CN108167640A - 一种采用模块化柔性设计的加氢站 - Google Patents

一种采用模块化柔性设计的加氢站 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用模块化柔性设计的加氢站，包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，所述子系统模块的每一个分别封装在标准化模块箱体中，所述子系统模块之间通过所述氢气管路和电线/控制管路连接。本发明还提供了该加氢站的设计方法和施工方法。本发明使得子系统间的气、电、控制管路设计和布局简单化模块化，使得加氢站的设计和施工简化并标准化。

Description

一种采用模块化柔性设计的加氢站
技术领域
本发明涉及一种柔性加氢站的设计方法，以及采用该方法设计的加氢站，属于新能源技术领域。
背景技术
我国的加氢站建设严重滞后于氢燃料汽车的发展，有较大的发展空间。截至2016年为止，中国加氢站有4座，分别位于北京、上海、郑州、深圳四地，主要为燃料电池实验车辆、城市燃料电池公共示范汽车提供加注服务。由于氢燃料电池汽车尚未普及和保有量几乎为零的原因，现有加氢站尚未实现商业化运营，运营时间相对长的是北京和上海安亭加氢站。
目前国内外现有的加氢站及加氢站设计中，缺乏实现加氢站大规模定制的有效的先进设计方法，加氢站建设仍处于初期发展的阶段，无法避免建设周期长、成本高、子系统模块划分不明确、安装和拆卸不方便，可靠性低，故障诊断和维修速度慢等缺点。随着氢能燃料电池汽车的普及，加氢站及其站点网络需要达到类似加油站分布网络以增加氢能燃料电池汽车的续航和覆盖能力，并提供高可靠性的服务。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种利用加氢站子系统的模块化柔性集成方法，加快加氢站的设计建设周期，降低建设成本，提高加氢可靠性，并提高故障诊断和维修速度。
本发明通过以下技术方案实现。
本发明的一个方面提供了一种加氢站，包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，其中所述子系统模块的每一个分别封装在标准化模块箱体中，所述子系统模块之间通过所述氢气管路和电线/控制管路连接。
优选地，所述子系统模块包括制氢模块、压缩模块、储氢模块、制冷模块、控制模块和加注模块。
优选地，所述制氢模块包括碱式电解池或质子交换膜电解池。
优选地，所述压缩模块使用分级式氢气压缩机将氢气压缩。
优选地，所述制冷模块中的制冷系统能够对压缩过程进行冷却，并连接至储氢模块中的分级式高压储氢气罐储氢。
优选地，所述制冷模块结合控制模块，实时提供制氢储氢加氢的动态信息，使氢气压缩机功率达到最优。
优选地，所述子系统模块之间的氢气管路和电线/控制管路连接为柔性连接。
优选地，所述氢气管路和电线/控制管路可伸缩并旋转。
本发明的另一方面提供一种加氢站设计方法，包括如下步骤：
将所述加氢站划分为多个子系统；
将所述多个子系统分别封装为子系统模块；
将所述子系统模块通过氢气管路和电线/控制管路连接。
本发明的另一方面提供了一种加氢站施工方法，所述加氢站包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，所述施工方法包括如下步骤：
根据设计吞吐量选择所述子系统模块；
根据所述加氢站的限制条件调整所述子系统模块的位置；
使用所述氢气管路和电线/控制管路将所述子系统模块连接。
通过以上技术方案，本发明提出一种采用模块化的柔性加氢站设计方法，将加氢站系统按其功能划分为若干子系统，采用单元模块部件将子系统集成形成加氢站模块，加氢站模块通过柔性氢气管路和控制及电线管路连接，实现加氢站的模块化柔性设计。本发明的设计方法使得子系统间的气、电、控制管路设计和布局简单化模块化，使得加氢站的设计和施工简化并标准化。
附图说明
图1 是本发明的加氢站系统结构示意图。
图2是图1中的一子系统模块结构示意图。
图3是加氢站压缩模块结构示意图。
图4是本发明加氢站子系统模块柔性连接示意图。
图5是本发明加氢站柔性设计示意图。
图6是本发明加氢站另一柔性设计示意图。
图7是本发明加氢站模块化柔性设计示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个方面提供了一种加氢站，包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，其中所述子系统模块的每一个分别封装在标准化模块箱体中，所述子系统模块之间通过所述氢气管路和电线/控制管路连接。
图1所示的子系统模块包括制氢模块10、压缩模块20、储氢模块30、制冷模块40、控制模块50和加注模块60。
制氢模块中使用目前较成熟的碱式电解池或质子交换膜电解池技术为核心，以工业用户的工业用电或周边的弃光弃风做为能量来源电解水制氢。碱式电解池和质子交换膜电解池具有较好的动态响应，具备瞬态负载跟随的能力。
压缩模块中使用分级式氢气压缩机将氢气压缩至35MPa和70MPa, 制冷模块中的制冷系统为将对压缩过程进行冷却，并连接至储氢模块中的分级式高压储氢气罐储氢（35MPa和70MPa），结合控制模块，实时提供系统制氢储氢加氢的动态信息，通过设计与优化工具可以使成本较高的氢气压缩机功率达到最优以降低整体成本。
按照基本模块的功能定义，加氢站各子系统形成相互独立但基本功能和设计相似的模块。以制氢模块为例，通过基本模块的设计方式，电线和控制管路进入基本模块，此基本模块的主要功能为制取氢气，此基本模块中的主要设备为电解池系统。电线和控制管路进入基本模块后连接如电解池系统，为其提供电解制氢所需的电能和加氢站整体控制信号。同时，基本模块的氢气管路出口和电线控制管路将与下一基本模块连接。
