燃料电池汽车加氢站安全设计要点分析与建议

周志锋

（南京市燃气工程设计院有限公司，江苏南京 210000）

作为向燃料电池汽车以及其他氢能利用装置提供加注氢气服务的主要场所，加氢站的建设和发展是我国氢能产业化、商业化不可或缺的重要基础设施，但因为加氢站内部储存着数量较多的氢气，在外界环境因素变化的影响下，因为氢气本身带有易燃易爆特性，一旦出现安全事故就会带来重大的经济损失和人员伤亡。也正因如此，加氢站的设计安全问题已经得到了相关部门以及学者的高度重视。本文研究、探讨了加氢站的安全设计要点以及相关工作策略，以便为今后我国加氢站的安全设计工作优化提供参考。

1 加氢站概述

1.1 分类

作为上游氢气制造、运输和下游燃料电池汽车氢气使用的重要枢纽，加氢站自身的网络化分布是我国氢能得以实现规模化发展、应用的重要基础条件[1]。加氢站因为分类方法存在着一定的差异，其类型也变得越发多元化。从建设形式方面的差异来看，加氢站可以分为固定和移动两种类型；从氢气储存状态的层面来看，加氢站又可以分为液氢加氢站以及高压氢气加氢站；从氢能的加注方式划分可以将加氢站划分为单级加注以及多级加注加氢站。从氢气的制造方法看来，电解水制氢站、甲醇现场制氢、天然气现场制氢都是最为常见的方式，虽然站内制氢能够节省氢气的运输费用，但是加氢站内部系统设计的复杂性有了进一步提升。

1.2 内部设施

高压压缩氢气加氢站作为当下加氢站的主要类型，虽然氢气供应方式的差异会导致其内部的系统存在着一定的不同。但总体看来，卸气柱、压缩机、储氢罐、加氢机、管道系统、顺序控制盘、控制系统等都是其中必备的基础设施，而压缩机、储氢罐和加氢机又是整个加氢站内的核心基础设备。作为加氢站内部核心基础设施的压缩机，目前国内加氢站常用的有隔膜式压缩机、液驱式压缩机以及离子式压缩机。储氢罐选择得合理与否从某种程度上对加氢站的氢气供给行为产生决定性的影响[2]，通常加氢站的储氢罐会分成低级、中级和高级三个级别进行储存取气。在部分情况下，氢气的长管拖车也可以作为一级氢气储存设施。加氢站内部氢气加注服务质量得以持续提高的关键设施就是加氢机，内部分布的诸如压力、温度一类的传感器，是确保其状态稳定的基础条件。

2 常见的加氢站建站工作模式

加氢站在站点建立的过程中，通常可以分为站内制氢和站外制氢两种模式。站内制氢通常是以电解水制氢和天然气水蒸气转化制氢工艺为主，这种站内氢气制造的方法能够在缩减运输成本的同时降低储氢罐的容积，但因为制氢设备占地面积相对较大，导致应用范围遭到了一定的限制。此外，因为汽车氢气加注带有明显的随机性特点，制氢设备需要经常性地进行启动和停止，操作方面的管理工作难度有所增加[3]。此外，除了我国新批准的加氢站建设用地之外，国内的油氢合建站，气氢合建站等并不允许使用站内制氢的方法。目前国内现有的加油站和加气站土地本质上都属于商业用地的一种，在制氢设备增加之后，土地性质则会转化为工业用地，在政府的审批、消防验收等环节会遭遇重大的困难。

加氢站外的氢气制作模式是指氢气再经由化工厂、制氢厂净化、压缩处理之后通过长管拖车或者是管道运输到加氢站内部，在加氢站内只需要设置氢气的存储、压缩和加注设施即可。这种加氢站的制氢方法需要投入一定的运输氢气的成本，而这一成本与加氢站和氢气源头之间的距离有着紧密的关联。一般而言，在300km以内，集装管束的运输成本优于其他方式，为了保障加氢站运输成本的合理性，通过集装管束的氢气运输半径需要控制在较短的范围以内。通过管道运输氢气的方法，因为受到氢气特殊性以及距离、城乡规划等多种因素的影响，仅能够在化工园区这类小范围区域内进行使用，并且一次投资的成本相对较高。

