加氢站工艺流程及主要工艺设备选型剖析

近两年来，各种充电电动汽车的补贴政策逐渐下降，但作为新能源汽车，燃料电池汽车及其配套设施的政府补贴一直在增加。燃料电池汽车克服了充电电动汽车充电时间长、电池电性能衰减快、电池报废困难的几个问题。然而，燃料电池汽车的推广仍然不如充电电动汽车顺利。原因是，除了燃料电池汽车本身的生产成本和销售价格仍然很高外，其稀缺的配套加氢设施是制约燃料电池汽车快速发展的更大障碍。

在加氢站的设计和施工过程中，制定工艺流程计划，选择合适的工艺设备，对加快加氢站的施工进度，合理控制施工成本起着至关重要的作用。

1、加氢站工艺流程

目前，国内加氢站的主要工艺流程是基于高压气态氢的储运方式，主要是站外长管拖车的供氢。站外长管拖车供氢的高压气态储氢加氢站工艺流程如图1所示。

图1 加氢站工艺流程示意

长管拖车将20MPa压缩氢从氢生产单位运输到固定站，氢通过加氢站压缩机卸载到站内高压储氢罐。当车辆加氢时，长管拖车或储氢罐中输出的氢通过加氢机填充到燃料电池车载储氢瓶。

目前国际上应用广泛的车载储氢瓶压力等级主要有35个MPa和70MPa两种。加氢站的更高设计压力等级也需要与加注车辆储氢的压力等级相匹配，除20年使用长管拖车外MPa除移动储氢设施外，35MPa氢燃料电池车加氢站更高固定储氢压力一般为45MPa，70MPa氢燃料电池车加氢站更高固定储氢压力一般为90MPa。

2.加氢站设备选型

加氢站设备中的三件包括压缩机、固定储氢设施和加氢机。这三种设备的性能参数决定了加氢站的整体加注能力和储氢能力。在确定车站建设规模时，通过匹配设备参数和设备数量，实现加氢站更佳、最经济的设备配置。

2.1压缩机

压缩机作为加氢站的核心设备，在氢气增压中发挥着重要作用。目前国内加氢站常用的氢压缩机主要有隔膜压缩机、液驱压缩机和离子液压缩机。隔膜压缩机和液驱压缩机主要用于储氢压力不大于45MPa离子液压缩机主要用于储氢压力90MPa国内压力等级的加氢站压缩机仍在开发中，主要依靠进口。

2.1.1隔膜压缩机

隔膜压缩机有一个特殊的膜片，将压缩气体与外界开。在隔膜压缩机中，气缸的功能由膜腔完成。膜腔由圆形表面的盖板和弹性膜组成。膜周围紧固在盖板和身体之间。当膜上下弯曲变形时，膜腔内的体积发生变化，从而完成气体的压缩和排气。金属膜片隔膜压缩机采用液力驱动膜片，可靠近盖板穹顶表面，相对间隙小，气体与液体之间的膜片非常薄，压缩过程中散热良好。目前，金属隔膜压缩机的更高排气压力可达70MPa，但由于膜片变形量有限，处理气体量一般较小。

图2隔膜压缩机工作原理

2.1.2液驱压缩机

液体驱动压缩机的动力缸直接连接到往复泵的工作室，往复泵的活塞驱动压缩机的活塞通过液体（主要是油）完成气体压缩。液体驱动压缩机的中间是两个对应的气缸，柱塞是压缩氢气的活塞，上部是控制滑动阀，以释放动力气缸中的油。这种结构可以做成多列，所以功率更大。

图3液驱压缩机工作原理示意图

2.1.三离子液压缩机

自动化、航空航天、电子电器或能源领域通常使用离子液体。离子液体本身几乎不可压缩，几乎没有蒸汽压力，可以取代金属在等温条件下产生高压，可以长期运行，无需维护，节约能耗。与普通压缩机相比，离子液压缩机结构简单，零件大大降低，维护方便。目前已用于国外部分天然气加气站和氢能供应站，更大排气压力可达90MPa以上。

