劉平　蘇楓

【摘 要】液氫生產(chǎn)、輸送、儲存和安全使用方面一直是氫能源廣泛利用中的難題。根據(jù)液氫的特點(diǎn)以及現(xiàn)有的技術(shù)條件，結(jié)合液氫生產(chǎn)和使用的經(jīng)驗(yàn)，提出了從生產(chǎn)到最終使用的氫能利用一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】液氫；一體化；安全

中圖分類號： TK91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0029-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.012

0 引言

液氫生產(chǎn)、輸送、儲存和使用方面一直是氫能源利用推廣中的難題。項(xiàng)目組依據(jù)GJB2645《液氫貯存運(yùn)輸要求》、QJ2298《用氫安全技術(shù)規(guī)范》形成了獨(dú)特的具有完整知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)儲備，可以作為氫能利用一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 氫能利用一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫能利用是一個(gè)專業(yè)的系統(tǒng)化工程?，F(xiàn)以我司現(xiàn)有項(xiàng)目為例，詳細(xì)說明該系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)。該一體化系統(tǒng)由液氫工廠、氫氣充裝站及加氫站三個(gè)主要部分組成：

1.1 液氫工廠

液氫工廠主要包含氫安全系統(tǒng)、總監(jiān)控系統(tǒng)及氫液化系統(tǒng)。

a）氫安全系統(tǒng)

氫安全系統(tǒng)主要包括氫氣濃度報(bào)警、火焰報(bào)警以及視頻監(jiān)控。安全系統(tǒng)合理排布在三個(gè)項(xiàng)目的現(xiàn)場，主機(jī)置于總控制間。安全系統(tǒng)的電源和信號傳輸完全獨(dú)立于控制系統(tǒng)，只有關(guān)鍵的聯(lián)鎖停車與控制系統(tǒng)相連，確保整個(gè)氫能綜合利用項(xiàng)目的安全。

b）總監(jiān)控系統(tǒng)

為了便于在運(yùn)行過程中對三個(gè)工藝系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度，建立一套總監(jiān)控系統(tǒng)，本套系統(tǒng)可以使調(diào)度和上級部門在總控室實(shí)時(shí)看到整個(gè)工藝系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行更加合理的調(diào)度。本套總監(jiān)控系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、大屏幕顯示器以及配套的軟件、控制柜和線纜等等。

c）氫液化系統(tǒng)

氫液化系統(tǒng)是液氫制備站的核心部分，該系統(tǒng)可以將氣源氫氣經(jīng)過壓縮、預(yù)冷、純化、正仲氫轉(zhuǎn)化、膨脹等過程之后實(shí)現(xiàn)液化，完成將原料氫氣制備成產(chǎn)品液氫的任務(wù)。本套系統(tǒng)主要包括液化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、儀表氣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)等。系統(tǒng)常用參數(shù)如下：

產(chǎn)品液氫壓力：常壓產(chǎn)品；液氫溫度：-253℃；液氫產(chǎn)量：6.5t/d

1.2 氫氣充裝站

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、管束罐車及加氫站使用。氫氣充裝分兩部分，分別為基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)部分：

a）基礎(chǔ)平面布置

充裝站基礎(chǔ)建設(shè)的空間分布主要分為壓縮機(jī)廠房、分析間、控制間、排空塔、充裝工位及罐車回轉(zhuǎn)場地等組成，廠區(qū)空間為92m×75m，如圖1所示。

壓縮廠房為建筑基準(zhǔn)點(diǎn)，廠房內(nèi)主要布置18套壓縮機(jī)，其中8套22MPa壓縮機(jī)，3套45MPa壓縮機(jī)，預(yù)留二期工程7套備份壓縮機(jī)安裝空間，備份壓縮機(jī)中含5套22MPa壓縮機(jī)，2套45MPa壓縮機(jī)，每套壓縮機(jī)安裝工位大小為4.1m×3.1m，每列工位間余留1.8m檢修通道，每行工位間余留2m檢修通道，最外側(cè)設(shè)備與廠方內(nèi)墻間余留4m行走空間。

