高压氢气充装系统设计特点
【摘要】阐述了高压氢气充装系统的设计特点，主要包括选址及平面布置、压缩机选型，氢气充装台、工艺管道、消防及自动控制系统的设计特点。
【关键词】高压氢气；总平面布置；氢压机；充装台；管道设计；自控系统
引言
氢气是一种清洁能源，在石油化工、电子、冶金、食品等工业中有着广泛用途。供气形式除了常见的管道输送以外，用加压机把氢气加压至20MPa后充装到氢气钢瓶、氢气管束车等，通过汽车运输可将氢气送至无氢气管道覆盖地区的用户，方便高效，近年来应用越来越广泛。但是，氢气极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即发生爆炸，属于国家安监总局重点监管的危险化学品之一。氢气充装因压力高危险性更大，因此，在设计中尤其需注意其安全性，下文以某公司氢气管束车充装项目为例介绍高压氢气充装设计的特点。
1 项目简介
某钢铁公司建有产量为2500m3/h 的焦炉煤气制氢装置一套，制氢站建成后除供冷轧用氢以外尚有一定余量氢气可供外销。因此，后增建了氢气压缩机和管束车充装台等高压充装设施。
2 氢气充装的选址及总平面布置
2.1选址的基本原则
因氢气属于易燃易爆气体，在考虑选址时应将氢气充装布置在厂区常年最小频率风向的下风侧，并应远离有明火或散发火花的位置，并不得布置在人员密集地段和主要交通要道临近处。
2.2本项目选址及总平面布置特点
因钢广总图位置上无其他场地可供建氢气充装站，本项目建在现有制氢站内，场地受限制，设计上充分利用了预留地和现有道路设施，既保证了规范要求和工艺流程的顺畅又节约了占地和投资，项目位置图见图1。
设计在压缩机厂房南侧布置一台氢气压缩机，在制氢站球罐区东侧新建一个氢气充装设备，在路边设置一个氢气管束车充装位并考虑停放一台氢气管束车(空车)。为此将氢气球罐区与露天装置区之间的道路由4m改为6m，开且将站内氢气管束车通行路由经过的道路承重按55t进行了调整设计。因原有道路无法再重新做不发火地坪，设计在新建的管束车停车位道路面层105m2范围内将原有路面水泥砼面层拉毛2cm并加铺粘层沥青一层及4cm厚中粒式沥青混凝土一层，开按所标示停车位尺寸大小涂刷停车位白线，并标识空车、装车位，按管束车行车路线标识涂刷行车线。
调整原设计后，该道路上只考虑靠路边划定区域顺次停放1台充装的氢气管束车和1台空的氢气管束车。作业时实车装满后驶离，空车再开到原实车位置进行充装作业，装满后再驶离。因此，两台管束车不会同时并行通过该道路。管束车带车头尺寸16m x 2.5m，路宽6m，除去一辆管束车所占路宽还有3.5m路宽可供消防车通过，消防车宽度一般均小于2.5m。此外，制氢站内在充装车位旁球罐西侧还有一条4 m宽专用消防通道，与站内其他道路联通形成环路，消防车通过处转弯半径均为12m，可保证消防车顺利进出制氢站。新建氢气充装设备与周边设施的安全防火间距如表1。
3 氢气压缩机的选型
3.1氢气压缩机选型要求
压缩机的选择取决于需压缩的气体种类、容积排量以及要达到的排气压力等。对于高压力(20MPa及以上)的氢气，可采用活塞式或隔膜式压缩机。隔膜式压缩机靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体，具有压缩比大、压力范围广、密封性好的特点。由于它的气腔不需要任何润滑，在气体压缩过程中可保证无泄漏、气体不受污染，从而保证了压缩气体的纯度，与活塞式压缩机相比更适用于氢气这种易燃易爆、外销产品需要保证高纯度的气体的压缩，因此氢气的压缩首选隔膜式压缩机。本项目的氢压机就选用了隔膜式压缩机，为两级压缩，排气量500m3/h，进气压力1.5MPa(G)，排气压力20.0MPa(G)，电机功率110KW，采用dIICT4隔爆型电机，流量变频调节。
3.2氢气压缩机自控保护系统及安全性结构设计
为保证氢气压缩机的安全运行，控制系统上设计了一系列联锁保护措施，包括:进、排气压力和温度保护，一、二级排油压力保护，齿轮泵油压保护，润滑油压力保护，轴瓦温度保护，曲轴箱油温保护，爆破片破裂保护，冷却水流量保护等。
