摘要：作為氫能中下游產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵一環(huán)，加氫站對氫能的推廣使用有著至關(guān)重要的作用。加氫站氫氣的品質(zhì)對氫燃料車輛電池的性能和壽命有著重要影響，因此需對加氫站內(nèi)氫氣進行定期取樣檢測。鑒于此，主要針對加氫站氫氣取樣要求及現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)加氫站常用取樣工藝技術(shù)存在的問題，提出了加氫站氫氣取樣工藝技術(shù)優(yōu)化方向，并針對加氫站氫氣取樣工藝的安全設(shè)計和自動化控制提出了相應策略。

關(guān)鍵詞：加氫站;取樣裝置;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TK91" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.020

0" " 引言

隨著國內(nèi)氫能源技術(shù)的快速發(fā)展，近些年國內(nèi)加氫站建設(shè)數(shù)量和氫能源車輛的數(shù)量急速增長。加氫站對氫氣的品質(zhì)有著嚴格要求，氫氣雜質(zhì)過多會引起氫燃料電池催化劑中毒，其外供氫氣必須符合GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》的相關(guān)要求。作為燃料電池用氫氣，必須滿足相應質(zhì)量要求，才能保證氫燃料電池的使用性能與壽命[1]，因此，在氫氣的日常使用中，需對加氫站內(nèi)氫氣進行定期取樣檢驗，確保加氫站所供氫氣滿足燃料電池車輛的使用標準。

目前，加氫站取樣常規(guī)采用人工取樣方式，取樣過程復雜，自動化程度低。隨著人們對環(huán)境問題的日益關(guān)注，對取樣分析結(jié)果的要求越來越高，人工取樣分析方式已不能滿足當前生產(chǎn)要求[2]。

1" " 加氫站用氫氣質(zhì)量要求

根據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》（2021年版），加氫站進出站氫氣質(zhì)量要求應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》、GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分：工業(yè)氫》和GB/T 34537—2017《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》的有關(guān)規(guī)定。

按照上述標準要求，加氫站用氫氣對純度、水含量、總烴、氧含量、顆粒物等均有嚴格要求，需定期對到站氫氣和出站氫氣進行取樣檢測，確保氫氣質(zhì)量滿足規(guī)范要求，避免對氫燃料電池造成影響。

2" " 加氫站取樣特點及方法

2.1" " 加氫站取樣特點

氫氣分子量小，易泄漏，且易燃易爆，屬于危險化學品。同時，加氫站內(nèi)氫氣壓力較高，取樣時必須保證取樣過程的安全、便捷。

2.2" " 加氫站取樣方法

加氫站一般在站內(nèi)設(shè)備上已設(shè)置的取樣點取樣，常規(guī)取樣點位置：卸氣柱取樣點、儲氫容器取樣點、加氫機取樣點。

加氫站需對進站氫氣和出站氫氣進行取樣檢測，進站氫氣一般通過卸氣柱取樣點取樣，出站氫氣一般通過儲氫容器取樣點和加氫機取樣點取樣，各個取樣點壓力等級不盡相同，且卸氣柱、儲氫容器、加氫機取樣接口亦不盡相同。

3" " 加氫站取樣工藝現(xiàn)狀分析

3.1" " 加氫站常用取樣工藝流程

加氫站目前常用取樣方式均使用較為簡單的工藝，參考工藝流程如圖1所示。

3.2" " 加氫站常用氫氣取樣操作方法

加氫站常常采用的取樣方法包括充氣排空法或控制流量法，可根據(jù)加氫站現(xiàn)場實際情況選擇取樣方法。

充氣排空法取樣步驟（適用于吹掃盲區(qū)較大的取樣裝置）：（1）確認閥門狀態(tài);（2）連接取樣口、取樣裝置及樣品容器;（3）打開取樣口閥門、取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，待壓力平衡后關(guān)閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，充氣至所需壓力;（6）關(guān)閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，將樣品容器內(nèi)壓力泄放至≥0.2 MPa時關(guān)閉放散出口閥;（7）重復上述步驟直至待檢氣體體積分數(shù)達到99.999%;（8）依次關(guān)閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，打開旁路放空閥和放散出口閥，將管路內(nèi)氣體放空后，拆下取樣容器。

控制流量法取樣步驟（適用于吹掃盲區(qū)較小的取樣裝置）：（1）確認閥門狀態(tài);（2）連接取樣口、取樣裝置及樣品容器;（3）打開取樣口閥門、取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，待壓力平衡后關(guān)閉;（4）使用表面活性劑檢漏，液/氫氣探測器檢漏;（5）緩慢打開取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥、樣品容器出口閥，對樣品容器進行吹掃;（6）以連續(xù)穩(wěn)定的氣流進行吹掃，吹掃時注意樣品容器內(nèi)氣流壓力，當樣品容器中非待檢氣體體積分數(shù)小于0.001%時結(jié)束吹掃;（7）關(guān)閉取樣容器出口閥，將樣品容器充裝至所需壓力;（8）依次關(guān)閉取樣裝置進氣控制閥、樣品容器進口閥，打開放散出口閥、旁路放空閥，將管路內(nèi)氣體放空后，拆下取樣容器。

