CN112253990A - 基于温升控制的高压氢气加注系统及其加注方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于温升控制的高压氢气加注系统，包括氢气压缩机、减压阀、预冷器、加氢机、加氢枪、温度控制系统和压力控制系统；所述氢气压缩机、减压阀、预冷器、加氢机和加氢枪依次连接；所述氢气压缩机用于压缩氢气；所述减压阀用于对压缩氢气进行减压处理；所述预冷器用于调节压缩氢气的温度；所述加氢机用于将压缩氢气通过加氢枪加入到所需用户的储氢瓶中。本发明还提供一种基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法，提高氢气加注速度，缩短汽车的平均加氢时间，还可以适度减少预冷设备的裕量，利于预冷设备的节能，另外在保证车载气罐的使用温度的前提下，实现提高加氢速率、优化系统结构和降低系统成本。

Description

基于温升控制的高压氢气加注系统及其加注方法
技术领域
本发明涉及氢气加注技术领域，具体涉及一种基于温升控制的高压氢气加注系统及其加注方法。
背景技术
氢能以来源广、能效高、可再生、燃烧产物零污染等优点，正成为世界主要发达经济体和国家能源创新与再工业化的焦点。近年来，美国、日本、中国、韩国、欧盟等都制定了氢能发展战略，大力开发氢能汽车，积极推进加氢站等氢能基础设置的建设。
在氢能产业链的发展进程中，加氢站作为供氢基础设置之一，已得到全世界研究者的关注。根据储氢方式的不同，加氢站可分为气氢加氢站和液氢加氢站两种。由于气氢加氢站具有能耗低、加氢速度快、可靠性高等优点，我国现有的加氢站大多采用这一种。为提高氢能在能源、交通行业的市场竞争力，必须保证加氢如同加油一般便捷、安全、高效、经济。为此，要利用技术手段，在保证氢气加注速率、压力的前提下，严格控制加氢过程中车载储氢容器内的温升，消除温升所带来的安全隐患。
中国专利CN101418908A给出了一种可用于高压氢气加气站的加气系统，其包括控制系统、采样系统、加注系统、报警系统、氮气吹扫系统及加氢站。具有加注计量的温度自动补偿、顺序取气、加注速率控制、氢泄漏报警、自动断电、加注过程防拉脱、静电自动释放及系统过压保护等功能。加氢站设置了三级压力储气瓶，以实现不同取气速率的切换，并通过加注速率来控制温升。但其加注速率控制程序，必需测量车载储氢容器中温度，温度超限时系统停止加注，等温度降回可行范围才能继续加注，而实际车载储氢容器自然冷却降温很慢，因此该系统极大地限制了加氢效率。中国专利CN209943985U公开了一种撬装式加氢站，其包括卸气柱、压缩机、多个压力级别的储氢罐、冷却器和加氢机。该系统设置多个压力级别的储氢罐，根据氢燃料电池车辆内的压力自动选择相应级别压力下的储氢罐，以实现加氢枪多压加氢的功能。但加氢枪未设置相应温度传感器，无法确保加氢枪出口温度满足设计要求，给氢燃料电池车带来安全隐患，且多个压力级别的储氢罐设置使得整个系统结构复杂，成本较高。
现有的氢气加注系统通常设置一个或多个储氢罐以控制温升的影响，结构较为复杂，占用空间大，且成本较高；另外，预冷设备仅对氢气充注系统减压阀前温度进行控制。整个加氢系统中氢气温度、压力均要满足一定要求，且在该要求下氢气的焦耳-汤姆逊系数为负，使得氢气通过减压阀后温度升高，目前工艺中，无法对加氢系统减压阀后的温度实现有效预测和控制。加氢温度过高，可能导致车载气罐温度超限，存在一定的安全隐患。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以消除氢气节流升温对氢燃料电池汽车所带来的安全隐患的基于温升控制的高压氢气加注系统及其加注方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于温升控制的高压氢气加注系统，包括氢气压缩机、减压阀、预冷器、加氢机、加氢枪、温度控制系统和压力控制系统；
所述氢气压缩机、减压阀、预冷器、加氢机和加氢枪依次连接；
所述氢气压缩机用于压缩氢气；
所述减压阀用于对压缩氢气进行减压处理；
所述预冷器用于调节压缩氢气的温度；
所述加氢机用于将压缩氢气通过加氢枪加入到所需用户的储氢瓶中。
作为对本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的改进：还包括储氢气瓶，所述储氢气瓶设置于氢气压缩机与减压阀之间；
