CN113883417B - 一种制氢加氢站系统的设备选型方法 - Google Patents

一种制氢加氢站系统的设备选型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制氢加氢站系统的设备选型方法，包括制氢设备、一级压缩机、二级压缩机、一级氢气储存设备和二级氢气储存设备的选型，所述设备选型方法是基于科学的计算与分析建立的，适用于制氢加氢一体的加氢站以及常规加氢站；能够充分合理的配置加氢站的制氢规模和存储规模，能同时满足“加氢高峰期”和“加氢低谷期”的加氢需求；可以减少压缩机频繁启停的频率，降低压缩机的维修成本，在相同外输处理量的情况下，二级氢气压缩机的成本降低20‑30％；在有外部长管拖车供氢的情况下，氢气利用率可提高10％左右。

Description

一种制氢加氢站系统的设备选型方法
技术领域
本发明属于加氢站设计领域，具体涉及一种制氢加氢站系统的设备选型方法。
背景技术
2020年我国在联合国大会上明确提出，CO2排放量力争在2030年前达到峰值，实现“碳达峰”；争取2060年前CO2排量不再增加，通过植树造林、节能减排、产业调整等形式，实现“碳中和”。在该大背景下，氢能产业的发展收到了极大的关注，特别是在交通能源领域。但是除了燃料电池汽车本身生产成本和销售价格依然居高不下外，其配套加氢设施的稀缺是制约燃料电池汽车快速发展的最大障碍。
在加氢站设计建设过程中，制定符合需要的工艺流程方案和选取合适的工艺设备，对加快加氢站建设进度、合理控制建设成本，能起到至关重要的作用。加氢站设备中的“三大件”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，在建站规模确定的情况下，通过设备参数和设备数量的匹配，以达到加氢站最优和最经济的设备配置。
加氢站有站内制氢和站外制氢两种模式。站内制氢通常采用电解水制氢和天然气制氢工艺，站内制氢的优势在于可以节省氢气运输成本、减少加氢站氢气储罐的容积，但是由于目前氢燃料电池车氢气加注随机且不连续，因而制氢设备需要经常启停，特别是压缩机，操作管理复杂难度大。
压缩机是加氢站中的重要设备，其成本占整体压缩机建设成本的30％，由于常用隔膜式压缩机的膜片寿命和启动频次有关系，因此下游加注市场的不稳定导致了压缩机的不连续操作，维修成本大大提高。而且目前由于加氢站压缩机存在入口压力在工作过程中压力逐步降低的情况，导致在压缩机选型的时候会考虑低压工况，选择的设备处理能力相对偏大，设备投资增加。
即使站外制氢通过长管拖车将氢气运送至加氢站的方式，依然需要压缩机，同时目前长管拖车氢气利用率不高，一般加氢站只能用到5MPa就停止使用，利用率不高。
因此，有必要提供一种制氢加氢站压缩机和储罐设备设置与选型方法，既能做到制氢、加氢和储氢规模的科学匹配，又能降低设备投资。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种制氢加氢站系统的设备选型方法，包括制氢设备、一级压缩机、二级压缩机、一级氢气储存设备和二级氢气储存设备的选型，所述设备选型方法是基于科学的计算与分析建立的，适用于制氢加氢一体的加氢站以及常规加氢站；能够充分合理的配置加氢站的制氢规模和存储规模，能同时满足“加氢高峰期”和“加氢低谷期”的加氢需求；可以减少压缩机频繁启停的频率，降低压缩机的维修成本，在相同外输处理量的情况下，二级氢气压缩机的成本可降低20-30％；在有外部长管拖车供氢的情况下，氢气利用率可提高10％左右。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的在于提供一种制氢加氢站系统的设备选型方法，所述制氢加氢站系统包括依次连接的制氢设备、一级压缩机、二级压缩机与加注设备；所述制氢加氢站系统还包括一级氢气储存设备，所述一级氢气储存设备包括一级低压储罐与一级高压储罐；所述一级压缩机的出口分别与所述一级低压储罐以及所述一级高压储罐相连接，所述二级压缩机的出口与所述一级高压储罐相连接；
所述制氢加氢站系统还包括控制系统，通过监测判断目前工作模式为“加氢高峰期”或“加氢低谷期”；在“加氢高峰期”，所述控制系统控制所述一级压缩机的出口氢气、所述一级低压储罐的氢气与所述一级高压储罐的氢气，经所述二级压缩机进入所述加注设备；在“加氢低谷期”，所述控制系统控制所述一级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分分别进入所述一级低压储罐与所述一级高压储罐，另一部分进入所述二级压缩机，所述二级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分进入所述一级高压储罐，另一部分进入所述加注设备；
所述制氢加氢站系统的设备选型方法包括如下步骤：
S1：确定制氢加氢站系统的运营基本参数
(1)日加氢量m；
(2)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果集中加氢时间在4h以上，则为“加氢高峰期”，“加氢高峰期”的持续时间记为t1，其余时间即为“加氢低谷期”，记为t2；
如果加氢时间分散，无加注量或者加注量很低，则为“加氢低谷期”；
(3)确定一级压缩机的出口压力P1，确定二级压缩机的进口压力P2，确定二级压缩机的出口压力P3，确定一级高压储罐的额定压力P4，确定一级低压储罐的实际压力P5，确定一级高压储罐的实际压力P6，确定氢气加注的压力等级P0，确定二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax；
氢气加注的压力等级P0代表加氢站的对外加注压力，目前主要分为35Mpa和70Mpa两个等级，本发明主要针对加注压力在35MPa的制氢加氢站；
