劉 平，沈銀杰

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

1 簡介

氫能源是一種新興、潔凈的能源，為新能源汽車、氫能源公共汽車加注氫，使得氫或液氫真正作為普及性的能源被使用。使用氫能源，要點在于升壓技術、儲存技術和加注技術及其系統(tǒng)。在氫能源汽車的使用中，攜帶足夠的氫氣是關鍵條件，因此，必須盡可能地壓縮氫氣，壓力越高，氫儲罐儲存的氫氣就越多，其能量密度就越大，汽車一次充氫的實際使用里程就越多。因此，車載氫氣儲罐壓力一般都在35 MPa，有時甚至高達70 MPa。現(xiàn)階段，我國普遍使用的是20 MPa的壓力。對于加氫站來說，其儲罐儲存氫氣的壓力要高于汽車氫氣儲罐的壓力，這樣才能保證為汽車充氣。保證給汽車充氣的壓力只是一個必要條件，第二個條件是必須有足夠的氫能儲存用于加氫[1]。

在氫能的綜合利用中，氫氣充裝和加氫站的建設成為必須[2]。氫氣充裝站的功能是：接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用。加氫站的功能是：為燃料電池汽車或液氫槽車提供液氫加注。如何高效、安全、便捷地實現(xiàn)其功能，是我們在工藝設計時需要重點考慮的問題。本文詳細闡述了氫氣充裝站和加氫站的工藝設計，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

2 氫氣充裝站工藝設計

從工藝布置上考慮，充裝站基礎建設空間主要由壓縮機廠房、分析間、控制間、排空塔、充裝工位和罐車回轉場地等組成。因為廠區(qū)面積有限，所以，在工藝設計中，要認真考慮設計條件帶來的限制。氫氣充裝站主要用于接收變壓吸附后的高純氫，加壓后供液氫工廠、管束罐車和加氫站使用，所以，需要根據(jù)其功能設計相應的工藝流程。

充裝站的工藝流程是，變壓吸附后輸送的高純原料氫經壓縮機壓縮加壓后進入工藝管路，經匯流排分配后進入各個充裝工位，最后經加注管路裝入管束拖車。整個管路設置置換系統(tǒng)和安全排放系統(tǒng)。

置換系統(tǒng)在工藝系統(tǒng)中具有重要的作用，因為要保證商業(yè)用氫的純度。整個系統(tǒng)在開機階段、檢修或者故障修復后，必須用氮氣進行置換才能執(zhí)行必要的工序或者維護工作，否則無法保證整個系統(tǒng)的安全性或者可維修性。因此，置換系統(tǒng)作為工藝路線中關鍵的一環(huán)，必須存在。

安全排放系統(tǒng)的作用是排除系統(tǒng)內多余的氫，在必要的時候保證氫100%被排放出。作為特殊的介質，氫的安全使用是放在第一位的。在工藝設計中，安全排放系統(tǒng)的設置、設計、計算以及安全閥的使用，都是工藝設計需要嚴格計算的指標，要根據(jù)國家相關規(guī)程和標準來進行。

氫氣充裝系統(tǒng)主要包括閥門、高壓管路、加氣槍、限流、顯示器、計量、溫度補償、控制及緊急管路等。高壓管路上加有壓力報警器和安全裝置，加氣槍上安裝有壓力傳感器、溫度傳感器、過載保護、軟管斷裂保護和加氣優(yōu)先控制系統(tǒng)等。過濾器主要是為了保證氫氣的純度，只有高純度的氫才能達到整個系統(tǒng)的使用要求。加氣槍上的整套傳感系統(tǒng)和安全保證系統(tǒng)是在大規(guī)模應用時保證整個系統(tǒng)的安全性。整個氫氣充裝工藝經過嚴格的論證，具有很強的現(xiàn)實意義。氫氣的充裝為加氫站的大面積建設提供了有力的保證，從工藝系統(tǒng)的角度講，其屬于加氫站的上游工藝。

3 加氫站工藝設計

加注機是核心技術裝備，加注機在使用壓力75 MPa、流量50 Nm3/min、系統(tǒng)管道流速不大于15 m/s的工況條件下，才能使得制氫加氫站系統(tǒng)達到使用要求，同時，還要考慮如何計量收費才能方便商業(yè)使用。加注氫系統(tǒng)是由一對氫氣入口、雙電磁或氣動控制閥單元、質子流量計、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥和加注快卡接口組成。這樣就形成了一整套的商業(yè)加注氫系統(tǒng)，它類似于加油站或者天然氣加氣站，為日后的真正商業(yè)推廣提供有效助力。這也是工藝設計階段就必須要考慮的問題。

在加氫過程中，當高中低壓儲氣瓶組系統(tǒng)中任意一個儲氫瓶壓力低于35 MPa時，壓縮機啟動，對儲氣瓶組內的氫氣進行增壓，增壓鋼瓶順序為高壓儲氣瓶組→中壓儲氣瓶組→低壓儲氣瓶組。此外，為了便于緊急情況下對加氫站停車，在壓縮系統(tǒng)前設置有緊急切斷閥，一旦出現(xiàn)緊急情況，可通過緊急切斷閥關閉系統(tǒng)。氫加注工藝設計流程如圖1所示。

圖1 氫加注工藝設計流程圖

加氫站的功能是為燃料電池汽車或液氫槽車提供氫加注。本站工藝流程主要由增壓系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、氮氣系統(tǒng)、氫集中排放系統(tǒng)和氫安全監(jiān)控系統(tǒng)組成。

3.1 儲氫系統(tǒng)