基本模块的设计方法是将加氢站整体设计简单化模块化，通过在基本模块中放置不同的核心设备，如电解池、压缩机，将基本模块转变为相应的制氢模块和压缩模块。
如图2所示，加氢站的基本模块由子系统模块、氢气管路和电线/控制管路组成。如图2所示，由基本模块所处于加氢站系统的位置，氢气管路和电线/控制管路进入基本模块，并由管路出口连接如下一加氢站基本模块。
基本模块化的设计方法使得子系统间的气、电、控制管路设计和布局简单化模块化，使得加氢站的设计和施工简化并标准化。
图3所示的为本发明的加氢站压缩模块，压缩子系统封装在标准化模块箱体中，便于运输、安装及检修。压缩子系统有1-3台氢气压缩机串联形成瀑布式压缩以最终实现35MPa或70MPa压力氢气完成加注。模块箱体上方的两路预留管路可内置1）由制氢模块流入氢气管路和电线/控制管路，2）流入储氢模块的氢气管路和电线/控制管路。
模块箱体上方的两路预留管路采用柔性设计，可伸缩并旋转以满足加氢站子系统模块的柔性连接，便于根据加氢站场地和位置等限制调整整体设计和建设，如图4所示。
根据本发明的一种加氢站设计方法，包括如下步骤：
将所述加氢站划分为多个子系统；
将所述多个子系统分别封装为子系统模块；
将所述子系统模块通过氢气管路和电线/控制管路连接。
如图5-6所示，其展示了根据场地对加氢站的各个子系统模块进行设计调整和连接的实施例。
图5所示的加氢站包括2个加注模块，其根据场地形状设置在外侧位置，而其它的子系统模块沿着场地的延伸方向排列成2行3列的形式。
图6所述的加氢站包括4个加注模块，其同样设置在场地外侧位置，而其它的子系统模块在场地的内侧位置排列成一行。
本发明还提供了一种加氢站施工方法，所述加氢站包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，所述施工方法包括如下步骤：
根据设计吞吐量选择所述子系统模块；
根据所述加氢站的限制条件调整所述子系统模块的位置；
使用所述氢气管路和电线/控制管路将所述子系统模块连接。
通过模块化柔性设计的加氢站具有模块化和柔性设计施工的特点，有更加完善的子系统设计，并实现了实现加氢站设计和建设的标准化和通用化和系列化。对于日加氢量有差异的加氢站点，在进行设计时可根据设计吞吐量，选择不同子系统模块，实现加氢站的快速增容设计和施工。加氢站模块化柔性设计方式可实现加氢站快速扩容，在保持制氢模块和压缩模块不变的情况下，通过添加储氢模块，在加氢需求较低的晚间继续运行制氢模块并储存至储氢模块中，提高加氢站制氢模块中电解池系统的功率因子，提高日间加氢量和加氢站整体吞吐量。此外，随着氢能汽车保有量的增加，模块化加氢站可通过添加制氢模块，压缩模块和相应的制冷模块，实现氢气燃料供给量的增加。
如图7所示，这是一个在图1所示的加氢站基础上增加新的子系统模块的实施例。在本实施例中，原有的制氢模块10、压缩模块20、储氢模块30、制冷模块40、控制模块50和加注模块60不能满足需要，需要进行扩容。在扩容过程中下，加氢站中添加了制氢模块10’、压缩模块20’、储氢模块30’，同时保持了原有的制冷模块40、控制模块50和加注模块60。本领域技术人员能够理解，新添加的制氢模块10’、压缩模块20’、储氢模块30’可以根据使用的需要与原有的子系统模块连接。在一优选的实施方式中，添加的制氢模块10’、压缩模块20’、储氢模块30’以并联的方式与相应的子系统模块连接，这样两部分模块可以分别运转，满足不同吞吐量需求。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各个子系统模块的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种加氢站，包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，其特征在于，所述子系统模块的每一个分别封装在标准化模块箱体中，所述子系统模块之间通过所述氢气管路和电线/控制管路连接。
2.根据权利要求1所述的加氢站，其特征在于，所述子系统模块包括制氢模块、压缩模块、储氢模块、制冷模块、控制模块和加注模块。
3.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述制氢模块包括碱式电解池或质子交换膜电解池。
4.根据权利要求2所述的加氢站，其特征在于，所述压缩模块使用分级式氢气压缩机将氢气压缩。
5.根据权利要求4所述的加氢站，其特征在于，所述制冷模块中的制冷系统能够对压缩过程进行冷却，并连接至储氢模块中的分级式高压储氢气罐储氢。
6.根据权利要求5所述的加氢站，其特征在于，所述制冷模块结合控制模块，实时提供制氢储氢加氢的动态信息，使氢气压缩机功率达到最优。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的加氢站，其特征在于，所述子系统模块之间的氢气管路和电线/控制管路连接为柔性连接。
8.根据权利要求7所述的加氢站，其特征在于，所述氢气管路和电线/控制管路可伸缩并旋转。
9.一种加氢站设计方法，包括如下步骤：
将所述加氢站划分为多个子系统；
将所述多个子系统分别封装为子系统模块；
将所述子系统模块通过氢气管路和电线/控制管路连接。
10.一种加氢站施工方法，所述加氢站包括多个子系统模块、氢气管路和电线/控制管路，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤：
根据设计吞吐量选择所述子系统模块；
根据所述加氢站的限制条件调整所述子系统模块的位置；
使用所述氢气管路和电线/控制管路将所述子系统模块连接。
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