(4)敏感因素分析，第一敏感因素是制氢设备的停机，需要保持制氢设备连续运行，第二敏感因素是二级压缩机，需要减少启动次数，降低维护成本；
S2：确定制氢设备的设备选型
将步骤S1所述日加氢量m作为日加氢规模，确定制氢设备数量的计算公式为n1＝[m/(m1×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n1为制氢设备数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；
S3：确定一级压缩机的设备选型
一级压缩机的压缩规模为制氢设备的制氢规模，即，步骤S1所述日加氢量m的日加氢规模，确定一级压缩机数量的计算公式为n2＝[m/(m2×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n2为一级压缩机的数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m2为单台一级压缩机的排量，单位为kg/h；
S4：确定二级压缩机的设备选型
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的体积流量Q实际的计算公式为Q实际＝mmax/ρ＝mmax×Z×R×T/P2；
其中，Q实际为二级压缩机在P2压力下的体积流量，单位为m3/h；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；ρP2为在P2压力下的氢气密度，单位为kg/m3；P2为二级压缩机的进口压力，单位为Pa；Z为氢气的压缩因子；T为二级压缩机的进口温度，单位为K；R为理想气体常数，R＝8.314J/(mol·K)；
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的数量n3的计算公式为n3＝[Q实际/Q单台]＝[(mmax/ρP2)/Q单台]；
其中，[]为向上取整数运算符；n3为二级氢气压缩机数量，单位为台；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；Q单台为单台二级压缩机的排量，单位为m3/h；ρP2为在入口压力P2下的氢气密度，单位kg/m3；
S5：确定一级氢气储存设备的设备选型
在“加氢低谷期”，制氢设备的制氢量M1的计算公式为M1＝m1×t2；
其中，m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；t2为“加氢低谷期”的时间，单位为h；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝0.7～1.35，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为(1～2):1；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝1.35～2.0，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为1:(1～3)；
一级氢气储存设备满足如下条件：M2-1×n4-1+M2-2×n4-2≥M1；
其中，M2-1为单台一级低压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；M2-2为单台一级高压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台；
基于一级低压储罐的数量n4-1和一级高压储罐的数量n4-2，确定一级储氢装置对应的数量n4的计算公式为n4＝n4-1+n4-2；
其中，n4为一级氢气储罐的数量，单位为台；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台。
在“加氢低谷期”时，制氢加氢站没有外输或者外输量很低，将二级压缩机的出口的高压氢气少量部分去向加注系统，一部分通过反充装系统进入到一级氢气储存设备的一级高压储罐，该压力通过压力调节阀控制高压区储罐压力P4，待压力P4达到设计要求点停止反充装系统，暂停“加氢低谷期”；在“加氢高峰期”，所述一级氢气储存设备中一级高压储罐的氢气根据二级压缩机入口压力P2提供氢气，提高此时二级压缩机入口的平均压力，提高该二级压缩机的对外加注量。此时一级氢气储罐存储的低压储罐压力为P5，压力在10MPa以下。
作为本发明优选的技术方案，所述制氢加氢站系统还包括二级氢气储存设备，所述二级氢气储存设备设置在所述二级压缩机的出口与所述加注设备之间。
在“加氢高峰期”，所述一级压缩机的出口氢气、所述一级低压储罐的氢气与所述一级高压储罐的氢气经所述二级压缩机进入所述加注设备，根据需要将所述二级氢气储存设备的氢气进入所述加注设备。
在“加氢低谷期”，所述一级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分分别进入所述一级低压储罐与所述一级高压储罐，另一部分进入所述二级压缩机，所述二级压缩机的出口氢气分为三部分，一部分进入所述一级高压储罐，另一部分进入所述加注设备，剩余部分进入所述二级氢气储存设备。
作为本发明优选的技术方案，所述二级氢气储存设备包括二级低压储罐、二级中压储罐与二级高压储罐。
优选地，所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐数量比的确定方法如下：
如果步骤S1所述日加氢量m满足500≤m≤1000，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～4):(1～2):1；
