CN113915520A - 一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其包括移动加氢设备、氢气源、惰性气体源、驱动气体源及加氢枪，所述氢气源、惰性气体源、驱动气体源均为可移动的、并与移动加氢设备的输入端相连，所述移动加氢设备的输出端与加氢枪相连，所述氢气源、惰性气体源用来提供氢气和惰性气体，经驱动气体源驱动的移动加氢设备加压，在移动加氢设备的控制下，经所述加氢枪完成对氢能源轨道交通车辆的加氢作业。本发明具有结构简单、易实现、安全性高、便捷性和经济性好等优点。

Description

一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统
技术领域
本发明主要涉及到氢能源轨道交通车辆技术领域，特指一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统。
背景技术
随着全球社会提出“碳达峰、碳中和”战略，减少碳排放成为现阶段最重要的战略。氢能源是一种新能源，其具有来源广泛、节能环保、高效清洁、效率高等特点，是实现“碳达峰”、“碳中和”战略目标的重要技术路径之一。
氢能源在轨道交通车辆中具有广阔的应用前景，氢燃料电池机车、工程车、动车组和有轨电车等产品相继研发成功，并投入商业运营。世界各国的轨道交通装备研制企业均积极开展氢能源轨道交通车辆的研制与应用。
“氢气加注设施”是氢能源轨道交通车辆研制与试验不可或缺的基础设施。目前，商业化运营的加氢站主要面向商用车和乘用车等，不适用于氢能源轨道交通车辆研制与试验的氢气加注需求，有如下几方面的原因：
(1)氢能源轨道交通车辆的试验线路为轨道交通车辆研制企业的内部试运行线路，通常建设有接触供电网以满足弓网供电的轨道交通车辆的试运行要求。而加氢站为固定设施，与接触供电网近距离布置存在安全风险。
(2)加氢站建设投资规模大(通常为1500～2000万元)、建设周期长(通常需要3～5年)，加氢量大(约1000～2000kg/天)相对氢能源轨道交通车辆试验的需求严重过剩。
因此，亟需建设适用于氢能源轨道交通车辆研制与试验需求的氢气加注系统。特别地，该系统须具备安全性、便捷性和经济性等特征。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、易实现、安全性高、便捷性和经济性好的轨道交通车辆移动式氢气加注系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其包括移动加氢设备、氢气源、惰性气体源、驱动气体源及加氢枪，所述氢气源、惰性气体源、驱动气体源均为可移动的、并与移动加氢设备的输入端相连，所述移动加氢设备的输出端与加氢枪相连，所述氢气源、惰性气体源用来提供氢气和惰性气体，经驱动气体源驱动的移动加氢设备加压，在移动加氢设备的控制下，经所述加氢枪完成对氢能源轨道交通车辆的加氢作业。
作为本发明的进一步改进：所述移动加氢设备包括气体或液体压缩泵，用于对氢气和惰性气体进行压缩，所述压缩泵的动力源为压缩空气或液压。
作为本发明的进一步改进：所述驱动气体源提供压缩气体并导入压缩泵，驱动活塞对氢气或惰性气体进行压缩。
作为本发明的进一步改进：所述氢气源提供氢气并导入压缩泵，向氢能源轨道交通车辆加注氢气。
作为本发明的进一步改进：所述氢气源为氢气集格。
作为本发明的进一步改进：所述惰性气体源提供惰性气体并导入压缩泵，对移动加氢设备和氢能源轨道交通车辆中车载储氢系统进行惰性气体吹扫。
作为本发明的进一步改进：所述惰性气体源为氮气集格。
作为本发明的进一步改进：还包括压力传感器、温度传感器、氢气浓度传感器和火灾探测报警器中的一种或多种传感、报警单元；所述温度传感器用于检测气体温度，所述压力传感器用于检测气体的压强，所述氢气浓度传感器用于检测氢气泄漏状态，所述火灾探测报警器用来对火灾危险进行探测。
作为本发明的进一步改进：所述移动加氢设备中包括自动控制系统，所述自动控制系统用来根据压力传感器和温度传感器的采集的数据，以及所设置的加注参数对氢气加注过程进行自动控制，根据氢气浓度传感器和火灾探测报警器采集的数据进行故障保护。
作为本发明的进一步改进：还包括手动阀门，通过操作所述手动阀门对氢气加注过程进行人工控制。
作为本发明的进一步改进：还包括低压防爆电源，用来向移动加氢设备控制系统提供电源，以防止产生电火花。
作为本发明的进一步改进：还包括防雷装置，用于保护移动加氢设备、人员和氢能源轨道交通车辆免遭雷击危害。
作为本发明的进一步改进：还包括静电释放装置，布置于移动加氢系统的入口处，用于作业人员进入移动加氢系统场地时通过触摸静电释放装置以释放所携带的静电，防止产生静电放电火花。
作为本发明的进一步改进：还包括接地装置，用来为移动加氢系统的移动加氢设备、氢气源、惰性气体源提供参考接地点，以导除移动加氢设备、氢气源、惰性气体源中产生的静电，防止产生静电放电火花。
作为本发明的进一步改进：还包括气体放散装置，用于为氢气和惰性气体排放提供安全的通道。
