楊建飛

中國石化銷售公司培訓中心 北京 懷柔 101400

黨的二十大報告就“雙碳目標”做出新的戰(zhàn)略部署，積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和作為新時代美麗中國建設重要工作。在此驅(qū)動下，我國能源消費結(jié)構(gòu)正朝著以氫能、太陽能和新一代核電為代表的清潔能源逐步發(fā)展。氫能源作為產(chǎn)業(yè)升級的關鍵，使得加氫站受到國際性重視。隨著氫能大規(guī)模商業(yè)應用的發(fā)展，氫能基礎設施，如加氫站等將進入快速發(fā)展的時期，因為加氫站不僅是氫燃料電池汽車等氫能利用技術向外延伸發(fā)展的重要基礎設施，更是氫產(chǎn)業(yè)的必不可少的組成。

1 氫能發(fā)展現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的氫能制備，中游氫能儲存運輸，下游氫燃料電池及氫能源燃料電池的應用等環(huán)節(jié)[1]。作為真正意義上“零排放”的清潔能源，我國以氫燃料電池示范應用為牽引，對氫能產(chǎn)業(yè)的支持力度不斷增加。依據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》，到 2025年，中國燃料電池車輛運行車輛5-10萬輛；在2030 年- 2035年五年時間，以氫能及燃料電池汽車大范圍擴充使用為方向，達到燃料電池汽車保有量100 萬輛的目標。

1.1 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

加氫站是指給燃料電池汽車提供氫氣的燃氣站，氫氣經(jīng)氫氣壓縮增壓后，在高壓儲罐內(nèi)儲存，然后通過氫氣加注機為燃料電池汽車加注氫氣。是氫燃料電池車能夠更好推廣、應用的保證，也是氫氣儲運中重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院統(tǒng)計，截至2022年底，全球主要國家在營加氫站數(shù)量達到727座，同比增長22.4%。我國累計建成運營加氫站358座，同比增長40.4%，其中在營245座，位居世界第一。

1.2 主要制氫方式及特點

氫氣標準狀態(tài)下（101.3kPa，0℃）呈氣態(tài)，密度為0.089 8kg／m3，沸點為—252.8℃，具有無色、無味、無毒、易燃、易爆等特點。氫能有無污染、效率高、可再生等優(yōu)點，在交通運輸化工和儲能等領域應用前景廣闊。

1.3 加氫站制氫技術

和汽柴油、天然氣一樣，氫氣同樣作為動力能源，進入市場后，將面對生產(chǎn)供應、儲存運輸、銷售這3個環(huán)節(jié)，氫氣在3個環(huán)節(jié)有優(yōu)勢，但也面臨挑戰(zhàn)。分布式就地制氫方式實現(xiàn)站內(nèi)供氫可利用現(xiàn)有技術，大幅減少氫氣的中間運輸成本，減少加氫站氫氣存儲量和高壓卸氫操作，對降低氫氣產(chǎn)品價格和保障加氫站安全運轉(zhuǎn)具有重要意義。

國內(nèi)外適用于制氫加氫一體站的制氫技術主要包括：天然氣重整、甲醇重整和電解水制氫技術。表1為全球各國具有代表性的制氫加氫一體站情況。得益于可再生能源豐富、電價便宜，歐洲和北美地區(qū)的制氫加氫一體站普遍采用的是堿性水電解（ALK）或質(zhì)子交換膜電解（PEM）水制氫技術[3]。

表1 全球各國具有代表性的制氫加氫一體站情況

1.3.1 水電解制氫

水電解制氫原理是通過電解裝置，讓水在陰極產(chǎn)生氫氣，陽極產(chǎn)生氧氣，氫氣通過干燥裝置進行干燥后，在純化器中進行純化，以達到燃料電池對氫氣的純度要求。電解水制氫適用于小規(guī)模制氫，是最主要的“綠氫”來源，可實現(xiàn)零排放。

1.3.2 天然氣制氫

天然氣制氫，是以甲烷為主要制氫原料，通過多種方法，如：蒸汽重整法（SRM）、部分氧化法（POM）、自熱重整法（MATR）、催化裂解法（MCD），這種制氫方式有點明顯，具體包括：高制氫效率、最低的碳排放量、適用于大規(guī)模工業(yè)產(chǎn)氫等。但同時也存在不足，它會在在制氫過程中伴隨產(chǎn)生大量的二氧化碳并排放。故而，通過這種方式產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)品被稱為“灰氫”[2]。

