燃料電池汽車加氫站安全設計要點分析與建議

周志鋒

（南京市燃氣工程設計院有限公司，江蘇南京 210000）

作為向燃料電池汽車以及其他氫能利用裝置提供加注氫氣服務的主要場所，加氫站的建設和發展是我國氫能產業化、商業化不可或缺的重要基礎設施，但因為加氫站內部儲存著數量較多的氫氣，在外界環境因素變化的影響下，因為氫氣本身帶有易燃易爆特性，一旦出現安全事故就會帶來重大的經濟損失和人員傷亡。也正因如此，加氫站的設計安全問題已經得到了相關部門以及學者的高度重視。本文研究、探討了加氫站的安全設計要點以及相關工作策略，以便為今后我國加氫站的安全設計工作優化提供參考。

1 加氫站概述

1.1 分類

作為上游氫氣制造、運輸和下游燃料電池汽車氫氣使用的重要樞紐，加氫站自身的網絡化分布是我國氫能得以實現規?；l展、應用的重要基礎條件[1]。加氫站因為分類方法存在著一定的差異，其類型也變得越發多元化。從建設形式方面的差異來看，加氫站可以分為固定和移動兩種類型；從氫氣儲存狀態的層面來看，加氫站又可以分為液氫加氫站以及高壓氫氣加氫站；從氫能的加注方式劃分可以將加氫站劃分為單級加注以及多級加注加氫站。從氫氣的制造方法看來，電解水制氫站、甲醇現場制氫、天然氣現場制氫都是最為常見的方式，雖然站內制氫能夠節省氫氣的運輸費用，但是加氫站內部系統設計的復雜性有了進一步提升。

1.2 內部設施

高壓壓縮氫氣加氫站作為當下加氫站的主要類型，雖然氫氣供應方式的差異會導致其內部的系統存在著一定的不同。但總體看來，卸氣柱、壓縮機、儲氫罐、加氫機、管道系統、順序控制盤、控制系統等都是其中必備的基礎設施，而壓縮機、儲氫罐和加氫機又是整個加氫站內的核心基礎設備。作為加氫站內部核心基礎設施的壓縮機，目前國內加氫站常用的有隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機以及離子式壓縮機。儲氫罐選擇得合理與否從某種程度上對加氫站的氫氣供給行為產生決定性的影響[2]，通常加氫站的儲氫罐會分成低級、中級和高級三個級別進行儲存取氣。在部分情況下，氫氣的長管拖車也可以作為一級氫氣儲存設施。加氫站內部氫氣加注服務質量得以持續提高的關鍵設施就是加氫機，內部分布的諸如壓力、溫度一類的傳感器，是確保其狀態穩定的基礎條件。

2 常見的加氫站建站工作模式

加氫站在站點建立的過程中，通?？梢苑譃檎緝戎茪浜驼就庵茪鋬煞N模式。站內制氫通常是以電解水制氫和天然氣水蒸氣轉化制氫工藝為主，這種站內氫氣制造的方法能夠在縮減運輸成本的同時降低儲氫罐的容積，但因為制氫設備占地面積相對較大，導致應用范圍遭到了一定的限制。此外，因為汽車氫氣加注帶有明顯的隨機性特點，制氫設備需要經常性地進行啟動和停止，操作方面的管理工作難度有所增加[3]。此外，除了我國新批準的加氫站建設用地之外，國內的油氫合建站，氣氫合建站等并不允許使用站內制氫的方法。目前國內現有的加油站和加氣站土地本質上都屬于商業用地的一種，在制氫設備增加之后，土地性質則會轉化為工業用地，在政府的審批、消防驗收等環節會遭遇重大的困難。

加氫站外的氫氣制作模式是指氫氣再經由化工廠、制氫廠凈化、壓縮處理之后通過長管拖車或者是管道運輸到加氫站內部，在加氫站內只需要設置氫氣的存儲、壓縮和加注設施即可。這種加氫站的制氫方法需要投入一定的運輸氫氣的成本，而這一成本與加氫站和氫氣源頭之間的距離有著緊密的關聯。一般而言，在300km以內，集裝管束的運輸成本優于其他方式，為了保障加氫站運輸成本的合理性，通過集裝管束的氫氣運輸半徑需要控制在較短的范圍以內。通過管道運輸氫氣的方法，因為受到氫氣特殊性以及距離、城鄉規劃等多種因素的影響，僅能夠在化工園區這類小范圍區域內進行使用，并且一次投資的成本相對較高。

