CN113217806B - 一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统及控制方法，它包括高压氢气源，所述高压氢气源通过流量调节阀与第一换热器相连，所述第一换热器通过第二换热器与加氢机相连；所述第一换热器和第二换热器共同构成预冷系统对氢气进行两级冷却。可实现所有带测量孔螺栓的伸长值测量，不局限于连接螺栓处于竖直方向或者水平方向安装，可通用于任意角度安装的连接螺栓；同时可确保螺栓伸长值的测量精度；操作简便可大幅提高测量效率。

Description

一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统及控制方法
技术领域
本发明属于加氢站加氢技术领域，具体公开了一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统及控制方法。
背景技术
为了促进燃料电池车的推广，其相关的技术设施如加氢站的建设也是氢燃料推广的重要一环。在市场初级阶段，氢气储运最成熟的手段主要是利用长管拖车运输。目前的加氢技术方案有多种，其中一种是将长管拖车管内的氢气通过压缩机加压后存储在加氢站高压储罐内。加氢时将储存在加氢站高压储罐中的氢气通过流量调节阀，再通过加氢机向燃料电池车的气瓶加氢。
对于车载气瓶，有明确规定车用复合材料气瓶内气体的温度不能超过85℃。氢气不同于大部分气体，在加氢工作区间，氢气具逆的焦耳汤姆逊效应，气体绝热节流后温度会显著升高，氢气经减压阀后温升有时候高达40℃。此外，在气瓶充注过程中，由于压缩热效应等原因，气瓶内氢气温度急剧上升，难以短时间通过自然散热排掉，危害气瓶安全，影响加氢结束后氢气质量，从而影响车的续航里程。
美国机动车工程师学会SAE发布的SAE J2601-2016《轻质车用氢气充装方案》中建议需要在加氢流程中增加预冷环节，降低氢气温度，并且规定了加氢站不同的温度等级T40（-40~30℃），T30，T20，在未来的规范中，还可能包含更高的温度等级如T10,T0等。
专利CN 210771436 U中，提出在压缩机进气口，压缩机出气口，加氢机前进行逐步冷却。但是该专利对各个换热器采用并联式管路连接，各个换热器进口温度均采用加氢最低需求温度。这样会导致部分换热器，如压缩机出口换热器中，冷热介质温差极大，热应力高，且制冷系统损失巨大。
总的说来，当前常用的氢气预冷方案中，一般只采用机械制冷系统对氢气进行冷却，温度跨度大，可能从环境温度以上（高温时达70℃）降低至-40℃，机组负荷大，能耗大。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统，它包括高压氢气源，所述高压氢气源通过流量调节阀与第一换热器相连，所述第一换热器通过第二换热器与加氢机相连；所述第一换热器和第二换热器共同构成预冷系统对氢气进行两级冷却。
所述流量调节阀和第一换热器之间的管路安装有用于对氢气进行温度监测的第一温度传感器；所述流量调节阀的出口与第一换热器的第二入口相连，第一换热器的第二出口与第二换热器的第四入口连接。
所述第一换热器与自然冷源相连，所述自然冷源与第一换热器的第一入口相连，自然冷源的冷却介质经过第一换热器加热之后通过第一出口排出。
所述自然冷源的冷却介质采用空气源、自然水源或者地下水源。
所述自然冷源与第一换热器的第一入口之间安装有第三温度传感器。
所述第一换热器上并联有旁通阀，并通过控制旁通阀的启闭状态来决定第一换热器是否投入使用。
所述第一换热器和第二换热器之间安装有第二温度传感器。
所述第二换热器与制冷机组相连，所述制冷机组的出口与第二换热器的第三入口相连，所述制冷机组的第三出口与制冷机组的入口相连，并形成制冷回路；
所述制冷机组采用制冷剂直接冷却系统或者载冷剂间接冷却系统。
所述第二换热器的第四出口与加氢机相连，所述加氢机上设置有流量计、压力传感器和第四温度传感器。
