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隨著氫燃料電池汽車的快速發展，加氫站的建設已日益成為氫產業鏈中的重要一環。其安全、穩定及可靠運行問題備受社會關注。 GB 50516—2010《加氫站技術規范》 該標準是中國強制性國家標準，由國家住房和城鄉建設部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布。 該標準適用于加氫站、加氫加油合建站和加氫加氣合建站新建、改建、擴建的加氫站工程的設計、施工、建造。特別需要注意的是，該標準僅適用于氣態氫加氫站，不適用于液態氫加氫站。該規范定義的加氫站是“為氫能汽車或氫氣內燃機汽車或氫氣天然氣混合燃料汽車等儲氫瓶充裝氫燃料的專門場所”，而不僅僅是給目前流行的FCV加注氫氣。 該標準對加氫站的站址選擇及總布置做出總體要求，并對各系統設備設施如加氫設施、消防安全設施、電氣裝置、建筑設施、給水排水、采暖通風等做出技術性和安全性的要求，最后對施工、安裝、驗收和運行管理作出規定。 ISO 19880-1：2016《Gaseous hydrogen—Fuelling stations—Part 1: General requirements》 該標準由國際標準化組織（ISO）制定并發布。 從標準的范圍來看，該標準為輕型陸用車輛加氫的公共或非公共的氣態氫加氫站的安全建議了最低標準的設計特性和推薦性能，但該標準提到了液態氫的部分要求。ISO19880-1在液氫方面則對液氫儲存槽設計與位置、液氫轉換區、輸送管及閥門、降壓裝置和清洗方法都作出了詳細的安全規定。該標準適用于輕型陸用車輛的氫氣加注，但也可作為儲氫能力超出目前公布的加注協議標準如SAE 12601的公共汽車、有軌電車、摩托車和叉車的氫氣加注指南。 該標準首先對加氫站提出總體安全評估要求及降低安全風險措施，之后對加注的過程控制和安全系統建議了最低要求，并詳細對整個加注過程的系統、設施設備、操作、維護等安全性提出具體要求，最后提出對加氫站的驗收測試要求。 本文主要從GB 50516—2010和ISO 19880-1兩份標準對于加氫站的工藝流程，即氫源、壓縮系統、儲氫系統、加注系統、安全及控制系統5個方面的要求和規定進行分析對比。 國內外加氫站標準對比分析 目前國內的加氫站主要是壓縮氫氣加氫站，其工藝流程下圖所示，主要包括氫源、壓縮系統、儲氫系統、加注系統、安全及控制系統。不同來源的氫源經壓縮系統壓縮后進入儲存系統，再通過加注系統為車輛加注氫氣。根據供氫方式不同，加氫站各系統的設備有所不同，但工藝流程大致相同。加氫站的主要設備有壓縮機、儲氫系統、加氫機、管道、控制系統、氮氣吹掃裝置以及安全監控裝置等，其核心設備是壓縮機、儲氫系統和加氫機。 加氫站工藝流程 氫源的供應 GB 50516—2010規定：加氫站的氫氣壓縮工藝系統應根據進站氫氣輸送方式確定。國內一般采用長管拖車、氫氣管道輸送兩種輸送方式，加氫站根據氫氣儲存或加注參數選用氫氣壓縮機和一定容量的儲氫容器。 ISO 19880-1對3種供氫方式提出要求： 一是站內制氫，分為電解水制氫和燃料加工技術制氫，這兩種制氫方式應分別遵循ISO 22734-1和ISO 16110-1的規定。 二是長管拖車供氫，包括供應氣氫或液氫，ISO 19880-1在這方面有較為詳細的安全規定。如要求長管氣瓶拖車或氣體儲存器停放時前后應水平支撐，停放區域不含碎屑和易燃物，且地基應由鋼筋混凝土或其他合適的不可燃材料建成。 三是管道輸送供氫，對于該供氫方式ISO 19880-1提出了部分安全要求：安全減壓的方法、氮洗的方法、增壓或流動的管理、計量方式、過濾方法等。 目前國內加氫站基本不采用站內制氫的辦法，一方面是因為制氫加氫站站內工藝復雜、運行維護不易、建站成本較高；另一方面是因為氫氣是危化品，適宜在化工園區規模生產，便于生產管理；此外加氫站需建在商業用地，與制氫工廠土地使用性質不同，故不太可能做到站內制氫。 另外，國內液氫產業不成熟，生產成本高，目前GB 50516—2010中亦很少關于液氫的規定，但在GB 50516—2020征求意見稿中則已增加了液氫相關技術內容。