作者：狄伟，刘玮，刘飞，李育磊第一作者单位：国家能源集团氢能科技有限责任公司
摘自《煤气与热力》2020年4月刊
摘自《煤气与热力》2020年4月刊
1 概述
氢燃料电池汽车是氢能应用的主要发展方向，加氢站作为向氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施，是氢能产业化与商业化中十分关键、不可或缺的。中国氢能联盟于2019年6月23日发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019）》数据显示，截至2018年底，全球加氢站数量达到369座，我国投入运营的加氢站有27座，其中固定式加氢站仅11座。随着我国氢燃料电池汽车市场的持续发展，加氢站的建设正在被加快提上议事日程。 与国外相比，我国加氢站技术研发及商业化开发起步较晚。尽管国内各地陆续出台氢能产业的扶持政策，并有超过40个加氢站项目在建［1］，但大部分站点未按照商业化运营的标准建设。本文以如皋加氢站为例，对商业加氢站的工程实践经验进行总结。
氢燃料电池汽车是氢能应用的主要发展方向，加氢站作为向氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施，是氢能产业化与商业化中十分关键、不可或缺的。中国氢能联盟于2019年6月23日发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019）》数据显示，截至2018年底，全球加氢站数量达到369座，我国投入运营的加氢站有27座，其中固定式加氢站仅11座。随着我国氢燃料电池汽车市场的持续发展，加氢站的建设正在被加快提上议事日程。 与国外相比，我国加氢站技术研发及商业化开发起步较晚。尽管国内各地陆续出台氢能产业的扶持政策，并有超过40个加氢站项目在建［1］，但大部分站点未按照商业化运营的标准建设。本文以如皋加氢站为例，对商业加氢站的工程实践经验进行总结。
2 工程概况 如皋加氢站位于江苏省南通市如皋国家级经济技术开发区，是国内首个双模加注压力（35、70 MPa）商业加氢示范站，属于站外制氢加氢站。 在2019年7月完成全站管道及设备安装后，如皋加氢站仅用28 d就实现了35 MPa加氢全流程的联合调试一次成功，并在如皋市第四届国际氢能及燃料电池汽车大会期间开展了为期3 d的试运营，完成12辆氢燃料电池商用车（10辆大巴车、2辆物流车）的加注，累计加注量达70 kg。2019年11月21日，70 MPa加氢全流程调试成功，并成功完成了丰田mirai汽车加注，加注率达到98%以上，符合国际SAE标准。目前，如皋加氢站具备了35、70 MPa双模氢气加注压力的24 h运营能力，整站验收与商业运营准备工作将于近期完成。
3 加氢站的工程实践
3.1 立项审批 项目在2017年7月完成土地挂牌竞拍和投资项目预审意见批复，同年12月取得建设用地不动产登记许可证（土地证）和项目备案，于2018年8月取得施工许可证后开工建设。项目按照如皋市加氢站项目审批流程，依次完成了建筑工程审图、节能和绿化审查、消防设计审查、环境预评价、防雷设计审查、安全预评价及安全设施设计审查等18项审批事项，取得了施工许可证、消防合格证、特种压力充装许可证、燃气经营许可证等相关证照14个。
3.2 主要依据的标准规范 GB 50516—2010《加氢站技术规范》、GB50177—2005《氢气站设计规范》、GB/T 34584—2017《加氢站安全技术规范》、GB 50316—2000《工业金属管道设计规范（2008版）》、GB 150.1~150.4—2011《压力容器》、GB/T 13347—2010《石油气体管道阻火器》、GB 50052—2009《供配电系统设计规范》、GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程—工业管道》、TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB 4962—2008《氢气使用安全技术规程》、GB/T 37244—2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》。
