CN112963729B - 一种加氢机前氢气冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加氢机前氢气冷却系统，包括冷却剂存储器、冷却器和冷却剂排空装置，冷却剂存储器出口通过冷却剂输入管线与冷却器的冷却剂入口连接，冷却器的冷却剂出口通过冷却剂排空管线与冷却剂排空装置连接，冷却器的氢气入口连接氢气输入管线，冷却器的氢气出口连接氢气输出管线；冷却剂输入管线上设有冷却剂入口阀门，冷却剂排空管线上设有冷却剂出口阀门，在冷却剂出口和冷却剂出口阀门之间设有冷却剂出口温度计，在氢气输出管线上沿远离冷却器的方向依次设有氢气纯度检测器、氢气出口温度计和氢气出口阀门。本发明取消了冷却剂循环冷却系统，结构简单，成本低，避免了冷却剂对设备的腐蚀，无污染物排放。

Description

一种加氢机前氢气冷却系统
技术领域
本发明涉及加氢站技术领域，尤其涉及一种加氢机前氢气冷却系统。
背景技术
氢被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢能在解决能源危机、全球变暖及环境污染等问题方面将发挥越来越重要的作用。作为氢能在交通运输方面的重要用途之一，氢燃料电池汽车使用越来越广泛。加氢站之于氢燃料电池汽车，犹如加油站之于传统燃油汽车、充电桩之于电动汽车，是氢能在交通、运输等领域关键的环节。
加氢站核心设备包括压缩机、固定储氢设施、加氢机，这三大设备的性能参数决定了加氢站的整体加注能力和储氢能力。加氢机的主要功能是为氢燃料电池汽车的车载储氢瓶进行加注。由于加氢机在氢气加注时有“焦-汤效应”，导致氢气温度上升，因此加注过程中如何防止氢气温度不断升高是加氢机的关键性能之一。目前国内主要的35MPa加氢机生产商在应对加注时氢气升温主要有两种方式：1)在加氢机内设置与汽车车载瓶相连接的通讯接口，将加注过程中车载气瓶的温度和压力信号输入到加氢机内，实现自动调节氢气升压速率，达到控制氢气温度的效果；2)采用加氢前预冷的方式。氢气进入加氢机前首先通过一台外置换热器进行换热，使氢气温度下降后对车载气瓶进行加注。由于加氢前预冷的方式在实现快速加氢方面有优势，可减少氢气加注的时间和应对日常较多的加注车辆，目前加氢前预冷的方式得到广泛应用。
目前常用的加氢机前冷却方法多采用水作为冷却剂来冷却氢气，再采用水冷或空冷等方式来冷却水，达到循环使用水的目的，或采用冷却剂冷却氢气，再采用水冷或其它方法来冷却冷却剂。中国专利201710035200.4公开了一种增压、加氢装置，采用换热器、风冷机、离心泵和冷却介质容器组成的闭式冷却水系统，将降温后的氢气通过控制系统安全、定量的输送到氢燃料电池汽车中，但总体来说冷却系统流程长、设备多；专利CN202010590538.8提供了撬装加氢站的冷却系统，该冷却系统包括隔膜压缩机、印刷电路板式PCHE换热器、加氢机以及水冷机组，将印刷电路板式PCHE换热器结合隔膜压缩机、水冷机组实现对加氢机前氢气的冷却，其中印刷电路板式PCHE换热器利用冷却剂对氢气进行冷却，结合隔膜压缩机、水冷机组，通过对管路的循环使用设计，通过水冷机组的冷却液的一级冷却即对氢气实现压缩与换热，无需二级冷却，具备较高的换热效率，但总体来说系统投资较高，运营、检维修工作量大等情况。另外，若采用水或其它冷却剂冷却氢气，目前冷却剂或多或少都有腐蚀性，有可能导致冷却换热器的腐蚀损坏，增加系统的运行维护成本和安险隐患，氢气压力高而冷却剂的压力往往较低，一旦出现泄露在巨大压差作用下将导致大量氢气涌入冷却剂一侧，氢气易爆，存在较大安全隐患。
总之，加氢机前氢气冷却无论是用水或其它冷却剂，均是通过较复杂系统来实现冷却剂的循环使用，系统复杂，造成较高的一次投资、运行维护成本和安全风险，需要开发新的冷却方法和设备。