2.1.4各类压缩机对比分析

隔膜压缩机、液驱压缩机和离子液压缩机的性能比较见下表1。

表1隔膜压缩机、液驱压缩机和离子液压缩机的性能比较

国内许多压缩机制造商在隔膜压缩机和液体驱动压缩机的技术研发方面越来越成熟，相当一部分加氢站已经开始应用完全本地化的氢压缩机。但相对而言，国产压缩机的稳定性和可靠性有待提高。目前，我国相当一部分加氢站设备供应商采购进口压缩机头作为核心部件，配套辅助部件采用国内采购组装。这样，对于而言，不仅提高了设备的可靠性，而且降低了设备的采购成本。目前国内已建成或在建的35MPa隔膜压缩机或液驱压缩机多用于加氢站。由于价格高，离子压缩机更适合加注压力高的70MPa加氢站。

2.固定储氢设施

高压储氢瓶组和高压储氢罐主要用最近建成或在建的加氢站的固定储氢设施。

高压储氢设施具有氢气储存和压力缓冲作用，通过压力、温度等传感器对储存介质参数、安全状态等进行监测。加氢站氢气储存系统的工作压力越高或该工作压力与氢能汽车充氢压力差越大，将使氢能汽车充氢时间缩短；氢气储存系统工作压力的提高也会使氢气压缩机开启频繁度降低。

(1)储氢压力不大于20MPa高压储氢瓶组一般可用作储氢设施。目前主要用于以低压管道氢为气源的加氢站，作为一级储氢站。这种储氢瓶组参考ASME(American Society of Mechanical Engineers，美国机械工程师协会的标准TSG设计制造21-2016年《固定压力容器安全技术监督规程》，主要材料为4130X高强度结构钢，瓶体为单层厚壁结构。

(2)储氢压力大于20MPa考虑到高压氢的氢脆腐蚀，一般选择高压储氢罐作为储氢设施，储罐壁也成为多层结构形式，内层采用耐氢脆腐蚀不锈钢，外层采用高强度碳钢加固，具有耐腐蚀、耐高压的特点。

35MPa更高储氢压力为45MPa的储氢罐，70MPa加氢站通常还要增设更高储氢压力为90MPa的储氢罐。

2.3加氢机

加氢机的主要功能是加注氢燃料电池汽车的车载储氢瓶。

加氢机的基本部件包括箱体、用户显示面板、加氢口、加氢软管、断阀、流量计量、控制系统、过滤器、节流保护、管道、阀门、管件、安全系统等。此外，还包括一些辅助系统：电子读卡系统（如收费系统）、多级储气优先控制系统、两个不同压力的辅助加氢口和软管、温度补偿系统和车辆信息集成控制系统。

加氢机加注时有焦汤效应，导致氢气温度升高。因此，如何防止氢气温度在加注过程中上升是加氢机的关键性能之一。目前，中国主要有35台MPa加氢机制造商主要采用以下两种方采用以下两种方法：

(1)采用美国机动车工程师协会SAE(Society of Auto motive Engineers)J根据2601标准，在加氢机中设置与汽车瓶相连的通信接口，将加氢过程中车载瓶的温度和压力信号输入加氢机，自动调节加氢加压速率，控制氢温度。

(2)加氢前预冷。氢气进入加氢机前，首先通过外置换热器换热，降低氢气温度后加注车载气瓶。换热器冷却介质为低温循环冷却水，需要外设大功率冷水机组将冷却水温度降至5~10℃。

根据项目的具体实际情况，可以选择上述两种加氢机。如果站址面积紧凑，对节能要求高，可以考虑使用第一种加氢机；如果日常加注车辆较多，需要快速加氢，可以考虑使用第二种加氢机。

此外，加氢机的加注速率也与加氢站压缩机的配置和储氢罐的体积有关，设计应综合考虑。

综上所述，以典型的加注能力为1万kg/12h，加注压力35MPa以加氢站为例，推荐设备配置见表2。

表2 1000kg/12h，35MPa加氢站推荐设备配置

2.其他工艺设施

2.4.1卸气柱

卸气柱是长管拖车与车站工艺管道之间的接口，与拖车停车位逐一对应。每组卸气柱配有柔性软管、断裂阀、过滤器、单向止回阀、手动止回阀、安全阀和压力表。每组排气柱集中分散。作为加氢站与长管拖车的气源对接点，应在排气柱出口管道上设置紧急切断阀，以确保在车站发生事故时第一次切断气源。

