加氫站等級(jí)劃分原則的研究

劉建虎，李功洲，鄭津洋，劉玉濤，何廣利，周向榮，李磊祚，陳霖新

(1.世源科技工程有限公司，北京 100142；2.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100142；3.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；4.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司 六院101所，北京 100074；5.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211；6.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074)

1 概述

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《加氫站規(guī)范》)實(shí)施以來(lái)的近10年間，我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)伴隨著氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展呈現(xiàn)了快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。依據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020年9月底，國(guó)內(nèi)已建成的各類(lèi)加氫站共76座(加氫能力最大為2 000 kg/d，最小為20 kg/d)，在建10座(加氫能力最大為500 kg/d，最小為400 kg/d)，處于規(guī)劃階段78座(加氫能力最大為1 000 kg/d，最小為500 kg/d)，詳見(jiàn)表1。已建成的加氫站其建成年份大多在2018、2019年，詳見(jiàn)圖1。

表1 國(guó)內(nèi)加氫站相關(guān)建設(shè)情況

圖1 國(guó)內(nèi)已建成加氫站的建成年份分布

加氫站既包括獨(dú)立加氫站，也包括其與油、氣的合建站。合建站的優(yōu)勢(shì)[1]在于：可以有效解決加氫站的土地布局，降低運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)油(氣)、氫收益互補(bǔ)，特別是在目前加氫站建設(shè)費(fèi)用較高、制氫成本較高的情況下，合建站是加快推進(jìn)加氫站建設(shè)的一個(gè)重要途徑。

在合建站的推進(jìn)方面，既有來(lái)自政府方面基于土地利用率的考慮，也有來(lái)自投資人基于成本、收益方面的推動(dòng)。2014年上海市政府發(fā)布的《上海市新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用實(shí)施方案(2013—2015年)》，要求進(jìn)行《加油站內(nèi)加氫站建設(shè)規(guī)范》的研究。2019年7月1日，國(guó)內(nèi)首座氫、油合建站在廣東樟坑正式建成并投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。上海市的首個(gè)氫、油合建項(xiàng)目(含2座合建站)也于2019年11月18日建成投運(yùn)。

2 問(wèn)題的提出

GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》第4.0.2條規(guī)定“在城市建成區(qū)內(nèi)不應(yīng)建立一級(jí)加氫站、一級(jí)加氫加氣合建站和一級(jí)加氫加油合建站”。關(guān)于合建站的等級(jí)劃分原則為：同時(shí)考慮合建站加氫、加油或加氣潛在危險(xiǎn)的疊加，按照二級(jí)站疊加后為一級(jí)站、三級(jí)站疊加后為二級(jí)站以及三級(jí)合建站安全性、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

上述等級(jí)劃分原則，在當(dāng)時(shí)氫能發(fā)展尚處于萌芽狀態(tài)的歷史背景下是合理的，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的合建站也起到了積極的引導(dǎo)作用。這些等級(jí)劃分原則在加氫、加油合建站項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中均得到了較好體現(xiàn)。在《加氫站規(guī)范》實(shí)施近10年后的今天，上述等級(jí)劃分原則也表現(xiàn)出了一些不適應(yīng)的狀況，主要表現(xiàn)在以下兩方面：①側(cè)重于概念化的規(guī)定，缺乏量化指標(biāo)。例如：近幾年，《加氫站規(guī)范》的主編單位在國(guó)內(nèi)加氫站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，以及編制組成員在各地氫、油合建站的方案評(píng)審中，經(jīng)常會(huì)遇到一級(jí)加油站與三級(jí)加氫站(多為示范級(jí)加氫站)組合的訴求，但《加氫站規(guī)范》的規(guī)定為“不得合建”，因此只能遵循《加氫站規(guī)范》的要求。甚至二級(jí)加油站與示范級(jí)加氫站的組合，也只能按一級(jí)合建站執(zhí)行。②在城市的中心區(qū)，如果目前已有的三級(jí)加油站滿足三級(jí)加氫站與站外設(shè)施防火間距的要求，是否可以在不提升合建站等級(jí)的條件下，增加三級(jí)加氫站。近年來(lái)探討城區(qū)內(nèi)加氫站規(guī)劃發(fā)展等內(nèi)容的論文已有多篇。近日，上海市科委表示已開(kāi)始規(guī)劃加氫站向中環(huán)、內(nèi)環(huán)地區(qū)建設(shè)。目前，上海市的加氫站多位于外環(huán)。為此，已有學(xué)者針對(duì)城市中心區(qū)內(nèi)加氫站的建設(shè)提出[2]“近期示范階段可以固定式加氫站為主，布局在城區(qū)外圍；發(fā)展推廣階段以橇裝式加氫站為主(固定式加氫站為輔)向城區(qū)內(nèi)部滲透；遠(yuǎn)期成熟階段以固定式和橇裝式相結(jié)合，逐步形成網(wǎng)絡(luò)布局”的發(fā)展思路。

