世博加氢站规划启示

2018-11-10李冬梅

加油站服务指南 2018年10期

文／李冬梅

世博加氢站除满足示范运行各类燃料电池车加氢需求外，对我国后续加氢站建设提供了有益借鉴。

燃料电池汽车技术因其高效率和零排放等优点，成为21世纪最理想、最可能替代传统汽车动力系统的技术。发展燃料电池汽车技术将可同时彻底解决车辆发展所带来的能源和环境问题，真正实现汽车产业的可持续发展。因此，得到了世界各国政府和企业的高度重视，特别是美国、日本和德国及其企业加大了燃料电池汽车的研发与示范力度，并且取得了重大进展。

加氢站备受关注

随着燃料电池汽车的快速发展，对大规模氢基础配套设施的需求越来越迫切。总体来说，加氢站仍处初期发展阶段，全球大多数已建成的加氢站作为验证或示范项目，以期从中积累相关实验数据，为未来加氢站的发展奠定基础。

根据这些加氢站的测试结果和运行经验，一些国家和机构已发布或正在起草燃料电池汽车加氢站的相关技术标准，进一步促进了燃料电池汽车技术和市场的发展。

我国燃料电池汽车与加氢站也在快速发展。多家汽车生产商和知名高校开展了大量的研究工作，国内燃料电池汽车技术已经逐步提升至国际先进水平。2003—2006年，联合国开发计划署和全球环境基金（UNDP－GEF）项目一期顺利完成，3辆燃料电池公交车和1座加氢站在北京投入示范运行。

2010年上海世博会之前，国内已有两座示范性质的加氢站用于燃料电池汽车小规模的实验和示范运行。除上文提到的北京加氢站外，同济大学和上海舜华新能源系统有限公司承建的上海安亭加氢站在2007年正式投入使用。该加氢站的投入使用，为今后加氢站的建设奠定了良好的基础。

设计目标和技术路线

按计划，2010年上海世博会期间有90辆燃料电池VIP轿车、100辆燃料电池观光车和6辆燃料电池巴士，用于世博园区内外的公共交通运输以及VIP贵宾接送，车辆总数达到了规模空前的196辆。

如此大规模的燃料电池汽车运行必须配备相应的加氢基础设施，因此需要在世博园区附近新建1座固定加氢站（以下简称世博加氢站）和2辆移动加氢车作为配套设施，并利用已建成的安亭加氢站组成一个加氢网络，为燃料电池汽车提供氢气加注服务，保证世博会期间燃料电池汽车能够顺利运行。

课题组决定新建的世博加氢站采用外供氢技术路线，即用氢气管束车将焦化厂提纯并压缩后的副产氢气运送至世博加氢站。另外，以新建的两个移动加氢站为子站，以世博加氢站和安亭加氢站为母站，构成国内首个加氢基础设施网络，保障世博会燃料电池汽车的示范运行。

地理布置及平面布置

加氢站站址位于上海市济阳路西侧、杨思路北侧，南面为上海水上竞技中心公交枢纽，属于规划发展备用地，距世博会围栏区约2.4km。济阳路为城市主干路，规划红线宽度为70m，两侧绿化带各为10m。

世博加氢站站址占地面积为3000m2，为50m×60m的矩形地块。站内主要由以下几部分组成：拖车卸车区，包括长管拖车和卸气柱；储气压缩区，包括固定式高压储气装置（主要是站内储氢瓶组）和氢气压缩机；加氢区，包括加氢机及加氢区天棚；控制室和办公区，包括营业间、办公休息间、变配电间、仪表控制间、展示厅等。

氢气管束拖车和站内固定储氢瓶组位于加氢站西南侧，远离加氢站对面的公共建筑物（根据上海市地方标准须距重要公共建筑50m以上），并且有防爆墙将其与站房和后面的新能源汽车基地隔离开；储氢瓶组东面是压缩机组；在站房西北角的防爆区外放置有空气压缩机，用以产生压缩空气供给加氢机作为防爆正压保护和吹扫的气源。