1.3.3 甲醇制氫

甲醇制氫的方法主要包括：甲醇裂解、甲醇部分氧化重整、甲醇水蒸氣重整。通過甲醇制氫方式產(chǎn)生的氫氣含量低，且一氧化碳含量高（超過了10%），因此這種方法較少應用?，F(xiàn)階段，甲醇制氫主要采用甲醇蒸汽重整法，甲醇和蒸汽在200℃以上條件下，通過催化劑床層，經(jīng)過反應生成氫氣、二氧化碳、一氧化碳[3]。詳見以下公式：

CH30H+H20—C02+3H2

甲醇裂解CH3OH—CO+2H2

WGS變換CO+H20—C02+H2

與天然氣相比，甲醇制氫具有反應溫度低、技術成熟、氫氣產(chǎn)率高、氫氣易分離且作為二次石化能源產(chǎn)品來源豐富，更易儲輸，在原料、能耗以及制氫規(guī)模靈活性和效率等方面，優(yōu)勢都非常明顯，尤其適合于中小規(guī)模的綜合加能站現(xiàn)場制氫。以甲醇重整制氫技術為路線的制氫加氫一體站更適合當前市場需求。

2 分布式建站模式

通過設計分布式甲醇制氫裝置，利用其集成度高、布局方便、占地面積小、土建施工少、安裝快捷、建站速度快等優(yōu)點，同時撬塊化設計，便于運輸、吊運和管理，既適用永久站，又適用臨時站，可加快加氫站的布局和建設速度。因此，無論是現(xiàn)階段還是將來，通過分布式就地制氫方式實現(xiàn)站內(nèi)供氫，都是很有發(fā)展前景和基礎的。此外，在國家發(fā)改委和能源局前期發(fā)布的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃》（2016—2030年）中，分布式制氫技術也被列為氫能與燃料電池領域技術創(chuàng)新的戰(zhàn)略發(fā)展方向[4]。

2.1 分布式一體化加氫裝置

分布式一體化加氫裝置主要包括制氫系統(tǒng)和加氫系統(tǒng)兩部分。其中，制氫系統(tǒng)主要包括制氫、純化、壓縮及配套設施；加氫系統(tǒng)包括充卸氫、壓縮、存儲、加氫及配套設施，見圖1。

圖1 分布式制氫加氫一體站的工藝流程示意圖

2.1.1 中國石化大連盛港綜合加能站甲醇水蒸氣重整制氫流程

甲醇和水通過原料液計量泵加壓后，原料發(fā)生汽化過熱達到反應所需溫度，隨后在反應器內(nèi)進行甲醇蒸汽重整反應，最終主要生成H2、CO2、CO和微量雜質(zhì)的混合氣，經(jīng)氫氣提純設備高效制備燃料電池級氫氣，解吸氣進入催化氧化單元供熱，無污染排放。甲醇分布式制氫裝置包括甲醇重整反應、變壓吸附（rPSA）提純、催化燃燒及導熱油傳熱三部分（如圖2）。

圖2 甲醇重整制氫加氫流程圖

按此技術路線，甲醇儲氫質(zhì)量分數(shù)可達18.75%，遠高于目前常用的70MPa高壓儲氣瓶。此外，制氫成本合理可接受，產(chǎn)物組成簡單、易于分離提純，可滿足加氫站內(nèi)分布式制氫就地供氫要求。但另一方面，甲醇水蒸氣重整過程是一個高溫有利的吸熱反應，目前甲醇水蒸氣重整制氫的反應溫度一般在250℃以上，能耗很高，根據(jù)各子單元工藝參數(shù)設定，以系統(tǒng)最優(yōu)為目標，協(xié)調(diào)匹配全系統(tǒng)工藝物料流向和換熱物料流向，實現(xiàn)系統(tǒng)物料和能量耦合利用效率最大化。全系統(tǒng)能量耦合解決甲醇重整單元吸熱量與催化氧化單元放熱量的能量匹配問題。

2.1.2 分布式甲醇制氫加氫一體站主要設備設施

主生產(chǎn)單元為1000 kg/d分布式甲醇制氫撬裝生產(chǎn)裝置（如圖3），輔助生產(chǎn)設施包括甲醇儲罐、氫氣壓縮灌裝以及配套的公用工程設施：控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、空氮站、除鹽水站、循環(huán)水站，其中建筑部分、消防設備等設施依托站點的總體規(guī)劃（如圖4）。

