阮錦添，羅 楊，湯佳香

(中國(guó)石化廣州分公司，廣東廣州 510700)

0 前言

當(dāng)前，世界能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，氫能作為最具有潛力的清潔能源之一，除了具有燃燒產(chǎn)物潔凈、無(wú)污染、不產(chǎn)生溫室氣體等環(huán)保性和可再生性外，還是其他清潔能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換的樞紐,且具有熱值高(高效)等優(yōu)勢(shì)。2020年，廣東省提出將氫能和燃料電池列為優(yōu)化發(fā)展產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)氫燃料電池和氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，打造粵港澳大灣區(qū)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。作為地處粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)的廣州石化，氫氣富余產(chǎn)能為1.2×10t/a，具備為廣州市及珠三角地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)提供氫源的優(yōu)越條件。本文結(jié)合廣州石化氫能源一期建設(shè)及運(yùn)行情況，探索加氫母站運(yùn)行過(guò)程中安全可靠性存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策。

1 氫能源項(xiàng)目工藝流程及加氫母站工藝

該項(xiàng)目原料氣自苯乙烯裝置脫氫單元來(lái)，經(jīng)過(guò)氣液分離后進(jìn)入吸附器，其中一部分從吸附器出來(lái)的解析氣通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，而另一部分從吸附器出來(lái)的產(chǎn)品氫氣經(jīng)過(guò)產(chǎn)品氣緩沖罐后由管道輸送至氫氣升壓?jiǎn)卧?至氫氣壓縮機(jī)入口)。高純產(chǎn)品氫氣通過(guò)壓縮機(jī)升壓至20 MPa后進(jìn)入氫氣充裝站。氫氣充裝站以氫氣長(zhǎng)管拖車為容器充裝，充裝至19 MPa后經(jīng)公路運(yùn)輸至各用戶。流程見(jiàn)圖1所示。氫氣充裝站共有6道流程，分別是裝車線、高壓火炬線、抽真空線、儀表壓力、現(xiàn)場(chǎng)壓力及氫氣質(zhì)量分析線。

圖1 廣州石化氫能源項(xiàng)目流程

2 氫氣充裝過(guò)程

充裝過(guò)程由于涉及的氫氣壓力等級(jí)較高(約20 MPa)，且充裝物質(zhì)又具備一定危險(xiǎn)性，為了管控充裝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，特制定充裝過(guò)程操作指導(dǎo)，規(guī)范操作步驟。大致可將氫氣充裝操作分為充裝前安全檢查、充裝步驟、充裝后檢查3個(gè)步驟。

a) 充裝前安全檢查：主要分為氫氣長(zhǎng)管拖車安全檢查及現(xiàn)場(chǎng)人員保護(hù)、設(shè)施投用檢查。如表1所示。

表1 充裝前安全檢查內(nèi)容

b) 充裝步驟：氫氣充裝過(guò)程步驟較為復(fù)雜，主要涉及氫氣泄漏及氫氣產(chǎn)品質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)管控。主要過(guò)程如圖2所示。

圖2 氫氣充裝操作步驟

c) 充裝后檢查：主要檢查車輛充裝后各閥門是否關(guān)閉及車輛與充裝站的各連接是否斷開(kāi)，確保車輛安全啟動(dòng)駛離工廠。

3 加氫母站安全可靠運(yùn)行存在的問(wèn)題及解決對(duì)策

3.1 充氫行業(yè)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

世界各國(guó)十分重視氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，根據(jù)自身氫能技術(shù)特點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位，紛紛建立標(biāo)準(zhǔn)體系，研究制定氫能相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，搶奪氫能技術(shù)話語(yǔ)權(quán)。我國(guó)也十分重視氫能領(lǐng)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究與制定工作，截至目前，SAC/TC309發(fā)布的氫能直接相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)27項(xiàng)，另有8項(xiàng)氫能技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)在研；SAC/TC342發(fā)布燃料電池領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)40項(xiàng)，另有6項(xiàng)燃料電池技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)在研。但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)層面主要集中在氫能應(yīng)用燃料電池技術(shù)方面，其他領(lǐng)域氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)薄弱與欠缺。加氫母站等發(fā)展較快的氫能技術(shù)領(lǐng)域還存在標(biāo)準(zhǔn)滯后、薄弱，甚至是空白等問(wèn)題，制約了關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如氫氣管束車裝卸間距及充氫站整體撬裝標(biāo)準(zhǔn)目前是空白、部分標(biāo)準(zhǔn)還是繼續(xù)沿用煉油臨氫系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于高純氫系統(tǒng)應(yīng)用存在一定差異。故應(yīng)大力提倡有能力企業(yè)、機(jī)構(gòu)，根據(jù)氫能源發(fā)展趨勢(shì)，不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，制定相關(guān)規(guī)范。

3.2 管線材質(zhì)選擇不當(dāng)