3.3 设计与施工 ①放空管的选材 GB 50516—2010第6.5.1条规定，加氢站氢气管道应具有与氢气相容特性，宜采用无缝钢管或者高压无缝钢管。但是对于氢气放空管整体材质并没有做出明确的强制要求，仅在第6.5.4条第1款（强制条款）中要求：阻火器后端的放空短管应采用不锈钢材质。在第6.5.4条第1款强制要求的基础上，加氢站放空管整体采用了316不锈钢，并增加了内抛光处理工序，在运行前进行管道粉尘吹扫处理，有效杜绝了氢气高速通过时摩擦产生电火花的可能性。而且在带氢调试中发现，当高压储氢罐进行安全紧急泄放时，放空管外壁温度最高能达到90 ℃，因此放空管整体采用316不锈钢是非常有必要的。 ②压力管道（容器）设计与验收 加氢站的工艺管道按照压力分为低压管道（工作压力＜1.2 MPa）、中压管道（1.2 MPa≤工作压力≤25 MPa）和高压管道（25 MPa＜工作压力＜96 MPa），按照介质分为氢气管道、氮气管道和放空管道，根据质量监督部门监管类别又严格区分为压力管道（工业管道）和非压力管道。 为了杜绝高压管道出现爆裂、泄漏或燃烧爆炸等风险，在设计阶段严格按照GB 50516—2010第6.5节、GB 50177—2005第12章相关内容进行管道设计，并通过了压力试验、气密性试验和泄漏试验（参照GB 50177—2005第12章、TSG D0001—2009第4章第5节的相关内容）。针对GC1、GC2类别的压力管道，向地方质量监督部门申报监检，领取特种设备使用登记许可证。 对于固定式压力储氢罐（第三类压力容器），严格遵照TSG 21—2016的相关要求，在制造厂内完成压力试验、气密性试验和泄漏试验后运抵加氢站现场，在加氢站再次通入氮气进行气压试验、气密性试验和泄漏试验（严格遵照TSG 21—2016的相关要求）合格后方可投入使用。 为了保障加氢站工艺系统安全运行，在出现超压情况时能够安全泄放，根据GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010规定，制定了安全阀、阻火器设计参数标准。全站均采用直接载荷弹簧式安全阀、阻爆轰型阻火器，并逐一报送江苏省特检单位进行校验、检测。 ③电力系统安全设计与施工 依据GB 50516—2010、GB 50058—2014等标准，加氢站内进行了涵盖供配电、电气系统防爆、防雷和防静电等的电力系统安全设计。 在电气系统防爆设计施工中，根据GB 50058—2014第3.2节将设备区划分为爆炸危险区域1区、2区。在爆炸危险区域的电气线路施工时，电缆一律穿镀锌钢管保护，严格实现隔离密封。针对爆炸危险区域，设备配电线缆采用ZBN-YJV-0.6/1kV型阻燃耐火型线缆，低压电缆（指电压10 V以内，电流为4~20 mA的自控信号电缆）均采用ZB-YJV-0.6/1kV型阻燃（B级）铜芯交联电力电缆。爆炸危险区域内的仪表全部采用防爆等级不低于氢气爆炸混合物的级别、组别（ⅡCT1），以确保安全生产。对于储氢罩棚等有爆炸危险的隔离区域，专门增设自通风排气帽和事故排风机（防爆型），并与火灾报警和气体检测系统（Fire Alarm and Gas Detector System，简称FGS）的浓度报警装置进行连锁。 在防雷接地设计施工上，全站区域内所有的设备基础、金属管道、建筑物金属结构、进线配电箱的PE母排等全部进行等电位联结，采用热镀锌扁钢暗埋于厂区地下作为接地网（扁钢埋深1 m，接地电阻不大于1 Ω）。接地端子与接地网之间用螺栓紧固连接，对有振动、位移的设备和管道，其连接处加挠性连接线过渡。 在防静电设计施工中，对生产区进出处、爆炸危险区域边界、管道分支处及长距离无分支管道每隔50 m处均设防静电接地，电阻均不应大于10 Ω。所有工艺设备、管道均设置防静电接地装置，管道法兰全部采用截面积不小于6 mm2多股铜导线跨接。
