1、我国加氢站建设已初具规模
作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。近年，美国、欧盟、日本等多个国家和地区已将氢能和燃料电池发展提升到国家战略层面，并制定了具体行动计划、政策和发展路线图。我国对氢能源和燃料电池产业发展也高度重视，得到了国家多部委持续关注，将其列为“十三五”期间的战略新兴产业。在2019年政府工作报告中，国家将推进加氢站建设写进政府工作任务中，意在推动氢能基础设施建设，同时，对氢燃料电池汽车及加氢站的发展制定了具体目标，即到 2020 年实现5000辆级规模在特定地区公共服务用车领域的示范应用，建成100座加氢站；2025年实现5万辆规模的应用，建成300 座加氢站；2030年实现100万辆燃料电池汽车的商业化应用，建成 1000座加氢站。
加氢站是为燃料电池车辆及其他氢能利用装置提供氢源的重要基础设施。据不完全统计，截止到2019年4月，全球正在运营的加氢站达到 370 座，其中欧洲152座，亚洲137 座，北美78座，南美1座。我国加氢站建设始于2006年，分别位于北京、上海、郑州、深圳、大连、成都、广州、武汉、云浮、如皋等地，表1中列举了国内部分加氢站。
我国的加氢站建设虽然起步较晚，但近几年发展却十分迅速，已初具规模，进入示范运营阶段。国内能源企业、设备制造商及物流企业等纷纷进入氢能领域，加大了氢能产业链技术开发和投资力度。与此同时，与氢能产业链相关的技术标准、行业规范也在加紧制定和完善中。加氢站作为氢能产业中的重要组成部分，其安全、稳定及可靠运行问题备受社会关注。结合目前国内加氢站建设的实践，有必要对现有加氢站的设计、建设标准和规范现状进行梳理分析，针对加氢站设计、建设过程中遇到的问题，提出有针对性和可操作性的意见和建议。目前针对加氢站制定了专门法规、标准的国家有近 10 个，包括日本《高压气体保安法》、美国《NFPA 2》、英国《BCGA CP33》、韩国《KGS FP216》、意大利《Regulation 2006-0831》、德国《VdTÜV Merkblatt》、法国《la rubrique N1416》。除美国、日本涉及到气氢液氢外，其余国家均以气氢为主。国际标准化组织（ISO）发布的《氢气-燃料站Gaseous Hydrogen--Fueling Stations》（ISO/TS 19880）技术标准（TECHNICAL SPECIFICATION），规定了为所有类型采用氢气燃料的陆上车辆提供氢气加注服务的户外公共燃料站和非公共燃料站的特点。ISO 就加氢站分 8 个部分制定标准，即加氢站一般要求、加氢枪、加氢站阀件、氢气压缩机、加氢站管件、加氢站配件、加氢标准及氢气确认方法。美国动力机械工程师协会发布了《地面车辆标准-轻型汽车氢燃料加注协议》（SURFACE VEHICLE STANDARD-Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles，SAE J2601-2014）。SAE J2601标准制定了轻型汽车氢燃料加注协议及工艺限制。车辆压缩氢储存系统中的环境温度、燃料输送温度和初始压力等因素会影响这些工艺限制，包括燃料温度、最大燃料流速、压力增长率和端压率等。伴随着我国加氢站的发展，国内氢能和加氢站标准大多是近十年颁布的，集中在加氢站设计、建设、安全及关键设备等。表 2 列出了部分加氢站相关标准。2005 年国家建设部和质监局联合颁布了升级的《氢气站设计规定 GB 50177—2005》，对国内新建、改建、扩建氢气站和供氢站及厂区设计提供依据。2010年国家建设部和质监局再次联合颁布了《加氢站技术规范 GB 50516—2010》，对国内加氢站设计、建设起到了积极的指导作用。目前国内加氢站建设参考的标准主要有《加氢站技术规范 GB 50516—2010》《加氢站安全技术规范 GB/T 34584—2017》，这两个标准均引用了《氢气站设计规定 GB 50177—2005》。