當前我國在役加氫站全部為高壓氣態氫加氫站，低溫液態儲氫站仍在規劃中還未開始建設，民用液氫市場尚屬空白。但隨著燃料電池汽車（FCV）的普及與規模化應用，日加氫量規模將會遠超氣態加氫站的供給能力，這就意味著液氫加氫站會在未來氫能產業鏈中占據重要位置。 儲存系統 根據氫的3種不同狀態，可將儲氫方式分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態材料儲氫3類。目前全球加氫站普遍采用前2種儲氫方式。 高壓氣態儲氫簡單易行、成本低、相對成熟、充放氣速度快，是一種較為成熟的儲氫方式。因此，也是加氫站中采用最多的儲氫方式。國內加氫站常用2種儲氫裝置：儲氫罐和儲氫瓶組。在GB 50516—2010中，推薦加氫站選用同一規格的固定式儲氫罐或儲氣瓶組，并應符合國家現行標準《鋼制壓力容器——分析設計標準》的有關規定。在安全規定方面，要求儲氫系統設置：安全泄壓裝置；氫氣放空管及切斷閥和取樣口；壓力測量儀表、壓力傳感器；泄漏報警裝置；氮氣吹掃置換接口；儲氣瓶組臥式存放及距離不小于1.5m；設置安全防護欄或其他防撞措施等。 與高壓氣態儲氫相比，低溫液態儲氫具有體積密度高和儲氫量大等優點。在常溫常壓下，液態氫的密度是氣態的845倍。因此，對于氫氣需求量比較大的加氫站，采用液態儲氫是一種不錯的方式，也是加氫站發展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意見稿中意見亦已增加了液氫儲存相關技術的標準和要求。 ISO 19880-1對于氣氫儲存系統，未有明確對儲氫容器的使用種類提出建議或要求，但要求每一組儲氫容器例如當使用儲氫鋼瓶或長管拖車儲存氫氣時，都應配置一套獨立的安全裝置，包括熱屏蔽系統、排氣系統、手動或自動的分離閥等。另外，也對儲存容器布置場所提出安全要求：地面放置時應擺放在戶外，擺放儲存容器的地基應采用阻燃材料；地下室放置時，要求墻體高于儲存容器，且應保證通風以防氫氣泄漏；要求氫氣系統的屋頂設有提供維護人員施工的工作平臺，要求防火防爆防過壓等。 加注系統 加氫站的加注系統由單臺或多臺加氫機構成，加氫機是燃料電池汽車加注氫燃料的核心設備，加注壓力是其主要參數。加氫機通常由機械部分和控制部分組成，機械部分主要包括高壓氫氣管路及安全附件、質量流量計、加氫槍等，控制部分主要包括控制系統和顯示器等。 GB 50516—2010與ISO 19880-1對于加氫機的安全設置要求大致相同，例如要求加氫機安裝在室外、開放空間，并設置防撞欄等。其他安全裝置如安全泄壓裝置、拉斷閥、切斷閥和自動控制裝置等，亦是加氫機上的必備的安全組件。加氫機在國內外均要求安裝在室外，這是因為氫氣無色無味，泄漏后很難發覺，若在受限空間內泄漏，易形成氫氣的積聚，存在引發著火爆炸事故的潛在風險，故氫氣作為危化品管理，加氫機不得設在室內。但是ISO 19880-1更加細致地對加氫機機柜和加注組件提出采用阻燃及抗靜電材料、使用壓力、抗形變能力等物理性能上的要求。 對于加氫機的加注過程，GB 50516—2010明確要求加氫機額定工作壓力為35MPa或70MPa，充裝氫氣流量不應大于5kg/min。ISO 19880-1則提出，為確保加氫過程保持在限制溫度范圍內及車輛壓縮氫儲存系統的工藝限制范圍內，加氫機應使用SAE J2601等加注過程協議：加氫機外部環境溫度范圍為-40℃~+50℃；氫氣流速不超過60g/s；最大工作壓力應小于額定工作壓力（35MPa或70MPa）的138%；車載儲氫瓶的工作溫度限制為最高85℃等。 SAE J2601是被國際廣泛接受的輕型氣態氫汽車的燃料加注協議，日本在兼容SAE J2601的基礎上進行修改形成了JPEC-S0003加注協議。國內初步制定了團體標準T/CECA—G0017—2018《氫燃料電池車輛用加注規范 第一部分：通用要求》。中國氫能源汽車行業發展的實際情況有別于其他發達國家，如國外以乘用車為主，而我國主要發展物流大巴車，國外廣泛使用的為Ⅳ型瓶，而我國廣泛使用的為Ⅲ型瓶，這些都會影響加注協議的適用程度。