3 加氫站及合建站等級(jí)劃分原則

本次《加氫站規(guī)范》局部修訂時(shí)，對(duì)于合建站等級(jí)劃分引入量化指標(biāo)。這一思路是受GB 18218—2018《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》中4.2節(jié)“重大危險(xiǎn)源的辨識(shí)指標(biāo)”的啟發(fā)，其中第4.2.1 b)款規(guī)定：生產(chǎn)單元、儲(chǔ)存單元內(nèi)存在的危險(xiǎn)化學(xué)品為多品種時(shí)，按式(1)計(jì)算，若滿足式(1)，則為重大危險(xiǎn)源。

(1)

式中S——辨識(shí)指標(biāo)

n——危險(xiǎn)化學(xué)品的種類(lèi)

mi——第i種危險(xiǎn)化學(xué)品的實(shí)際存在質(zhì)量，t

mi,l——第i種危險(xiǎn)化學(xué)品的臨界質(zhì)量，t

3.1 量化指標(biāo)的建立

本次《加氫站規(guī)范》局部修訂時(shí)，依據(jù)目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r，綜合考慮儲(chǔ)氫設(shè)施的能量密度、使用要求、經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)各等級(jí)獨(dú)立加氫站的儲(chǔ)氫總?cè)萘窟M(jìn)行了部分調(diào)整，見(jiàn)表2。表2中{mz}為mz以kg為單位的數(shù)值。表2中各等級(jí)加氫站的最大總?cè)萘繉⒆鳛橄拗怠?/p>

表2 加氫站的等級(jí)劃分及限值

依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》第3.0.9條，各等級(jí)加油站的油罐總?cè)莘e見(jiàn)表3。表3中{Vy,z}為Vy,z以m3為單位的數(shù)值，各等級(jí)加油站的最大總?cè)莘e將作為限值。各等級(jí)LNG加氣站的LNG儲(chǔ)罐總?cè)莘e見(jiàn)表4，表4中{VLNG,z}為VLNG,z以m3為單位的數(shù)值，各等級(jí)LNG加氣站的最大總?cè)莘e將作為限值。

表3 加油站的等級(jí)劃分及限值

表4 LNG加氣站的等級(jí)劃分及限值

引入判別公式：

(2)

式中S0——判別指標(biāo)

mH，S——設(shè)計(jì)氫氣總?cè)萘浚琸g

mH,l——各等級(jí)加氫站的儲(chǔ)氫容量限值，kg

VS——設(shè)計(jì)油罐或LNG加氣站的LNG儲(chǔ)罐的容積，m3

Vl——各等級(jí)加油站的油罐或LNG加氣站的LNG儲(chǔ)罐的容積限值，m3

3.2 與量化指標(biāo)有關(guān)的數(shù)據(jù)

加氫站與加油、加氣站合建的結(jié)果，是儲(chǔ)存能量的變化及潛在風(fēng)險(xiǎn)的疊加。

3.2.1 各等級(jí)獨(dú)立站最大儲(chǔ)能量

最大儲(chǔ)能量通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)存能源的最大質(zhì)量與其低熱值的乘積獲得。

