氢能利用一体化系统设计

刘平　苏枫

【摘 要】液氢生产、输送、储存和安全使用方面一直是氢能源广泛利用中的难题。根据液氢的特点以及现有的技术条件，结合液氢生产和使用的经验，提出了从生产到最终使用的氢能利用一体化系统的设计方案。

【关键词】液氢；一体化；安全

中图分类号： TK91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0029-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.012

0 引言

液氢生产、输送、储存和使用方面一直是氢能源利用推广中的难题。项目组依据GJB2645《液氢贮存运输要求》、QJ2298《用氢安全技术规范》形成了独特的具有完整知识产权的技术储备，可以作为氢能利用一体化系统设计的技术基础。

1 氢能利用一体化系统设计

氢能利用是一个专业的系统化工程。现以我司现有项目为例，详细说明该系统如何设计。该一体化系统由液氢工厂、氢气充装站及加氢站三个主要部分组成：

1.1 液氢工厂

液氢工厂主要包含氢安全系统、总监控系统及氢液化系统。

a）氢安全系统

氢安全系统主要包括氢气浓度报警、火焰报警以及视频监控。安全系统合理排布在三个项目的现场，主机置于总控制间。安全系统的电源和信号传输完全独立于控制系统，只有关键的联锁停车与控制系统相连，确保整个氢能综合利用项目的安全。

b）总监控系统

为了便于在运行过程中对三个工艺系统的监控和调度，建立一套总监控系统，本套系统可以使调度和上级部门在总控室实时看到整个工艺系统的各个参数，进而进行更加合理的调度。本套总监控系统主要包括工控机、大屏幕显示器以及配套的软件、控制柜和线缆等等。

c）氢液化系统

氢液化系统是液氢制备站的核心部分，该系统可以将气源氢气经过压缩、预冷、纯化、正仲氢转化、膨胀等过程之后实现液化，完成将原料氢气制备成产品液氢的任务。本套系统主要包括液化系统、控制系统、循环水系统、仪表气系统、分析系统等。系统常用参数如下：

产品液氢压力：常压产品；液氢温度：-253℃；液氢产量：6.5t/d

1.2 氢气充装站

氢气充装站的功能是：接收变压吸附后的高纯氢，加压后供液氢工厂、管束罐车及加氢站使用。氢气充装分两部分，分别为基础建设设计及生产设计部分：

a）基础平面布置

充装站基础建设的空间分布主要分为压缩机厂房、分析间、控制间、排空塔、充装工位及罐车回转场地等组成，厂区空间为92m×75m，如图1所示。

压缩厂房为建筑基准点，厂房内主要布置18套压缩机，其中8套22MPa压缩机，3套45MPa压缩机，预留二期工程7套备份压缩机安装空间，备份压缩机中含5套22MPa压缩机，2套45MPa压缩机，每套压缩机安装工位大小为4.1m×3.1m，每列工位间余留1.8m检修通道，每行工位间余留2m检修通道，最外侧设备与厂方内墙间余留4m行走空间。

在厂房下部大于15m距離外设置控制间，控制间建筑平面约60m2，控制间屋顶与地面间距不小于3m，墙壁采用厚度不小于500mm的防爆墙。

在厂房上部大于4.5m距离外设置分析间，分析间建筑面积约40m2，分析间屋顶与地面间距不小于3m，墙壁采用厚度不小于500mm的防爆墙。

在厂房右部，间距不小于10m处设置充装位，共有十个充装位，每两个充装位设置为一组，每组充装位间设置防爆隔离墙，墙后不小于500mm，墙高不低于2.5m，充装位无顶棚，充装位后部设置宽2.0m，高出地坪1.2m的充装台，每个充装位有效空间为12m×3.5m，每组充装位有效空间为12m×7.5m。

在充装位毗连部设置18m×45m的罐车换转区域。

在充装位及压缩厂房中间位置，距厂房间距不小于7.5m位置处设置排空塔，排空口高度大于所有建筑最高点2.0m。

b）设备及附属系统设计

充装站主要设备有压缩机、过滤器、分析系统、会流排、充装管路、置换系统、控制系统、安全监测系统、放空系统、紧急排风系统及附属管路阀门等。

压缩机主要位于压缩厂房，主要功能是将变压吸附后的高纯氢加压后输入后续工艺管路。

过滤器位于压缩机后部，输送工艺管路前端，主要设备安装于压缩机厂房内，起到对压缩后的高压氢起到再过滤作用。

分析系统位于工艺管路部分，对过滤后的高压氢采样分析，分析系统主要位于分析间内，采样口位于工艺管路上。

压缩后的高压氢通过工艺管路输送至液氢工厂及加氢站，还有部分进入充装站，在进入充装管路前，高压氢需要进入汇流排，进行流量分配，汇流排位于充装台上，总长度约40m，分布有10个充装口。

充装管路位于汇流排后部，安装于充装台上，每套充装管路设置有独立的安全排放口及充装汇流口。

置换系统主要作用使将管道系统中的杂质气置换排放，位于汇流排前，主要设备安装于充装台上。

控制系统对整个系统起到控制作用主要设备位于控制间。安全监测系统主要对个厂房、充装位的氢泄漏及浓度进行实时监测，并及时发出预警采取措施。放空系统位于压缩厂房、分析间、控制间及充装台，对多余氢及管道氢通过放空管路高空排放。排风系统主要位于压缩厂房、分析间、控制间等密闭空间，对空间内的气体进行排放置换。管路及阀门位于各个功能设备直间，对系统的氢起到输送控制等作用。其具体参数如下：充装压力：20MPa；充装纯度：99.999%；充装流量：4000Nm3/h

充装工位：10个；适应车辆：标准管束拖车

1.3 加氢站

加氢站的设计主要设备包含：储氢气瓶、高压管道及接头、阀门及其组件、加氢机、氮气配气台、氢集中排放装置、氢浓度传感器、视频监控系统、CPU控制系统、电源管理系统、电缆及其附件、固定支架、安装撬、冷却系统。

加氢站设计加注压力：35Mpa；最高储存压力：45MPa；加氢量：1000kg/12h；加注流量：≤5kg/min；存储容量：800kg；连续加注：20辆燃料电池汽车和8辆燃料电池大巴。

加氢站设计加注流量：≤5kg/min；存储容量：800kg；连续加注：20辆燃料电池汽车和8辆燃料电池大巴。

2 小结

氢能的大规模利用是一个具有很大潜力的行业，符合国家清洁能源计划和发展政策，如何安全、便捷、高效的使用氢能是一个亟待解决的重大课题，在这方面，结合我们多年的经验与技术，提出了一套行之有据的解决方案。