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北京加氢站的功能完善和燃料电池汽车奥运示范

时间:2011-07-14 17:10:16来源:北京清能华通科技发展有限公司网站
摘要  本文叙述了北京加氢站的技术改造和功能完善的具体实施,运行保障以及燃料电池汽车的奥运示范完成情况。
Abstract: The article introduces the fullfilment of the technical improvement and function perfection of Beijing Hydrogen Refueling Station, its operation and management, and the fuel-cell vehicle demonstration during the Beijing Olympics.
 
关键词  加氢站、重整器、燃料电池汽车、氢气、加注、示范运行
     Keywords: Hydrogen Refueling Station, SMR, FCV, Hydrogen, Refueling, Demonstration
 
概述
北京加氢站是我国首座高压车用加氢站,它位于北京新能源交通示范园内。该项目不仅得到北京市政府的大力支持,而且得到国家科技部863计划,联合国开发计划署(UNDP)、全球环境基金(GEF)以及英国BP公司的支持。
北京加氢站主要为参加示范运行的燃料电池车辆提供氢气加注服务。占地面积约为3900m2,分两期建设,其中一期主要完成外供氢和氢气加注部分,二期主要完成天然气重整制氢部分。
一期外供氢项目于2006年11月剪彩并正式投入使用。为了更好地保证氢气供应,满足奥运示范运行的需要,我们对北京加氢站进行了技术改造和功能完善。增加天然气重整制氢,产品氢气压缩机,高压储氢罐等设备,改造了氢气加注机。
经过改造,北京加氢站的功能日趋完善,尤其是小型天然气重整制氢设备的投入使用,不但解决了北京加氢站氢气气源问题,而且降低了氢气成本,为圆满完成燃料电池电动车奥运示范项目提供了有力保障。
 
北京加氢站工艺改造及功能完善
自2006年11月正式投入使用后,北京加氢站已经成功为戴克、NISSAN、现代及清华、同济大学自主研制的燃料电池轿车、燃料电池客车完成氢气充装。在二期项目期间,根据站内实际情况,从提高效率和安全性的角度出发,对原有工艺进行了改造并新增了相关设备。


改造后的北京加氢站工艺流程示意图如下:

 

北京加氢站的最新工艺流程是天然气重整制氢装置生产的氢气由一台产品氢气压缩机增压到200Bar进入长管拖车储存,使用时,加注压缩机把长管拖车中的氢气增压到400Bar进入高压储氢瓶组。加注时由高压储氢瓶组的氢气经加注机进入燃料电池电动车辆。整个加注过程自动控制,较一期项目更加安全可靠,而且由于增加了高压储氢瓶组,加注的压力和速度都有了提高。
 
2.1 天然气重整制氢设备(SMR)
天然气重整制氢设备由四川亚联高科技公司提供,额定产气量为50Nm3/h。
产品氢气技术指标见表1:

成分
浓度
H2
平衡
CO
<1.0ppmv
CO2
<1.0ppmv
总碳烃
<1.0ppmv
惰性气体
<200.0ppmv
O2
<5.0ppmv
NH3
<6.0ppmv
H2O
<50.0ppmv
其它化合物
<1ppmv
硫化物(总硫)
<0.01ppmv

表1 天然气重整产品氢气技术指标
 
天然气重整制氢设备采用我国具有四十多年制造和操作经验并且技术可靠的蒸汽转化工艺和一段变压吸附净化法(PSA净化法)。
主要生产过程以天然气为原料,采用烃类水蒸汽转化造气工艺制取粗氢气。转化压力2.0MPa(G),合成气经变换和PSA分离杂质后得到合格的产品氢气,整个工艺分为原料脱硫、烃类的蒸汽转化、一氧化碳变换、变压吸附(PSA)氢气提纯四个主要工艺过程。
转化炉是天然气重整制氢中的关键设备,其小型化是整个研发过程的重点。为此,设备制造方对转化炉的内部结构和布置方式进行了专门的调整,将炉高降低到3.5米以下,极大地减小了转化炉的尺寸,并专门开发了双壳层缠绕式换热器,解决了在800°C、1.8MPa工况下,对原料混合气过热器高金属壁温、高应力和高传热强度的苛刻要求。
在工艺流程上,通过优化调整,使得整套装置在初始升温时能迅速地自产蒸汽,建立蒸汽平衡,保证装置的正常制氢,与常规制氢技术相比,减少了辅助蒸汽系统和氮气循环系统,简化了工艺和设备,有利于整套装置的小型化。
为保证小型天然气重整制氢装置的可靠性,整套装置采用PLC控制系统及独立的PID控制回路。独立开发的控制程序采用顺序控制、均压限速调节、回路调节、自适应随动控制、联锁控制、管理功能、故障诊断功能等多种手段构建了完整、全面、高效、智能的控制手段。系统还设有烟气残氧在线分析、现场可燃/有毒气体检测、燃烧器点火/探测及二十多个连锁系统,在紧急情况下装置能自动停车,有极高的安全可靠性,保证设备和人员安全。
为了保证运输和安装的便利性,整套装置采用了撬装模块化设计(包括:压缩模块、脱硫-中温变换-换热器组模块、转化炉-燃烧器系统-蒸汽发生-配风模块、吸附塔组-程控阀组构成的变压吸附模块、循环水模块、脱盐水模块、仪表空气模块、氮气集装格等),每一个模块有独立支撑的钢结构,有相对独立的管路、气路、水路、控制接线箱,成套设备还有完全独立的控制器、配电箱,它可以随场地的情况自由布置,也可以根据已有公用工程条件删除部分模块,还能依据原料情况、产品要求对部分模块进行调整,大大提高了整套装置的适用性和灵活性。
该装置于2008年4月底运抵北京加氢站现场,于2008年6月初完成调试,6月底产出氢气并实现了安全可靠的连续运行。经多次采样分析,所生产的氢气完全符合燃料电池汽车的用氢品质要求。
 
