案例展示

加氢站模块化、智能化集成应用

一、 企业介绍

正星氢电科技郑州有限公司(以下简称“正星氢电”)是正星科技股份有限公司(以下简称“正星科技”)的全资子公司,注册资金五千万元,现位于郑州市高新技术产业开发区雪松路2号。正星科技成立于1997年,注册资金一亿零六百九十八万元,是国内最大的能源测控装置生产制造企业。公司定位于能源消费终端的综合服务商,为能源消费终端(加油站、加气站、充电站、加氢站以及合建站)提供设备、系统以及整站解决方案。正星科技在交通能源高端装备制造领域深耕20余年,产品和服务已经实现了油、气、电、氢等能源消费品类的全覆盖。

无论是生产能力、技术研发、产品质量,正星一直走在行业的前列,以科技创新追求卓越,以超前的眼光引领行业发展。“碳达峰、碳中和”双碳目标下,正星将继续发挥自身优势,持续布局氢能基础设施领域,为降碳减排贡献力量,助力推进碳中和目标早日实现。

二、做法

正星在氢能基础设施领域始终坚持自主技术研发与产品创新。经过多年深耕,在加氢站关键设备和系统领域已成功研发具有自主知识产权的系列产品,包括卸气柱、压缩机橇 、顺序控制盘、换热器、加氢机、加氢站控制系统、氮气系统等,关键产品通过国家及行业认证,达到国际领先水平。为35MPa和70MPa加氢站提供模块化、智能化整体解决方案,系列产品成功投放市场。

正星氢电模块化、智能化加氢站整站解决方案具体如下:

(一) 依据标准

正星氢电加氢站的设计、施工及安全管理符合GB50516-2010(2021修订)《加氢站技术规范》、GB50156-2021《加油加气加氢合建技术标准》、GB50177-2020《氢气站设计规范》、GB/T4962-2008《氢气使用安全技术规程》、GB/T 34584-2017《加氢站安全技术规范》、GB/T 34583《加氢站用储氢装置安全技术要求》、GBZ 34541《氢能车辆加氢设施安全运行管理规程》等相关国家规范要求。

(二) 解决方案

采用外供氢模式作为氢气来源,即用长管拖车运送氢气到站。

35MPa加氢站:氢气通过卸气柱质量计量后进入45MPa氢气压缩机,经45MPa压缩机增压后通过顺序控制盘顺序控制后按照高、中、低压的次序依次储存到45MPa储氢容器中,45MPa储氢储氢容器内的氢气通过顺序控制盘顺序控制后按照低、中、高压的次序依次供气,氢气经过冷却换热系统冷却后进入加氢机,经质量计量后加注到燃料电池汽车的储氢瓶内,完成35MPa加注,系统支持管束车直充和45MPa压缩机直充加注模式,该种模式支持车型为公交车、物流车、叉车、市政车辆等燃料电池汽车。

70MPa加氢站:90MPa压缩机从45MPa中压储氢容器取气,氢气经压缩机增压至90MPa后,通过顺序控制盘顺序控制后按照高、中、低压的次序依次储存到90MPa储氢容器中,45MPa储氢储氢容器内的氢气通过顺序控制盘顺序控制后按照低、中、高压的次序依次供气,氢气经过冷却换热系统冷却后进入加氢机,经质量计量后加注到燃料电池汽车的储氢瓶内,系统支持45MPa高压储氢容器直充和90MPa压缩机直充加注模式,该种模式支持车型为70MPa公交车、乘用车等燃料电池汽车。

正星科技所供站内设备:

自主研发制造:卸气柱、氢气压缩机橇、顺序控制盘、加氢机、换热器、加氢站控制系统(控制系统(站控PLC、UPS电源和启动柜、SCADA系统)、燃气及火焰报警系统、视频监控系统、收费系统(IC卡系统)、周界报警系统、紧急切断系统等)、氮气系统(吹扫、仪表风系统)、放散系统等。

外购配套产品:储氢容器、冷水机组。

站内加氢设备设施均采用模块化方式设计和供应,设备集成工厂完成制造和集成。现场施工只需固定设备、进行设备间的管道连接和电缆连接施工,减少现场施工难度,提高施工效率。

(三) 整站安全设计

整站具有泄漏监测及其联动保护装置,包括站级设备控制系统(包含站控PLC系统和SCADA操作站、可燃气体报警控制系统、火灾报警控制系统、视频监控系统、全线氢气泄漏自检及预警系统、紧急切断联锁系统、周界报警系统)和电气系统,并完成对各个区域的氢气泄露、火焰探测、视频监控和声光报警功能,当发生氢气泄漏高报、站区着火或者按下站级急停,系统自动触发ESD紧急切断系统,执行全站紧急切断联锁程序,停止所有动力设备运行,同时切断站内氢气管线,确保站场人员和设备安全。