如果步骤S1所述日加氢量m满足1000＜m≤1500，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～6):(1～3):1。
作为本发明优选的技术方案，所述二级氢气储存设备的最低储氢量M3的计算公式为M3＝mmax×t3；
其中，M3为二级氢气储存设备的最低储氢量，单位为kg；mmax为二级压缩机设计排量，单位为kg/h；t3为制氢加氢站存储加注量的缓冲时间，单位为h。
优选地，所述制氢加氢站存储加注量的缓冲时间t3为0.5～2.0h。
作为本发明优选的技术方案，基于二级氢气储存设备的最低储氢量M3，确定二级氢气储存设备对应的数量n4的计算公式为n5＝[M3/M4]；
其中，[]为向上取整数运算符；n5为二级氢气储存设备的数量；M3为二级氢气储存设备的最低储氢量，单位为kg；M4为所有二级氢气储存设备均达到不能对外充装的设计压力时，使二级氢气储存设备达到设计压力所需要的氢气量，单位为kg。
作为本发明优选的技术方案，所述制氢加氢站系统还包括外部加氢设备，所述外部加氢设备的出口设置在所述一级氢气储存设备与所述二级压缩机的进口之间；在“加氢高峰期”，如果一级压缩机的出口压力P1与二级压缩机的进口压力P2满足P2/P1＜0.5，则打开所述外部加氢设备的开关，将所述外部加氢设备的氢气进入所述二级压缩机。
优选地，所述外部加氢设备为长管拖车。
本发明利用“加氢低谷期”的工作模式，拖车气瓶的最低压力可达到1MPa，提高氢气利用率10％。
作为本发明优选的技术方案，步骤S1所述日加氢量m的计算公式为m＝(4.5～5.5)×a+(22～2)×b+(15～20)×c+2×d+e；
其中，a为小型车的数量；b为重型卡车的数量；c为客车、公交车和物流车的数量；d为叉车和站内托运车的数量；e为其它加氢装置的数量。
作为本发明优选的技术方案，步骤S1所述一级压缩机的出口压力P1为20～25MPa，例如可以是20MPa，21MPa，22MPa，23MPa，24MPa，25MPa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤S1所述二级压缩机的进口压力P2为15～35MPa，例如可以是15MPa，16MPa，17MPa，18MPa，19MPa，20MPa，21MPa，22MPa，23MPa，24MPa，25MPa，26MPa，27MPa，28MPa，29MPa，30MPa，31MPa，32MPa，33MPa，34MPa，35MPa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，二级压缩机入口压力P2主要来源于一级压缩机出口氢气，以及来自“加氢低谷期”一级储氢设备中一级高压储罐的氢气，该流股氢气作用是调节二级压缩机入口压力P2。
优选地，步骤S1所述二级压缩机的出口压力P3为40～45MPa，例如可以是40MPa，41MPa，42MPa，43MPa，44MPa，45MPa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤S1所述一级高压储罐的额定压力P4为40MPa。
优选地，步骤S1所述一级低压储罐的额定压力是25MPa。
优选地，步骤S1所述一级低压储罐在“加氢低谷期”的实际压力P5在10MPa以下，例如可以是1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa，7MPa，8MPa，9MPa，10MPa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤S1所述一级高压储罐在“加氢高峰期”的实际压力P6不低于15MPa且不高于一级高压储罐的额定压力，例如可以是15MPa，16MPa，17MPa，18MPa，19MPa，20MPa，21MPa，22MPa等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤S2所述单台制氢设备的制氢量在200～800Nm3/h范围内，例如可以是200Nm3/h，300Nm3/h，400Nm3/h，500Nm3/h，600Nm3/h，700Nm3/h，800Nm3/h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，制氢设备过大会造成制氢加氢站系统的占地面积大且布局和占地不协调。
优选地，步骤S3所述单台一级压缩机的排量不大于1000Nm3/h，例如可以是100Nm3/h，200Nm3/h，300Nm3/h，400Nm3/h，500Nm3/h，600Nm3/h，700Nm3/h，800Nm3/h，900Nm3/h，1000Nm3/h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤S4所述二级压缩机为隔膜式压缩机。
优选地，步骤S4所述单台二级压缩机的排量在300～1200Nm3/h范围内，例如可以是300Nm3/h，400Nm3/h，500Nm3/h，600Nm3/h，700Nm3/h，800Nm3/h，900Nm3/h，1000Nm3/h，1100Nm3/h，1200Nm3/h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，1Nm3/h＝1/22.4×MH2＝1/22.4×2.0＝0.089kg/h；其中，MH2是氢气的相对分子质量。