① 各等級(jí)獨(dú)立加氫站的最大儲(chǔ)能量

各等級(jí)獨(dú)立加氫站的最大儲(chǔ)能量見(jiàn)表5，其中氫氣純度按100%計(jì)，氫氣的低熱值按120.21 MJ/kg計(jì)。

表5 各等級(jí)獨(dú)立加氫站的最大儲(chǔ)能量

② 各等級(jí)獨(dú)立加油站的最大儲(chǔ)能量

各等級(jí)獨(dú)立加油站的最大儲(chǔ)能量見(jiàn)表6，其中汽油密度(20 ℃時(shí))按GB 1793—2016《車(chē)用汽油》取平均值，即747.5 kg/m3；油罐充裝系數(shù)按《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》中第6.1.13條規(guī)定的95%計(jì)；汽油的平均低熱值按GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》附錄A，取43.124 MJ/kg。按汽油計(jì)最大儲(chǔ)能量。

表6 各等級(jí)獨(dú)立加油站的最大儲(chǔ)能量

③ 各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站的最大儲(chǔ)能量

各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站的最大儲(chǔ)能量見(jiàn)表7，其中LNG低熱值為46.521 MJ/kg；LNG密度(-162 ℃下)按453.2 kg/m3計(jì)；LNG儲(chǔ)罐的充裝系數(shù)按GB/T 18442.3—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》中第13.2 b)條規(guī)定的90%計(jì)。

表7 各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站最大儲(chǔ)能量

3.2.2 各等級(jí)獨(dú)立站的潛在風(fēng)險(xiǎn)

關(guān)于潛在風(fēng)險(xiǎn)，其量化指標(biāo)采用同類(lèi)項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)的通用方法，以易燃、易爆場(chǎng)所子單元中蒸氣云爆炸(VCE)事故模型分析爆炸威力的TNT當(dāng)量來(lái)描述。僅取1臺(tái)最大容量?jī)?chǔ)存容器進(jìn)行分析，不計(jì)及多米諾效應(yīng)。

① 獨(dú)立加氫站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

TNT當(dāng)量按下式[3]計(jì)算：

(3)

式中mTNT——蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量，kg

α——蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量系數(shù)，取4%

mf——燃料總質(zhì)量，kg，各級(jí)獨(dú)立加氫站按單罐最大容量計(jì)算

Qf——燃料的低熱值，MJ/kg

QTNT——TNT的爆熱，MJ/kg，取4.50 MJ/kg

各等級(jí)獨(dú)立加氫站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見(jiàn)表8。

表8 各等級(jí)獨(dú)立加氫站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量

② 獨(dú)立加油站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

《汽車(chē)加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》中第4.0.4條規(guī)定的油罐均為埋地油罐，其爆炸機(jī)理是油罐內(nèi)油品氣化形成混合性爆炸氣體并達(dá)到爆炸極限，遇明火或高溫所致。故不能用地上油罐油品泄漏產(chǎn)生蒸氣云爆炸計(jì)算TNT當(dāng)量的方法計(jì)算埋地油罐的TNT當(dāng)量。

埋地油罐的TNT當(dāng)量依然采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，其中mf計(jì)算公式為：

mf=Vqρqφs

(4)

式中Vq——汽油罐單罐容積,m3

ρq——汽油蒸氣密度，kg/m3

φs——汽油的爆炸上限

各等級(jí)獨(dú)立加油站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見(jiàn)表9。

表9 各等級(jí)獨(dú)立加油站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

③ 獨(dú)立LNG加氣站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量按下式[4]計(jì)算：

(5)

式中mTNT,LNG——LNG加氣站的蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量，kg

A——地面爆炸系數(shù),由于蒸氣云爆炸是地面或近地面爆炸,爆炸總能量是實(shí)際能量的1.8倍,取1.8

mf，LNG——燃料的總質(zhì)量，kg，各級(jí)獨(dú)立LNG加氣站按單罐最大容積計(jì)算

Qf,LNG——LNG的低熱值，MJ/kg

各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量見(jiàn)表10。

表10 各等級(jí)獨(dú)立LNG加氣站蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

3.2.3 各等級(jí)獨(dú)立站最大儲(chǔ)能量及TNT當(dāng)量匯總

各等級(jí)獨(dú)立加氫站、加油站、LNG加氣站最大儲(chǔ)能量及蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量見(jiàn)表11。

表11 各等級(jí)獨(dú)立加氫站、加油站、LNG加氣站最大儲(chǔ)能量及蒸氣云爆炸TNT當(dāng)量

續(xù)表11

從表11可以看出，在各級(jí)獨(dú)立站中以加油站的最大儲(chǔ)能量為最大，以LNG加氣站的TNT當(dāng)量為最大且各級(jí)LNG加氣站的TNT當(dāng)量相同。