2.2 产品氢气压缩机
通过天然气重整制取的氢气不能直接为燃料电池汽车加注,必须通过压缩机提升压力之后才能进行加注,为此增设了产品氢气压缩机。
产品氢气压缩机由美国PDC公司提供,额定流量55Nm3/h,最高压力可达400Bar。其功能是把天然气重整制氢设备生产的氢气加压送入长管拖车内储存。产品压缩机于08年5月中旬到达现场并安装调试完毕。
 
2.3 高压储氢罐
氢气高压储罐由美国CPI公司提供。选用的高压氢气储罐为三组气瓶。氢气储罐的额定工作压力为420bar,水容积为1.7 m3,可储存氢气65Kg。高压储罐于2008年3月底安装完毕,能为一至两辆燃料电池客车或两至三辆燃料电池轿车进行直接氢气充装。高压储氢瓶组连接于压缩机末端,与加注管路平行,因此燃料电池车辆充装的气源由原来的压缩机出口改为高压储氢瓶组出口,从根本上提高了充装的安全性,同时也减少了压缩机的启动次数,提高了加注速度。同时,在高压储氢瓶组出口处安装一台气体流量计,计量精度可达到1Nm3/min,从而可以更直观的显示出氢气的用量。经过吹扫、置换和调试,高压储气罐组于4月初正式投入使用。
 
2.4 氢气加注机改造
氢气加注机由美国Genesys公司提供,型号为Series300型,最大充装速度可以达到600 kg/h。北京加氢站原为燃料电池城市客车设计,加注机上原设有两支不同压力的加注枪,可以同时满足国产燃料电池大客车(20 MPa)和D-C燃料电池大客车(35 MPa)的不同接口要求,并能够自动检测氢气流量、压力和温度等参数,保证加注的安全,同时实现加注的自动计量和计价。在为D-C燃料电池客车加注氢气时,通过加注机和车辆上连接的数据线和通讯协议,可以在车上和加注机的显示屏两处读取加注的氢气量。为了更好地满足燃料电池轿车的加注需求并保证加注安全,北京加氢站对原有加注机进行了改造,增加了一把TK16-H350加注枪,并于2008年4月初安装调试完成。
此外,对于以前运行中存在的一些问题也及时进行了整改。如,重新编写了加注系统程序,最大程度上简化了加注过程中的人为操作,实现了自动加注。
 
3、北京加氢站运行保障
3.1 安全
为了安全运行加氢站,我们制定了一系列规章制度,包括操作规程、安全规程、应急预案、加氢站进出制度、质量管理等。这些制度、规程的建立和有效实施有力地保证了运行安全。北京加氢站还通过了消防验收,取得了质检部门颁发的燃料电池车辆充装证。
此外,我们每年还定期与消防部门合作组织加氢站消防演习,真正做到警钟长鸣。演习内容包括消防人员培训灭火器使用方法,火灾逃生,自救知识,现场人员实际操作灭火器,在AP人员下班后,现场出现紧急情况时,重整器操作人员的应急反应以及现场模拟火灾撤离和处理的演习等。
自北京加氢站于2006年11月1日正式运行以来的近两年时间里,圆满完成了各项氢气加注任务,没有出现过一次安全事故。
 
3.2 故障处理
北京加氢站内每台设备都根据各自运转情况拥有一套十分完善的维护与维修方案,这些方案将联合日检、周检、季度检、年(半年)检一并完成。
为了确保装置可以正常、高效的运转,维护工作基本已经融入到了每天、每周、每月的定期检查中。工作人员会严格参照设备维护方案对站内每台装置进行定期检查、养护工作。同时在每天的定时巡查中,认真检查装置的工作状态,一但出现问题,马上采取相应措施。例如,奥运前夕,北京晴雨天气变化较频繁,经常出现由于温差较大而造成的丝扣、卡套等不同程度的松动。每天定时的场区巡检可以及时发现这些细小问题,从而在第一时间作出正确处理。为了排除某些外界因素可能造成的潜在危险,在日常检查项目中还有额外的补充条目。如,防止枯草、枯叶在干燥环境中自燃,安排定期除草;防止设备、氢储容器接地出现问题,定期检查地线接通情况,同时为暴露在空气中的金属部分进行定期除锈。
自加氢站内装置投入使用以来,共进行维修十一次。除两次更换压缩机膜片外,其余均为更换易耗部件。压缩机投产初期,由于机器本身内部零件需要磨合,膜片两次出现小面积破损。经过厂家和技术人员的维修和调试,从07年3月至今,压缩机增压部件未出现任何故障。此外,一些易耗品(如,O型圈、保险管等)由于外界环境、使用频率、电压不稳定等因素而损坏,现场操作人员可以自行修复或更换。修理时间一般不超过5小时。
 
