加氢站。后来由于种种原因建设速度放缓，在接下来的7年里，只增加了5座加氢站，总数增加到17座。日本在2014年恢复了加氢站建设，并将其作为日本未来新能源汽车的核心。2016年，日本经济贸易产业省(METI)在燃料电池专家委员会会议上提出清洁能源汽车的长远规划，包括使日本加氢站至2020财年增至160座，至2025财年增至320座。

美国正在加快加氢站建设步伐。美国第一座加氢站网络由博莱克威奇公司和第一元素燃料公司合作建设，其中包含19座加氢站。2015年，博莱克威奇公司完成了第一座TrueZero加氢站，该站位于加利福尼亚州的科林加，作为旧金山和洛杉矶之间的中途点。在该加氢站建成后的4个月内，6座加氢站相继完工。同年，日本丰田公司也在美国加州地区提供了临时可移动加氢站，以弥补固定加氢站数量的不足，以便于推广其品牌下的Mirai氢燃料电池汽车。据不完全统计，截至2020年，美国建成并开放给氢燃料电池汽车用户的加氢站共有39座，其中35座位于加利福尼亚州。

德国政府和企业在加氢站建设方面也表现出了巨大兴趣。戴姆勒集团和林德集团于2014年联合宣布，他们将于2015年底在德国建造20座加氢站。德国联邦外贸与投资署( GTAI)称，德国将成为第一个拥有基本加氢站网络的国家。该加氢站网络将从德国的北海覆盖到南部的阿尔卑斯山，每个大都市的市区将建设至少10座加氢站。据计划，德国将在2023年将建成400座加氢站。

据不完全统计，截至2020年底，全球主要经济体已建成加氢站527座、在运营504座，其中欧盟179座高居榜首，日本137座紧随其后，中国101座全面超过德国位居第三，韩国43座赶超受疫情影响的美国成为运营加氢站第四多的国家。从近年情况看，以中日韩为代表的亚洲成为推动加氢能基础设施建设的主要力量。

2020 年12月12 日，国家主席习近平在气候雄心峰会上宣布，未来中国将全面关注碳排放指标，进一步加大减排力度，力争在2030年前碳排放达到峰值，中国单位国内生产总值碳排放将比 2005 年下降 65 % 以上，非化石能源占一次能源消费比重达到 25 % 左右，努力争取 2060 年前实现碳中和[1]。这展现了中国坚定不移推动经济社会绿色转型发展的决心。

在政府全力推动能源革命的战略背景下，我国对氢燃料电池汽车的研究和发展不断加快。中国石化作为国内制氢规模最大的企业，年制氢能力可达350万t，占比全国14 %，加上终端氢气加注网点的全力布局和物流配套设施的逐步完善，为打造氢能全产业链协同发展奠定了坚实的基础。目前中国石化加氢站布局已经全面展开，已有将近20座投入运营，预计年底将达到100座以上，氢能全产业链的贯通对于加氢站建设布局至关重要，也是氢燃料电池汽车能够商业化推广的必要条件。

1.2 国内氢能基础设施建设管理现状

我国早在十几年前就开始探索氢能加注基础设施建设，但前期发展比较缓慢，直到2016年10月，《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，氢能基础设施发展路线及目标才进一步明确，加氢站建设数量也开始稳步上升。上海在2007年底建成了首座固定式加氢站，之后还陆续建设了多座加氢站以满足氢燃料电池汽车发展的需要[2]，多数由厂家牵头组织建设，主要对安装过程实施重点管理，但普遍存在目标规划不到位、智能化水平差、设计和建设标准不高、报批及验收程序不规范不到位等问题。北京加氢站初期采用一种叫做压缩氢储藏型加氢站，它将氢加压至19.6 MPa，用储气罐和大容量拖车运输。工程建设采用全过程项目管理模式，整个项目划分为启动、计划、执行、控制和收尾这5个不同的阶段，工程建设由工程总包单位与业主、厂家进行共同监督管理。2017～2019 年，我国加氢站整体增速明显，加氢压力由35 MPa逐步向70 MPa升级，氢气加注能力及规模也开始不断提升，日供氢能力甚至可以达到1 000 kg 以上。从主要服务于研发中的氢燃料电池试验车辆到可以初步为新能源公共客车、家用轿车提供加注服务，凸显了加氢站等加氢基础设施在链接上游氢气制备和下游氢气应用的关键作用。

本文结合中国石化近几年氢能源示范站点的建设及实施经验，对加氢站新建项目立项选址、设计报建、建设施工、调试验收以及经营办证等全过程管理工作，从建设单位实施项目管理的视角进行综合分析，为加氢站建设提出一种模块化过程管理方法。

