CN110953480B - 一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法 - Google Patents

一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法。该加氢机包括加氢枪、连接压缩机和加氢枪的供气管道、第一控制单元、设于供气管道上的调压阀、待加氢设备内部压力获取模块；第一控制单元利用待加氢设备内部压力获取模块输出的压力信号，并根据预设的升压速率获取当前最大安全加注压力，比较压力信号与当前最大安全加注压力的大小，基于比较结果调节调压阀的阀门开度。该加氢机的加注压力控制在安全范围内，增加了加氢的安全性，也能保证以允许的最大加注压力进行加氢，提高了加氢速度和效率，无需更换不同等级储氢容器就能使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值，减少了储氢容器压力波动次数，进一步提高了安全性。

Description

一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法
技术领域
本发明涉及能源加注技术领域，特别是涉及一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法。
背景技术
氢能源作为一种高效、清洁、可持续发展的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注，氢燃料电池汽车技术因其高效率和零排放等优点，成为最理想、最有可能替代传统汽车动力系统的技术，得到了世界各国政府和企业的高度重视。现阶段制约氢能在交通领域利用发展的瓶颈主要是加氢基础设施不足。加氢站的氢气加注压力目前有35MPa、70MPa两种。其中，35MPa加注压力的加氢站较为常见(国内运营的加氢站大部分均为35MPa加注)，其终端用户包括燃料电池公交车、物流车等；70MPa加注压力的加氢站国内目前仍较少，其终端用户主要为小轿车等。
通常加氢站主要是利用储氢容器与车载供气系统(如车载氢瓶)之间的压力差进行加氢，配备有高、中、低压三种等级储氢容器，加氢时，需要将车载供气系统先与低压储氢容器接通加氢至压力平衡，再依次与中压储氢容器和高压储氢容器接通加氢至压力平衡，以使车载供气系统内氢气充装压力达到要求值(如35MPa或70MPa)，具体结构可参考现有技术公开号为CN209084396U的中国专利所披露的内容。这种加氢方式需要多次切换车载供气系统与不同储氢容器的连接，使得整个加氢过程耗时长、速度慢，且储氢容器压力波动次数大，压力波动范围大，使得储氢容器的疲劳失效问题非常突出，而氢气易燃易爆，具有安全隐患。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种安全快速加氢机、加氢系统、加氢站及加氢方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种安全快速加氢机，包括加氢枪、连接压缩机和加氢枪的供气管道、第一控制单元、设于所述供气管道上的调压阀、以及待加氢设备内部压力获取模块；
所述第一控制单元利用所述待加氢设备内部压力获取模块输出的压力信号，并根据预设的升压速率获取当前最大安全加注压力，比较所述压力信号与当前最大安全加注压力的大小，基于比较结果调节调压阀的阀门开度。
上述技术方案的有益效果为：该加氢机实时获取待加氢设备内部的压力，并判断该压力与当前最大安全加注压力的大小关系，进而调节调压阀的阀门开度，使得该加氢机的加注压力控制在安全范围内，增加了加氢的安全性，同时，也能保证该加氢机以允许的最大加注压力进行加氢，提高了加氢速度和效率，且该加氢机改变了传统的更换不同等级储氢容器来使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值的方式，无需更换不同等级储氢容器就能使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值，减少了储氢容器压力波动次数，进一步提高了安全性。
在本发明的一种优选实施方式中，所述待加氢设备内部压力获取模块至少包括以下两种结构中的一种；
结构一：包括与第一控制单元连接的通信模块，所述通信模块用于与待加氢设备上的通信模块通信，获取待加氢设备内部气体的压力或者温度；
