近兩年來，各種充電電動汽車的補(bǔ)貼政策逐漸下降，但作為新能源汽車，燃料電池汽車及其配套設(shè)施的政府補(bǔ)貼一直在增加。燃料電池汽車克服了充電電動汽車充電時間長、電池電性能衰減快、電池報廢困難的幾個問題。然而，燃料電池汽車的推廣仍然不如充電電動汽車順利。原因是，除了燃料電池汽車本身的生產(chǎn)成本和銷售價格仍然很高外，其稀缺的配套加氫設(shè)施是制約燃料電池汽車快速發(fā)展的更大障礙。

在加氫站的設(shè)計和施工過程中，制定工藝流程計劃，選擇合適的工藝設(shè)備，對加快加氫站的施工進(jìn)度，合理控制施工成本起著至關(guān)重要的作用。

1、加氫站工藝流程

目前，國內(nèi)加氫站的主要工藝流程是基于高壓氣態(tài)氫的儲運(yùn)方式，主要是站外長管拖車的供氫。站外長管拖車供氫的高壓氣態(tài)儲氫加氫站工藝流程如圖1所示。

圖1 加氫站工藝流程示意

長管拖車將20MPa壓縮氫從氫生產(chǎn)單位運(yùn)輸?shù)焦潭ㄕ?，氫通過加氫站壓縮機(jī)卸載到站內(nèi)高壓儲氫罐。當(dāng)車輛加氫時，長管拖車或儲氫罐中輸出的氫通過加氫機(jī)填充到燃料電池車載儲氫瓶。

目前國際上應(yīng)用廣泛的車載儲氫瓶壓力等級主要有35個MPa和70MPa兩種。加氫站的更高設(shè)計壓力等級也需要與加注車輛儲氫的壓力等級相匹配，除20年使用長管拖車外MPa除移動儲氫設(shè)施外，35MPa氫燃料電池車加氫站更高固定儲氫壓力一般為45MPa，70MPa氫燃料電池車加氫站更高固定儲氫壓力一般為90MPa。

2.加氫站設(shè)備選型

加氫站設(shè)備中的三件包括壓縮機(jī)、固定儲氫設(shè)施和加氫機(jī)。這三種設(shè)備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力。在確定車站建設(shè)規(guī)模時，通過匹配設(shè)備參數(shù)和設(shè)備數(shù)量，實現(xiàn)加氫站更佳、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備配置。

2.1壓縮機(jī)

壓縮機(jī)作為加氫站的核心設(shè)備，在氫氣增壓中發(fā)揮著重要作用。目前國內(nèi)加氫站常用的氫壓縮機(jī)主要有隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)。隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)壓縮機(jī)主要用于儲氫壓力不大于45MPa離子液壓縮機(jī)主要用于儲氫壓力90MPa國內(nèi)壓力等級的加氫站壓縮機(jī)仍在開發(fā)中，主要依靠進(jìn)口。

2.1.1隔膜壓縮機(jī)

隔膜壓縮機(jī)有一個特殊的膜片，將壓縮氣體與外界開。在隔膜壓縮機(jī)中，氣缸的功能由膜腔完成。膜腔由圓形表面的蓋板和彈性膜組成。膜周圍緊固在蓋板和身體之間。當(dāng)膜上下彎曲變形時，膜腔內(nèi)的體積發(fā)生變化，從而完成氣體的壓縮和排氣。金屬膜片隔膜壓縮機(jī)采用液力驅(qū)動膜片，可靠近蓋板穹頂表面，相對間隙小，氣體與液體之間的膜片非常薄，壓縮過程中散熱良好。目前，金屬隔膜壓縮機(jī)的更高排氣壓力可達(dá)70MPa，但由于膜片變形量有限，處理氣體量一般較小。

圖2隔膜壓縮機(jī)工作原理

2.1.2液驅(qū)壓縮機(jī)