(四) 节能降耗及安全创新设计

为保证加氢站安全运营,节能减耗,正星氢电做了如下创新设计:

· 设置整站能耗监测计量功能,实时掌握各设备的运行工况;

·设置远程传输、支持在线维护功能,保证生产的可靠性及稳定性,实现生产过程中的不停机维护功能,设备正常运行期间,能够在本地及远程实现PLC程序的运行监控,以及根据新的工艺要求修改并更新PLC程序,但不影响设备的正常运行;

·报警分为全站报警和设备报警,兼顾安全性和可靠性;

·设置全线氢气泄漏自检及预警功能,系统利用夜间的空闲时间,定时进行全线氢气管线的氢气泄漏自检及预警功能;

·配置大数据管理及远程监管平台,该平台支持油、氢、气、电合建站;

·配置数据移动端显示功能,实现站内设备的运行数据在移动端显示,具备将交易明细实时发送至许可的手机终端,具有日报表、周报表、月报表等功能;

·配置监控计算机操作站和触摸屏,保证设备可靠运行及生产的稳定性;

·设置燃料电池车车载气瓶内氢气温度模拟功能,能够实时计算及显示燃料电池车车载气瓶内氢气温度;

·设置储氢容器内氢气质量的实时计算及显示功能;

·设置储氢容器循环周期的累积折算,以助于掌握每一组储氢容器的疲劳深度。

·设置设备及零部件运维服务管理,具有整站设备保养预警提示和异常报警报表输出等功能。

(五) 关键设备技术介绍

1、加氢机

·整机产品采用一体式模块化设计,集成度高;

·加氢机整机通过国家防爆认证,防爆等级:Ex d e ib mbⅡC T4 Gb;

·整机计量精度高,通过中国测试技术研究院计量认证,河南省计量院计量测试认证。(计量精度≤±1%,高于国标要求≤±1.5%)。

·加氢机电控系统独立防爆认证,支持油气电氢一卡通计费系统,通过国家银行卡中心认证、中石油系统认证、中石化系统认证;

·国内首台35MPa/70MPa一体式加氢机通过国家防爆认证,满足35MPa/70MPa双枪同时加注,符合SAEJ2601、SAEJ2799国际标准要求。

·70MPa加氢机加注通讯协议、硬件配置情况已对接福田70MPa氢燃料电池公交车和丰田MIRAI轿车加注,符合SAEJ2601、SAEJ2799国际标准要求。

2、压缩机橇

·整机产品采用一体式模块化设计,开放式成橇设计;

·采用隔膜式氢气压缩工艺,压缩比大、压缩介质零污染;

·压缩机橇整机通过国家防爆认证,防爆等级:Ex d e ib mbⅡC T4 Gb;

·正星为美国PDC压缩机国内成橇商,压缩机工艺系统通过美国PDC技术认证,压缩机出口氢气温度≤30℃,达到国际领先水平。

·正星针对商用加氢站,推出新一代橇装隔膜式氢气压缩机,管束车回车压力可低至3MPa,氢气综合利用率提高20%。

3、顺序控制盘

·整机产品采用箱体式模块化设计;

·支持45MPa加氢站顺序控制,90MPa加氢站顺序控制,以及45MPa/90MPa加氢站顺序控制;

·顺序控制盘整机通过国家防爆认证,防爆等级:Ex d mb ⅡC T6 Gb;

·整机结构设计满足45MPa加氢站升级或扩建90MPa加氢站模块化升级需求。

4、加氢站职能控制系统

·系统采用国内加氢站行业首创的防爆设计,通过国家防爆认证设计,防爆等级Ex d e ib mb px IIC T4 Gb / Ex nA d e ib mb px IIC T4 Gc,可放置于站内危险场所的1区或2区,模块化设计,结构紧凑,减少长距离布线,提高通讯响应时间,无需单独布置加氢站控制室,并可用于移动式橇装氢气加注装置。弥补了目前传统型采用非防爆设计的加氢站PLC控制系统占地面积大、且只能应用于固定加氢站安全区等不足。

·系统可智能分析加氢站设备运行数据,结合云端智能服务器,实现设备故障预警,变故障事后处理为事先预防。并及时提供设备维保及配件更换提醒服务,可提高整站设备运行可靠性,减少加氢站运营维护成本。

·系统通过放置于加氢站各功能区域的温度、压力、震动、泄漏检测、火焰检测、视频监控、语音监听传感器,可实时监控氢气泄漏、燃烧、非法入侵等异常情况,并及时启动紧急切断、消防、报警等安全系统,确保加氢站安全运行。