GB 50516—2010 是在收集国内外加氢站设计、建造和运营方面资料，结合北京、上海三座加氢站建造和运行经验基础上编制而来。我国加氢站规范安全间距数值采用经验类比值，设备安全间距较大，增加了加氢站的占地面积。同样，加氢站内设施与站外设施的防火间距要求也较大，这就使得加氢站建设用地更大，造成在城市建成区建设加氢站难度大，极大地影响了加氢站推广，特别是对于现有加油站升级改造为油氢混合站。随着氢能社会建设步伐的快速推进，我国加氢站建设呈快速增长的趋势，在加氢站设计、建设实践中发现，现有加氢站的标准和规范在建站过程引起一些争议，主要体现在：（1）标准规范不全，工程设计、建设、运营管理等可参考标准较少，只能参考加油站、氢气站的相关内容，是否合适没有科学的结论。（2）标准不尽完善，内容参差不齐。国内加氢站标准大多随着我国加氢站从无到有的发展过程中形成的，可参考的实际案例有限，个别条文的可操作性不强。（3）归口管理单位多，技术标准不统一。如：中国电子工程设计院牵头编制的《加氢站技术规范》及《氢气站设计规定》，全国氢能标准化委员会牵头的《加氢站安全技术规范》，中国汽车产业协会、中国石油化工联合会等。不同牵头单位标准制定者的专业背景、工作经验不尽相同，编制的标准侧重点和出发点也不同，造成相关标准之间有条文存在差异，给使用者造成不便。关于加氢站建设技术和标准，在全球范围内也没有统一标准。以压力等级为例，车载氢系统是 70MPa 还是 35MPa，到底哪个压力等级更优，气氢、液氢谁作为氢源，国内外观点都不一致。加氢站有站内制氢和站外制氢两种模式。站内制氢通常采用电解水制氢和天然气（或液化气）水蒸气转化制氢工艺，站内制氢的优势在于可以节省氢气运输成本、减少加氢站氢气储罐的容积；不足之处在于制氢设备占地较大，限制其应用；另外，由于汽车氢气加注的随机性，制氢设备需要经常启停，操作管理困难。更重要的是，目前除新批准加氢站建设用地外，国内油氢合建站、气氢合建站加氢站还不允许采用站内制氢。现有加油站、加气站土地属于商业用地，而增加在站制氢设备后，其土地性质变为了工业用地，在政府审批、消防验收等环节很难通过。与站内制氢相对应的是站外制氢。氢气在化工厂、制氢厂经过净化并压缩后，通过长管拖车运输或管道输送至加氢站，加氢站内只设置氢气存储、压缩、加注设施。国内目前运营的加氢站以站外制氢、长管拖车运输为主。氢气运输成本与氢源距离密切相关，一般而言，气氢的运输半径以小于 150km 为宜，液氢的运输半径可达 500~700km。长管拖车运输氢气量为 250~460kg/车，液氢运量为 360~4300kg/车，液氢运输大大提高了运输效率，目前仅在美、日等国运用较多。由于氢气的特殊性，管道输氢受距离、城乡规划、沿途地质条件等影响，一般仅在化工园区等小范围内采用，其一次投资成本高。对于长距离管道氢气输送，国内可以参考的设计规范较少，仅可以参考相近标准，如：《输气管道工程设计规范 GB50251—2015》《工业金属管道设计规范 50316—2000》《氢气站设计规范 GB50177—2005》等标准。《加氢站技术规范 GB 50516—2010》对加氢站的等级划分进行了规定，加氢站内储氢罐的容量根据氢气来源、燃料电池汽车数量、每辆车充装氢气容量及充装时间而定，详见表 3。规范明确规定在城市建成区不应建立一级加氢站、一级加氢加气合建站和一级加氢加油合建站；当加氢站与加油站合建时，其等级划分如表 4 所示。这就规定了在城市建成区域的油氢合建站加氢部分能力只能是三级。《加氢站技术规范 GB 50516—2010》中加油站的等级划分与《汽车加油加气站设计与施工规范 GB50156—2012》针对加油部分的等级划分不一致，后者 每一级总容积较前者增加了 30 m3。加氢站内储氢罐容量是根据需加注氢气的质量、加注频率和氢源供应状况等因素确定，储氢罐容积越大，其潜在危险越大，对周围建筑物、构筑物可能产生影响程度越大。