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作者：趙青松，郝蘊華，徐明星，劉興

第一作者單位：北京市公用工程設(shè)計監(jiān)理有限公司

摘自《煤氣與熱力》2022年11月刊

1   概述

氫能是高效、清潔無污染和可持續(xù)發(fā)展的二次能源，氫能來源多樣、可儲存可再生，作為最有潛力的能源之一受到世界各國的重視和大力發(fā)展。

國內(nèi)外正在研究開發(fā)的氫氣天然氣混合燃料（HCNG）汽車已取得可喜成果。試驗研究表明，當(dāng)混合燃料中氫氣體積分?jǐn)?shù)為15%~20%時，HCNG汽車具有低燃料消耗和低氮氧化物排放量的優(yōu)點^［1-2］。HCNG汽車加氣站單獨建站成本比較高，且建站位置宜靠近價格合適的氫源附近，限制了HCNG汽車加氣站的建設(shè)和HCNG汽車的推廣。加氣加氫合建站是解決HCNG汽車、氫燃料汽車、天然氣汽車需求的綜合方案，也解決了因服務(wù)對象單一導(dǎo)致的加氫站投資回收期較長問題。

某項目所在地位于廣東佛山，天然氣制氫能力為1 000 kg/d，電解制氫能力為400 kg/d，設(shè)計外購氫氣量為1 050 kg/d。天然氣加氣能力為40 000 m³/d，氫氣天然氣混合氣（以下簡稱混合氣）加氣能力為40 000 m³/d，加氫能力為1 000 kg/d。本文結(jié)合該項目，對加氣加氫合建站工藝流程與總平面布置進(jìn)行分析。

2   氫源選擇

在全球范圍內(nèi)，氫源主要有工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫（如煤制氫、石油制氫、天然氣制氫）、電解制氫。在我國目前的氫能供應(yīng)體系中，工業(yè)副產(chǎn)氫提純的價格最低，但工業(yè)副產(chǎn)氫雜質(zhì)含量高，提純裝置復(fù)雜（氯堿工業(yè)氫氣提純工藝相對簡單），且工業(yè)副產(chǎn)氫工廠分布不均勻。煤制氫工藝受到資源分布限制，適合煤炭資源豐富地區(qū)。石油制氫工藝受制于我國原油大部分依靠進(jìn)口，不宜在全國大規(guī)模推廣應(yīng)用。且煤制氫、石油制氫投資大，投資回收期長，氫轉(zhuǎn)化率低，氫純化工藝復(fù)雜，環(huán)境污染嚴(yán)重。天然氣制氫投資小，工藝成熟，設(shè)備簡單，氫轉(zhuǎn)化率高，原料可以利用現(xiàn)有城市管道天然氣，制氫過程基本上無污染。天然氣制氫工藝可實現(xiàn)加氫站現(xiàn)場制氫，制氫成本適中，是氫能初級發(fā)展階段解決氫源匱乏的工藝路線^［3-4］。電解制氫的氫純化工藝簡單，但制氫成本受電價制約嚴(yán)重，利用太陽能、風(fēng)能等清潔能源發(fā)電制氫是未來發(fā)展方向^［5］。

對于加氣加氫合建站，天然氣制氫可作為主要氫源，電解制氫作為次要氫源，外購氫氣作為備用氫源。電解制氫可充分利用市電低谷電力，更可利用附近的清潔能源電力，實現(xiàn)綠電制氫。在制氫設(shè)備維護(hù)期間，外購氫可滿足加氣加氫合建站業(yè)務(wù)正常開展。當(dāng)氫氣價格比較低時，可以直接采用外購的氫氣作為氫源，提高加氣加氫合建站的運行經(jīng)濟(jì)性。

3   加氣加氫合建站工藝流程

加氣加氫合建站工藝流程見圖1。工藝流程包括天然氣制氫工藝、電解制氫工藝、天然氣加氣工藝、混合氣加氣工藝、加氫工藝、外購氫工藝。

圖1   加氣加氫合建站工藝流程

①天然氣制氫工藝

管道天然氣作為制氫原料、燃料進(jìn)入天然氣制氫裝置，市政供水經(jīng)過軟化裝置后制得純水，也作為原料進(jìn)入天然氣制氫裝置。采用天然氣重整制氫工藝得到粗氫，粗氫經(jīng)過變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA）工藝去除氫氣中雜質(zhì)，使氫氣純度達(dá)到GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》要求，生產(chǎn)出純氫。PSA工藝吸附劑再生過程產(chǎn)生的再生氣體燃料可輸回天然氣制氫裝置作為燃料使用。經(jīng)過PSA工藝純化后的純氫（壓力約2 MPa）進(jìn)入后續(xù)流程。

