氢气增压和储存系统的配管设计探讨

罗菲娅

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

氢气增压和储存系统的配管设计探讨

罗菲娅

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在某煤化工项目中，氢气增压和存储系统是为各个装置提供稳定的氢气。探讨了氢气增压和储存系统的工艺流程、设备布置、管道布置、材料选择等要点，提出了在氢气增压和存储系统的设计中，应达到工艺、优化、方便操作、安全的目的。

高压；氢气管道；存储

本文介绍的氢气增压和存储系统是煤化工项目烯烃分离装置的配套设施，为了保证主装置安全平稳的运行，需要建立一个稳定氢气存储系统为主装置提供稳定的氢气，同时还可以有一部分氢气供给其他装置。氢气增压和存储系统的工艺流程相对简单，但是由于氢气的密度低、不宜存储、易燃易爆等特点决定了本系统内设备布置、管道布置以及材料都有一定的特殊性。

1 氢气增压和储存系统工艺流程简介

氢气是一种无色、无味、无毒的气体，人体一般不能自动感知到氢气的存在，燃烧的氢气白天是不可见的。由于氢气的密度很小，高压氢气储运设备中的氢气极易泄漏。如果在开放的空间，尚无危险，但是一旦散逸受阻，大量氢气积聚，可能造成人员窒息。泄漏在空间中扩散，达到一定浓度的时候遇火就会燃烧，甚至爆炸［1］。

煤化工项目烯烃分离装置中的氢气增压和存储单元是由氢气槽车将氢气输送进来，通过一根DN25的管道将氢气输送到氢气压缩机1120C801增压，之后输送进高压氢气储罐1120V890A-I进行高压氢气存储。一般情况下，由氢气槽车通过一根DN100的管道直接为装置提供氢气，若氢气槽车未能按时到达，则由高压氢气储罐向装置提供氢气，待槽车抵达后再将氢气储罐充满。氢气增压和储存系统的流程图见图1。

图1 氢气增压和储存系统的流程Fig.1 Process of hydrogen compressing and storing system

此装置内高压氢气的工作压力为18 MPa，设计压力为19.8 MPa，压力管道级别GC1，由于压力高，所有阀门是双阀设置，以保证氢气不泄露，提高安全性。

2 氢气增压和储存系统的设备布置

本氢气增压和储存系统由一台氢气压缩机和9 台φ800×9 300的高压氢气储罐组成，总容量约为42.5 m3。9台高压氢气储罐布置于13.5 m×12 m的两层框架上，地面布置4台储罐，EL+4 000层布置5台储罐。根据《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160—2008）规定，可燃气体、液化烃和可燃液体的塔区平台或其他设备的构架平台应设置不少于2个通往地面的梯子，作为安全疏散通道、但长度不大于8 m的甲类气体和甲、乙A类液体设备平台或者长度不大于15 m的乙B、丙类设备的平台，可以设置一个梯子。本高压氢气储罐构架平台长度大于8 m，需要设置两个通往地面的安全疏散通道，北侧设置斜梯为主要上下通道，南侧设置一直爬梯。构架顶部设置单斜坡屋顶，以防氢气在屋顶积聚产生爆炸危险，整个框架为半开放式结构。

一台高压氢气压缩机安装于地面，上部设置斜坡屋顶，主要为了遮雨。高压氢气储罐构架和氢气压缩机分别布置在管廊的两侧，管廊分两层，EL+4 000层走氢气管道和公用工程管道，EL+7 000层为安全阀平台，布置9台高压氢气储罐的安全阀。同时，本单元布置中考虑两辆槽车的停放，设计了转弯半径为15 m的行车路线。根据《氢气站设计规范》（GB 50177—2005）要求，整个单元设置2.0 m高非燃烧实体围墙作为防护墙。整个系统占地26 m×55 m，总面积为1 430 m2。氢气增压和储存系统设备平面布置图见图2，设备立面布置图见图2、图3。

3 氢气增压和储存系统的管道布置

氢气管道的设计有以下要求：

（1）氢气管道与其他管道平行敷设时，氢气管道应布置在外侧并在上层；架空敷设时，与其他热力管道的净距应不小于250 mm；

（2）氢气管道穿过墙壁或楼板时，应采用套管敷设，并且在套管的缝隙填充保温材料。本单元内的的管道有氢气管道、公用工程管道、循环水管道以及火炬管道，管廊EL+4000层走管道，根据设计规定，氢气管道布置于管廊东侧，其余管道布置于管廊中部与西部，以保证氢气管道与管道间有一定间距。

本单元中采用的氢气压缩机为隔膜式压缩机，是一种特殊结构的容积式压缩机，靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体，具有压缩比大，密封性好、压缩气体不受润滑油和其它杂质所污染的特点。根据工艺流程，从槽车卸下来的氢气通过一根DN 25的管道进入压缩机，经过气体压缩增压后通过一根DN 25的管道输入储罐。由于隔膜式压缩机本身属于往复式压缩机的一种，其自身的机体振动就会引起管道振动；其次，压缩机的吸气和排气是在进行周期性以及间歇性的变化，从而产生气体脉动，管道受到气体脉动的影响也会产生振动。对于氢气压缩机的进出口管道必然产生振动，所以对于进出口管道要尽量简化管道走向，减少管系弯头，在弯头出增设固定支架，对于小管道可以在U型管卡与管道之间增加弹性内衬来减少振动［2］。

