氢能源有轨电车储氢系统安全设计与维护管理

张 锋

（佛山市轨道交通发展有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

随着能源革命的深入发展，轨道交通车辆的驱动方式逐步从蒸汽机、内燃机过渡到电动机，供能方式也从煤炭、石油向电力发展。在电气时代，轨道交通的供电方式在电网接触送电的基础上发展出了电容储能和燃料电池发电等新型供电方式。燃料电池发电相对接触送电和电容储能的供电方式有着电力设备投资少和不受牵引供电制约的技术特点，较为适用于行车密度不高的中小运量城市轨道交通，发展氢能源有轨电车是对有轨电车系统的有益补充［1］。氢能源有轨电车的适用性关键表现在运营期，因而在运营阶段发现和掌握各设备系统维护的规律是当务之急。

本文根据佛山市高明区氢能源有轨电车的运营现状，围绕涉氢区域管理、车辆的氢动力系统相关的安全设计和设备维保等核心业务，在实践的基础上阐述氢动力系统储氢模块的检修要求，总结经验。

1 工程概况

佛山市高明区现代有轨电车示范线项目首期工程线路起于沧江路路口北侧，止于广明高速前，沿高明荷富大道敷设，全线均为地面线。线路长约6.57 km，设车站10座，平均站间距约705 m，设智湖停车场1座、加氢站1座和调度指挥中心1处，位于荷富大道东侧智湖公园旁［2］。本项目车辆系统采用的是氢燃料电池驱动的钢轮钢轨100%低地板现代有轨电车系统，与传统的有轨电车相比采用了氢燃料电池作为动力源。该车装有6个140 L的储氢瓶，加注一次氢气可持续行驶约100 km，运行过程中无污染，全程“零排放”。

停车场内设运用库、镟轮库，均属于甲类厂房，采用单层门式轻钢结构。

2 涉氢区域管理

根据《建筑设计防火规范》GB 50016-2014（2018年版）3.1.1条的规定，对于使用或产生爆炸下限小于10%的气体的厂房，应定义其火灾危险性类别为甲类［3-4］。氢能源有轨电车的检修库和停车列检棚，由于车辆检修过程中不可避免需要使用氢气，因此被定义为甲类库房管理。在检修过程中与传统有轨电车检修管理有着明确的特殊性，因此建议停车检修库房设计为开放式库棚减少氢气聚集。

涉氢区域根据爆炸性气体环境出现频次和持续时间，将运用库划分为防爆1区和防爆2区，其中检修平台及以上为防爆1区，检修平台以下为防爆2区，有针对性地制定进入相关区域的安全防范措施，并将运用库划为防爆区域并封闭管理，通过建立白名单制度卡控人员进出。涉氢区域内任何作业（各类维修保养、检修）前，务必使用手持式氢气探测仪进行检测，确认无氢气泄漏方可作业［5］。

2.1 防爆1区

（1）定义：正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境。

（2）区域设定：线路场/段的停车列检线、月检线、临修线等设置顶棚的车库，在带氢电客车停放后，车顶平台上方设定为防爆1区。

（3）管理措施：进入该区域需穿防静电服及鞋/鞋套，严禁在防爆1区内穿脱防静电服及鞋/鞋套；不得在该区域内开展任何动火作业及点火、钻孔、材料间摩擦、金属敲击、切割、焊接、临时用电等任何容易产生火花的作业；不得带入任何开机状态的手机、非防爆对讲机等无线电设备；手电筒、万用表、PTU等生产设备必须使用防爆款；必须使用防爆插座，防爆插座插入或拔出时不得带负载；不得在本区域内存放任何其他类型易燃易爆、强氧化剂等危险品。

2.2 防爆2区

（1）定义：正常运行时不太可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

（2）区域设定：停车场/段停车列检线、月检线、临修线等设置顶棚的车库，在带氢电客车停放后，库内除防爆1区外的其他区域为防爆2区。

（3）管理措施：不得在该区域内开展任何动火作业及钻孔、材料间摩擦、金属敲击、切割、焊接等任何容易产生火花的作业；不得带入任何开机状态的手机、非防爆对讲机等无线电设备；不得在本区域内存放任何其他类型易燃易爆、强氧化剂等危险品。如作业（如司机作业、检修作业）需要使用调度电话与调度联系，须进入车辆客室、司机室内或工班房内。