作为本发明优选的技术方案，所述一级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3，例如可以是1m3，2m3，3m3，4m3，5m3，6m3等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述二级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3，例如可以是1m3，2m3，3m3，4m3，5m3，6m3等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明所述制氢加氢站系统的设备选型方法是基于科学的计算与分析建立的，适用于制氢加氢一体的加氢站以及常规加氢站；
(2)本发明所述制氢加氢站系统的设备选型方法能够充分合理的配置加氢站的制氢规模和存储规模，能同时满足“加氢高峰期”和“加氢低谷期”的加氢需求；
(3)本发明所述制氢加氢站系统的设备选型方法可减少压缩机频繁启停的频率，降低压缩机的维修成本，此外，在相同外输处理量的情况下，二级氢气压缩机的成本可降低20-30％；
(4)本发明所述制氢加氢站系统的设备选型方法在有外部长管拖车供氢的情况下，氢气利用率可提高10％左右。
附图说明
图1是本发明所述制氢加氢站设备选型方法参照的工艺流程图。
图中，Ⅰ-制氢设备，Ⅱ-一级压缩机，Ⅲ-二级压缩机，Ⅳ-一级氢气储存设备，Ⅴ-二级氢气储存设备，Ⅵ-加注设备，Ⅶ-外部加氢设备，Ⅷ-控制系统。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种制氢加氢站系统的设备选型方法，如图1所示，所述制氢加氢站系统包括依次连接的制氢设备Ⅰ、一级压缩机Ⅱ、二级压缩机Ⅲ与加注设备Ⅵ；所述制氢加氢站系统还包括一级氢气储存设备Ⅳ，所述一级氢气储存设备Ⅳ包括一级低压储罐与一级高压储罐；所述一级压缩机Ⅱ的出口分别与所述一级低压储罐以及所述一级高压储罐相连接，所述二级压缩机Ⅲ的出口与所述一级高压储罐相连接；所述制氢加氢站系统还包括二级氢气储存设备Ⅴ，所述二级氢气储存设备Ⅴ设置在所述二级压缩机Ⅲ的出口与所述加注设备Ⅵ之间；所述二级氢气储存设备Ⅴ包括二级低压储罐、二级中压储罐与二级高压储罐；所述制氢加氢站系统还包括外部加氢设备Ⅶ，所述外部加氢设备的出口设置在所述一级氢气储存设备与所述二级压缩机的进口之间；
所述制氢加氢站系统还包括控制系统Ⅷ，通过监测判断目前工作模式为“加氢高峰期”或“加氢低谷期”；在“加氢高峰期”，所述控制系统Ⅷ控制所述一级压缩机Ⅱ的出口氢气、所述一级低压储罐的氢气与所述一级高压储罐的氢气，经所述二级压缩机Ⅲ进入所述加注设备Ⅵ，根据需要将所述二级氢气储存设备Ⅴ的氢气进入所述加注设备Ⅵ；在“加氢低谷期”，所述控制系统控制所述一级压缩机Ⅱ的出口氢气分为两部分，一部分分别进入所述一级低压储罐与所述一级高压储罐，另一部分进入所述二级压缩机Ⅲ，所述二级压缩机Ⅲ的出口氢气分为三部分，一部分进入所述一级高压储罐，另一部分进入所述加注设备Ⅵ，剩余部分进入所述二级氢气储存设备Ⅴ；
所述制氢加氢站系统的设备选型方法包括如下步骤：
S1：确定制氢加氢站系统的运营基本参数
(1)日加氢量m的计算公式为m＝(4.5～5.5)×a+(22～2)×b+(15～20)×c+2×d+e；
其中，a为小型车的数量；b为重型卡车的数量；c为客车、公交车和物流车的数量；d为叉车和站内托运车的数量；e为其它加氢装置的数量；
本发明适用于日加氢量m≤2500kg/d以下的制氢加氢站；
(2)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果集中加氢时间在4h以上，则为“加氢高峰期”，“加氢高峰期”的持续时间记为t1，其余时间即为“加氢低谷期”，记为t2；
(3)确定一级压缩机的出口压力P1，确定二级压缩机的进口压力P2，确定二级压缩机的出口压力P3，确定一级高压储罐的额定压力P4，确定一级低压储罐的实际压力P5，确定一级高压储罐的实际压力P6，确定氢气加注的压力等级P0，确定二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax；
其中，所述一级压缩机的出口压力P1为20～25MPa；所述二级压缩机的进口压力P2为15～35MPa；所述二级压缩机的出口压力P3为40～45MPa；所述一级高压储罐的额定压力P4为40MPa；
在“加氢高峰期”，如果一级压缩机的出口压力P1与二级压缩机的进口压力P2满足P2/P1＜0.5，则打开所述外部加氢设备的开关，将所述外部加氢设备的氢气进入所述二级压缩机；
(4)敏感因素分析：第一敏感因素是制氢设备的停机，第二敏感因素是二级压缩机的启动次数；
S2：确定制氢设备的设备选型
将步骤S1所述日加氢量m作为日加氢规模，确定制氢设备数量的计算公式为n1＝[m/(m1×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n1为制氢设备数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；所述单台制氢设备的制氢量在200～800Nm3/h范围内；
S3：确定一级压缩机的设备选型
一级压缩机的压缩规模为制氢设备的制氢规模，即，步骤S1所述日加氢量m的日加氢规模，确定一级压缩机数量的计算公式为n2＝[m/(m2×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n2为一级压缩机的数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m2为单台一级压缩机的排量，单位为kg/h；所述单台一级压缩机的排量不大于1000Nm3/h；
S4：确定二级压缩机的设备选型
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的体积流量Q实际的计算公式为Q实际＝mmax/ρP2＝mmax×Z×R×T/P2；