发明内容
为了解决现有技术存在的加氢机前氢气冷却系统复杂、一次投资、运行维护成本和安全风险高的问题，本发明提供一种加氢机前氢气冷却系统，以降低系统复杂程度，降低系统运维成本，提高系统的安全性。
本发明提供的加氢机前氢气冷却系统包括冷却剂存储器、冷却器和冷却剂排空装置，冷却剂存储器出口通过冷却剂输入管线与冷却器的冷却剂入口连接，冷却器的冷却剂出口通过冷却剂排空管线与冷却剂排空装置连接，冷却器的氢气入口连接氢气输入管线，冷却器的氢气出口连接氢气输出管线；冷却剂输入管线上设有冷却剂入口阀门，冷却剂排空管线上设有冷却剂出口阀门，在冷却剂出口和冷却剂出口阀门之间设有冷却剂出口温度计，在氢气输出管线上沿远离冷却器的方向依次设有氢气纯度检测器、氢气出口温度计和氢气出口阀门。
本发明的加氢机前氢气冷却系统使用的冷却剂为液氮。
液氮是工业上应用广泛、易获得、廉价且冷量高的冷却剂。液氮为温度极低的惰性液体，无色，无臭，无腐蚀性，不可燃，使用具有较高的安全性。由于液氮汽化时可大量吸热，因此较少液氮即可完成大量氢气的冷却。由于氮气本身是大气的重要组成部分，液氮在释放冷量后通过冷却剂排空装置排空即可，排放不涉及二次污染。由于液氮廉价且冷量高，使用少量液氮即可达到冷却氢气目的，相比冷却剂循环系统的运维成本，即使在液氮不循环使用的情况下，仍有较大的经济性。
所述冷却器包括卧式罐体及卧式罐体上设置的冷却剂入口、冷却剂出口、氢气入口和氢气出口，卧式罐体内部设置膨胀分散管，膨胀分散管左端通过管道与冷却剂入口连通，右端为自由端，膨胀分散管管壁上设有冷却剂喷散孔，膨胀分散管外壁上设置呈螺旋状缠绕的氢气盘管，氢气盘管一端连接氢气入口，另一端连接氢气出口。
冷却剂进入冷却器后，先进入膨胀分散管，在膨胀分散管内冷却剂体积膨胀、同时达到均匀分散冷却剂的目的，使冷却器内的温度尽可能的均匀，冷却器出口冷却剂的温度更容易控制。
作为改进的方案，膨胀分散管右端封闭，膨胀分散管可以为圆管或锥形管，支撑于冷却器内壁。
膨胀分散管为圆管时，圆管直径约为冷却器直径的0.3～0.8倍，从便于加工的角度，其上冷却剂喷射孔宜为圆孔，圆孔直径为2mm～50mm。
膨胀分散管为锥形管时，锥形管小端为入口，小端直径宜为30～200mm，大端直径宜为小端直径的1.3～5倍。冷却剂喷射孔同样宜采用圆孔，圆孔直径为2mm～50mm。对于锥形管，开孔的规律宜为锥段前端30％范围内不开冷却剂喷射孔，冷却剂喷射孔直径沿锥形管轴向从小端至大端逐渐增大。作为更进一步的方案，在锥形管上冷却剂喷射孔直径大处，氢气盘管间距宜小；在锥形管上冷却剂喷射孔直径小处，氢气盘管间距宜大，即氢气盘管间距沿锥形管轴向从小端至大端逐渐减小。
为使氢气盘管固定在膨胀分散管周围，每圈氢气盘管可设置2～4个固定圈，固定圈固定在膨胀分散管外壁上。为解决换热管在遇冷时产生的收缩特性，采用固定圈将氢气盘管固定在膨胀分散管外壁时，氢气盘管与膨胀分散管间距至少为15～60mm。
冷却剂排空装置主要是为了避免操作人员高浓度吸入窒息，防止操作人员冻伤。冷却剂排空装置可以使升温后的冷却剂(也可称为排放气)排空前与操作人员形成物理隔离，加速升温后的冷却剂与空气的混合，避免操作人员大量直接吸入升温后的冷却剂，消除操作人员窒息的风险。
所述冷却剂排空装置可以采用不同的结构形式：
结构之一：可以为一根高度大于2.2米的放空管。
结构之二：包括放空管和设于放空管外壁上的防护笼，放空管管壁开圆孔或槽缝作为放空孔，放空管一端敞口另一端封闭，敞口一端与冷却剂排空管线连接，防护笼呈圆柱形笼状，套装于放空管周围。放空管的封闭端使排放气(氮气)从管壁的圆孔或槽缝中排空，开孔使排放气分成小股流排空，可加快排空的氮气与空气的接触混合，使人不会直接吸入高浓度的氮气，防护笼外缘到放空管管壁的距离不宜小于80mm。
