世博加氫站規劃啟示

文／李冬梅

世博加氫站除滿足示范運行各類燃料電池車加氫需求外，對我國后續加氫站建設提供了有益借鑒。

燃料電池汽車技術因其高效率和零排放等優點，成為21世紀最理想、最可能替代傳統汽車動力系統的技術。發展燃料電池汽車技術將可同時徹底解決車輛發展所帶來的能源和環境問題，真正實現汽車產業的可持續發展。因此，得到了世界各國政府和企業的高度重視，特別是美國、日本和德國及其企業加大了燃料電池汽車的研發與示范力度，并且取得了重大進展。

加氫站備受關注

隨著燃料電池汽車的快速發展，對大規模氫基礎配套設施的需求越來越迫切?？傮w來說，加氫站仍處初期發展階段，全球大多數已建成的加氫站作為驗證或示范項目，以期從中積累相關實驗數據，為未來加氫站的發展奠定基礎。

根據這些加氫站的測試結果和運行經驗，一些國家和機構已發布或正在起草燃料電池汽車加氫站的相關技術標準，進一步促進了燃料電池汽車技術和市場的發展。

我國燃料電池汽車與加氫站也在快速發展。多家汽車生產商和知名高校開展了大量的研究工作，國內燃料電池汽車技術已經逐步提升至國際先進水平。2003—2006年，聯合國開發計劃署和全球環境基金（UNDP－GEF）項目一期順利完成，3輛燃料電池公交車和1座加氫站在北京投入示范運行。

2010年上海世博會之前，國內已有兩座示范性質的加氫站用于燃料電池汽車小規模的實驗和示范運行。除上文提到的北京加氫站外，同濟大學和上海舜華新能源系統有限公司承建的上海安亭加氫站在2007年正式投入使用。該加氫站的投入使用，為今后加氫站的建設奠定了良好的基礎。

設計目標和技術路線

按計劃，2010年上海世博會期間有90輛燃料電池VIP轎車、100輛燃料電池觀光車和6輛燃料電池巴士，用于世博園區內外的公共交通運輸以及VIP貴賓接送，車輛總數達到了規?？涨暗?96輛。

如此大規模的燃料電池汽車運行必須配備相應的加氫基礎設施，因此需要在世博園區附近新建1座固定加氫站（以下簡稱世博加氫站）和2輛移動加氫車作為配套設施，并利用已建成的安亭加氫站組成一個加氫網絡，為燃料電池汽車提供氫氣加注服務，保證世博會期間燃料電池汽車能夠順利運行。

課題組決定新建的世博加氫站采用外供氫技術路線，即用氫氣管束車將焦化廠提純并壓縮后的副產氫氣運送至世博加氫站。另外，以新建的兩個移動加氫站為子站，以世博加氫站和安亭加氫站為母站，構成國內首個加氫基礎設施網絡，保障世博會燃料電池汽車的示范運行。

地理布置及平面布置

加氫站站址位于上海市濟陽路西側、楊思路北側，南面為上海水上競技中心公交樞紐，屬于規劃發展備用地，距世博會圍欄區約2.4km。濟陽路為城市主干路，規劃紅線寬度為70m，兩側綠化帶各為10m。

世博加氫站站址占地面積為3000m2，為50m×60m的矩形地塊。站內主要由以下幾部分組成：拖車卸車區，包括長管拖車和卸氣柱；儲氣壓縮區，包括固定式高壓儲氣裝置（主要是站內儲氫瓶組）和氫氣壓縮機；加氫區，包括加氫機及加氫區天棚；控制室和辦公區，包括營業間、辦公休息間、變配電間、儀表控制間、展示廳等。

氫氣管束拖車和站內固定儲氫瓶組位于加氫站西南側，遠離加氫站對面的公共建筑物（根據上海市地方標準須距重要公共建筑50m以上），并且有防爆墻將其與站房和后面的新能源汽車基地隔離開；儲氫瓶組東面是壓縮機組；在站房西北角的防爆區外放置有空氣壓縮機，用以產生壓縮空氣供給加氫機作為防爆正壓保護和吹掃的氣源。

所有貯氫設備及壓縮機集中在防爆區內，壓縮機北側與站房之間也有防爆隔離墻。四座加氫島設置在加氫站東側，靠近站外的主干道，加氫站的大門按照車輛通行方向設計為北進南出，方便車輛進出站。

加氫站內工作人員日常值守的站房為單層建筑，主要分為三部分，站房東側是加氫站工作人員辦公用房，中間設有控制室和儀表間，西側則是為加氫站和加氫站后面的新能源汽車基地提供電力供應的配電間。

考慮到世博加氫站的示范展示功能，加氫站在建筑設計上從實用性和美觀性出發，建筑總體以銀灰色為主色調，加氫站雨棚采用鋼構波浪造型，鋪設藍色陽光板，代表氫氣從水中來的環保理念，極具現代科技感。