3 有轨电车氢动力系统简介

高明氢能源有轨电车氢动力系统主要包括氢燃料电池、储氢模块、冷却模块、DC-DC装置、动力电池等。为车辆提供持续安全稳定的动力来源。目前选用的氢燃料电池是加拿大Ballard公司提供的质子交换膜燃料电池模块，其理论使用寿命大约为12 000 h。氢动力各个系统均与能量管理控制器进行实时信息交互，受整车能量控制器进行控制，根据不同工况，实现统一协调工作，为整车提供电能［6］。氢动力转换如图1所示。

图1 氢动力转换示意图

4 有轨电车储氢模块安全设计

储氢冷却模块储氢系统满足储氢、供氢，储氢系统满足防爆要求。储氢冷却模块的储氢系统主要由左/右加氢口组成、6个储氢气瓶、1个氢阀箱、各类管接头、电器元件、气管管路组成及骨架构成。储氢冷却模块爆炸示意图如图2所示［6］。

图2 储氢冷却模块爆炸示意图

4.1 储氢系统泄漏设计

储氢系统氢气泄漏主要存在以下情况。

（1）氢瓶两端的组合瓶阀、尾堵总成温度过高，PRD打开泄放氢气。设计时需考虑降低氢瓶温度，当温度过高时能够安全泄放。在氢瓶顶部增加罩板，罩板底部增加保温棉，避免阳光直照氢瓶，同时选用的组合瓶阀自带温度传感器，通过温度传感器可以随时监测氢瓶温度。

（2）各器件及管路接头未按照工艺文件要求施工，导致接头漏气。施工时需加强质量监控，产品装车前对每套储氢系统都进行37MPa的保压试验，确保储氢系统各接头的密封性。

（3）氢瓶及管路压力过大，导致器件损坏、接头漏气。设计时需在高压管路，即组合瓶阀位置增加高压压力变送器，在阀箱低压管路位置增加低压压力变送器，通过压力变送器随时监测氢系统压力。

储氢系统假如出现漏气，可通过储氢冷却模块中布置的各个氢浓度传感器进行监测。传感器位于罩板下部，传感器处于氢瓶和各电器件连接点位置，可以有效检测氢气泄漏位置。

4.2 安全泄放量

氢系统最大泄放量为组合瓶阀和尾堵总成部位，按照GB/T 33215-2016设计要求换算如下［7］：

组合瓶阀额定排放量为：

尾堵总成额定排放量为：

标准要求额定排放量不低于气瓶的安全泄放量的50%，即设计选型满足使用要求。

4.3 储氢系统防爆措施

储氢系统设计时应按照EC79要求选用防爆部件［8］，防爆器件包含储氢气瓶、组合瓶阀、电磁阀、氢浓度传感器。应按要求选用防爆部件，同时储氢氢瓶的组合瓶阀和尾堵总成器件设有安全排放口，管路中设有安全阀，当储氢气瓶和管路压力过高时，能够通过安全泄放口进行释放，防止爆炸。安全泄放口位于储氢系统顶部。储氢系统位于车体顶部，氢气可以迅速扩散，避免氢气堆积产生浓度过高引起爆炸事故。

5 储氢模块维护要求

氢能源有轨电车与传统有轨电车相比，车辆检修人员除需考取高、低压电工证、特种设备操作证、特种设备安全管理员证外，还需考取车用高压气瓶充装证、危险化学品经营单位生产管理人员证。同时根据运营单位要求全员接受氢能源专项安全培训和氢动力系统相关厂家培训。

5.1 涉氢部件

氢能源有轨电车涉氢部件件主要包括燃料电池、储氢罐、组合瓶阀、减压阀、球阀、针阀、电磁阀、安全阀、过滤器、限流阀、单向阀、压力表、压力变送器等。

5.2 涉氢部件检修

每周对各类涉氢部件进行外观检查和气密性检测检测；车辆上电状态下，读取相关减压阀、电磁阀的工作状态。涉氢部件相关的压力表、储氢罐等为特种设备均需按期送检。

（1）外观检测。检测储氢系统加氢口、压力表、过滤器、不锈钢管、各类管接头＼阀、氢瓶＼变送器外漏部位的表面是否存在裂纹、磕碰、腐蚀、器件脱落等缺陷。

（2）储氢系统气密性检测。使用手携氢浓度检测仪和肥皂水对加氢口组件-左＼右、组合瓶阀部位、氢气瓶尾部器件PRD、阀箱内部、进气管路及尾部所对应的不锈钢管、各类管接头＼阀及其他器件接头部位进行检测，确认各器件及管路接头部位无氢气泄漏情况。