结构二：包括设于供气管道上的流量计和第一氢气温度传感器，以及用于检测流经加氢枪或加氢枪附近气体压力的第二压力传感器，所述流量计和第一氢气温度传感器集成一体设置或独立设置，流量计、第一氢气温度传感器和第二压力传感器分别与第一控制单元连接。
上述技术方案的有益效果为：结构一能够快速直接的实时准确的获得待加氢设备内部气体压力。结构二对待加氢设备是否具有通信模块没有要求，可应用于不带通信模块的待加氢设备。若加氢机结构一和结构二均具备，那么可以在待加氢设备具有通信模块时，使用结构一获得待加氢设备内部气体压力，那么可以在待加氢设备不具有通信模块时，使用结构二获得待加氢设备内部气体压力，使用灵活，应用范围广。
在本发明的一种优选实施方式中，所述通信模块包括一个通信单元或一个以上通信方式各不相同的通信单元。
上述技术方案的有益效果为：便于加氢机通信模块与带有不同通信方式的待加氢设备通信连接，获取相关信息，应用场景更广。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括设于所述供气管道上的第一压力传感器和第二氢气温度传感器，以及环境温度传感器和氢气浓度传感器四种传感器中的全部或部分；
还包括设于所述供气管道上的紧急切断阀、开关阀和安全阀三者中的全部或部分；
第一控制单元分别从第一压力传感器、第二氢气温度传感器、环境温度传感器和氢气浓度传感器获得供气管道压力、供气管道中的氢气温度、环境温度和环境氢气浓度四个数据，当任一数据不符合要求时控制紧急切断阀和/或开关阀关闭。
上述技术方案的有益效果为：能够实时监测供气管道上的压力是否过大和氢气温度是否过高，加氢机内部或外部的环境温度是够过高，以及加氢机环境中是否存在氢气泄露等，提高了加氢机的安全性。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括冷却模块；所述冷却模块包括位于所述调压阀之后的第一换向阀、冷却器和第二换向阀；
所述第一换向阀的进气口与调压阀的出气口通过管道连接，第一换向阀的第一出气口与冷却器的进气口通过管道连接，第一换向阀的第二出气口与第二换向阀的第一进气口通过管道连接，冷却器的出气口与第二换向阀的第二进气口通过管道连接，第二换向阀的出气口与加氢枪的进气口通过管道连接；
所述第一控制单元分别与第一换向阀和第二换向阀连接。
上述技术方案的有益效果为：通过冷却模块能够使得氢气以较低温度加注入待加氢设备，避免待加氢设备加注时出现过热问题，能够实现更高加注压力，加快了加注速度，并且能够根据供气管道中氢气温度的实际情况对氢气进行冷却或不冷却自动判断和控制。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种加氢系统，包括本发明所述的加氢机和储氢增压设备；
所述储氢增压设备包括第二控制单元、变频器和压缩机，所述第二控制单元的第一控制信号输出端与变频器的控制端连接，变频器的变频信号输出端与压缩机的变频信号输入端连接；
压缩机的进气口与氢源的出气口通过管道连接，压缩机的出气口与加氢机的供气管道入口通过管道连接。
上述技术方案的有益效果为：该加氢系统实时获取待加氢设备内部的压力，并判断该压力与当前最大安全加注压力的大小关系，进而调节调压阀的阀门开度，使得加注压力控制在安全范围内，增加了加氢的安全性，同时，也能保证该加氢系统以允许的最大加注压力进行加氢，提高了加氢速度和效率，且该加氢系统改变了传统的更换不同等级储氢容器来使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值的方式，无需更换不同等级储氢容器就能使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值，减少了储氢容器压力波动次数，进一步提高了安全性。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种加氢站，包括本发明所述的加氢系统、氢源和待加氢设备；
所述氢源的出气口与加氢系统的压缩机进气口通过管道连接，待加氢设备的进气口与加氢枪的出气口连接。
上述技术方案的有益效果为：该加氢站除 了具有上述加氢系统的有益效果外，还具有结构简单，无需多个不同等级储氢容器，极大地节省了成本。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种加氢方法，包括：
