油氢电合建站的建设设计与实践

张素珍

〔中国电子工程设计院有限公司 北京 100097〕

低碳化、多元化、清洁化的能源供应体系是我国能源转型的总体战略目标。氢能作为可持续发展的清洁可再生能源,将占据我国能源转型中重要地位。中国燃料电池汽车的发展目标计划到2025年将有5万辆氢燃料电池汽车上路。随着燃料电池汽车的逐年增加,急需加大加氢站的建设力度。

1 河南新乡某石油公司合建站发展环境分析

该公司拥有在营加油站133座,主要从事汽油、柴油、煤油的批发、零售以及便利店非油商品销售,承担着该市60%的市场保供责任,是该市最大的商品流通企业之一。虽然公司在加氢站建设方面仍处于起步阶段,加氢市场需求尚需培育,但如果利用好现有的加油站点资源,可在符合建设条件的加油站增设加氢、充电设施,使其成为“综合加能站”。

通过对货运、客运车辆主管部门的调研,综合政策推动的力度,加强与城市公交、环卫、邮政、通勤车辆等公司的合作,通过更换、新增新能源汽车或清洁能源汽车,利用其需求量大、客户稳定的特点,以确保加氢系统的盈利稳步增长。该合建站可提供35 MPa高压氢加注服务,预留了燃料电池轿车70 MPa高压氢加注设施的平面位置,并可为周围运营的社会车辆提供加注汽、柴油的服务,同时为电动汽车提供充电服务。本站站内最大储氢量约1 160.6 kg。合建站加氢设施配置情况见表1。

表1 合建站加氢设施配置情况

本站站内最大储油量折合汽油容积105 m3,其设施配置见表2。

表2 合建站储油罐配置情况

2 工艺流程设计

本项目加氢、加油设施按照工艺功能区域划分为8部分：气源系统、卸油系统、压缩系统、储气系统、储油系统、售气系统、售油系统、辅助系统。该油氢电合建站具体的加氢工艺流程如图1所示。

图1 加氢工艺流程

2.1 气源系统

氢气由长管拖车自加氢、加油站外运至本站,经卸气系统至氢气压缩系统。

2.2 压缩系统

压缩系统包含2台45 MPa隔膜式氢气压缩机、1台90 MPa隔膜式氢气压缩机(预留位置)。20 MPa的氢气从长管拖车经45 MPa隔膜式氢气压缩机升压至45 MPa,经管道至45 MPa储氢罐(储罐设计压力为50 MPa)。氢气也可由20 MPa的氢气从长管拖车经90 MPa隔膜式氢气压缩机(预留)升压至90 MPa经管道至90 MPa储氢罐(预留)。

2.3 储氢系统

本项目设计氢气储罐作为固定的储氢设备,同时根据需要配置长管拖车以提高供氢能力。

固定式储氢罐由3个45 MPa储氢罐、2个90 MPa储氢罐(预留位置)组成。45 MPa储氢罐长7 656 mm、直径1 598 mm、重45 900 kg,用于储存45 MPa压缩机排出的氢气,并为下一步工序的35 MPa加氢机提供气源及气量保证。90 MPa储氢罐1个(预留)用于储存90 MPa压缩机排出的氢气,并为下一步工序的70 MPa加氢机提供气源及气量保证。本项目的站内固定储氢量约1 160.6 kg。

2.4 加氢系统

加氢系统有2台加氢机,共用一个加氢岛。2台为35 MPa加氢机,用于给35 MPa燃料电池大巴车加氢,并为该加氢机附带制冷系统,用于把来自储氢罐的氢气预冷至-40 ℃再加注给车辆,从而保障安全快速的氢气加注。

2.5 卸油系统

汽、柴油经油罐车运输到油氢合建站卸油点,在相应的卸车位停好后熄火,然后接好静电接地装置,静置15 min后连接油罐与卸油口的快速接头,油品经卸油口软管自流至埋地油罐。卸油完成后静置5 min拆除连通软管,封闭好油罐卸油口快速接头,拆除静电接地装置。

2.6 储油系统

本设计油罐采用内钢外玻璃纤维增强塑料(SF)双层罐(即内层罐为钢制壳体,外层罐为玻璃纤维增强塑料壳体),配套相应的测漏系统(包括测漏报警器和夹层泄漏检测仪表等),能够在线检测油品泄漏并发出报警信号,以便采取相应措施,从而有效避免渗漏油品进入环境,污染土壤和地下水。在油罐内的进油管道上安装防溢流阀,当油罐内油品容积达到95%时,能自动关闭阀门,停止卸油。

