高壓氫氣充裝系統(tǒng)設(shè)計特點
【摘要】闡述了高壓氫氣充裝系統(tǒng)的設(shè)計特點,主要包括選址及平面布置、壓縮機選型,氫氣充裝臺、工藝管道、消防及自動控制系統(tǒng)的設(shè)計特點。
【關(guān)鍵詞】高壓氫氣;總平面布置;氫壓機;充裝臺;管道設(shè)計;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,屬于國家安監(jiān)總局重點監(jiān)管的危險化學品之一。氫氣充裝因壓力高危險性更大,因此,在設(shè)計中尤其需注意其安全性,下文以某公司氫氣管束車充裝項目為例介紹高壓氫氣充裝設(shè)計的特點。
1 項目簡介
某鋼鐵公司建有產(chǎn)量為2500m3/h 的焦爐煤氣制氫裝置一套,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和管束車充裝臺等高壓充裝設(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,在考慮選址時應(yīng)將氫氣充裝布置在廠區(qū)常年最小頻率風向的下風側(cè),并應(yīng)遠離有明火或散發(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本項目選址及總平面布置特點
因鋼廣總圖位置上無其他場地可供建氫氣充裝站,本項目建在現(xiàn)有制氫站內(nèi),場地受限制,設(shè)計上充分利用了預(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,項目位置圖見圖1。
設(shè)計在壓縮機廠房南側(cè)布置一臺氫氣壓縮機,在制氫站球罐區(qū)東側(cè)新建一個氫氣充裝設(shè)備,在路邊設(shè)置一個氫氣管束車充裝位并考慮停放一臺氫氣管束車(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進行了調(diào)整設(shè)計。因原有道路無法再重新做不發(fā)火地坪,設(shè)計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,開按所標示停車位尺寸大小涂刷停車位白線,并標識空車、裝車位,按管束車行車路線標識涂刷行車線。
調(diào)整原設(shè)計后,該道路上只考慮靠路邊劃定區(qū)域順次停放1臺充裝的氫氣管束車和1臺空的氫氣管束車。作業(yè)時實車裝滿后駛離,空車再開到原實車位置進行充裝作業(yè),裝滿后再駛離。因此,兩臺管束車不會同時并行通過該道路。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 氫氣壓縮機的選型
3.1氫氣壓縮機選型要求
壓縮機的選擇取決于需壓縮的氣體種類、容積排量以及要達到的排氣壓力等。對于高壓力(20MPa及以上)的氫氣,可采用活塞式或隔膜式壓縮機。隔膜式壓縮機靠隔膜在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體,具有壓縮比大、壓力范圍廣、密封性好的特點。由于它的氣腔不需要任何潤滑,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。本項目的氫壓機就選用了隔膜式壓縮機,為兩級壓縮,排氣量500m3/h,進氣壓力1.5MPa(G),排氣壓力20.0MPa(G),電機功率110KW,采用dIICT4隔爆型電機,流量變頻調(diào)節(jié)。
3.2氫氣壓縮機自控保護系統(tǒng)及安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計
為保證氫氣壓縮機的安全運行,控制系統(tǒng)上設(shè)計了一系列聯(lián)鎖保護措施,包括:進、排氣壓力和溫度保護,一、二級排油壓力保護,齒輪泵油壓保護,潤滑油壓力保護,軸瓦溫度保護,曲軸箱油溫保護,爆破片破裂保護,冷卻水流量保護等。
膜壓機的結(jié)構(gòu)設(shè)計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,氫氣不會漏入冷卻水管路。
膜壓機的液壓油系統(tǒng)的油路設(shè)有補償、過濾﹑冷卻設(shè)施及安全閥,可避免因油系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成壓縮機膜片破裂。
膜壓機的主電機、油泵電動機、油箱電加熱器、電機空間加熱器等均選用了符合電動機電氣防爆等級要求的產(chǎn)品。主電機、油泵電動機為Ex d llCT4 Gb;油箱電加熱器﹑電機空間加熱器電氣防爆等級Ex dll CT6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。
4 氫氣充裝臺
設(shè)計選用了一體式的管束車充裝臺。充裝臺上設(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前管路),分組切斷閥、壓力表、氮氣置換、吹掃口。充裝臺管道設(shè)有放散管及安全閥放散管放散至高空安全處(放散點高出地面10 m),放散管口設(shè)阻火器。充裝臺區(qū)域設(shè)有導靜電接地樁,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)計特點
5.1管系設(shè)計及閥門、管件等選用
由于氫氣容易泄漏,因此本項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。在氫氣壓縮機進、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)計規(guī)范》(GB50177-2005)表12.0.4要求:設(shè)計壓力<2.5MPa的膜壓機前段,采用突面式法蘭,墊片選用聚四氟乙烯板;設(shè)計壓力>10MPa的膜壓機后段,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)計規(guī)范》第12.0.1條
規(guī)定設(shè)計壓力>3.0 MPa的碳鋼管中氫氣最大流速為10m/s,氫氣設(shè)計壓力為0.1~3.0MPa的不銹鋼鋼管中氫氣最大流速可為25m/s。本項目氫氣管道材質(zhì)雖為不銹鋼,但膜壓機之后的氫氣管道設(shè)計壓力大于3.0MPa,因此膜壓機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
本項目的氫壓機、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氣管道均設(shè)計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、焦爐煤氣.放空氣、壓縮空氣等管線,7.0m層僅為本項目氫氣管線。滿足《氫氣站設(shè)計規(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
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
充裝項目整套充裝系統(tǒng)采用一套儀電一體的PLC來實現(xiàn)整個工藝的監(jiān)控功能。現(xiàn)場儀表設(shè)備主要由兩部分組成,一部分為氫氣壓縮機本體配套的檢測儀表設(shè)備,另一部分為氫氣管束車及充裝配套的儀表設(shè)備。主要檢測和控制內(nèi)容如下:
(1)監(jiān)控氫氣壓縮機的運行狀態(tài),并進行故障自動報警﹑停機。
(2)自動檢查氫氣壓縮機的開機條件,并可進行氫氣壓縮機的自動啟停。
(3)新增環(huán)境含氫量檢測。
(4)氫氣壓縮機入口總管流量檢測。
(5)氫氣壓縮機出口總管純度和露點檢測。
(6)充裝臺設(shè)遠程壓力監(jiān)視,信號送到中控室(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)場巡檢一次。一旦發(fā)生異常,操作員可現(xiàn)場緊急停止膜壓機運行(緊急切斷),達到切斷充裝臺氣源的目的。
8 結(jié)語
綜上所述,在高壓氫氣充裝系統(tǒng)設(shè)計中要從選址及總平面布置、壓縮機、充裝臺等設(shè)備選型、工藝管道和自控系統(tǒng)設(shè)計上均充分考慮其安全性,力爭做到系統(tǒng)設(shè)計安全可靠、運行穩(wěn)定、投資合理。
[參考文獻]
[1]李學斌,楊振東.高壓氫氣充裝設(shè)計中的注意事項[J.氯堿工業(yè),2015(11).
收稿日期:2017-04-17
作者簡介:楊靜(1970-),女,高級工程師,現(xiàn)從事燃氣設(shè)計工作。