管線設(shè)備是充氫站平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，使用不適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)極易引發(fā)事故發(fā)生。目前充氫站對(duì)管線材質(zhì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，有些企業(yè)采取不銹鋼管(304，0Cr18Ni9)，而有些采取低碳不銹鋼管(316，0Cr17Ni12Mo2)，應(yīng)視情況區(qū)分兩種材質(zhì)的使用，其主要跟氫氣純度有關(guān)，具體情況如表2所示。

表2 加氫站材質(zhì)選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

由于充氫氣站壓力基本維持在5～20 MPa之間(主要受充裝過(guò)程壓力變化影響)，管道輸送壓力較高，如果管道材質(zhì)含碳量較高，在輸送高壓氫氣時(shí)就容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，造成管道應(yīng)力集中、破損泄漏等事故。可選用對(duì)氫脆不敏感材料，例如含量鎳、鉬的合金。采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層，選用Cu、Mo、Al、Ag、Au等金屬鍍層具有低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度，滲氫會(huì)較少。

3.3 加氫母站閥門及管線使用隱患

由于充氫站工作壓力較高，為了保證充裝安全性，需采用耐高壓式閥門。國(guó)產(chǎn)閥門與進(jìn)口閥門使用性能對(duì)比見(jiàn)表3。而高壓截止閥容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：閥門耐高壓性差，容易發(fā)生內(nèi)漏；更換閥門需動(dòng)火作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)高；閥門手輪較寬，操作半徑大且費(fèi)勁。對(duì)于嚴(yán)重內(nèi)漏閥門，需將充氫站隔離、置換、動(dòng)火進(jìn)行更換。加大國(guó)產(chǎn)高壓閥門的研發(fā)力度，對(duì)標(biāo)國(guó)外進(jìn)口閥門，提高國(guó)產(chǎn)化技術(shù)。

表3 國(guó)產(chǎn)閥門與進(jìn)口閥門使用性能對(duì)比

3.4 管線連接方式不佳

本充氫站采取焊接方式連接，一個(gè)充裝位約有38個(gè)焊縫，雖為普通連接方式，但由于其工作壓力較高，導(dǎo)致這些焊縫成為安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。目前這連接方式主要存在以下問(wèn)題：焊縫增多導(dǎo)致密封點(diǎn)數(shù)增加，監(jiān)控難度增大；成為氫脆發(fā)生的主要部位，易引起氫氣泄漏事故。

加氫母站運(yùn)行時(shí)需定期對(duì)各焊縫進(jìn)行氣密試驗(yàn)，確保運(yùn)行安全。同時(shí)研發(fā)充裝位整體撬裝技術(shù)，減少現(xiàn)場(chǎng)管線焊接，減少管線上密封點(diǎn)數(shù)，降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 充裝計(jì)量問(wèn)題

根據(jù)GB50516—2010(2021年版)《加氫站技術(shù)規(guī)范》對(duì)計(jì)量要求描述“采用氫氣長(zhǎng)管拖車、氫氣管束式集裝箱運(yùn)輸氫氣時(shí)，可按氫氣儲(chǔ)氣瓶結(jié)構(gòu)容積和起始與終止壓力、溫度及壓縮因子進(jìn)行計(jì)算。”氫氣充裝量公式如下所示。

Q

=(10×

P

×

V

)×[273.1/(273.1+

T

)]/

Z

-(10×

P

×

V

)×[273.1/(273.1+

T

)]/

Z

式中：

Q

——?dú)錃夤苁囍袑?shí)際氫氣充裝標(biāo)準(zhǔn)體積量，m；

P

、

P

——需方氫氣管束車結(jié)束、開(kāi)始裝車時(shí)管束車內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，MPa；

V

——?dú)錃夤苁嚨目側(cè)莘e(該數(shù)據(jù)由管束車生產(chǎn)廠家提供)，m；

T

、

T

——需方管束車結(jié)束、開(kāi)始裝車時(shí)管束車內(nèi)氣體的溫度，℃；

Z

、

Z

——?dú)錃鈱?duì)應(yīng)

P

、

P

、

T

、

T

下的壓縮因子,以經(jīng)雙方認(rèn)可的壓縮因子為準(zhǔn)。

公式中提到的壓力、溫度均以氫氣長(zhǎng)管拖車車上一次表讀數(shù)所計(jì)算，因此在計(jì)算過(guò)程極有可能存在誤差較大的問(wèn)題，圖3為公式計(jì)算結(jié)果與流量計(jì)測(cè)量結(jié)果偏差率趨勢(shì)圖。偏差主要有以下原因：人為讀數(shù)造成偏差，讀數(shù)時(shí)方式不準(zhǔn)確及無(wú)法精確小數(shù)點(diǎn)后兩位是引起結(jié)果偏差的主要原因；氫氣長(zhǎng)管拖車溫度滯后，根據(jù)近幾個(gè)月的充裝經(jīng)驗(yàn)，充裝后所顯示的溫度與送至客戶時(shí)顯示的溫度偏差較大，存在5 ℃以上的偏差，足以影響到計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度。

