高壓氫氣充裝系統設計特點
【摘要】闡述了高壓氫氣充裝系統的設計特點，主要包括選址及平面布置、壓縮機選型，氫氣充裝臺、工藝管道、消防及自動控制系統的設計特點。
【關鍵詞】高壓氫氣；總平面布置；氫壓機；充裝臺；管道設計；自控系統
引言
氫氣是一種清潔能源，在石油化工、電子、冶金、食品等工業中有著廣泛用途。供氣形式除了常見的管道輸送以外，用加壓機把氫氣加壓至20MPa后充裝到氫氣鋼瓶、氫氣管束車等，通過汽車運輸可將氫氣送至無氫氣管道覆蓋地區的用戶，方便高效，近年來應用越來越廣泛。但是，氫氣極易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即發生爆炸，屬于國家安監總局重點監管的危險化學品之一。氫氣充裝因壓力高危險性更大，因此，在設計中尤其需注意其安全性，下文以某公司氫氣管束車充裝項目為例介紹高壓氫氣充裝設計的特點。
1 項目簡介
某鋼鐵公司建有產量為2500m3/h 的焦爐煤氣制氫裝置一套，制氫站建成后除供冷軋用氫以外尚有一定余量氫氣可供外銷。因此，后增建了氫氣壓縮機和管束車充裝臺等高壓充裝設施。
2 氫氣充裝的選址及總平面布置
2.1選址的基本原則
因氫氣屬于易燃易爆氣體，在考慮選址時應將氫氣充裝布置在廠區常年最小頻率風向的下風側，并應遠離有明火或散發火花的位置，并不得布置在人員密集地段和主要交通要道臨近處。
2.2本項目選址及總平面布置特點
因鋼廣總圖位置上無其他場地可供建氫氣充裝站，本項目建在現有制氫站內，場地受限制，設計上充分利用了預留地和現有道路設施，既保證了規范要求和工藝流程的順暢又節約了占地和投資，項目位置圖見圖1。
設計在壓縮機廠房南側布置一臺氫氣壓縮機，在制氫站球罐區東側新建一個氫氣充裝設備，在路邊設置一個氫氣管束車充裝位并考慮停放一臺氫氣管束車(空車)。為此將氫氣球罐區與露天裝置區之間的道路由4m改為6m，開且將站內氫氣管束車通行路由經過的道路承重按55t進行了調整設計。因原有道路無法再重新做不發火地坪，設計在新建的管束車停車位道路面層105m2范圍內將原有路面水泥砼面層拉毛2cm并加鋪粘層瀝青一層及4cm厚中粒式瀝青混凝土一層，開按所標示停車位尺寸大小涂刷停車位白線，并標識空車、裝車位，按管束車行車路線標識涂刷行車線。
調整原設計后，該道路上只考慮靠路邊劃定區域順次停放1臺充裝的氫氣管束車和1臺空的氫氣管束車。作業時實車裝滿后駛離，空車再開到原實車位置進行充裝作業，裝滿后再駛離。因此，兩臺管束車不會同時并行通過該道路。管束車帶車頭尺寸16m x 2.5m，路寬6m，除去一輛管束車所占路寬還有3.5m路寬可供消防車通過，消防車寬度一般均小于2.5m。此外，制氫站內在充裝車位旁球罐西側還有一條4 m寬專用消防通道，與站內其他道路聯通形成環路，消防車通過處轉彎半徑均為12m，可保證消防車順利進出制氫站。新建氫氣充裝設備與周邊設施的安全防火間距如表1。
3 氫氣壓縮機的選型
3.1氫氣壓縮機選型要求
壓縮機的選擇取決于需壓縮的氣體種類、容積排量以及要達到的排氣壓力等。對于高壓力(20MPa及以上)的氫氣，可采用活塞式或隔膜式壓縮機。隔膜式壓縮機靠隔膜在氣缸中作往復運動來壓縮和輸送氣體，具有壓縮比大、壓力范圍廣、密封性好的特點。由于它的氣腔不需要任何潤滑，在氣體壓縮過程中可保證無泄漏、氣體不受污染，從而保證了壓縮氣體的純度，與活塞式壓縮機相比更適用于氫氣這種易燃易爆、外銷產品需要保證高純度的氣體的壓縮，因此氫氣的壓縮首選隔膜式壓縮機。本項目的氫壓機就選用了隔膜式壓縮機，為兩級壓縮，排氣量500m3/h，進氣壓力1.5MPa(G)，排氣壓力20.0MPa(G)，電機功率110KW，采用dIICT4隔爆型電機，流量變頻調節。
3.2氫氣壓縮機自控保護系統及安全性結構設計
為保證氫氣壓縮機的安全運行，控制系統上設計了一系列聯鎖保護措施，包括:進、排氣壓力和溫度保護，一、二級排油壓力保護，齒輪泵油壓保護，潤滑油壓力保護，軸瓦溫度保護，曲軸箱油溫保護，爆破片破裂保護，冷卻水流量保護等。