基于自然冷源的双级冷却加氢系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，系统内温度检测：通过第一温度传感器检测由流量调节阀节流后的氢气温度T1；通过第二温度传感器检测由第一换热器一级冷却后的氢气温度T2；通过第三温度传感器检测自然冷源入口温度Tc；通过第四温度传感器检测氢气出口温度To；
步骤二，旁通阀的开启控制：根据步骤一中所检测的温度，当T1-Tc<ΔT1时，旁通阀全开，第一换热器被屏蔽；T1-Tc>=ΔT1时，旁通阀全关，第一换热器投入使用；所述ΔT1取值为10-20℃。
步骤三，当旁通阀全关后，且T2-Tc>ΔT3时，加大自然冷源流量；T2-Tc<ΔT2时，减少自然冷源流量，ΔT2<=T2-Tc<=ΔT3，自然冷源流量不变；
所述ΔT2取值为3-8℃，ΔT3取值为6-10℃，且始终保持：ΔT1>ΔT3>ΔT2；
对于制冷机组，当采用制冷剂直接冷却系统时，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre-℃；对于载冷剂间接冷却系统，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre -℃。
本发明有如下有益效果：
通过本发明的加氢系统及控制方法，可以实现当节流后氢气温度T1远大于自然冷源入口温度Tc时，启动自然冷源进行一级冷却，可以将氢气温度降低到环境温度附近，减少了制冷机组负荷，从而降低能耗。同时，在节流后氢气温度T1较小难以利用自然冷源时，启动旁通阀，避免氢气通过第一换热器产生压力损失导致的能耗增加。此外，通过检测一级冷却后氢气温度T2，与自然冷源入口温度Tc对比，可以进行自然冷源流量调节，从而实现自然冷源的冷能充分利用。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
图2为本发明的控制方法流程图。
图中：高压氢气源1、流量调节阀2、自然冷源3、第一换热器4、旁通阀5、制冷机组6、第二换热器7、加氢机8、流量计9、压力传感器10、第一温度传感器11、第三温度传感器12、第二温度传感器13、第四温度传感器14；
第一入口101、第一出口102、第二入口103、第二出口104、第三入口105、第三出口106、第四入口107、第四出口108。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1-2，一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统，它包括高压氢气源1，所述高压氢气源1通过流量调节阀2与第一换热器4相连，所述第一换热器4通过第二换热器7与加氢机8相连；所述第一换热器4和第二换热器7共同构成预冷系统对氢气进行两级冷却。通过采用本发明的加氢系统，其针对现有加氢预冷系统负荷大，能耗大的问题，通过采用二级冷却的预冷方式，大大的提高了冷却效率，降低了能耗。
进一步的，所述流量调节阀2和第一换热器4之间的管路安装有用于对氢气进行温度监测的第一温度传感器11；所述流量调节阀2的出口与第一换热器4的第二入口103相连，第一换热器4的第二出口104与第二换热器7的第四入口107连接。通过上述的流量调节阀2能够用于控制初始氢气的流量，通过第一温度传感器11能够用于实时检测初始氢气的温度。
进一步的，所述第一换热器4与自然冷源3相连，所述自然冷源3与第一换热器4的第一入口101相连，自然冷源的冷却介质经过第一换热器4加热之后通过第一出口102排出。通过上述的自然冷源3能够用于对氢气进行初级预冷。
进一步的，所述自然冷源的冷却介质采用空气源、自然水源或者地下水源。通过上述的冷却介质有效的降低了冷却成本，减少了能源消耗，起到了很好的节能目的。
优选的，若是空气源，则采用风扇等设备进行驱动及流量调节；如果为水源，则采用水泵进行驱动及流量调节。升高风扇或水泵转速可以增大自然冷源流量，反之减少自然冷源流量。