根据《关于印发加油站地下水污染防治技术指南(试行)的通知》(环办水体函〔2017〕3号)及《关于地下水资源保护区加油站设置油罐防渗措施的紧急通知》(石化股份豫发函〔2014〕85号)等相关文件的环保要求,河南地区建设的加油站均采取防油品渗漏的保护,采用了双层油罐、双层管道、成品防渗操作井、加油机成品防渗底槽、输油管道为双层复合管道等防渗设备和技术,以及卸油油气回收和加油油气回收工艺。油罐设置液位计及高液位报警功能,可有效监控油罐溢出事故;加油站进油采用汽车油罐车运送、密闭式自流卸油方式。

2.7 加油系统

通过加油机的油泵将油品从储油罐抽出,然后用加油枪加到汽车油箱。

设置六枪三油品自吸型加油机。加油枪本身自带拉断阀,在加油站发生意外时可紧急切断加油机设备;同时汽油加油机设计了加油油气回收系统以减少汽油容器倒换过程中油气挥发排放的可能性,该技术和设备成熟、可靠。

2.8 汽油油气回收系统

本站所有地下管道均采用直埋敷设。加油管道坡向各自油罐,坡度≥0.5%;卸油管道坡向各自油罐,坡度≥0.5%;通气管坡向各自油罐,坡度≥1%;油气回收管道坡度≥1%,所有管道均有坡度,且均不得反坡。

3 合建站布置

3.1 总平面布置

本项目总用地面积为10 317.29m2。总平面布置按《GB 50156-2012(2014年版)汽车加油加气站设计与施工规范》和《GB 50516-2010加氢站技术规范》执行。站区出入口位置根据城乡规划局高新区规划分局的市政工程设计要求距城市道路红线交叉点不应小于70 m,不得对道路交叉口的交通造成影响,站房距西侧220 kV高压线满足1.5倍杆高(见图2)。

图2 合建站总平面布置图

该站站址地势平坦、开阔。场地共有一西一北一东三个出入口,开于西侧道路、北侧道路、东侧道路上,加油加氢机两侧道路宽度约10 m,便于车辆两侧加油加氢。加油加氢站平面布局合理紧凑,满足车辆运行及设备检修要求。站区南侧设有实体围墙,地块北侧通过绿篱与市政道路隔开,中间围墙为实体围墙。

3.2 工艺设备及加油加氢区布置

工艺设备平面布置按《GB 50516-2010加氢站技术规范》和《GB 50156-2012(2014年版)汽车加油加气站设计与施工规范》执行(见图3)。

图3 合建站工艺设备及加油加氢区布置

3.3 爆炸危险环境

根据工艺运行特点,按国家标准《GB 50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范》、《GB 50516-2010加氢站技术规范》及《GB 50156-2012(2014年版)汽车加油加气站设计与施工规范》的有关规定,本工程储氢罐、氢气长管拖车、氢气压缩机组、加氢机的设备内为 1 区,以设备外轮廓线为界面,以 4.5 m为半径的地面区域、顶部空间区域为 2 区。氢气排放口半径为 4.5 m的空间和顶部距离为 7.5 m的区域为 2 区;同时对加油机、油罐根据规范要求进行1区和2区的划分。爆炸危险区域的电气设备按相应区域的防爆要求选型。

3.4 防雷保护系统

本项目建设地点河南省新乡市的年均雷暴日为 24.1 d。加氢站防雷不应低于二类防雷建筑。根据《GB 50057-2010建筑物防雷设计规范》,本站按照不低于二类防雷建筑设计;站内各建筑物和构筑物设置防雷保护措施,防雷保护系统包含避雷针(带)、引下线、接地板、接地端子和接地极等。

4 自动控制

PLC 系统通过集成站内各设备的运行及控制信号,完成在站控室的统一控制,工艺管路各参数及紧急切断阀的控制信号均接入站控系统。在发生紧急情况时,按下设置在站房、加氢机附近的紧急按钮,可紧急切断供氢的管路,停止设备运行并切断氢气相关设备的电源。

4.1 压缩机控制系统

氢气压缩机设有独立的 PLC 控制系统控制其启停、报警和安全卸压等功能。除压缩机上的操作柱外,还在就地设有控制柜,设有手动和自动两种模式控制压缩机的启停。

4.2 加氢机控制系统

加氢机有独立的 PLC 控制系统,可控制加氢机对目标车辆进行氢气加注和计量、计费等。

4.3 加氢站控系统

加氢站控系统由视频监控系统、数据采集系统、安全系统组成。其中视频监控系统监视所有站内操作位及关键运行区域;数据采集系统采集记录站内各设备的运行数据;安全系统通过火焰探头及空气中氢气浓度报警、氢气泄漏探头不间断探测保障加氢站安全运行,并与紧急停车系统联动。

