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加氫站節(jié)能增效的建設(shè)優(yōu)化與研究

發(fā)布時間：

2024-03-01 16:20

氫能產(chǎn)業(yè)是清潔低碳高效能源體系的重要一環(huán)，也是實現(xiàn)碳減排的載體，加氫站是普及氫能發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)施。2022年3月頒布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中指出，到2025年氫燃料電池車輛將會達(dá)到5萬輛保有量，部署配套一批加氫站勢在必行。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2021年底，國內(nèi)已建成加氫站200座左右，僅為實現(xiàn)冬奧會全面綠色交通配套就建設(shè)了30余座加氫站。

2021年新修訂了GB50156和GB50516兩個關(guān)于加氫站設(shè)計與建設(shè)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為加氫站的安全設(shè)計提供建設(shè)指導(dǎo)。然而國內(nèi)加氫站成套建設(shè)技術(shù)提供方屈指可數(shù)，加氫站存在工藝流程技術(shù)較為單一、能量利用效率低及檢測控制手段有限等不足缺陷，大多的做法是對已運(yùn)行加氫站的效仿，因此現(xiàn)有加氫站存在較大的優(yōu)化空間。隨著氫能產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式的發(fā)展和新問題的不斷涌現(xiàn)，加之氫燃料汽車市場占有量不斷增加，對現(xiàn)有加氫站工藝設(shè)計和操作模式提出新的要求。特別是存在氫氣純度無法實時監(jiān)控、氫氣冷卻缺少控制調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)啟動頻繁等問題。

本文從氫氣檢測智能化控制、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制、站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化、氫氣壓縮機(jī)節(jié)能等方面進(jìn)行分析，提出加氫站的節(jié)能減排和降本增效建議。

1 反向監(jiān)測氫氣純度控制

制氫、儲氫、運(yùn)氫是氫能產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，如何保證各環(huán)節(jié)氫氣的純度品質(zhì)至關(guān)重要。氫燃料電池對氫氣痕量雜質(zhì)要求嚴(yán)苛，目前市場上缺少快速在線監(jiān)測分析方法與設(shè)備，采用非在線送樣全雜質(zhì)分析成本將達(dá)到2萬~5萬/次，高昂的檢測成本讓氫氣出廠單位更多參考了成品油和壓縮氣的運(yùn)營方式，以定期氫氣檢測報告作為銷售公司提供給下游用氫方的證明，然而這樣存在無法及時獲得在制氫、運(yùn)氫、儲氫多個環(huán)節(jié)出現(xiàn)混入雜質(zhì)的情況。

氫氣品質(zhì)出現(xiàn)問題主要在3個方面：一是氫源出現(xiàn)問題，例如氫氣母站提純裝置失效或者操作不當(dāng)，導(dǎo)致提純效果下降；二是氫氣運(yùn)輸車的車載儲罐未能脫除雜質(zhì)或者混用；三是加氫站的氫氣儲罐中本身混入雜質(zhì)。無論哪一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，不合格的氫氣都會對氫能汽車產(chǎn)生致命損壞。據(jù)了解，目前1輛氫能源汽車價格在100萬元左右，氫氣不純不僅會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，更會降低大眾對氫能汽車甚至氫能產(chǎn)業(yè)認(rèn)可度。

通過對國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14687—2019和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37244—2018分析，氫燃料電池對氫氣的純度閾值為99.97%，尚未達(dá)到高純氫99.99%規(guī)格，但對氫氣中的14種其他雜質(zhì)含量給出超嚴(yán)格限制，其主要目的是為了保護(hù)氫燃料電池的使用壽命和發(fā)電效率。

在這14種雜質(zhì)中可大體分為兩類，一類雜質(zhì)能夠造成燃料電池的永久性中毒與損害，導(dǎo)致電池報廢，例如CO、總硫等；一類雜質(zhì)會降低氫燃料電池的發(fā)電效率，通過合格新鮮氣體置換有恢復(fù)的可能性，例如水、氮氣等。但不論出現(xiàn)何種中毒或者損害，都會像燃油汽車發(fā)動機(jī)出故障一樣，讓購買者對氫能源汽車望而卻步。

分析氫氣雜質(zhì)首先從其源頭探索，目前工業(yè)制氫工藝主要來自于以下幾種工藝流程，其可能含有的雜質(zhì)見表1。

表1 不同工業(yè)制氫方式氫氣主要雜質(zhì)

