【摘要】闡述了高壓氫氣充裝系統的設計特點(diǎn)，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(dòng)控制系統的設計特點(diǎn)。

【關(guān)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(yè)中有著(zhù)廣泛用途。供氣形式除了常見(jiàn)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(chē)等，通過(guò)汽車(chē)運輸可將氫氣送至無(wú)氫氣管道覆蓋地區的用戶(hù)，方便高效，近年來(lái)應用越來(lái)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(fā)生爆炸，屬于國家安監總局重點(diǎn)監管的危險化學(xué)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(chē)充裝項目為例介紹高壓氫氣充裝設計的特點(diǎn)。

1 項目簡(jiǎn)介

某鋼鐵公司建有產(chǎn)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(xiāo)。因此，后增建了氫氣壓縮機和管束車(chē)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(shí)應將氫氣充裝布置在廠(chǎng)區常年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側，并應遠離有明火或散發(fā)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(diǎn)

因鋼廣總圖位置上無(wú)其他場(chǎng)地可供建氫氣充裝站，本項目建在現有制氫站內，場(chǎng)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(jiàn)圖1。

設計在壓縮機廠(chǎng)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(gè)氫氣充裝設備，在路邊設置一個(gè)氫氣管束車(chē)充裝位并考慮停放一臺氫氣管束車(chē)(空車(chē))。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(kāi)且將站內氫氣管束車(chē)通行路由經(jīng)過(guò)的道路承重按55t進(jìn)行了調整設計。因原有道路無(wú)法再重新做不發(fā)火地坪，設計在新建的管束車(chē)停車(chē)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(kāi)按所標示停車(chē)位尺寸大小涂刷停車(chē)位白線(xiàn)，并標識空車(chē)、裝車(chē)位，按管束車(chē)行車(chē)路線(xiàn)標識涂刷行車(chē)線(xiàn)。

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(chē)和1臺空的氫氣管束車(chē)。作業(yè)時(shí)實(shí)車(chē)裝滿(mǎn)后駛離，空車(chē)再開(kāi)到原實(shí)車(chē)位置進(jìn)行充裝作業(yè)，裝滿(mǎn)后再駛離。因此，兩臺管束車(chē)不會(huì )同時(shí)并行通過(guò)該道路。管束車(chē)帶車(chē)頭尺寸16m x 2.5m，路寬6m，除去一輛管束車(chē)所占路寬還有3.5m路寬可供消防車(chē)通過(guò)，消防車(chē)寬度一般均小于2.5m。此外，制氫站內在充裝車(chē)位旁球罐西側還有一條4 m寬專(zhuān)用消防通道，與站內其他道路聯(lián)通形成環(huán)路，消防車(chē)通過(guò)處轉彎半徑均為12m，可保證消防車(chē)順利進(jìn)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(lèi)、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(dòng)來(lái)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(diǎn)。由于它的氣腔不需要任何潤滑，在氣體壓縮過(guò)程中可保證無(wú)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(xiāo)產(chǎn)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(jìn)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(lián)鎖保護措施，包括:進(jìn)、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(wú)縫不銹鋼管，氫氣不會(huì )漏入冷卻水管路。

膜壓機的液壓油系統的油路設有補償、過(guò)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(dòng)機、油箱電加熱器、電機空間加熱器等均選用了符合電動(dòng)機電氣防爆等級要求的產(chǎn)品。主電機、油泵電動(dòng)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(chē)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(diǎn)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(chē)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(diǎn)

5.1管系設計及閥門(mén)、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(mén)的連接則采用法蘭連接。在氫氣壓縮機進(jìn)、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(mén)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(zhì)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(guò)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(chē)車(chē)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(pán)、閥門(mén)等處均做了金屬線(xiàn)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(xiàn)，7.0m層僅為本項目氫氣管線(xiàn)。滿(mǎn)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(xiàn)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(lái)實(shí)現整個(gè)工藝的監控功能?，F場(chǎng)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(chē)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(tài)，并進(jìn)行故障自動(dòng)報警﹑停機。

(2)自動(dòng)檢查氫氣壓縮機的開(kāi)機條件，并可進(jìn)行氫氣壓縮機的自動(dòng)啟停。

(3)新增環(huán)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(diǎn)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(guò)程中，操作員在中控室值守，期間每2h到現場(chǎng)巡檢一次。一旦發(fā)生異常，操作員可現場(chǎng)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(yǔ)

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(xué)斌，楊振東.高壓氫氣充裝設計中的注意事項[J.氯堿工業(yè)，2015(11).

收稿日期:2017-04-17

作者簡(jiǎn)介：楊靜(1970-)，女，高級工程師，現從事燃氣設計工作。