加氢站的工艺分析及设计要点

胡 瑛

上海燃气工程设计研究有限公司

0 概述

当前，在国内“双碳”背景下，交通行业已迎来巨大变革，以电动汽车和燃料电池汽车为首的新能源汽车逐渐进入了应用领域。燃料电池汽车使用氢作燃料，是新能源汽车的重要组成部分。截至2020年底全球燃料电池汽车数量已突破3.4万辆，其中我国达到了7 729辆，占到五分之一[1]。

燃料电池汽车产业的发展离不开其配套设施——加氢站。自2019年起我国加氢站建设驶入快车道。据2020年底统计，我国累计已建成加氢站128座，截至2021年7月，投运的建成站有116座。上海市是国内加氢站建设的先行城市，自2007年安亭加氢站始，至2020年底已建成9座。依据规划，2025年前建设的加氢站会达到70座[2]（见表1）。

表1 2017-2020年燃料电池汽车和加氢站的统计

鉴于加氢站建设离不开设计规范的指导，2021年国家陆续颁布了新的加氢站设计规范，其中引入了一些新理念，故有必要重新审视加氢站的工艺、种类及其设计要点。

1 加氢工艺

加氢工艺按氢的不同形态，主要分为气态和液态。

1.1 高压气态氢

按气态氢的压力等级，分为35 MPa和70 MPa两类。考虑技术和安全因素，国内主要发展35 MPa加氢站，占比达89%[1]。故以35 MPa高压气态加氢站作为工艺分析对象。

1）工艺装备

气态站的核心工艺装备包含压缩机、加氢机和储氢容器三大件。

（1）压缩机

压缩机是将上游H2压缩,储存至储氢容器内。常规形式有隔膜式和液驱式。目前，国内已建或在建的加氢站多采用技术最成熟的隔膜压缩机，液驱式则适应频繁启停的场景，以林德为代表的新型离子液压缩机已实现商用，鉴于后者节能高效的特点，未来也有应用前景[3]（见表2）。

表2 压缩机的特点对比

（2）加氢机

加氢机是为燃料电池汽车的车载储氢瓶充装H2，其组成包括加氢枪、计量、取气控制和冷却设施等（见表3）。

表3 加氢机的主要功能

（3）储氢容器

储氢容器是将上游氢源储存至站内，并为下游加注提供缓冲，有移动式和固定式两种。移动式为长管拖车，固定式为储氢瓶组（或罐）。35 MPa加氢站采用45 MPa储氢瓶组，70 MPa加氢站采用90 MPa储氢罐（见表4）。

表4 储氢容器的分类

2）工艺流程

H2通过长管拖车输送至站内，气源压力为20 MPa，氢纯度不低于99.97%[4]。压缩机从长管拖车取气，增压储存至储氢容器，车辆需要加氢时，再由压缩机从储氢容器取气，通过加氢机计量后为车辆加注。

为提高加注效率，加氢机和容器一般采用多级取气：先容器分组，再设定各组不同压力，由低至高顺序为汽车加注。储氢容器一般为6～15瓶或1～3罐，分三级，有1:1:1或2:3:4等划分形式[5]（见图1）。

图1 气态站的工艺流程示意图

1.2 低温液态氢

液态氢加氢站是加氢站的另一种类型，目前全球已有120多座，占总数1/5[6]。液态相比气态的储运效率更高，大规模长途运输有经济性[7]。

液态站区别于气态站的主要工艺装备有液氢储罐、液氢泵和气化器（高压或低压）等。液态氢存至站内液氢储罐后，可先增压再高压气化至站内储氢容器，也可先低压气化再增压至储氢容器。前者利用液氢冷能为加氢机加注过程预冷，能耗低，但低温泵和高压气化器技术门槛高；后者采用压缩机增压，能耗较高，但常规气态压缩机和低压气化器的技术门槛较低，两种工艺各有优势（见图2）。

图2 液态站的工艺流程示意图

1.3 其他工艺形式

随着技术发展，未来加氢站也会采用一些新的工艺形式。

1）有机液体

有机液体利用不饱和有机物液体的加氢和脱氢反应来实现储氢，反应可逆、安全稳定且便于运输，可利用现有加油站设施。常用液体如甲苯、吡啶及乙基咔唑等[8]。

2）固态材料

固体储氢利用氢气与储氢材料之间发生物化反应转化为固溶体或氢化物进行储氢。这种方式储氢体积密度大、运输方便且低压安全，发展潜力大[9]。

2 建设类型

2.1 定义

按站内能源服务形式，加氢站主要分为纯氢站和合建站。

1）纯氢站

纯氢站指单纯提供加氢服务的独立能源加注站，服务对象仅为燃料电池汽车。纯氢站又可分为固定站和撬装站，其中撬装站是临时加氢过渡设施，但建设审批同样执行固定站要求。

2）合建站

合建站指加氢和其他一种或多种能源服务（加油、加气、充电）合建的加注站。合建站的优势在于可有效服务于现阶段多种车用能源并存的场景。

2.2 建站分类

1）纯氢站（见表5、图3）

表5 纯氢站案例

图3 纯氢站展示图

固定站工艺分为气态和液态，其设计需满足标准要求、符合安全间距；撬装站和固定站工艺原理基本相同，为实现快速投运，会采用减少储氢容积、使用液驱压缩的加注一体装备。

2）合建站（见表6、图4）

图4 合建站展示图

表6 国内合建站案例

（1）加氢加油合建站

此类加氢站带有一定的行业属性。从国内发展看，中石油和中石化等传统油企倾向于发展油氢合建站。利用以油补氢来支持加氢站的发展，这也是当前国内维持加氢站市场运营的一种商业模式。