液體驅(qū)動壓縮機(jī)的動力缸直接連接到往復(fù)泵的工作室，往復(fù)泵的活塞驅(qū)動壓縮機(jī)的活塞通過液體（主要是油）完成氣體壓縮。液體驅(qū)動壓縮機(jī)的中間是兩個對應(yīng)的氣缸，柱塞是壓縮氫氣的活塞，上部是控制滑動閥，以釋放動力氣缸中的油。這種結(jié)構(gòu)可以做成多列，所以功率更大。

圖3液驅(qū)壓縮機(jī)工作原理示意圖

2.1.三離子液壓縮機(jī)

自動化、航空航天、電子電器或能源領(lǐng)域通常使用離子液體。離子液體本身幾乎不可壓縮，幾乎沒有蒸汽壓力，可以取代金屬在等溫條件下產(chǎn)生高壓，可以長期運(yùn)行，無需維護(hù)，節(jié)約能耗。與普通壓縮機(jī)相比，離子液壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，零件大大降低，維護(hù)方便。目前已用于國外部分天然氣加氣站和氫能供應(yīng)站，更大排氣壓力可達(dá)90MPa以上。

2.1.4各類壓縮機(jī)對比分析

隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)的性能比較見下表1。

表1隔膜壓縮機(jī)、液驅(qū)壓縮機(jī)和離子液壓縮機(jī)的性能比較

國內(nèi)許多壓縮機(jī)制造商在隔膜壓縮機(jī)和液體驅(qū)動壓縮機(jī)的技術(shù)研發(fā)方面越來越成熟，相當(dāng)一部分加氫站已經(jīng)開始應(yīng)用完全本地化的氫壓縮機(jī)。但相對而言，國產(chǎn)壓縮機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性有待提高。目前，我國相當(dāng)一部分加氫站設(shè)備供應(yīng)商采購進(jìn)口壓縮機(jī)頭作為核心部件，配套輔助部件采用國內(nèi)采購組裝。這樣，對于而言，不僅提高了設(shè)備的可靠性，而且降低了設(shè)備的采購成本。目前國內(nèi)已建成或在建的35MPa隔膜壓縮機(jī)或液驅(qū)壓縮機(jī)多用于加氫站。由于價格高，離子壓縮機(jī)更適合加注壓力高的70MPa加氫站。

2.固定儲氫設(shè)施

高壓儲氫瓶組和高壓儲氫罐主要用最近建成或在建的加氫站的固定儲氫設(shè)施。

高壓儲氫設(shè)施具有氫氣儲存和壓力緩沖作用，通過壓力、溫度等傳感器對儲存介質(zhì)參數(shù)、安全狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測。加氫站氫氣儲存系統(tǒng)的工作壓力越高或該工作壓力與氫能汽車充氫壓力差越大，將使氫能汽車充氫時間縮短；氫氣儲存系統(tǒng)工作壓力的提高也會使氫氣壓縮機(jī)開啟頻繁度降低。

(1)儲氫壓力不大于20MPa高壓儲氫瓶組一般可用作儲氫設(shè)施。目前主要用于以低壓管道氫為氣源的加氫站，作為一級儲氫站。這種儲氫瓶組參考ASME(American Society of Mechanical Engineers，美國機(jī)械工程師協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)TSG設(shè)計制造21-2016年《固定壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》，主要材料為4130X高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，瓶體為單層厚壁結(jié)構(gòu)。

(2)儲氫壓力大于20MPa考慮到高壓氫的氫脆腐蝕，一般選擇高壓儲氫罐作為儲氫設(shè)施，儲罐壁也成為多層結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層采用耐氫脆腐蝕不銹鋼，外層采用高強(qiáng)度碳鋼加固，具有耐腐蝕、耐高壓的特點(diǎn)。

35MPa更高儲氫壓力為45MPa的儲氫罐，70MPa加氫站通常還要增設(shè)更高儲氫壓力為90MPa的儲氫罐。

2.3加氫機(jī)

