3.加氢站相关设备 3.1.压力容器（加氢站安全培训连载七）
本帖最后由 roroluofigo 于 2024-5-27 08:54 编辑3. 加氢站相关设备3.1. 压力容器 压力容器是一种用于盛装气体或液体，并能承载一定压力的密闭设备。这些容器在工业、民用、军工等多个领域都具有重要的应用，尤其在化学工业和石油化学工业中应用最为广泛。 压力容器的分类主要基于其工作压力、介质的危害性、容器功能、结构特性、材料以及对容器安全性能的综合影响程度。压力容器的设计、制造、检验和维护都有严格的标准和规定，以确保其安全可靠地运行。由于压力容器在使用中可能会出现泄漏或破裂，从而引发严重的后果，因此它们被归类为特种设备，其生产和使用受到严格的要求和监管。 加氢站中的压力容器是核心组件之一，主要用于储存和分配高压氢气。这些容器需要承受极高的压力，通常设计为能承受35兆帕(MPa)或70兆帕的压力，以满足不同加氢站的需求。氢气的储存主要有气态储存、低温液态储存、固态储存方式，气态储存和低温液态储存都是使用压力容器方式存储，氢气的储存不单是解决氢的储存，更多的是解决氢的运输方式。3.1.1. 氢气气态储存 气态氢气称为“气氢”，为降低氢气储运成本，提高氢气储运量，通常采取缩小储存氢气压力容器体积，增加储存氢气压力方式。压力容器是内部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。 压力容器主要为圆柱形，少数为球形或其他形状。圆柱形压力容器通常由筒体、封头、接管、法兰等零件和部件组成，压力容器工作压力越高，筒体的壁就越厚。3.1.1.1. 按压力等级分类： 压力容器可分为内压容器与外压容器。 内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下 ： 低压(代号L)容器 0.1 MPa≤p＜1.6 MPa; 中压(代号M)容器 1.6 MPa≤p＜10.0 MPa; 高压(代号H)容器 10 MPa≤p＜100 MPa; 超高压(代号U)容器 p≥100MPa。 3.1.1.2. 按容器在生产中的作用分类: 反应压力容器(代号R):用于完成介质的物理、化学反应。 主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。如反应器、反应釜、分解锅、硫化罐、分解塔、聚合塔、高压釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等。 换热压力容器(代号E):用于完成介质的热量交换。 主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器。如反应器、反应釜、分解锅、硫化罐、分解塔、聚合塔、高压釜、超高压釜、合成塔、变换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉等。 分离压力容器（代号S):用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离。 主要是用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离等的压力容器。如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分汽缸、除氧器等。 储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）：用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质。 主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器，如各种型式的储罐。 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。 3.1.1.3. 按安装方式分类 ： 1．固定式压力容器： 有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。工作介质种类繁多，大多为有毒、易燃易爆和具有腐蚀性的各类化学危险品。如球形储罐、卧式储罐、各种换热器、合成塔、反应器、干燥器、分离器、管壳式余热锅炉、载人容器（如医用氧舱）等。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/45d241155b5c82e3ce8ed480e50788c5-sz_379067.png氢气瓶组https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/e0c3a8a3abfc84f97fd311c886c2544b-sz_468058.png储氢罐2．移动式压力容器： 使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。 主要是在移动中使用，作为某种介质的包装搭载在运输工具。工作介质许多都是易燃、易爆或有毒。如汽车与铁路罐车的罐体。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/e53c5d512df96ea7116050de4477b3ef-sz_312722.png长管拖车3．气瓶类压力容器： 作为压力容器的一种，社会拥有量非常之大，有高压气瓶（如氢、氧、氮气瓶）和低压气瓶（如民用液化石油气钢瓶），工作介质许多也是易燃、易爆或有毒物质。也有很强的移动性，既有运输过程中的长距离移动，也有在具体使用中的短距离移动。