2 建设实施模式

2.1 选取实施模式

新建加氢站项目选取设计总承包模式。业主督导管理的EPC实施模式，按照“全员全专业全过程”的EPC实施要求，以工程项目建设管理目标为核心，制定项目相关标准和工作流程，指导项目参建方完善各自管理职能，并搭建项目管理平台，整合多方资源，实现资源的科学、规范、有序管理，在工程建设全过程对多参与方行协同管控，提高整体工作效率，达到各项管理目标[3]。

2.2 搭建管理组织机构

新建加氢站项目建设管理组织是指为开展项目建设管理及实现组织职能而进行的组织系统的设计与建立、组织运行和组织调整。针对加氢站新建项目特点，完善EPC设计总承包模式下组织系统的设计与建立，组建全面实施项目管理任务的组织机构，配套建设必要的制度和管理办法，划分并明确岗位、层次、部门的责任和权力，并针对新建加氢站项目的设计、建造、运维等不同阶段，确定相匹配的实施对象，来保证顺利与有效地实现组织目标。

为使EPC管理模式能够有效地进行建设服务，在实施团队的建立过程中一定要结合工程建设项目管理团队职能的分工，本工程确定以设计团队作为设计阶段的具体实施团队，施工承包单位、设备供应及安装单位和施工监理单位作为施工阶段的具体实施团队，专业的团队完成专业的事情，以保证工作质量。同时聘请具有丰富经验的业主方项目管理人员进行监督指导，协同工程建设全过程的组织者，对各阶段、各团队工作进行指导并完成质量的审核。新建加氢站项目工作划分与职责见表1。

表1 新建加氢站项目工作划分与职责

3 建设实施过程管理

本次新建加氢站从示范工程的特点出发，引入EPC建设管理模式，在实施过程中打造工程共同体概念，并结合加氢站项目示范工程阶段模型(图1)，以主要利益相关者的职责和交付物为标准，确定本工程的关键决策点及划分阶段(表2)，并提出过程模型(图2)。主要分为项目立项和选址阶段、项目设计和报建阶段、项目建设实施阶段、项目验收和办证阶段。在监理例会、设计交底、专项会议等参建各方沟通的场合，项目指导委员会要求EPC团队组织各方辅助参与，突破项目参建方传统孤立的工作模式，建立基于设计总承包的多元协作机制，降低沟通成本。

图1 加氢站项目示范工程阶段模型

表2 加氢站项目关键决策点及划分阶段

图2 加氢站项目示范工程过程模型

3.1 加氢站项目立项和选址阶段过程管理

建设方依据自身需求及所处的政策环境进行市场调研以及技术发展调研，主要包括前期考察选择、可行性研究报告编制、立项手续办理、前期设计等工作，形成加氢站示范工程的初步概念和远景规划。加氢站项目选址需要综合考虑多方面因素进行，包括地理位置、产业政策、配套保障、市场需求、经济效益等因素。

(1)加氢站建设选址要关注政策环境、用地性质、周边条件和国土空间规划，确保符合地方产业政策和发展规划。在行业发展初期，为鼓励加氢站建设，部分地区政府在试点项目上对加氢站建设用地政策有所突破，个别项目利用非商业用地进行加氢站建设，但从未来加氢站商业化运作的趋势和角度来看，存在一定的风险。因此，建议加氢站建设选址初期就要锁定商用土地，从源头上确保后续建设经营合法合规。

(2)选址时要根据现行GB 50516《加氢站技术规范》中续表4.0.4A，综合考虑站外建构筑物安全间距要求。各类建筑、厂房、物品仓库、变配电站、铁路、城市道路、进出道口、高架桥、架空通信线路等，要充分考虑市政消防用水，氢气运距、进出管束车行驶区域等影响因素，严格遵照现行规范及标准要求，统筹考虑各方面因素，合理确定选址。

(3)选址时要确保审批手续完备。选址过程中应及时取得规划、土地、交通、住建、应急等部门综合批复意见，同时加快与发改部门衔接办理项目核准或备案手续。

(4)在确定加氢站建设初步方案后，建设方组织发规、经营、财务、安全等方面的专家对项目进行论证，形成项目可行性建议书，并将此意向书提交给总部销售公司，待收到项目批复后，确定项目的资金情况，并对工程进行招投标程序。