所有贮氢设备及压缩机集中在防爆区内，压缩机北侧与站房之间也有防爆隔离墙。四座加氢岛设置在加氢站东侧，靠近站外的主干道，加氢站的大门按照车辆通行方向设计为北进南出，方便车辆进出站。

加氢站内工作人员日常值守的站房为单层建筑，主要分为三部分，站房东侧是加氢站工作人员办公用房，中间设有控制室和仪表间，西侧则是为加氢站和加氢站后面的新能源汽车基地提供电力供应的配电间。

考虑到世博加氢站的示范展示功能，加氢站在建筑设计上从实用性和美观性出发，建筑总体以银灰色为主色调，加氢站雨棚采用钢构波浪造型，铺设蓝色阳光板，代表氢气从水中来的环保理念，极具现代科技感。

图1 世博加氢站工艺流程示意图

具体设计思路

在设计方面，主要分为四方面，分别是固定加氢站的设计与集成、移动加氢站的设计与集成、SCADA系统设计与集成和加氢站的风险及应对措施。

固定式加氢站的设计与集成

根据需求，课题设计的世博加氢站的基本工艺流程如图1所示。该设计的加氢站基本工作过程如下。

管束拖车将16MPa～20MPa的压缩氢气从上海焦化厂运送进加氢站，一方面作为第一级储备气源，另一方面通过加氢站内压缩机将氢气增压至站内高压储氢瓶组，并以不大于45MPa的压力储存。

车辆加氢时，储氢瓶组中输出的氢气，通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中，或移动车加氢车车载储氢瓶内。为提高储氢瓶组中氢气的利用率和车辆的加注安全性，储氢瓶组采用多级分配。

在天然气加氢站中常规采用高中低三级制分配。本设计将管束拖车作为站内储气的一级，则储气装置可分为“高中低级拖车”四级制。主要设计技术参数如下。

储氢压力：43.8 MPa（最高45 MPa）；固定储氢量：300 kg；最大储氢量：900kg；加注压力：35 MPa 最高43.8 MPa)；单次连续加注能力≥120 kg；加氢速率：公交车≤30min, 轿车≤5min。

移动式加氢站的设计与集成

加氢站子站既可独立作为一个小型加氢站，又可与固定站协同构建加氢站网络，为燃料电池汽车，特别是燃料电池轿车和微型车提供高压氢气加注服务。通过加氢站子站与固定站的配合，借助加氢站子站的可移动性，固定站间接地扩大了氢气加注服务半径，提高了固定站的利用效率。

这样的特点，非常适合于世博会燃料电池汽车集中大规模示范运行的场合。因此，课题组充分应用前期研究成果，在此次世博会项目上进一步集成制造了两座新的加氢站子站，用于组建世博会加氢基础设施网络。

加氢站子站主要技术指标包括：储存压力45MPa；加注压力 35MPa；储存容量 100kg；加注速度1.0 kg/min（观光车加注时间不超过3min）；连续加注能力不小于40kg。

SCADA系统设计与集成

SCADA系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。其可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

上海世博加氢网络SCADA系统主要由世博加氢站站控系统、安亭加氢站站控系统、2套移动加氢站终端站控系统和加氢站安防系统构成，利用GPRS无线通信及GPS全球卫星定位系统的通信网络，最终实现以SCADA系统综合调度功能与GPS导航和GPS定位相结合，为世博会的交通运输车辆提供清洁、绿色的能源，保证世博会成功顺利举行。

安全风险分析及对应措施

通过考察世博加氢站内十三种典型的失效情形，量化评价了站内氢气泄漏后事故后果（闪火、射流火焰、蒸汽云爆炸及高压物理爆炸）带来的风险，研究结果如下。

压缩机连接部件泄漏和加氢机软管泄漏是主要的风险贡献源，应当优先针对压缩机和加氢机采取合适的安全措施。

为保证加氢站员工和加氢顾客的安全，必须采取相应的安全措施，以阻止压缩机和加氢机连续泄漏事件的发生。

在采取合适的安全措施，主要是拉断阀、氢气探头以及紧急制动系统之后，世博加氢站站内员工、加氢顾客以及站外人群面临风险水平均可降到风险可接受标准以下。