膜壓機的結構設計上也考慮了一系列防止氫氣泄漏的措施，如冷卻管水管路系統中，一、二級冷卻器為套管式結構，氣管焊接處在水管外，與冷卻水接觸的氣管為無縫不銹鋼管，氫氣不會漏入冷卻水管路。
膜壓機的液壓油系統的油路設有補償、過濾﹑冷卻設施及安全閥，可避免因油系統的不穩定造成壓縮機膜片破裂。
膜壓機的主電機、油泵電動機、油箱電加熱器、電機空間加熱器等均選用了符合電動機電氣防爆等級要求的產品。主電機、油泵電動機為Ex d llCT4 Gb；油箱電加熱器﹑電機空間加熱器電氣防爆等級Ex dll CT6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。
4 氫氣充裝臺
設計選用了一體式的管束車充裝臺。充裝臺上設有超壓泄放用安全閥、氫氣回流閥(氫氣回流至氫氣壓縮機前管路)，分組切斷閥、壓力表、氮氣置換、吹掃口。充裝臺管道設有放散管及安全閥放散管放散至高空安全處(放散點高出地面10 m)，放散管口設阻火器。充裝臺區域設有導靜電接地樁，為管束車在充裝前做好靜電接地工作，防止靜電積聚。
5 工藝管道設計特點
5.1管系設計及閥門、管件等選用
由于氫氣容易泄漏，因此本項目氫氣管道均采用焊接方式連接。氫氣管道與設備﹑閥門的連接則采用法蘭連接。在氫氣壓縮機進、出口管路設有置換吹掃口。氫氣放空管設置了阻火器，阻火器管材為不銹鋼。氫氣管道和彎頭、三通等管件也均采用了不銹鋼。氫氣閥門的閥體、閥桿、密封面均采用不銹鋼。法蘭密封面按《氫氣站設計規范》(GB50177-2005)表12.0.4要求:設計壓力<2.5MPa的膜壓機前段，采用突面式法蘭，墊片選用聚四氟乙烯板；設計壓力>10MPa的膜壓機后段，采用凹凸式或梯形槽密封面法蘭，墊片采用退火紫銅板。
5.2管道流速選擇
GB50177-2005《氫氣站設計規范》第12.0.1條
規定設計壓力>3.0 MPa的碳鋼管中氫氣最大流速為10m/s，氫氣設計壓力為0.1~3.0MPa的不銹鋼鋼管中氫氣最大流速可為25m/s。本項目氫氣管道材質雖為不銹鋼，但膜壓機之后的氫氣管道設計壓力大于3.0MPa，因此膜壓機之后的氫氣最大流速仍按不超過10m/s選取。
5.3管道及設備防雷防靜電設計
本項目的氫壓機、充裝匯流排、氫氣管束車車體、氣瓶、氫氣管道及供吹掃用的氮氣管道均設計了防雷及放靜電接地，法蘭盤、閥門等處均做了金屬線跨接。
5.4管道布置
氫氣充裝管道利用制氫站現有管廊架空敷設。架空管廊共分兩層，5.5m層分布有氫氣、焦爐煤氣.放空氣、壓縮空氣等管線，7.0m層僅為本項目氫氣管線。滿足《氫氣站設計規范》GB50177-2005中規定的架空氫氣管道與其他架空管線之間最小凈距的要求。
6 消防設計
氫氣充裝新增設施在現有制氫站室內外消火栓保護范圍內，利用現有消防設施室外消火栓旁邊就地設置室外消火栓箱，箱內放置消防水帶及水霧兩用水槍。
7 自控系統設計
充裝項目整套充裝系統采用一套儀電一體的PLC來實現整個工藝的監控功能。現場儀表設備主要由兩部分組成，一部分為氫氣壓縮機本體配套的檢測儀表設備，另一部分為氫氣管束車及充裝配套的儀表設備。主要檢測和控制內容如下:
(1)監控氫氣壓縮機的運行狀態，并進行故障自動報警﹑停機。
(2)自動檢查氫氣壓縮機的開機條件，并可進行氫氣壓縮機的自動啟停。
(3)新增環境含氫量檢測。
(4)氫氣壓縮機入口總管流量檢測。
(5)氫氣壓縮機出口總管純度和露點檢測。
(6)充裝臺設遠程壓力監視，信號送到中控室(利舊現有)。在充裝過程中，操作員在中控室值守，期間每2h到現場巡檢一次。一旦發生異常，操作員可現場緊急停止膜壓機運行(緊急切斷)，達到切斷充裝臺氣源的目的。
8 結語
綜上所述，在高壓氫氣充裝系統設計中要從選址及總平面布置、壓縮機、充裝臺等設備選型、工藝管道和自控系統設計上均充分考慮其安全性，力爭做到系統設計安全可靠、運行穩定、投資合理。
[參考文獻]
[1]李學斌，楊振東.高壓氫氣充裝設計中的注意事項[J.氯堿工業，2015(11).
收稿日期:2017-04-17
作者簡介：楊靜(1970-)，女，高級工程師，現從事燃氣設計工作。