CN114198636B - 一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法，系统包括：第一冷水机组、第一冷水机组对应充氢管路的阀门、20Mpa长管拖车、第二冷水机组、第二冷水机组对应充氢管路的阀门、30Mpa长管拖车；其中，第一冷水机组通过第一冷水机组对应充氢管路的阀门与20Mpa长管拖车连接；第二冷水机组通过第二冷水机组对应充氢管路的阀门与30Mpa长管拖车连接；所述第一冷水机组对应充氢管路的阀门、第二冷水机组对应充氢管路的阀门通过充装站站控系统控制。方法包括：选择管路、氮气吹扫置换、氢气吹扫置换、快速充装、充装停止。本发明的有益效果是：实现自动氢气快速充装过程减小运行成本及人工操作失误率；避免冷水机组的压缩机频繁启闭从而增大其使用寿命。

Description

一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法
技术领域
本发明涉及加氢站充氢系统领域，尤其涉及一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法。
背景技术
随着氢燃料电池汽车在国内快速的发展应用，为燃料电池提供氢源的制氢站的建设需求量也不断加大。制氢站制得的氢气通常采用长管拖车运输至加氢站内，因此如何安全、快速的将氢气充装至氢气长管拖车是一个值得注重的问题。常用的长管拖车气瓶工作压力在20MPa和30MPa，通常采用工作压力分别为20MPa和30MPa充装柱进行充装，而采用工作压力不同且不带有预冷及流量调节功能的独立充装柱进行充装，不仅操作繁琐，占地面积大且会降低加氢效率，影响运行安全性。
发明内容
为了解决以上技术问题，需要提出一种集成20MPa、30MPa两种工作压力，且带有预冷及流量调节功能的双系统自动充装柱。
本发明的技术方案提供一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法，其中，系统包括：
第一冷水机组、第一冷水机组对应充氢管路的阀门、20Mpa长管拖车、
第二冷水机组、第二冷水机组对应充氢管路的阀门、30Mpa长管拖车；
其中，第一冷水机组通过第一冷水机组对应充氢管路的阀门与20Mpa长管拖车连接；第二冷水机组通过第二冷水机组对应充氢管路的阀门与30Mpa长管拖车连接；
所述第一冷水机组对应充氢管路的阀门、第二冷水机组对应充氢管路的阀门通过充装站站控系统控制。
进一步地，第一冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第一冷水机组旁通阀、20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀、20Mpa充氢管路主路减压阀、20Mpa充氢管路第一单向阀、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门、20Mpa充氢管路第二单向阀、20Mpa充氢管路自动放散阀门、20Mpa充氢管路充装软管；
第一冷水机组设置有第一冷水机组旁通阀，用于控制冷却水流量；
第一冷水机组对应的换热器与20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀的一端连接；20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀的另一端与20Mpa充氢管路主路减压阀的一端连接；20Mpa充氢管路主路减压阀的另一端与20Mpa充氢管路的流量计的一端连接；20Mpa充氢管路的流量计的另一端与20Mpa充氢管路第一单向阀的一端连接；20Mpa充氢管路第一单向阀的另一端与20Mpa充氢管路第二单向阀的一端、20Mpa充氢管路自动放散阀门的一端、20Mpa充氢管路充装软管的一端连接；20Mpa充氢管路第二单向阀的另一端与20Mpa充氢管路自动吹扫阀门的一端连接；20Mpa充氢管路自动吹扫阀门的另一端与吹扫气端口连接；20Mpa充氢管路自动放散阀门的另一端与放散端口连接；20Mpa充氢管路充装软管的另一端与20Mpa长管拖车连接；20Mpa充氢管路第一单向阀与20Mpa充氢管路充装软管之间还设置有压力变送器。
进一步地，第二冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第二冷水机组旁通阀、30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀、30Mpa充氢管路主路减压阀、30Mpa充氢管路第一单向阀、30Mpa充氢管路自动吹扫阀门、30Mpa充氢管路第二单向阀、30Mpa充氢管路自动放散阀门、30Mpa充氢管路充装软管；
第二冷水机组设置有第二冷水机组旁通阀，用于控制冷却水流量；