结构之三：包括放空罐罐体及设于放空罐罐体上的排放气入口、空气入口和混合气出口，排放气入口与冷却剂排空管线连接。升温后的冷却剂(氮气)由排放气入口引入放空罐，用鼓风机等经空气入口向放空罐内引入空气，排放气(氮气)、空气以不少于1：2的比例引入放空罐，最后由混合气出口排出。排放气入口和混合气出口尽可能的远，优选置于放空罐罐体两侧。
结构之四：包括混合腔体及设于混合腔体上的排放气进气缩径管、混合气出口及空气入口，排放气进气缩径管和混合气出口位于混合腔体两侧并位于同一轴线上，空气入口轴线与排放气进气缩径管轴线垂直且位于排放气进气缩径管小端附近，排放气进气缩径管的小端位于混合腔体内，排放气进气缩径管的大端与冷却剂排空管线连接。冷却剂排空管线末端连接排放气进气缩径管，根据流体伯努力方程，由于截面变小后，流速变大，缩径后的排放气高速气流将造成低压，当气压小于当地大气压时，混合腔体内的排放气不会流出反而外面的空气会被大气压经空气入口压进混合腔体内和排放气在混合腔体内混合，混合后经混合气出口离开混合腔体排空。此种方案仅通过流体的能量转换，不增加额外的设备，同时排放气(氮气)混合空气后直接排空即可。
本发明具有如下有益效果：
1)解决了使用液氮冷却氢气过程中液氮体积膨胀大、换热介质温差大、温度难控制、材料受冷收缩的问题，将液氮冷量用于快速对氢气进行降温；
2)取消了冷却剂循环冷却系统，系统结构简单，操作简便，一次投资成本低；消除了冷却剂循环系统的运行维护费用，降低了系统的运行维护成本。
3)冷却剂采用液氮时，液氮不可燃、无腐蚀性，避免了冷却剂对冷却设备的腐蚀，增加了系统的安全性；冷却剂采用液氮时，液氮易获得、更换快捷方便，冷量高且成本低，使用少量液氮即可达到冷却氢气目的，换热效率高，可实现加氢机快速为汽车加氢的要求，可提高加氢站的处理量和处理效率。
4)冷却剂采用液氮时，氮气无色、无臭，由于氮气本身是大气的组成部分，在冷却氢气后稍加处理排空即可，无污染物的排放。
附图说明
图1是本发明冷却系统的结构示意图；
图2是图1中冷却器的一种结构示意图；
图3是图1中冷却器的另一种结构示意图；
图4是图3中膨胀分散管为锥形管时的结构示意图；
图5是图1中冷却剂排空装置的一种结构示意图；
图6是图1中冷却剂排空装置的另一种结构示意图；
图7是图1中冷却剂排空装置的又一种结构示意图。
图中：1-常温氮气，2-冷却剂，3-冷却剂存储器，4-冷却剂入口阀门，5-待冷却的氢气，6-冷却器，7-冷却剂出口温度计，8-冷却剂出口阀门，9-冷却剂排空装置，10-氢气纯度检测器，11-氢气出口阀门，12-冷却后的氢气，13-常温氮气，14-升温后的冷却剂，15-氢气出口温度计，16-冷却剂入口，17-卧式罐体，18-氢气入口，19-膨胀分散管，20-氢气盘管，21-冷却剂喷射孔，22-冷却剂出口，23-氢气出口，24-冷却剂入口，25-卧式罐体，26-氢气入口，27-膨胀分散管，28-氢气盘管，29-氢气出口，30-冷却剂出口，31-冷却剂喷射孔，32-固定圈，33-放空管，34-放空孔，35-防护笼，36-放空罐罐体，37-排放气入口，38-空气入口，39-混合气出口，40-混合腔体，41-排放气进气缩径管，42-混合气出口，43-空气入口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供的加氢机前氢气冷却系统包括冷却剂存储器3、冷却器6和冷却剂排空装置9，冷却剂存储器出口通过冷却剂输入管线与冷却器6的冷却剂入口连接，冷却器6的冷却剂出口通过冷却剂排空管线与冷却剂排空装置9连接，冷却器6的氢气入口连接氢气输入管线，冷却器6的氢气出口连接氢气输出管线；冷却剂输入管线上设有冷却剂入口阀门4，冷却剂排空管线上设有冷却剂出口阀门8，在冷却剂出口和冷却剂出口阀门8之间设有冷却剂出口温度计7，在氢气输出管线上沿远离冷却器6的方向依次设有氢气纯度检测器10、氢气出口温度计15和氢气出口阀门11。冷却剂出口阀门8可以选用单向止回阀。