圖3 分布式甲醇制氫撬裝生產(chǎn)裝置

圖4 輔助設施及公用工程設施

系統(tǒng)集成了分布式制氫（燃料電池級）、公用工程和加注三大模塊（如圖5），實現(xiàn)了制氫、供氫、加氫的連續(xù)化操作。其中分布式制氫裝置采用了撬裝化、單元模塊化、靈活接口等設計，可實現(xiàn)裝置整體運輸、非現(xiàn)場維護換劑，模塊化更換方式；通過先進的自動控制設計，可實現(xiàn)智能化操作、實時數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、應急狀態(tài)自動報警和裝置智能化運行等現(xiàn)代化工作模式。

圖5 站內(nèi)制氫系統(tǒng)示意圖

3 甲醇制氫加氫一體站安全風險分析

基于甲醇制氫裝置的特點，其潛在風險主要存在于氫氣的制備、儲存和加注3個環(huán)節(jié)。

一是制備過程中的易燃易爆風險。首先作為制氫的原材料甲醇，其本身易燃易爆性強，一定條件下會產(chǎn)生燃燒、爆炸，引起火災等事故。其次制備出的氫氣在高壓條件下快速泄露釋放到管道等狹小空間內(nèi)，在氫氣射流前端導激波效應影響下，氫氣在噴發(fā)時便會發(fā)生自燃。在一定范圍的管道直徑和長度下，可以引發(fā)點燃的釋放壓力下限是3.7MPa，這一數(shù)值遠遠小于加氫裝置各個環(huán)節(jié)的工作壓力。由于氫氣密度小于空氣，氫氣泄露到自然環(huán)境中，會以極快的速度上升并擴散，迅速達到爆炸下限。氫氣在高壓泄露時，噴射速度非常快，能在很短時間內(nèi)達到聲速，并且形成一個大范圍的爆炸。氫氣在擴散時，遇到人體靜電、電氣等設備設施電路能量和車輛等物體高溫表面都會發(fā)生爆炸[5]。

二是高壓存儲過程中的泄露和脆化風險。高壓儲氫罐是H2的主要儲存設施，儲存壓力（30-85MPa），在高壓影響下，儲氫設備或局部零部件因質(zhì)量缺陷，罐體和管道因質(zhì)量缺陷產(chǎn)生破損引起氫氣泄露，泄露產(chǎn)生的射流問題會引起噴射火事故，這一過程中產(chǎn)生的火焰也會對周邊各類設施帶來風險，造成更大安全隱患、事故。其次，在高溫高壓環(huán)境下，氫對碳鋼設備易產(chǎn)生氫（致）損傷，具體表現(xiàn)為氫鼓泡、氫脆斷裂、鋼材表面、內(nèi)部脫碳（也稱氫腐蝕）。氫氣可以滲透到金屬設備的碳素中，從而引發(fā)金屬管道及儲存設備的“氫脆”破壞，還會導致儲存設備和傳輸管道的塑性和強度急劇下降，致使設備損壞，導致泄漏事故。另外，“氫脆”問題只能預防，而無法治理，且一旦產(chǎn)生“氫脆”，消除則非常困難。

三是氫氣加注過程存在的主要風險包括頻繁充氫過程工藝失控、氫氣加注以及串壓等風險。在加注氫氣時，因為拉扯、踩踏、壓等外力因素，加氫軟管會產(chǎn)生破損，如車輛意外啟動拉斷軟管或拉倒加氫機，導致氫氣泄漏事故。加氫站在加注氫氣時，一些不當操作會導致氫氣泄露，泄露后的氫氣遇罩棚頂后產(chǎn)生聚集，從而形成大范圍的可燃氣云，產(chǎn)生安全隱患，存在爆炸等安全風險。

3.2 一體化加氫站安全防范措施與管理

隨著氫燃料電池技術的迭代發(fā)展，國內(nèi)加氫站數(shù)量必將隨著氫燃料汽車的崛起而加速上升，加氫站氫氣泄露、設備設施故障帶來的燃爆事故會產(chǎn)生嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。因此，加氫站建設是否能為社會公眾提供安全可靠、風險可控且不會比傳統(tǒng)加油加氣站風險高的技術保障，將會是其進一步發(fā)展的重大制約因素。從表2可以得知，氫氣的危險性遠超兩種常用的燃料——甲烷和汽油。氫氣具有擴散速度快、無色無味泄露難以察覺、點火能極低、可燃范圍大、爆炸范圍寬、層流火焰速度高、脆化金屬材料等理化特點。為進一步探明高壓氫氣泄漏帶來的燃爆風險，有研究人員在多方面進行了研究，認為氫氣高速泄放時具有很大可能性會發(fā)生自燃引發(fā)噴射火，氫氣自燃行為一般被認為是多個因素或多方面原因共同影響的結(jié)果。一旦發(fā)生泄露聚集，遇極小能量被點燃，將造成嚴重的燃爆事故。因此，做好加氫站的安全管理尤為重要。