第二冷水机组对应的换热器与30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀的一端连接；30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀的另一端与30Mpa充氢管路主路减压阀的一端连接；30Mpa充氢管路主路减压阀的另一端与30Mpa充氢管路的流量计的一端连接；30Mpa充氢管路的流量计的另一端与30Mpa充氢管路第一单向阀的一端连接；30Mpa充氢管路第一单向阀的另一端与30Mpa充氢管路第二单向阀的一端、30Mpa充氢管路自动放散阀门的一端、30Mpa充氢管路充装软管的一端连接；30Mpa充氢管路第二单向阀的另一端与30Mpa充氢管路自动吹扫阀门的一端连接；30Mpa充氢管路自动吹扫阀门的另一端与吹扫气端口连接；30Mpa充氢管路自动放散阀门的另一端与放散端口连接；30Mpa充氢管路充装软管的另一端与30Mpa长管拖车连接；30Mpa充氢管路第一单向阀与30Mpa充氢管路充装软管之间还设置有压力变送器。
一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法，应用于一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统，方法采用冷却水流量调节和加氢流量调节结合的方式进行氢气充装，具体包括以下步骤：
S1：通过站控系统选择20Mpa/30Mpa充氢管路；
S2：氮气自动吹扫置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路通过站控系统，向吹扫气端口通入氮气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门/30Mpa充氢管路自动放散阀门、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门完成充氢管路氮气自动吹扫置换过程；
S3：氢气自动置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路，通过站控系统向吹扫气端口通入氢气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门/30Mpa充氢管路自动放散阀门、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门完成充氢管路氢气自动吹扫置换过程；
S4：氢气快速充装：获取氢气快速充装约束条件，根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量；站控系统根据最佳冷却水流量和最佳氢气流量完成氢气快速充装；
S5：充装停止：当长管拖车储氢瓶达到预设的充氢压力20Mpa/30Mpa后，站控系统控制20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀关闭，充装停止。
进一步地，步骤S4中，所述氢气快速充装约束条件具体包括：
充氢管路保证储氢瓶不超温最大流量Vmax，其根据长管拖车储氢瓶参数计算获得，如下式：
Figure GDA0003933572320000041
式(1)中，t1为站内管路中氢气的温度；CT为升温系数；t2为长管拖车储氢瓶内氢气的温度；p2为长管拖车储氢瓶内氢气的压力；T表示长管拖车储氢瓶承受温度的设定最大值；
充氢管路最大预设流量V1,max；
充氢管路最大预设流量V1,max对应的氢气预冷温度t1,max；
冷水机组冷却水流量调节范围ma～mb、对应的预冷温度ta和tb、对应的氢气最大流量Va,max和Vb,max。
进一步地，步骤S4中根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量，具体分为如下情况：
(A)当长管拖车储氢瓶内氢气压力低于第一预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过低，此时调节氢气流量快速充氢；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1>Vmax时，根据当前冷水机组冷却水流量m1进行进一步判断：
(a)若m1＝mb，则站控系统调节20Mpa充氢管路主路减压阀/30Mpa充氢管路主路减压阀，改变充氢管路氢气压力p1，使得当前充氢管路实际氢气流量V1下降至V1＝Vmax；
(b)若m1<mb，则进一步判断tb与t1,max的关系：
(b1)若tb＜t1,max，则由V1,max和t1,max计算出冷却水适宜的出水流量，并利用站控系统通过调节第一冷水机组旁通阀/第二冷水机组旁通阀使冷却水出水量保持最佳；最佳出水流量如下式：
Figure GDA0003933572320000051
式(2)中，c水是冷却水的比热容，Δt是冷水机组设定的供回水温差，V1,max是当前充氢管路实际流量；
(b2)若tb>t1,max，则站控系统通过控制第一冷水机组旁通阀/第二冷水机组旁通阀将m1调节至mb，再通过调节20Mpa充氢管路主路减压阀/30Mpa充氢管路主路减压阀，使V1＝Vb,max；