作为本发明的进一步改进：本发明还包括安全设施，所述安全设施为移动式氢气加注系统提供雷击、静电放电和氢气排放等安全保护。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，在氢气加注作业过程中，移动加氢点影响范围内接触供电网不带电、铁路线上除氢能源轨道交通车辆之外无其他轨道交通车辆运行；氢气加注作业完成后，移动加氢设备、氢气源、惰性气体源等含易燃、易爆危险源的设备与装置运离移动加氢点，不对邻区铁路轨道交通车辆的运行造成危险，隔离了移动加氢设备、氢气源、惰性气体源等含易燃、易爆危险源的设备与装置和接触供电网的带电状态。
2、本发明的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，具备防雷、防静电、保护性接地、防爆电气、氢气泄漏探测与预警、火灾探测与预警、温度和压力状态监测与故障预警等安全设备，系统具备高安全性。
3、本发明的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，建设投资规模小、建设周期短，加氢能力适应于氢能源轨道交通车辆研制与试验的非连续、不定期、小指量氢气加注需求。
附图说明
图1是本发明氢气加注系统的结构原理示意图。
图2是本发明在具体应用实例中移动加氢设备的结构原理示意图。
图3是本发明在具体应用实例中驱动气体源的供应回路原理示意图。
图4是本发明在具体应用实例中现场实际布置的示意图。
图5是本发明在具体应用实例中实际作业现场的示意图。
图例说明：
1、移动加氢设备；2、氢气源；3、惰性气体源；4、驱动气体源；5、加氢枪；6、氢能源轨道交通车辆；7、设备安装基础；8、低压防爆电源；9、防雷装置；10、静电释放装置；11、接地装置；12、气体放散装置；13、自动控制系统。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，包括：移动加氢设备1、氢气源2、惰性气体源3、驱动气体源4及加氢枪5，所述氢气源2、惰性气体源3、驱动气体源4均为可移动的、并与移动加氢设备1的输入端相连，所述移动加氢设备1的输出端与加氢枪5相连，所述加氢枪5用来给氢能源轨道交通车辆6进行加氢作业。所述氢气源2、惰性气体源3用来提供氢气、惰性气体经驱动气体源4送入移动加氢设备1，在移动加氢设备1的控制下，经所述加氢枪5完成对氢能源轨道交通车辆6的加氢作业。
本发明的氢气源2、惰性气体源3、驱动气体源4均为可移动的，所以本发明的系统在氢能源轨道交通车辆6加注氢气期间布置于试验线路旁，当氢气加注结束后就可以直接搬离试验线路，不对其他轨道交通车辆的运行造成任何影响。
在具体应用实例中，本发明系统中的各个设备均安装于设备安装基础7上，所述设备安装基础7为混凝土平台或其他类型的结构类平台，以满足实际安装需要即可。例如，本实施例中的设备安装基础7就为一个长度12米、宽度5米、厚度0.7米的混凝土平台。
在具体应用实例中，驱动气体源4用于将驱动气体源提供压缩气体导入气驱压缩泵，驱动活塞对氢气或惰性气体进行压缩，驱动气体源4(驱动气体回路)包括接口、管路和阀门等。所述驱动气体源4向移动加氢设备提供洁净且具备一定压强和流量的压缩气体，通常为压缩空气，驱动气驱压缩泵工作。驱动气体源供应回路的原理如图3所示，包括空气压缩机、储气罐、截止阀、调压阀、前置过滤器、冷干机、后置过滤器和压力表等。其中：压缩机用于将空气加压到所需的压强；储气罐用于储存压缩空气，平抑气路中的压强波动；截止阀用于控制驱动气体回路的通断；调压阀用于调节压缩空气的压强；前置过滤器用于对压缩空气中的固体颗粒物、有机物液滴等杂物进行初级过滤；冷干机用于对压缩空气进行冷凝干燥，去除驱动气体中的水分；后置过滤器用于对压缩空气中的固体颗粒物、有机物液滴等杂物进行次级过滤；压力表用于测量并显示压缩空气的压强。所述空气压缩机、储气罐、截止阀、调压阀、前置过滤器、冷干机和后置过滤器布置于远离移动加氢点的位置，经上述过程处理后的压缩空气通过不锈钢管道输送至移动加氢设备，驱动气驱压缩泵工作。本实施例中的驱动气体源为压缩空气，压强为0.9±0.1MPa，流量为9m3/min。
在具体应用实例中，氢气源2用于将氢气源提供的氢气导入驱动气体源4(气驱压缩泵)，向氢能源轨道交通车辆6加注氢气；氢气源2(氢气回路)包括接口、管路和阀门等。具体应用时，氢气源2可以采用储存压缩氢气的钢瓶(单瓶)或由多个储存压缩氢气的钢瓶通过汇流排连接构成的氢气集格，储氢压强为15MPa，或者为储氢压缩氢气的槽罐车，储氢压强为20MPa。本实施例中的氢气源2为氢气集格，所包含的储氢瓶数量为16或20。
在具体应用实例中，惰性气体源3用于将惰性气体源提供的惰性气体导入驱动气体源4(气驱压缩泵)，对移动加氢设备1和氢能源轨道交通车辆6中车载储氢系统进行惰性气体吹扫；惰性气体源3(惰性气体回路)包括接口、管路和阀门等。具体应用时，惰性气体源3为储存惰性气体的钢瓶(单瓶)或由多个储存惰性气体的钢瓶通过汇流排连接构成的惰性气体集格，压强为15MPa。惰性气体种类可为氦气(He)、氩气(Ar)和氮气(N2)等。本实施例中的惰性气体源为氮气(N2)集格，所包含的储氢瓶数量为16或20。