表2 氫氣與兩種常用燃料的基本屬性對比及氫氣特性

3.2.1 安全設計

踐行“安全源于設計、安全源于管理、安全源于責任”，理念，應當優(yōu)先采用本質(zhì)安全化工藝，從源頭控制工藝危害。因此，在加氫站設計中應綜合考慮安全性、可靠性、經(jīng)濟型、先進性，且出于氫氣安全的考慮，安全、工藝、防雷、消防和控制系統(tǒng)設計是加氫站設計工作的重點內(nèi)容。深入貫徹事前本征安全、事中主動安全和事后被動安全的加氫站安全防范設計理念，即：要求加氫站內(nèi)工藝系統(tǒng)與設備本質(zhì)安全設計要重視，做到氫不泄漏；如果發(fā)生泄漏，要有相應設備和控制系統(tǒng)能及時檢測發(fā)現(xiàn)并采取控制措施；同時必須做好電氣防爆設計以及嚴禁煙火等安全制度，杜絕點火源發(fā)生；加氫站應當設置防爆墻，嚴格控制安全間距，制定行之有效的應急預案，備齊應急物資，做到即使發(fā)生火災，也能將影響范圍控制住或控制在可接受范圍。

3.2.2 加氫站關鍵設備安全要求

加氫站作為一個集壓縮、高壓儲存、高壓加注氫氣于一體的場所，對于加氫站內(nèi)設備設施選型應遵循GB 50516—2010《加氯站技術規(guī)范》和Q/DLFTZ 001—2023《制氫加氫一體站技術規(guī)范》，主要設備設施的安全措施必須高標準嚴要求。

（1）制氫設備設施

制氫系統(tǒng)應設置制氫原料存儲設施，制氫原料的質(zhì)量及送出壓力應與制氫系統(tǒng)相匹配，避免出現(xiàn)超壓超溫帶來的安全風險。站內(nèi)制氫工藝系統(tǒng)及輔助單元各設備應根據(jù)制氫、加氫的規(guī)模、用氣特征、氫氣質(zhì)量要求及當?shù)刂茪湓?、電力供應等進行合理配置。制氫裝置應在出廠前完成整體檢驗，測試合格后在一體站內(nèi)集成安裝，安裝測試需再次進行強度試驗、氣密試驗、泄漏量試驗和壓力實驗?？刂萍状颊羝c空氣混合物濃度，避免達到爆炸濃度，應設置甲醇蒸汽濃度檢測措施，可向甲醇蒸氣空氣混合物中加入惰性氣體，以此控制爆炸風險、阻止火焰蔓延。同時對于儲存甲醇的儲罐應安裝防火器，有效地阻止外界火源進人甲醇儲罐，還應考慮管道、儲罐等的接地與跨接，并進行靜電接地處理。

（2）儲氫裝置

目前國內(nèi)站用儲氫容器的主要形式為鋼質(zhì)無縫儲氫容器、金屬內(nèi)膽全纏繞儲氫容器、鋼帶錯繞式儲氫容器。由于站用儲氫容器對重量基本無要求，低成本、安全性能高是選擇站用儲氫容器的首要原則。長期在高壓和常溫氫氣環(huán)境中工作，儲氫容器材料可能會產(chǎn)生高壓氫環(huán)境氫脆，導致塑性損減、疲勞裂紋擴展速率加快和耐久性下降，嚴重威脅儲氫容器的安全使；另外，壓力波動頻繁且范圍大，具有低周疲勞破壞危險，加氫站用儲氫容器的疲勞失效問題非常突出，設計時必須考慮疲勞失效。為了提高儲氫裝置的安全性，還應設置超壓泄放安全閥、壓力和泄漏檢測點，出氣管路上設置緊急切斷閥以便事故工況下泄放儲氫裝置中的氫氣。

（3）加氫裝置

氫氣壓縮機作為加氫站重要設備，應當采用PLC可編程控制器進行集中控制，同時，控制系統(tǒng)還要包含故障預警報警、信息提示顯示、自動聯(lián)鎖切斷等功能；氫氣壓縮機設置必需的安全保護裝置，如：安全閥、切斷閥、關鍵參數(shù)監(jiān)測報警等。壓縮機進、出口管道應設置置換吹掃口。氫氣壓縮機的循環(huán)冷卻水壓力、潤滑油壓力、二級排氣壓力、末級排氣壓力、進緩沖罐前的總管壓力應與壓縮機連鎖，總管壓力超過設定值時，壓縮機聯(lián)鎖切斷自動保護。