(B)当长管拖车储氢瓶内氢气压力高于第二预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过高，此时调节充氢流量；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1<Vmax时，根据Vmax和V1,max的关系进一步判断：
(a)若V1,max<Vmax，则站控系统控制20Mpa充氢管路主路减压阀/30Mpa充氢管路主路减压阀，使V1＝V1,max，并根据V1,max对应的温度t1,max及式(2)计算此时冷却水的最佳出水量m1’，站控系统利用调节第一冷水机组旁通阀/第二冷水机组旁通阀使当前冷却水出水量m1＝m1’；
(b)若V1,max>Vmax，则站控系统选择最佳冷却水流量和氢气流量的方式与情况(A)中V1>Vmax时情况一致。
(C)当长管拖车储氢瓶内氢气压力处于预设范围内时，表示此时当前充氢管路的氢气流量V1＝Vmax；此时站控系统判断冷却水流量m1是否达到最大冷却水流量mb：
(a)若m1＝mb，则维持当前冷却水流量大小；
(b)若m1<mb，则与情况(A)中出现m1<mb的处理情况一致。
步骤S4中，将充氢管道当前流量V1根据实际情况调整至最佳加氢流量的过程中，20Mpa充氢管路主路减压阀/30Mpa充氢管路主路减压阀的阀门开度的计算公式如下式(3)所示：
当
Figure GDA0003933572320000061
时，
Figure GDA0003933572320000062
当
Figure GDA0003933572320000063
时，
Figure GDA0003933572320000064
式(3)中，c为加氢口节流系数，ρ为管路中氢气密度，Sor()为加氢口面积，k为氢气的比热比；p1为充氢管路压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提出的技术方案具有20MPa和30MPa两种充装压力，采用自动阀门及控制系统实现自动氢气快速充装过程减小运行成本及人工操作失误率，通过站控系统获取长管拖车气瓶和站内管路的氢气参数来计算及调节加氢流量和冷却水出水流量，提升了加氢效率和安全性，采用旁通阀进行水流量调节，避免冷水机组的压缩机频繁启闭从而增大其使用寿命。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统结构示意图；其中：
1：第一冷水机组旁通阀、3：20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀、5：20Mpa充氢管路主路减压阀、7：20Mpa充氢管路的流量计、9：20Mpa充氢管路第一单向阀、11：20Mpa充氢管路自动吹扫阀门、12：20Mpa充氢管路第二单向阀、15：20Mpa充氢管路自动放散阀门、17：20Mpa充氢管路充装软管、2：第二冷水机组旁通阀、4：30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀、6：30Mpa充氢管路主路减压阀、8：30Mpa充氢管路的流量计、10：30Mpa充氢管路第一单向阀、13：30Mpa充氢管路自动吹扫阀门、14：30Mpa充氢管路第二单向阀、16：30Mpa充氢管路自动放散阀门、18：30Mpa充氢管路充装软管；
图2是本发明提供的一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统及方法。请参考图1，图1是本发明系统的结构图；系统包括以下：
第一冷水机组、第一冷水机组对应充氢管路的阀门、20Mpa长管拖车、
第二冷水机组、第二冷水机组对应充氢管路的阀门、30Mpa长管拖车；
其中，第一冷水机组通过第一冷水机组对应充氢管路的阀门与20Mpa长管拖车连接；第二冷水机组通过第二冷水机组对应充氢管路的阀门与30Mpa长管拖车连接；
所述第一冷水机组对应充氢管路的阀门、第二冷水机组对应充氢管路的阀门通过充装站站控系统控制。
第一冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第一冷水机组旁通阀1、20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3、20Mpa充氢管路主路减压阀5、20Mpa充氢管路第一单向阀9、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11、20Mpa充氢管路第二单向阀12、20Mpa充氢管路自动放散阀门15、20Mpa充氢管路充装软管17；
第一冷水机组设置有第一冷水机组旁通阀1，用于控制冷却水流量；