3.3 合建站最大儲(chǔ)能量及TNT當(dāng)量限值確定

① 加氫、加油合建站

將各級(jí)獨(dú)立站的最大儲(chǔ)能量的最大值作為各等級(jí)合建站最大儲(chǔ)能量的限值，將各級(jí)獨(dú)立站的TNT當(dāng)量的最大值作為各等級(jí)合建站TNT當(dāng)量的限值，見(jiàn)表12。

表12 各等級(jí)加氫、加油合建站最大儲(chǔ)能量及TNT當(dāng)量限值

② 加氫、加氣合建站

將各級(jí)獨(dú)立站的最大儲(chǔ)能量的最大值作為各等級(jí)合建站最大儲(chǔ)能量的限值。由于各等級(jí)LNG加氣站的TNT當(dāng)量相同，考慮LNG站的兩種加注方式(加注LNG、加注CNG)，一般需要配置CNG儲(chǔ)罐，因此將TNT當(dāng)量增加10%作為二級(jí)合建站的限值，增加15%作為一級(jí)合建站的限值，見(jiàn)表13。

表13 各等級(jí)加氫、加氣合建站最大儲(chǔ)能量及TNT當(dāng)量限值

3.4 判別指標(biāo)的驗(yàn)證

mz≤2 000 kg的三級(jí)加氫站簡(jiǎn)稱(chēng)小三級(jí)加氫站，其單罐容量≤500 kg。VLNG,z≤30 m3的LNG加氣站稱(chēng)為小三級(jí)加氣站，其單罐容積≤30 m3。

3.4.1 加氫、加油合建站

① 當(dāng)加油站的等級(jí)高于加氫站的等級(jí)時(shí)，判別指標(biāo)的公式為：

(6)

式中S1——加油站等級(jí)高于加氫站等級(jí)時(shí)的判別指標(biāo)

m3H,z——三級(jí)加氫站的臨界儲(chǔ)氫總?cè)萘?，kg，當(dāng)mz≤2 000 kg時(shí)，取2 000 kg；當(dāng)2 000 kg

Vy,S——加油站的設(shè)計(jì)油罐總?cè)莘e，m3

Vy,l——加油站的油罐總?cè)莘e限值，m3

② 當(dāng)加油站的等級(jí)低于加氫站的等級(jí)時(shí)，判別指標(biāo)的公式為：

(7)

式中S2——加油站等級(jí)低于加氫站等級(jí)時(shí)的判別指標(biāo)

V3y,l——三級(jí)加油站的臨界油罐總?cè)莘e，m3,當(dāng)Vy，z≤90 m3時(shí)，取90 m3；當(dāng)90 m3

③ 判別指標(biāo)的驗(yàn)證

加氫、加油合建站等級(jí)劃分判別指標(biāo)驗(yàn)證見(jiàn)表14。出于表述研究成果的需要，表14采用了較復(fù)雜的表格形式，未采用網(wǎng)格表。

表14 加氫、加油合建站等級(jí)劃分判別指標(biāo)驗(yàn)證

以二級(jí)加油站和小三級(jí)加氫站合建為例，對(duì)合建站等級(jí)劃分判別指標(biāo)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行分析。

對(duì)于S1>1的情況，二級(jí)加油站和小三級(jí)加氫站儲(chǔ)能量都取限值，進(jìn)行分析。小三級(jí)加氫站的儲(chǔ)能量為241 GJ，二級(jí)加油站的儲(chǔ)能量為5 512 GJ，則合建站的儲(chǔ)能量為5 753 GJ。此值大于二級(jí)合建站的最大儲(chǔ)能量限值，且小于一級(jí)合建站的最大儲(chǔ)能量限值。小三級(jí)加氫站的TNT當(dāng)量為534 kg，二級(jí)加油站的TNT當(dāng)量為5 kg，則合建站的TNT當(dāng)量為539 kg，此值均小于一級(jí)、二級(jí)合建站的TNT當(dāng)量限值。因此綜合考慮儲(chǔ)能量和TNT當(dāng)量，判斷S1>1時(shí)二級(jí)加油站和小三級(jí)加氫站的合建站為一級(jí)。