图2 氢气增压和储存系统的设备平面布置Fig.2 Plan of hydrogen compressing and storing system

图3 氢气增压和储存系统的设备立面布置（图a ）Fig.3 Elevation of hydrogen compressing and storing system （a）

4 氢气增压和储存系统材料选择的要点

氢的化学属性决定了它的存储有一定难度，目前技术成熟、使用广泛的氢气存储样式有两种：一是将氢气以气态的形式压入钢瓶中实现存储，另一种是将氢气液化后存储。本装置内采用的是压缩气体后高压存储的方式，其优点是技术要求低，没有存储时间的限制，相对于液化氢气的方式可以实现氢气的常温存储；其缺点是压缩氢气存储设备所承受的压力高，在极高压力下氢气会溶解于储罐材料内，并形成氢气分子，造成集中应力，产生氢脆现象，使得储氢罐的安全性降低，所以对高压氢气管道和储罐材料的要求非常高。

氢气管道的材料选择有以下规定：

（1）为避免因氢气泄漏造成燃烧和爆炸事故的发生，规定氢气管道的管材应采用无缝钢管，对氢气纯度要求高的管道宜采用不锈钢管；

（2）氢气管道的阀门，宜采用球阀、截止阀，严禁使用闸阀，不宜采用铜基合金材料制作阀门部件［3］；

（3）阀门的材料，应符合表1的规定；

（4）氢气管道法兰、垫片的选择，宜符合表2的规定；

（5）氢气管道的连接，应采用焊接。但与设备、阀门的连接，可采用法兰或锥管螺纹连接。螺纹连接处，应采用聚四氟乙烯薄膜作为填料［4］。

由于氢气介质的特殊性（分子小，易渗透发生氢脆，爆炸性等）对于阀门材质的要求很高，阀体、阀盖材质优先选用锻件。由于压力较高，根据设计压力，本系统中高压氢气阀门的连接方式为对焊式，并按照ASME B16.25要求加工坡口。

由于氢气的密度很小，在高压情况下极易泄漏，所以阀门的密封形式选择自压密封。选择自压密封截止阀的结构特点：弹性闸板；公称压力小于等于16 MPa，中腔采用法兰连接；公称压力大于等于20 MPa，中腔采用压力自紧密封；阀杆具有上密封功能；密封面堆焊CR13，硬质合金或者本体，耐磨，耐高温，寿命长。优点：结构简单；制造和维护比较方便；工作行程小，启闭时间短；密封性好，密封面间摩擦力小，寿命较长。缺点：流体阻力大，开启和关闭时所需力较大；不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介质；调节性能较差。本单元中选择的高压氢气阀门为CL 1 500自压密封对接焊Y型截止阀。高压氢气阀门都要根据API 598要求做高压阀座关闭性测试、低压密封试验、上密封试验和高压气体试验，泄露检查不得有任何泄漏。

图4 氢气增压和储存系统的设备立面布置（图b ）Fig.4 Elevation of hydrogen compressing and storing system （b）

表1 阀门材料选择Tab.1 Selection of valve materials

表2 法兰、垫片的选择Tab.2 Selection of flange，gasket

5 结束语

氢气增压和储存系统在煤化工项目中是重要的配套单元，给整个装置提供稳定可靠的氢气供给，整套系统的流程比较简单，但是由于氢气本身的特殊性和高压存储的特点给配管设计提出了一定的要求。本文通过对氢气增压和储存系统的设备布置、管道布置、材料选择等方面要点的阐述，在类似系统的配管设计时，注意相关的设计要点，从而达到优化设计，方便操作，减少安全隐患的目的。

［1］郑津洋，开方明，刘仲强，等.高压氢气春运设备及其风险评价［J］.太阳能学报，2006，27（11）：1168-1174。

［2］申健.氢气压缩机管线振动原因分析及改造［J］.中国石油和化工标准与质量，2012（7）：243.

［3］GB 50177—2005 氢气站设计规范［S］.

［4］张德姜.全国压力管道设计审批人员培训教材（第三版）［M］.北京：中国石化出版社，2015，12.

Discussion of Pipeline Layout Design for Hydrogen Compression and Storage System

Luo Feiya
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

In one chemical plant，hydrogen compression and storage system is applied to stably supply hydrogen to various construction.In this article，the features of this system，including process，equipment arrangement，pipeline layout and material selection，were discussed.It was indicated that in design of hydrogen compression and storage system，the requirements in process，optimization，convenient operation and safety should be reached.

high pressure； hydrogen piping； storage

TQ 116.2

A

2095-817X（2016）04-0017-004

2016-05-17

罗菲娅（1984—），女，工程师，主要从事设备布置、管道设计及管理工作。