氢能源有轨电车厂内临时加氢工艺探讨

陈建邦

（佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

传统有轨电车普遍采用接触网供电。随着社会和技术的发展，无接触网供电技术成为现代有轨电车的发展趋势。近年来，大功率燃料电池技术取得了重大进展，并成功在现代有轨电车上得到了应用［1］。2015 年，青岛四方机车车辆股份有限公司研制的氢能源有轨电车成功下线；2016年，佛山市高明区氢能源有轨电车示范线项目开工建设，同期氢能源有轨电车生产制造［2］。

鉴于氢燃料有轨电车通过氢气介质产生动能，车辆在生产制造调试阶段面临加氢问题，如何安全、高效解决临时加氢，保障车辆运行，成为具有现实意义的研究课题。本文对高明氢能源有轨电车厂内临时加氢设备设施、工艺流程、安全等方面进行研究探讨，为类似项目临时加氢提供参考。

1 特点

1.1 供电制式

高明氢能源有轨电车采用氢燃料电池作为牵引动力，氢动力系统主要包括燃料电池子系统、储氢子系统、冷却子系统、DC－DC 电源装置、动力电池和燃料电池能量控制系统等。其中，储氢子系统为燃料电池供应氢气，包含氢气的加注、储存和供给。储氢系统配置6个储氢气瓶，额定工作压力为35 MPa，额定充装体积为840 L，加满后共储存氢气20 kg，续航里程可达80～100 km，加氢口位于M1 车车顶两侧，方便加氢操作。

1.2 临时氢气需求

根据车辆生产制造工序，列车编组完成后需要进行14 天静动态调试，以及列车型式试验工作，需保证用氢量。结合厂区实际，为提高氢气加注效率，应满足临时氢气增压达到35 MPa。

2 临时加氢设备设施配置

依据精简、经济、安全的配置原则，高明氢能源有轨电车生产基地为列车配置的主要设备设施包括一段约40 m的临时存车股道、一处临时加氢区（约30 m2）、一台氢气增压站（设计压力为35 MPa，流量为6.6 kg／h）、一支加氢枪（设计压力为35 MPa）、一个加氢梯或升降平台等。具体加氢区规划如图1 所示。临时加氢区域不设置氢气储罐，氢气瓶组通过从工厂运送至临时加氢指定区域。

图1 加氢区规划

2.1 加氢股道

为确保有轨电车加氢，需要在厂内规划设置临时加氢股道40 m。由于车辆加氢口位于车顶，需要在加氢股道旁配置便携式蹬车梯或升降平台。

2.2 加氢区

加氢场地规划硬化地面长6 m，宽5 m，面积为30 m2，用于升降平台和加氢梯的放置；过道长17 m，宽1.5 m，面积为25.5 m2，便于升降平台和加氢人员的进出，满足GB50177《氢气站设计规范》中3.0.1 项的相关要求［3］。

高明氢能源有轨电车加氢口位于M1 模块车顶中心处，以加氢口为圆点，半径20 m范围内定义为安全防护区域，保证加氢过程中满足GB4962《氢气使用安全技术规程》的“供氢站防火间距”要求，同时平行于股道方向和垂直于加氢车辆方向设置长为30 m、宽为30 m的临时警示隔离带［4］。

2.3 氢气加注系统

临时氢气加注系统由低压氢气瓶组和增压设备、加氢枪组成［5］。低压氢气瓶组（20 MPa）放置在危险品专用运输车上，从工厂直接运输到加氢现场卸载，低压氢气瓶组由6～10 个小瓶组成，1 个瓶组内每一支氢气瓶并联组成。在需要加注时，2 个低压氢气瓶组串联对车辆进行加注，加注完毕后驶离加注场地，减少对场地的占用并降低加注场地及周围环境的安全隐患。增压设备包含了氢气增压泵、控制阀门及仪表，可形成35 MPa高压加注能力，通过加氢机充装到有轨电车车载储氢瓶中。该套系统可以通过手动控制阀门的开关大小位置来控制氢气加注的速度，从而实现氢气的安全加注。具体加注如图2 所示。

图2 氢能源列车氢气加注

3 临时加氢工艺

为了保证氢能源有轨电车临时加氢的有效实施和安全防范措施到位，必须制定严格的工艺控制措施。

3.1 工艺流程策划

为确保厂内氢气加注过程的高效实施，保障现场安全有序，策划形成厂内加氢工艺流程，具体加注工艺流程如图3 所示。

图3 氢能源列车临时氢气加注工艺流程

3.2 工艺措施

3.2.1 氢气加注前整备

3.2.1.1 氢气整备

氢气组架经汽车运输至临时加氢区域，应满足：

（1）氢气组架已经到位，氢气组架最大工作压力为20 MPa；

（2）叉车到位，用于氢气组架的运输；

（3）氢气组架氢气接入氢气加注工装；

（4）当氢气组架到达现场时，首先要将现场的地线接到瓶组架上的特定位置，以免静电放电产生火花。

3.2.1.2 有轨电车整备

氢能源有轨电车经公铁两用车调拉至加氢股道，应满足：

（1）有轨电车已经完成车辆导通、绝缘耐压、静态调试、动力电池试验、转向试验，除氢能源外满足车辆动态试验条件；

（2）有轨电车MC1 车，手动隔离开关K201 至于“断开”位，整车处于断电状态；

（3）检查车载加氢口，确认无物理损坏。

3.2.1.3 加氢场地整备

加氢场地达到各类安全防护要求，应满足：

（1）加氢口下方防静电接地处于工作状态（接地电阻不得大于10 Ω）；

（2）加氢场地范围必须处于防雷措施保护，且避雷针的高度必须高于氢气放空管路的高度；

（3）加氢场地警示带封闭，进入加氢场地人员不得开手机、拨打电话、拍照或者录像、携带火源，临时警示隔离带（半径30 m）内不得有明火，警示标识到位，不得有机动车辆走动；