步骤S1，将加氢枪和待加氢设备接通，通过第二压力传感器获取待加氢设备内部的初始压力，开启开关阀开始加注，累计加注时间；
步骤S2，通过待加氢设备内部压力获取模块获取当前待加氢设备内部压力Pt，判断当前待加氢设备内部压力Pt是否达到了预设的目标压力P目标，若当前待加氢设备内部压力Pt未达到目标压力P目标，执行步骤S3，若当前待加氢设备内部压力Pt达到目标压力P目标，关闭开关阀停止加注；
步骤S3，控制待加氢设备内部压力到达安全最优，具体包括：
步骤S31，计算当前最大安全加注压力Pt-max：
Figure GDA0002935164780000061
其中，
Figure GDA0002935164780000062
表示预设的待加氢设备的升压速率；P目标表示目标压力；P0气瓶表示待加氢设备内部初始压力，t为加注时间；
步骤S32，比较当前待加氢设备内部压力Pt与当前最大安全加注压力Pt-max的大小，基于比较结果调节调压阀的阀门开度进而调节供气管道输入待加氢设备的气体压力，使待加氢设备内部压力Pt为当前最大安全加注压力Pt-max；返回步骤S2。
上述技术方案的有益效果为：该加氢方法实时获取待加氢设备内部的压力，并判断该压力与当前最大安全加注压力的大小关系，进而调节调压阀的阀门开度，使得加注压力控制在安全范围内，增加了加氢的安全性；同时，以最大加注压力进行加氢提高了加氢速度和效率；改变了传统的更换不同等级储氢容器来使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值的方法，无需更换不同等级储氢容器就能使待加氢设备内部的氢气充装压力达到要求值，减少了储氢容器压力波动次数，进一步提高了安全性。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S2中至少利用以下三种方法之一获得当前待加氢设备内部压力：
方法一：以当前从通信模块获取的待加氢设备内部气体压力值作为当前待加氢设备内部压力Pt；
方法二：基于利用当前通信模块当前获取的待加氢设备内部气体温度根据如下公式计算获得当前待加氢设备内部压力Pt：
Figure GDA0002935164780000071
其中，Tt表示当前待加氢设备内部的温度；R为气体摩尔常数；V表示待加氢设备的体积；
Figure GDA0002935164780000072
Pc和Tc分别表示氢气的临界压力和临界温度；β(Tt)＝C1Tt，C1为与加氢机结构相关的结构常数；
Figure GDA0002935164780000073
Tr表示对比温度，w表示偏心因子；
方法三：利用流量计输出的氢气流量以及第一氢气温度传感器输出的温度，首先，根据如下公式求得当前待加氢设备内气体的温度Tt：
Figure GDA0002935164780000074
其中，CV表示氢气的定容比热容；ht表示被加氢气的比焓，通过第一氢气温度传感器输出的温度和氢源的氢气压力计算获得；e为自然常数；C0表示初始系数；
Figure GDA0002935164780000075
表示氢气的加注流速，由流量计获得；t表示加注时间；C气瓶表示待加氢设备的定容比热容；M气瓶表示待加氢设备的等效质量；m0表示待加氢设备中初始氢气的质量；
其次，将上述求得的当前待加氢设备内气体的温度Tt代入公式
Figure GDA0002935164780000076
求得当前待加氢设备内部压力Pt。
上述技术方案的有益效果为：上述三种方法可应用于不同场景的待加氢设备，方法一和方法二可应用于待加氢设备具有通信模块的场景，方法三可应用于待加氢设备不具有通信模块的场景。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S32中，若当前待加氢设备内部压力小于当前最大安全加注压力，增大调压阀的阀门开度，若当前待加氢设备内部压力大于当前最大安全加注压力，减小调压阀的阀门开度，若当前待加氢设备内部压力等于当前最大安全加注压力，保持调压阀的阀门开度不变。
上述技术方案的有益效果为：公开了快速调节阀门开度以使以当前最大安全加注压力对待加氢设备进行加氢的方法。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中加氢系统的结构示意图。