加氫機為燃料電池汽車提供氫氣加注服務，帶有計量和計價等功能，具有隨機加注、頻繁操作等特點。加氫機不應置于室內(nèi)，防止氫氣泄露后與空氣混合增加爆炸風險。為了減少靜電危險，充裝氫氣質(zhì)量流量不應大于5kg/min；同時，加氫機的額定工作壓力應控制在35MPa或70 MPa。

（4）安防系統(tǒng)

我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進入快車道，加氫站的安防系統(tǒng)在滿足傳統(tǒng)安全檢測、控制基礎上，應進一步實現(xiàn)加氫站設備數(shù)據(jù)、日常經(jīng)營數(shù)據(jù)采集，在加氫站實時信息采集、設備巡檢管理、設備維修保養(yǎng)、購氫加氫管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)管理等多場景強化信息化管控，達到實時安全監(jiān)控、運營管理分析功能。重點可探索實現(xiàn)以下功能：實現(xiàn)站內(nèi)設備實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和實時報警，便于管理者獲取站內(nèi)運營情況、安全狀態(tài)；支持基礎數(shù)據(jù)管理、日常運營數(shù)據(jù)管理及設備巡檢管理，提供維修保養(yǎng)提示和建議；提供加氫、購氫、設備故障等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，實現(xiàn)信息自動化，為運營優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持；支持加氫站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)各級政府平臺，滿足政府安全監(jiān)管要求。

4 一體化加氫站的安全運營管理

4.1 建立健全安全和應急管理體系

加氫站應當按照站內(nèi)實際，制定相應的安全管理體系，完善設備操作規(guī)程、設備維護保養(yǎng)制度、應急管理制度等，明確加氫站各崗位安全生產(chǎn)目標、要點和職責，確保安全責任落實到人。制定應急預案，嚴格按照應急預案要求，備齊備足應急物資，建立應急物資臺賬，并定期更新充實。制定年度、月度應急演練計劃，按計劃開展包括氫氣泄漏、火災爆炸、防汛防洪、公共安全等應急演練，做好演練評估，不斷提升站內(nèi)人員應急處突能力。

4.2 強化人員持證上崗

加氫站應配備足夠人員，無論在人數(shù)還是人員能力方面，都要滿足站內(nèi)安全管理要求，要能保證24小時全天候值班值守。加氫站管理人員、操作人員應嚴格按要求取證，包括安全管理人員資格證、特種設備操作證、電工證等。加氫站所有人員上崗前應開展崗前安全教育培訓，確保人員熟知安全管理制度、崗位安全風險、設備操作要領等；要建立“逢培必考”機制，培訓后開展理論考試和崗位實踐操作檢驗，經(jīng)培訓考核合格后方可上崗。在日常運營過程中，所有人員應按站內(nèi)安全管理要求統(tǒng)一著防靜電鞋服，不在站內(nèi)危險爆炸區(qū)域吸煙、接打電話等。

4.3 加強日常巡檢和風險隱患雙管控

加氫站應認真落實日常巡檢、設備維保等安全管理要求，做好重點區(qū)域巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時處置；開展設備日常維護保養(yǎng)和隱患排查，重點做好超壓、泄漏的檢查。特種設備安全管理要落實第一責任人和安全員、設備員安全管理職責，要按要求認真實施日管控、周排查、月調(diào)度工作機制。在做好日常安全巡檢的同時，要抓住重點設備和薄弱環(huán)節(jié)，開展重點隱患排查整治，通過自查自糾，建立安全隱患臺賬，落實整改責任人和整改期限，確保安全隱患及時消除。定期開展安全風險識別和評估，通過培訓，強化人員“管安全就是管風險”的意識和理念，梳理各崗位、各區(qū)域、各作業(yè)環(huán)節(jié)安全風險，并結(jié)合業(yè)務、人員、環(huán)境變化做好更新。識別發(fā)現(xiàn)的風險，要制定管控措施，明確管控責任人，確保風險受控。

5 結(jié)束語

氫能在我國已進入快速發(fā)展階段，加氫站發(fā)展也逐漸步入快車道。相比傳統(tǒng)油站，加氫站安全風險高，安全管理難度大，設備設施相對復雜。做好加氫站安全管理，需要在前期設計管理、制度體系建設、人員能力意識提升、設備維護保養(yǎng)等方方面面多點發(fā)力，通過全方位多環(huán)節(jié)安全管控促安全提升。