如液化石油气钢瓶、氧气瓶、氢气瓶、氮气瓶、二氧化碳气瓶、液氯钢瓶、液氨钢瓶和溶解乙炔气瓶等。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/13d353ac0b09798dbce0c97bae8dda75-sz_246682.png氢气气瓶3.1.1.4. 氢气压力容器-氢气瓶分类： 气态氢储氢以高压气瓶为储氢容器，按发展分:Ⅰ型瓶（金属瓶或罐）、Ⅱ型瓶（纤维复合材料缠绕气瓶）、Ⅲ型瓶（内胆铝合金碳纤维缠绕35 MPa）和Ⅳ型瓶，以下为Ⅰ~Ⅴ型瓶对比图。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/0e4fe3e947e964e484c27ea2763cfd3c-sz_47614.pngΙ~Ⅳ型储氢瓶https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/9907a1d11ceefb6e125d491d3195d6ee-sz_362392.png纯钢质金属Ⅰ型瓶https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/1ef22baeb716b200ee84506824edb222-sz_468318.png金属内胆（钢质）纤维环向缠绕Ⅱ型瓶https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/568b6ec93414a5ae40658dad1fff0fad-sz_594141.png金属内胆（钢/铝质）纤维全缠绕Ⅲ型氢瓶https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/310bdd81d331d414e0224addc2f6789d-sz_1181134.png?x-oss-process=style/xmwxⅣ型氢储存瓶的结构图碳纤维复合材料则以螺旋和环箍的方式缠绕在内胆的外围，以增加内胆的结构强度。衬垫作为氢气与复合层之间的屏障，防止氢气从复合层基材的微裂纹中泄漏。采用了聚乙烯内胆与碳纤维全缠绕结构。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/543aa6386ab8b47219479815d3a10080-sz_776651.png碳纤维缠绕示意图https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/c2cb596f4d5e2cd6c86f1c0d1c023ac8-sz_865189.png氢燃料汽车Ⅳ型氢储存瓶结构图3.1.2. 氢气液态储存 将氢气加压、降温冷却至液化温度以下转为液体状态时称为“液氢”。一个标准大气压（约 0.1MPa）下时氢气的液化温度为-253℃（20K）。液氢密度则约为气态氢的865倍（约76.98 g/L）。即使将氢气压缩70MPa，其单位体积的储存量也比不上液态储存。 为了保证液氢20K的极低温，储氢容器必须强绝热，采用双壁层结构，内外壁层之间除保持高真空度，还要放置碳纤维、玻璃泡沫、膨胀珍珠岩、气凝胶等绝热材料。有些大容量长时间的储存容器还要配置制冷装置，确保液氢处20K低温。 为了进一步增加储存量，可增加液氢的压力，液氢是可以压缩的，例如在-252℃下液氢的压力从0.1MPa增至23.7MPa后，其储氢密度从70g/L增至87g/L。这种高压低温液态储氢容器不但要绝热，还要耐高压。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/224e25cfa7d96d8f15d11cc519a9d0ab-sz_446455.png高压低温液氢储罐结构示意图https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/b7e348e5ea4c448293bc6763742a6e31-sz_449536.png小型液氢储罐国外为民用航空研究开发的长寿命全复合材料液氢储罐示意图（图片来自网络）。采用内外双罐设计，中间多层绝热，内层包含一个燃料液位探头、一个热交换器和用于结构健康监测的无源光纤传感器，外层装有压力和氢泄漏传感器。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/7f4874cd5742a753f4a2b138fbbfd65f-sz_465370.png全复合材料液氢储罐示意图https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/d41f912ff2eadd4cc78408bb1682e503-sz_430838.png国外液氢储存罐3.1.3. 固态储存压力容器