其中，Q实际为二级压缩机在P2压力下的体积流量，单位为m3/h；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；ρP2为在P2压力下的氢气密度，单位为kg/m3；P2为二级压缩机的进口压力，单位为Pa；Z为氢气的压缩因子；T为二级压缩机的进口温度，单位为K；R为理想气体常数，R＝8.314J/(mol·K)；
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的数量n3的计算公式为n3＝[Q实际/Q单台]＝[(mmax/ρP2)/Q单台]；
其中，[]为向上取整数运算符；n3为二级氢气压缩机数量，单位为台；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；Q单台为单台二级压缩机的排量，单位为m3/h；ρP2为在入口压力P2下的氢气密度，单位kg/m3；
S5：确定一级氢气储存设备的设备选型
在“加氢低谷期”，制氢设备的制氢量M1的计算公式为M1＝m1×t2；
其中，m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；t2为“加氢低谷期”的时间，单位为h；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝0.7～1.35，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为(1～2):1；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝1.35～2.0，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为1:(1～3)；
一级氢气储存设备满足如下条件：M2-1×n4-1+M2-2×n4-2≥M1；
其中，M2-1为单台一级低压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；M2-2为单台一级高压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台；
基于一级低压储罐的数量n4-1和一级高压储罐的数量n4-2，确定一级储氢装置对应的数量n4的计算公式为n4＝n4-1+n4-2；
其中，n4为一级氢气储罐的数量，单位为台；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台；
所述一级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3；所述一级低压储罐在“加氢低谷期”的实际压力P5在10MPa以下；所述一级高压储罐在“加氢高峰期”的实际压力P6不低于15MPa且不高于一级高压储罐的额定压力；
S6：确定二级氢气储存设备的设备选型
所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐数量比的确定方法如下：
如果步骤S1所述日加氢量m满足500≤m≤1000，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～4):(1～2):1；
如果步骤S1所述日加氢量m满足1000＜m≤1500，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～6):(1～3):1；
所述二级氢气储存设备的最低储氢量M3的计算公式为M3＝mmax×t3；
其中，M3为二级氢气储罐的最低储氢量，单位为kg；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；t3为制氢加氢站存储加注量的缓冲时间，单位为h，且t3为0.5～2.0h；
基于二级氢气储存设备的最低储氢量M3，确定二级氢气储存设备对应的数量n5的计算公式为n5＝[M3/M4]；
其中，[]为向上取整数运算符；n5为二级氢气储存设备的数量；M3为二级氢气储存设备的最低储氢量，单位为kg；M4为二级氢气储存设备的可供氢气量，单位为kg；
所述二级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
在某地区拟建设一座具有站内制氢的加氢站，加氢站的服务对象是周边的公交车、小型汽车、渣土车等重卡、周边工业场地的起重机、客运大巴等，其中小型汽车20辆、公交车和客运大巴30辆、重卡10辆、起重机20辆，无其他车辆用氢。
其中根据对该地区的加氢情况调研，集中加氢时间为9：00～21:00，其中存在连续5h的加氢量达到70kg/h，在晚上时间几乎没有加氢。该加氢站对制氢设备的停机属于非常敏感的，需要保持连续运行；第二敏感因素是二级压缩机，减少启动次数，降低维护成本。
根据以上条件，制氢加氢站系统设备选型方法如下：
S1：确定制氢加氢站系统的运营基本参数
(1)日加氢量m＝5×20+25×10+18×30+2×20+0＝930kg/d；
该制氢加氢站属于日加氢量1000kg/d的制氢加氢站；
(2)判断加氢时间是否集中：
“加氢高峰期”的时间t1＝12h，最大加注量为70kg/h；“加氢低谷期”的时间t2＝12h；
(3)确定一级压缩机的出口压力P1＝25MPa，确定二级压缩机的进口压力P2＝25MPa，确定二级压缩机的出口压力P3＝45MPa，确定一级高压储罐的额定压力P4＝40MPa，确定一级低压储罐的实际压力P5＝6MPa，确定一级高压储罐的实际压力P6＝20MPa，确定氢气加注的压力等级P0＝35MPa，确定二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax＝70kg/h；