②電解制氫工藝

市政供水經(jīng)過軟化裝置制得純水，作為制氫原料進(jìn)入電解制氫裝置，利用市電或清潔能源電力電解得到粗氫。粗氫經(jīng)過除水純化裝置除掉雜質(zhì)氣體和水分，得到滿足GB/T 37244—2018要求的純氫（壓力約2 MPa），進(jìn)入后續(xù)流程。

③天然氣加氣工藝

管道天然氣經(jīng)天然氣凈化裝置去除氣體雜質(zhì)、水分和顆粒物，達(dá)到GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》要求。利用天然氣壓縮機將天然氣增壓至15、20、25 MPa，儲存在低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組內(nèi)。進(jìn)行天然氣加氣時，天然氣加氣機從低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組依次取氣加注。

④混合氣加氣工藝

凈化天然氣與純氫按一定體積比混合并達(dá)到GB/T 34537—2017《車用壓縮氫氣天然氣混合燃?xì)狻芬?。利用混合氣壓縮機，將混合氣分別增壓至15、20、25 MPa，儲存在低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組內(nèi)。進(jìn)行混合氣加氣作業(yè)時，混合氣加氣機從低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組依次取氣加注。

⑤加氫工藝

純氫進(jìn)入氫氣緩沖罐，儲氫壓縮機將氫氣增壓至20 MPa后，儲存在低壓儲氫罐。然后利用加氫壓縮機，將氫氣分別增壓至35、45 MPa，儲存在中壓、高壓儲氫罐內(nèi)。進(jìn)行氫氣加注作業(yè)時，加氫機從低壓、中壓、高壓儲氫罐依次取氫加注。

⑥外購氫工藝

氫氣的純度應(yīng)達(dá)到GB/T 37244—2018要求。外購氫使用氫氣長管拖車、氫氣管束式集裝箱運至站內(nèi)，將氫氣卸車至低壓儲氫罐內(nèi)。

4   總平面布置

加氣加氫合建站總平面布置見圖2。按照GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》（2021年版）、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》（2020年版）、GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

圖2   加氣加氫合建站總平面布置

站區(qū)總面積約5 785 m²。天然氣制氫區(qū)、電解制氫區(qū)與加氣加氫區(qū)通過柵欄、伸縮門分開，防止閑雜車輛、人員穿行兩個區(qū)域。加氣加氫區(qū)設(shè)有獨立出入口，方便加氣加氫車輛進(jìn)出站。制氫區(qū)設(shè)計有單獨的物料進(jìn)出口，使制氫區(qū)在任何時候都可以實現(xiàn)與加氣加氫區(qū)隔離。制氫區(qū)通過伸縮門、2.5 m高實體圍墻與站外隔離。

制氫區(qū)分為氫氣卸車區(qū)域、蓄水罐區(qū)、軟化水區(qū)（包括為氣動閥門提供壓縮空氣的壓縮機）、壓縮機區(qū)、冷水機組區(qū)（為加氫機、壓縮機提供冷水）、冷卻塔區(qū)（為制氫工藝提供冷卻水）、天然氣制氫裝置區(qū)、電解制氫裝置區(qū)、天然氣儲存設(shè)備區(qū)（含天然氣凈化裝置以及低壓、中壓、高壓天然氣儲氣瓶組）、混合氣儲存設(shè)備區(qū)（含混合器以及低壓、中壓、高壓混合氣儲氣瓶組）、氫氣儲存設(shè)備區(qū)（含低壓、中壓、高壓儲氫罐）、氮氣區(qū)（生產(chǎn)氮氣）、變配電區(qū)。

壓縮機、冷水機組集中布置，方便管理維護(hù)。氫氣卸車區(qū)布置在制氫區(qū)域，遠(yuǎn)離加氣機、加氫機，可以避免閑雜車輛、人員靠近氫氣長管拖車、氫氣管束式集裝箱，保證卸車過程安全。

加氣加氫區(qū)設(shè)置2臺天然氣加氣機、2臺混合氣加氣機、4臺加氫機。加氣機、加氫機頂部設(shè)有罩棚，罩棚旁邊設(shè)有站房、臨時停車位。站房內(nèi)設(shè)計有衛(wèi)生間、值班室、營業(yè)室。加氣加氫區(qū)通過伸縮門、2.5 m高實體圍墻與站外隔離。

5   結(jié)語