所述储氢气瓶用于储存氢气压缩机输出的压缩氢气，确保补氢过程稳定。
作为对本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的改进：所述加氢机包括气动截止阀b、单向阀b、流量计、压力传感器b、压力传感器c、温度传感器、拉断阀和高压软管；
所述气动截止阀b、单向阀b、流量计、拉断阀和高压软管依次连接，
所述流量计的输入端通过安全阀与泄压管路连接；
所述流量计的输出端依次通过气动截止阀a和单向阀a后与泄压管路连接；
所述气动截止阀b用于控制加氢机的连通情况；
所述单向阀b用于确保压缩氢气的流向；
所述流量计用于测量充氢量；
所述拉断阀用于保证在拉力作用下优先断开，并自动关闭两端气路；
所述高压软管用于输送压缩氢气。
作为对本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的改进：所述预冷器包括相连的冷冻机组和高压换热器；
所述高压换热器两端分别与减压阀和加氢机连接；
所述高压换热器与加氢机之间设置手动截止阀a。
作为对本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的改进：所述温度控制系统包括温度传感器a、温度传感器b和温度传感器c；
所述温度传感器a设置于拉断阀与流量计之间；所述温度传感器b设置于减压阀和高压换热器之间；所述温度传感器c设置于加氢枪内；
所述温度传感器a用于测量冷冻机组出口温度；
所述温度传感器b用于测量冷冻机组入口温度；
所述温度传感器c用于测量加氢枪出口的压缩氢气温度。
作为对本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的改进：所述压力控制系统包括压力传感器a和压力传感器b；
所述压力传感器a设置于储氢气瓶和减压阀之间，压力传感器b和压力传感器c设置于拉断阀与流量计之间；
所述压力传感器a用于测量储氢气瓶输出的压缩氢气压力P1；
所述压力传感器b和压力传感器c均用于测量加氢机输出的的氢气充注压力P2。
本发明还提供一种基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法，按以下步骤进行：
步骤一，氢气经氢气压缩机增压后进入储氢气瓶；
步骤二，储氢气瓶内氢气经减压阀减压，发生焦耳-汤姆逊效应造成的节流温升效应，减压的压缩氢气温度上升；
步骤三，节流温升后的压缩氢气进入预冷器的高压换热器中，通过冷冻机组输出的冷源进行等压降温；
步骤四，等压降温后的压缩氢气通过加氢机进入加氢枪中；
步骤五，压力传感器a监测的储氢气瓶输出的压缩氢气压力P1、压力传感器b和压力传感器c监测的氢气充注压力P2输送至压力控制系统；
压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，控制减压阀的阀口开度，从而调节减压阀的出口压力；
步骤六，温度传感器c监测的加氢枪出口的压缩氢气温度T1、温度传感器a监测的冷冻机组出口温度T4、温度传感器b监测的冷冻机组入口温度T3和预设的冷冻机组出口目标温度T2输送至温度控制系统；
温度控制系统根据加氢枪出口的压缩氢气温度T1、冷冻机组出口目标温度T2、冷冻机组入口温度T3和冷冻机组出口温度T4，调节冷冻机组的冷却水阀门开度；
步骤七，手持加氢枪对氢燃料电池汽车进行氢气充注。
作为对本发明基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法的改进：
在步骤五中，压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，动态控制减压阀的阀口开度，使得压差为一个稳定值。
作为对本发明基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法的改进：
在步骤六中，温度控制系统根据加氢枪出口的压缩氢气温度T1、冷冻机组出口目标温度T2、冷冻机组入口温度T3和冷冻机组出口温度T4，调节冷冻机组的冷却水阀门开度的具体方法为：
冷冻机组两侧实际温差为第一差值△T1：△T1＝T3-T4＝k(T3-T1),k为加氢机内部部件的冷量损失系数；
冷冻机组两侧目标温差为第二差值△T2：△T2＝T3-T2；
根据所述第一差值△T1和第二差值△T2控制冷冻机组的冷却水阀门开度：
令所述第一差值满足条件△T1＝△T2+ζ*△T；△T为冷冻机组最大可降温差，与功率有关；ζ为比例系数；