加氫機(jī)的主要功能是加注氫燃料電池汽車的車載儲氫瓶。

加氫機(jī)的基本部件包括箱體、用戶顯示面板、加氫口、加氫軟管、斷閥、流量計量、控制系統(tǒng)、過濾器、節(jié)流保護(hù)、管道、閥門、管件、安全系統(tǒng)等。此外，還包括一些輔助系統(tǒng)：電子讀卡系統(tǒng)（如收費(fèi)系統(tǒng)）、多級儲氣優(yōu)先控制系統(tǒng)、兩個不同壓力的輔助加氫口和軟管、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和車輛信息集成控制系統(tǒng)。

加氫機(jī)加注時有焦湯效應(yīng)，導(dǎo)致氫氣溫度升高。因此，如何防止氫氣溫度在加注過程中上升是加氫機(jī)的關(guān)鍵性能之一。目前，中國主要有35臺MPa加氫機(jī)制造商主要采用以下兩種方采用以下兩種方法：

(1)采用美國機(jī)動車工程師協(xié)會SAE(Society of Auto motive Engineers)J根據(jù)2601標(biāo)準(zhǔn)，在加氫機(jī)中設(shè)置與汽車瓶相連的通信接口，將加氫過程中車載瓶的溫度和壓力信號輸入加氫機(jī)，自動調(diào)節(jié)加氫加壓速率，控制氫溫度。

(2)加氫前預(yù)冷。氫氣進(jìn)入加氫機(jī)前，首先通過外置換熱器換熱，降低氫氣溫度后加注車載氣瓶。換熱器冷卻介質(zhì)為低溫循環(huán)冷卻水，需要外設(shè)大功率冷水機(jī)組將冷卻水溫度降至5~10℃。

根據(jù)項目的具體實際情況，可以選擇上述兩種加氫機(jī)。如果站址面積緊湊，對節(jié)能要求高，可以考慮使用第一種加氫機(jī)；如果日常加注車輛較多，需要快速加氫，可以考慮使用第二種加氫機(jī)。

此外，加氫機(jī)的加注速率也與加氫站壓縮機(jī)的配置和儲氫罐的體積有關(guān)，設(shè)計應(yīng)綜合考慮。

綜上所述，以典型的加注能力為1萬kg/12h，加注壓力35MPa以加氫站為例，推薦設(shè)備配置見表2。

表2 1000kg/12h，35MPa加氫站推薦設(shè)備配置

2.其他工藝設(shè)施

2.4.1卸氣柱

卸氣柱是長管拖車與車站工藝管道之間的接口，與拖車停車位逐一對應(yīng)。每組卸氣柱配有柔性軟管、斷裂閥、過濾器、單向止回閥、手動止回閥、安全閥和壓力表。每組排氣柱集中分散。作為加氫站與長管拖車的氣源對接點(diǎn)，應(yīng)在排氣柱出口管道上設(shè)置緊急切斷閥，以確保在車站發(fā)生事故時第一次切斷氣源。

2.4.二是順序控制閥組

順序控制閥組是由一系列氣動閥、電磁閥和壓力傳感器組成的加氫站注氣自動控制的重要組成部分。將現(xiàn)場壓力傳感器的實時壓力數(shù)據(jù)上傳到控制室PLC控制柜，通過預(yù)制程序判斷工況，然后發(fā)出信號，控制現(xiàn)場氮?dú)夤艿离姶砰y的開閉，然后控制氣動閥的開閉。

2.4.3氫氣管道系統(tǒng)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》，加氫站內(nèi)的氫氣工藝管道應(yīng)具有與氫相容的特點(diǎn)，應(yīng)采用無縫鋼管或高壓無縫鋼管，并應(yīng)符合GB/T8163-2018《輸送流體無縫鋼管》GB5310-2017《高壓鍋爐無縫鋼管》GB/T14976-2012《流體輸送不銹鋼無縫鋼管》ASMEB31.三、工藝管道和ASTMA269《一般設(shè)備無縫焊接奧氏體不銹鋼管》的有關(guān)規(guī)定。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T29729-2013《氫系統(tǒng)安全基本要求》采用奧氏體不銹鋼、鋁合金等氫脆敏感性低的材料。在本規(guī)范附錄D中，建議在氫環(huán)境中使用奧氏體不銹鋼S31603、S31608、鋁合金6061。