目前，针对日加注氢气量为1000kg 的油氢合建站，大多采用离站制氢模式，站内设置固定储氢罐及可移动的长管拖车。其中，固定储氢罐储氢容量一般为 400~650kg，每辆长管拖车的储氢量为 250~460kg，卸气时间约 3~5 小时。针对燃料电池车快速发展趋势，用氢量急剧增加，为满足高峰时段氢气加注需求，需要在站停放两辆长管拖车，这样在站的氢气储氢罐总容量就超过了 1000kg，按照现有规范，油氢合建站的等级上升为一级，因此不能在城市建成区域建设。从实际需求和安全角度出发，可以将三级加氢站的罐容总量适当提高到 2000kg，单罐容量仍然不超过 500kg。《加氢站技术规范 GB 50516—2010》对加氢站的总平面布置做出了明确规定。从站内设施之间的防火间距表中选取了主要设备间的数据列于表 5。另外，《氢气站设计规定 GB 50177—2005》规定了氢气站工艺装置内设备、建筑物平面布置防火间距，选取了部分数据见表6。从表 5 数据可知，控制室、变配电室、生活辅助间与氢气压缩机或氢气压缩机间、装置内氢气罐、氢灌瓶间或氢实（空）瓶间的距离均为 15m，而加氢站技术规范中可燃气体压缩机间与站房的间距为5m，两者规定的间距数值相去甚远，给工程设计、专家审查及验收人员选择何种标准开展工作带来不便。另外，按照《氢气站设计规定 GB 50177—2005》的表 5.0.1 “站内设施之间的防火间距”的注 4 条款：“撬装工艺设备与站内其他设施的防火间距，应按本表制氢间或相应设备的防火间距确定”。加氢站压缩机一般采取撬装方式，可以减少占地，节省设备安装时间，因此将氢气压缩机撬装设备在防火安全间距上视为制氢间。据此条和此表，氢气压缩机撬与站房的间距应不小于 15m。根据加氢站、油氢合建站及气氢合建站建设实际情况，尤其是合建站占地面积有限，结合国内外加氢站建设实际条件，以及氢气易于扩散，且扩散范围小的特点，选择《加氢站技术规范 GB 50516—2010》中可燃气体压缩机间与站房的间距为 5m 更为合理。孙永康结合上海安亭、上海世博会两座加氢站的工程设计实践和规范实践，建议《加氢站技术规范》中引入定量风险评估方法。针对不同的事故类型、风险控制对象及泄漏尺度，全面评估气态加氢站、液态加氢站的安全距离，采用定量评估方法获取的安全间距如表 7 所示。从表 7 中可以看出，规范所要求的储氢罐与站房、明火之间的安全间距与定量评估数据大致相当，而加氢站内设施安全间距评估数据是规范数据的一半。因此，可以看出现阶段规范要求的工艺设备间距还有很大的缩减空间，这也是日本、欧洲等国家加氢站设备布局紧凑、占地更小的原因。氢气管道是加氢站内的主要工艺管道，是连接长管拖车、氢气压缩机、储氢罐/瓶、加氢机的核心部件。氢气管线的布置主要有管沟、管架两种方式，为了安装、检修、日常巡检及车辆行人通行方便，一般采用管道明沟铺设。采用明沟铺设管线，可以防止沟内积聚或积存氢气死角，避免引发着火爆炸的危险。同时要求明沟不应设置盖板，当必须设置盖板时，应采用通气良好的盖板。另外，《加氢站技术规范 GB 50516—2010》的 6.5.6 条款的第 2 条规定了“站区内氢气管道明沟敷设时，应符合下列规定：不得与空气、汽水管道等共沟敷设”。本条款是强制条款，必须严格执行。对加氢站而言，除氢气管线外，还设置有氮气吹扫、放空管线以及冷却水或冷却液管线，依据此条款规定，加氢站不得不设置两个管沟，分别敷设氢气管线和其他公用工程管线。该条款条文解释为氢气管道不得与空气、汽水管道等无关管道共沟铺设，以避免在明沟内出现明火作业。在加氢站实际运行过程中，如需要在管沟内动火作业，此时加氢站会停止供应氢气，且氢气管道内的气体在必要时放空处理。这样公用工程或其他辅助管道与氢气管道处于同时投用、同时停用，提高了加氢站运行的安全性。换而言之，氢气管道也可以与空气、汽水管道等无关管道共沟铺设。