光伏制氢系统设计总则

Q/LB.□XXXXX-XXXX光伏制氢系统设计总则范围本文件描述了光伏发电-电解水制氢系统设计的总体要求。本文件适用于光伏发电系统的设计以及电解水制氢系统的配建设计。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T19774-2005水电解制氢系统技术要求GB32311-2015水电解制氢系统能效限定值及能效等级SJ/T31456-1994电解制氢氧设备完好要求和检查评定方法NB/T11422-2023分布式光伏发电系统工程技术规范QX/T248-2014固定式水电解制氢设备监测系统技术要求DB13/T5814-2023车棚用光伏发电系统设计规范DB44/T2440-2023制氢加氢一体站安全技术规范DB61/TXXXX-XXXX可再生能源制氢工程设计规范GB50156加油加气站设计与施工规范GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气GB/T3634.1-2006氢气第1部分:工业氢GB3634.1氢气第1部分：工业氢GB/T34537车用压缩氢气天然气混合燃气GB/T34584加氢站安全技术规范GB/Z34541氢能车辆加氢设施安全运行管理规程GB/Z34583加氢站用储氢装置安全技术要求GB/T37243危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法中华人民共和国安全生产法中华人民共和国消防法中华人民共和国建筑法建筑工程施工许可管理办法建设工程消防设计审查验收管理暂行规定危险化学品安全管理条例气象灾害防御条例防雷减灾管理办法术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。4总体要求4.1一般要求4.1.1应在符合用地规划许可和建设工程规划许可的前提下，利用空旷区域、停车场、建筑屋顶搭建光伏发电系统。4.1.2光伏制氢系统的设计须符合《中华人民共和国安全生产法》、《中华人民共和国消防法》、《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国环境影响评价法》、《中华人民共和国特种设备安全法》、《中华人民共和国建筑法》、《建筑工程施工许可管理办法》、《建设工程消防设计审查验收管理暂行规定》、《危险化学品安全管理条例》、《安全生产许可证条例》、《气象灾害防御条例》、《防雷减灾管理办法》的相关规定。4.1.3光伏制氢系统的规模应综合考虑安全、单位产品综合能耗、运营维护成本，用地规划，车辆运营里程、频次、运营时长，工业生产耗氢需求量，光伏系统发电效率、气候条件等因素，合理计算氢气消耗量，并根据氢气消耗速率，科学设计光伏发电系统、制氢系统、储氢系统的规模。图1光伏发电-制氢-储氢-加氢系统架构图4.1.4光伏制氢系统架构应由光伏组件、汇流器、配电网、变压器、变流器、电解槽、氢/氧气分离装置、氧气储存罐、供氧管路、氢气冷却器、氢气气液分离装置、氢气纯化装置、氢气汇流排、压缩机、缓冲罐、储氢罐、加氢机或管路、自动控制及监测系统构成，如图1所示。4.1.5光伏发电系统最大出力宜大于最大制氢负荷。4.1.6用于氢燃料电池车辆的氢气质量应符合GB/T37244的规定，用于氢气内燃机或氢气天然气混合燃料车辆的氢气质量应符合GB3634.1和GB/T34537的有关规定。工业用氢气质量应符合GB/T3634.1-2006的有关规定。4.2总体布局4.2.1氢能基础设施，特别是加氢站，由于其需要靠近用户，其选址设置，应该根据地形、地貌、风向、城市规划、土地利用规划、交通规划、及周边地区人口、居民区分布现状，进行总体布局，有可能造成危险的装置，要充分利用项目所在地的地形地貌、风向、周边环境合理布局，力求把对相邻单位和设施的影响减少到最小程度。总图方案尽量做到地势平坦、不窝风，与周边设施之间的距离符合相关设计规范的规定。4.2.2选址临近码头设施或涉及影响部分规划港口岸线和港口陆域，可能影响港口运营安全，需要进行深化论证并根据论证结论优化调整选址方案，具体项目在立项阶段应充分征求意见，确保符合安全管理要求。4.2.3设施选址、设计、施工、运行及安全管理，应符合GB50516、GB/T34584、GB/Z34541、GB/Z34583、等有关标准规定。