本发明的工作过程为：如图1所示，在本发明的加氢机前氢气冷却系统首次投用或长期闲置后再次使用的情况下：
首先，进行常温氮气吹扫步骤：
打开冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8，用常温氮气1对冷却剂输送管路和冷却器6进行吹扫置换，排出其中的空气和水蒸气；打开氢气出口阀门11，用常温氮气13对氢气输送管路进行吹扫置换，同样排出其中的空气和水蒸气；冷却器6完成常温氮气置换后，同时关闭与冷却器6连通的冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8；氢气输送管路完成氮气置换后通入待冷却的氢气5，用氢气纯度检测器10测得氢气出口处氢气纯度达标后，关闭与冷却器连通的氢气出口阀门11，此时氢气已达到加注的纯度要求，温度降低后即可进行加注；
其次，将冷却剂引入冷却器：
打开冷却剂入口阀门4，从冷却剂存储器3中将冷却剂引入到冷却器6中，冷却剂在冷却器6内膨胀释放冷量，冷却器6内整体温度得到降低；通过冷却剂出口温度计7，测得冷却剂出口温度达到预定温度后，同时关闭冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8，在冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8的共同作用下，冷却剂在冷却器6中保温保压；冷却剂出口的预定温度一般为-50～20℃；
再次，将氢气引入冷却器并进行加注：
打开氢气出口阀门11，将待冷却的氢气5引入冷却器6，氢气在冷却器6中接收冷却剂冷量实现降温，当氢气出口处冷却后的氢气12的温度达到预定温度时进行氢气的加注，完成目标氢气加注容积后，关闭氢气出口阀门11，完成冷却加注任务；
对氢气进行冷却时，需要对氢气冷却加注过程进行有效的控制：氢气冷却加注过程中通过氢气出口温度计15测量氢气温度，若氢气需求量继续增加导致氢气降温不足，当氢气出口温度大于预定温度时，同时打开冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8，将低温冷却剂引入冷却器6，降低冷却器6内温度，以进一步冷却氢气，升温后的冷却剂14经冷却剂出口阀门8排空；当氢气出口温度计15测得氢气温度小于预定温度时，同时关闭冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8。氢气出口的预定温度一般为-10～20℃。
为了避免操作人员高浓度吸入窒息，防止操作人员冻伤，升温后的冷却剂14排空前通过冷却剂排空装置9与操作人员进行物理隔离处置，避免操作人员大量直接吸入氮气，消除操作人员窒息的风险。
冷却器6中保温保压的冷却剂的量取决于需要冷却的氢气的量，通过冷却器换热面积和冷却剂温度的设置，一般情况下保温保压的冷却剂的量可将200L(满足目前95％以上车载氢气瓶容积)的氢气量降温到出口温度不大于20℃。
图2是图1中冷却器的一种结构示意图，该冷却器包括卧式罐体17及卧式罐体上设置的冷却剂入口16、冷却剂出口22、氢气入口18和氢气出口23，卧式罐体17内部设置膨胀分散管19，膨胀分散管19左端通过管道与冷却剂入口16连通，右端为自由端，膨胀分散管19管壁上设有冷却剂喷散孔21，膨胀分散管19外壁上设置呈螺旋状缠绕的氢气盘管20，氢气盘管20一端连接氢气入口18，另一端连接氢气出口23。冷却剂入口16和冷却剂出口22分别位于卧式罐体17两端；膨胀分散管19为圆管，其右端封闭，冷却剂喷射孔21为圆孔。