(4)敏感因素分析：第一敏感因素是制氢设备的停机，第二敏感因素是二级压缩机的启动次数。
S2：确定制氢设备的设备选型
目前小型制氢加氢站常用制氢量在200～600Nm3/h内的制氢设备，本实施例选用250Nm3/h的制氢设备，折算成质量流量为22.3kg/h；
将步骤S1所述日加氢量m作为日加氢规模，确定制氢设备数量n1＝[m/(m1×24)]＝[930/(22.3×24)]＝2；
因此，选用2台制氢设备。
S3：确定一级压缩机的设备选型
一级压缩机的排量与制氢装置的制氢量相匹配，应选择的一级压缩机入口压力在1MPa左右，出口压力P1＝25MPa，基本上这类压缩机的排量在100～1000Nm3/h范围内，本实施例选择排量为500Nm3/h的一级压缩机，折算质量排量为44.6kg/h；
一级压缩机的压缩规模为制氢设备的制氢规模，即，步骤S1所述日加氢量m的日加氢规模，确定一级压缩机数量n2＝[m/(m2×24)]＝[930/(44.6×24)]＝1；
因此，选用1台一级压缩机。
S4：确定二级压缩机的设备选型
由于二级压缩机排量受到最大加注量的限制，而且最大加注量以质量计量，因此二级压缩机的质量排量选择70kg/h，折算成体积排量约为800Nm3/h；
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax＝70kg/h，在二级压缩机入口压力P2＝25MPa下，氢气密度ρ25＝18.42kg/m3，确定二级压缩机对应的体积流量Q实际的计算公式为Q实际＝mmax/ρ25＝70/18.42＝3.8m3/h；
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax＝70kg/h，可以选择一台排量达到4m3/h的压缩机，确定二级压缩机对应的数量n3的计算公式为n3＝[Q实际/Q单台]＝[3.8/4]＝1台；
因此，选用1台二级压缩机。
S5：确定一级氢气储存设备的设备选型
在“加氢低谷期”，制氢设备的制氢量M1＝m1×t2＝22.3×12＝267.6kg；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝0.7～1.35，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为(1～2):1；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝1.35～2.0，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为1:(1～3)；
由于(P1-P5)/(P4-P6)＝(25-6)/(40-20)＝0.95，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为(1～2):1；
本实施例中，一级储氢设备的单个储罐容积是5m3；一级低压储罐压力为25MPa时的存储量是90kg，压力是P5＝6MPa时的存储量是30kg，因此，一级低压储罐的可供氢气量M2-1＝60kg；一级高压储罐压力为40MPa时的存储量是135kg，一级高压储罐压力为P6＝20MPa的存储量是75kg，因此，一级高压储罐的可供氢气量M2-2＝60kg；
一级氢气储存设备满足如下条件：M2-1×n4-1+M2-2×n4-2≥M1，即，60×n4-1+60×n4-2≥267.6kg，且要同时满足n4-1：n4-2＝(1～2):1；其中，n4-1为一级低压储罐的数量，n4-2为一级高压储罐的数量；
因此，可选3台一级低压储罐和2台一级高压储罐；
因此，一级储氢装置对应的数量n4＝n4-1+n4-2＝3+2＝5台。
S6：确定二级氢气储存设备的设备选型
制氢加氢站存储加注量的缓冲时间t3＝2h，所述二级氢气储存设备的最低储氢量M3＝mmax×t3＝70×2＝140kg；
选择一级储氢设备中单个储罐容积是1m3，若二级氢气储存设备均达到不能对外加注的设计压力点，此时的储氢量为二级氢气储存设备达到额定压力45MPa时储氢量的45％，且二级氢气储存设备达到额定压力45MPa时的储氢量为30kg，则二级氢气储存设备的可供氢气量M4＝30×(1-45％)＝16.5kg；
基于二级氢气储存设备的最低储氢量M3和二级氢气储存设备的可供氢气量M4，确定二级氢气储存设备对应的数量n5＝[M3/M4]＝[140/16.5]＝9台；
由于所述日加氢量m满足500≤m≤1000，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～4):(1～2):1，则，选择所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为2:1.5:1；
因此，二级低压储罐的数量为4台，二级中压储罐的数量为3台，二级高压储罐的数量为2台。
由上述实施例可以看出：
本实施例选择的二级压缩机的质量排量是70kg/h，折算约800Nm3/h，但是在实际处理体积流量是在入口压力在P2＝25MPa计算的，此时的体积流量是3.8m3/h；而目前加氢站的常规流程和选型方法，是按照入口压力为(20+5)/2＝12.5MPa计算而得，需要选择的压缩机也要满足70kg/h，折算约800Nm3/h外输要求，12.5MPa下的氢气密度ρ12.5＝9.76kg/m3而此时的实际体积流量为Q实际 ’＝mmax/ρ12.5＝70/9.76＝7.22m3/h，从而可见压缩机的实际选型减少了45％左右，从设备建设投资的角度可以降低30％左右。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (24)