笔者认为，此条规定值得商榷，以后加氢站标准修编或编制过程中应考虑工程实际情况，对此条款重新斟酌，通过评估建设、维护、运营的实际情况，决定氢气工艺管道是否可以与空气、汽水管道等共沟铺设。高压氢气压缩机常见的有活塞式、隔膜式和离子压缩机三种。国内以隔膜压缩机为主，活塞式压缩机在日本运用较多，离子压缩机为林德公司产品，运营业绩相对较少。规范对压缩机的设置做了相应的要求，如：①压缩机入口设置缓冲罐；②压缩机直充燃料电池汽车时出口设置氢气冷却器；③压缩机的安全保护装置设置，符合压缩机进出口与第一个切断阀之间，应设置安全阀；进出口应设高压、低压报警和超限停机装置等。通过对压缩机系统的规定，确保了氢气压缩动力源的本质安全。另外，GB 50516—2010的6.2.3条款还规定，加氢站应设置备用氢气压缩机。一般而言，石油化工连续操作的压缩机、泵等动设备均要求设置备用设备，防止一台设备出现故障影响整个装置的连续运行。对于加氢站而言，由于燃料电池车前往加氢站加注氢气以白天为主，夜晚较少，尤其是凌晨 12 点至 6 点，少有车辆加注氢气。氢气压缩机属于间断操作，加之现阶段燃料电池车及加氢站较少，即使加氢站形成网络后，对于备用压缩机而言其意义也不大。分析原因主要有：①压缩机固定资产投资约占 20%~30%；②加氢站占地有限，备用压缩机占用空间；③设置备机后系统管线增加，操作管理界面相对复杂；④氢气压缩机易损均有备品、备件，即使出现故障，也能在较短时间内完成故障的排除，恢复压缩机的正常运行，在压缩机停运期间，需加氢车辆可前往附近加氢站加注氢气。《加氢站技术规范 GB 50516—2010》还对建筑设施做出了明文规定。例如，8.0.9 条款要求在有爆炸危险房间的上部空间，应通风良好；顶棚内表面应平整，且避免死角，不得积聚氢气。本条款也是强制条款。加氢站的火灾危险类别归为甲类，站内油爆炸危险房间和区域的爆炸危险等级为 1 区或 2 区。主要是鉴于氢气的密度小，只有空气的 1/14，氢气易于扩散，容易在房间的上部空间积聚，若不能及时的排除，可能逐渐积聚达到爆炸极限，从而引起着火乃至爆炸事故的发生。若因建筑结构设计的需要，顶棚内表面有肋条时，应在设计施工时在肋条上预留孔洞，避免形成死角。对于油氢、气氢合建站而言，原加油加气机上部均设置有罩棚，可以充分利用现有的加油站、加气站罩棚结构，对其进行简单的通风透气改造即可满足要求。8.0.10条款对加氢站地面结构做了进一步的限定。该条款要求有爆炸危险房间或区域内的地坪，应采用不发火花地面。由于氢气的着火燃烧范围宽，且着火能量低，一旦泄露氢气遇活化极易引发着火燃烧或爆炸事故。与加油站、加氢站油气介质不同的是，氢气的密度低，扩散速度快，即使有氢气泄露，氢气也会向上部空间扩散，不会在地面积聚。因此加氢站有危险房间或区域的地坪是否需要规定做不发火地面处理，应该通过一定的补充试验，根据试验结果给出结论。以上简要分析了加氢站的建站模式、等级划分、安全间距、管道铺设方式、不发火地面设置等方面。结合加氢站建设实际遇到的情况，提出了一些看法，希望为以后加氢站标准、规范的起草和修编提供参考。政府管理机构、科研单位及相关企业已经加大了对加氢站核心设备的研发力度，相应的加氢站标准和规范也需要同步跟进，共同助推氢能社会的前进步伐。加氢站是建设氢能社会的重要环节之一，其安全问题一直受到全社会的高度关注。针对我国加氢站建站的实际情况，简要分析了国内外加氢站建设所依据标准和规范发展现状，重点分析了《加氢站技术规范 GB 50516—2010》，针对我国加氢站设计、建设标准提出了建议。分析认为：①从实际需求和安全角度出发，建议将三级加氢站的罐容总量升级为 2000kg，单罐容量仍然不超过 500kg；②选择《加氢站技术规范 GB 50516—2010》中可燃气体压缩机间与站房的间距为 5 米更为合理；③氢气工艺管道可以与空气、汽水管道等共沟敷设；④加氢站设置备用氢气压缩机意义不大；⑤加氢站有危险房间或区域的地坪是否需要规定做不发火地面处理，应该通过一定的补充试验，根据试验结果给出结论。