控制所述冷冻机组的冷却水阀门开度依据公式：1/ζ＝f(h/H)；式中函数f(h/H)为依据冷水机组调节阀的内特性曲线特征而定，h为阀门开度，H为阀门最大开度。
本发明基于温升控制的高压氢气加注系统及其加注方法的技术优势为：
减压阀设置于预冷器与储氢气瓶之间，在实现氢气压力有效调节的前提下，由于与增压系统协同调节，兼顾了调节的快速响应性能，又减少减压阀节流引起的损失，降低增压系统的能耗；减压阀设置于预冷器与储氢气瓶之间，可以将氢气焦耳-汤姆逊效应带来的节流温升等不确定因素前移，通过后续的预冷设备，准确预期车载气罐的氢气加注温度，便于在保证车载气罐的工作温度不超限前提下，提高氢气加注速度，缩短汽车的平均加氢时间，还可以适度减少预冷设备的裕量，利于预冷设备的节能，另外在保证车载气罐的使用温度的前提下，实现提高加氢速率、优化系统结构和降低系统成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的基于温升控制的高压氢气加注系统的工作原理示意图；
图中：1-氢气压缩机；2-储氢气瓶；3-冷冻机组；4-高压换热器；5-压力传感器a；6-安全阀；7-单向阀a；8-气动截止阀1；9-压力传感器b；10-压力传感器c；11-温度传感器a；12-加氢枪；13-高压软管；14-拉断阀；15-流量计；16-单向阀b；17-气动截止阀b；18-减压器；19-手动截止阀a；20-加氢机；21-预冷器；22-温度传感器b；33-温度传感器c。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、基于温升控制的高压氢气加注系统，如图1所示，包括氢气压缩机1、减压阀18、预冷器21、加氢机20、加氢枪12、储氢气瓶2、温度控制系统和压力控制系统；
预冷器21包括相连的冷冻机组3和高压换热器4。
加氢机20具体包括气动截止阀b17、单向阀b16、流量计15、压力传感器b9、压力传感器c10、温度传感器11、拉断阀14和高压软管13。
氢气压缩机1、储氢气瓶2、减压阀18、高压换热器4、手动截止阀a19、气动截止阀b17、单向阀b16、流量计15、拉断阀14、高压软管13和加氢枪12依次连接；流量计15的输入端通过安全阀6与泄压管路连接；流量计15的输出端依次通过气动截止阀a8和单向阀a7后与泄压管路连接。
氢气压缩机1用于压缩氢气；减压阀18用于对压缩氢气进行减压处理；预冷器21用于调节压缩氢气的温度；加氢机20用于将压缩氢气通过加氢枪12加入到所需用户的储氢瓶中。储氢气瓶2用于储存氢气压缩机1输出的压缩氢气，确保补氢过程稳定。气动截止阀b17用于控制加氢机20的连通情况，通过气动截止阀b17的开通关闭控制加注系统的启动关停；单向阀b16用于确保压缩氢气的流向，确保压缩氢气只能正向流动；流量计15用于测量充氢量；拉断阀14用于保证在拉力作用下优先断开，并自动关闭两端气路；高压软管13用于输送压缩氢气。
氢气经过氢气压缩机1压缩，储存在储氢气瓶2中，然后减压阀18对压缩氢气进行节流温升，预冷器21进行等压降温，通过加氢机20和加氢枪12进行加氢。
温度控制系统包括温度传感器a11、温度传感器b22和温度传感器c33；三个温度温度传感器分别测量基于温升控制的高压氢气加注系统的三个不同位置的氢气温度。温度传感器a11设置于拉断阀14与流量计15之间；温度传感器b22设置于减压阀18和高压换热器4之间；温度传感器c33设置于加氢枪12内。温度传感器a11用于测量冷冻机组出口温度；温度传感器b22用于测量冷冻机组入口温度；温度传感器c33用于测量加氢枪出口的压缩氢气温度。
压力控制系统包括压力传感器a5和压力传感器b9；压力传感器a5设置于储氢气瓶2和减压阀18之间，压力传感器b9和压力传感器c10设置于拉断阀14与流量计15之间；压力传感器a5用于测量储氢气瓶输出的压缩氢气压力P1；压力传感器b9和压力传感器c10均用于测量加氢机输出的的氢气充注压力P2。设置两个压力传感器(压力传感器b9和压力传感器c10)的目的是为了比较测量结果，更为精确，也可以只设置其中一个压力传感器。
基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法是按以下步骤进行：
步骤一，氢气经氢气压缩机1增压后进入储氢气瓶2；
输入的氢气由外部制氢装置制备，氢气压缩机1进行增压，使得氢气成为压缩氢气并且压力满足初始要求；储氢气瓶2临时储存压缩氢气；