3.2 加氢站项目设计和报建阶段过程管理

加氢站立项完成后，在确认项目符合各项规定后由建设方选择工艺方案和工艺设计包，通过合规程序委托具备资质要求的EPC设计总承包单位(即项目领导组)开展方案设计和详细设计。设计阶段一般由总图、工艺、设备、仪表、电气、建筑(土建)、结构、给排水、采暖通风、概算等专业共同完成，作好EPC设计总包相应过程管理计划，对资源、资金、质量、进度、风险、环保等环节作出实施方案，并在EPC项目组织设计中对安全设施、防治污染设施、防疫设施、劳动安全卫生设施、职业病防护设施等开展三同时工作，总体设计方案需向相关主管部门办理报审手续，并向建设主管部门申请办理工程施工许可证，待前述手续落实后方可进入施工阶段。

在项目设计阶段，建设方对加氢站工艺设计提出要求，需要综合考虑氢气压缩能力、站内储氢能力、氢气运输能力、日加注能力、峰值加注能力、连续加注能力、加注效率、加氢预冷能力、有效加氢时间、综合能耗等参数指标，并结合生产运营需求，确定工艺方案[4]。

3.2.1 氢气储气瓶设计

加氢站内压缩氢气的储存一般采用两种方式：一是采用无缝锻造的大型储氢瓶组，单个气瓶水容积为600～l 500 L；二是采用小容积气瓶，单个气瓶水容积为45～80 L。相比较来说，两种方式各有利弊，大型储氢瓶组的投资成本明显高于小型瓶组，但由于气阀、管件和安全附件数量少，后续维护成本降低，大型瓶组的可靠性和安全性等优势也更加突出。

考虑到加氢站商业化运营后承载的氢气需求量将逐步增大，可考虑选择大型储氢瓶组作为站内固定储氢装置，同时采取二三级取气加注的模式建设，单个储氢瓶水容积为895 L，按每组6瓶设置6只高压站用钢瓶(图3)，固定储氢总量在200 kg以上。按此方案，可以节省车内氢瓶充满时间，实现车辆快速加注，同时有效减少了压缩机启动频次，氢气加注的工艺流程进一步优化。另外，可考虑在储氢瓶组上方设计引入冷水喷淋装置，一旦出现季节性气温过高的情形，立即对瓶组启动喷淋降温，避免由于高温而导致瓶内氢气产生超压现象。

图3 加氢站站用高压储氢瓶组示意图

3.2.2 氢气压缩机设计

氢气压缩设备常用的为隔膜式压缩机(图4)，该类型压缩机主要靠金属膜片在气缸中往复运动来压缩和输送气体。膜片沿周边由两限制板夹紧并组成气缸，并由机械或液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送，是整个加氢站中最为关键的设备之一。上海某加氢站就是采用撬装式结构，在撬内设置两台隔膜式氢气压缩机组，并共用一套闭环冷却系统，但控制系统和放散系统相互独立，相互不受影响。该压缩机系统最高可将站内氢气增压至45 MPa，充分满足进站每天车辆氢气加注需求[5]。隔膜式氢气压缩机原理示意见图4。

图4 隔膜式氢气压缩机原理示意图

3.2.3 氢气加注设计

加氢机即为氢气加注设备，其原理与加气机相似，加注氢气时压力需达到35 MPa，因此对氢气加注过程中的安全性能和要求也有着更加严格的标准。特别是氢气加注配套的流量计、阀门、加氢枪、拉断阀等设施均需确保计量准确、结构衔接紧密且具有较强的耐高压性能，保证加氢过程中的安全。

3.2.4 加氢站内控制系统

加氢站内控制系统(图5)是保障整个加氢站工艺流程正常有序运行的关键，控制系统必须对加氢站内所有工艺程序全覆盖，并能够实施监控站内工艺运转情况。站内控制系统一般采用分布、分级的控制方式，可以实现分散控制、集中管理。加氢站控制系统由两级计算机组成，站内全部检测仪表、阀门状态、可燃气体检测等信号可以在控制室集中显示、统一监测，同时也可以对阀门实施自动控制。因此，站控系统可以实现对加氢站运行全过程的实时监测、控制，也可以实现对站内卸气、增压、储氢、可燃气体检测、火焰探测、视频监控、加气等关键数据进行统一采集。加氢站内控制系统见图5所示。

图5 加氢站内控制系统示意图

3.3 加氢站项目建设实施阶段过程管理

在加氢站项目设计和报建阶段评审合格后，需要将图纸和模型具体化，进行建造施工以及设备安装。EPC设计总承包单位应组织施工实施团队与设备集成供应及安装团队进行加氢站建设及设备安装。项目指导委员会与监理实施团队共同对工程建设过程进行监督管理审核，并做好变更管理和过程控制。

