高壓氫氣充裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
【摘要】闡述了高壓氫氣充裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要包括選址及平面布置、壓縮機(jī)選型，氫氣充裝臺(tái)、工藝管道、消防及自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】高壓氫氣；總平面布置；氫壓機(jī)；充裝臺(tái)；管道設(shè)計(jì)；自控系統(tǒng)
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)中有著廣泛用途。供氣形式除了常見的管道輸送以外，用加壓機(jī)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(yùn)輸可將氫氣送至無氫氣管道覆蓋地區(qū)的用戶，方便高效，近年來應(yīng)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(fā)生爆炸，屬于國(guó)家安監(jiān)總局重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品之一。氫氣充裝因壓力高危險(xiǎn)性更大，因此，在設(shè)計(jì)中尤其需注意其安全性，下文以某公司氫氣管束車充裝項(xiàng)目為例介紹高壓氫氣充裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。
1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
某鋼鐵公司建有產(chǎn)量為2500m3/h 的焦?fàn)t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(jī)和管束車充裝臺(tái)等高壓充裝設(shè)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(yīng)將氫氣充裝布置在廠區(qū)常年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，并應(yīng)遠(yuǎn)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(xiàng)目選址及總平面布置特點(diǎn)
因鋼廣總圖位置上無其他場(chǎng)地可供建氫氣充裝站，本項(xiàng)目建在現(xiàn)有制氫站內(nèi)，場(chǎng)地受限制，設(shè)計(jì)上充分利用了預(yù)留地和現(xiàn)有道路設(shè)施，既保證了規(guī)范要求和工藝流程的順暢又節(jié)約了占地和投資，項(xiàng)目位置圖見圖1。
設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)廠房南側(cè)布置一臺(tái)氫氣壓縮機(jī)，在制氫站球罐區(qū)東側(cè)新建一個(gè)氫氣充裝設(shè)備，在路邊設(shè)置一個(gè)氫氣管束車充裝位并考慮停放一臺(tái)氫氣管束車(空車)。為此將氫氣球罐區(qū)與露天裝置區(qū)之間的道路由4m改為6m，開且將站內(nèi)氫氣管束車通行路由經(jīng)過的道路承重按55t進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計(jì)。因原有道路無法再重新做不發(fā)火地坪，設(shè)計(jì)在新建的管束車停車位道路面層105m2范圍內(nèi)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(biāo)示停車位尺寸大小涂刷停車位白線，并標(biāo)識(shí)空車、裝車位，按管束車行車路線標(biāo)識(shí)涂刷行車線。
調(diào)整原設(shè)計(jì)后，該道路上只考慮靠路邊劃定區(qū)域順次停放1臺(tái)充裝的氫氣管束車和1臺(tái)空的氫氣管束車。作業(yè)時(shí)實(shí)車裝滿后駛離，空車再開到原實(shí)車位置進(jìn)行充裝作業(yè)，裝滿后再駛離。因此，兩臺(tái)管束車不會(huì)同時(shí)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(nèi)在充裝車位旁球罐西側(cè)還有一條4 m寬專用消防通道，與站內(nèi)其他道路聯(lián)通形成環(huán)路，消防車通過處轉(zhuǎn)彎半徑均為12m，可保證消防車順利進(jìn)出制氫站。新建氫氣充裝設(shè)備與周邊設(shè)施的安全防火間距如表1。
3 氫氣壓縮機(jī)的選型
3.1氫氣壓縮機(jī)選型要求
壓縮機(jī)的選擇取決于需壓縮的氣體種類、容積排量以及要達(dá)到的排氣壓力等。對(duì)于高壓力(20MPa及以上)的氫氣，可采用活塞式或隔膜式壓縮機(jī)。隔膜式壓縮機(jī)靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。由于它的氣腔不需要任何潤(rùn)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(jī)相比更適用于氫氣這種易燃易爆、外銷產(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(jī)。本項(xiàng)目的氫壓機(jī)就選用了隔膜式壓縮機(jī)，為兩級(jí)壓縮，排氣量500m3/h，進(jìn)氣壓力1.5MPa(G)，排氣壓力20.0MPa(G)，電機(jī)功率110KW，采用dIICT4隔爆型電機(jī)，流量變頻調(diào)節(jié)。
3.2氫氣壓縮機(jī)自控保護(hù)系統(tǒng)及安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為保證氫氣壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了一系列聯(lián)鎖保護(hù)措施，包括:進(jìn)、排氣壓力和溫度保護(hù)，一、二級(jí)排油壓力保護(hù)，齒輪泵油壓保護(hù)，潤(rùn)滑油壓力保護(hù)，軸瓦溫度保護(hù)，曲軸箱油溫保護(hù)，爆破片破裂保護(hù)，冷卻水流量保護(hù)等。
膜壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tǒng)中，一、二級(jí)冷卻器為套管式結(jié)構(gòu)，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(huì)漏入冷卻水管路。