步骤二，储氢气瓶2内氢气经减压阀18减压，发生焦耳-汤姆逊效应造成的节流温升效应，减压的压缩氢气温度上升；
氢气压缩机1增压后氢气一般压力过大，需要通过减压阀18减压处理以满足充氢的要求；
步骤三，节流温升后的压缩氢气进入预冷器21的高压换热器4中，通过冷冻机组3输出的冷源进行等压降温；
冷冻机组3流出冷源进入到高压换热器4中与压缩氢气换热，从而达到等压降温；
步骤四，等压降温后的压缩氢气通过加氢机20进入加氢枪12中；
步骤五，压力传感器a5监测的储氢气瓶2输出的压缩氢气压力P1、压力传感器b9和压力传感器c10监测的氢气充注压力P2输送至压力控制系统；
压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，控制减压阀18的阀口开度，从而调节减压阀18的出口压力；
压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，动态控制减压阀18的阀口开度，使得压差为一个稳定值，该控制方法能实现提高加氢速率和降低系统成本；
步骤六，温度传感器c33监测的加氢枪内的压缩氢气温度T3、温度传感器a11监测的加氢枪出口的压缩氢气温度T1、温度传感器b22监测的减压阀输出的压缩氢气温度T2和目标温度数据T3输送至温度控制系统；
温度控制系统控制预冷器21的冷冻机组3，调节冷却水阀门开度，从而调节高压换热器4换热量；
温度控制系统根据加氢枪内的压缩氢气温度T3、加氢枪出口的压缩氢气温度T1、减压阀输出的压缩氢气温度T2和目标温度数据T4，调节冷冻机组3的冷却水阀门开度；
冷冻机组两侧实际温差为第一差值△T1：△T1＝T3-T4＝k(T3-T1),k为加氢机内部部件的冷量损失系数；
冷冻机组两侧目标温差为第二差值△T2：△T2＝T3-T2；
根据所述第一差值△T1和第二差值△T2控制冷冻机组3的冷却水阀门开度：
令所述第一差值满足条件△T1＝△T2+ζ*△T；△T为冷冻机组最大可降温差，与功率有关；ζ为比例系数；
控制所述冷冻机组3的冷却水阀门开度依据公式：1/ζ＝f(h/H)；式中函数f(h/H)为依据冷水机组调节阀的内特性曲线特征而定，h为阀门开度，H为阀门最大开度。
该控制系统能实现精准控制加氢温度的目的，少预冷设备的裕量，利于预冷设备的节能，保证车载气罐的使用温度；
步骤七，手持加氢枪12对氢燃料电池汽车进行氢气充注。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：包括氢气压缩机(1)、减压阀(18)、预冷器(21)、加氢机(20)、加氢枪(12)、温度控制系统和压力控制系统；
所述氢气压缩机(1)、减压阀(18)、预冷器(21)、加氢机(20)和加氢枪(12)依次连接；
所述氢气压缩机(1)用于压缩氢气；
所述减压阀(18)用于对压缩氢气进行减压处理；
所述预冷器(21)用于调节压缩氢气的温度；
所述加氢机(20)用于将压缩氢气通过加氢枪(12)加入到所需用户的储氢瓶中。
2.如权利要求1所述的基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：还包括储氢气瓶(2)，所述储氢气瓶(2)设置于氢气压缩机(1)与减压阀(18)之间；
所述储氢气瓶(2)用于储存氢气压缩机(1)输出的压缩氢气，确保补氢过程稳定。
3.如权利要求2所述的基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：所述加氢机(20)包括气动截止阀b(17)、单向阀b(16)、流量计(15)、压力传感器b(9)、压力传感器c(10)、温度传感器(11)、拉断阀(14)和高压软管(13)；
所述气动截止阀b(17)、单向阀b(16)、流量计(15)、拉断阀(14)和高压软管(13)依次连接，
所述流量计(15)的输入端通过安全阀(6)与泄压管路连接；
所述流量计(15)的输出端依次通过气动截止阀a(8)和单向阀a(7)后与泄压管路连接；
所述气动截止阀b(17)用于控制加氢机(20)的连通情况；
所述单向阀b(16)用于确保压缩氢气的流向；
所述流量计(15)用于测量充氢量；
所述拉断阀(14)用于保证在拉力作用下优先断开，并自动关闭两端气路；
所述高压软管(13)用于输送压缩氢气。
