CN108386716A - 一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统及工艺，涉及液氢加氢站领域。本发明所述的回收系统包括BOG处理模块，其对液氢加氢站内的氢蒸发气进行回收处理；和控制模块，对所述BOG处理模块进行监测和控制。本发明技术方案对BOG进行加热后输入燃料电池模块进行发电，结构简单，降低了BOG的回收成本。
Description
技术领域
本发明涉及液氢加氢站领域，特别涉及到一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统及工艺。
背景技术
为应对日趋严重的能源危机和环境问题，清洁能源的开发与利用受到社会各界越来越多的关注。其中，氢气因其燃烧后只产生水，被誉为最为清洁的燃料，业界对其的应用充满了期待。加氢站是氢能源产业链上重要的基础设备，由于液氢储存密度高，运输成本低，加氢站也会采用液氢方式储存氢。液氢是经低温常压液化而成的液化氢气，存储和运输过程中要保证其低温环境(约-253℃)。但是，加氢站的环境热量和罐内液下泵机械能，都会将热量传入低温储氢罐，导致储氢罐内液氢的蒸发，如200m^3的液氢罐日蒸发率可达0.3％以上。此部分液氢的能量不管是回收还是直接排放，都造成了能量的损失。
目前方案主要通过增加蒸发气(BOG)处理器进行BOG的回收。液氢加氢站配置BOG加热器、BOG压缩机等设备，通过BOG加热器、BOG压缩机加压后变成常温高压的汽体存储在高压储氢瓶组中。或者通过压缩机加压，再通过冷凝器换热液化，重新转化到储氢罐中。显而易见的是，此方法需要增加加热器和压缩机等设备，此类设备成本很高。而且系统复杂，管理不方便，安全隐患较多，增加了液氢储藏的成本；而且BOG的回收耗费了能量，导致了液氢的利用率下降。
如公告号为CN106029491B的中国发明专利，公开了一种“蒸发气体处理系统”，包括他压缩机、热交换机、膨胀单元、气-液分离机、旁通线路、再循环线路以及冷却机，主要是通过压缩机对BOG进行压缩并通过燃料供应线路供应至运输设备的引擎，并且通过使用蒸发气体自身的冷热来实现剩余蒸发气体的再液化，对LNG运输过程中产生的BOG进行回收利用，避免设置单独的制冷剂系统，降低了安装成本并减小了装备尺寸。但是，该技术方案只使用于对运输过程中产生的BOG进行处理，不适用于处理加氢站内产生的BOG，且系统较为复杂，不便管理。
又如公告号为CN104913196B的中国发明专利，公开了“一种用于LNG接收站正常操作工况下的BOG处理工艺及装置”，该处理工艺包括：将来自LNG储罐的BOG送入低压BOG压缩机，增压至0.5～0.8MPaG，出口温度0～5℃，之后进入LNG/BOG换热器；来自LNG低压泵的低压LNG管线输送LNG进入LNG/BOG换热器与低压BOG压缩机出口的BOG进行换热，最终BOG被冷凝为液态；被冷凝后的BOG凝液进入BOG凝液缓冲罐；同时，BOG凝液缓冲罐设置氮气管线维持缓冲罐压力0.6MPaG；来自BOG凝液缓冲罐的凝液进入加压泵，加压至1.0MPaG之后，送至LNG槽车装车，完成BOG处理。该技术方案需要增加加热器和压缩机等设备，增加了液氢储藏的成本。
发明内容
本发明目的为提供一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统及工艺，解决现有技术中加氢站内的BOG回收处理成本高、系统复杂、管理不便等问题。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，包括BOG处理模块，其对液氢加氢站内的氢蒸发气进行回收处理；和控制模块，对所述BOG处理模块进行监测和控制。其中，BOG处理模块包括储氢罐，其用于存储液氢；BOG加热器，其与所述储氢罐连接，对氢蒸发气进行加热；缓冲罐，其与所述BOG加热器连接，用于存储加热过后的氢蒸发气；燃料电池模块，其与所述缓冲罐连接，接收氢气进行电化学反应。
通过上述技术方案，对加氢站中的BOG进行回收处理，其工作流程主要为：储氢罐中的BOG通过BOG排放管路排出，先经过BOG加热器提高至预定温度，再储存在缓冲罐中，然后接入分布式能源的燃料电池模块，最后输出电能，向加氢站其他用电设备供电。该方案结构简单，降低了BOG的回收成本。
进一步地，本发明实施例还公开了上述缓冲罐与所述燃料电池模块之间设置有氢气补充管路，可以解决缓冲罐的容量与燃料电池模块的需求不匹配的问题。
优选地，本发明实施例还公开了上述氢气补充管路连接所述加氢站内的储氢气瓶，这样设置节约加氢站的空间，不需要另外设置储氢气瓶。
