CN105090738B - 一种天然气和氢气的多功能混合加气站和加注方法 - Google Patents

一种天然气和氢气的多功能混合加气站和加注方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种天然气和氢气的多功能混合加气站和加注方法。其目的是提供一种可用于氢气及天然气的多功能混合加气站系统和加注方法，可以实现高精度的氢气及天然气实时的可调比例混合加注。一种天然气和氢气的高压多功能加气站系统，包括：天然气供气系统，氢气供气系统、至少一台混气加气机、数据采集与监视控制(SCADA)系统。

Description

一种天然气和氢气的多功能混合加气站和加注方法
技术领域
本发明涉及气体加注技术领域，具体来说，是涉及一种天然气和氢气的多功能混合加气站和加注方法。
背景技术
在能源需求日益增加及排放法规日趋严格的当今，汽车能源结构的转型刻不容缓。近年来，通过使用替代燃料来实现汽车行业节能减排的研究越来越多，天然气作为一种替代燃料，具有储量大、辛烷值高、排放低、价格便宜等优点，氢气也有火焰传播速率快，着火范围宽，排气污染较低(即只生成少量的NOx，不产生碳氢化合物、CO和温室气体CO2)的优势。但是，天然气存在着火范围窄、火焰传播速度慢、发动机热效率低等缺点。与天然气相比，氢气不易储存，体积热值较低，燃氢发动机还有一些技术问题未得到解决，单纯燃烧氢气的条件尚未成熟。在天然气中掺入氢气综合了氢气和天然气的优点，能够提高燃烧速度，降低循环变动，实现稀燃(发动机在空燃比大于理论空燃比的情况下燃烧)和快速燃烧，有利于提高发动机的性能，经济可行，是目前应对石油危机的有效途径。目前国内关于HCNG的研究并未涉及产业化，基本停留在发动机研究、项目示范阶段，现阶段存在的HCNG加注站非常稀少且存在功能单一，能源效益差的问题。
如在《天然气掺氢的混合工艺研究》(煤气与热力2009年08期，乔伟艳，张宁，解东来)、《HCNG加气站的设计及实现》(中外能源2013年07期，赵文浩，陈刚)、生产、分流/使用和欧洲专利申请EP20070763143(公开号：EP1994266A4)等文献中提到的HCNG站工艺流程采用先增压，后混合，再储存，最后加注的步骤，这种流程需要专用的混气设备进行氢气与天然气的预混合，增加设备投资及占地面积；另外在大多数情况下，由于用于混合生成HCNG的氢气气源及天然气气源压力等级不同，站内为了确保两种气体的混合会在混合前将氢气及天然气调低至同一个压力等级后进行混合，混合后再进行增压，这就造成整个加气站的能效降低；最后，采用预混合工艺，往往需要HCNG混合气的储罐，而HCNG混合气体在长期存放的过程中可能会出现气体分层导致密度不均，加注到HCNG车辆后影响汽车的燃烧和排放特性。本专利对解决以上问题提供了一种新的解决方案的同时使得CNG和H2两种能源的使用和推广更加方便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种可用于氢气及天然气的多功能混合加气站系统，可以实现高精度的氢气及天然气实时的可调比例混合加注。
本发明的另一目的是提供一种采用上述加气站系统的加注方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种天然气和氢气的高压多功能加气站系统，包括：天然气供气系统，氢气供气系统、至少一台混气加气机、数据采集与监视控制(SCADA)系统。
所述天然气供气系统包括：至少一辆天然气管束运气车，通过管道连接至所述混气加气机，所述每辆天然气管束运气车的下游管道上设有一天然气卸气柱；至少一组高压天然气储气瓶组，通过管道连接至所述混气加气机；所述天然气管束运气车经对应的天然气卸气柱后通过管道和所述高压天然气储气瓶组连接；至少一台天然气压缩机，连接对应的天然气管束运气车，用于将所述天然气管束运气车中的天然气增压输送至所述混气加气机或所述高压天然气储气瓶组。
所述氢气供气系统包括：至少一辆氢气管束运气车，通过管道连接至所述混气加气机，所述每辆氢气管束运气车的下游管道上设有一氢气卸气柱；至少一组高压氢气储气瓶组，通过管道连接至所述混气加气机；所述氢气管束运气车经过对应的氢气卸气柱后通过管道和所述高压氢气储气瓶组连接；至少一台氢气压缩机，连接对应的氢气管束运气车，用于将所述氢气管束运气车中的氢气增压输送至所述混气加气机或所述高压氢气储气瓶组。
每台所述混气加气机的管路部分包括：至少一路氢气管路、至少一路天然气管路和混合总管，所述每路氢气管路上设有氢气进口、氢气过滤器、氢气控制阀、氢气质量流量计，所述每路天然气管路上设有天然气进口、天然气过滤器、天然气控制阀、天然气质量流量计，所述混合总管下游连接高压软管和加气枪，所述混合总管上设有压力传感器、压力表和拉断阀。
其中，所述SCADA系统包括：数据采集系统、安全监控系统、电气电控系统，实时采集所有数据，自动计算及自动控制。
