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加氢站国家标准与ISO标准的对比

作者:admin 发布时间:2022-01-11 08:16

  该标准适用于加氢站、加氢加油合建站和加氢加气合建站新建、改建、扩建的加氢站工程的设计、施工、建造。特别需要注意的是,该标准仅适用于气态氢加氢站,不适用于液态氢加氢站。该规范定义的加氢站是“为氢能汽车或氢气内燃机汽车或氢气天然气混合燃料汽车等储氢瓶充装氢燃料的专门场所”,而不仅仅是给目前流行的FCV加注氢气。

  该标准对加氢站的站址选择及总布置做出总体要求,并对各系统设备设施如加氢设施、消防安全设施、电气装置、建筑设施、给水排水、采暖通风等做出技术性和安全性的要求,最后对施工、安装、验收和运行管理作出规定。

  从标准的范围来看,该标准为轻型陆用车辆加氢的公共或非公共的气态氢加氢站的安全建议了最低标准的设计特性和推荐性能,但该标准提到了液态氢的部分要求。ISO19880-1在液氢方面则对液氢储存槽设计与位置、液氢转换区、输送管及阀门、降压装置和清洗方法都作出了详细的安全规定。该标准适用于轻型陆用车辆的氢气加注,但也可作为储氢能力超出目前公布的加注协议标准如SAE 12601的公共汽车、有轨电车、摩托车和叉车的氢气加注指南。

  该标准首先对加氢站提出总体安全评估要求及降低安全风险措施,之后对加注的过程控制和安全系统建议了最低要求,并详细对整个加注过程的系统、设施设备、操作、维护等安全性提出具体要求,最后提出对加氢站的验收测试要求。

  本文主要从GB 50516—2010和ISO 19880-1两份标准对于加氢站的工艺流程,即氢源、压缩系统、储氢系统、加注系统、安全及控制系统5个方面的要求和规定进行分析对比。

  目前国内的加氢站主要是压缩氢气加氢站,其工艺流程下图所示,主要包括氢源、压缩系统、储氢系统、加注系统、安全及控制系统。不同来源的氢源经压缩系统压缩后进入储存系统,再通过加注系统为车辆加注氢气。根据供氢方式不同,加氢站各系统的设备有所不同,但工艺流程大致相同。加氢站的主要设备有压缩机、储氢系统、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫装置以及安全监控装置等,其核心设备是压缩机、储氢系统和加氢机。

  GB 50516—2010规定:加氢站的氢气压缩工艺系统应根据进站氢气输送方式确定。国内一般采用长管拖车、氢气管道输送两种输送方式,加氢站根据氢气储存或加注参数选用氢气压缩机和一定容量的储氢容器。

  一是站内制氢,分为电解水制氢和燃料加工技术制氢,这两种制氢方式应分别遵循ISO 22734-1和ISO 16110-1的规定。

  二是长管拖车供氢,包括供应气氢或液氢,ISO 19880-1在这方面有较为详细的安全规定。如要求长管气瓶拖车或气体储存器停放时前后应水平支撑,停放区域不含碎屑和易燃物,且地基应由钢筋混凝土或其他合适的不可燃材料建成。

  三是管道输送供氢,对于该供氢方式ISO 19880-1提出了部分安全要求:安全减压的方法、氮洗的方法、增压或流动的管理、计量方式、过滤方法等。

  目前国内加氢站基本不采用站内制氢的办法,一方面是因为制氢加氢站站内工艺复杂、运行维护不易、建站成本较高;另一方面是因为氢气是危化品,适宜在化工园区规模生产,便于生产管理;此外加氢站需建在商业用地,与制氢工厂土地使用性质不同,故不太可能做到站内制氢。

  另外,国内液氢产业不成熟,生产成本高,目前GB 50516—2010中亦很少关于液氢的规定,但在GB 50516—2020征求意见稿中则已增加了液氢相关技术内容。当前我国在役加氢站全部为高压气态氢加氢站,低温液态储氢站仍在规划中还未开始建设,民用液氢市场尚属空白。但随着燃料电池汽车(FCV)的普及与规模化应用,日加氢量规模将会远超气态加氢站的供给能力,这就意味着液氢加氢站会在未来氢能产业链中占据重要位置。

  除了氢源的供应方式有所不同,对于氢源的质量控制规定也有较大的差别。加氢站为FCV加注氢气,FC对某些杂质如CO和硫化物非常敏感。若不控制这些杂质,会造成严重的性能和耐久性问题。

  GB 50516—2010中规定:加氢站进站氢气的质量应符合现行国家标准GB/T 3634.1—2006《氢气 第1部分:工业氢》或GB/T 3634.2—2011《氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢》中规定的氢气质量标准,出站氢气的质量应根据用户要求符合FC氢源标准或GB/T 3634.1的规定。

