CN102588742A - 一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法及系统。其目的是提供一种安装方便、使用安全且成本相对较为低廉的用于70MPa加氢站的制冷循环方法及系统。该方法为双制冷循环，首先由冷却液与高压氢气进行第一次换热，经换热后的冷却液再与冷凝剂进行第二次换热，形成一次双制冷循环；经第二次换热后的冷却液再次与高压氢气进行换热，开始下一次双制冷循环。制冷循环系统包括：一个第一换热器，高压氢气与冷却液在其中进行第一次换热；一个第二换热器，其内设有冷凝剂，经第一次换热后的冷却液与冷凝剂在所述第二换热器中进行第二次换热；一个制冷机组，与所述第二换热器连接，所述制冷机组通过压缩机对第二换热器内的冷凝剂进行制冷。

Description

一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法及系统
技术领域
本发明属于新能源领域，涉及一种加氢站氢气预冷方法，具体来说，是涉及一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法及系统。
背景技术
燃料电池汽车技术是一种以氢气为燃料，通过燃料电池将氢气转换为电能作为动力源的高效率、零排放的清洁汽车技术。氢气通过加氢站加氢机进行加注，并以高压形式储存在车载氢气瓶中，主流储存压力分为35MPa和70MPa两种。
目前氢气的加注工艺是：氢气以高于车载储氢瓶的压力储存在加氢站储罐中，当车辆进站加氢时，在压差作用下，氢气从站内储罐经高压管路流经加氢机和电磁阀后进入车载储氢瓶。在站内储罐氢气压力不足时，还需要启动压缩机增压后，再经过加氢机进行加注。
高压氢气在经过电磁阀后在储氢瓶内膨胀，由于氢气的焦汤效应，瓶内温度上升。由于加注速度快，车载储氢瓶不能及时散热，因此造成储氢瓶内温度快速上升，有可能超过目前国际标准规定的85℃，带来极大安全隐患。实际应用发现，35MPa压力等级的加氢过程温升相对较低，通过设置加氢机的加氢控制程序，可保证加氢过程温升在允许范围内。
为了车辆续驶里程考虑，70MPa储氢技术的应用越来越多。经理论分析和试验验证，70MPa加注氢气处于高速流动及膨胀中，温升急剧增加，如果还采取35MPa的加注模式，将造成加氢时间非常长。
而在气源与加氢机之间加入了制冷循环系统之后，能有效地控制加注过程中车载储氢容器内的温度，实现安全可靠的快速加气。实验表明，在70MPa氢气加注设备中加入制冷系统并优化后，加注过程中车载氢气瓶的最高温度可控制在小于85℃，且加注用时明显缩短。
经过调研国外的加氢站，我们得知在德国、日本、美国等国家均已经在加氢系统中加入了制冷循环系统，并且得到了广泛的应用。国外的制冷系统大多使用液氮为冷却介质，并多为单制冷循环。而本发明所提出的制冷系统是采用双制冷循环，并使用乙醇或乙二醇与水的混合液为主要冷却介质，与国外的制冷系统相比本发明能够达到更高的效率和较为低廉的成本。
目前国内正在试点的70MPa加氢系统中也加入了制冷系统(CN201946692U)，该系统为单换热循环，它需要一个大型的冷却液体储存罐，制冷机组直接对储液管内的冷却液制冷，在通过循环泵将冷却液循环入换能器。然而这个设计存在：占地面积较大，冷却液消耗较大，安装条件局限性较大等缺点，且在冷却系统中没有安全放散管路，安全性能方面也有缺陷。而本发明采用双换热循环制冷，大大节省了安装空间，并在系统中加入安全放散管理以应对突发的安全状况。控制方面既能自行监控调节温度，也能与后续加氢机实行通讯对接形成总体控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种安装方便、使用安全且成本相对较为低廉的用于70MPa加氢站的制冷循环方法。
本发明的另一目的是提供一种采用上述方法的用于70MPa加氢站的制冷循环系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法，该方法为双制冷循环，首先由冷却液与高压氢气进行第一次换热，经换热后的冷却液再与冷凝剂进行第二次换热，形成一次双制冷循环；经第二次换热后的冷却液再次与高压氢气进行换热，开始下一次双制冷循环。
其中，所述冷却液为乙醇或乙二醇与水的混合溶液。冷却液也可以为其它介质，比如热载体油(导热油)，但由于导热油价格比较昂贵，本发明中优选使用乙醇与水的混合溶液作为冷却液。