本文關(guān)于加氫站節(jié)能相關(guān)的措施和思路，可為后續(xù)加氫站的工程設(shè)計與建設(shè)提供參考。由于直接分析氫氣雜質(zhì)純度難度大，本文提出了一種采用反向檢測氫氣規(guī)格新理念（詳見圖1），通過對氫氣純度的嚴(yán)格檢測以推測其他雜質(zhì)變化的可能性，適用于加氫母站和加氫站。

圖1 反向檢測氫氣流程優(yōu)化簡易圖

（1）加氫母站

對于加氫母站或者站內(nèi)制氫加氫站，在提純裝置下游設(shè)置一臺在線氫氣分析儀，此時要求氫氣的純度至少維持在99.99%。流程如圖1（a）所示，增加一臺精制保護(hù)器M-101以及氫氣純度的聯(lián)鎖AIC-101，在裝置穩(wěn)定獲得合格產(chǎn)品后，此時設(shè)定氫氣純度值為w1（w1滿足氫氣純度大于99.99%）；如果運(yùn)行時在線分析AI-101顯示氫氣純度出現(xiàn)波動，達(dá)到氫氣純度下限報警值w2（例如，w2設(shè)置為99.975%）意味著提純裝置可能出現(xiàn)問題，此時報警并聯(lián)鎖打開精制保護(hù)器M-101的入口閥，讓氫氣通過1個撬裝化高效分離裝置實現(xiàn)進(jìn)一步提純，該裝置重點對工藝氣體來源中可能含有的雜質(zhì)以及對氫燃料汽車造成危害較大的組分進(jìn)行脫除。此時對站內(nèi)的提純裝置進(jìn)行分析，若不是運(yùn)營問題則需要考慮是否原料組分發(fā)生變化或者吸附劑效果下降。若分析儀AI-101檢測純度低于99.97%，立即聯(lián)鎖停止提純裝置和對外充裝。

（2）加氫站

對于加氫站，可在卸氫柱位置設(shè)置1個簡易化中毒檢測器X-101以及氫氣精脫保護(hù)裝置M-102，其中精脫保護(hù)器產(chǎn)生的解析氣體進(jìn)入到站內(nèi)放散系統(tǒng)，流程如圖1（b）所示。中毒檢測器X-101是1個和燃料電池工作原理一樣的電池，在外部購買的氫氣進(jìn)站之后先經(jīng)過中毒檢測器X-101，通過顯示電流的強(qiáng)弱分析其是否存在中毒雜質(zhì)，如果出現(xiàn)問題立即聯(lián)鎖停止卸氫，并將已卸入的氫氣進(jìn)入到撬裝氫氣精脫保護(hù)裝置M-102防止污染下游設(shè)備；如果依然不滿足燃料氫要求，只能拒絕接收該批次氫氣。

本文提供的反向監(jiān)測氫氣純度的方法不是一種根本解決氫氣在線分析問題的方式，無法直接檢測每類雜質(zhì)含量甚至還會出現(xiàn)“假報警”現(xiàn)象，但是對于現(xiàn)階段的氫氣純度起到一定監(jiān)控作用，避免造成不可挽回經(jīng)濟(jì)損失。

2 站內(nèi)制氫加氫一體站優(yōu)化控制

考慮到氫源分布不平衡的現(xiàn)狀以及氫氣的高運(yùn)輸成本瓶頸，站內(nèi)電解水制氫成為了解決加氫站氫源困難的方式之一。電解水制氫技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于工業(yè)化裝置，然而其制氫成本相對較高，大約在4~5kWh/Nm3H2（相當(dāng)于32~40元/kgH2成本價格），對于1個500kg/d規(guī)模的站內(nèi)電解水制氫加氫站，需求電量大約在28MW/d，屬于高耗能裝置，因此如何降低電解水成本且提高綠電使用比例，對促進(jìn)碳減排至關(guān)重要。

對于現(xiàn)有加氫站站內(nèi)制氫的電主要有兩種來源途徑：一是采用工業(yè)用電；二是利用加氫站站內(nèi)罩棚、站房頂部、停車場頂部以及周邊工作場所或者集中地區(qū)建設(shè)太陽能發(fā)電站。但是由于光伏發(fā)電的效率相對較低，如果僅依靠站內(nèi)的面積發(fā)電量遠(yuǎn)不能滿足電解水制氫的需求量，因此依然要采用工業(yè)電作為補(bǔ)充。而工業(yè)電又分為波峰用電和波谷用電，波谷用電價格比波峰用電價格大約低0.6~0.8元/kWh，因此如何合理利用“電”是降低站內(nèi)制氫加氫一體站的關(guān)鍵因素。