所述电气电控系统包括：控制系统和人机交换界面，所述氢气质量流量计、氢气控制阀、天然气质量流量计、天然气控制阀、压力传感器的数据传输至所述控制系统，实现实时混合加注全设备一键式操作，并设有停止按键及急停按钮，或通过人机交互界面手动点击选择不同加注模式进行手动加注。
所述安全监控系统，包括：可燃气体泄漏报警器，在有气体泄漏的情况下，上传报警信号至电气控制系统，自动停机切断气源并报警；防爆控制系统，保护电气部分在爆炸性气体危险环境下安全运行。
通过实时采集并保存系统的日常运行参数，如管束氢气压力、管束天然气压力、高压天然气储罐压力、压缩机运行参数状态、混气机运行参数状态、每次加注的气量及混合百分比等，实现对系统信息的全局掌握和状态分析；同时对系统内的可燃气体浓度、气体超温、超压状态等进行日常监控，保障系统的安全运行。
其中，所述每路氢气管路上设有氢气放空阀，所述每路天然气管路上设有天然气放空阀；所述氢气放空阀的出口和天然气放空阀的出口均汇入一放空总管，所述放空总管上接有阻火器。
一种采用如上所述加气站系统的加注方法，包括以下步骤：
(1)通过所述混气加气机的自动控制，先把来自较低分压气体管束运气车中的气体通过卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如满足较低分压气体加注量的要求，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)；
(2)如不满足较低分压气体加注量的要求，通过较低分压气体的高压储气瓶组再对车载气瓶进行加压加注，或通过压缩机将较低分压气体管束运气车中的气体加压加注至车载气瓶；
(3)通过所述混气加气机的自动控制，按照天然气和氢气的混合比例的要求向车载气瓶加注需要量的较高分压气体，先把来自较高分压气体管束运气车的气体通过卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如达到目标加注量则结束加注，否则进行步骤(4)；
(4)如不满足较高分压气体加注量的要求，通过较高分压气体的高压储气瓶组再对车载气瓶进行加压加注，或通过压缩机将较高分压气体管束运气车中的气体加压加注至车载气瓶，加注至目标加注量后结束加注。
所述较低分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为0-50％；所述较高分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为50-100％。当低分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为0，较高分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为100％时，本发明方法是作为单气源加注机使用。
本发明可以满足任何比例的氢气和天然气混合加注方法，但是由于现有的被加注的设备氢气和天然气的混合比例控制要求，目前的市场运用需求和安全中，一般是控制氢气加注体积与混合气体体积的体积比小于30％，本发明方法中所述较低分压气体为氢气，氢气加注的体积与混合气体体积的体积比小于30％。采用压力比例相对较小的氢气优先加注后再进行高比例压力的天然气加注，在车载气瓶内实时混合。在错层使用的同时考虑加注比例需求，能满足经济效益最大化。
当氢气为较低分压气体时，所述加注方法包括以下步骤：
(1)氢气加注：通过所述混气加气机的自动控制，先把来自所述氢气管束运气车的氢气，通过所述氢气卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过所述高压氢气储气瓶组进行加注，如仍然不满足加注量要求，以所述氢气管束运气车作为气源，通过所述氢气压缩机直接增压加注车载储气瓶中至需要的氢气量；
(2)天然气加注：通过所述混气加气机的自动控制，按照天然气和氢气的混合比例的要求向车载气瓶加注需要量的天然气，先把来自所述天然气管束运气车的天然气，经过所述天然气卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过所述高压天然气储气瓶组进行加注，如仍然不满足加注量的要求，把所述天然气管束运气车作为气源，通过所述天然气压缩机直接增压加注车载储气瓶直至需要的天然气量。
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：本发明天然气和氢气的高压多功能加气站系统可以调整天然气供气系统和氢气供气系统的数量，例如天然气管束运气车、氢气管束运气车、高压天然气储气瓶组、高压氢气储气瓶组都可以根据需要增加或减少，以满足加注量的不同需求和加气站的不同规模；其中的混气加气机集成了混气与加气功能，在混气的同时实时进行加注，不仅能根据客户的加注比例进行混合加注，而且在此过程中避免了先混气储存后加注的流程中可能会发生的混气分层的可能性；并且其混合加注工艺可以不使用氢气和天然气先调整至相同压力后再进行混合的方案，而使用低压氢气优先加注后再加注高压天然气的方法，使用控制系统调节氢气与天然气加注比例，有效的避免了能源浪费。