进一步的，所述自然冷源3与第一换热器4的第一入口101之间安装有第三温度传感器12。通过第三温度传感器12能够用于检测自然冷源3的温度，进而便于后续判定旁通阀5是否需要开启。
进一步的，所述第一换热器4上并联有旁通阀5，并通过控制旁通阀5的启闭状态来决定第一换热器4是否投入使用。具体工作过程中，当旁通阀5开启时，则第一换热器4将停止工作，当旁通阀5关闭时，第一换热器4将投入工作。
进一步的，所述第一换热器4和第二换热器7之间安装有第二温度传感器13。通过第二温度传感器13能够用于检测一级预冷之后的氢气的温度。
进一步的，所述第二换热器7与制冷机组6相连，所述制冷机组6的出口与第二换热器7的第三入口105相连，所述制冷机组6的第三出口106与制冷机组6的入口相连，并形成制冷回路。上述的回路能够形成二级预冷回路。
进一步的，所述制冷机组6采用制冷剂直接冷却系统或者载冷剂间接冷却系统。
优选的，制冷剂直接冷却系统时，冷剂为制冷剂本身，采用CO2，R404A等；载冷剂间接冷却系统时，冷剂为载冷剂，采用乙二醇等。
进一步的，所述第二换热器7的第四出口108与加氢机8相连，所述加氢机8上设置有流量计9、压力传感器10和第四温度传感器14。
实施例2：
基于自然冷源的双级冷却加氢系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，系统内温度检测：通过第一温度传感器11检测由流量调节阀2节流后的氢气温度T1；通过第二温度传感器13检测由第一换热器4一级冷却后的氢气温度T2；通过第三温度传感器12检测自然冷源入口温度Tc；通过第四温度传感器14检测氢气出口温度To；
步骤二，旁通阀5的开启控制：根据步骤一中所检测的温度，当T1-Tc<ΔT1时，旁通阀5全开，第一换热器4被屏蔽；T1-Tc>=ΔT1时，旁通阀5全关，第一换热器4投入使用；所述ΔT1取值为10-20℃。
步骤三，当旁通阀5全关后，且T2-Tc>ΔT3时，加大自然冷源流量；T2-Tc<ΔT2时，减少自然冷源流量，ΔT2<=T2-Tc<=ΔT3，自然冷源流量不变；
所述ΔT2取值为3-8℃，ΔT3取值为6-10℃，且始终保持：ΔT1>ΔT3>ΔT2；
对于制冷机组6，当采用制冷剂直接冷却系统时，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre-5~10℃；对于载冷剂间接冷却系统，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre -10~20℃。
实施例3：
根据SAE J2601协议要求，利用压力传感器10或流量计9测得的参数，参与流量调节阀2开度计算及调节；氢气出口温度To用于制冷机组6参数控制，在此不赘述。
当氢气加注开始后，检测温度T1，T2，Tc，To。进行第一次判断：
1）当T1-Tc<ΔT1时，说明节流后氢气温度T1与自然冷源入口温度Tc相差不大，自然冷源3冷却效果差。全开旁通阀，关闭自然冷源入口3，关停风扇或者水泵，屏蔽第一换热器4。优选的ΔT1为10-20℃。
流量调节阀2降压后的氢气，经过旁通阀5，直接进入第二换热器7进行冷却，被制冷机组6冷却后，达到预冷目标温度Tpre，最后进入加氢机8。
2）当T1-Tc>=ΔT1时，说明此时节流后氢气温度T1远大于自然冷源入口温度Tc，可以利用自然冷源3。关闭旁通阀5，开启风扇或水泵，启用第一换热器4。
来自流量调节阀2的氢气通过第一换热器4，利用自然冷源3进行一级冷却。此后再经过第二换热器7，被制冷机组6进行二级冷却，达到预冷目标温度Tpre，最后进入加氢机8。
当采用第一换热器4进行一级冷却时，进行第二次判断：
1）当T2-Tc>ΔT3时，说明一级冷却后氢气温度T2较高，未充分利用自然冷源，需要加大自然冷源流量。此时，根据自然冷源形式，调节方式可以为增大风机转速或者水泵转速等方式。