本文提出建設(shè)一套太陽能發(fā)電和低谷電智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化站內(nèi)用電方案思路，即最大可能使用太陽能發(fā)電比例，其次是低谷用電比例，最后是正常或者波峰工業(yè)用電比例，以降低電解水制氫成本。

例如白天用電按照太陽能發(fā)電→蓄電池電→工業(yè)用電順序，如果太陽能發(fā)電量富余，可通過蓄電池將電“存儲”至晚上利用，實現(xiàn)全天連續(xù)電解水制備得到綠氫；若出現(xiàn)天氣惡劣情況，太陽能發(fā)電量不足且站內(nèi)儲備氫氣量不足，則只能啟用工業(yè)用電作為補(bǔ)充。晚上用電模式按照蓄電池電→低谷用電順序，晚上優(yōu)先利用白天太陽能發(fā)電的蓄電池電，如果沒有富余電量再采用廉價的夜間低谷電。

因此可建設(shè)一套智能控制系統(tǒng)，若白天太陽能發(fā)電量足夠多，則可將多余電量存放于蓄電池中供晚上利用或者白天調(diào)整制氫裝置負(fù)荷；若出現(xiàn)陰雨天且發(fā)電蓄電能力不足，根據(jù)氫氣需求量在夜間充分利用低谷用電期提高電解水制氫工作負(fù)荷，加大夜間制氫產(chǎn)量并存儲于站內(nèi)氫氣儲罐，同時降低白天電解水工作負(fù)荷。

另外，站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)集中充裝瓶組時間調(diào)整于夜間低谷用電期，降低用電成本。

3 卸氫計量系統(tǒng)優(yōu)化

考慮到安全和消防限制，國內(nèi)加氫站主要采用站外制氫供氫方式，通過高壓長管拖車從外部購買氫氣，關(guān)于卸氫計量問題，規(guī)范GB50156—2010（2021版）對于氫氣進(jìn)站的計量方式進(jìn)行了科學(xué)調(diào)整。

在2010版規(guī)范中，建議卸氫計算方法是按照氫氣儲氣瓶的容積和起始壓力核算，實際加氫站建設(shè)期間為了減少質(zhì)量流量計的成本投入也是采用此方法估算。從其條文解釋舉例數(shù)據(jù)可看出該計算方法是建立在氣體理想狀態(tài)方程，但是在高壓狀態(tài)下氫氣遠(yuǎn)離理想狀態(tài)，壓縮因子發(fā)生重大偏離（如表2），因此采用這種方法并不能精確體現(xiàn)卸載量。

表2 在20℃溫度下不同壓力下氫氣的壓縮因子

2010版條文解釋舉例：10個1170L氫氣瓶組從25MPa到0.5MPa的氫氣卸載量總共是2866.5Nm3（255.94kg），而通過修正壓縮因子實際上最大卸載量是213.38kg，相差了42.56kg（存在16.5%的誤差），對于接收方是有損失的。實際上即使手動通過溫度和壓力去修正依然會出現(xiàn)誤差，同時在泄氫過程存在一定損失。若增加1個質(zhì)量流量計（帶累計功能），可以精確地直觀提供氫氣卸載量。

因此建議卸氣柱必須設(shè)置質(zhì)量流量計，增加之后還可實現(xiàn)站內(nèi)氫氣使用率進(jìn)行嚴(yán)格計算。因為加氫站不連續(xù)運(yùn)行特點，在壓縮機(jī)、加氫機(jī)、卸氫柱等設(shè)備停止工作后須對部分密封高壓管道空間進(jìn)行泄壓，該部分氫氣量無法計量。因此通過對外的加注量以及卸載量的直觀計量可以實現(xiàn)精確計算站內(nèi)氫氣利用率，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營分析提供精確數(shù)據(jù)支撐。