  ISO 19880-1明确规定加氢站出站氢气的质量应符合ISO 14687-2的要求,且要求整个氢供应链应有一套可实施的质量保证系统。例如,加氢站工作人员应避免因操作致使氢气被污染,加氢站应至少每年进行一次氢源的验收试验,机器维修后应进行氢气质量检测以及对加氢枪上的氢气进行周期性采样检测等。此外,为了防止污染物损害燃料电池,加氢机上也应配备可过滤5μm微粒的过滤器。

  目前我国对氢气品质的现行国家标准有GB/ T 3634.1—2006《氢气 第1部分:工业氢》、GB/T 3634.2—2011《氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢》、GB/T16942—2009《电子工业用气体 氢》、GB/T 37244—2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》4份,是涉氢检测特别是氢气品质检测方面尚未有国家标准。标准对于行业发展而言具有重要意义,涉氢检测标准不统一已成为检测环节发展的重要阻碍,因此要建立标准、检测、认证一体化的国家质量基础体系,从而加强氢能标准的实施和应用,充分发挥标准的引领作用,推动氢能产业高速发展。

  压缩机是加氢站的核心设备,其性能直接影响到加氢站运行的可靠性和经济性。目前加氢站常用的氢气压缩机主要有隔膜式压缩机、液驱式压缩机和离子液压缩机等。

  关于压缩机的安全保护装置的设置,GB 50516—2010和ISO 19880-1的要求颇为相似,安全阀、置换吹扫口、高压与低压报警和超限停机装置等基本的安全保护装置都是必须的。

  此外,GB 50516—2010针对膜式压缩机,提出设置膜片破裂报警和停机装置;针对撬装式压缩机,提出设置自然排气、氢气浓度报警、事故排风及其联锁装置等安全设施。而ISO 19880-1则特别强调了“应始终避免空气进入压缩机”,这是由于压力差的原因,空气容易通过压缩机的进、出口进入压缩机内,与氢气混合形成爆炸混合物,这是非常危险的。因此设置压力监测及停机装置,确保一旦发生这种情况,压缩机会被自动关停。

  同样地,为避免形成爆炸混合物,国内外标准均规定:压缩系统或设备应设置吹扫口,为吹除干净系统或设备中残留的氢气或空气提供惰性气体吹扫办法。实际上,惰性气体一般为氮气,扫置换时,尤其应注意将氢气系统或设备的死角、末端的残留气体吹除干净,并采样分析规定位置处氢中氧或氮中氧的浓度,达到规定值,才可以进行设备的启动或维修。

  根据氢的3种不同状态,可将储氢方式分为高压气态储氢、低温液态储氢和固态材料储氢3类。目前全球加氢站普遍采用前2种储氢方式。

  高压气态储氢简单易行、成本低、相对成熟、充放气速度快,是一种较为成熟的储氢方式。因此,也是加氢站中采用最多的储氢方式。国内加氢站常用2种储氢装置:储氢罐和储氢瓶组。在GB 50516—2010中,推荐加氢站选用同一规格的固定式储氢罐或储气瓶组,并应符合国家现行标准《钢制压力容器——分析设计标准》的有关规定。在安全规定方面,要求储氢系统设置:安全泄压装置;氢气放空管及切断阀和取样口;压力测量仪表、压力传感器;泄漏报警装置;氮气吹扫置换接口;储气瓶组卧式存放及距离不小于1.5m;设置安全防护栏或其他防撞措施等。

  与高压气态储氢相比,低温液态储氢具有体积密度高和储氢量大等优点。在常温常压下,液态氢的密度是气态的845倍。因此,对于氢气需求量比较大的加氢站,采用液态储氢是一种不错的方式,也是加氢站发展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意见稿中意见亦已增加了液氢储存相关技术的标准和要求。

  ISO 19880-1对于气氢储存系统,未有明确对储氢容器的使用种类提出建议或要求,但要求每一组储氢容器例如当使用储氢钢瓶或长管拖车储存氢气时,都应配置一套独立的安全装置,包括热屏蔽系统、排气系统、手动或自动的分离阀等。另外,也对储存容器布置场所提出安全要求:地面放置时应摆放在户外,摆放储存容器的地基应采用阻燃材料;地下室放置时,要求墙体高于储存容器,且应保证通风以防氢气泄漏;要求氢气系统的屋顶设有提供维护人员施工的工作平台,要求防火防爆防过压等。

  加氢站的加注系统由单台或多台加氢机构成,加氢机是燃料电池汽车加注氢燃料的核心设备,加注压力是其主要参数。加氢机通常由机械部分和控制部分组成,机械部分主要包括高压氢气管路及安全附件、质量流量计、加氢枪等,控制部分主要包括控制系统和显示器等。