（3）测量冷却液系统中冷却液的电导率值，保证电导率值低于5 μs/cm

5.3 长期停放及专项修时的维护、保养

车辆长期停放时，需要存放于远离明火、易燃易爆、可燃物及操作温度等于或高于燃点的设备，同时保证储氢系统处于通风状态；如不具备以上存储条件或长期存放，要求将储氢系统输出部位球阀关闭，将储氢系统中的氢气置换成氮气，保持储氢气瓶中氮气处于正压状态（0.1～0.2MPa）。

5.4 专项修氢氮气置换

氮气置换的主要作用是排除储氢系统内的氢气，使气瓶及管路内的氮气（惰性气体）浓度符合维护要求。氢气置换的主要作用是排除储氢系统内的氮气及杂质，使气瓶及管路内的氢气浓度符合燃料电池使用要求。

5.4.1 需进行氮气置换的情况

出现以下情况时，需进行氮气置换：（1）车辆镟轮及动火作业；（2）氢气瓶更换、检测和维保；（3）车辆长期停放或大修等。氮氢气置换工艺流程如图3所示。

图3 氮氢气置换工艺流程

5.4.2 氮气置换操作流程

操作人员登车顶关闭与燃料电池连接的“球阀F1”、“球阀F2”（切断与燃料电池气路连接）。如图4所示。

图4 储氢瓶阀门示意图

（1）氢气瓶组氢气排空泄压：车内技术人员使用专用电脑连打开“电磁阀”，车顶操作人员把“排放针阀2”打开，将氢瓶氢气压力降到0.2 MPa后立即关闭“电池阀”和“排放针阀2”。

（2）用氮气进行加注升压：加氢站操作人员用置换枪在加氢口加注氮气，将氢瓶混合气压力升到2 MPa后停止加注，拔出置换枪。

（3）氢气瓶组混合气排空泄压：重复步骤（1）排放泄压。

（4）用氮气进行加注升压：加氢站操作人员用置换枪在加氢口加注氮气，将氢瓶混合气压力升到3 MPa后停止加注，拔出置换枪。

（5）氢气瓶组混合气排空泄压：重复步骤（1）排放泄压。

（6）用氮气进行加注升压：加氢站操作人员用置换枪在加氢口加注氮气，将氢瓶混合气压力升到5 MPa立即停止加注，拔出置换枪。

（7）氢气瓶组混合气排空泄压：重复步骤（1）排放泄压。

（8）为减少储氢瓶氢气浓度，保障作业安全，氮氢置换至少3次才算置换完毕。

置换计算：由（2/20）n=0.001，可求得n=3，即纯度若想达到99.7%，至少需置换3次。

图5 排放球阀示意图

5.4.3 氢气置换的情况

出现以下情况时，需进行氢气置换：新造、改造储氢系统后的首次充装前；需对气瓶、管路进行吹扫，清除杂质的情况；气瓶使用后剩余压力小于等于0.1 MPa后；气瓶存在其他气体等。氢氮气置换工艺流程如图6所示。

图6 氢氮气置换工艺流程

5.4.4 氢气置换

（1）用氢气进行加注升压：加氢站操作人员用置换枪在加氢口加注氢气，将氢瓶混合气压力升到5 MPa立即停止加注，拔出置换枪。

（2）氢气瓶组混合气排空泄压：车内技术人员使用专用电脑连接打开“电磁阀”，车顶操作人员把“排放针阀2”打开，将氢瓶混合气压力降到0.2 MPa后立即关闭“电池阀”和“排放针阀2”。

（3）重复（1）和（2）步骤至少4次完成置换。

置换完毕后车顶操作人员打开与燃料电池连接的“球阀F1”、“球阀F2”（打开与燃料电池气路连接）。

置换计算：由（2/50）n=0.000 01，可求得n=4，即纯度若想达到99.999%，至少置换4次。

6 结束语

目前氢能源列车的检修仍借鉴地铁的周期性检修模式，涉及氢动力系统设备的检修参考特种设备危化品的检修管理，对于氢能源列车的维护管理提出如下思考。

（1）氢能源列车没有完善的检修标准借鉴参考，涉及列车氢动力系统设备的检修管理还需近一步探索。

（2）针对运营特殊作业和重大事故工况（如救援联挂、车辆倾覆、相撞和脱轨等）及其引起的次生灾害，需明确相关处置原则和细化相关预案。

（3）运营期间的涉氢运作维护管理无相关经验、研究、规章可循，如开放性甲类库房的安全管理措施、氢气泄漏的应急处置方案、涉氢设备设施的维护保养等仍未明确。