氢气固态储存的压力容器和相关技术目前仍在发展阶段，但已经取得了一些重要的进展。氢气固态储存主要依赖于新型固态储氢材料，这些材料能够以固态形式储存大量的氢气，并且氢气可以自由进出这些材料，实现高效储氢。这种储氢方式相比高压气态储氢和低温液态储氢具有成本较低、安全性较高的优势。 氢气固态储存通常指的是使用金属氢化物等材料将氢气以固态形式储存。在这种情况下，氢气不是以气体的形式存在，而是以氢原子的形式嵌入到金属氢化物的晶格中。氢气固态储存的压力和温度取决于所使用的金属氢化物以及储存系统的具体设计。一般来说，固态氢储存的压力和温度要比液态或气态氢储存的范围小。 以下是几种常见的金属氢化物及其相应的氢储存压力和温度范围： 镍氢化物(NiMH):压力约为 10 至 20 MPa，温度约为 20 至 50°C。 铝氢化物(AlH3):压力约为 10 至 20 MPa，温度约为 20 至 100°C。 铜氢化物(CuH):压力约为 10 至 20 MPa，温度约为 20 至 80°C。 需要注意的是，这些数值仅作为参考，实际的氢储存压力和温度范围可能会因不同的金属氢化物和储存系统设计而有所不同，根据现有研究，使用如MgH2的固态储氢材料，其体积储氢密度可以达到106 kg/m³，远高于70MPa高压储氢的密度。对于其他固态储氢材料，如碳纳米管和石墨烯，储氢的压力和温度条件可能有所不同。这些材料的储氢性能通常受温度影响较大，需要在较低的温度下才能实现较高的储氢量。3.1.4. 加氢站常用压力容器 大部分加氢站均采用高压储氢方式，主要使用钢带错绕式储氢罐和大直径储氢长管，见下图。储氢装置设计、制造应符合TSG R0004-2009、JB 4732-1995(2005 年确认)和GB/T 34583-2017《加氢站用储氢装置安全技术要求》的有关规定。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/d5ac5fcdb9af9d05331011cba3299525-sz_385782.png储氢压力容器制造工艺流程大直径储氢长管技术参数如下：公称工作压力:45MPa 充装介质:氢气公称容积:3.12 m3 水压试验压力:75MPa工作环境温度:-40~65 ℃ 充装介质体积:1070Nm3 充装介质质量:96kg 气密性试验压力:45MPahttps://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/05d4dade3702425fef14acb3dc23fb6b-sz_384879.png储氢瓶组（卧罐）https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/43a592b6266d1057a4ef27a8fc44835c-sz_219056.png储氢罐组(立罐）高压储氢罐设计参数如下：工作介质:氢气 介质标准容积:1000/2000/3000/4000m3容器工作压力:45MPa 容器水容积:4/8/12/16 m3设计压力:59MPa 设计温度:-20～80 ℃容器所用主要材料:S31603、Q345R、16MnⅢ容器类别:Ⅲ型储氢容器使用抛丸工艺进行清洁和抛光后进行涂层喷漆，然后通过质量测试。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/095636ed2c7564539eade45bb3f4670b-sz_326492.png罐式储氢装置https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/37122a3810b23d06bd70aeaedb709872-sz_354679.png长管式储氢装置3.1.6. 压力容器置换操作
1．打开储氢瓶组放空阀，确认系统内无压力。 2．打开储氢瓶的根部阀，确认储氢瓶在打开状态，然后打开管路系统上的压力表、安全阀以及压力变送器根部阀，提供系统气动阀仪表气在0.6~ 0.8 MPa。 3．打开对应阀门，打开进气阀门，关闭放散阀门，关闭排放阀。 4．打开氮气主管氮气源，打开置换阀，吹扫置换氮气压力控制在3 MPa左右。 5．控制进气阀，打开向储氢瓶组输送氮气，通过放散阀对储氢瓶组流动吹扫5 min。 6．关闭放散阀，向储氢瓶组充入约3 MPa，关闭根部阀，再打开放散阀，将储氢瓶系统泄放至微正压。 7．重复上述步骤6，充气放气置换约5次以上，则储氢瓶组使用前置换完成。 8．关闭放散阀，关闭氮气置换阀。 9．打开压缩氢气管路，系统控制，储氢瓶组即可投入使用。 10．投入使用后，日常检查确认储氢瓶组放空阀在关闭状态，确认储氢瓶的根部阀在打开状态，系统管路上压力表、安全阀、压力变送器根部阀在打开状态，瓶组进气管路阀门在打开状态，氮气置换阀在关闭状态。3.1.7. 压力容器维护1．安全附件检查维护：定期检查压力表、压力变送器，安全阀是否失准或超期，对到有效期或发现失准的应立即进行检定；发现管路、阀门有变形和裂纹，应必须停止使用，通知有资质的专业厂家处理。 2．设备基础检查维护：储氢罐基础是否有沉降现象，每年检查接地扁铁是否完好，视情况维修。 3．仪表风系统维护：每季度检查电磁阀磨损，视情况维修；消音器月检是否有氧化堵塞现象。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/cbb9333e0357c3a292c480a3156fd787-sz_139318.png检测接头https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/e6d980e82af44756160b71346e87cf38-sz_159177.png密封接头3.1.8. 检验周期 特种设备安全技术规范《TSG 23—2021气瓶安全技术规程》，气瓶的首次定期检验日期应当从气瓶制造日期起计算，气瓶的首次定期检验日期应当从气瓶使用登记日期起计算，但制造日期与使用登记日期的间隔不得超过一个定期检验周期。https://img.xiumi.us/xmi/ua/1tx9e/i/59a3e4e5120b7d31f436863e3dd74fbd-sz_288697.png
天下氢能第一，古今易燃无双。
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