3 燃料電池汽車加氫站的安全設計要點

3.1 等級方面的科學設計

結合目前我國有關加氫站建設方面的技術規范文件，加氫站內部儲氫罐的容量需要結合氫氣的來源、燃料電車的具體數量以及單體車輛氫氣充裝的容量、時間科學確定，氫氣儲存罐本身的容積與其潛在危險之間呈現出一種正相關關系，現行的規范文件中明確在城市中心區不應建一級加氫站、一級加油加氫合建站?，F階段，我國氫氣日加注量為1 000kg的油氫合建站通常使用的都是站外制氫模式，加氫站內設置了固定儲氫罐以及能夠移動的長管拖車，并且固定的儲氫罐容量一般維持在400～650kg，長管拖車的氫氣儲存量保持在250～460kg，氫氣的卸載時長為3～5h。因為我國燃料電池汽車正處于一種快速發展的狀態下，氫氣使用量也會快速增加，為了滿足高峰時間節點的氫氣加注需求，加氫站內需要停放兩輛及以上的長管拖車，這樣就要求氫氣的總儲量至少要滿足1 000kg。城市中心區及城市建成區周邊設施都很完善，規范上要求加氫站與周邊的距離隨著等級的提高而加大，從實際加氫需求以及安全設計角度來看，可以在城市中心區及城市建成區建設三級加氫站，氫氣儲存罐容量總體維持在3 000kg以下，并且單罐容量需要維持在800kg以下。在城市中心區及城市建成區考慮建設加油加氫合建站時，三級站通常滿足不了加氫需求，可以建設二級站，氫氣儲存罐容量總體維持在2 000kg。

3.2 站址方面的科學設計

加氫站以及合建加氫站的站址選擇需要完全符合城鎮的發展規劃、環境保護以及能源節約、消防部門安全方面的需求，并且建設地址需要選擇在交通相對較為便利，能夠為用戶提供良好服務的位置，避免設置在城市主干道的交叉路口附近?？紤]到一級加氫站以及合建加氫站的氫氣儲存容量相對較大，需要從安全和交通兩個方面出發，避免在中心區建設一級加氫站和加油加氣加氫站。加氫站內部各項設備之間同樣也需要保持一個安全的防火間距，加氫站內部的間距要求往往會影響全站的布局，也會影響站址的選擇。目前汽車加油加氣加氫站技術標準規定氫氣壓縮機和站房之間的距離保持在5m。為了減少占地、節省施工時間，通常加氫站壓縮機管道系統采用撬裝方式，我國現行的加氫站技術規范中卻明確規定了撬裝工藝設備在防火安全間距設計的過程中，需要將之視為制氫間，在這種情況下，氫壓機撬裝加氫設備和站房之間的距離需要控制在15m以上，而氫氣壓縮機間和站房的間距卻只用5m。不同規范要求的間距數值相差較大，會給工程建設各參與方帶來意見分歧，會影響整個項目的實施。目前我國加氫站，尤其是合建加氫站占地面積相對有限，合建站的氫氣壓縮機和站房之間的距離可以按5m控制。而在加氫站設計占地面積受限時，氫氣壓縮機和站房之間的安全距離建議在前期通過安全定量風險評估確定，并取得相關主管部門認可。

3.3 加氫站的總體平面設計

從加氫站內部的區域功能劃分開來，具體可以分為卸車區、壓縮區、氫氣儲存區、加注區、營業辦公區和輔助區等，合建站通?？梢允褂霉δ芊謪^和相對隔離的方法。一般而言，最為常見的油氫合建站具體區域可以分為加油設備區、加氫設備區、汽車加注區和商業區四個部分[5]。在總體平面布局設計的過程中，需要在站房的東側設置獨立性質的加氫區域，這一區域內可以完成氫氣的卸載、壓縮、儲存和加注等多項工作，這一區域同樣可以配合實體圍墻和柵欄進行隔離，防止除加氫站之外的工作人員進入。同時，加油島也可以逐步改造為加氫島，并且二者可以共同使用一個罩棚。加氫機和儲氫設備之間的管線通常設置在管溝內，并且需要在管溝內進行填砂或者是設置帶孔蓋板，防止管溝內出現氫氣聚集。在各區域劃分完成之后，需要設置對應的標線和標識，確保燃料電池車輛和加油車輛能夠分別結合標識到達相應位置進行加注，保障駕駛過程的安全。

3.4 內部設備的安全設計要點

卸氣柱、壓縮機、加氫機等作為加氫站內的主要設備，長管拖車可以借助卸氣軟管將氫氣運輸到卸氣柱內部，在經過計量和升壓之后，直接通過加氫機或者儲存在高壓氣瓶中，借此進行燃料電池車的加氫。卸氣柱內通常都設置有氮氣吹掃管線以及過濾精度少于10μm的過濾器。在氫氣卸載之前，需要進行管線的吹掃置換，以此保障卸載的氫氣質量。卸車的軟管一端需要設置拉斷閥以防止長管拖車溜車，或者是其他錯誤操作引發軟管斷裂和氫氣泄漏的問題。在氫氣卸載的過程中，一旦出現了上游超壓的現象，可以通過卸氣柱上設計的安全泄壓閥，確保壓力能夠始終維持在設計壓力范圍內。設置緊急切斷閥可以預防在發生各種緊急事件的情況下，自動切斷氫氣傳輸源頭，降低事故發生的影響程度。壓縮機作為加氫站內的核心設備，加氫的品質、加注速率以及車輛的充裝壓力與其性能水平都有著緊密的關聯，最為常見的金屬隔膜、液驅活塞和機械活塞等壓縮機，在具體選型設計的過程中，又以金屬隔膜和液驅活塞應用最為廣泛。通過在壓縮機前后設置緩沖罐，壓縮機進出口與第一個切斷閥之間設置安全閥，壓縮機與支撐氫氣管道的支架單獨設置獨立基礎，并對管道進行柔性設計，最大程度地降低設備運行過程中振動因素對于管道的影響，有效避免氫氣管道泄漏的發生。