  GB 50516—2010与ISO 19880-1对于加氢机的安全设置要求大致相同,例如要求加氢机安装在室外、开放空间,并设置防撞栏等。其他安全装置如安全泄压装置、拉断阀、切断阀和自动控制装置等,亦是加氢机上的必备的安全组件。加氢机在国内外均要求安装在室外,这是因为氢气无色无味,泄漏后很难发觉,若在受限空间内泄漏,易形成氢气的积聚,存在引发着火爆炸事故的潜在风险,故氢气作为危化品管理,加氢机不得设在室内。但是ISO 19880-1更加细致地对加氢机机柜和加注组件提出采用阻燃及抗静电材料、使用压力、抗形变能力等物理性能上的要求。

  对于加氢机的加注过程,GB 50516—2010明确要求加氢机额定工作压力为35MPa或70MPa,充装氢气流量不应大于5kg/min。ISO 19880-1则提出,为确保加氢过程保持在限制温度范围内及车辆压缩氢储存系统的工艺限制范围内,加氢机应使用SAE J2601等加注过程协议:加氢机外部环境温度范围为-40℃~+50℃;氢气流速不超过60g/s;最大工作压力应小于额定工作压力(35MPa或70MPa)的138%;车载储氢瓶的工作温度限制为最高85℃等。

  SAE J2601是被国际广泛接受的轻型气态氢汽车的燃料加注协议,日本在兼容SAE J2601的基础上进行修改形成了JPEC-S0003加注协议。国内初步制定了团体标准T/CECA—G0017—2018《氢燃料电池车辆用加注规范 第一部分:通用要求》。中国氢能源汽车行业发展的实际情况有别于其他发达国家,如国外以乘用车为主,而我国主要发展物流大巴车,国外广泛使用的为Ⅳ型瓶,而我国广泛使用的为Ⅲ型瓶,这些都会影响加注协议的适用程度。因此,我国急需在实践中逐步制定并完善符合国情的氢气加注规范。

  氢气具有扩散系数大、爆炸极限宽、着火温度低等特点,一旦发生大规模的泄漏,极易引起爆炸与火灾,危及加氢站周围的生命和财产安全。世界范围内也不时发生涉及氢气设备的安全事故。因此,建立完善的安全与控制系统,积累安全运营管理经验,形成完整的安全管理体系就显得尤为重要。

  对于易燃易爆气体,一般通过设置气体与火焰探头、加强通风换气、泄漏报警连锁控制等方法来避免事故的发生或者降低事故的影响。

  ISO 19880-1通过风险评价来确定具体项目的安全措施,但也有其硬性要求,比如给出泄漏报警探头、火焰报警探头、压力传感器的设置及其连锁的报警、急停控制、切断阀门的要求。此外,ISO 19880-1针对气态氢和液态氢的泄漏、泄放的扩散通风、换气要求给出了建议。不论是主动通风还是被动通风,要求通风换气将目标氢气浓度保持在氢气可燃性浓度下限的25%以下,且通风系统的压降和最大出口压力应作为设计的重要标准。GB 50516—2010直接给出了自然通风换气次数不得少于5次/h,事故排风换气次数不得少于15次/h,并应于空气中氢气浓度报警装置连锁的要求。

  ISO 19880-1与GB 50516—2010在储氢系统、压缩系统、加注系统等关键的生产环节,紧急切断系统和超压泄放协调设置要求基本是一致的,均要求与报警系统联动,并能够自动紧急切断,手动确认复位。

  较之GB 50516—2010,ISO 19880-1的一个较大不同点在于要求对加氢站进行风险评价。风险评价,又称安全评价,是指在风险识别和估计的基础上,综合考虑风险发生的概率、损失幅度以及其他因素,得出系统发生风险的可能性及其程度,并与公认的安全标准进行比较,确定其风险等级,由此决定是否需要采取控制措施,以及控制到什么程度。

  除了必需的泄漏报警探头、火焰报警探头、压力传感器以及联动控制系统,ISO 19880-1非常注重对于整站的风险评价,其理念是通过定量或半定量的风险评价对于加氢站给出相对可行且经济合理的安全措施,以此来指导加氢站的设计和建设。如其对于压缩机房的泄爆屋顶或者泄爆墙的设置要求需要由风险评估给出。风险评价作为场站设计和建设的前置条件,其优点是能够一站一策,其缺点是增加了设计成本。GB 50516—2010对于加氢站的整站安全考虑更多的是依靠规划选址和站内、站外的防护距离。