4.2.4应根据GB50516的要求，不在城市中心区建立一级加氢站规模的光伏发电制氢系统，系统宜靠近城市道路，但不应设在城市干道的交叉路口附近。在符合加氢站相应安全间距要求的条件下，在城区可建设二级、三级加氢站规模的光伏发电制氢系统。4.2.5为了进一步降低高氢能基础设施潜在的安全风险，可以引入科学的分析及管理方法。在项目选址、设计阶段，引入定量风险分析（QRA），生产流程危险与可操作性分析（HAZOP），安全仪表功能SIL定级分析并设置安全仪表系统（SIS），提升氢能基础设施的安全性。4.2.6在当前工程设计标准规范中，多数情况下安全距离的设置只考虑了防火安全距离的要求，对于防爆等还停留在原则要求的层面上，并没有可执行的明确规定，可研究制定相关团体标准。在氢能基础设施的选址评估和安全布局方面，可以参照发达国家经验，并根据GB/T37243《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》的规定，推行先进的“定量风险分析（QRA）”方法。通过科学计算来检查、复核规范要求的安全间距值，确定合理的安全间距，并允许通过增加安全阻隔遮挡措施，解决选址中出现的困难。氢气站外部间距建议除应满足标准规范要求外，也允许采用定量风险评价方法确定外部安全防护距离，以推进加氢站项目审批、建设和进一步降低项目的潜在安全风险。4.2.7为保障制氢系统的稳定性，电解水制氢系统应与配电网相连，当光伏发电不稳定因素导致制氢效率无法满足当日需求时，可由配电网电解水制氢系统补偿氢气供应。4.2.8可充分利用夜间电网谷底电价补给氢气制备所需电量。4.2.9制氢、储氢及加氢系统应远离明火、远离人员密集区域。5能效要求5.1由电解水制氢系统产生并经加氢系统加入外部车辆的氢气，每千克能耗应不大于60KW.h。5.2标准测试条件下，光伏发电系统的发电效率应不小20%。5.3变流器电能输出效率不低于97%。5.4电解水制氢效率不低于90%。单位氢气直流电能消耗不大于4.2kW.h/Nm3。5.5每千克氢气的压缩能耗要求见表1所示。氢气经压缩后进入高压储氢罐中的氢气日损失率不大于1%。表1氢气压缩能耗储氢罐压强（MPa）103570压缩能耗（MJ/kg）1320406技术要求6.1光伏发电系统技术要求6.1.1利用空旷区域建造光伏发电系统应符合NB/T11422-2023的规定。利用现有场所建造光伏发电系统时，宜利用空旷区域搭建钢结构顶棚，于顶棚上方安装光伏组件，或在建筑屋顶搭建光伏组件。6.1.2根据地域纬度及季节交替合理设置光伏面板倾角。6.1.3发电系统设计应综合考虑辐照、结构、防雷、运维及有关安全防护、安装和运输等因素。6.1.4安装光伏发电系统时，应进行结构安全、电气安全的校核，并应满足光伏组件所在部位的防火、防水、防雷、防风、防震等相关规定。6.1.5光伏发电系统的消防设施应符合DL/T5027的规定，在改建部位增设光伏发电系统，不得影响消防设施的使用。6.1.6钢结构光伏发电系统规划设计应进行环境因素、结构强度等方面的资源评估。6.1.7在新建钢结构安装光伏发电系统应合理规划在建筑群体中的位置，应避免周边环境、景观设施和绿化种植等的投影遮挡光伏组件。6.1.8在改建建筑安装光伏发电系统不应降低建筑本身或相邻建筑物的日照标准。6.1.9利用停车棚安装光伏系统时，结构设计、光伏方阵设计、电缆选择及敷设、汇流箱、配电箱及发电系统远程监控系统、防雷及接地的配置应符合DB13/T5814-2023《车棚用光伏发电系统设计规范》的相关规定。4.1.10光伏发电系统搭建应符合NB/T11422-2023的规定。6.2变流器技术要求6.2.1变流器的技术要求应符合GB/T34120-2023的规定。6.2.2电解水制氢系统由DC/DC变流器、产氢气速率为1000m3/h的电解槽配置一部DC/DC变流器。DC/DC变流器为绝缘栅双极晶体管（IGBT）型。6.2.3需多个IGBT并联、功率单元并联，采取均流控制措施，防止单个IGBT电流过大而损坏。6.3电解水制氢系统技术要求6.3.1光伏发电系统生成的电能经汇流器、变流器后输入电解水制氢系统。6.3.2电解水制氢工艺宜采用质子交换膜（PEM）电解水技术路线。采用PEM水电解制氢系统应符合GB/T19774-2005的规定。