對(duì)于S1≤1的情況，取S1=1極端情況分析。

設(shè)二級(jí)加油站的總儲(chǔ)油量占總?cè)莘e限值的比例為a，則小三級(jí)加氫站的總儲(chǔ)氫量占總?cè)萘肯拗档谋壤秊?-a。

合建站的儲(chǔ)能量計(jì)算公式為：

Qz=(1-a)QH,x+aQy

(8)

式中Qz——二級(jí)加油站和小三級(jí)加氫站合建站的儲(chǔ)能量，GJ

a——二級(jí)加油站的總儲(chǔ)油量占總?cè)莘e限值的比例

QH,x——小三級(jí)加氫站最大儲(chǔ)能量，GJ

Qy——二級(jí)加油站的最大儲(chǔ)能量，GJ

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)，得到Qz=241+5 271a。由于0

小三級(jí)加氫站的TNT當(dāng)量為534 kg，二級(jí)加油站的TNT當(dāng)量為5 kg，則合建站的TNT當(dāng)量為539 kg。此值均小于二級(jí)合建站的TNT當(dāng)量限值、三級(jí)合建站的TNT當(dāng)量限值。因此綜合考慮儲(chǔ)能量和TNT當(dāng)量，判斷S1≤1時(shí)二級(jí)加油站和小三級(jí)加氫站的合建站為二級(jí)。

其他小三級(jí)加氫站與加油站合建站、Vy,z≤90 m3的三級(jí)加油站(簡(jiǎn)稱(chēng)小三級(jí)加油站)與加氫站合建站情況，以及表15中小三級(jí)加氫站與LNG加氣站合建站、小三級(jí)LNG加氣站與加氫站合建站情況與此驗(yàn)證過(guò)程類(lèi)似。

3.4.2 加氫、加氣合建站

① 當(dāng)加氣站的等級(jí)高于加氫站的等級(jí)，判別指標(biāo)的公式為：

(9)

式中S3——加氣站等級(jí)高于加氫站等級(jí)時(shí)的判別指標(biāo)

VLNG,S——設(shè)計(jì)LNG儲(chǔ)罐總?cè)莘e，m3

VLNG,l——對(duì)應(yīng)加氣站等級(jí)的臨界LNG儲(chǔ)罐總?cè)莘e，m3

② 當(dāng)加氣站的等級(jí)低于加氫站的等級(jí)時(shí)，判別指標(biāo)的公式為：

(10)

式中S4——加氣站等級(jí)低于加氫站等級(jí)時(shí)的判別指標(biāo)

V3LNG,l——三級(jí)加氣站的臨界LNG儲(chǔ)罐總?cè)莘e，m3，當(dāng)VLNG，z≤30 m3時(shí)，取30 m3；當(dāng)30 m3

③ 判別指標(biāo)的驗(yàn)證

加氫、加氣合建站等級(jí)劃分判別指標(biāo)驗(yàn)證見(jiàn)表15。出于表述研究成果的需要，表15采用了較復(fù)雜的表格形式，未采用網(wǎng)格表。

表15 加氫、加氣合建站等級(jí)劃分判別指標(biāo)驗(yàn)證

續(xù)表15

在計(jì)算中，9 m3的CNG儲(chǔ)罐的儲(chǔ)能量取108 GJ，TNT當(dāng)量取958 kg。

3.5 基于判別指標(biāo)的等級(jí)劃分表

將前文的表14、15簡(jiǎn)化為表16、17，則分別作為加氫、加油合建站以及加氫、加氣合建站的等級(jí)劃分原則。

表16 加氫、加油合建站等級(jí)劃分原則

表17 加氫、加氣合建站等級(jí)劃分原則

續(xù)表17

4 結(jié)論

指出GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》關(guān)于加氫加氣合建站、加氫加油合建站等級(jí)劃分原則存在的不理想之處。進(jìn)行GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》局部修訂過(guò)程中對(duì)加氫站等級(jí)劃分原則的研究，引入儲(chǔ)能量、TNT當(dāng)量作為量化指標(biāo)，確定更加科學(xué)合理的加氫站等級(jí)劃分原則。