  针对加氢站的安全风险评价方法已经在ISO 19880-1中明确提及,而我国尚缺失专门针对加氢站的安全风险评价体系与方法,且风险量化评估需深入研究,相关标准规范亟待制定,而建成的加氢站也需有良好的运行维护和安全监管相关措施及标准,这就需要尽快编制加氢站的风险评估标准并加强监管。

  关于站内设施之间和站内设施与站外建构筑物之间的距离要求,ISO 19880-1提出了几个间距的概念,包括保护距离、净空距离、安装布置距离、到外部危险源的距离以及限制范围内的距离(限制距离)。ISO 19880-1认为对于标准设备和事件,安全距离可由国家法规规定。对于单个加氢站,也可进行定量风险评估,以了解特定加氢站的风险和影响,以分析结果作为基础重新计算安全距离,从而得到特定站点的安全距离。若计算所得安全距离过大,则应考虑采取额外的降低风险或预防风险措施,再重新通过定量分析计算出可接受的安全距离。

  GB 50516—2010结合国内外规范,给出了场站等级,以及对应等级匹配的站内设备之间、站内设备与站外建/构筑物之间的安全间距。其表述是“加氢站的工艺设施与站外建筑物、构筑物的防火距离”,“站内设施之间的防火间距”,这些都是从火灾的角度来描述的,但其实站内设施之间的距离,尤其是工艺设备区内工艺设备之间的距离,可能更多的是ISO19880-1中“安全布置距离”的概念,即某工艺设备故障或事故工况对邻近设备之间的影响,避免导致事故升级的合理间距,当然这一间距也需要考虑便于巡检和检修。

  值得注意的是:ISO 19880-1中的危险(分类)区域即潜在爆炸环境,在GB 50516—2010中被定义为爆炸危险房间或区域。潜在的爆炸环境划分,是针对不同潜在爆炸环境分区采用不同的电气设备防爆、防静电而提出的。国标在定义概念的时候缺省了“潜在”两个字,导致政府监管部门存在一个理解误区,将电气的防爆区域概念等同于火灾事故概念,将防爆分区图划归为消防报建图。

  氢气的释放包括氢气的泄漏与泄放。泄漏是事故工况,泄放有可能是事故工况(如超压泄放),也可能是正常工况(如检修泄放)。ISO 19880-1中要求集中泄放,且氢气泄放需要考虑任何可预见的情况,如不利风况、引燃(立即点火或延迟点火)排气的超压离焰和热辐射,液氢系统的排放还需要考虑气体的密度,与其他工艺设备保持一定的安全距离。氢气泄放还要考虑泄放速率是否会导致集中泄放管啸叫。氢气集中泄放管可以采用垂直出口,但要考虑排水措施,如在底部加排水阀,但不允许设置防尘帽;如果采用足够高度的水平出口,泄放方向由泄放口的切面决定,切面不允许朝下。GB 50516—2010对于泄放口的方向并没有明确规定,但规定了放空管应采取防止雨水侵入和杂物堵塞的措施。

  此外,ISO 19880-1明确表示,泄放系统不需要设置阻火器,阻火器通常用于燃烧系统,其措辞为不需要,而非绝对禁止。前文中需要考虑到氢气泄放需要考虑引燃的情况(立即点火或延迟点火)对周边设施的影响,这就体现了风险评价给出合理总平面布置的重要性。GB 50516—2010中明确规定放空管应设置阻火器。GB 50516—2010中还要求设置接闪器以保护放空管。

  GB 50516—2010是在收集国内外加氢站设计、建筑、运营各方面资料,结合北京、上海3座加氢站建造和运行经验基础上编制而来的,实施至今已有10年之久,当中部分规定和条文已不适应当前氢能行业的发展。而目前住房和城乡建设部办公厅发布了关于国家标准《加氢站技术规范(局部修订条文征求意见稿)》公开征求意见的通知,对GB 50516—2010《加氢站技术规范》进行局部修订,增加了液氢相关技术、邻氢材料等内容。

  本文通过调研国内外两份关于加氢站建设的标准,分析其差异性,提出应建立并完善氢品质检测、加注协议、加氢站风险评价等相关标准,为我国加氢站标准体系建设提供参考借鉴。

  发展FCV是我国自主创新不可多得的机遇,迫切需要氢相关地面加注系统的支持。加氢站建设囊括了氢气制备、压缩、液化、储存、输送、加注等相关技术,需要尽快解决其中的技术难点,掌握具有自主产权的相关设备的设计、制造和安装过程的工艺技术,完善加氢站标准体系的建设,积累燃料电池汽车加氢站的调试和运行经验,为进入燃料电池汽车用氢与加氢站的市场做好准备,以便更好地和国际接轨,为利用氢能资源的基础设施的发展打下坚实的基础。

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