3.3 设计与施工 ①放空管的选材 GB 50516—2010第6.5.1条规定，加氢站氢气管道应具有与氢气相容特性，宜采用无缝钢管或者高压无缝钢管。但是对于氢气放空管整体材质并没有做出明确的强制要求，仅在第6.5.4条第1款（强制条款）中要求：阻火器后端的放空短管应采用不锈钢材质。在第6.5.4条第1款强制要求的基础上，加氢站放空管整体采用了316不锈钢，并增加了内抛光处理工序，在运行前进行管道粉尘吹扫处理，有效杜绝了氢气高速通过时摩擦产生电火花的可能性。而且在带氢调试中发现，当高压储氢罐进行安全紧急泄放时，放空管外壁温度最高能达到90 ℃，因此放空管整体采用316不锈钢是非常有必要的。 ②压力管道（容器）设计与验收 加氢站的工艺管道按照压力分为低压管道（工作压力＜1.2 MPa）、中压管道（1.2 MPa≤工作压力≤25 MPa）和高压管道（25 MPa＜工作压力＜96 MPa），按照介质分为氢气管道、氮气管道和放空管道，根据质量监督部门监管类别又严格区分为压力管道（工业管道）和非压力管道。 为了杜绝高压管道出现爆裂、泄漏或燃烧爆炸等风险，在设计阶段严格按照GB 50516—2010第6.5节、GB 50177—2005第12章相关内容进行管道设计，并通过了压力试验、气密性试验和泄漏试验（参照GB 50177—2005第12章、TSG D0001—2009第4章第5节的相关内容）。针对GC1、GC2类别的压力管道，向地方质量监督部门申报监检，领取特种设备使用登记许可证。 对于固定式压力储氢罐（第三类压力容器），严格遵照TSG 21—2016的相关要求，在制造厂内完成压力试验、气密性试验和泄漏试验后运抵加氢站现场，在加氢站再次通入氮气进行气压试验、气密性试验和泄漏试验（严格遵照TSG 21—2016的相关要求）合格后方可投入使用。 为了保障加氢站工艺系统安全运行，在出现超压情况时能够安全泄放，根据GB 50516—2010、TSG 21—2016、GB/T 13347—2010规定，制定了安全阀、阻火器设计参数标准。全站均采用直接载荷弹簧式安全阀、阻爆轰型阻火器，并逐一报送江苏省特检单位进行校验、检测。 ③电力系统安全设计与施工 依据GB 50516—2010、GB 50058—2014等标准，加氢站内进行了涵盖供配电、电气系统防爆、防雷和防静电等的电力系统安全设计。 在电气系统防爆设计施工中，根据GB 50058—2014第3.2节将设备区划分为爆炸危险区域1区、2区。在爆炸危险区域的电气线路施工时，电缆一律穿镀锌钢管保护，严格实现隔离密封。针对爆炸危险区域，设备配电线缆采用ZBN-YJV-0.6/1kV型阻燃耐火型线缆，低压电缆（指电压10 V以内，电流为4~20 mA的自控信号电缆）均采用ZB-YJV-0.6/1kV型阻燃（B级）铜芯交联电力电缆。爆炸危险区域内的仪表全部采用防爆等级不低于氢气爆炸混合物的级别、组别（ⅡCT1），以确保安全生产。对于储氢罩棚等有爆炸危险的隔离区域，专门增设自通风排气帽和事故排风机（防爆型），并与火灾报警和气体检测系统（Fire Alarm and Gas Detector System，简称FGS）的浓度报警装置进行连锁。 在防雷接地设计施工上，全站区域内所有的设备基础、金属管道、建筑物金属结构、进线配电箱的PE母排等全部进行等电位联结，采用热镀锌扁钢暗埋于厂区地下作为接地网（扁钢埋深1 m，接地电阻不大于1 Ω）。接地端子与接地网之间用螺栓紧固连接，对有振动、位移的设备和管道，其连接处加挠性连接线过渡。 在防静电设计施工中，对生产区进出处、爆炸危险区域边界、管道分支处及长距离无分支管道每隔50 m处均设防静电接地，电阻均不应大于10 Ω。所有工艺设备、管道均设置防静电接地装置，管道法兰全部采用截面积不小于6 mm2多股铜导线跨接。