因此，我國急需在實踐中逐步制定并完善符合國情的氫氣加注規范。 安全及控制系統 氫氣具有擴散系數大、爆炸極限寬、著火溫度低等特點，一旦發生大規模的泄漏，極易引起爆炸與火災，危及加氫站周圍的生命和財產安全。世界范圍內也不時發生涉及氫氣設備的安全事故。因此，建立完善的安全與控制系統，積累安全運營管理經驗，形成完整的安全管理體系就顯得尤為重要。 對于易燃易爆氣體，一般通過設置氣體與火焰探頭、加強通風換氣、泄漏報警連鎖控制等方法來避免事故的發生或者降低事故的影響。 ISO 19880-1通過風險評價來確定具體項目的安全措施，但也有其硬性要求，比如給出泄漏報警探頭、火焰報警探頭、壓力傳感器的設置及其連鎖的報警、急停控制、切斷閥門的要求。此外，ISO 19880-1針對氣態氫和液態氫的泄漏、泄放的擴散通風、換氣要求給出了建議。不論是主動通風還是被動通風，要求通風換氣將目標氫氣濃度保持在氫氣可燃性濃度下限的25%以下，且通風系統的壓降和最大出口壓力應作為設計的重要標準。GB 50516—2010直接給出了自然通風換氣次數不得少于5次/h，事故排風換氣次數不得少于15次/h，并應于空氣中氫氣濃度報警裝置連鎖的要求。 ISO 19880-1與GB 50516—2010在儲氫系統、壓縮系統、加注系統等關鍵的生產環節，緊急切斷系統和超壓泄放協調設置要求基本是一致的，均要求與報警系統聯動，并能夠自動緊急切斷，手動確認復位。 從2019年5月開始，挪威、美國、韓國接連發生氫氣爆炸事件，分別是：2019年5月韓國江原道氫燃料儲存罐爆炸，2019年6月美國加州圣塔克拉拉儲氫罐泄露爆炸，2019年6月10日挪威首都奧斯陸地鐵站附近的KJRBO加氫站發生著火爆炸。 “國外出現多起氫氣爆炸事故，這應該給我們敲響安全警鐘。倘若中國在行業高歌猛進的過程中出一樁爆炸事故，這個爆炸會觸動中央領導和老百姓的敏感神經，對行業造成的影響是不可估量的。” 國家發展和改革委員會能源研究所能源效率中心副主任熊華文曾表達過對于氫安全的擔憂。在他看來，在氫能風口過熱時，業內人士需認識到氫能產業發展是“馬拉松”不是“百米賽”，不能一味求快，而要注重安全問題。 目前中國加氫站的建設及管理嚴格遵守《GB 50516—2010加氫站技術規劃》《GB/T34584-2017加氫站安全技術規范》和《GB/T 31139-2014移動式加氫設施安全技術規范》等，嚴抓加氫站設備安全、加氫站系統安全和加氫站運行制度安全。在選址和布局時，做好加氫站氫氣工藝設施與建筑物、構筑物之間的防火距離以及加氫站內設備之間的防火間距。 為保險起見，在加氫站內，還需安裝氫氣泄漏檢測器，通過內置的高精度氫氣傳感器監測元件，傳感器一旦檢測到氫氣泄漏，便會立刻示警，并切斷氫氣來源。可以用我們工采網代理的CGM6812－B00氫氣傳感器模塊： 氫氣傳感器模塊CGM6812是一種搭載了費加羅催化燃燒式可燃氣體傳感器TGS6812的新模塊，具有耐久性好、穩定性高的特點。此模塊可提供與氫氣濃度成比例的模擬電壓輸出， CGM6812氫氣傳感器模塊還采用了防潮涂層，可以在需要防水與絕緣的環境中放心使用，同時，模塊還能夠檢測到傳感器斷線的故障。模塊操作溫度范圍廣，為－10°C～＋60°C。由于TGS6812氣體傳感器可以檢測甲烷、 LP氣體與氫氣，因此此模塊適用于固定式燃料電池的可燃氣體——氫氣的泄漏檢測。 為保證氫氣使用安全，用氫場所的氫氣濃度檢測非常重要。隨著現代傳感器檢測技術的發展，已經可以做到氫氣濃度快速檢測。比如，氫氣泄露探測器，尺寸很小，安裝、使用都很方便。借助內置的氫氣傳感器氣體檢測元件，在很短的時間內，氫氣探測器就可以將氫氣濃度的信息傳送到中央處理器，當達到危險濃度時，就自動報警并采取相應的措施，從而確保安全。 放眼全球，快速推進加氫站建設，也已經成為各個國家的戰略布局。比如，我國加氫站建設步伐加快，預計到2025年和2035年，我國加氫站數量分別達到1000座和5000座。不過，總的來說，當前全球氫能行業整體還處于市場化初期，各種制氫站和加氫站的控制邏輯和控制程序還需不斷優化升級，制氫-加氫站還有很長的路要走。 |