附图说明：
10储氢增压设备；101第二控制单元；102变频器；103压缩机；20加氢机；201紧急切断阀；202调压阀；203开关阀；204安全阀；205加氢枪；30第一控制单元；301第一压力传感器；302流量计；303第二氢气温度传感器；304 第二压力传感器；305红外接收器；306环境温度传感器；307氢气浓度传感器； 40待加氢设备；401待加氢设备进气口；402加注枪座；403红外发送器；404RS485 接口；50冷却模块；501第一换向阀；502第二换向阀；503冷却器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种安全快速加氢机20，在一种优选实施方式中，如图1所示，该加氢机20包括加氢枪205、连接压缩机103和加氢枪205的供气管道、第一控制单元30、设于供气管道上的调压阀202、以及待加氢设备40内部压力获取模块；
第一控制单元30利用待加氢设备40内部压力获取模块输出的压力信号，并根据预设的升压速率获取当前最大安全加注压力，比较该压力信号与当前最大安全加注压力的大小，基于比较结果调节调压阀202的阀门开度。
在本实施方式中，加注时，氢气依次从压缩机103的出气口、供气管道、加氢枪205到待加氢设备进气口401。第一控制单元30优选但不限于为51单片机、ARM等带有A/D模块的微处理器。调压阀202为电控调压阀，优选但不限于为阀门开度可电控的比例阀或者伺服阀等，如可选用阿托斯型号为 RZGO－A－033/100比例阀，通过输入不同的电压值至调压阀202的阀门控制端就能获得不同的阀门开度，进而调节待加氢设备40内的加注压力。
在本实施方式中，优选的，若当前待加氢设备40内部压力小于当前最大安全加注压力，增大调压阀202的阀门开度，若当前待加氢设备40内部压力大于当前最大安全加注压力，减小调压阀202的阀门开度，若当前待加氢设备40内部压力等于当前最大安全加注压力，保持调压阀202的阀门开度不变。
在一种优选实施方式中，待加氢设备内部压力获取模块至少包括以下两种结构中的一种；
结构一：包括与第一控制单元30连接的通信模块，通信模块用于与待加氢设备40上的通信模块通信，获取待加氢设备40内部气体的压力或者温度；
结构二：包括设于供气管道上的流量计302和第一氢气温度传感器，以及用于检测流经加氢枪205或加氢枪205附近气体压力的第二压力传感器304，流量计302和第一氢气温度传感器集成一体设置或独立设置，流量计302、第一氢气温度传感器和第二压力传感器304分别与第一控制单元30连接。
在本实施方式中，现有产品中，部分待加氢设备40上设置有压力传感器、温度传感器、以及向外部发送压力、温度、型号等信息的通信模块。
在本实施方式中，在结构一中，通信模块优选但不限于设置于加氢枪205 或者加氢机20外壳上，与待加氢设备40上的通信模块有线或无线连接。有线连接优选但不限于通过RS485、RS232等串口通信，如在待加氢设备40上和加氢机20上分别设置有RS485接口404，以及串口连接线缆，加氢机20上的RS485 接口与第一控制单元30的串口连接。无线连接方式优选但不限于通过蓝牙、 WIFI、红外信号等方式，如在加氢机20上设置有红外接收器305，在待加氢设备40上设置有红外发送器403，红外接收器305与第一控制单元30的A/D管脚或I/O管脚连接。在本实施方式中，在结构二中，优选的，第二压力传感器304 在供气管道上靠近加氢枪205进气口设置，也可设置于加氢枪205出气口端或者加氢枪205内部。
在本实施方式中，流量计302和第一氢气温度传感器集成一体设置，优选但不限于选择型号为德国罗尼克的RHE2X系列或者美国罗斯蒙特的HPC010P。
在一种优选实施方式中，通信模块包括一个通信单元或一个以上通信方式各不相同的通信单元。
在本实施方式中，当通信模块包括一个以上通信方式各不相同的通信单元时，可选择红外通信单元、蓝牙通信单元、RS485通信单元等，每个通信单元均与第一控制单元30连接。
在一种优选实施方式中，还包括设于供气管道上第一压力传感器301和第二氢气温度传感器303，以及环境温度传感器306和氢气浓度传感器307四种传感器中的全部或部分；
还包括设于供气管道上的紧急切断阀201、开关阀203和安全阀204三者中的全部或部分；