3 燃料电池汽车加氢站的安全设计要点

3.1 等级方面的科学设计

结合目前我国有关加氢站建设方面的技术规范文件，加氢站内部储氢罐的容量需要结合氢气的来源、燃料电车的具体数量以及单体车辆氢气充装的容量、时间科学确定，氢气储存罐本身的容积与其潜在危险之间呈现出一种正相关关系，现行的规范文件中明确在城市中心区不应建一级加氢站、一级加油加氢合建站。现阶段，我国氢气日加注量为1 000kg的油氢合建站通常使用的都是站外制氢模式，加氢站内设置了固定储氢罐以及能够移动的长管拖车，并且固定的储氢罐容量一般维持在400～650kg，长管拖车的氢气储存量保持在250～460kg，氢气的卸载时长为3～5h。因为我国燃料电池汽车正处于一种快速发展的状态下，氢气使用量也会快速增加，为了满足高峰时间节点的氢气加注需求，加氢站内需要停放两辆及以上的长管拖车，这样就要求氢气的总储量至少要满足1 000kg。城市中心区及城市建成区周边设施都很完善，规范上要求加氢站与周边的距离随着等级的提高而加大，从实际加氢需求以及安全设计角度来看，可以在城市中心区及城市建成区建设三级加氢站，氢气储存罐容量总体维持在3 000kg以下，并且单罐容量需要维持在800kg以下。在城市中心区及城市建成区考虑建设加油加氢合建站时，三级站通常满足不了加氢需求，可以建设二级站，氢气储存罐容量总体维持在2 000kg。

3.2 站址方面的科学设计

加氢站以及合建加氢站的站址选择需要完全符合城镇的发展规划、环境保护以及能源节约、消防部门安全方面的需求，并且建设地址需要选择在交通相对较为便利，能够为用户提供良好服务的位置，避免设置在城市主干道的交叉路口附近。考虑到一级加氢站以及合建加氢站的氢气储存容量相对较大，需要从安全和交通两个方面出发，避免在中心区建设一级加氢站和加油加气加氢站。加氢站内部各项设备之间同样也需要保持一个安全的防火间距，加氢站内部的间距要求往往会影响全站的布局，也会影响站址的选择。目前汽车加油加气加氢站技术标准规定氢气压缩机和站房之间的距离保持在5m。为了减少占地、节省施工时间，通常加氢站压缩机管道系统采用撬装方式，我国现行的加氢站技术规范中却明确规定了撬装工艺设备在防火安全间距设计的过程中，需要将之视为制氢间，在这种情况下，氢压机撬装加氢设备和站房之间的距离需要控制在15m以上，而氢气压缩机间和站房的间距却只用5m。不同规范要求的间距数值相差较大，会给工程建设各参与方带来意见分歧，会影响整个项目的实施。目前我国加氢站，尤其是合建加氢站占地面积相对有限，合建站的氢气压缩机和站房之间的距离可以按5m控制。而在加氢站设计占地面积受限时，氢气压缩机和站房之间的安全距离建议在前期通过安全定量风险评估确定，并取得相关主管部门认可。

3.3 加氢站的总体平面设计

从加氢站内部的区域功能划分开来，具体可以分为卸车区、压缩区、氢气储存区、加注区、营业办公区和辅助区等，合建站通常可以使用功能分区和相对隔离的方法。一般而言，最为常见的油氢合建站具体区域可以分为加油设备区、加氢设备区、汽车加注区和商业区四个部分[5]。在总体平面布局设计的过程中，需要在站房的东侧设置独立性质的加氢区域，这一区域内可以完成氢气的卸载、压缩、储存和加注等多项工作，这一区域同样可以配合实体围墙和栅栏进行隔离，防止除加氢站之外的工作人员进入。同时，加油岛也可以逐步改造为加氢岛，并且二者可以共同使用一个罩棚。加氢机和储氢设备之间的管线通常设置在管沟内，并且需要在管沟内进行填砂或者是设置带孔盖板，防止管沟内出现氢气聚集。在各区域划分完成之后，需要设置对应的标线和标识，确保燃料电池车辆和加油车辆能够分别结合标识到达相应位置进行加注，保障驾驶过程的安全。

3.4 内部设备的安全设计要点

卸气柱、压缩机、加氢机等作为加氢站内的主要设备，长管拖车可以借助卸气软管将氢气运输到卸气柱内部，在经过计量和升压之后，直接通过加氢机或者储存在高压气瓶中，借此进行燃料电池车的加氢。卸气柱内通常都设置有氮气吹扫管线以及过滤精度少于10μm的过滤器。在氢气卸载之前，需要进行管线的吹扫置换，以此保障卸载的氢气质量。卸车的软管一端需要设置拉断阀以防止长管拖车溜车，或者是其他错误操作引发软管断裂和氢气泄漏的问题。在氢气卸载的过程中，一旦出现了上游超压的现象，可以通过卸气柱上设计的安全泄压阀，确保压力能够始终维持在设计压力范围内。设置紧急切断阀可以预防在发生各种紧急事件的情况下，自动切断氢气传输源头，降低事故发生的影响程度。压缩机作为加氢站内的核心设备，加氢的品质、加注速率以及车辆的充装压力与其性能水平都有着紧密的关联，最为常见的金属隔膜、液驱活塞和机械活塞等压缩机，在具体选型设计的过程中，又以金属隔膜和液驱活塞应用最为广泛。通过在压缩机前后设置缓冲罐，压缩机进出口与第一个切断阀之间设置安全阀，压缩机与支撑氢气管道的支架单独设置独立基础，并对管道进行柔性设计，最大程度地降低设备运行过程中振动因素对于管道的影响，有效避免氢气管道泄漏的发生。

