在“双碳” 目标指引下，我国能源革命势在必行。氢能作为众多一次能源转化、传输与融合交互的纽带，是实现碳达峰、碳中和的关键。目前，氢能应用主要在交通领域，加氢站作为产业链下游环节，是保障氢能燃料电池车产业发展，实现终端零碳排放的关键。PEM制氢设备采用现场谷电电解水制氢与外购氢互补的形式作为氢源，不仅能丰富上游气源，保障加氢站的稳定运营，通过“削峰填谷”降低氢源成本，还有利于减少氢气长管拖车运氢对城市安全带来的潜在风险，被视为最适合城市加氢站建设发展的路径之一。两路气源的制氢加氢系统，如何实现高效的深度融 合， 提 高 整 体 效 率， 是 需 要 解 决 的 首 要 问题。目前，加氢站主要以高压氢气进行加注，核心关键设备为氢气高压压缩机，尤其是45MPa氢气压缩机。同时，由于国内技术水平相对落后，进口 45MPa氢气压缩机占据加氢站主要市场，压缩机的成本占加氢站总投资的约50%。同时，由于整站压力、温度最高的情况均出现在 45MPa 氢气压缩机条件下，后期运营维修也多。因此，文中从降低 45MPa氢气压缩机负荷，提高整站效率与经济效益等角度出发，进行现场制氢与外购氢结合加氢站系统工艺优化研究。 针对常规的现场制氢与外购氢结合加氢站系统进行优化，提出一种优化方案。同时，为了对比常规工艺与优化工艺在能耗、经济性方面的差异，以某现场制氢与外购氢结合加氢站系统为例，进行计算模拟对比分析。 水电解制氢设备
该加氢站加氢量为 500kg/d，制氢装置的规模为300m3/h，谷电时长为8h。经计算，加氢站现场电解水制氢能力约为 214kg/d，其余 286kg 氢气采用外购氢补充。外购氢通过长管拖车进行输送，长管拖车充满时压力为 20MPa。制氢装置出口压力为3MPa，温度为 30℃。终端加氢压力为 35MPa。 如图 １ 所示，在谷电时期，以现场制氢装置为主，进行现场制氢。制得的氢气压力约为3MPa，经过滤器通入20MPa氢气压缩机。加压后通入20MPa储罐。储罐出来的氢气通入45MPa氢气压缩机，加压至 45MPa，再通过水冷系统冷却至 30-45℃。而后通入 45MPa储罐。当下游有用氢需求时，45MPa储罐内的氢气依次经过顺序控制柜、加氢机加注至车载储氢瓶中。在非谷电时期，制氢装置关闭，以外购氢作为氢源进行运营。氢气长管拖车内的高压氢气经过卸气柱接入45MPa氢气压缩机，进行加压储存至45MPa储罐中，以供后端使用。在实际运营中，受现有45MPa氢气压缩机性能的限制，氢气长管拖车内的氢气压力低于7MPa左右时，压缩机出口氢气温度过高，卸车速率较慢，多数加氢站便停止卸车。如图２所示，文中提出了一种现场制氢与外购氢系统结合工艺优化方案，基于现有设备，在卸气柱后设置一段支路。当长管拖车内压力较低时，关闭主路阀门，打开支路阀门，卸气柱出口氢气通过压力调节阀，调节至1-3MPa后，先通入20MPa氢气压缩机，加压冷却后，通入20MPa储罐，再通过45MPa氢气压缩机加压，供后端使用。
以氢气终止卸车压力为1MPa为例，计算不同卸气柱出口氢气压力下，原工艺与优化工艺将氢气加压至45MPa所需的能耗与对应的压缩机出口氢由图３可知，对于仅有主路的原工艺，当卸气柱氢气出口压力高于 7MPa时，系统能耗低于75kW，45MPa氢气压缩机的出口温度低于300℃，能耗与温度增加的速度同时较为缓慢；当卸气柱氢气出口压力低于7MPa左右时，由于压缩比较大，45MPa氢气压缩机能耗与出口温度分别骤增至90kW与300℃以上。不仅造成能耗的增加，也对设备材料提出了更高的要求，提高了设备的投资。高纯氢气发生器