4.如权利要求3所述的基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：所述预冷器(21)包括相连的冷冻机组(3)和高压换热器(4)；
所述高压换热器(4)两端分别与减压阀(18)和加氢机(20)连接；
所述高压换热器(4)与加氢机(20)之间设置手动截止阀a(19)。
5.如权利要求4所述的基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：所述温度控制系统包括温度传感器a(11)、温度传感器b(22)和温度传感器c(33)；
所述温度传感器a(11)设置于拉断阀(14)与流量计(15)之间；所述温度传感器b(22)设置于减压阀(18)和高压换热器(4)之间；所述温度传感器c(33)设置于加氢枪(12)内；
所述温度传感器a(11)用于测量冷冻机组出口温度；
所述温度传感器b(22)用于测量冷冻机组入口温度；
所述温度传感器c(33)用于测量加氢枪出口的压缩氢气温度。
6.如权利要求5所述的基于温升控制的高压氢气加注系统，其特征在于：所述压力控制系统包括压力传感器a(5)和压力传感器b(9)；
所述压力传感器a(5)设置于储氢气瓶(2)和减压阀(18)之间，压力传感器b(9)和压力传感器c(10)设置于拉断阀(14)与流量计(15)之间；
所述压力传感器a(5)用于测量储氢气瓶输出的压缩氢气压力P1；
所述压力传感器b(9)和压力传感器c(10)均用于测量加氢机输出的的氢气充注压力P2。
7.基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法，其特征在于：基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法是按以下步骤进行：
步骤一，氢气经氢气压缩机(1)增压后进入储氢气瓶(2)；
步骤二，储氢气瓶(2)内氢气经减压阀(18)减压，发生焦耳-汤姆逊效应造成的节流温升效应，减压的压缩氢气温度上升；
步骤三，节流温升后的压缩氢气进入预冷器(21)的高压换热器(4)中，通过冷冻机组(3)输出的冷源进行等压降温；
步骤四，等压降温后的压缩氢气通过加氢机(20)进入加氢枪(12)中；
步骤五，压力传感器a(5)监测的储氢气瓶(2)输出的压缩氢气压力P1、压力传感器b(9)和压力传感器c(10)监测的氢气充注压力P2输送至压力控制系统；
压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，控制减压阀(18)的阀口开度，从而调节减压阀(18)的出口压力；
步骤六，温度传感器c(33)监测的加氢枪出口的压缩氢气温度T1、温度传感器a(11)监测的冷冻机组出口温度T4、温度传感器b(22)监测的冷冻机组入口温度T3和预设的冷冻机组出口目标温度T2输送至温度控制系统；
温度控制系统根据加氢枪出口的压缩氢气温度T1、冷冻机组出口目标温度T2、冷冻机组入口温度T3和冷冻机组出口温度T4，调节冷冻机组(3)的冷却水阀门开度；
步骤七，手持加氢枪(12)对氢燃料电池汽车进行氢气充注。
8.根据权利要求7所述的基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法，其特征在于：
在步骤五中，压力控制系统根据压缩氢气压力P1和氢气充注压力P2，动态控制减压阀(18)的阀口开度，使得压差为一个稳定值。
9.根据权利要求8所述的基于温升控制的高压氢气加注系统的加注方法，其特征在于：
在步骤六中，温度控制系统根据加氢枪出口的压缩氢气温度T1、冷冻机组出口目标温度T2、冷冻机组入口温度T3和冷冻机组出口温度T4，调节冷冻机组(3)的冷却水阀门开度的具体方法为：
冷冻机组两侧实际温差为第一差值△T1：△T1＝T3-T4＝k(T3-T1),k为加氢机内部部件的冷量损失系数；
冷冻机组两侧目标温差为第二差值△T2：△T2＝T3-T2；
根据所述第一差值△T1和第二差值△T2控制冷冻机组(3)的冷却水阀门开度：
令所述第一差值满足条件△T1＝△T2+ζ*△T；△T为冷冻机组最大可降温差，与功率有关；ζ为比例系数；
控制所述冷冻机组(3)的冷却水阀门开度依据公式：1/ζ＝f(h/H)；式中函数f(h/H)为依据冷水机组调节阀的内特性曲线特征而定，h为阀门开度，H为阀门最大开度。
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