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0概述
氫能具有無污染、可持續(xù)、零排放、效率高的優(yōu)點,必然成為能源發(fā)展的重要方向,氫能源的發(fā)展國外起步比較早,尤其是日本,我國在2010年后才相繼出臺了一些政策支持氫能源汽車及加氫站的建設。加氫站的建設是發(fā)展氫能汽車不可缺少的基礎設施,也是城鎮(zhèn)建設的重要基礎設施內容。2019年6月5日,全球規(guī)模最大、等級最高的氫燃料電池汽車加氫站在上海化工區(qū)正式落成。該加氫站的建設標志著我國加氫站的建設進入快速發(fā)展期。
1加氫站工藝及設施
目前國內外已建成的加氫站氣源主要有長管拖車運輸提供高壓氣態(tài)氫,加氫站自備水電解制氫或變壓吸附法提純氫氣和氫氣管道輸送氫氣的三種方式。
加氫站的主要工藝流程如圖1所示:包含氣源、純化、壓縮、計量、混合、輸送、儲存和加注工藝。氣源通過上述三種方式取得,氫氣通過純化系統、壓縮系統、計量混合、輸送儲存到儲罐或者氣瓶,最后進行加注。
圖1加氫站工藝流程
加氫站主要設備有質量、計量裝置,壓縮機,氫氣儲存設備,加氫機,氫氣管道及附件。
質量、計量裝置用來實現進站氫氣符合國家標準和汽車燃料電池氫源標準的要求。氫氣壓縮機用來實現氫氣存儲及加注參數的要求。氫氣儲存設備用來儲存氫氣,宜選用專用固定式儲氫罐或氫氣儲氣瓶組。加氫機用來實現對汽車加注。
2加氫站危險區(qū)域劃分
爆炸性氣體環(huán)境根據爆炸性氣體/蒸氣混合物出現的頻率和持續(xù)時間把危險區(qū)域分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)。根據氣體/蒸氣的最大試驗安全間隙MESG和最小點燃電流比MICR把爆炸性氣體的級別分為ⅡA、ⅡB、ⅡC。加氫站爆炸性氣體主要為氫氣,氫氣的主要特性如表1所示。
表1氫氣特性參數
氫氣極易擴散,宜泄露,由于密度比空氣小,一旦發(fā)生泄露,會往上擴散。加氫站危險區(qū)域劃分主要依據GB50058《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》和GB50516—2010《加氫站技術規(guī)范》相關規(guī)定進行劃分。
2.1加氫機危險區(qū)域劃分
加氫機內氫氣管道接口的地方可能發(fā)生泄露,以此作為釋放源進行危險區(qū)域劃分,考慮到加氫機內部空間相對密閉,故將加氫機內部劃分為1區(qū),氫氣較宜向上擴散,故將加氫機外輪廓以4.5m為半徑的區(qū)域以及頂部以上4.5m為頂面的圓臺形空間化為2區(qū)。如圖2所示。
圖2加氫機爆炸危險區(qū)域劃分
2.2儲氫裝置危險區(qū)域劃分
儲氫裝置內部氫氣一直存在,接口部分氫氣泄露的可能性較大,故將裝置輪廓線以內劃分為1區(qū),管路接頭作為釋放源,以設備外輪廓線為界面,以4.5m為半徑的地面區(qū)域劃分為2區(qū),以放空管管口為釋放源,以半徑為4.5m的范圍為2區(qū),管口向上7.5m的空間區(qū)域為2區(qū)。如圖3、圖4所示:
圖3儲氣瓶組爆炸危險區(qū)域劃分
圖4儲氫罐爆炸危險區(qū)域劃分
2.3壓縮機房危險區(qū)域劃分
壓縮機房內部設備集中,管道較多,空間相對密封,內部區(qū)域劃分為1區(qū),以壓縮機房的門窗邊沿作為氫氣擴散的區(qū)域為基準點4.5m半徑范圍劃分為2區(qū),壓縮機房實體墻部分由于氫氣無法擴散故外側為安全區(qū)。放空管部分以放空管管口為釋放源,以半徑為4.5m的范圍為2區(qū),管口向上7.5m的空間區(qū)域為2區(qū)。如圖5所示:
圖5壓縮機房爆炸危險區(qū)域劃分
2.4撬裝式氫氣壓縮機組爆炸危險區(qū)域劃分
撬裝式氫氣壓縮機參照壓縮機房危險區(qū)域劃分,空間內部劃分為1區(qū),以壓縮機機組外輪廓線作為氫氣擴散的區(qū)域為基準點,4.5m半徑范圍劃分為2區(qū),如圖6所示:
圖6撬裝式壓縮機組爆炸危險區(qū)域劃分
3加氫站防爆電力裝置設計
加氫站內主要用電設備為壓縮機、加氫機、計量設備、安全檢測設備等。由于加氫站內主要用電設備均安裝在爆炸危險場所,供電系統須采用TN-S型。考慮到加氫站與加油站、加氣站一樣均采用自動控制,數據傳輸、計量系統需加裝不間斷電源。
3.1防爆電氣設備的選擇
加氫站爆炸危險區(qū)域內防爆設備不得低于ⅡC級別T1溫度組別。加氫機內部、儲存裝置內部、壓縮機內部均為爆炸性氣體環(huán)境1區(qū),其他區(qū)域為2區(qū)。設備的選擇可參照表2。
表2加氫站爆炸危險區(qū)域防爆電氣設備選擇表
在加氫站防爆電氣設備選擇中,隔爆型是最常見的防爆型式,站內使用的防爆接線箱、防爆接線盒、防爆配電箱均為隔爆型。需要特別說明的是隔爆型ⅡC級設備在采購驗收過程中要關注設備的結構,在氫氣環(huán)境中隔爆型設備不允許用平面結構。
3.2防爆電氣設備的安裝
防爆電氣設備在正確的設計、選型后,正確的安裝是保障設備性能發(fā)揮的基礎。防爆電氣設備的安裝可依據GB/T3836.15—2017《爆炸性環(huán)境第15部分:電氣裝置的設計、選型和安裝》進行,需要特別注意以下幾點:
(1)加氫機不得安裝在室內。
(2)加氫島頂部防爆燈具的線路需采用電纜配線方式。
(3)壓縮機房內安裝的防爆燈具應安裝在較低處,不得安裝在可燃氣體釋放源的正前方。
(4)鎧裝電纜引入防爆設備時須采用帶鎧裝的電纜密封接頭。
(5)防爆設備引入口結構如設計為密封結構,則須用設備自帶的密封裝置進行安裝,如引入口處設計為防爆結構,則可配接適用規(guī)格的引入裝置。
(6)加氫站防爆設備引入口的安裝需符合圖8所示要求。若電纜引入裝置符合GB3836.2—2010的要求,并且用特定電纜試樣進行試驗,在外殼內多次點燃可燃性氣體,在外殼外部沒有出現點燃,則不必符合圖7要求。
圖7防爆設備電纜引入口安裝圖
3.3電氣線路設計
(1)加氫站防爆設備用可選用熱塑護套電纜、熱固護套電纜、合成橡膠護套電纜或礦物絕緣金屬護套電纜,點燃的阻燃性能應符合標準規(guī)范的要求。
(2)1區(qū)內單相網絡中的相線及中性線均應裝設短路保護,并采取適當開關同時斷開相線和中性線,對3~10KV電纜線路宜裝設零序電流保護,在1區(qū)保護裝置宜動作于跳閘。
(3)加氫站電纜布線宜采用電纜直埋敷設,當電纜穿越行車道等場所時,應穿鋼管保護,在爆炸危險區(qū)域內敷設的電纜應做好隔離密封措施。尤其是壓縮機房與控制室之間的電纜需按照規(guī)范要求進行隔離。
(4)當采用電力電纜溝敷設電纜時,溝內應充沙填實。
(5)電纜不得與油品管道、氫氣管道、天然氣管道、熱力管道敷設在同一地溝內。
(6)1區(qū)內電纜線路嚴禁有中間接頭。
4小結
隨著氫能的發(fā)展,加氫站的建設必將迎來高峰期,氫氣作為爆炸危險性最高的氣體,加氫站的防爆設計至關重要,應嚴格按照國家相關法律法規(guī)進行設計。
編輯:陳丹 校對:楊東川 審核:楊東川
來源:《電氣防爆》,中海油天津化工研究設計院,劉哲 李冬,氫云鏈整理
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