在廠房下部大于15m距離外設(shè)置控制間，控制間建筑平面約60m2，控制間屋頂與地面間距不小于3m，墻壁采用厚度不小于500mm的防爆墻。

在廠房上部大于4.5m距離外設(shè)置分析間，分析間建筑面積約40m2，分析間屋頂與地面間距不小于3m，墻壁采用厚度不小于500mm的防爆墻。

在廠房右部，間距不小于10m處設(shè)置充裝位，共有十個(gè)充裝位，每兩個(gè)充裝位設(shè)置為一組，每組充裝位間設(shè)置防爆隔離墻，墻后不小于500mm，墻高不低于2.5m，充裝位無頂棚，充裝位后部設(shè)置寬2.0m，高出地坪1.2m的充裝臺，每個(gè)充裝位有效空間為12m×3.5m，每組充裝位有效空間為12m×7.5m。

在充裝位毗連部設(shè)置18m×45m的罐車換轉(zhuǎn)區(qū)域。

在充裝位及壓縮廠房中間位置，距廠房間距不小于7.5m位置處設(shè)置排空塔，排空口高度大于所有建筑最高點(diǎn)2.0m。

b）設(shè)備及附屬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充裝站主要設(shè)備有壓縮機(jī)、過濾器、分析系統(tǒng)、會流排、充裝管路、置換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、放空系統(tǒng)、緊急排風(fēng)系統(tǒng)及附屬管路閥門等。

壓縮機(jī)主要位于壓縮廠房，主要功能是將變壓吸附后的高純氫加壓后輸入后續(xù)工藝管路。

過濾器位于壓縮機(jī)后部，輸送工藝管路前端，主要設(shè)備安裝于壓縮機(jī)廠房內(nèi)，起到對壓縮后的高壓氫起到再過濾作用。

分析系統(tǒng)位于工藝管路部分，對過濾后的高壓氫采樣分析，分析系統(tǒng)主要位于分析間內(nèi)，采樣口位于工藝管路上。

壓縮后的高壓氫通過工藝管路輸送至液氫工廠及加氫站，還有部分進(jìn)入充裝站，在進(jìn)入充裝管路前，高壓氫需要進(jìn)入?yún)R流排，進(jìn)行流量分配，匯流排位于充裝臺上，總長度約40m，分布有10個(gè)充裝口。

充裝管路位于匯流排后部，安裝于充裝臺上，每套充裝管路設(shè)置有獨(dú)立的安全排放口及充裝匯流口。

置換系統(tǒng)主要作用使將管道系統(tǒng)中的雜質(zhì)氣置換排放，位于匯流排前，主要設(shè)備安裝于充裝臺上。

控制系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)起到控制作用主要設(shè)備位于控制間。安全監(jiān)測系統(tǒng)主要對個(gè)廠房、充裝位的氫泄漏及濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警采取措施。放空系統(tǒng)位于壓縮廠房、分析間、控制間及充裝臺，對多余氫及管道氫通過放空管路高空排放。排風(fēng)系統(tǒng)主要位于壓縮廠房、分析間、控制間等密閉空間，對空間內(nèi)的氣體進(jìn)行排放置換。管路及閥門位于各個(gè)功能設(shè)備直間，對系統(tǒng)的氫起到輸送控制等作用。其具體參數(shù)如下：充裝壓力：20MPa；充裝純度：99.999%；充裝流量：4000Nm3/h

充裝工位：10個(gè)；適應(yīng)車輛：標(biāo)準(zhǔn)管束拖車

1.3 加氫站

加氫站的設(shè)計(jì)主要設(shè)備包含：儲氫氣瓶、高壓管道及接頭、閥門及其組件、加氫機(jī)、氮?dú)馀錃馀_、氫集中排放裝置、氫濃度傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、CPU控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、電纜及其附件、固定支架、安裝撬、冷卻系統(tǒng)。

加氫站設(shè)計(jì)加注壓力：35Mpa；最高儲存壓力：45MPa；加氫量：1000kg/12h；加注流量：≤5kg/min；存儲容量：800kg；連續(xù)加注：20輛燃料電池汽車和8輛燃料電池大巴。

加氫站設(shè)計(jì)加注流量：≤5kg/min；存儲容量：800kg；連續(xù)加注：20輛燃料電池汽車和8輛燃料電池大巴。

2 小結(jié)

氫能的大規(guī)模利用是一個(gè)具有很大潛力的行業(yè)，符合國家清潔能源計(jì)劃和發(fā)展政策，如何安全、便捷、高效的使用氫能是一個(gè)亟待解決的重大課題，在這方面，結(jié)合我們多年的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，提出了一套行之有據(jù)的解決方案。