加氫站內的氫氣存儲設備具體可以分為固定和移動兩種形式。固定性質的儲氫裝備在設計、制造、安裝、檢驗、使用、管理等各個環節不僅需要符合我國鋼制壓力容器的設計標準，同時需要結合特種設備安全檢查、使用管理等方面的規則要求，并完全滿足加氫站內的相關標準和規范的要求。儲氫裝置在設計的過程中，需要始終遵循安全第一的設計理念。通過設置超壓泄放安全閥、壓力報警以及泄漏檢測點，并且在儲氫管路上設置緊急切斷閥，確保將事故發生的概率降為最低。作為向燃料電池汽車提供氫氣加注服務的重要設施，加氫機本身帶有計量和計價的功能，并呈現出一種隨機加注、操作頻繁的特征，加氫機的軟管設置分離拉力小于600N的拉斷閥，防止因為汽車意外啟動出現的軟管拉斷或者是加氫機拉倒的現象，避免出現氫氣的泄漏事故。通常，在氫氣加注的過程中，由于焦耳-湯普森效應會使充壓容器內部的氫氣溫度升高，為了避免出現車載儲氣瓶溫度超過限值的現象，可以在加注前對氫氣進行預冷降溫并控制加注的速率。加氫管道也需要設計全啟安全閥防止出現超壓現象，通過切斷閥和緊急停車按鈕的設置，確保能夠在發生緊急情況時自動進行閥門的關閉，停止加氫作業，并向站內的控制系統發出對應的信號，最終保障終端的氫氣品質以及氫氣加注的服務質量。

4 燃料電池加氫站的安全設計及管理工作策略

4.1 加氫站安全設計工作策略

因為我國的加氫站建設、發展時間相對較晚，在質量工程建設以及運營管理等過程存在著明顯的質量參差不齊的問題。在具體設計的過程中，從加氫站的選址和總體平面布置方面來看，必須正確選擇規范并嚴格執行規范的要求，并結合安全風險評估，確保設備和站外設施保持安全的間距。氫氣的儲存罐需要通過充壓次數計數器的設置，更好地掌握儲罐壓力的疲勞次數。卸氣柱、加氫機需要為其設置拉斷閥，以避免誤操作導致各種氫氣泄漏問題的發生。在安全輔助系統的設計過程中，卸氣柱、加氫機、壓縮機都需要設置安全閥和緊急切斷閥，儲氫罐需要為其單獨設計放空閥。因為氫氣有著明顯的向上擴散的特性，需要科學地配置氫火焰探測器、泄漏探測器和聲光警報器，確保能夠在發生各種緊急情況時，第一時間發出報警信號。結合我國現行的加氫站設計規范文件看來，加氫站需要設計不發火的地面，且氫氣和除氮氣以外的其他的公用工程管道不得在同一個管溝內進行敷設，加氫站內的放散管道需分別引至放散總管中進行統一的放散處理。

4.2 加氫站安全管理工作策略

為了確保加氫站始終處于一種安全穩定的運行狀態下，設計時，需要合理正確選擇管道材料、閥門、設備等；施工時，需要對管道、安全閥、放空閥、加氫軟管、閥門、壓縮機彼此之間連接，以及儀表、墊片等的可靠性進行試驗檢測，保障加氫站各設施的施工質量，站內設置的金屬設備、管道和管架需要設置完善的防雷和靜電接地系統；在日常運行維護時，需要針對法蘭連接部位、加氫軟管等容易泄漏的位置定期進行檢查，針對軟管和膜片定期更換。在日常的加氫站管理工作中，需要杜絕站內以及周邊區域出現明火。相關人員在工作時需要穿戴防靜電工作服物，配合巡檢以及操作規程的有效落實，保障加氫站內的氫氣加注以及運營安全。

5 結語

在我國高度關注氫能這一清潔能源普及應用的背景下，燃料電池汽車逐漸得以推廣，但加氫站內儲存的氫氣帶有明顯的易燃易爆特性。為了保障加氫站內氫氣的質量和運行安全，要從加氫站的等級、地址選擇、總體平面布局和內部設備等多個方面入手，結合我國現行標準規范科學地設計加氫站，以保障加氫站能夠始終處于一種安全穩定的運行狀態。