（4）加氢梯或升降平台处于工作状态；

（5）现场配备至少2 瓶干粉或二氧化碳灭火器。

3.2.1.4 人员整备

由于氢气加注的专业性和危险性，必须由取得政府监督部门颁发的相应资质（车用气瓶充装证，并接受过专业的氢气加注实操培训）的专业技能人员，严格按照操作流程和规范进行操作，无证人员不得擅自操作，并满足：

（1）自身防护措施的自查，包括防静电服和手套、安全帽、安全防护眼镜、导静电鞋，确保人员自身防护措施到位；

（2）自身物品的自查，将携带的电子产品（移动电话、对讲机、相机等）置于控制室或其他远离氢气加注现场的地方，禁止携带火种；

（3）携带工具的自查，确保携带的工具为铜质工具，例如铜质的扳手——用于加氢枪与气源设备的连接；

（4）必备表单的检查，确认携带车辆加注记录表和氢气组架使用记录表；

（5）加氢枪的检查，确认接口和接头完备，加氢枪头完好，认真检查并确认氢气充装软管与加氢枪之间的链接完好。

3.2.1.5 安全监督整备

为了保证现场氢气加注的安全，现场配置一名安全监督人员，严格监督落实相关安全措施，应满足：

（1）提前确认计划进入隔离区域的人员信息；

（2）进入隔离带前，自查必备工具——手持氢气检漏仪（确保其正常可用）和呼吸罩；

（3）加注过程中，禁止无关人员进入加注现场，并随时用手持氢气检漏仪监测车辆和氢气组架周围的氢气浓度，检查和禁止可能引起事故的现象，确保加注现场始终处于安全监控之下。

3.2.2 氢气加注

3.2.2.1 加注前准备

加注前准备如下。

（1）打开分阀。当软管、地线都接好后，缓慢打开氢气组架上所有气瓶的阀门，确认全部阀门打开后可以进行下一步。

（2）测漏。检漏液测漏，当分阀／总阀打开时，对软管瓶组架接口和列车加氢接口进行测漏。现场至少配备2 个便携式氢气浓度检测仪，实时对现场氢气泄漏情况进行监测，确认没有泄漏后可以进行下一步。

（3）吹扫。目的是将氢气充装软管中的空气吹走，保证气体的质量，以达到纯度要求。关闭加氢枪吹扫阀，打开瓶组架的总阀，让气体充满软管后将瓶组架总阀关闭，慢慢打开加氢枪的吹扫阀，将软管里的气体排出。注意排放的速度，当软管内气体压力降低到0.2 MPa时，将吹扫阀关闭。最少要吹扫12次以上，然后关闭吹扫阀、瓶组架总阀。

3.2.2.2 加注

将加氢枪与待加注车辆连接，对车载储氢容器进行预充，当瓶组架压力与储氢容器压力平衡时，打开增压机启动增压功能，直至加压到35 MPa，停止充装。

3.2.2.3 加注结束

关闭氢气组架；关闭氢气组架的总阀和所有气瓶的阀门，拆除加氢枪。

3.2.3 氢气加注结束后整备

3.2.3.1 加氢设备整备

氢气组架与氢气加注设备的分离；加氢枪存放于氢气加注设备上，妥善放置，以免磕碰加氢枪；取下防静电接地线，存放于专用存放处；氢气组架运输和装卸至氢气运输车辆上。

3.2.3.2 车辆整备

待氢气组架运输车离开氢气加注场地；氢气加注设备整备完毕；确认相关加注压力数据，并最终完成加注数据的记录手续；车辆调拉至动调试验线。

3.2.3.3 加氢区域整备

加氢梯或升降平台处于非工作状态；加氢场地护栏撤离。

4 安全注意事项

氢气属于甲类易燃气体，与空气混合能形成爆炸混合物，爆炸极限范围为4.1%～74.1%。试验表明，由于氢气密度很低，当氢向一个敞开的空间泄漏后会迅速扩散，相对汽油燃料泄漏后向地面滴落，还会渗入缝隙，燃烧迅速、猛烈。因此，储氢技术比汽油储存要安全，只要有完善配套的氢泄漏探测、报警和紧急切断装置，氢用作燃料是安全的［6－7］。针对氢的特性，燃料电池有轨电车临时加氢安全特别注意：

（1）临时加氢区域安全防火距离满足规范要求和保证现场警示隔离带；

（2）氢气加注设备满足安全接地基础上，各类加氢管路应设置事故切断阀或过流阀，遇到紧急情况下，能手动关闭或自动关闭；

（3）氢气加注人员应同时掌握高处作业和加氢作业两项特种作业的安全操作规范和相关紧急预防措施；

（4）临时加氢结束后，带氢设备设施应尽快撤离。

5 结束语

当前，氢燃料电池技术快速发展且在更多领域得到了应用，如汽车、航空航天、船舶、轨道交通等。然而社会标准化加氢站建设规模及便利性仍存在许多不足，特殊情况下氢燃料电池车辆临时加氢成为了现实迫切需要，政府及行业监管部对车辆临时加氢的工艺流程方法及安全保障措施提出了更高的要求。本文通过探讨氢能源有轨电车厂内临时加氢的设备设施、工艺流程和安全防范措施，为行业提供借鉴参考。