通过在原工艺基础上增加支路，以7MPa作为切换压力。当压力低于7MPa时，将卸气柱出口氢气通过支路调压后再依次通过20MPa氢气压缩机与45MPa氢气压缩机加压至45MPa，系统能耗可稳定在75kW左右，同时控制45MPa氢气压缩机的温度低于150℃；当压力高于7MPa时，依然采用原工艺主路，将卸气柱氢气直接通入至45MPa氢气压缩机。优化工艺通过主路、支路配合，不仅能降低压缩机负荷，确保压缩机出口温度不超过250℃，稳3定45MPa氢气压缩机工况，延长压缩机使用寿命。
在实际操作中，为了避免当卸气柱氢气压力低于7MPa时，导致的45MPa氢气压缩机出口温度过高的现象，仅卸车至7MPa左右。本文提出的优化工艺，除了在提高系统性能、保护45MPa氢气压缩机方面效果显著外，还可降低氢气终止卸车压力，提高氢气长管拖车的氢气有效卸车量。
以载氢量为380kg，储氢压力为20MPa的氢气长管拖车为例，分别计算不同氢气终止卸车压力条件下的卸氢量与氢气成本，结果如表 １ 所示。由表 １ 可知，以氢气终止卸车压力为2MPa为例，优化工艺能够提高长管拖车38.46%的有效卸氢量，同时降低储运成本，使到站氢气成本从 42.15元/kg降低至 38.77元/kg，降低了8.02% 。虽然，卸气柱出口氢气压力低于7MPa时，受 20MPa氢气压缩机入口压力范围的要求，需要将氢气调压至2MPa，再依次加压导致系统加压氢气能耗略有提高，平均加氢能耗从 1.48元/kg增加至1.62元/kg，但由于增幅较小，最终氢气出售成本从 43.11元/kgｇ降低至 39.82元/kg，降低了 7.63%。当氢气终止卸车压力由3MPa降至1MPa时，对有效卸氢量和氢气出售成本有一定影响，有效卸氢量由323kg增加至 361kg， 与 旧 工 艺 相 比 增 幅 为 30.77% —46.15%；平均加氢能耗略有增加，从1.56kW/kg 增加至1.69kW/kg，但由于增加了有效卸氢量，氢气出售成本依然呈降低趋势，即从 40.30 元／kg降低至 39.41元／kg，与旧工艺相比，降幅为6.52% —8.58%。由此可知，当购氢成本为30元/kg时，通过此优化工艺将氢气尽可能多地卸车，能有效降低氢气出售成本。
计算不同氢气终止卸车压力下，购氢成本从5元/kg增加至40元/kg时的氢气出售成本，结果如图 ４ 所示。
由图４可知，购氢成本会对氢气出售成本造成影响。通过优化工艺，降低氢气终止卸车压力，能有效降低氢气出售成本。当购氢成本从40元/kg降低至5元/kg时，优化工艺的氢气出售成本均低于原工艺，但降低程度呈减缓趋势。（１）优化工艺可避免低压氢气直接通入45MPa压缩机，导致压缩机压缩比高，确保压缩机出口温度不超过250℃，避免排气温度过高造成机头材料受损的现象，稳定45MPa氢气压缩机工况，进而提高加氢站核心设备45MPa压缩机的寿命，保证加氢站稳定高效运行。（２）通过设置卸气柱后端支路，可将氢气长管拖车内的氢气从常规的 7MPa降低至3-1MPa。可提高拖车内氢气利用率30.77%—46.15%，进而降低到站氢气成本6.79%—9.11％。虽然通过支路会增加氢气加压能耗，但由于增幅较小，最终优化工艺仍能降低氢气出售成本6.52％—8.58％。（３）在购氢成本在5-40元/kg时，优化工艺在降低氢气出售成本方面具有优势。同时，随着购氢成本的降低，优化工艺在降低氢气出售成本方面的优势呈下降趋势。
总之，本文通过在常规现场制氢与外购氢结合系统的基础上，通过设置支路，能对保护 ４５ ＭＰａ 氢气压缩机，提高长管拖车有效卸氢量，降低氢气出售成本方面具有显著的作用，可为实际生产运营提供参考。