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为本发明一种天然气和氢气的高压多功能加气站系统的一个较优实施例的结构示意图。
图2为图1所示实施例中混气加气机的结构示意图。
图3为本发明一种氢气及天然气实时混合加注方法的工艺流程图。
具体实施方式
如图所示的天然气和氢气高压混合加气站系统，包括：天然气管束运气车1、氢气管束运气车2、天然气卸气柱3、氢气卸气柱4、天然气压缩机5、氢气压缩机6、高压天然气储气瓶组7、高压氢气储气瓶组8、混气加气机9和SCADA系统10。
天然气管束运气车1通过管道连接至混气加气机9，天然气管束运气车1的下游管道上设有天然气卸气柱3，一组高压天然气储气瓶组7通过管道连接至混气加气机9，天然气管束运气车1经对应的天然气卸气柱3后通过管道和高压天然气储气瓶组7连接，天然气压缩机5连接对应的天然气管束运气车1，用于将天然气管束运气车1中的天然气增压输送至混气加气机9或高压天然气储气瓶组7。天然气管束运气车1、天然气卸气柱3、天然气压缩机5、高压天然气储气瓶组7构成一套本实施例的天然气供气系统。
氢气管束运气车2通过管道连接至混气加气机9，氢气管束运气车2的下游管道上设有氢气卸气柱4；一组高压氢气储气瓶组8通过管道连接至混气加气机9，氢气管束运气车2经对应的氢气卸气柱4后通过管道和高压氢气储气瓶组8连接，氢气压缩机6连接对应的氢气管束运气车2，用于将氢气管束运气车2中的氢气增压输送至混气加气机9或高压氢气储气瓶组8。氢气管束运气车2、氢气卸气柱4、氢气压缩机6、高压氢气储气瓶组8构成一套本实施例的氢气供气系统。
结合图2所示，混气加气机9包括管路部分。
管路部分包括：一路氢气管路、一路天然气管路和混合总管，氢气管路上设有氢气进口、氢气过滤器91、氢气控制阀93、氢气放空阀95、氢气质量流量计97、针阀99，单向阀911，天然气管路上设有天然气进口、天然气过滤器92、天然气控制阀94、天然气放空阀96、天然气质量流量计98、针阀910，单向阀912，然后连接至混合总管，混合总管下游连接高压软管16和加气枪18，所述混合总管上设有压力传感器13、压力表14和拉断阀15，通过拉断阀15连接高压软管16，接着通过一两位三通球阀17连接加气枪18。氢气放空阀95的出口和天然气放空阀96的出口均汇入一放空总管，放空总管上接有阻火器20。
其中，SCADA系统10包括：数据采集系统101、安全监控系统102、电气电控系统103，实时采集所有数据，自动计算及自动控制。
本实施例中，电气电控系统包括PLC控制系统和人机交换界面，其中氢气质量流量计97、氢气控制阀93、天然气质量流量计98、天然气控制阀94、压力传感器13的数据通过网络传输至所述PLC控制系统，实现实时混合加注。
安全监控系统，包括：可燃气体泄漏报警器，在有气体泄漏的情况下，上传报警信号至电气控制系统，自动停机切断气源并报警；防爆控制系统，保护电气部分在爆炸性气体危险环境下安全运行。
本实施例的所有数据实时采集，自动计算及自动控制，全设备一键式操作，并有停止按键及急停按钮，也可手动点击进行手动加注。
本实施例中氢气为混合气体中的较低分压气体，给车载气瓶进行混合加注，具体步骤如下：
(1)氢气加注：通过混气加气机9的自动控制，先把来自氢气管束运气车2的氢气，通过氢气卸气柱4向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过高压氢气储气瓶组8进行加注，如仍然不满足加注量要求，以氢气管束运气车2作为气源，通过氢气压缩机6直接增压加注车载储气瓶中至需要的氢气量。
(2)天然气加注：通过混气加气机9的自动控制，按照天然气和氢气的混合比例的要求向车载气瓶加注需要量的天然气，先把来自天然气管束运气车1的天然气，经过天然气卸气柱3向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过高压天然气储气瓶组7进行加注，如仍然不满足加注量的要求，把天然气管束运气车1作为气源，通过天然气压缩机5直接增压加注车载储气瓶直至需要的天然气量。
虽然本发明已依据较佳实施例在上文中加以说明，但这并不表示本发明的范围只局限于上述的结构，只要本技术领域的技术人员在阅读上述的说明后可很容易地发展出的等效替代结构，在不脱离本发明之精神与范围下所作之均等变化与修饰，皆应涵盖于本发明专利范围之内。

Claims (8)

1.一种采用天然气和氢气的高压多功能加气站系统的加注方法，所述天然气和氢气的高压多功能加气站系统包括：天然气供气系统，氢气供气系统、至少一台混气加气机、数据采集与监视控制(SCADA)系统；