3.4 安全控制系统 为了确保运营安全可靠，加氢站除进行本质安全设计（安全阀、紧急切断阀、紧急泄放阀、拉断阀等）外，还部署了FGS、ESD（紧急停车装置）系统以及可视化站控运营控制系统。实现数据采集传输、设备自动控制、紧急情况自动响应及视频监控和报警等多维一体的安全防控。 FGS重点监控加氢岛、氢气压缩机、储氢罐区、卸气柱区等易产生氢气泄漏和氢气聚集的区域，监测氢气泄漏浓度、明火源和超温风险源。根据氢气泄漏浓度执行声光报警与风机强排功能，并与ESD系统连锁，执行紧急停车指令。预留消防信息系统联网端口，及时向站区负责人及消防部门的集控系统发送报警信息。 当加氢站设备、管道及相关设施出现紧急情况时（超温、超压、着火、非法入侵、意外断电等），由ESD系统发出报警信号，对现场设备设施进行安全保护动作，防止危险扩散造成更大事故。 可视化的站控运营系统采用物联网、云计算、大数据、区块链等技术，实现了工艺系统、FGS、ESD系统的一体化、智能化、可视化的集成，为加氢站运行管理人员的值守、安全监控和运营管理提供更便捷高效的操作体验。
3.5 调试和试运行 为了保障加氢站调试和试运行的依法合规、安全高效，依照《中华人民共和国安全生产法》、GB 4962—2008等法律和标准，并借鉴国内外加氢站系统调试和试运行管理制度、工作规范，编制了《如皋加氢站系统调试和试生产安全管理规程》，形成了调试和试运行过程中的安全作业管理规程、工作票制度、专项应急预案管理规程、消防安全管理规程等安全管理制度。 在此基础上，进一步梳理明晰加氢站调试和试运行作业流程，制定加氢站调试技术大纲。按照调试技术大纲规定的业务流程，从调试前准备和核查工作、设备的单机调试、联合调试（试运行），到加氢站调试专用物资保障等方面，研究编制形成《如皋加氢站调试工作组织方案》（以下简称《方案》）。按照《方案》明确加氢站调试工作机制、人员组织和岗位职责，制定调试计划、应急预案、人员和物资保障方案以及安全检查、隐患排查和整改督导机制等。从而形成调试和试运行的全过程设计、多层次复核、各环节监控、多方人员协同的风险排查与操作可控的管理机制，确保调试成功和试运行的顺利展开。
3.6 氢品质管理 如皋加氢站依据GB/T 37244—2018对车用氢燃料电池用氢涉及的CO、总硫、甲醛、甲酸、氨、总卤化物和最大颗粒物物质的量分数等指标的具体要求，要求氢气供应商必须针对上述杂质的物质的量分数出具专门的检测报告，有效保障氢气品质满足聚全氟磺酸类质子交换膜燃料电池车要求，而不是目前大部分氢气供应商依据GB/T 3634.1—2006《氢气 第1部分：工业氢气》和GB/T 3634.2—2011《氢气 第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》，按照工业氢气提供的高纯氢品质。
4 结语 在项目设计和开发建设中，实现了对设计资源、装备供应链、施工组织、调试队伍、审批流程的多环节实践，探索出一套商业化加氢站建设和经营审批流程，积累形成了加氢站建设经验。以加氢站本质安全体系构建和保障氢气高品质供给为出发点，总结出设计与施工、安全控制系统、调试和试运行、氢品质管理等方面的实践成果。
参考文献：
［1］凌文，刘玮，李育磊，等. 中国氢能基础设施产业发展战略研究［J］. 中国工程科学，2019，22（3）：76-83.
［1］凌文，刘玮，李育磊，等. 中国氢能基础设施产业发展战略研究［J］. 中国工程科学，2019，22（3）：76-83.