优选地，本发明实施例还公开了上述氢气补充管路上设置有备用储氢气瓶，备用储氢气瓶连接所述加氢站内的高压汽化器，这样设置可以减少BOG处理流路对加氢流路的干扰，适合加氢需求大的加氢站。
进一步地，本发明实施例还公开了一控制模块，可以实现对BOG处理模块的监测和控制，具体包括以下三个子模块：
感应检测子模块，其用于检测所述BOG处理模块中的压力、温度以及流量，包括压力传感器、温度传感器以及质量流量计；
中央控制子模块，其与所述感应检测子模块连接，接收来自所述感应检测子模块的压力、温度以及流量信号；
执行控制子模块，其与所述中央控制子模块连接，接收来自所述中央控制子模块的控制指令，对所述BOG处理模块进行控制，执行控制子模块包括安全阀、第一电磁阀、第二电磁阀、减压阀、卸荷阀、第三电磁。
更进一步地，本发明实施例还公开了安全阀和第一电磁阀依次设置在BOG加热器和缓冲罐之间；压力传感器、减压阀、卸荷阀、温度传感器、质量流量计和第二电磁阀依次设置在缓冲罐与燃料电池模块之间，压力传感器和减压阀之间连通氢气补充管路；第三电磁阀设置在氢气补充管路上。
进一步地，本发明实施例还公开了上述所有液氢加氢站的氢蒸发气回收系统均都包括：
热交换器，其与燃料电池模块连接，用于回收燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽制热；
或吸收式制冷机，其与燃料电池模块连接，用于回收燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽制冷。
本发明实施例还公开了一种基于上述液氢加氢站氢蒸发气回收系统的回收工艺，包括以下步骤：
(1)加热加氢站储氢罐内的氢蒸发气，存储在所述缓冲罐中；
(2)所述缓冲罐内的氢气输入至燃料电池模块，所述燃料电池模块产生电能，向所述加氢站其他用电设备供电；
(3)所述燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽与热交换器换热，所述热交换器向所述加氢站提供热能；或
所述燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽输入至吸收式制冷机，所述吸收制冷机向所述加氢站提供冷能。
进一步地，本发明实施例还公开了在步骤(2)中，当上述缓冲罐内的氢气不能满足燃料电池模块的需求时，加氢站的加氢流路向所述燃料电池模块补充氢气。
本发明提供一种处理BOG的方法，可以应用在液氢加氢站场合，将站内液氢储罐内液氢的蒸发气，输入燃料电池热电联供系统，为站内便利店、办公室等场所提供电力和热水，也可以增加吸收式制冷设备提供制冷。这种新型加氢站的优点是：
1、减少液氢BOG排放，使系统更加安全；
2、节省了BOG回收所需的设备，极大地降低了建站成本；简化系统，降低能耗；
3、燃料电池热电联供系统直接利用BOG排放的氢气作为能源，提升了供电供暖的效率，降低了燃料电池热电联供系统的供氢成本；
4、尤其适用于供电供暖不便的偏远地区，可以充分发挥分布式能源的优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明氢蒸发气回收工艺流程图。
图2是本发明氢蒸发气回收系统的结构示意图。
图3是本发明另一种氢蒸发气回收系统的结构示意图。
图4是本发明一种氢蒸发气回收系统的控制逻辑框图。
图5是本发明控制模块的逻辑框图。
图6是本发明控制模块的流程图。
附图中
1、储氢罐 2、BOG加热器 3、缓冲罐
4、燃料电池模块 5、热交换器 6、吸收式制冷机
7、液氢增压泵 8、高压汽化器 9、储氢气瓶
10、加氢机 11、安全阀 12、第一电磁阀
13、压力传感器 14、减压阀 15、卸荷阀
16、温度传感器 17、质量流量计 18、第二电磁阀
19、第三电磁阀 20、备用储氢气瓶
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例公开了一种液氢加氢站的氢蒸发气回收工艺，能够高效地回收利用液氢加氢站内的氢蒸发气(BOG)。
在现有的加氢站中，常规的加氢流路为：液氢从储氢罐流出后，经液氢增压泵增压至预定压力，再经过高压汽化器汽化成气态氢，储存在储氢气瓶中，然后通过加氢机加入燃料电池汽车等设备中。但是，储氢罐中的部分液氢由于外部能量的输入，蒸发成BOG，造成能量损失。
为解决上述问题，本实施例在原有加氢流路的基础上，增加了BOG处理流路。BOG处理流路为：储氢罐中BOG(约-150℃)通过BOG排放管路排出，经过BOG加热器提高至预定温度，并储存在缓冲罐中，然后将缓存的氢气接入分布式能源的燃料电池模块，最后输出电能。
基于上述BOG处理流路，本实施例公开的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收工艺，具体包括以下步骤：