·系统通过在卸气系统中配置的质量流量计实现卸车过程中氢气的质量计量,结合对卸载的氢气温度、压差计算,可及时获取准确计量数据。

·系统通过在卸气系统、加注系统中配置的氢气流量自动控制阀门,结合比例微积分运算,可实现对氢气流量、流速的连续精确控制,以提高加注效率及设备运行稳定性。

·系统具备氢气顺序充装及顺序加注功能,支持管束车直充和压缩机直充,可根据不同工况自动选择直充、分级取气等充装加注方式。

·系统可根据站内储氢容器的使用时间、充放次数、维修周期;独有的储氢容器倒罐专利技术,自动实现高、中、低压储氢容器的分级设置调整,提高储氢容器的综合使用寿命,降低运维成本。

·系统具备电力测量分析功能,通过多功能电力仪表,实时采集各设备的电压、电流、功率和功耗等,并进行能耗计量分析、显示、上传,有助于加氢站合理配置设备运行方案,实现节能减排,低碳运行。

加氢站能够迅速规模化布局的关键核心不仅在于核心硬件设备的技术自主化、国产化,更依赖于成熟、完善、科学的加氢站智能控制系统对于加氢站运行的安全、高效和智能管控。正星氢电自主研发的“加氢站智能控制系统”荣获2019年中国石油和化工工程研究会科学进步一等奖和荣获2021年中国汽车工程学会与国际氢能燃料电池协会第二届“氢能与燃料电池技术创新奖”优秀奖。

加氢站装备的模块化设计将助力加氢站的运营方快速新建、改扩建加氢站,整站的智能化应用将加强加氢站核心设备实施智能化的运营监控和管理,优化整站运营流程,提升加氢站的安全运行指数和自动化、智慧化水平,使加氢站的运行更加安全、高效和智能。

三、 效果

正星氢电经过多年自主研发,目前,正星已经在上海、北京、浙江、广州、河南、山东、湖北、贵州、江西、山西、成都、重庆、天津等地投资或者参与建设了多座加氢站和油氢合建站。其中,以第一名的成绩中标北京中石化为冬奥会配建的加氢站,目前第一座站庆园街919油氢合建站已经开始运营,为35MPa和70MPa燃料电池车辆提供加注服务。上海中石化青卫油氢合建站亦开始运营,提供35MPa/70MPa加注服务。此外,正星与中石化成立的合资公司在上海嘉定投资建设并运营了上海市首批商业化运营的油氢合建站。近期,正星又接连中标山东中石化、天津中石化、江西中石化、湖北中石化和中石化四川石油天府机场服务区南站加氢站项目。截止到2021年8月,正星加氢站装备和系统系列产品已经覆盖了国内近40座加氢站。其中,在国内建成、在建以及待建的加氢站和油氢合建站共计17座,预计到2021年底将超过20座。

以正星承建的北京中石化冬奥会庆园街加氢站为例:该站加氢设施的工艺及管道流程图设计和整站设备制造、安装调试均由正星负责完成。所供加氢设施按照多模块化方式设计和供货,具体而言是将加氢设施按照功能集成为若干个模块,每个模块集成了相关的设备、仪表、管线和仪表、动力电缆,并在设备集成工厂完成制造和集成。模块产品到现场后,进行设备固定、设备间的管道连接施工和连接电缆施工,最小化现场施工工程量。

为满足现有燃料汽车用氢需求,同时实现 35MPa、 70MPa 氢气加注,本加氢站采用固定装置+移动装置储氢,建成后设计规模为日加注氢气1500kg/d(12h)。其中, 35MPa 加注氢气量 500kg/d、70MPa 加注氢气量 1000kg/d。

该站集成加氢设施包含2台卸气柱、3台45MPa压缩机、2台90MPa压缩机、3组45MPa储氢瓶组、2组90MPa储氢罐、1台45MPa顺序控制盘、1台90MPa顺序控制盘、2台35MPa 加氢机、2台 70MPa 加氢机、9套冷水机组(压缩机预冷、加氢机加注预冷用)、氮气系统、放散系统、以及加氢站控制系统。

该站目前已经完成了整站设备部分的安装和调试,即将投入运营。该站冬奥会期间,将为冬奥会专属氢燃料电池大巴提供氢气加注服务,助力绿色冬奥。冬奥会结束后,每天将能够至少为150辆氢燃料电池车提供氢能加注服务,将能够减少碳排放近4500吨/年。

到2023年底前,正星氢电拟在全国布局至少100座加氢站。按照1座加氢站平均服务100辆氢能源汽车测算,正星氢电在全国布局的加氢站每天将至少为10000辆氢能源汽车提供绿色清洁的氢能加注服务,将能够减少碳排放3000000吨/年。具有显著的减排效果。

主办单位:《中国企业家》杂志社