膜压机的结构设计上也考虑了一系列防止氢气泄漏的措施，如冷却管水管路系统中，一、二级冷却器为套管式结构，气管焊接处在水管外，与冷却水接触的气管为无缝不锈钢管，氢气不会漏入冷却水管路。
膜压机的液压油系统的油路设有补偿、过滤﹑冷却设施及安全阀，可避免因油系统的不稳定造成压缩机膜片破裂。
膜压机的主电机、油泵电动机、油箱电加热器、电机空间加热器等均选用了符合电动机电气防爆等级要求的产品。主电机、油泵电动机为Ex d llCT4 Gb；油箱电加热器﹑电机空间加热器电气防爆等级Ex dll CT6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。
4 氢气充装台
设计选用了一体式的管束车充装台。充装台上设有超压泄放用安全阀、氢气回流阀(氢气回流至氢气压缩机前管路)，分组切断阀、压力表、氮气置换、吹扫口。充装台管道设有放散管及安全阀放散管放散至高空安全处(放散点高出地面10 m)，放散管口设阻火器。充装台区域设有导静电接地桩，为管束车在充装前做好静电接地工作，防止静电积聚。
5 工艺管道设计特点
5.1管系设计及阀门、管件等选用
由于氢气容易泄漏，因此本项目氢气管道均采用焊接方式连接。氢气管道与设备﹑阀门的连接则采用法兰连接。在氢气压缩机进、出口管路设有置换吹扫口。氢气放空管设置了阻火器，阻火器管材为不锈钢。氢气管道和弯头、三通等管件也均采用了不锈钢。氢气阀门的阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢。法兰密封面按《氢气站设计规范》(GB50177-2005)表12.0.4要求:设计压力<2.5MPa的膜压机前段，采用突面式法兰，垫片选用聚四氟乙烯板；设计压力>10MPa的膜压机后段，采用凹凸式或梯形槽密封面法兰，垫片采用退火紫铜板。
5.2管道流速选择
GB50177-2005《氢气站设计规范》第12.0.1条
规定设计压力>3.0 MPa的碳钢管中氢气最大流速为10m/s，氢气设计压力为0.1~3.0MPa的不锈钢钢管中氢气最大流速可为25m/s。本项目氢气管道材质虽为不锈钢，但膜压机之后的氢气管道设计压力大于3.0MPa，因此膜压机之后的氢气最大流速仍按不超过10m/s选取。
5.3管道及设备防雷防静电设计
本项目的氢压机、充装汇流排、氢气管束车车体、气瓶、氢气管道及供吹扫用的氮气管道均设计了防雷及放静电接地，法兰盘、阀门等处均做了金属线跨接。
5.4管道布置
氢气充装管道利用制氢站现有管廊架空敷设。架空管廊共分两层，5.5m层分布有氢气、焦炉煤气.放空气、压缩空气等管线，7.0m层仅为本项目氢气管线。满足《氢气站设计规范》GB50177-2005中规定的架空氢气管道与其他架空管线之间最小净距的要求。
6 消防设计
氢气充装新增设施在现有制氢站室内外消火栓保护范围内，利用现有消防设施室外消火栓旁边就地设置室外消火栓箱，箱内放置消防水带及水雾两用水枪。
7 自控系统设计
充装项目整套充装系统采用一套仪电一体的PLC来实现整个工艺的监控功能。现场仪表设备主要由两部分组成，一部分为氢气压缩机本体配套的检测仪表设备，另一部分为氢气管束车及充装配套的仪表设备。主要检测和控制内容如下:
(1)监控氢气压缩机的运行状态，并进行故障自动报警﹑停机。
(2)自动检查氢气压缩机的开机条件，并可进行氢气压缩机的自动启停。
(3)新增环境含氢量检测。
(4)氢气压缩机入口总管流量检测。
(5)氢气压缩机出口总管纯度和露点检测。
(6)充装台设远程压力监视，信号送到中控室(利旧现有)。在充装过程中，操作员在中控室值守，期间每2h到现场巡检一次。一旦发生异常，操作员可现场紧急停止膜压机运行(紧急切断)，达到切断充装台气源的目的。
8 结语
综上所述，在高压氢气充装系统设计中要从选址及总平面布置、压缩机、充装台等设备选型、工艺管道和自控系统设计上均充分考虑其安全性，力争做到系统设计安全可靠、运行稳定、投资合理。
[参考文献]
[1]李学斌，杨振东.高压氢气充装设计中的注意事项[J.氯碱工业，2015(11).
收稿日期:2017-04-17
作者简介：杨静(1970-)，女，高级工程师，现从事燃气设计工作。