3.3 质量
最初开始示范的燃料电池客车的提供方Daimler-Chrysler公司对氢气质量提出了严格的要求,并被包括北京市及科技部国家项目办等项目合作各方所认同和接受。经过对相关氢气生产厂家的多次评估和考察,综合其生产经营现状、生产能力、资质、安全、氢气质量、价格等多重因素,在外供氢阶段,各方于2005年10月一致同意由美国AP公司提供高纯氢气。
在戴克车辆示范运行过程中,我们严格氢气质量分析,尤其针对燃料电池性能有影响的杂质,如一氧化碳和硫化物等做了详细分析,各项杂质含量均符合戴克车对氢气质量的要求,充分保证了戴克燃料电池公共汽车的示范运行。
在天然气重整制氢设备试运行阶段,我们同样严格分析氢气质量。在确认产品氢气质量已经完全符合燃料电池汽车的要求之后,我们才进行了系统联动,并且保证定期分析重整器产品氢气质量。

另外,根据燃料电池车辆对氢气的要求,在重整器产品氢气出口处,还安装了一台CO在线浓度分析仪,实时监控产品氢气的CO浓度,对氢气品质提供有效的监控和保证。

表2 天然气重整产品氢气分析报告

4、奥运示范
4.1 燃料电池汽车奥运示范
2007年12月8日,在北京奥运会交通工作协调小组召开的会议上,落实了北京2008奥运新能源车示范的总体方案。参与奥运示范的新能源车主要包括:混合动力客车:一汽10辆、东风15辆,主要在围绕奥运村的公交专线上运行。混合动力轿车:一汽5辆、奇瑞50辆、长安20辆,主要作为奥运出租车。纯电动客车50辆,在媒体村和奥运村作为摆渡的大客车,运送中外媒体工作人员和运动员。东风提供的纯电动场地车415辆,主要在场馆内服务。北汽福田/清华燃料电池大客车3辆作为公交车使用。上海大众/同济的燃料电池轿车20辆,主要作为科技部和北京运输局的公共用车。同时,燃料电池轿车和客车都参与了奥运马拉松比赛,轿车作为先导车,大客车作为收容车。此外,中通的5辆纯电动客车担任交通的摆渡任务,由奥组委交通部负责。此次示范项目共投入车辆595辆,运行里程超过200万公里以上,在保证安全运行的前提下,顺利完成了奥运期间承担的运行任务。

为了保障奥运示范项目的圆满完成,我们还在北京新能源交通示范园内建设了燃料电池轿车示范临时维修、停放基地。

图2 燃料电池车示范临时基地及加氢站

图3 奥运女子马拉松比赛接纳队员10人

图4 奥运男子马拉松比赛接纳队员17人

 

4.2 燃料电池客车公交示范

3辆由清华大学研发的燃料电池客车从2008年08月至2009年08月在北京开始公交示范运行。2008年8月1日7:50第一班国产燃料电池客车驶出北京公交永丰站,基本沿384路到颐和园北宫门,再从北宫门沿801路区间段到人民大学之间,运行4圈后载客返回永丰站。运营时间为每周一至周五,3辆车每天客流量超过200人次。

图5 燃料电池客车公交示范运行

 

6 燃料电池客车公交示范路线

 

5、总结
北京加氢站通过两年多以来的示范运行,顺利地完成了为燃料电池公共汽车示范项目和奥运电动车示范项目的车辆加氢任务,现总结如下:
北京加氢站为燃料电池公共汽车和轿车提供加氢服务,在近二年的示范运行期间,圆满安全地完成了各项加氢服务工作。
在示范运行期间,建立了一整套的运行管理制度和相应规程,有效地保证了北京加氢站的运行安全。
北京加氢站运行期间,许多专家、业内人士、官员和媒体到北京加氢站参观、访问,有效地宣传了燃料电池汽车示范项目,也推动了氢能在中国的示范应用。
目前我们正积极寻求北京加氢站新的合作伙伴,并已经取得一定的进展。
如何逐渐商业化运行加氢站是摆在我们面前迫切而现实的难题。
从北京加氢站开始筹建、设计、建设到示范运行,我们积累了许多工程经验,将为国内今后的加氢站建设提供经验和支持。
 
参考文献无。
 
 
全部作者均在北京清能华通科技发展有限公司任职,地址北京市海淀区清华大学东门液晶大楼4500室,邮编100084
第一作者资料:

姓名:孟庆云,男,1967年5月25日出生,职位:经理,职称:高级工程师,研究方向:氢能,技术成果无,电话:010-62796417/13651383629,email:mengqy2008@tsinghua.edu.cn

本文已发表于《客车技术与研究》2009年 第2期

 

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