1、将加氢站储氢罐内的蒸发气(BOG)经加热器加热后，存储在缓冲罐中。
2、将缓冲罐内的氢气输入至燃料电池模块进行化学反应产生电能，向加氢站其他用电设备供电。其中，当缓冲罐内的氢气不能满足燃料电池模块的需求时，从加氢流路中分出一部分汽化后的氢气补充至燃料电池模块。
3、使用在燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽制热或者制冷：高温水或者高温水蒸汽通过热交换器加热热水，可以直接向加氢站的办公室和便利店等场所提供热水和暖气；高温水或者高温水蒸汽通过吸收式制冷机，为加氢站的办公室和便利店等场所制冷。
在上述步骤(2)中，燃料电池模块将氢气和空气中的氧气反应产生的化学能直接装换为电能，反应产物为水，亦可进行回收利用，达到节能环保的效果。主要反映如下：
负极：H2+2OH-→2H2O+2e-
正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
电池反应：H2+1/2O2＝＝H2O
如图2所示，基于上述BOG回收工艺，本实施例还公开了一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，包括BOG处理模块和控制模块，控制模块对BOG处理模块进行监测和控制。
在本实施例中，BOG处理模块包括储氢罐1，储氢罐1通过BOG排放管连接BOG加热器2，向BOG加热器2输送BOG。BOG加热器2连接缓冲罐3，将加热后的氢气存储在缓冲罐3中。缓冲罐3连接燃料电池模块4，向燃料电池模块4输送氢气进行电化学反应。燃料电池模块4连接热交换器5和吸收式制冷机6，热交换器5及吸收式制冷机6接收燃料电池模块工作过程的中的高温水或高温水蒸汽。
考虑到缓冲罐3容量与燃料电池模块4需求不匹配的问题，在缓冲罐3和燃料电池模块4之间设置有氢气补充管路，氢气补充管路连接现有加氢站加氢系统内的储氢气瓶9，当缓冲罐3内的氢气不能满足燃料电池模块4的需求时，储氢气瓶9可以通过氢气补充管路向燃料电池模块4补充氢气。其中，加氢系统包括储氢罐1、液氢增压泵7、高压汽化器8、储氢气瓶9、加氢机10。
或如图3所示，亦可将氢气补充管路与加氢系统中的高压汽化器8连接，氢气补充管路上另外设置备用储氢气瓶20，将经高压汽化器8汽化后的氢气储存一部分在备用储氢气瓶20中，为燃料电池模块4补充氢气。
在本实施例中，燃料电池模块4为氢-氧燃料电池，包括电极、电解质隔膜和集电器等元件，以来自缓冲罐中的氢气为燃料,与空气中的氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能，反应产物为水。
在本实施例中，BOG处理模块的工作流程为：
首先，对储氢罐1中的BOG回收利用：储氢罐1中的BOG通过BOG排放管路排出，先经过BOG加热器2提高至预定温度，再储存在缓冲罐3中，然后接入分布式能源的燃料电池模块4，最后输出电能，向加氢站其他用电设备供电；
其次，对燃料电池模块4工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽进行回收利用：高温水或者高温水蒸汽进入热交换器5对生活用水进行加热，可以直接向加氢站的办公室和便利店等场所提供热水和暖气；高温水或者高温水蒸汽进入吸收式制冷机6，吸收式制冷机6从高温水或者高温水蒸汽吸收热量并产生冷水供应加氢站的办公室和便利店等场所的制冷设备制冷。
如图4所示，在本实施例中，控制模块包括感应检测子模块、中控子模块以及执行控制子模块，感应检测子模块与中控子模块连接，中控子模块再连接执行控制子模块，且感应检测子模块和执行控制子模的元件分布在BOG处理模块中，对BOG处理模块实施监测和控制。
如图5所示，感应检测子模块包括压力传感器13、温度传感器16和质量流量计17等元件，中控子模块为PLC控制器，执行控制子模块包括安全阀11、第一电磁阀12、第二电磁阀18、减压阀14、卸荷阀15、第三电磁19阀等元件。其中，感应检测子模块向中控子模块传输BOG处理模块中的压力、温度及流量信号，中控子模块根据接收到的压力、温度及流量信号控制第一电磁阀12、第二电磁阀18及第三电磁阀19开启或关闭。
如图2或3所示，为实现对BOG处理模块的监测和控制，安全阀11和第一电磁阀12依次设置在BOG加热器2和缓冲罐3之间，压力传感器13、减压阀14、卸荷阀15、温度传感器16、质量流量计17和第二电磁阀18依次设置在缓冲罐3与燃料电池模块4之间，第三电磁阀19设置在氢气补充管上，且氢气补充管路的出气口设置在压力传感器13和减压阀14之间。基于此，控制模块的工作流程如图6所示，具体为：