所述天然气供气系统包括：至少一辆天然气管束运气车，通过管道连接至所述混气加气机，每辆所述天然气管束运气车的下游管道上设有一天然气卸气柱；至少一组高压天然气储气瓶组，通过管道连接至所述混气加气机；所述天然气管束运气车经对应的天然气卸气柱后通过管道和所述高压天然气储气瓶组连接；至少一台天然气压缩机，连接对应的天然气管束运气车，用于将所述天然气管束运气车中的天然气增压输送至所述混气加气机或所述高压天然气储气瓶组；
所述氢气供气系统包括：至少一辆氢气管束运气车，通过管道连接至所述混气加气机，每辆所述氢气管束运气车的下游管道上设有一氢气卸气柱；至少一组高压氢气储气瓶组，通过管道连接至所述混气加气机；所述氢气管束运气车经过对应的氢气卸气柱后通过管道和所述高压氢气储气瓶组连接；至少一台氢气压缩机，连接对应的氢气管束运气车，用于将所述氢气管束运气车中的氢气增压输送至所述混气加气机或所述高压氢气储气瓶组；
每台所述混气加气机的管路部分包括：至少一路氢气管路、至少一路天然气管路和混合总管，每路所述氢气管路上设有氢气进口、氢气过滤器、氢气控制阀、氢气质量流量计，每路所述天然气管路上设有天然气进口、天然气过滤器、天然气控制阀、天然气质量流量计，所述混合总管下游连接高压软管和加气枪，所述混合总管上设有压力传感器、压力表和拉断阀；其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)通过所述混气加气机的自动控制，先把来自较低分压气体管束运气车中的气体通过卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如满足较低分压气体加注量的要求，则进行步骤(3)，否则进行步骤(2)；
(2)如不满足较低分压气体加注量的要求，通过较低分压气体的高压储气瓶组再对车载气瓶进行加压加注，或通过压缩机将较低分压气体管束运气车中的气体加压加注至车载气瓶；
(3)通过所述混气加气机的自动控制，按照天然气和氢气的混合比例的要求向车载气瓶加注需要量的较高分压气体，先把来自较高分压气体管束运气车的气体通过卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如达到目标加注量则结束加注，否则进行步骤(4)；
(4)如不满足较高分压气体加注量的要求，通过较高分压气体的高压储气瓶组再对车载气瓶进行加压加注，或通过压缩机将较高分压气体管束运气车中的气体加压加注至车载气瓶，加注至目标加注量后结束加注。
2.如权利要求1所述的加注方法，其特征在于：所述较低分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为0-50％；所述较高分压气体加注体积与目标混合气体体积的体积比为50-100％。
3.如权利要求1所述的加注方法，其特征在于：所述较低分压气体为氢气，氢气加注的体积与混合气体体积的体积比小于30％。
4.如权利要求3所述的加注方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)氢气加注：通过所述混气加气机的自动控制，先把来自所述氢气管束运气车的氢气，通过所述氢气卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过所述高压氢气储气瓶组进行加注，如仍然不满足加注量要求，以所述氢气管束运气车作为气源，通过所述氢气压缩机直接增压加注车载储气瓶中至需要的氢气量；
(2)天然气加注：通过所述混气加气机的自动控制，按照天然气和氢气的混合比例的要求向车载气瓶加注需要量的天然气，先把来自所述天然气管束运气车的天然气，经过所述天然气卸气柱向车载气瓶中进行平衡加注，如不满足加注量的要求，再通过所述高压天然气储气瓶组进行加注，如仍然不满足加注量的要求，把所述天然气管束运气车作为气源，通过所述天然气压缩机直接增压加注车载储气瓶直至需要的天然气量。
5.如权利要求1所述的加注方法，其特征在于：所述SCADA系统包括：数据采集系统、安全监控系统、电气电控系统，实时采集所有数据，自动计算及自动控制。
6.如权利要求5所述的加注方法，其特征在于：所述电气电控系统包括：控制系统和人机交换界面，所述氢气质量流量计、氢气控制阀、天然气质量流量计、天然气控制阀、压力传感器的数据传输至所述控制系统，实现实时混合加注全设备一键式操作，并设有停止按键及急停按钮，或通过人机交互界面手动点击选择不同加注模式进行手动加注。
7.如权利要求5所述的加注方法，其特征在于：所述安全监控系统，包括：可燃气体泄漏报警器，在有气体泄漏的情况下，上传报警信号至电气控制系统，自动停机切断气源并报警；防爆控制系统，保护电气部分在爆炸性气体危险环境下安全运行。
8.如权利要求1所述的加注方法，其特征在于：每路所述氢气管路上设有氢气放空阀，每路所述天然气管路上设有天然气放空阀；所述氢气放空阀的出口和天然气放空阀的出口均汇入一放空总管，所述放空总管上接有阻火器。
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