优选的，ΔT3为6-10℃；
2）T2-Tc<ΔT2时，说明一级冷却后氢气温度T2较低，自然冷源流量太大，可能导致风机或水泵功耗过高。需要减少自然冷源流量。根据自然冷源形式，调节方式可以为减小风机转速或者水泵转速等方式。优选的ΔT2为3-8℃，且总有ΔT1>ΔT3>ΔT2。
3）ΔT2<=T2-Tc<=ΔT3时，保持自然冷源流量不变。
氢气的预冷目标温度Tpre由加氢站类型确定，例如SAE J2601协议中，要求T40的加氢站预冷目标温度Tpre为-40℃到-33℃之间。

Claims (2)

1.一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统的控制方法，其特征在于：它包括高压氢气源（1），所述高压氢气源（1）通过流量调节阀（2）与第一换热器（4）相连，所述第一换热器（4）通过第二换热器（7）与加氢机（8）相连；所述第一换热器（4）和第二换热器（7）共同构成预冷系统对氢气进行两级冷却；
所述第一换热器（4）与自然冷源（3）相连，所述自然冷源（3）与第一换热器（4）的第一入口（101）相连，自然冷源的冷却介质经过第一换热器（4）加热之后通过第一出口（102）排出；
所述第二换热器（7）与制冷机组（6）相连，所述制冷机组（6）的出口与第二换热器（7）的第三入口（105）相连，所述制冷机组（6）的第三出口（106）与制冷机组（6）的入口相连，并形成制冷回路；
所述制冷机组（6）采用制冷剂直接冷却系统或者载冷剂间接冷却系统；
所述第二换热器（7）的第四出口（108）与加氢机（8）相连，所述加氢机（8）上设置有流量计（9）、压力传感器（10）和第四温度传感器（14）；
所述流量调节阀（2）和第一换热器（4）之间的管路安装有用于对氢气进行温度监测的第一温度传感器（11）；所述流量调节阀（2）的出口与第一换热器（4）的第二入口（103）相连，第一换热器（4）的第二出口（104）与第二换热器（7）的第四入口（107）连接；
所述自然冷源（3）与第一换热器（4）的第一入口（101）之间安装有第三温度传感器（12）；
所述第一换热器（4）上并联有旁通阀（5），并通过控制旁通阀（5）的启闭状态来决定第一换热器（4）是否投入使用；
所述第一换热器（4）和第二换热器（7）之间安装有第二温度传感器（13）；
其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一，系统内温度检测：通过第一温度传感器（11）检测由流量调节阀（2）节流后的氢气温度T1；通过第二温度传感器（13）检测由第一换热器（4）一级冷却后的氢气温度T2；通过第三温度传感器（12）检测自然冷源入口温度Tc；通过第四温度传感器（14）检测氢气出口温度To；
步骤二，旁通阀（5）的开启控制：根据步骤一中所检测的温度，当T1-Tc<ΔT1时，旁通阀（5）全开，第一换热器（4）被屏蔽；T1-Tc>=ΔT1时，旁通阀（5）全关，第一换热器（4）投入使用；所述ΔT1取值为10-20℃；
步骤三，当旁通阀（5）全关后，且T2-Tc>ΔT3时，加大自然冷源流量；T2-Tc<ΔT2时，减少自然冷源流量，ΔT2<=T2-Tc<=ΔT3，自然冷源流量不变；
所述ΔT2取值为3-8℃，ΔT3取值为6-10℃，且始终保持：ΔT1>ΔT3>ΔT2；
对于制冷机组（6），当采用制冷剂直接冷却系统时，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre-（5~10）℃；对于载冷剂间接冷却系统，制冷机组侧蒸发温度=预冷目标温度Tpre -（10~20）℃。
2.根据权利要求1所述一种基于自然冷源的双级冷却加氢系统的控制方法，其特征在于：所述自然冷源的冷却介质采用空气源或自然水源。
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