(1)安全阀11检测BOG加热器2加热后过后的BOG的压力，如果压力过高则通过安全阀排出到放散管道，如果压力正常则输送BOG进入缓冲罐3；
(2)压力传感器13检测缓冲罐3内的压力，如果罐内压力正常则输送氢气至减压阀14进行减压；如果罐内压力过低，压力传感器13发送信号到中控子模块，中控子模块控制第三电磁阀19打开，通过氢气补充管道补充氢气；
(3)卸荷阀15检测减压过后的管道压力，若压力过高，则卸荷阀开启，将多余的氢气排放到放散管道中；
(4)温度传感器16和质量流量计17检测管道中的氢气的温度及流量，若氢气温度高于预定温度值和质量流量不在合理范围内，温度传感器16和质量流量计17发送信号到中控子模块中控子模块控制第一电磁阀16、第二电磁阀18及第三电磁阀19关闭，并报警；若正常，氢气最终进入燃料电池模块4进行反应。
上述控制流程能够保证燃料电池得到稳定的氢气供应，也能够保证整个BOG处理系统安全平稳运行。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，包括：
BOG处理模块，对液氢加氢站内的氢蒸发气进行回收处理，包括，
储氢罐，其用于存储液氢，
BOG加热器，其与所述储氢罐连接，对氢蒸发气进行加热，
缓冲罐，其与所述BOG加热器连接，用于存储加热过后的氢蒸发气，
燃料电池模块，其与所述缓冲罐连接，接收氢气进行电化学反应；
控制模块，对所述BOG处理模块进行监测和控制。
2.根据权利要求1所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，所述缓冲罐与所述燃料电池模块之间设置有氢气补充管路。
3.根据权利要求2所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，所述氢气补充管路连接所述加氢站内的储氢气瓶。
4.根据权利要求2所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，所述氢气补充管路上设置有备用储氢气瓶，所述备用储氢气瓶连接所述加氢站内的高压汽化器。
5.根据权利要求1所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，所述控制模块包括：
感应检测子模块，其用于检测所述BOG处理模块中的压力、温度以及流量，包括压力传感器、温度传感器以及质量流量计；
中央控制子模块，其与所述感应检测子模块连接，接收来自所述感应检测子模块的压力、温度以及流量信号；
执行控制子模块，其与所述中央控制子模块连接，接收来自所述中央控制子模块的控制指令，对所述BOG处理模块进行控制，所述执行控制子模块包括安全阀、第一电磁阀、第二电磁阀、减压阀、卸荷阀、第三电磁。
6.根据权利要求5所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，所述安全阀和所述第一电磁阀依次设置在所述BOG加热器和所述缓冲罐之间；所述压力传感器、所述减压阀、所述卸荷阀、所述温度传感器、所述质量流量计和所述第二电磁阀依次设置在所述缓冲罐与所述燃料电池模块之间，所述压力传感器和所述减压阀之间连通所述氢气补充管路；所述第三电磁阀设置在所述氢气补充管路上。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收系统，其中，还包括：
热交换器，其与所述燃料电池模块连接，用于回收燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽制热；
吸收式制冷机，其与所述燃料电池模块连接，用于回收燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽制冷。
8.一种基于权利要求1所述的液氢加氢站氢蒸发气回收系统的回收工艺，包括以下步骤：
(1)加热加氢站储氢罐内的氢蒸发气，存储在所述缓冲罐中；
(2)所述缓冲罐内的氢气输入至燃料电池模块，所述燃料电池模块产生电能，向所述加氢站其他用电设备供电；
(3)所述燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽与热交换器换热，所述热交换器向所述加氢站提供热能；或
所述燃料电池工作过程中产生的高温水或者高温水蒸汽输入至吸收式制冷机，所述吸收制冷机向所述加氢站提供冷能。
9.根据权利要求8所述的一种液氢加氢站的氢蒸发气回收工艺，在步骤(2)中，当所述缓冲罐内的氢气不能满足所述燃料电池模块的需求时，所述加氢站的加氢流路向所述燃料电池模块补充氢气。
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