第一控制单元30分别从第一压力传感器301、第二氢气温度传感器303、环境温度传感器306和氢气浓度传感器307获得供气管道压力、供气管道中的氢气温度、环境温度和环境氢气浓度四个数据，当任一数据不符合要求时控制紧急切断阀201和/或开关阀203关闭。
在本实施方式中，优选的，第一压力传感器301和第二氢气温度传感器303 位于调压阀202之后；环境温度传感器306为至少一个，设于外壳内或外，当为一个以上时，环境温度传感器306分散布置；氢气浓度传感器307为至少一个，设于外壳内或外，当为一个以上时，氢气浓度传感器307分散布置。
在本实施方式中，优选的，开关阀203和安全阀204均位于调压阀202之后，紧急切断阀201位于调压阀202之前。
在本实施方式中，优选的，设置有供气高温阈值、供气高压阈值、环境温度阈值、氢气浓度阈值；当第二氢气温度传感器303输出的温度值大于供气高温阈值，第一控制单元30控制紧急切断阀201和/或开关阀203(即控制紧急切断阀201和开关阀203两者中任一者或两者都关闭)关闭；当第一压力传感器 301输出的压力值大于供气高压阈值，第一控制单元30控制紧急切断阀201和/ 或开关阀203关闭；当任一环境温度传感器306输出的温度值大于环境温度阈值，为保护第一控制单元30，第一控制单元30控制紧急切断阀201和/或开关阀203关闭；当任一氢气浓度传感器307输出的浓度值大于氢气浓度阈值，认为有氢气泄露，第一控制单元30控制紧急切断阀201和/或开关阀203关闭。
在本实施方式中，供气高温阈值优选但不限于为323.2k；供气高压阈值优选但不限于为42MPa(待加氢设备40目标充装气压为35MPa时)或81MPa(待加氢设备40目标充装气压为70MPa时)；环境温度阈值优选但不限于为323.2k；氢气浓度阈值优选但不限于为体积浓度3％。
在本实施方式中，优选的，环境温度传感器306有两个，分别设于加氢机 20外壳内部的对立两侧处，以便准确宽范围地测得环境温度。优选的，氢气浓度传感器307设于加氢机20外壳内部，便于及时感测供气管道上是否存在氢气泄漏。
在本实施方式中，开关阀203优选但不限于为现有的二通电磁开关阀，通过高低电平可以控制开关阀203的接通或切断。
在一种优选实施方式中，如图1所示，还包括冷却模块50；冷却模块50包括位于调压阀202之后的第一换向阀501、冷却器503和第二换向阀502；
第一换向阀501的进气口与调压阀202的出气口通过管道连接，第一换向阀501的第一出气口与冷却器503的进气口通过管道连接，第一换向阀501的第二出气口与第二换向阀502的第一进气口通过管道连接，冷却器503的出气口与第二换向阀502的第二进气口通过管道连接，第二换向阀502的出气口与加氢枪205的进气口通过管道连接；第一控制单元30分别与第一换向阀501和第二换向阀502连接。
在本实施方式中，可根据需要选择是否将氢气冷却降温后才注入待加氢设备40。比如，若待加氢 设备40的氢气充装压力达到要求值为35MPa时，第一控制单元30控制第一换向阀501和第二换向阀502换向使气体流经第一换向阀501 的第二出气口和第二换向阀502的第一进气口不进行降温。若待加氢 设备40的氢气充装压力达到要求值为70MPa时，第一控制单元30控制第一换向阀501和第二换向阀502换向使气体流经第一换向阀501的第一出气口、冷却器503和第二换向阀502的第二进气口进行降温，以确保70MPa时的加氢速度。
在本实施方式中，也可为了加快加氢速度，当供气管道中氢气温度达到预设的第一温度阈值时，第一控制单元30控制第一换向阀501和第二换向阀502 换向使气体流经第一换向阀501的第一出气口、冷却器503和第二换向阀502 的第二进气口进行降温，当供气管道中氢气温度低于第一温度阈值时，第一控制单元30控制第一换向阀501和第二换向阀502换向使气体流经第一换向阀501 的第二出气口和第二换向阀502的第一进气口不进行降温；以确保氢气以小于第一温度阈值的温度被加注。
在本实施方式中，第一换向阀501和第二换向阀502优选的均为现有的三通电磁阀。
在本实施方式中，优选的，冷却器503包括充装有制冷剂的箱体和缠绕在该箱体表面或来回多次贯穿该箱体的密封管道，待冷却氢气通过该密封管道被冷却。制冷剂优选但不限于为R717(氨)、R404A、R134A、R507等。
本发明还公开了一种加氢系统，在一种优选实施方式中，如图1所示，该系统包括上述加氢机20和储氢增压设备10；
