劉建虎，李功洲，鄭津洋，劉玉濤，何廣利，周向榮，李磊祚，陳霖新

(1.世源科技工程有限公司，北京 100142；2.中國電子工程設(shè)計院有限公司， 北京 100142；3.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；4.中國航天科技集團有限公司 六院101所，北京 100074；5.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；6.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

1 概述

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《加氫站規(guī)范》)實施以來的近10年間，我國的氫能產(chǎn)業(yè)伴隨著氫燃料電池電動汽車的發(fā)展呈現(xiàn)了快速發(fā)展的態(tài)勢。依據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020年9月底，國內(nèi)已建成的各類加氫站共76座(加氫能力最大為2 000 kg/d，最小為20 kg/d)，在建10座(加氫能力最大為500 kg/d，最小為400 kg/d)，處于規(guī)劃階段78座(加氫能力最大為1 000 kg/d，最小為500 kg/d)，詳見表1。已建成的加氫站其建成年份大多在2018、2019年，詳見圖1。

表1 國內(nèi)加氫站相關(guān)建設(shè)情況

圖1 國內(nèi)已建成加氫站的建成年份分布

加氫站既包括獨立加氫站，也包括其與油、氣的合建站。合建站的優(yōu)勢[1]在于：可以有效解決加氫站的土地布局，降低運行費用，實現(xiàn)油(氣)、氫收益互補，特別是在目前加氫站建設(shè)費用較高、制氫成本較高的情況下，合建站是加快推進加氫站建設(shè)的一個重要途徑。

在合建站的推進方面，既有來自政府方面基于土地利用率的考慮，也有來自投資人基于成本、收益方面的推動。2014年上海市政府發(fā)布的《上海市新能源汽車推廣應(yīng)用實施方案(2013—2015年)》，要求進行《加油站內(nèi)加氫站建設(shè)規(guī)范》的研究。2019年7月1日，國內(nèi)首座氫、油合建站在廣東樟坑正式建成并投入商業(yè)運營。上海市的首個氫、油合建項目(含2座合建站)也于2019年11月18日建成投運。

2 問題的提出

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》第4.0.2條規(guī)定“在城市建成區(qū)內(nèi)不應(yīng)建立一級加氫站、一級加氫加氣合建站和一級加氫加油合建站”。關(guān)于合建站的等級劃分原則為：同時考慮合建站加氫、加油或加氣潛在危險的疊加，按照二級站疊加后為一級站、三級站疊加后為二級站以及三級合建站安全性、運營經(jīng)濟性綜合考慮。

上述等級劃分原則，在當(dāng)時氫能發(fā)展尚處于萌芽狀態(tài)的歷史背景下是合理的，同時對國內(nèi)已經(jīng)建成的合建站也起到了積極的引導(dǎo)作用。這些等級劃分原則在加氫、加油合建站項目的環(huán)境影響評價報告中均得到了較好體現(xiàn)。在《加氫站規(guī)范》實施近10年后的今天，上述等級劃分原則也表現(xiàn)出了一些不適應(yīng)的狀況，主要表現(xiàn)在以下兩方面：①側(cè)重于概念化的規(guī)定，缺乏量化指標(biāo)。例如：近幾年，《加氫站規(guī)范》的主編單位在國內(nèi)加氫站項目的設(shè)計中，以及編制組成員在各地氫、油合建站的方案評審中，經(jīng)常會遇到一級加油站與三級加氫站(多為示范級加氫站)組合的訴求，但《加氫站規(guī)范》的規(guī)定為“不得合建”，因此只能遵循《加氫站規(guī)范》的要求。甚至二級加油站與示范級加氫站的組合，也只能按一級合建站執(zhí)行。②在城市的中心區(qū)，如果目前已有的三級加油站滿足三級加氫站與站外設(shè)施防火間距的要求，是否可以在不提升合建站等級的條件下，增加三級加氫站。近年來探討城區(qū)內(nèi)加氫站規(guī)劃發(fā)展等內(nèi)容的論文已有多篇。近日，上海市科委表示已開始規(guī)劃加氫站向中環(huán)、內(nèi)環(huán)地區(qū)建設(shè)。目前，上海市的加氫站多位于外環(huán)。為此，已有學(xué)者針對城市中心區(qū)內(nèi)加氫站的建設(shè)提出[2]“近期示范階段可以固定式加氫站為主，布局在城區(qū)外圍；發(fā)展推廣階段以橇裝式加氫站為主(固定式加氫站為輔)向城區(qū)內(nèi)部滲透；遠期成熟階段以固定式和橇裝式相結(jié)合，逐步形成網(wǎng)絡(luò)布局”的發(fā)展思路。