该冷却器工作时，冷却剂由冷却剂入口16进入膨胀分散管19，经冷却剂喷散孔21进入卧式罐体17内部空间，最后经冷却剂出口22流出；待冷却的氢气由氢气入口18进入氢气盘管20内进行降温，最后经氢气出口23流出。
图3是图1中冷却器的另一种结构示意图，结合图4可知：该冷却器包括卧式罐体25及卧式罐体上设置的冷却剂入口24、冷却剂出口30、氢气入口26和氢气出口29，卧式罐体25内部设置膨胀分散管27，膨胀分散管27左端通过管道与冷却剂入口24连通，右端为自由端，膨胀分散管27管壁上设有冷却剂喷散孔31，膨胀分散管27外壁上设置呈螺旋状缠绕的氢气盘管28，氢气盘管28一端连接氢气入口26，另一端连接氢气出口29。冷却剂入口24和冷却剂出口30位于卧式罐体25同一端；膨胀分散管27为锥形管，其右端封闭，冷却剂喷射孔31为圆孔。
该冷却器工作时，冷却剂由冷却剂入口24进入膨胀分散管27，经冷却剂喷散孔31进入卧式罐体25内部空间，最后经冷却剂出口30流出；待冷却的氢气由氢气入口26进入氢气盘管28内进行降温，最后经氢气出口29流出。
膨胀分散管27为锥形管时液氮的膨胀更为顺畅，锥形管小端为入口，小端直径宜为30～200mm，大端直径宜为小端直径的1.3～5倍。随着液氮逐渐远离入口，液氮逐渐膨胀体积逐渐增加，低温氮气从冷却剂喷射孔31流出与冷却器中存储的氮气进行充分混合，使冷却器内的氮气温度降低且温度尽可能的均匀。冷却剂喷射孔31同样宜采用圆孔，圆孔直径为2mm～50mm。对于锥形管，开孔的规律宜为锥段前端30％范围内不开冷却剂喷射孔，冷却剂喷射孔31直径沿锥形管轴向从小端至大端逐渐增大。同时为防止氮气的短路(大量冷却剂从靠近冷却剂出口30处进入冷却器后直接离开)，这时冷却剂出口30宜设置在锥形管左端附近。做为更进一步方案，为充分利用冷却剂冷量，在锥形管上冷却剂喷射孔31直径大处，氢气盘管28间距宜小；在锥形管上冷却剂喷射孔31直径小处，氢气盘管28间距宜大，即氢气盘管28间距沿锥形管轴向从小端至大端逐渐减小。
这种方案的好处是随着液氮的逐渐膨胀、体积逐渐增加，锥形管前端冷却剂喷射孔31直径小，使大部份液氮从冷却器后端进入冷却器，再从冷却器前端离开冷却器，冷却剂在冷却器中的冷却时间长，防止冷却剂短路直接从冷却剂出口30离开，可以充分利用冷却剂的冷能；锥形管后端冷却剂喷射孔31直径大可以使氮气尽快将携带的冷量释放到冷却器中，冷却器中的流场较为顺畅，可防止氮气的短路，且设置较密氢气盘管28以提高冷却剂冷量利用。
图5是图1中冷却剂排空装置的一种结构示意图，该该装置包括放空管33和设于放空管外壁上的防护笼35，放空管管壁开圆孔作为放空孔34，放空管33一端敞口另一端封闭，敞口一端与冷却剂排空管线连接，防护笼35呈圆柱形笼状，套装于放空管33周围。
图6是图1中冷却剂排空装置的另一种结构示意图，该装置包括放空罐罐体36及设于放空罐罐体上的排放气入口37、空气入口38和混合气出口39，排放气入口37与冷却剂排空管线连接。排放气入口37和混合气出口39置于放空罐罐体36两侧。
图7是图1中冷却剂排空装置的又一种结构示意图，该装置包括混合腔体40及设于混合腔体上的排放气进气缩径管41、混合气出口42及空气入口43，排放气进气缩径管41和混合气出口42位于混合腔体40两侧并位于同一轴线上，空气入口43轴线与排放气进气缩径管41轴线垂直且位于排放气进气缩径管小端附近，排放气进气缩径管41的小端位于混合腔体40内，排放气进气缩径管41的大端与冷却剂排空管线连接。

Claims (12)