储氢增压设备10包括第二控制单元101、变频器102和压缩机103，第二控制单元101的第一控制信号输出端与变频器102的控制端连接，变频器102 的变频信号输出端与压缩机103的变频信号输入端连接；
压缩机103的进气口与氢源的出气口通过管道连接，压缩机103的出气口与加氢机20的供气管道入口通过管道连接。
在本实施方式中，第二控制单元101优选但不限于为PLC，第二控制单元 101还与第一控制单元30连接通信。
在本实施方式中，优选的，为便于加注，还设置有加注枪座402，用于支撑加氢枪205。
本发明还公开了一种加氢站，在一种优选实施方式中，如图1所示，包括上述加氢系统、氢源和待加氢设备40；
氢源的出气口与加氢系统的压缩机103进气口通过管道连接，待加氢设备 40的进气口与加氢枪205的出气口连接。
在本实施方式中，氢源优选但不限于为储氢容器或移动储氢车等。
本发明还公开了一种基于上述加氢机20的加氢方法，在一种优选实施方式中，该方法包括：
步骤S1，将加氢枪205和待加氢设备40接通，通过第二压力传感器304获取待加氢设备40内部的初始压力，开启开关阀203开始加注，累计加注时间；
步骤S2，通过待加氢设备内部压力获取模块获取当前待加氢设备40内部压力Pt，判断当前待加氢设备40内部压力Pt是否达到了预设的目标压力P目标，若当前待加氢设备40内部压力Pt未达到目标压力P目标，执行步骤S3，若当前待加氢设备40内部压力Pt达到目标压力P目标，关闭开关阀203停止加注；
步骤S3，控制待加氢设备内部压力到达安全最优，具体包括：
步骤S31，计算当前最大安全加注压力Pt-max：
Figure GDA0002935164780000151
其中，
Figure GDA0002935164780000152
表示预设的待加氢设备40的升压速率； P目标表示目标压力；P0气瓶表示待加氢设备40内部初始压力，t为加注时间；
步骤S32，比较当前待加氢设备40内部压力Pt与当前最大安全加注压力P目标的大小，基于比较结果调节调压阀202的阀门开度进而调节供气管道输入待加氢设备40的气体压力，使待加氢设备40内部压力为当前最大安全加注压力 Pt-max；返回步骤S2。
在本实施方式中，P0气瓶可为加氢前第二压力传感器304的输出压力值；P目标优选但不限于为35MPa或70MPa；Pt-max的单位也为MPa；
Figure GDA0002935164780000155
为常数，当待加氢设备40的目标充装压力为35MPa时，
Figure GDA0002935164780000153
优选但不限于为8MPa/min，当待加氢设备40的目标充装压力为70MPa时，
Figure GDA0002935164780000154
优选但不限于为12.5MPa/min；t的单位可为分钟。
在一种优选实施方式中，在步骤S2中至少利用以下三种方法之一获得当前待加氢设备40内部压力：
方法一：以通信模块当前获取的待加氢设备40内部气体压力值作为当前待加氢设备40内部压力Pt；
方法二：利用通信模块当前获取的待加氢设备40内部气体温度Tt根据如下公式计算获得当前待加氢设备40内部压力Pt：
Figure GDA0002935164780000161
其中，Tt表示当前待加氢设备40内部的温度；R为气体摩尔常数，为8.31451J/(mol·k)；V表示待加氢设备40的体积，可通过加氢设备40的型号获得；
Figure GDA0002935164780000162
Pc和Tc分别表示氢气的临界压力和临界温度；β(Tt)＝C1Tt，C1为与加氢机20结构相关的结构常数，取值范围为0.0025 到0.0035；
Figure GDA0002935164780000163
Tr表示无量纲的对比温度，
Figure GDA0002935164780000164
w表示偏心因子，可取值为－0.220；
方法三：利用流量计302输出的氢气流量以及第一氢气温度传感器输出的温度，首先，根据如下公式求得当前待加氢设备40内气体的温度Tt：
Figure GDA0002935164780000165
其中，CV表示氢气的定容比热容；ht表示被加氢气的比焓，通过第一氢气温度传感器输出的温度和氢源的氢气压力计算获得；e为自然常数，为2.71828；C0表示初始系数；