在上述过程中，通过移动加氢设备1中的气驱压缩泵对氢气和惰性气体进行压缩，气驱压缩泵的动力源为压缩空气，无须其他动力机械装置，具有结构简单、可靠性高、无电气系统风险、安全性高等优点，最大加压压强大于氢能源轨道交通车辆6中车载储氢系统的额定压强。参见图2，本实施例中的移动加氢设备1采用4台气驱压缩泵，最大加压压强为35MPa，驱动气为压缩空气，压强为0.9±0.1MPa，额定加氢流量为8kg/h，具备程控自动和手动两种操作模式，尺寸为2m×1.5m×1.8m，质量为800kg。
在上述过程中，加氢枪5包括气体管路和阀门，用于向氢能源轨道交通车辆6加注氢气和惰性气体。
本发明通过移动加氢设备、氢气集格、惰性气体集格等可移动设施确保在非氢气加注作业期间移动加氢点不存放易燃、易爆危险源，上述可移动设施可替换为其他具有同样功能的可移动设施，如氢气集格可替换为高压氢气槽罐、液氢槽罐，惰性气体集格可替换为高压惰性气体槽罐。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括压力传感器、温度传感器、氢气浓度传感器和火灾探测报警器中的一种或多种传感、报警单元；其中，所述温度传感器用于检测气体温度，所述压力传感器用于检测气体的压强，所述氢气浓度传感器用于检测氢气泄漏状态，所述火灾探测报警器用来对火灾危险进行探测。
作为较佳的实施例，本发明的移动加氢设备1中进一步包括自动控制系统13，该自动控制系统可根据压力传感器和温度传感器的采集的数据，以及所设置的加注参数对氢气加注过程进行自动控制，根据氢气浓度传感器和火灾探测报警器采集的数据进行氢气泄漏、火灾等故障保护。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括手动阀门，可通过操作手动阀门对氢气加注过程进行人工控制。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括低压防爆电源8，用来向移动加氢设备控制系统1提供电源，供电电压通常为单相AC 220V，采用防爆电气设备，以防止产生电火花。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括防雷装置9，用于保护移动加氢系统设备1、人员和氢能源轨道交通车辆6免遭雷击危害。具体地，本实施例中的防雷装置9为避雷针，高度为11m。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括静电释放装置10，布置于移动加氢系统1的入口处，用于作业人员进入移动加氢系统1场地时通过触摸静电释放装置10以释放所携带的静电，防止产生静电放电火花。本实施例中的静电释放装置10为带静电报警功能的静电释放柱。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括接地装置11，用来为移动加氢系统的移动加氢设备1、氢气源2、惰性气体源3等提供参考接地点，以导除移动加氢设备1、氢气源2、惰性气体源3中产生的静电，防止产生静电放电火花，并保护氢气加注作业人员免遭设备漏电导致的电击危害。本实施例中接地装置11为接地母排，接地阻抗小于1Ω。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括气体放散装置12，用于为氢气和惰性气体排放提供安全的通道，放散口高于氢气源2、惰性气体源3、移动加氢设备1和氢能源轨道交通车辆6中车载储氢系统2m以上，并设置阻火器等。本实施例中气体放散装置12为放散塔，高度为6m。
在具体应用实例中，本发明的所述加氢枪5用于向氢能源轨道交通车辆加氢口加注氢气，根据实际需要，可以采用型号为TK16型或TK25型。
通过采用本发明的上述系统，氢气加注速率约5～10kg/h级别，对于常见的氢能源轨道交通车辆6及其车载储氢系统容量，氢气加注时间不超过12h；整个系统的尺寸不超过2m×2m×2m，质量不超过2吨，可使用卡车、叉车等工具运输。
本发明上述系统在具体应用时，其使用步骤包括：
步骤S1：切断移动加氢作业影响范围内所有铁路接触供电网的供电和除须开展加氢作业的氢能源轨道交通车辆以外的其他轨道交通车辆的运行；本实施例中移动加氢作业影响范围为距离移动加氢点50m以内的范围。
步骤S2：开展加氢作业的氢能源轨道交通车辆行驶至移动加氢点相邻位置，切断全车供电并妥善停车。
步骤S3：使用具备专业资质的危险化学品运输车辆和驾驶人员将移动加氢设备、氢气源、惰性气体源运输、卸放至移动加氢点设备基础平台。
步骤S4：连接移动加氢系统线缆、管路等。
步骤S5：启动驱动气体，启动移动加氢设备向氢能源轨道交通车辆加注氢气。