6.3.3电解水制氢系统由电解槽、氢气分离器、氧气分离器、氢气洗涤器、氧气洗涤器、氢气冷却器、氧气冷却器、氢气气液分离器、氧气气液分离器、碱液冷却器、碱液循环泵等部件组成。系统结构示意图如图2所示。图2电解水制氢系统结构示意图6.3.4电解水制氢系统的技术要求应符合GB/T19774中5.1.1.2~5.1.1.3以及5.1.3和5.2的要求。6.3.5电解水制氢系统的管路、附件应符合GB/T19774中5.3的要求。6.3.6电解水制氢系统的电气设备、配线应符合GB/T19774中5.4的要求。6.3.7电解水制氢系统的自动控制及监测系统应符合GB/T19774中5.5的要求。6.3.8每套电解水制氢系统的氢（氧）出气管与氢（氧）气总管之间，应设放空管、切断阀、分析取样阀。6.3.9设有原料水制备装置，包括原料水箱、原料水泵等。原料水泵出口压力应与制氢系统工作压力相适应。6.3.10质子交换膜水电解槽水质要求：电导不大于1.0mS/m，可氧化物质含量不大于0.08mg/L，吸光度不大于0.01，蒸发残渣不大于1.0mg/L。6.3.11循环冷却水的水质要求：pH值为6.5~8，氯离子含量不大于200mg/L，硫酸根含量不大于200mg/L，钙离子含量不大于200mg/L，铁离子含量不大于1mg/L，离子含量不大于1mg/L，溶解硅酸含量不大于50mg/L。6.3.12电解水制氢过程中形成的副产品——氧气应通过储存罐、管路供氧进行收集或直接利用。6.4储氢系统设计要求6.4.1电解水制氢系统制备出的氢气经氢气汇流排后进行压缩，流入低压缓冲罐中。6.4.2低压缓冲罐中的氢气经二级压缩后流入高压出储氢罐中。6.4.3高压储氢罐的压强规格宜采用20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、45MPa。6.4.4储氢容器罐应采用并联布置。设置备用容器罐，防止容器罐检修、更换期间无法工作。6.4.5储氢容器罐宜采用碳纤维缠绕式不锈钢储氢罐。6.4.6储氢罐为中、低压，储量大于或等于10000Nm3时，宜采用球形储氢罐，储量小于10000Nm3时，宜采用筒形储氢罐，储氢罐为高压，宜采用筒形储罐，当氢气储量不大于15000Nm3，可采用大容积气瓶储氢组。6.4.7储氢装置的储存容量应根据氢气产量、氢气压力等参数确定，符合GB50516的要求。6.5自动控制及监测系统6.5.1电解水制氢系统的自动控制及监测系统应符合GB/T19774中5.5的要求。6.5.2自动控制及监测系统可实现公交车运营里程测算并及时进行电网制氢补偿。6.5.3安装独立的安全系统，且在出现异常、故障或失灵时，能自动触发应急和报警。7安全技术要求7.1水电解制氢系统的氢气排空前，应装设阻火器。氢气阻火器应安装在靠近氢气排空口处。阻火器后的氢气管道应采用不锈钢棺材，并设置防雨帽。7.2水电解制氢系统应设置两路独立的超压联锁保护装置，以保障系统安全运行。7.3压力泄放装置中的安全阀的整定压力为1.05倍~1.1倍工作压力，安全阀应符合GB/T12241的规定。7.4严格控制处于爆炸危险区的人员数量和停留时间。7.5储氢系统应尽量减少接头和其它可能产生泄漏的潜在危险的数量和火源。7.6储氢系统不得处于负压状态。7.7储氢系统与加氢机之间应设置切断阀、氢气主管切断阀、吹扫放空装置、紧急切断阀、加氢软管、加氢切断阀。并设置紧急时便于及时切断气源的手动紧急切断阀。7.8安装火焰报警探测器、紧急放散装置(集中放散管上设置阻火器)，氢气系统和设备均应设置氮气吹扫装置，所有氮气吹扫口前应配置切断阀、止回阀，吹扫氮气中含氧量不得大于0.5%（体积比）。7.9安装防静电设施和防雷保护设施，并采用接地措施。8运营维护要求8.1须建立健全安全管理制度、安全生产责任制度、风险管理体系、事故应急预案，并定期组织应急演练。加氢站安全管理制度、安全操作规程应当张贴在醒目位置，并严格执行。严格落实风险排查和隐患治理制度，发现加氢站存在事故安全隐患的，应当及时采取措施消除。加氢站只能通过加氢机向车辆储氢瓶加氢，禁止向其他容器加氢，禁止在站外加氢。8.2针对氢气制备、储运、充装、加注各环节，强化安全生产和运营操作规范学习，加强对操作人员的日常管理、专业技能、企业安全培训和不定期检查。运维人员经过专业培训，取得相关操作证书上岗。如