4.4 加油机、液位仪、测漏报警仪微机自动监控系统

油罐液位计采用高精度磁致伸缩液位计,精度高、有高低液位报警和测漏功能。汽油机和汽油通气管设置加油油气回收在线监测装置。加油油气回收在线监测控制器自带报警功能。当油气回收发生故障时,控制器发出声光报警,并在显示屏显示对应发生渗漏的管道。

5 重大危险源辨识和重大危险源等级

依据《GB 18218-2009危险化学品重大危险源辨识》的表1危险化学品名称及其临界量,对本站进行重大危险源辨识,见表3。

表3 危险化学品重大危险源的辨识

本站内存在的危险化学品为多品种,根据规范需要按式(1)计算,不满足式(1),则认为未构成危险化学品重大危险源：

S=q1/Q1+q2/Q2+…+qn/Qn≥1

(1)

式中：S为辨识指标;q1,q2,......,qn为每种危险化学品的实际存在量,t;Q1,Q2,......,Qn为与各危险化学品相对应的临界量[1],t。

根据式(1)计算公式S=q1/Q1+q2/Q2,求得S=0.37<1。

根据上述辨识结果,该项目未构成危险化学品重大危险源,故不必进行重大危险源分级。

6 设计采用的其他安全设施和措施

(1)工艺过程采取的防泄漏、防火、防爆等主要措施：①设备、管道材质、压力等级选择与其使用的温度、压力、介质等条件相适应;②法兰、垫片、紧固件的材质、压力等级选择与其使用的温度、压力、介质等条件相适应;③工艺过程设计中,设置各种检测仪表、自动联锁装置;④在生产过程中加强管理,严格按规范要求进行操作,防止泄漏造成火灾、爆炸事故;⑤采用密闭卸油系统,卸油快速接头均设置密封盖;⑥加油站选用SF双层卧式油罐,埋地敷设在罩棚下,双层油罐在油罐顶部的纵向中心线上设渗漏检测立管,保证油罐内外任何部位出现渗漏均能够被发现;⑦采用TN-S接地系统建筑的防雷接地、电气保护接地、通信接地等接地共用地网,接地电阻小于等于1 Ω,在站区内设置等电位联结端子箱,将电气装置外露可导电部分和装置外的金属管道、支架等可导电部分作可靠的等电位联接。整个站区内所有的设备基础、进出的金属管道(水、气管等)、建筑物金属结构、进线配电箱的PE母排等需作等电位联接,采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢,暗埋于站区地下作为接地网,扁钢埋深1 m,以实现联合接地连接。站区内设备基础与接地网连接,连接点不少于两处。过路需穿无碱玻璃纤维增强电缆导管保护,导管内径50 mm,刚度SN50。站内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、放空管、风管等均应与接地网连接。管道法兰、阀门等连接处采用金属线跨接。站区接地网由接地干线、接地极、接地支线以及地面以上的接地板等组成。防雷、防静电及电气设备的接地均接入站区接地网。站区内设置防静电地面的工作区域,在工作区域出入口设置了防静电释放金属球;⑧汽油通气管口安装阻火通气帽及机械呼吸阀;氢气放散管口安装阻火器。

(2)防噪音设计：对于压缩机、风机等设备的选型选用低噪音系列电机,电机设置防护罩,使噪声控制在75 dB以下。

(3)氢气分子小,易产生氢脆现象,会导致管道、管件、阀门破坏。当高压氢气泄漏后高压气流与空气分子产生碰撞、摩擦最终导致火灾甚至爆炸事故。

本站氢气管道采用ASME31.3-2014标准的无缝316L不锈钢管,仪表风(氮气)、放空、冷冻水管道材质选用304不锈钢管。管道连接形式,对于工作压力为20 MPa的氢气管道采用3600PSI卡套管连接、45 MPa的氢气管道采用20000PSI系列锥面螺纹连接;设计压力为2.5 MPa的氮气管道采用卡套连接;冷冻水管道DN≤40采用承插焊连接。

(4)氮气置换管道的常规设计是氮气管道加装单向阀、切断阀后连入氢气管道,但由于阀门内漏的问题不可完全避免并不易察觉,一旦发生内漏,氢气会串入氮气管道内,严重时可能会导致氢气进入仪表风(氮气)系统,带来很大的安全隐患。目前已经有加氢站发生此类事故。为了解决这个问题,本站采用了将置换氮气单向阀、切断阀后连接快速接头软管,需要置换吹扫时把此软管连接到氢气管道快速接头上开启阀门进行吹扫,吹扫后断开快速接头并盖上密封盖,防止污染管道及快速接头。

7 结束语

该油氢合建站在设计上充分考虑到影响安全的诸多因素,对可能发生的不安全因素采取较为全面的防范措施,规划合理,选址得当,工艺技术成熟可靠,主要装置、设施选型可靠,配套公用工程能力满足要求,周边安全距离、总平面布局、安全设施等均符合国家相关的法律、法规、标准及规范的要求。