3.3" " 存在的問題和安全隱患

目前普遍使用的氣體取樣工藝存在以下問題：

（1）取樣點的壓力等級不完全一致，常規(guī)取樣工藝不能夠適用于加氫站不同位置的取樣。（2）使用安全性較差，取樣過程安全依靠操作人員的經(jīng)驗，存在較大安全隱患。（3）整個取樣過程人工控制，無法保證取樣過程中的吹掃置換效果，可能會導致取樣檢測結(jié)果不準確，而取樣過程很關(guān)鍵，樣品容器在取樣過程中發(fā)生空氣污染或遷移損失，會導致準確定量困難，測定不準確度增加[3]。（4）無法實現(xiàn)從加氫槍口直接取樣。

4" " 加氫站氫氣取樣工藝優(yōu)化

針對加氫站常用取樣工藝可能存在的問題和安全隱患，本文提出取樣裝置工藝優(yōu)化策略，主要目的為解決現(xiàn)有取樣裝置存在的安全隱患以及操作復雜、取樣準確度差等問題，實現(xiàn)自動化控制，保障取樣安全。

4.1" " 加氫站氫氣取樣工藝優(yōu)化原則

4.1.1" " 安全性原則

密閉取樣系統(tǒng)選型過程中，要確保所取物料具有代表性，同時保證采樣人員的安全[4]。加氫站取樣需保證取樣過程安全可控，常規(guī)取樣人工控制，操作過程中人工檢漏未設(shè)置緊急切斷、超壓保護等安全措施，加氫站取樣優(yōu)化需重點考慮安全相關(guān)問題。

4.1.2" " 操作便捷性原則

加氫站常規(guī)取樣操作煩瑣，需進行手動吹掃置換操作，需要頻繁開關(guān)取樣裝置入口閥、取樣容器入口閥/出口閥，對操作人員有較高的素質(zhì)要求，加氫站取樣優(yōu)化需考慮實現(xiàn)自動化操作，使操作更方便。

4.1.3" " 實用性原則

加氫站取樣接口卸氣柱、儲氫瓶組、加氫機接口不盡相同，需要考慮用一種取樣工藝即可滿足任意位置取樣。

4.2" " 優(yōu)化工藝流程

氫氣取樣工藝優(yōu)化后，具有一鍵自動吹掃、聲光報警、壓力顯示、壓力調(diào)節(jié)、安全保護等功能，其主要包含氮氣吹掃管路及閥門、不同取樣接口、電磁閥、取樣調(diào)壓閥、取樣鋼瓶、取樣旁路管路、壓力變送器、壓力表、安全閥、手動放散閥、自動放散閥、PLC控制器等。

氫氣取樣具體優(yōu)化工藝流程如圖2所示。

氫氣取樣優(yōu)化工藝技術(shù)特點如下：

（1）設(shè)置兩路取樣主管路，一路為卸氣柱、儲氫瓶組等接口，一路為加氫槍接口，可根據(jù)實際使用需求選擇適用的接口取樣。（2）設(shè)置氮氣接口，用于取樣前氮氣吹掃，氮氣入口設(shè)置有三通電磁閥，三通電磁閥出口分別對應第一取樣管路和第二取樣管路，放散出口設(shè)置有放散電磁閥，可以實現(xiàn)氮氣一鍵吹掃功能，氮氣吹掃操作由PLC控制器控制，PLC控制器采集壓力變送器實時數(shù)據(jù)，通過既定程序控制氮氣吹掃電磁閥和放散電磁閥的開關(guān)，實現(xiàn)高效快速的氮氣吹掃。（3）連接取樣接口、氮氣接口、放散接口且吹掃完成后可通過預設(shè)程序進行自動取樣。（4）設(shè)置兩個取樣瓶，可以同批次進行兩組取樣，避免單次取樣時出現(xiàn)較大誤差，影響取樣分析結(jié)果。取樣瓶兩端設(shè)有手動截止閥，取樣瓶與管路采用快速接口連接，取樣完成后便于取樣瓶取下。取樣瓶前設(shè)置有旁路，取樣完成后可以手動打開旁路手閥，將管路中殘余氣體通過放散出口排出，并進行氮氣吹掃，確保取樣安全。（5）取樣裝置內(nèi)設(shè)有氫氣探測器，并在面板上設(shè)置聲光報警器，氫氣探測器將檢測信號傳輸至PLC控制器，當氫氣探測器檢測到氫氣濃度達到0.4%vol時，PLC控制器聯(lián)動聲光報警器報警，提醒操作人員有異常泄漏出現(xiàn)，及時停止操作，確保取樣安全。（6）取樣裝置在放散管路上設(shè)置有安全閥、手動放散閥、自動放散閥，當壓力超過整定壓力時，安全閥自動開啟，確保系統(tǒng)安全，防止取樣時超壓。