如下表1和表2，分别为不同比例的乙醇水溶液的冰点和闪点：
乙醇水溶液(体积) 冰点
  乙醇百分比   10   20   30   40   50   60   70   80   90   100
  冰点温度(℃)   -4   -9   -15   -23   -32   -37   -38   -59   -73   -115
乙醇水溶液(体积) 闪点
  乙醇百分比   10   20   30   40   50   60   70   80   90   100
  闪点温度(℃)   49   36   29   26   24   22   21   20   17   17
根据上述乙醇水溶液的特性，所述乙醇或乙二醇与水的体积比根据工作需要的温度而变化，范围通常在2∶8至8∶2之间。本发明优选为乙醇水溶液体积比为3∶7。通过使用乙醇取代传统的液氮作为冷却液，使冷却液的储存和更换非常方便，能耗上也大大降低，做到了节能环保。
一种用于70MPa加氢站的制冷循环系统，该系统包括：两个快换接头，所述快换接头一个与高压氢气源及其增压泵相连，另一个与70MPa加氢机相连；一个第一换热器，高压氢气与冷却液在其中进行第一次换热；一个第二换热器，其内设有冷凝剂，经第一次换热后的冷却液与冷凝剂在所述第二换热器中进行第二次换热；一个制冷机组，与所述第二换热器连接，所述制冷机组通过压缩机对第二换热器内的冷凝剂进行制冷。
其中，所述冷却液为乙醇或乙二醇与水的混合溶液，根据工作需要的温度，所述乙醇或乙二醇与水的体积比范围在2∶8至8∶2之间。
进一步地，该系统还包括一安全监控及泄放装置，设置在所述第一换热器的气体下游出口处，当系统情况异常时，用于将气体安全泄放。其中，所述安全监控及泄放装置包括用于检测出口气体温度的温度传感器、用于检测出口气体压力的压力表、放散口球阀和放散口。由于集成了氢气压力和温度实时监测系统和安全泄放系统，能够随时观察管道内气体运行是否正常，如有异常情况能够在不损坏设备的前提下及时得到处置，确保全程运行安全可靠
进一步地，所述第一换热器为管壳式换热器，包括若干根高压不锈钢气管，所述气管直接穿过冷却区域并在所述第一换热器外通过70MPa直角接头连接。由于管壳式换热器内无管接头连接，均为管路直通，安装拆卸均非常便捷，并且没有气体内漏在换热器内的隐患，保证了使用的安全性。
进一步地，所述第一换热器的两侧设有保温层，用于保持外部连接部分的温度。
进一步地，所述冷却机组与第一换热器间另有热电偶温度探测装置连接，实时监控第一换热器内的温度，达到平衡运行后自动调节热电功率高效节能。
本发明由于采用了上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：整个70MPa氢气加注过程引入制冷循环系统后，对加注过程能耗等进行优化，加注速率大幅提高，且温升的控制也更加灵活，可将加注后车载储氢容器内的最高温度控制在85℃以下，从而提高实际加注的氢气质量，提高氢能车辆的行驶距离；同时采用双换热循环制冷也大大节省了安装空间。
附图说明
通过以下本发明的实施例并结合附图的描述，示出本发明的其它优点和特征，该实施例以实例的形式给出，但并不限于此，其中：
图1为本发明一种用于70MPa加氢站的制冷循环系统的结构示意图；
图2为本发明一种用于70MPa加氢站的制冷循环系统的第一换热器的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种用于70MPa加氢站的制冷循环系统，该系统包括：两个快换接头1，其中一个与高压氢气源及其增压泵相连，另一个与70MPa加氢机相连；一个第一换热器2，高压氢气与冷却液在其中进行第一次换热；一个第二换热器3，其内设有冷凝剂，经第一次换热后的冷却液与冷凝剂在第二换热器3中进行第二次换热；一个制冷机组4，与第二换热器3连接，制冷机组4通过压缩机对第二换热器3内的冷凝剂进行制冷。
进一步地，该系统还包括一安全泄放装置6，设置在第一换热器2的气体下游出口处，当系统情况异常时，用于将气体安全泄放。其中，安全泄放装置6包括用于检测出口气体温度的温度传感器61、用于检测出口气体压力的压力表62、放散口球阀63和放散口64。由于集成了氢气压力和温度实时监测系统和安全泄放系统，能够随时观察管道内气体运行是否正常，如有异常情况能够在不损坏设备的前提下及时得到处置，确保全程运行安全可靠