加氢站内的氢气存储设备具体可以分为固定和移动两种形式。固定性质的储氢装备在设计、制造、安装、检验、使用、管理等各个环节不仅需要符合我国钢制压力容器的设计标准，同时需要结合特种设备安全检查、使用管理等方面的规则要求，并完全满足加氢站内的相关标准和规范的要求。储氢装置在设计的过程中，需要始终遵循安全第一的设计理念。通过设置超压泄放安全阀、压力报警以及泄漏检测点，并且在储氢管路上设置紧急切断阀，确保将事故发生的概率降为最低。作为向燃料电池汽车提供氢气加注服务的重要设施，加氢机本身带有计量和计价的功能，并呈现出一种随机加注、操作频繁的特征，加氢机的软管设置分离拉力小于600N的拉断阀，防止因为汽车意外启动出现的软管拉断或者是加氢机拉倒的现象，避免出现氢气的泄漏事故。通常，在氢气加注的过程中，由于焦耳-汤普森效应会使充压容器内部的氢气温度升高，为了避免出现车载储气瓶温度超过限值的现象，可以在加注前对氢气进行预冷降温并控制加注的速率。加氢管道也需要设计全启安全阀防止出现超压现象，通过切断阀和紧急停车按钮的设置，确保能够在发生紧急情况时自动进行阀门的关闭，停止加氢作业，并向站内的控制系统发出对应的信号，最终保障终端的氢气品质以及氢气加注的服务质量。

4 燃料电池加氢站的安全设计及管理工作策略

4.1 加氢站安全设计工作策略

因为我国的加氢站建设、发展时间相对较晚，在质量工程建设以及运营管理等过程存在着明显的质量参差不齐的问题。在具体设计的过程中，从加氢站的选址和总体平面布置方面来看，必须正确选择规范并严格执行规范的要求，并结合安全风险评估，确保设备和站外设施保持安全的间距。氢气的储存罐需要通过充压次数计数器的设置，更好地掌握储罐压力的疲劳次数。卸气柱、加氢机需要为其设置拉断阀，以避免误操作导致各种氢气泄漏问题的发生。在安全辅助系统的设计过程中，卸气柱、加氢机、压缩机都需要设置安全阀和紧急切断阀，储氢罐需要为其单独设计放空阀。因为氢气有着明显的向上扩散的特性，需要科学地配置氢火焰探测器、泄漏探测器和声光警报器，确保能够在发生各种紧急情况时，第一时间发出报警信号。结合我国现行的加氢站设计规范文件看来，加氢站需要设计不发火的地面，且氢气和除氮气以外的其他的公用工程管道不得在同一个管沟内进行敷设，加氢站内的放散管道需分别引至放散总管中进行统一的放散处理。

4.2 加氢站安全管理工作策略

为了确保加氢站始终处于一种安全稳定的运行状态下，设计时，需要合理正确选择管道材料、阀门、设备等；施工时，需要对管道、安全阀、放空阀、加氢软管、阀门、压缩机彼此之间连接，以及仪表、垫片等的可靠性进行试验检测，保障加氢站各设施的施工质量，站内设置的金属设备、管道和管架需要设置完善的防雷和静电接地系统；在日常运行维护时，需要针对法兰连接部位、加氢软管等容易泄漏的位置定期进行检查，针对软管和膜片定期更换。在日常的加氢站管理工作中，需要杜绝站内以及周边区域出现明火。相关人员在工作时需要穿戴防静电工作服物，配合巡检以及操作规程的有效落实，保障加氢站内的氢气加注以及运营安全。

5 结语

在我国高度关注氢能这一清洁能源普及应用的背景下，燃料电池汽车逐渐得以推广，但加氢站内储存的氢气带有明显的易燃易爆特性。为了保障加氢站内氢气的质量和运行安全，要从加氢站的等级、地址选择、总体平面布局和内部设备等多个方面入手，结合我国现行标准规范科学地设计加氢站，以保障加氢站能够始终处于一种安全稳定的运行状态。