GB50516-2010年《加氫站技術(shù)規(guī)范》還提出了氫管連接方式的基本要求:氫管連接應(yīng)采用焊接或夾套接頭；氫管與設(shè)備、閥門的連接可采用法蘭或螺紋連接。在目前的加氫站設(shè)計中，氫氣管道的連接主要采用夾套連接和錐螺紋連接。其中，壓縮機(jī)前20MPa氫管主要采用夾套連接；壓縮機(jī)后的管道主要采用錐螺紋連接。

2.4.4放散系統(tǒng)

加氫站的放散方式主要分為超壓安全放松和手動放松。

(1)超壓安全排放主要包括設(shè)置在壓縮機(jī)、儲罐、加氫機(jī)等設(shè)備氫氣管道上的安全閥。安全閥的開啟壓力不大于管道的設(shè)計壓力，且需根據(jù)GB根據(jù)50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》的要求，根據(jù)更大工作壓力，設(shè)置安全閥開啟壓力。超壓安全排放為不可控排放，主要由設(shè)備運(yùn)行故障等因素引起，一般排放量較小，排放概率較低。

（2）手動分散的主要功能是在設(shè)備維護(hù)過程中對設(shè)備和氫管進(jìn)行壓力泄漏。壓力泄漏后，用氮?dú)飧鼡Q和清洗，使儲罐內(nèi)的氫氣排放干凈，確保設(shè)備維護(hù)過程中的安全。手動分散為可控分散，可通過手動調(diào)整截止閥開度來控制分散氣體的流量，但一般分散量較大，分散概率根據(jù)設(shè)備維護(hù)周期確定。

加氫站內(nèi)的放散管一般根據(jù)氫管和設(shè)備的壓力系統(tǒng)分別連接到放散管，并通過放散垂直管放入大氣中。為防止高速噴射的放散氣與空氣接觸引起回火，應(yīng)在放散管接近末端設(shè)置阻火器，以確保安全。

2.4.5.更換吹掃系統(tǒng)

加氫站通常用氮?dú)馇逑春透鼡Q設(shè)備和氫氣管道。工藝裝置區(qū)內(nèi)設(shè)置專用氮?dú)饧b箱和氮?dú)馇逑粗脫Q閥組，與氫氣管道和設(shè)備氫氣管道相連，連接處設(shè)置止回閥。止回閥和氫端的管道設(shè)計壓力應(yīng)與氫氣設(shè)備或氫氣管道的設(shè)計壓力相匹配，以防止高壓氫回流到氮?dú)庵脫Q清洗系統(tǒng)。

2.4.6儀表風(fēng)系統(tǒng)

加氫站儀表風(fēng)系統(tǒng)的主要功能是為加氫站工藝系統(tǒng)的氣動閥供氣。

(1)以氮?dú)鉃閮x表風(fēng)源，通過氮?dú)饧b箱、氮?dú)鈨x表風(fēng)閥組和儀表風(fēng)管為氣動閥供氣。以氮?dú)鉃閮x表風(fēng)源時，由于用氣量小，一般可與氮?dú)庵脫Q吹掃系統(tǒng)共用氮?dú)饧b箱作為氣源。通過人工檢測氮?dú)饧b箱的壓力變化，確定氮?dú)饧b箱的更換時間。

(2)以壓縮空氣為儀表風(fēng)源，通過空壓機(jī)和儀表風(fēng)管為氣動閥供氣，一般需要配置3個功率~5kW為保證壓力穩(wěn)定，空壓機(jī)繼續(xù)工作。

3、結(jié)語

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，對加氫站部分主要設(shè)備進(jìn)行比較，為今后類似項目的設(shè)計提供參考。在實際工程中，在確定加氫站設(shè)備的選擇時，不僅要考慮加氫站的綜合性能，還要考慮設(shè)備采購的經(jīng)濟(jì)性。隨著時間的推移，市場上將會有更多的新設(shè)備和技術(shù)，這將為加氫站的建設(shè)提供更多更好的選擇。

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