圖3 公式計(jì)算結(jié)果與流量計(jì)測(cè)量結(jié)果偏差率趨勢(shì)

從圖3看出，其偏差率均是正數(shù)，說(shuō)明公式計(jì)算結(jié)果比流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)偏大，平均偏差率約為6.6%，通過(guò)原因分析發(fā)現(xiàn)，溫度滯后性是影響偏差的主要原因。從上述公式可知，由于

T

具有滯后性，讀數(shù)時(shí)溫度偏低，導(dǎo)致充裝后的整體流量偏大，從而引起總充裝量偏大，使得與流量計(jì)測(cè)量值存在偏差。

解決措施：升級(jí)氫氣長(zhǎng)管拖車測(cè)溫設(shè)備，將一次表改為電子測(cè)量顯數(shù)表，免去人工讀數(shù)的誤差；提高氫氣長(zhǎng)管拖車溫度計(jì)的精度，減緩溫度滯后性，提高準(zhǔn)確度；采用可靠性及精度高的質(zhì)量流量計(jì)。

3.6 充裝流速過(guò)大

充裝時(shí)流速過(guò)大，極易使得氫氣與管道摩擦?xí)r產(chǎn)生靜電，存在著火爆炸等安全隱患。為了消除充裝流速過(guò)大帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，充裝時(shí)必須對(duì)流速(或流量)進(jìn)行監(jiān)控。特別是剛開(kāi)始充裝，此時(shí)壓縮機(jī)出口壓力與氫氣長(zhǎng)管拖車車內(nèi)壓力的差值最大，最容易出現(xiàn)流速過(guò)大的情況，也是最容易引起事故產(chǎn)生的階段。因此要杜絕超流速(或流量)充裝的情況出現(xiàn)。

充裝流速規(guī)定：根據(jù)GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，氫氣流速應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)差異制定。其規(guī)定情況如表4所示。

表4 碳素鋼管中氫氣最大流速

注：氫氣壓力在0.1～3.0 MPa時(shí)，不銹鋼管中最大流速為25 m/s。

從表4可知，雖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)準(zhǔn)確給出壓力大于3.0 MPa時(shí)不銹鋼管的流速值，但可推算在同樣的壓力等級(jí)下，不銹鋼管的最大流速比碳素鋼管的最大流速值高，因此為確保充氫站運(yùn)行安全，決定將流速最大值制定為10 m/s。

由于每個(gè)充氫站對(duì)于流速監(jiān)控的方法不一樣，有的采取流速儀監(jiān)控，直接測(cè)出流速后通過(guò)控制充裝閥門開(kāi)度，保持流速在范圍內(nèi)即可。而有的采取流量計(jì)監(jiān)控，此時(shí)需要將最大流速要求換算成為最大流量要求，后續(xù)通過(guò)控制充裝閥門的開(kāi)度保持流量在范圍內(nèi)即可。以本充裝站為例，最大流量計(jì)算如下所示。

最大流量計(jì)算：按目前運(yùn)行1 350 m/h(額定流量)壓縮機(jī)計(jì)算，標(biāo)況密度為0.089 kg/m,為了保證不超負(fù)荷運(yùn)行，計(jì)算得最大質(zhì)量流量為120.15 kg/h。其計(jì)算過(guò)程：

W

=1 350 m/h*0.089 kg/m=120.15 kg/h。最大流量驗(yàn)算：為了確保管道內(nèi)氫氣最大流量不超國(guó)標(biāo)流速要求，需對(duì)最大流量進(jìn)行驗(yàn)算。按設(shè)計(jì)壓力20 MPa、溫度22 ℃、管徑DN28 mm、最大流速10 m/s計(jì)算，其公式如下所示：

Q

=

S

*

V

=0.028m*π/4*10 m/s*3 600 s/h=22.15 m/h查閱相關(guān)資料，氫氣在20 MPa及22 ℃下，密度為14.616 kg/m，代入可得：

W

=22.15 m/h*14.616 kg/m=323.7 kg/h>120.15 kg/h

因此，本充裝站的氫氣在管線內(nèi)的最大流量為120 kg/h時(shí)，可同時(shí)滿足壓縮機(jī)不超負(fù)荷及不超流速要求。當(dāng)然，不同能力的充裝站對(duì)應(yīng)著不同的充裝最大流量要求，其最大流量計(jì)算也可參考上述換算過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)闡述廣州石化加氫母站工藝流程及充裝步驟，分享加氫母站進(jìn)行高純氫充裝的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控、及充氫站存在的問(wèn)題，并提出針對(duì)性的措施和建議。意在為氫能源的安全利用總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)企業(yè)制定相關(guān)規(guī)定，完善加氫母站各項(xiàng)安全技術(shù)措施，更好地利用和發(fā)展氫能源。