4 冷卻系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化

加氫站內(nèi)的冷卻系統(tǒng)主要是采用電制冷方式實現(xiàn)，站內(nèi)需要冷卻主要在2個區(qū)域：一是氫氣壓縮機(jī)冷卻，氫氣被做功增壓后發(fā)生急速升溫；二是加氫機(jī)冷卻，氫氣溫度大于-69.15℃時節(jié)流或者膨脹會發(fā)生焦-湯效應(yīng)，升溫達(dá)到150℃，而目前車載儲罐設(shè)計溫度最高為85℃，因此需在加氫機(jī)進(jìn)行有效充分冷卻。

（1）氫氣壓縮機(jī)冷卻控制

加氫站內(nèi)的壓縮機(jī)采用的是容積式壓縮機(jī)，出口壓力是固定不變。例如45MPa壓力級別加氫站的壓縮機(jī)出口壓力為45MPa，而入口壓力是一直變化波動，意味著其壓縮比也在變化，入口壓力變化范圍一般在5~20MPa，壓縮比范圍在2.25~9，通過表3可看出在入口氫氣溫度為20℃時，不經(jīng)過任何冷卻出口溫度達(dá)到200℃以上。將200℃的介質(zhì)冷卻到50℃以下需要消耗大量的冷凍水，因此目前站內(nèi)運(yùn)行模式基本上是按照最大操作流量常供。

表3 無冷卻工況氫氣壓縮機(jī)出口溫度變化

圖2 氫氣壓縮機(jī)冷卻控制優(yōu)化

如圖2所示對氫氣壓縮機(jī)的冷卻流程進(jìn)行優(yōu)化，在其壓縮機(jī)的出入口均設(shè)置一組換熱裝置（E-101&E-102）以及溫度控制系統(tǒng)，溫度傳感器TIC-101控制壓縮機(jī)入口溫度維持在-10~0℃，如果入口壓力PIC-101低于10MPa，超馳聯(lián)鎖控制FV-101調(diào)節(jié)閥，維持一定冷卻介質(zhì)流量；壓縮機(jī)出口溫度通過換熱器和TIC-102實現(xiàn)調(diào)節(jié)，但是調(diào)節(jié)閥TV-102設(shè)置為故障開，確保壓縮機(jī)出口溫度即使在閥門出現(xiàn)故障也不會超溫。

優(yōu)化之后，非特殊情況無需常開大流量制冷系統(tǒng)，并通過增加溫度聯(lián)鎖控制靈活調(diào)整冷卻流量，可實現(xiàn)節(jié)省30%以上的制冷劑用電量。

（2）氫氣加氫機(jī)冷卻控制

加氫機(jī)的冷卻控制至關(guān)重要，必須確保車載儲罐不能超其安全設(shè)計溫度85℃，因此加氫過程設(shè)置了車載儲罐壓力和溫度的超馳聯(lián)鎖，在達(dá)到加氫設(shè)定壓力和設(shè)定溫度強(qiáng)制停止加氫機(jī)。即使加氫在安全設(shè)計溫度和壓力以內(nèi)，不同的終了溫度對其加注量會影響很大，詳見表4。

表4 不同溫度和壓力車載儲罐充裝量

（4）通過對氫氣壓縮機(jī)節(jié)能分析，降低加氫站壓縮機(jī)的運(yùn)行能耗以及啟動頻次。加注車均加注到儲罐35MPa壓力下，儲罐溫度35℃比85℃溫度下的加注量多了19.65%。加注過程影響氫氣儲罐溫度主要因素有加注過程壓力差節(jié)流、加注速率以及車載儲罐容積等，目前多數(shù)加氫站冷卻裝置設(shè)置在調(diào)節(jié)閥上游，每次加注需要人為設(shè)置調(diào)節(jié)閥開度，而且缺少精確控制冷卻水量措施，基本上是大流量供冷。

圖3 加氫機(jī)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

如圖3所示，對加氫機(jī)部分流程進(jìn)行優(yōu)化，將調(diào)節(jié)閥FV-201位置提前至冷卻器E-201上游并增加1個溫度控制TIC-201調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量。考慮到超溫后果相對嚴(yán)重，增加一道壓力差聯(lián)鎖PDIC-202（站內(nèi)供氫儲罐壓力和車載儲罐壓力差），在站內(nèi)供氫壓力和車載儲罐壓力差超過25MPa時，冷卻介質(zhì)流量不能低于限值F0。例如對于5kg/min加注速率工況，壓差ΔP超過25MPa時冷卻最低量F0為35m3/h；當(dāng)PDIC-202未超過25MPa時通過出口溫度TIC-201調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而降低制冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷。