Figure GDA0002935164780000167
表示氢气的加注流速，为流量计302输出值；t表示加注时间；C气瓶表示待加氢设备40的定容比热容； M气瓶表示待加氢设备40的等效质量，可根据加氢设备40的型号获得；m0表示待加氢设备40中的初始氢气质量，优选的，可通过在加氢枪205端部设置一个压力传感器(如第二压力传感器304)或温度传感器，可以获得待加氢设备40 内的初始压力P0或初始温度T0，获得
Figure GDA0002935164780000166
M为氢气的分子量；而根据衡量公式，存在待加氢设备40内的压力与待加氢设备40的容积的乘积与待加氢设备40内的温度的比值为常数的关系，待加氢设备40内的压力与待加氢设备40内的温度成正比，因此，知道待加氢设备40内的初始压力P0或初始温度T0可以求到m0。
其次，将上述求得的当前待加氢设备40内气体的温度Tt代入公式
Figure GDA0002935164780000171
求得当前待加氢设备40内部压力Pt。
在本实施方式中，C0可通过公式
Figure GDA0002935164780000172
中其他所有参数为初始值时求解得到，如
Figure GDA0002935164780000173
Tt的初始值可设置为常温(例如外部环境温度)或者可通过设置于加氢枪205端部的温度传感器获得，ht的初始值可通过第一氢气温度传感器输出的温度和第一压力传感器301的输出压力计算获得，公式中其他参数均为常数，因此可通过该公式计算获得C0。
在本实施方式中，被加氢气的比焓ht通过第一氢气温度传感器输出的温度 (即被加注氢气温度)和氢源的氢气压力计算获得为现有技术，如可参考网址为：https：//wenku.baidu.com/view/f6267e3ddd3383c4bb4cd2dd.html中公开的蒸汽比焓计算方法；被加氢气的比焓ht也可通过公式
Figure GDA0002935164780000174
计算获得， kij表示比焓计算系数，Pj表示P的j次幂，P表示氢源的氢气压力值(优选的，Pj可等效为第一压力传感器301输出的压力值)，Ti表示T的i次幂，T表示第一氢气温度传感器输出的温度值。公式
Figure GDA0002935164780000175
具体为：
Figure GDA0002935164780000176
在一种优选实施方式中，在步骤S3中，若当前待加氢设备40内部压力小于当前最大安全加注压力，增大调压阀202的阀门开度，若当前待加氢设备40 内部压力大于当前最大安全加注压力，减小调压阀202的阀门开度，若当前待加氢设备40内部压力等于当前最大安全加注压力，保持调压阀202的阀门开度不变。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种安全快速加氢机，其特征在于，包括加氢枪、连接压缩机和加氢枪的供气管道、第一控制单元、设于所述供气管道上的调压阀、以及待加氢设备内部压力获取模块；
所述第一控制单元利用所述待加氢设备内部压力获取模块输出的压力信号，并根据预设的升压速率获取当前最大安全加注压力，比较所述压力信号与当前最大安全加注压力的大小，基于比较结果调节调压阀的阀门开度；所述待加氢设备内部压力获取模块至少包括以下两种结构中的一种；
结构一：包括与第一控制单元连接的通信模块，所述通信模块用于与待加氢设备上的通信模块通信，获取待加氢设备内部气体的压力或者温度；
结构二：包括设于供气管道上的流量计和第一氢气温度传感器，以及用于检测流经加氢枪或加氢枪附近气体压力的第二压力传感器，所述流量计和第一氢气温度传感器集成一体设置或独立设置，流量计、第一氢气温度传感器和第二压力传感器分别与第一控制单元连接；
所述安全快速加氢机的加氢方法包括：
步骤S1，将加氢枪和待加氢设备接通，通过第二压力传感器获取待加氢设备内部的初始压力，开启开关阀开始加注，累计加注时间；
步骤S2，通过待加氢设备内部压力获取模块获取当前待加氢设备内部压力Pt，判断当前待加氢设备内部压力Pt是否达到了预设的目标压力P目标，若当前待加氢设备内部压力Pt未达到目标压力P目标，执行步骤S3，若当前待加氢设备内部压力Pt达到目标压力P目标，关闭开关阀停止加注；
步骤S3，控制待加氢设备内部压力到达安全最优，具体包括：
步骤S31，计算当前最大安全加注压力Pt-max：