3 加氫站及合建站等級劃分原則

本次《加氫站規(guī)范》局部修訂時，對于合建站等級劃分引入量化指標(biāo)。這一思路是受GB 18218—2018《危險化學(xué)品重大危險源辨識》中4.2節(jié)“重大危險源的辨識指標(biāo)”的啟發(fā)，其中第4.2.1 b)款規(guī)定：生產(chǎn)單元、儲存單元內(nèi)存在的危險化學(xué)品為多品種時，按式(1)計算，若滿足式(1)，則為重大危險源。

(1)

式中S——辨識指標(biāo)

n——危險化學(xué)品的種類

mi——第i種危險化學(xué)品的實際存在質(zhì)量，t

mi,l——第i種危險化學(xué)品的臨界質(zhì)量，t

3.1 量化指標(biāo)的建立

本次《加氫站規(guī)范》局部修訂時，依據(jù)目前國內(nèi)氫燃料電池電動汽車的發(fā)展?fàn)顩r，綜合考慮儲氫設(shè)施的能量密度、使用要求、經(jīng)濟性等因素，對各等級獨立加氫站的儲氫總?cè)萘窟M行了部分調(diào)整，見表2。表2中{mz}為mz以kg為單位的數(shù)值。表2中各等級加氫站的最大總?cè)萘繉⒆鳛橄拗怠?/p>

表2 加氫站的等級劃分及限值

依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》第3.0.9條，各等級加油站的油罐總?cè)莘e見表3。表3中{Vy,z}為Vy,z以m3為單位的數(shù)值，各等級加油站的最大總?cè)莘e將作為限值。各等級LNG加氣站的LNG儲罐總?cè)莘e見表4，表4中{VLNG,z}為VLNG,z以m3為單位的數(shù)值，各等級LNG加氣站的最大總?cè)莘e將作為限值。

表3 加油站的等級劃分及限值

表4 LNG加氣站的等級劃分及限值

引入判別公式：

(2)

式中S0——判別指標(biāo)

mH，S——設(shè)計氫氣總?cè)萘?，kg

mH,l——各等級加氫站的儲氫容量限值，kg

VS——設(shè)計油罐或LNG加氣站的LNG儲罐的容積，m3

Vl——各等級加油站的油罐或LNG加氣站的LNG儲罐的容積限值，m3

3.2 與量化指標(biāo)有關(guān)的數(shù)據(jù)

加氫站與加油、加氣站合建的結(jié)果，是儲存能量的變化及潛在風(fēng)險的疊加。

3.2.1 各等級獨立站最大儲能量

最大儲能量通過計算儲存能源的最大質(zhì)量與其低熱值的乘積獲得。

① 各等級獨立加氫站的最大儲能量

各等級獨立加氫站的最大儲能量見表5，其中氫氣純度按100%計，氫氣的低熱值按120.21 MJ/kg計。

表5 各等級獨立加氫站的最大儲能量

② 各等級獨立加油站的最大儲能量

各等級獨立加油站的最大儲能量見表6，其中汽油密度(20 ℃時)按GB 1793—2016《車用汽油》取平均值，即747.5 kg/m3；油罐充裝系數(shù)按《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》中第6.1.13條規(guī)定的95%計；汽油的平均低熱值按GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》附錄A，取43.124 MJ/kg。按汽油計最大儲能量。

表6 各等級獨立加油站的最大儲能量

③ 各等級獨立LNG加氣站的最大儲能量

各等級獨立LNG加氣站的最大儲能量見表7，其中LNG低熱值為46.521 MJ/kg；LNG密度(-162 ℃下)按453.2 kg/m3計；LNG儲罐的充裝系數(shù)按GB/T 18442.3—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計》中第13.2 b)條規(guī)定的90%計。

表7 各等級獨立LNG加氣站最大儲能量

3.2.2 各等級獨立站的潛在風(fēng)險

關(guān)于潛在風(fēng)險，其量化指標(biāo)采用同類項目安全評價的通用方法，以易燃、易爆場所子單元中蒸氣云爆炸(VCE)事故模型分析爆炸威力的TNT當(dāng)量來描述。僅取1臺最大容量儲存容器進行分析，不計及多米諾效應(yīng)。