5 壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化

加氫站的非連續(xù)運(yùn)行特性對站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)運(yùn)行影響巨大，目前國內(nèi)加氫站90%以上采用的是隔膜式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)最明顯的缺點是膜片運(yùn)行時間較短，大約在700~2000h，尤其頻繁的啟停對膜片壽命破壞力更大，因此如何提高站內(nèi)壓縮機(jī)連續(xù)工作時間，降低啟停頻次至關(guān)重要。壓縮機(jī)啟動工況主要是高壓儲罐壓力不足時壓縮機(jī)直接加注車載儲罐以及加氫站內(nèi)氫氣儲罐充裝。

（1）壓縮機(jī)直接加注汽車儲罐

加氫站加氫主要采用站內(nèi)高壓、中壓、低壓多級帶壓氫氣儲罐進(jìn)行汽車加氫，以提高站內(nèi)氫氣利用率以及加氫速率。然而當(dāng)加氫站遇到汽車加注高峰期時會出現(xiàn)高壓儲罐壓力不足現(xiàn)象，此時需要啟動站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)直接加氫，但這會因為車輛加注的不連續(xù)特點出現(xiàn)壓縮機(jī)頻繁啟停問題，同時受壓縮機(jī)最大工作負(fù)荷限制加氫速率較慢。

m實際=Q實際×ρ=Q實際×P/ZRT

其中，m實際——壓縮機(jī)的外輸實際流量，kg/min；Q實際——壓縮機(jī)的實際工作負(fù)荷，m3/min；ρ——氫氣密度，kg/m3；P——壓縮機(jī)的入口壓力，Pa；Z——氫氣的壓縮因子；T——二級壓縮機(jī)的入口溫度，K；R——理想氣體常數(shù)，R=8.314J/（mol•K）

圖4 壓縮機(jī)優(yōu)化控制簡易圖

本文對流程和操作進(jìn)行優(yōu)化（如圖4所示），增加低/中壓儲罐與壓縮機(jī)入口之間返氫管線，根據(jù)式（1）可知對于隔膜式壓縮機(jī)其入口壓力P與壓縮機(jī)的實際外輸量Q實際成正比，因此采用低壓或者中壓儲罐作為壓縮機(jī)入口，可提高壓縮機(jī)的加注質(zhì)量流量。在高壓氫氣不足時，如有氫燃料汽車到站內(nèi)加氫，可打開閥門V-306直接實現(xiàn)壓縮機(jī)充氫；如無汽車加氫則打開閥門V-303、V-304（或者V-305），關(guān)閉V-306、V-301、V-302，把低壓儲罐的氫氣“倒罐”至高壓儲罐，使后續(xù)來車在短時間內(nèi)無需頻繁啟動壓縮機(jī)。

若外部采購的氫氣量遠(yuǎn)不能完全將站內(nèi)所有儲罐充滿，例如僅能滿足站內(nèi)儲罐的1/2，對于高、中、低壓3種儲罐的充裝順序建議如下：優(yōu)先充裝高壓儲罐，此時由于壓縮機(jī)入口壓力高（壓縮機(jī)入口壓力隨著外部儲罐氫氣充裝而降低），可快速將高壓儲罐充滿；然后再充裝中壓儲罐，最后是低壓儲罐，這種方式可在卸氫量不足的情況下優(yōu)先確保高壓和中壓的量，在加注車輛時可以短時間內(nèi)無需啟動氫氣壓縮機(jī)，同時提高加注車輛氫氣速率，降低壓縮機(jī)啟動頻次。

6 結(jié)語

本文通過對目前加氫站實際建設(shè)中存在的問題進(jìn)行分析與總結(jié)，從反向監(jiān)測氫氣純度控制、卸氫精確計量系統(tǒng)、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制、站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化、氫氣壓縮機(jī)節(jié)能等幾個方面提出合理化建議與優(yōu)化。

（1）提出一種氫氣檢測智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對加氫站內(nèi)的氫氣純度進(jìn)行間接的實施監(jiān)控，確保氫氣質(zhì)量合規(guī)；

（2）提出了卸氫精確計量系統(tǒng)、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制等措施，提高氫氣利用率，降低冷卻能耗；

（3）提出一種關(guān)于站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化新思路，將加氫站與站內(nèi)制氫、可再生能源相結(jié)合，為后續(xù)制氫加氫一體化站建設(shè)提供思路；