1.一种制氢加氢站系统的设备选型方法，其特征在于，所述制氢加氢站系统包括依次连接的制氢设备、一级压缩机、二级压缩机与加注设备；所述制氢加氢站系统还包括一级氢气储存设备，所述一级氢气储存设备包括一级低压储罐与一级高压储罐；所述一级压缩机的出口分别与所述一级低压储罐以及所述一级高压储罐相连接，所述二级压缩机的出口与所述一级高压储罐相连接；
所述制氢加氢站系统还包括控制系统，通过监测判断目前工作模式为“加氢高峰期”或“加氢低谷期”；在“加氢高峰期”，所述控制系统控制所述一级压缩机的出口氢气、所述一级低压储罐的氢气与所述一级高压储罐的氢气，经所述二级压缩机进入所述加注设备；在“加氢低谷期”，所述控制系统控制所述一级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分分别进入所述一级低压储罐与所述一级高压储罐，另一部分进入所述二级压缩机，所述二级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分进入所述一级高压储罐，另一部分进入所述加注设备；
所述制氢加氢站系统的设备选型方法包括如下步骤：
S1：确定制氢加氢站系统的运营基本参数
(1)日加氢量m；
(2)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果集中加氢时间在4h以上，则为“加氢高峰期”，“加氢高峰期”的持续时间记为t1，其余时间即为“加氢低谷期”，记为t2；
(3)确定一级压缩机的出口压力P1，确定二级压缩机的进口压力P2，确定二级压缩机的出口压力P3，确定一级高压储罐的额定压力P4，确定一级低压储罐的实际压力P5，确定一级高压储罐的实际压力P6，确定氢气加注的压力等级P0，确定二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax；
(4)敏感因素分析：第一敏感因素是制氢设备的停机，第二敏感因素是二级压缩机的启动；
S2：确定制氢设备的设备选型
将步骤S1所述日加氢量m作为日加氢规模，确定制氢设备数量的计算公式为n1＝[m/(m1×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n1为制氢设备数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；
S3：确定一级压缩机的设备选型
一级压缩机的压缩规模为制氢设备的制氢规模，即，步骤S1所述日加氢量m的日加氢规模，确定一级压缩机数量的计算公式为n2＝[m/(m2×24)]；
其中，[]为向上取整数运算符；n2为一级压缩机的数量，单位为台；m为日加氢量，单位为kg/d；m2为单台一级压缩机的排量，单位为kg/h；
S4：确定二级压缩机的设备选型
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的体积流量Q实际的计算公式为Q实际＝mmax/ρP2＝mmax×Z×R×T/P2；
其中，Q实际为二级压缩机在P2压力下的实际体积流量，单位为m3/h；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；ρP2为在P2压力下的氢气密度，单位为kg/m3；P2为二级压缩机的进口压力，单位为Pa；Z为氢气的压缩因子；T为二级压缩机的进口温度，单位为K；R为理想气体常数，R＝8.314J/(mol·K)；
基于二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量mmax，确定二级压缩机对应的数量n3的计算公式为n3＝[Q实际/Q单台]＝[(mmax/ρP2)/Q单台]；
其中，[]为向上取整数运算符；n3为二级氢气压缩机数量，单位为台；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；Q单台为单台二级压缩机的排量，单位为m3/h；ρP2为在入口压力P2下的氢气密度，单位kg/m3；
S5：确定一级氢气储存设备的设备选型
在“加氢低谷期”，制氢设备的制氢量M1的计算公式为M1＝m1×t2；
其中，m1为单台制氢设备的制氢量，单位为kg/h；t2为“加氢低谷期”的时间，单位为h；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝0.7～1.35，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为(1～2):1；
如果(P1-P5)/(P4-P6)＝1.35～2.0，则设置所述一级低压储罐的数量与所述一级高压储罐的数量比为1:(1～3)；
一级氢气储存设备满足如下条件：M2-1×n4-1+M2-2×n4-2≥M1；
其中，M2-1为单台一级低压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；M2-2为单台一级高压储罐的可供氢气量，单位为kg；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台；
基于一级低压储罐的数量n4-1和一级高压储罐的数量n4-2，确定一级储氢装置对应的数量n4的计算公式为n4＝n4-1+n4-2；
其中，n4为一级氢气储罐的数量，单位为台；n4-1为一级低压储罐的数量，单位为台；n4-2为一级高压储罐的数量，单位为台。
2.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，所述制氢加氢站系统还包括二级氢气储存设备，所述二级氢气储存设备设置在所述二级压缩机的出口与所述加注设备之间；