① 獨立加氫站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

TNT當(dāng)量按下式[3]計算：

(3)

式中mTNT——蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量，kg

α——蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量系數(shù)，取4%

mf——燃料總質(zhì)量，kg，各級獨立加氫站按單罐最大容量計算

Qf——燃料的低熱值，MJ/kg

QTNT——TNT的爆熱，MJ/kg，取4.50 MJ/kg

各等級獨立加氫站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見表8。

表8 各等級獨立加氫站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量

② 獨立加油站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》中第4.0.4條規(guī)定的油罐均為埋地油罐，其爆炸機理是油罐內(nèi)油品氣化形成混合性爆炸氣體并達到爆炸極限，遇明火或高溫所致。故不能用地上油罐油品泄漏產(chǎn)生蒸氣云爆炸計算TNT當(dāng)量的方法計算埋地油罐的TNT當(dāng)量。

埋地油罐的TNT當(dāng)量依然采用公式(3)進行計算，其中mf計算公式為：

mf=Vqρqφs

(4)

式中Vq——汽油罐單罐容積,m3

ρq——汽油蒸氣密度，kg/m3

φs——汽油的爆炸上限

各等級獨立加油站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見表9。

表9 各等級獨立加油站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

③ 獨立LNG加氣站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

各等級獨立LNG加氣站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量按下式[4]計算：

(5)

式中mTNT,LNG——LNG加氣站的蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量，kg

A——地面爆炸系數(shù),由于蒸氣云爆炸是地面或近地面爆炸,爆炸總能量是實際能量的1.8倍,取1.8

mf，LNG——燃料的總質(zhì)量，kg，各級獨立LNG加氣站按單罐最大容積計算

Qf,LNG——LNG的低熱值，MJ/kg

各等級獨立LNG加氣站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見表10。

表10 各等級獨立LNG加氣站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

3.2.3 各等級獨立站最大儲能量及TNT當(dāng)量匯總

各等級獨立加氫站、加油站、LNG加氣站最大儲能量及蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量見表11。

表11 各等級獨立加氫站、加油站、LNG加氣站最大儲能量及蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

續(xù)表11

從表11可以看出，在各級獨立站中以加油站的最大儲能量為最大，以LNG加氣站的TNT當(dāng)量為最大且各級LNG加氣站的TNT當(dāng)量相同。

3.3 合建站最大儲能量及TNT當(dāng)量限值確定

① 加氫、加油合建站

將各級獨立站的最大儲能量的最大值作為各等級合建站最大儲能量的限值，將各級獨立站的TNT當(dāng)量的最大值作為各等級合建站TNT當(dāng)量的限值，見表12。

表12 各等級加氫、加油合建站最大儲能量及TNT當(dāng)量限值

② 加氫、加氣合建站

將各級獨立站的最大儲能量的最大值作為各等級合建站最大儲能量的限值。由于各等級LNG加氣站的TNT當(dāng)量相同，考慮LNG站的兩種加注方式(加注LNG、加注CNG)，一般需要配置CNG儲罐，因此將TNT當(dāng)量增加10%作為二級合建站的限值，增加15%作為一級合建站的限值，見表13。

表13 各等級加氫、加氣合建站最大儲能量及TNT當(dāng)量限值

3.4 判別指標(biāo)的驗證

mz≤2 000 kg的三級加氫站簡稱小三級加氫站，其單罐容量≤500 kg。VLNG,z≤30 m3的LNG加氣站稱為小三級加氣站，其單罐容積≤30 m3。

3.4.1 加氫、加油合建站

① 當(dāng)加油站的等級高于加氫站的等級時，判別指標(biāo)的公式為：

(6)

式中S1——加油站等級高于加氫站等級時的判別指標(biāo)

m3H,z——三級加氫站的臨界儲氫總?cè)萘?，kg，當(dāng)mz≤2 000 kg時，取2 000 kg；當(dāng)2 000 kg

Vy,S——加油站的設(shè)計油罐總?cè)莘e，m3

Vy,l——加油站的油罐總?cè)莘e限值，m3

② 當(dāng)加油站的等級低于加氫站的等級時，判別指標(biāo)的公式為：

(7)

式中S2——加油站等級低于加氫站等級時的判別指標(biāo)