圖1 世博加氫站工藝流程示意圖

具體設計思路

在設計方面，主要分為四方面，分別是固定加氫站的設計與集成、移動加氫站的設計與集成、SCADA系統設計與集成和加氫站的風險及應對措施。

固定式加氫站的設計與集成

根據需求，課題設計的世博加氫站的基本工藝流程如圖1所示。該設計的加氫站基本工作過程如下。

管束拖車將16MPa～20MPa的壓縮氫氣從上海焦化廠運送進加氫站，一方面作為第一級儲備氣源，另一方面通過加氫站內壓縮機將氫氣增壓至站內高壓儲氫瓶組，并以不大于45MPa的壓力儲存。

車輛加氫時，儲氫瓶組中輸出的氫氣，通過加氫機充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中，或移動車加氫車車載儲氫瓶內。為提高儲氫瓶組中氫氣的利用率和車輛的加注安全性，儲氫瓶組采用多級分配。

在天然氣加氫站中常規采用高中低三級制分配。本設計將管束拖車作為站內儲氣的一級，則儲氣裝置可分為“高中低級拖車”四級制。主要設計技術參數如下。

儲氫壓力：43.8 MPa（最高45 MPa）；固定儲氫量：300 kg；最大儲氫量：900kg；加注壓力：35 MPa 最高43.8 MPa)；單次連續加注能力≥120 kg；加氫速率：公交車≤30min, 轎車≤5min。

移動式加氫站的設計與集成

加氫站子站既可獨立作為一個小型加氫站，又可與固定站協同構建加氫站網絡，為燃料電池汽車，特別是燃料電池轎車和微型車提供高壓氫氣加注服務。通過加氫站子站與固定站的配合，借助加氫站子站的可移動性，固定站間接地擴大了氫氣加注服務半徑，提高了固定站的利用效率。

這樣的特點，非常適合于世博會燃料電池汽車集中大規模示范運行的場合。因此，課題組充分應用前期研究成果，在此次世博會項目上進一步集成制造了兩座新的加氫站子站，用于組建世博會加氫基礎設施網絡。

加氫站子站主要技術指標包括：儲存壓力45MPa；加注壓力 35MPa；儲存容量 100kg；加注速度1.0 kg/min（觀光車加注時間不超過3min）；連續加注能力不小于40kg。

SCADA系統設計與集成

SCADA系統，即數據采集與監視控制系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。其可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。

上海世博加氫網絡SCADA系統主要由世博加氫站站控系統、安亭加氫站站控系統、2套移動加氫站終端站控系統和加氫站安防系統構成，利用GPRS無線通信及GPS全球衛星定位系統的通信網絡，最終實現以SCADA系統綜合調度功能與GPS導航和GPS定位相結合，為世博會的交通運輸車輛提供清潔、綠色的能源，保證世博會成功順利舉行。

安全風險分析及對應措施

通過考察世博加氫站內十三種典型的失效情形，量化評價了站內氫氣泄漏后事故后果（閃火、射流火焰、蒸汽云爆炸及高壓物理爆炸）帶來的風險，研究結果如下。

壓縮機連接部件泄漏和加氫機軟管泄漏是主要的風險貢獻源，應當優先針對壓縮機和加氫機采取合適的安全措施。

為保證加氫站員工和加氫顧客的安全，必須采取相應的安全措施，以阻止壓縮機和加氫機連續泄漏事件的發生。

在采取合適的安全措施，主要是拉斷閥、氫氣探頭以及緊急制動系統之后，世博加氫站站內員工、加氫顧客以及站外人群面臨風險水平均可降到風險可接受標準以下。

運營成果

以2010年4月15日世博加氫站為第一輛燃料電池汽車加注氫氣為標志，世博加氫站開始投入內部試運行。截至世博會結束，世博加氫站共運行200天。在此期間，世博加氫站主要為參與世博會期間運行的90輛燃料電池汽車、6輛燃料電池巴士、2輛移動加氫車和100輛燃料電池觀光車進行氫氣供應保障。

由于項目組對運行期可能出現的情況進行了充分的預判，研究制定了詳盡的運營方案和應急預案，使得整個運行期井然有序，運轉正常，圓滿完成了各種燃料電池汽車的加氫任務，實現了世博加氫站安全運行、保障供應的兩大目標。各類燃料電池汽車加氫匯總如下。

世博加氫站除滿足示范運行的各類燃料電池汽車的加氫需求外，對我國后續加氫站的建設提供了有益的借鑒作用。

通過世博加氫站（含移動子站）的成功建設和示范運行，驗證了課題組此前編制的上海市地方標準《燃料電池汽車加氫站技術規程》和國家汽車行業標準《加氫車技術條件》兩項標準的適用性，并對有關標準的進一步完善和編制起到了很好的引導作用。