项目的施工过程管理包括监理实施团队介入、招投标、材料采购、长周期设备制作、 施工过程、中间交接等内容，重点是安全、健康、环境对工程质量、进度、成本三要素的科学化管理和最优化控制。工程监理实施团队对施工质量承担监理责任。

3.3.1 加氢站项目进度实施管理

为推动加氢站工期建设目标安全、高效实现，需要细化项目管理职能，根据项目特点和建设模式成立EPC设计总包项目实施团队和建设方监督管理团队，进一步明确项目责任主体和管理职责，项目团队合理分工，实施项目经理负责制，并根据职能配备相应专业人员作为技术支持和配套保障，推动项目快速有序开展实施。

在设计牵头总包管理模式下，由项目设计实施团队和施工实施团队共同编制工程总体统筹控制计划和施工设计大纲，工期安排和成本支出严格按照制定的计划执行，保证项目关键节点( 里程碑) 如期完成，从而确保整个项目目标的实现。根据项目施工承包管理模式不同，合理安排项目招标采购、设备进厂时间，合理安排工期并提高项目建设效率。

3.3.2 加氢站项目质量实施管理

实施过程质量管控(图6)由建设、监理和EPC总包单位共同负责。严把招标采购关，招标工作启动前便进行项目严格管理，严格审查资质，从签订的技术协议、材料采购合同、工程施工合同上提高项目施工质量，特别是要全面关注主设备采购、监检、安装，压力容器、压力管道报监、安装和测试，防雷、防爆和防静电施工与测试，消防和安防系统施工以及调试、系统和联合调试等重点工作。

图6 影响质量因素示意图

严控材料验收。完善材料设备的验收程序，对入厂材料把关验收，严格入厂质量控制。在使用过程中通过抽查、抽检，利用先进仪器进行材料质量控制。严格关注设备质量，设备来源要确保，杜绝低端厂家的设备，清楚界定招标门槛，确保进厂设备满足工艺生产要求。并将原材料及构件出厂证明、质量鉴定、复验单存档。

压力容器和压力管道施工是加氢站建设过程管控的关键环节。基于氢气本质安全管理需要，要防止氢气泄漏、逸出、聚集及外源污染，全面杜绝生燃烧和爆炸隐患[6]。建设实施过程中需严格控制水蒸汽、油脂、颗粒物等外源污染，确保进站车辆安全加注符合车用燃料电池要求的氢气。同时对于压力容器和压力管道的施工在进场前要提前办理监检报备，确保符合政府主管部门要求，施工测试后需取得压力容器和压力管道使用许可证，以便后续手续办理顺畅。

施工过程中建设和监理单位要共同做好现场监督和协调，确保现场施工质量可控、进度可控。先由施工单位质量自检、监理单位质量监督验收、职能部门联合质量验收、工程质量监督机构全过程监督的质量保证体系，明确质量控制点，对重点部位、关键工序进行动态控制。对地质勘探、基础工程、隐蔽工程、焊接试验等各类工作做好验收记录。

3.3.3 加氢站项目成本实施管理

加氢站项目的成本管控，一般是指在项目推进过程中，对所消耗的人力、物力等资源以及各项费用支出进行指导、跟踪、监管和控制，适时对比实际执行与计划的差异，及时采取纠偏措施，把项目推进涉及的各项费用控制在计划成本范围之内，努力确保成本目标的实现。施工工期和施工成本之间应当是一种辨证的统一的关系。较长的施工工期，必然导致固定费用的增加，而过短的掩工工期，肯定会使资源的投入加大，导致费用的增加。因此，合理的工期会产生合理的工程成本。质量和成本有一定的联系，但影响的因素很多，关系比较复杂[7]。一般情况下，项目成本会随着施工质量水平(包括技术、工艺和管理要求等)的提高而相应增加。而项目成本的控制，一方面要尽可能控制成本支出，另一方面还要同步提高项目预期收益，这样才能实现更好的成本控制水平。

在项目实施管理过程中，可采取相应措施推动成本控制：①建立项目资金使用及往来登记台账，做好月度财务收支计划分析比对，用计划执行率管控成本费用支出；②建立项目成本审核签证制度，控制成本费用支出；③强化质量管控，合理降低质量成本；④坚持现场管理标准化，堵塞浪费漏洞；⑤定期对项目开展经济核算“三同步”检查(即统计核算、业务核算、会计核算)，避免项目成本出现异常；⑥引入成本控制工具，比如成本分析表法来辅助项目成本控制；⑦认真会审图纸，积极提出修改意见；⑧加强合同预算管理，增刨工程预算收入；⑨制订先进的、经济合理的施工方案；⑩落实技术组织措施；组织均衡施工，加快施工进度。加氢站施工平面示意图见图7。