采用分級充氣加注方案，分別配置45 MPa和22 Mpa的儲氫氣瓶，可實現(xiàn)快速加氫，并且提高站內氫氣利用率。儲氫容器為固定式裝置，總儲氫量為180 kg。

3.2 加氫系統(tǒng)

加氫系統(tǒng)的功能主要是實現(xiàn)氫的加注，這是該工藝的核心。在加氫系統(tǒng)工藝方面，主要考慮如何又快又安全地完成氫的加注，同時，實現(xiàn)自動計量計價。根據(jù)其功能，工藝設備主要包括一對氫氣入口、雙電磁閥單元、流量計、芯片控制器、顯示器（顯示流量、壓力、溫度、金額、氣量）、壓力感受器、溫度感受器、手動截止閥等，還要有快速使用的加注口。加氫口壓力為35 MPa，采用雙槍加氫機形式，對應不同種類的車型。加氫機采用取氣源優(yōu)先控制技術，利用多級儲氣設施，采用編程優(yōu)先控制器設定氣源優(yōu)先級，所加注的氫氣來自壓縮機和2個壓力等級的固定式儲氣瓶組，優(yōu)先次序考慮儲氣設施的數(shù)量和能力、壓縮機的能力等因素。加氫系統(tǒng)是工藝的核心，除了完成功能外，還要考慮緊急停機的功能，在特殊情況下能夠自動切斷加氫這一工藝過程，而且不對系統(tǒng)造成大的影響或者損失。

3.3 氮氣配氣系統(tǒng)

所有的加氫站都會配置有氮氣，氣控系統(tǒng)氣源、加氫站各種工藝管路、工藝設備的吹掃清潔都需要氮氣。氮氣的供應也是系統(tǒng)的一個重要組成部分，因此，設計了氮氣供應系統(tǒng)的工藝，即高壓氮氣瓶組提供充足的氮氣，氮氣經過減壓裝置（減壓裝置出來后氮氣的壓力大概在0.7 Mpa）分兩路供氣，其中一路作為其控制氣體，供給系統(tǒng)內緊急切斷閥的各個執(zhí)行機構，以保證緊急狀態(tài)下系統(tǒng)的可靠性和安全性；另外一路氣體負責啟動閥門的啟閉，這是通過起源控制壓縮機內的各個氣動閥門的執(zhí)行機構來實現(xiàn)的。在工藝上，還應該考慮在氮氣輸送管路上預留用于系統(tǒng)吹掃的接口，當系統(tǒng)需要吹掃時，只需要很簡便的操作就可以完成氮氣對系統(tǒng)的吹掃潔凈功能。另外，該路氣也可用在系統(tǒng)調試和維修過程中，這時候進行吹掃和空氣置換是很有必要的，而且對于整個工藝系統(tǒng)來說是必不可少的。

3.4 氫集中排放系統(tǒng)

氫氣易燃易爆，屬于高危性氣體氣源，從站內安全性考慮，對于加氫機、儲氫氣瓶、壓縮機等各裝置所排出的氫氣，工藝系統(tǒng)內設置有匯流排，匯流排會收集匯總各位置的氫，然后高空排放。高空排放時，要符合國家危險氣體或者廢物排放安全規(guī)程。

3.5 氫安全監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到氫氣的易擴散性、易燃燒性、易爆炸性的特點，需要在站內特別增加一套氫安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保站點的運營安全。氫安全監(jiān)控系統(tǒng)對加氫工藝過程進行控制和狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行和氫氣的安全排放，以滿足工藝系統(tǒng)相應的閥門控制、溫度、壓力等狀態(tài)實時監(jiān)控及現(xiàn)場工藝流程安全監(jiān)控和處理要求。

3.6 測控系統(tǒng)

加氫站測控系統(tǒng)主要包括工程師站、操作站、以太網通信系統(tǒng)、現(xiàn)場控制站系統(tǒng)、測量傳感器、供電電源和測控電纜等?，F(xiàn)階段，加氫站測控系統(tǒng)采用云平臺遠程控制技術，基于最新的測控和檢測手段實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。依據(jù)加氫工藝原理圖，測控系統(tǒng)的控制對象是管路上的電磁閥、氣動閥，測量的參數(shù)有溫度、壓力、液位、氫濃度、火焰報警信號。這些信號都可以實時傳遞到相關的云平臺、場站，使用單位可以接入監(jiān)控系統(tǒng)，授權相關責任人員，根據(jù)責任等級分配不同權限，對系統(tǒng)進行實時有效的監(jiān)測。在必要的時候，具有特殊權限的工程技術人員能夠強制操作，以防危險的發(fā)生。

4 結束語

人類對安全、高效、便捷的能源需求是無止境的，氫能的出現(xiàn)很好地解決了這一難題。但是，氫在自然界中是比較稀有的，要想使用氫能源，從如何獲取氫或氫氣，再到氫的液化以及增壓存儲，到氫的充裝和加注，以及最終氫燃料電池或者氫能源汽車的普及和使用，形成整個產業(yè)鏈條是至關重要的。氫能普及，工藝先行，因此，我們從工藝的角度進行了一些研究。

本文結合實踐經驗和現(xiàn)有技術，提出了加氫站和氫氣充裝站系統(tǒng)設計工藝，具有重要的現(xiàn)實意義，為氫能整個產業(yè)鏈條的完善提供了有益的思考和借鑒。在氫能的利用中，高效、安全、便捷使用是人類最終的需求和目的，只有不斷研究和試驗，才能最終實現(xiàn)氫能的普及。

［1］顧年華，尤麗霞，吳育華.2l世紀我國新能源開發(fā)展望［J］.中國能源，2002（1）：37-38.

［2］王恒秀，李莉.一種新型制氫技術［J］.化工進展，2001（7）：12-15.