Figure FDA0002935164770000024
其中，
Figure FDA0002935164770000025
表示预设的待加氢设备的升压速率；P目标表示目标压力；P0气瓶表示待加氢设备内部初始压力，t为加注时间；
步骤S32，比较当前待加氢设备内部压力Pt与当前最大安全加注压力Pt-max的大小，基于比较结果调节调压阀的阀门开度进而调节供气管道输入待加氢设备的气体压力，使待加氢设备内部压力为当前最大安全加注压力Pt-max；返回步骤S2；
在所述步骤S2中至少利用以下三种方法之一获得当前待加氢设备内部压力：
方法一：以通信模块当前获取的待加氢设备内部气体压力值作为当前待加氢设备内部压力Pt；
方法二：利用通信模块当前获取的待加氢设备内部气体温度根据如下公式计算获得当前待加氢设备内部压力Pt：
Figure FDA0002935164770000021
其中，Tt表示当前待加氢设备内部的温度；R为气体摩尔常数；V表示待加氢设备的体积；
Figure FDA0002935164770000022
Pc和Tc分别表示氢气的临界压力和临界温度；β(Tt)＝C1Tt，C1为与加氢机结构相关的结构常数；
Figure FDA0002935164770000023
Tr表示对比温度，w表示偏心因子；
方法三：利用流量计输出的氢气流量以及第一氢气温度传感器输出的温度，首先，根据如下公式求得当前待加氢设备内气体的温度Tt：
Figure FDA0002935164770000031
其中，CV表示氢气的定容比热容；ht表示被加氢气的比焓，通过第一氢气温度传感器输出的温度和氢源的氢气压力计算获得；e为自然常数；C0表示初始系数；
Figure FDA0002935164770000033
表示氢气的加注流速，由流量计获得；t表示加注时间；C气瓶表示待加氢设备的定容比热容；M气瓶表示待加氢设备的等效质量；m0表示待加氢设备中氢气的初始质量；
其次，将上述求得的当前待加氢设备内气体的温度Tt代入公式
Figure FDA0002935164770000032
求得当前待加氢设备内部压力Pt。
2.如权利要求1所述的安全快速加氢机，其特征在于，所述通信模块包括一个通信单元或一个以上通信方式各不相同的通信单元。
3.如权利要求1所述的安全快速加氢机，其特征在于，还包括设于所述供气管道上的第一压力传感器和第二氢气温度传感器，以及环境温度传感器和氢气浓度传感器四种传感器中的全部或部分；
还包括设于所述供气管道上的紧急切断阀、开关阀和安全阀三者中的全部或部分；
第一控制单元分别从第一压力传感器、第二氢气温度传感器、环境温度传感器和氢气浓度传感器获得供气管道压力、供气管道中的氢气温度、环境温度和环境氢气浓度四个数据，当任一数据不符合要求时控制紧急切断阀和/或开关阀关闭。
4.如权利要求1－3之一所述的安全快速加氢机，其特征在于，还包括冷却模块；所述冷却模块包括位于所述调压阀之后的第一换向阀、冷却器和第二换向阀；
所述第一换向阀的进气口与调压阀的出气口通过管道连接，第一换向阀的第一出气口与冷却器的进气口通过管道连接，第一换向阀的第二出气口与第二换向阀的第一进气口通过管道连接，冷却器的出气口与第二换向阀的第二进气口通过管道连接，第二换向阀的出气口与加氢枪的进气口通过管道连接；
所述第一控制单元分别与第一换向阀和第二换向阀连接。
5.如权利要求1所述的安全快速加氢机，其特征在于，在所述步骤S32中，若当前待加氢设备内部压力小于当前最大安全加注压力，增大调压阀的阀门开度，若当前待加氢设备内部压力大于当前最大安全加注压力，减小调压阀的阀门开度，若当前待加氢设备内部压力等于当前最大安全加注压力，保持调压阀的阀门开度不变。
6.一种加氢系统，其特征在于，包括权利要求1－5之一所述的加氢机和储氢增压设备；
所述储氢增压设备包括第二控制单元、变频器和压缩机，所述第二控制单元的第一控制信号输出端与变频器的控制端连接，变频器的变频信号输出端与压缩机的变频信号输入端连接；
压缩机的进气口与氢源的出气口通过管道连接，压缩机的出气口与加氢机的供气管道入口通过管道连接。
7.一种加氢站，其特征在于，包括权利要求6所述的加氢系统、氢源和待加氢设备；
所述氢源的出气口与加氢系统的压缩机进气口通过管道连接，待加氢设备的进气口与加氢枪的出气口连接。
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