图7 加氢站施工平面示意图

3.4 加氢站项目验收和取证阶段过程管理

在中交验收前，需编制出包括氢气运输过程的整站运行方案，组织好人员、技术、安全环保、物资、资金、经营和外部条件等工作。工程中间标志着施工告一段落，项目开始进入联动调试阶段。对于加氢站项目来说，设备运行准备、试车和注氢运行是建设阶段转入生产运营的必要条件，建设方应组织供氢资源，并与EPC总包单位配合，在监理部门的监督审核下，对各类装备生产能力、工艺指标、产品质量、设备性能、自控水平、消耗定额等是否达到设计要求进行全面考核。

此阶段以工程移交为关键决策点，包括工程决算审计以及环保、消防、安全、职业卫生、档案等专业部门的验收工作。需要将项目管理过程中生成的所有文件(包括声像文件)归档整理给档案管理部门。项目后评价是对项目论证、决策、实施、运营等管理过程进行全方位梳理和分析，从目标实现率、合规性、实效性和创新性等方面进行全面评估。

加氢站项目完成试运行并达到相关规定要求后，建设单位要向住建、规划、消防、质监、气象、档案、环保、市场监管等政府部门申请专项验收。同时还要组织开展安全、环保“三同时验收”，若政府相关验收流程还未配套落实，也可由建设单位依据前期安全条件、设施审查意见并参考相关规定自行组织验收，验收合格后报当地应急管理局备案。以上专项验收通过后，建设单位按照各地相应规定提报主管部门核发《燃气经营许可证》、《气瓶(压力容器)充装许可证》、《氢气经营许可证》。取得相应证照后建设单位依法开展加氢站商业经营活动。

4 建设案例应用及分析

中石化南宁某加氢站采用EPC设计总承包并由建设方全程介入协调管理的模式，站点占地面积约7 800 m2，原已设置并经营汽柴油、CNG等两种能源，该站紧邻原有闲置油库，得益于场地的独特便利条件，利用周边空余场地对站点功能进行全面升级改造，增设加氢、光伏、充电、换电及非油品多业态的综合体服务功能；其中加氢部分设计为三级加氢站(储氢量≤1 000 kg)，站内设置一组9根型45 MPa储氢瓶组，总水容积9 m3，2台双枪双系统加氢机，1台≥500 kg/12 h排气能力隔膜式压缩机，2台单柜双系统卸气柱，1组顺序控制柜及其他配套工艺管线、仪表风、自控、冷却系统等，可同时满足4辆车加注，单日加氢能力可达500 kg，同时预留二期设备位置，确保后续加氢量增加后可以增设相应的设备[8]。

该项目实施过程中业主方、设计方和监理方全程合力监督，出现设计与实际条件冲突的情况时能够及时论证出具设计变更，尽早作出既满足规范标准又符合建设场地实际情况的调整，同时严格执行施工质量验收规范和中石化集团统一标准做法，进一步降低了时间成本和沟通成本[9]；这种一体化建设模式有利于整个项目的统筹协同，有效解决设计与施工的衔接、减少采购与施工的中间环节，解决施工方案的实用性、技术性和安全性的矛盾关系，对费用和进度的控制都有很好的效果。而传统的管理模式质量监督管理多依托监理方，返工情况时有出现，对建设工期和成本均造成损耗。

正常来说，加氢站建设周期约需4～5个月(120～150天)的时间，南宁加氢站项目原定工期计划为105天，采用EPC总承包并由建设方全程介入协调管理模式推进，实际仅用时90天就完成了全部内容，提前3周组织项目验收，比计划节省15天；另外，在成本管控方面，南宁加氢站设计源头把控较好，实施过程中较少出现变更及返工情况，目前看预计投资可节省约16 %，也进一步验证了这种模式在项目实施阶段的管理优势。

5 结束语

经科学数据统计，在集中制氢厂制氢，并用汽车将装有氢气的高压气瓶输运到氢气加注站，加注给以氢气为燃料的燃料电池汽车是全生命周期的能源利用效率、环境影响和经济性指标均为最佳的实施方案，这就促使我国加氢站基础设施建设进入快速增长期。基建建设随着项目管理手段的不断完善以及管理模式的日趋成熟，逐渐形成一体化建站模式。