步骤S6：达到设定压强后停止加氢作业，拆解移动加氢系统线缆、管路等，使用具备专业资质的危险化学品运输车辆和驾驶人员将移动加氢设备、氢气源、惰性气体源运输离开移动加氢点。
步骤S7：使用便携式氢气浓度检测仪检测氢能源轨道交通车辆相关位置氢气浓度，无氢气泄漏的前提下启动车辆，开展车辆运行试验。
使用本发明所提供的轨道交通车辆移动式氢气加注系统为氢能源轨道交通车辆6加注氢气，使用集装格向移动加氢设备提供H2和惰性气体(N2)，使用压缩空气向移动加氢设备1提供驱动气。氢能源轨道交通车辆6停放于移动加氢点旁的轨道上，中间设置围墙隔离。总加氢量约60kg，加氢作业时间约8h，加氢流量约7.5kg/h。图4为该实施例的现场布置示意图，图5为该实施例的作业现场图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，包括移动加氢设备、氢气源、惰性气体源、驱动气体源及加氢枪，所述氢气源、惰性气体源、驱动气体源均为可移动的、并与移动加氢设备的输入端相连，所述移动加氢设备的输出端与加氢枪相连，所述氢气源、惰性气体源用来提供氢气和惰性气体，经驱动气体源驱动的移动加氢设备加压，在移动加氢设备的控制下，经所述加氢枪完成对氢能源轨道交通车辆的加氢作业。
2.根据权利要求1所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述移动加氢设备包括气体或液体压缩泵，用于对氢气和惰性气体进行压缩，所述压缩泵的动力源为压缩空气或液压。
3.根据权利要求2所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述驱动气体源提供压缩气体并导入压缩泵，驱动活塞对氢气或惰性气体进行压缩。
4.根据权利要求2所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述氢气源提供氢气并导入压缩泵，向氢能源轨道交通车辆加注氢气。
5.根据权利要求4所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述氢气源为氢气集格。
6.根据权利要求2所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述惰性气体源提供惰性气体并导入压缩泵，对移动加氢设备和氢能源轨道交通车辆中车载储氢系统进行惰性气体吹扫。
7.根据权利要求6所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述惰性气体源为氮气集格。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括压力传感器、温度传感器、氢气浓度传感器和火灾探测报警器中的一种或多种传感、报警单元；所述温度传感器用于检测气体温度，所述压力传感器用于检测气体的压强，所述氢气浓度传感器用于检测氢气泄漏状态，所述火灾探测报警器用来对火灾危险进行探测。
9.根据权利要求8所述轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，所述移动加氢设备中包括自动控制系统，所述自动控制系统用来根据压力传感器和温度传感器的采集的数据，以及所设置的加注参数对氢气加注过程进行自动控制，根据氢气浓度传感器和火灾探测报警器采集的数据进行故障保护。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括手动阀门，通过操作所述手动阀门对氢气加注过程进行人工控制。
11.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括低压防爆电源，用来向移动加氢设备控制系统提供电源，以防止产生电火花。
12.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括防雷装置，用于保护移动加氢设备、人员和氢能源轨道交通车辆免遭雷击危害。
13.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括静电释放装置，布置于移动加氢系统的入口处，用于作业人员进入移动加氢系统场地时通过触摸静电释放装置以释放所携带的静电，防止产生静电放电火花。
14.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括接地装置，用来为移动加氢系统的移动加氢设备、氢气源、惰性气体源提供参考接地点，以导除移动加氢设备、氢气源、惰性气体源中产生的静电，防止产生静电放电火花。
15.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道交通车辆移动式氢气加注系统，其特征在于，还包括气体放散装置，用于为氢气和惰性气体排放提供安全的通道。
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