V3y,l——三級加油站的臨界油罐總?cè)莘e，m3,當(dāng)Vy，z≤90 m3時，取90 m3；當(dāng)90 m3

③ 判別指標(biāo)的驗證

加氫、加油合建站等級劃分判別指標(biāo)驗證見表14。出于表述研究成果的需要，表14采用了較復(fù)雜的表格形式，未采用網(wǎng)格表。

表14 加氫、加油合建站等級劃分判別指標(biāo)驗證

以二級加油站和小三級加氫站合建為例，對合建站等級劃分判別指標(biāo)驗證過程進行分析。

對于S1>1的情況，二級加油站和小三級加氫站儲能量都取限值，進行分析。小三級加氫站的儲能量為241 GJ，二級加油站的儲能量為5 512 GJ，則合建站的儲能量為5 753 GJ。此值大于二級合建站的最大儲能量限值，且小于一級合建站的最大儲能量限值。小三級加氫站的TNT當(dāng)量為534 kg，二級加油站的TNT當(dāng)量為5 kg，則合建站的TNT當(dāng)量為539 kg，此值均小于一級、二級合建站的TNT當(dāng)量限值。因此綜合考慮儲能量和TNT當(dāng)量，判斷S1>1時二級加油站和小三級加氫站的合建站為一級。

對于S1≤1的情況，取S1=1極端情況分析。

設(shè)二級加油站的總儲油量占總?cè)莘e限值的比例為a，則小三級加氫站的總儲氫量占總?cè)萘肯拗档谋壤秊?-a。

合建站的儲能量計算公式為：

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

(8)

式中Qz——二級加油站和小三級加氫站合建站的儲能量，GJ

a——二級加油站的總儲油量占總?cè)莘e限值的比例

QH,x——小三級加氫站最大儲能量，GJ

Qy——二級加油站的最大儲能量，GJ

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)，得到Qz=241+5 271a。由于0

小三級加氫站的TNT當(dāng)量為534 kg，二級加油站的TNT當(dāng)量為5 kg，則合建站的TNT當(dāng)量為539 kg。此值均小于二級合建站的TNT當(dāng)量限值、三級合建站的TNT當(dāng)量限值。因此綜合考慮儲能量和TNT當(dāng)量，判斷S1≤1時二級加油站和小三級加氫站的合建站為二級。

其他小三級加氫站與加油站合建站、Vy,z≤90 m3的三級加油站(簡稱小三級加油站)與加氫站合建站情況，以及表15中小三級加氫站與LNG加氣站合建站、小三級LNG加氣站與加氫站合建站情況與此驗證過程類似。

3.4.2 加氫、加氣合建站

① 當(dāng)加氣站的等級高于加氫站的等級，判別指標(biāo)的公式為：

(9)

式中S3——加氣站等級高于加氫站等級時的判別指標(biāo)

VLNG,S——設(shè)計LNG儲罐總?cè)莘e，m3

VLNG,l——對應(yīng)加氣站等級的臨界LNG儲罐總?cè)莘e，m3

② 當(dāng)加氣站的等級低于加氫站的等級時，判別指標(biāo)的公式為：

(10)

式中S4——加氣站等級低于加氫站等級時的判別指標(biāo)

V3LNG,l——三級加氣站的臨界LNG儲罐總?cè)莘e，m3，當(dāng)VLNG，z≤30 m3時，取30 m3；當(dāng)30 m3

③ 判別指標(biāo)的驗證

加氫、加氣合建站等級劃分判別指標(biāo)驗證見表15。出于表述研究成果的需要，表15采用了較復(fù)雜的表格形式，未采用網(wǎng)格表。

表15 加氫、加氣合建站等級劃分判別指標(biāo)驗證

續(xù)表15

在計算中，9 m3的CNG儲罐的儲能量取108 GJ，TNT當(dāng)量取958 kg。

3.5 基于判別指標(biāo)的等級劃分表

將前文的表14、15簡化為表16、17，則分別作為加氫、加油合建站以及加氫、加氣合建站的等級劃分原則。

表16 加氫、加油合建站等級劃分原則

表17 加氫、加氣合建站等級劃分原則

續(xù)表17

4 結(jié)論

指出GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》關(guān)于加氫加氣合建站、加氫加油合建站等級劃分原則存在的不理想之處。進行GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》局部修訂過程中對加氫站等級劃分原則的研究，引入儲能量、TNT當(dāng)量作為量化指標(biāo)，確定更加科學(xué)合理的加氫站等級劃分原則。