在“加氢高峰期”，所述一级压缩机的出口氢气、所述一级低压储罐的氢气与所述一级高压储罐的氢气经所述二级压缩机进入所述加注设备，根据需要将所述二级氢气储存设备的氢气进入所述加注设备；
在“加氢低谷期”，所述一级压缩机的出口氢气分为两部分，一部分分别进入所述一级低压储罐与所述一级高压储罐，另一部分进入所述二级压缩机，所述二级压缩机的出口氢气分为三部分，一部分进入所述一级高压储罐，另一部分进入所述加注设备，剩余部分进入所述二级氢气储存设备。
3.根据权利要求2所述的设备选型方法，其特征在于，所述二级氢气储存设备包括二级低压储罐、二级中压储罐与二级高压储罐。
4.根据权利要求3所述的设备选型方法，其特征在于，所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐数量比的确定方法如下：
如果步骤S1所述日加氢量m满足500≤m≤1000，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～4):(1～2):1；
如果步骤S1所述日加氢量m满足1000＜m≤1500，单位为kg/d，则设置所述二级低压储罐、所述二级中压储罐与所述二级高压储罐的数量比为(1～6):(1～3):1。
5.根据权利要求2所述的设备选型方法，其特征在于，所述二级氢气储存设备的最低储氢量M3的计算公式为M3＝mmax×t3；
其中，M3为二级氢气储罐的最低储氢量，单位为kg；mmax为二级压缩机在“加氢高峰期”的最大排量，单位为kg/h；t3为制氢加氢站存储加注量的缓冲时间，单位为h。
6.根据权利要求5所述的设备选型方法，其特征在于，所述制氢加氢站存储加注量的缓冲时间t3为0.5～2.0h。
7.根据权利要求5所述的设备选型方法，其特征在于，基于二级氢气储存设备的最低储氢量M3，确定二级氢气储存设备对应的数量n5的计算公式为n5＝[M3/M4]；
其中，[]为向上取整数运算符；n5为二级氢气储存设备的数量；M3为二级氢气储存设备的最低储氢量，单位为kg；M4为二级氢气储存设备的可供氢气量，单位为kg。
8.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，所述制氢加氢站系统还包括外部加氢设备，所述外部加氢设备的出口设置在所述一级氢气储存设备与所述二级压缩机的进口之间。
9.根据权利要求8所述的设备选型方法，其特征在于，在“加氢高峰期”，如果一级压缩机的出口压力P1与二级压缩机的进口压力P2满足P2/P1＜0.5，则打开所述外部加氢设备的开关，将所述外部加氢设备的氢气进入所述二级压缩机。
10.根据权利要求8所述的设备选型方法，其特征在于，所述外部加氢设备为长管拖车。
11.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述日加氢量m的计算公式为m＝(4.5～5.5)×a+(22～2)×b+(15～20)×c+2×d+e；
其中，a为小型车的数量；b为重型卡车的数量；c为客车、公交车和物流车的数量；d为叉车和站内托运车的数量；e为其它加氢装置的数量。
12.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述一级压缩机的出口压力P1为20～25MPa。
13.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述二级压缩机的进口压力P2为15～35MPa。
14.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述二级压缩机的出口压力P3为40～45MPa。
15.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述一级高压储罐的额定压力P4为40MPa。
16.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述一级低压储罐的额定压力为25MPa。
17.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述一级低压储罐在“加氢低谷期”的实际压力P5在10MPa以下。
18.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S1所述一级高压储罐在“加氢高峰期”的实际压力P6不低于15MPa且不高于一级高压储罐的额定压力。
19.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S2所述单台制氢设备的制氢量在200～800Nm3/h范围内。
20.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S3所述单台一级压缩机的排量不大于1000Nm3/h。
21.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S4所述二级压缩机为隔膜式压缩机。
22.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，步骤S4所述单台二级压缩机的排量在300～1200Nm3/h范围内。
23.根据权利要求1所述的设备选型方法，其特征在于，所述一级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3。
24.根据权利要求2所述的设备选型方法，其特征在于，所述二级氢气储存设备的单个储罐容积为1～6m3。
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