2.4.二是顺序控制阀组

顺序控制阀组是由一系列气动阀、电磁阀和压力传感器组成的加氢站注气自动控制的重要组成部分。将现场压力传感器的实时压力数据上传到控制室PLC控制柜，通过预制程序判断工况，然后发出信号，控制现场氮气管道电磁阀的开闭，然后控制气动阀的开闭。

2.4.3氢气管道系统

按照国家标准GB50516-2010《加氢站技术规范》，加氢站内的氢气工艺管道应具有与氢相容的特点，应采用无缝钢管或高压无缝钢管，并应符合GB/T8163-2018《输送流体无缝钢管》GB5310-2017《高压锅炉无缝钢管》GB/T14976-2012《流体输送不锈钢无缝钢管》ASMEB31.三、工艺管道和ASTMA269《一般设备无缝焊接奥氏体不锈钢管》的有关规定。

按照国家标准GB/T29729-2013《氢系统安全基本要求》采用奥氏体不锈钢、铝合金等氢脆敏感性低的材料。在本规范附录D中，建议在氢环境中使用奥氏体不锈钢S31603、S31608、铝合金6061。

GB50516-2010年《加氢站技术规范》还提出了氢管连接方式的基本要求:氢管连接应采用焊接或夹套接头；氢管与设备、阀门的连接可采用法兰或螺纹连接。在目前的加氢站设计中，氢气管道的连接主要采用夹套连接和锥螺纹连接。其中，压缩机前20MPa氢管主要采用夹套连接；压缩机后的管道主要采用锥螺纹连接。

2.4.4放散系统

加氢站的放散方式主要分为超压安全放松和手动放松。

(1)超压安全排放主要包括设置在压缩机、储罐、加氢机等设备氢气管道上的安全阀。安全阀的开启压力不大于管道的设计压力，且需根据GB根据50516-2010《加氢站技术规范》的要求，根据更大工作压力，设置安全阀开启压力。超压安全排放为不可控排放，主要由设备运行故障等因素引起，一般排放量较小，排放概率较低。

（2）手动分散的主要功能是在设备维护过程中对设备和氢管进行压力泄漏。压力泄漏后，用氮气更换和清洗，使储罐内的氢气排放干净，确保设备维护过程中的安全。手动分散为可控分散，可通过手动调整截止阀开度来控制分散气体的流量，但一般分散量较大，分散概率根据设备维护周期确定。

加氢站内的放散管一般根据氢管和设备的压力系统分别连接到放散管，并通过放散垂直管放入大气中。为防止高速喷射的放散气与空气接触引起回火，应在放散管接近末端设置阻火器，以确保安全。

2.4.5.更换吹扫系统

加氢站通常用氮气清洗和更换设备和氢气管道。工艺装置区内设置专用氮气集装箱和氮气清洗置换阀组，与氢气管道和设备氢气管道相连，连接处设置止回阀。止回阀和氢端的管道设计压力应与氢气设备或氢气管道的设计压力相匹配，以防止高压氢回流到氮气置换清洗系统。

2.4.6仪表风系统

加氢站仪表风系统的主要功能是为加氢站工艺系统的气动阀供气。

(1)以氮气为仪表风源，通过氮气集装箱、氮气仪表风阀组和仪表风管为气动阀供气。以氮气为仪表风源时，由于用气量小，一般可与氮气置换吹扫系统共用氮气集装箱作为气源。通过人工检测氮气集装箱的压力变化，确定氮气集装箱的更换时间。

(2)以压缩空气为仪表风源，通过空压机和仪表风管为气动阀供气，一般需要配置3个功率~5kW为保证压力稳定，空压机继续工作。

3、结语

根据实际工程经验，对加氢站部分主要设备进行比较，为今后类似项目的设计提供参考。在实际工程中，在确定加氢站设备的选择时，不仅要考虑加氢站的综合性能，还要考虑设备采购的经济性。随着时间的推移，市场上将会有更多的新设备和技术，这将为加氢站的建设提供更多更好的选择。

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