（2）加氢加气合建站

以华润为代表的燃气企业在低碳能源转型发展中也十分重视加氢站，并可利用其现有加气站用地实施合建。

（3）加氢充电合建站

充电站是新能源的最终发展趋势，电力企业在转型过程中，充分把握行业优势，将充电和加氢进行合建。

（4）综合能源站

综合能源站指三种及以上能源服务合建的类型，包含加油、加气、充电和加氢，俗称“四位一体”。综合能源站能够提供多种能源服务方式，是未来合建站的主流趋势。

3 设计要点

3.1 规范发展的时间轴

我国加氢站设计起步于2010年，当时住建部发布了《加氢站技术规范》（GB50516），形成基础是2007年上海和北京等两座示范站，该标准可指导国内加氢站的设计。但2010版中存在一些缺漏，如针对合建站仅说明了两种合建情况，对于三种及以上的合建来说，定义不明。

2021年为进一步指导纯氢站及合建站的设计，《加氢站技术规范》2021年修订版移除了合建站内容，将合建站并入2021年颁布的新版《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB50156-2021）。至此，2021年两本规范的同时修订终于完善了纯氢站及合建站的设计依据，在新形势下可有效指导各类加氢站的设计。

下文中《加氢站技术规范》（GB50516-2010（2021版））简称GB50516；《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB50156-2021）简称GB50156。

3.2 设计要点分析

3.2.1 采标依据

纯氢站和合建站都是加氢站，存在规范的采用问题。

解析：按上述两本规范的适用定义，纯氢站适用于GB50516，合建站则更适用于GB50156，但GB50156未明确的内容仍应参照GB50516执行（见表7）。

表7 加氢站设计建议采标情况

3.2.2 GB50516主要更新条款

GB50516新版是在原2010年版基础上进行了有限修订。

1）主要更新条款（见表8）

表8 GB50516的更新条款

设计中需重视上述更新条款，其中最重要的更新条款解释如下。

2）重要更新条款的解析

（1）允许液氢和站内制氢

条款：3.0.1

“加氢站应结合供氢方式进行设计。加氢站可采用氢气长管拖车运输、氢气管束式集装箱运输、液氢罐车运输、液氢罐式集装箱运输、管道输送或站内制氢系统等方式供氢。加氢站可与天然气加气站或加油站联合建站。”

解析：该条款引入了液态氢的供氢方式，同时明确允许站内制氢，为未来加氢站工艺形式的丰富提供了重要依据。

（2）等级规模调整（见表9）

表9 两版加氢站等级划分对比

条款：3.0.2

解析：二、三级站将是今后城市建成区的主要形式，本次更新调整了这两级的上限和单罐规模，有利于新能源设施的规模普及；此外，一、二级站新的分界为5 000 kg，与国内其他规范对危化品重大危险源的识别一致[10]。

3.2.3 GB50516与GB50156对照

虽然两本规范都是2021年颁布，且分别适用于纯氢站和合建站。但在应用中有个别条款存在差异，需在设计过程中仔细甄别。

1）差异性条款（见表10）

表10 两本规范的差异性条款

2）主要差异性条款的解析

（1）储氢容器与压缩机的安全间距

条款号:GB50516-5.0.1A;GB50156-5.0.14

解析：GB50516中，储氢容器（含槽车）分三级，与压缩机之间安全间距是9 m；GB50156中取消了储氢容器的分级和压缩机的间距要求。

合建站的用地更紧凑，因此GB50156条款符合其集约用地的现状。但在设计中，仍应尽量兼顾两本规范的安全措施，建议合建站有条件也可引入中间防爆墙（GB50516有要求），来提高取消安全间距后的本质安全。

（2）围墙设置

条款号:GB50156-10.7.5

解析：GB50516的纯氢站仅有加氢的一种工艺设备区；GB50156的合建站有不同类型的工艺设备区，因此后者新增规定“站内固定储氢容器、氢气储气井、氢气压缩机与加氢区、加油站地上工艺设备区、加气站工艺设备区、站房、辅助设施之间应设置不小于0.2 m厚的钢筋混凝土实体防护墙或厚度不小于6 mm且支持牢固的钢板”。

该条在设计合建站时应严格执行，另外考虑到钢不耐久火，建议更多使用钢筋混凝土实体防护墙来进行隔离保护。

（3）放散总管的控制半径

条款号：GB50516-6.5.4;GB50156-10.6.5

解析：纯氢站内建构筑物较少，因此放散总管高出全站实施最高点2 m是可以做到的。但合建站中设施较多，如不同的加油和加气罩棚，且综合能源站的占地更大，因此高出全站所有设施2 m较难实现，会造成放散总管高度太高，故设置了12 m范围要求，十分合理。

此外油气与城燃等行业对放散总管的控制半径也有不同，可对比学习（见表11）。

表11 放散总管高出周边建构筑物2 m的控制半径

4 结论

本文主要介绍了加氢站的不同工艺流程、加氢站的不同建设类型、纯氢站和合建站的设计规范采用、解析GB50516和GB50156的差异性内容。

加氢站是氢能产业的核心配套设施，符合新能源汽车发展潮流，伴随着技术的不断进步，加氢站设计者们还将继续不断地对加氢工艺及设计规范进行完善。