1.一种加氢机前氢气冷却系统，其特征在于：包括冷却剂存储器、冷却器和冷却剂排空装置，冷却剂存储器出口通过冷却剂输入管线与冷却器的冷却剂入口连接，冷却器的冷却剂出口通过冷却剂排空管线与冷却剂排空装置连接，冷却器的氢气入口连接氢气输入管线，冷却器的氢气出口连接氢气输出管线；冷却剂输入管线上设有冷却剂入口阀门，冷却剂排空管线上设有冷却剂出口阀门，在冷却剂出口和冷却剂出口阀门之间设有冷却剂出口温度计，在氢气输出管线上沿远离冷却器的方向依次设有氢气纯度检测器、氢气出口温度计和氢气出口阀门；所述冷却器包括卧式罐体及卧式罐体上设置的冷却剂入口、冷却剂出口、氢气入口和氢气出口，卧式罐体内部设置膨胀分散管，膨胀分散管左端通过管道与冷却剂入口连通，右端为自由端，膨胀分散管管壁上设有冷却剂喷散孔，膨胀分散管外壁上设置呈螺旋状缠绕的氢气盘管，氢气盘管一端连接氢气入口，另一端连接氢气出口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述膨胀分散管为圆管，冷却剂入口和冷却剂出口分别位于卧式罐体两端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述膨胀分散管为锥形管，冷却剂入口和冷却剂出口位于卧式罐体同一端。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述锥形管锥段前端30％范围内不开冷却剂喷射孔，冷却剂喷射孔直径沿锥形管轴向从小端至大端逐渐增大。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述氢气盘管间距沿锥形管轴向从小端至大端逐渐减小。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述氢气盘管间距沿锥形管轴向从小端至大端逐渐减小。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述氢气盘管固定在膨胀分散管周围，每圈氢气盘管设置2～4个固定圈，固定圈固定在膨胀分散管外壁上。
8.根据权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于：所述冷却剂排空装置包括放空管和设于放空管外壁上的防护笼，放空管管壁开圆孔或槽缝作为放空孔，放空管一端敞口另一端封闭，敞口一端与冷却剂排空管线连接，防护笼呈圆柱形笼状，套装于放空管周围。
9.根据权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于：所述冷却剂排空装置包括放空罐罐体及设于放空罐罐体上的排放气入口、空气入口和混合气出口，排放气入口与冷却剂排空管线连接，排放气入口和混合气出口置于放空罐罐体两侧。
10.根据权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于：所述冷却剂排空装置包括混合腔体及设于混合腔体上的排放气进气缩径管、混合气出口及空气入口，排放气进气缩径管和混合气出口位于混合腔体两侧并位于同一轴线上，空气入口轴线与排放气进气缩径管轴线垂直且位于排放气进气缩径管小端附近，排放气进气缩径管的小端位于混合腔体内，排放气进气缩径管的大端与冷却剂排空管线连接。
11.根据权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于：所述冷却剂出口阀门为单向止回阀。
12.根据权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于：所述膨胀分散管右端封闭。
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