进一步地，第一换热器2为板式换热器，包括若干根，本实施例中为22根，高压不锈钢气管21，气管21直接穿过冷却区域并在第一换热器2外通过70MPa直角接头22连接。由于板式换热器内无管接头连接，均为管路直通，安装拆卸均非常便捷，并且没有气体内漏在换热器内的隐患，保证了使用的安全性。第一换热器2的两侧设有保温层23，用于保持外部连接部分的温度。
其中，所述冷却液为乙醇与水的混合溶液；所述冷却液中乙醇与水的体积比为3∶7。
进一步地，冷却机组4与第一换热器2间另有热电偶温度探测装置连接，实时监控第一换热器2内的温度，达到平衡运行后自动调节热电功率高效节能。
操作前，对系统内所有阀门的状态进行检查，确保所有阀门均能正常工作。管道加70MPa气压测试密闭型是否合格。
a.板式换热器准备工作：
确保换热器各管路连接完好，检查密封性。测试球阀63和放散口64功能是否正常，外露管路必须包上保温材料。
一切准备就绪后倒入冷却液，使用乙醇水溶液作为冷却液，乙醇与水的体积分别为70％和30％。
b.制冷机组准备：
与准备完成的板式换热器连接，并打开制冷机组，设置好冷却参数，开机启动，使换热器内温度达到指定要求，并待其稳定后在将氢气输入系统。
c.冷却操作：
a、b步骤准备完成后，开启制冷机组，设置冷却温度后开机预冷。快换接头1与高压氢气源及其增压泵相连，将高压氢气接入制冷系统，其后连接一个单向阀5。高压氢气经过单向阀5后进入第一换热器2，在第一换热器2内管道中的高压氢气与换热器内冷却液进行第一次换热，第一换热器2中的冷却液通过循环泵进入第二换热器3，制冷机组4通过压缩机对第二换热器3内冷凝剂(R404A)制冷，从而使冷却液与冷凝剂进行第二次换热。第一换热器2的气体下游出口接入温度传感器61以检测出口气体温度，压力表62以检测系统出口压力，观察温度传感器61和压力表62的读数。判定系统运行是否正常。如果出现异常数值，则马上停止冷却机组4，并关闭进气口球阀7，打开放散口球阀63将气体从放散口64安全泄放。如果试运行正常，则打开出气口球阀7将气体接入70MPa加氢机中。

Claims (10)

1.一种用于70MPa加氢站的制冷循环方法，其特征在于：该方法为双制冷循环，首先由冷却液与高压氢气进行第一次换热，经换热后的冷却液再与冷凝剂进行第二次换热，形成一次双制冷循环；经第二次换热后的冷却液再次与高压氢气进行换热，开始下一次双制冷循环。
2.如权利要求1所述的制冷循环方法，其特征在于：所述冷却液为乙醇或乙二醇与水的混合溶液。
3.如权利要求2所述的制冷循环方法，其特征在于：根据工作需要的温度，所述冷却液中乙醇或乙二醇与水的体积比范围在2∶8至8∶2之间。
4.一种用于70MPa加氢站的制冷循环系统，其特征在于，该系统包括：
两个快换接头，所述快换接头一个与高压氢气源及其增压泵相连，另一个与70MPa加氢机相连；
一个第一换热器，高压氢气与冷却液在其中进行第一次换热；
一个第二换热器，其内设有冷凝剂，经第一次换热后的冷却液与冷凝剂在所述第二换热器中进行第二次换热；
一个制冷机组，与所述第二换热器连接，所述制冷机组通过压缩机对第二换热器内的冷凝剂进行制冷。
5.如权利要求4所述的制冷循环系统，其特征在于：还包括一安全监控及泄放装置，设置在所述第一换热器的气体下游出口处，当系统情况异常时，用于将气体安全泄放。
6.如权利要求5所述的制冷循环系统，其特征在于：所述安全监控及泄放装置包括：用于检测出口气体温度的温度传感器、用于检测出口气体压力的压力表、放散口球阀和放散口。
7.如权利要求4-6中任一权利要求所述的制冷循环系统，其特征在于：所述第一换热器为管壳式换热器，包括若干根高压不锈钢气管，所述气管直接穿过冷却区域并在所述第一换热器外通过70MPa直角接头连接。
8.如权利要求7所述的制冷循环系统，其特征在于：所述第一换热器的两侧设有保温层，用于保持外部连接部分的温度。
9.如权利要求4所述的制冷循环系统，其特征在于：所述冷却液为乙醇或乙二醇与水的混合溶液，根据工作需要的温度，所述乙醇或乙二醇与水的体积比范围在2∶8至8∶2之间。
10.如权利要求4所述的制冷循环系统，其特征在于：所述冷却机组与第一换热器间设有热电偶温度探测装置，实时监控第一换热器内的温度。
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