4.3" " 取樣裝置優(yōu)化工藝控制方法

取樣操作步驟如下：

（1）取樣時先安裝固定好取樣鋼瓶，然后按照取樣位置連接至對應取樣接口（接口B/C/D/E），將氮氣接至氮氣接口A，將放散接口F通過管道連接至加氫站內(nèi)放散管路。（2）確認連接狀態(tài)后，關(guān)閉旁路手閥，打開取樣鋼瓶前后端瓶口閥，根據(jù)需要按下第一管路氮氣吹掃按鈕/第二管路氮氣吹掃按鈕，氮氣吹掃過程由PLC控制器自動控制。（3）氮氣吹掃置換完成后，氮氣吹掃三通閥和放散電磁閥自動關(guān)閉。此時設(shè)置減壓閥出口壓力至設(shè)定壓力，根據(jù)需求按下取樣面板對應接口取樣按鈕，PLC控制器按照預設(shè)程序自動控制取樣過程，取樣過程中先進行氫氣置換，置換完成后完成取樣。（4）取樣完成后，手動關(guān)閉取樣瓶兩端瓶口閥，打開旁路手閥，按下第一管路氮氣吹掃按鈕/第二管路氮氣吹掃按鈕，自動進行氮氣吹掃，對取樣裝置管路進行吹掃。（5）吹掃完成后，取下取樣瓶送檢。（6）操作完成后，斷開所有接口連接，完成全部取樣操作。

整個取樣系統(tǒng)實現(xiàn)自動吹掃、自動取樣，根據(jù)不同的取樣方法可設(shè)定不同的自動控制邏輯。取樣時，由PLC控制器實現(xiàn)自動吹掃、自動取樣。

取樣工藝控制原理如圖3所示。

吹掃置換次數(shù)計算如下：

設(shè)每次置換充放氣終止壓力相同，置換n次后樣品容器內(nèi)待檢氣體體積分數(shù)按下列公式計算：

Xn=1-

×100%

式中：Xn為樣品容器置換n次后待檢氣體體積分數(shù);P0為樣品容器內(nèi)初始氣體壓力（絕對壓力）;PF為置換充氣終止時樣品容器內(nèi)氣體壓力（絕對壓力）;PR為置換放氣終止時樣品容器內(nèi)氣體壓力（絕對壓力）。

吹掃時間計算如下：

Xt=X0e

式中：Xt為吹掃時間t后樣品容器內(nèi)非待檢氣體的體積分數(shù);X0為初始時刻樣品容器內(nèi)非待檢氣體的體積分數(shù)，一般為100%;Q為吹掃流量;V為樣品容器容積;t為吹掃時間。

取樣時，將取樣容器體積和取樣壓力等信息輸入至PLC系統(tǒng)中，PLC系統(tǒng)根據(jù)程序按照上述計算方式計算出氮氣吹掃置換次數(shù)和吹掃時間等，并按照程序控制相應電磁閥的開關(guān)，實現(xiàn)氮氣吹掃置換、氫氣吹掃、氫氣取樣過程，同時PLC采集壓力變送器、氫氣探測器信息，實現(xiàn)壓力監(jiān)控、泄漏檢測報警預警功能。當發(fā)生異常情況時，可立即按下面板上急停按鈕，自動關(guān)閉氣體入口并自動放散，確保人員和設(shè)備安全。

4.4" " 工藝優(yōu)化效果分析

優(yōu)化后工藝技術(shù)特點如下：

（1）取樣裝置可以適用于整個加氫站任意位置設(shè)備的取樣接口，包括可以通過加氫機加氫槍進行直接取樣。（2）取樣裝置配置減壓閥，可以根據(jù)不同入口壓力調(diào)節(jié)至所需取樣壓力。（3）取樣裝置配置自動吹掃系統(tǒng)，可以實現(xiàn)取樣時對取樣器的一鍵自動吹掃置換，確保吹掃效果，保證取樣準確性。（4）取樣過程自動化控制，由PLC控制器自動控制取樣過程，操作簡單方便，對人員要求低。（5）取樣裝置設(shè)置有安全閥、可燃氣體報警器、急停按鈕等，確保取樣過程安全可控。

5" " 結(jié)束語

目前加氫站取樣工藝基本采用手動操作，且操作復雜，對操作人員要求高，在取樣過程中存在安全隱患，只能通過人工判斷和手動檢測超壓、泄漏等異常情況。

加氫站加氫取樣優(yōu)化工藝采用自動控制策略，實現(xiàn)取樣工藝自動化，保證了安全性和實用性，可為后期加氫站運營帶來極大的便捷性和安全性，勢必成為加氫站取樣工藝的發(fā)展方向，取樣工藝自動化也有利于加氫站氫氣在線分析的發(fā)展和應用。

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收稿日期：2023-06-14

作者簡介：李明昕（1979—），男，河南鄭州人，高級工程師，從事氫能技術(shù)研究與應用工作。