膜壓機(jī)的液壓油系統(tǒng)的油路設(shè)有補(bǔ)償、過濾﹑冷卻設(shè)施及安全閥，可避免因油系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成壓縮機(jī)膜片破裂。
膜壓機(jī)的主電機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)、油箱電加熱器、電機(jī)空間加熱器等均選用了符合電動(dòng)機(jī)電氣防爆等級(jí)要求的產(chǎn)品。主電機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)為Ex d llCT4 Gb；油箱電加熱器﹑電機(jī)空間加熱器電氣防爆等級(jí)Ex dll CT6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。
4 氫氣充裝臺(tái)
設(shè)計(jì)選用了一體式的管束車充裝臺(tái)。充裝臺(tái)上設(shè)有超壓泄放用安全閥、氫氣回流閥(氫氣回流至氫氣壓縮機(jī)前管路)，分組切斷閥、壓力表、氮?dú)庵脫Q、吹掃口。充裝臺(tái)管道設(shè)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(shè)阻火器。充裝臺(tái)區(qū)域設(shè)有導(dǎo)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(shè)計(jì)特點(diǎn)
5.1管系設(shè)計(jì)及閥門、管件等選用
由于氫氣容易泄漏，因此本項(xiàng)目氫氣管道均采用焊接方式連接。氫氣管道與設(shè)備﹑閥門的連接則采用法蘭連接。在氫氣壓縮機(jī)進(jìn)、出口管路設(shè)有置換吹掃口。氫氣放空管設(shè)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50177-2005)表12.0.4要求:設(shè)計(jì)壓力<2.5MPa的膜壓機(jī)前段，采用突面式法蘭，墊片選用聚四氟乙烯板；設(shè)計(jì)壓力>10MPa的膜壓機(jī)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(shè)計(jì)規(guī)范》第12.0.1條
規(guī)定設(shè)計(jì)壓力>3.0 MPa的碳鋼管中氫氣最大流速為10m/s，氫氣設(shè)計(jì)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(xiàng)目氫氣管道材質(zhì)雖為不銹鋼，但膜壓機(jī)之后的氫氣管道設(shè)計(jì)壓力大于3.0MPa，因此膜壓機(jī)之后的氫氣最大流速仍按不超過10m/s選取。
5.3管道及設(shè)備防雷防靜電設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目的氫壓機(jī)、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?dú)夤艿谰O(shè)計(jì)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(xiàn)有管廊架空敷設(shè)。架空管廊共分兩層，5.5m層分布有氫氣、焦?fàn)t煤氣.放空氣、壓縮空氣等管線，7.0m層僅為本項(xiàng)目氫氣管線。滿足《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177-2005中規(guī)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(shè)計(jì)
氫氣充裝新增設(shè)施在現(xiàn)有制氫站室內(nèi)外消火栓保護(hù)范圍內(nèi)，利用現(xiàn)有消防設(shè)施室外消火栓旁邊就地設(shè)置室外消火栓箱，箱內(nèi)放置消防水帶及水霧兩用水槍。
7 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
充裝項(xiàng)目整套充裝系統(tǒng)采用一套儀電一體的PLC來實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝的監(jiān)控功能?，F(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備主要由兩部分組成，一部分為氫氣壓縮機(jī)本體配套的檢測(cè)儀表設(shè)備，另一部分為氫氣管束車及充裝配套的儀表設(shè)備。主要檢測(cè)和控制內(nèi)容如下:
(1)監(jiān)控氫氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障自動(dòng)報(bào)警﹑停機(jī)。
(2)自動(dòng)檢查氫氣壓縮機(jī)的開機(jī)條件，并可進(jìn)行氫氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停。
(3)新增環(huán)境含氫量檢測(cè)。
(4)氫氣壓縮機(jī)入口總管流量檢測(cè)。
(5)氫氣壓縮機(jī)出口總管純度和露點(diǎn)檢測(cè)。
(6)充裝臺(tái)設(shè)遠(yuǎn)程壓力監(jiān)視，信號(hào)送到中控室(利舊現(xiàn)有)。在充裝過程中，操作員在中控室值守，期間每2h到現(xiàn)場(chǎng)巡檢一次。一旦發(fā)生異常，操作員可現(xiàn)場(chǎng)緊急停止膜壓機(jī)運(yùn)行(緊急切斷)，達(dá)到切斷充裝臺(tái)氣源的目的。
8 結(jié)語
綜上所述，在高壓氫氣充裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要從選址及總平面布置、壓縮機(jī)、充裝臺(tái)等設(shè)備選型、工藝管道和自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上均充分考慮其安全性，力爭(zhēng)做到系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、投資合理。
[參考文獻(xiàn)]
[1]李學(xué)斌，楊振東.高壓氫氣充裝設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)[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(jí)工程師，現(xiàn)從事燃?xì)庠O(shè)計(jì)工作。