第一冷水机组对应的换热器与20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3的一端连接；20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3的另一端与20Mpa充氢管路主路减压阀5的一端连接；20Mpa充氢管路主路减压阀5的另一端与20Mpa充氢管路的流量计7的一端连接；20Mpa充氢管路的流量计7的另一端与20Mpa充氢管路第一单向阀9的一端连接；20Mpa充氢管路第一单向阀9的另一端与20Mpa充氢管路第二单向阀12的一端、20Mpa充氢管路自动放散阀门15的一端、20Mpa充氢管路充装软管17的一端连接；20Mpa充氢管路第二单向阀12的另一端与20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11的一端连接；20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11的另一端与吹扫气端口连接；20Mpa充氢管路自动放散阀门15的另一端与放散端口连接；20Mpa充氢管路充装软管17的另一端与20Mpa长管拖车连接；20Mpa充氢管路第一单向阀9与20Mpa充氢管路充装软管17之间还设置有压力变送器。
第二冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第二冷水机组旁通阀2、30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4、30Mpa充氢管路主路减压阀6、30Mpa充氢管路第一单向阀10、30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13、30Mpa充氢管路第二单向阀14、30Mpa充氢管路自动放散阀门16、30Mpa充氢管路充装软管18；
第二冷水机组设置有第二冷水机组旁通阀2，用于控制冷却水流量；
第二冷水机组对应的换热器与30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4的一端连接；30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4的另一端与30Mpa充氢管路主路减压阀6的一端连接；30Mpa充氢管路主路减压阀6的另一端与30Mpa充氢管路的流量计8的一端连接；30Mpa充氢管路的流量计8的另一端与30Mpa充氢管路第一单向阀10的一端连接；30Mpa充氢管路第一单向阀10的另一端与30Mpa充氢管路第二单向阀14的一端、30Mpa充氢管路自动放散阀门16的一端、30Mpa充氢管路充装软管18的一端连接；30Mpa充氢管路第二单向阀14的另一端与30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13的一端连接；30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13的另一端与吹扫气端口连接；30Mpa充氢管路自动放散阀门16的另一端与放散端口连接；30Mpa充氢管路充装软管18的另一端与30Mpa长管拖车连接；30Mpa充氢管路第一单向阀10与30Mpa充氢管路充装软管18之间还设置有压力变送器。
在30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4与30Mpa充氢管路主路减压阀6之间、20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3与20Mpa充氢管路主路减压阀5之间设置有过滤器；
20Mpa充氢管路主路减压阀5的另一端与放散端口之间还设置有安全阀；30Mpa充氢管路主路减压阀6的另一端与放散端口之间还设置有安全阀；
请参考图2，图2是本发明方法流程示意图；一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法，应用于一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统，方法采用冷却水流量调节和加氢流量调节结合的方式进行氢气充装。
为方便解释说明，下文中的阀门的开闭状态，不逐一进行交代，可根据描述及相关通路简单推断得出。
本发明方法具体包括以下步骤：
S1：通过站控系统选择20Mpa/30Mpa充氢管路；
S2：氮气自动吹扫置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路通过站控系统，向吹扫气端口通入氮气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13完成充氢管路氮气自动吹扫置换过程；
作为一种实施例，本发明氮气自动吹扫置换过程，具体如下：
当长管拖车进入充装站，将充装软管连接至长管拖车充装口，并确认连接完好，操作站控系统进行氮气置换，站控系统将对充装柱内的压力大小进行判断：
当压力大于0.2bar时，自动打开20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16，开始放散压力；
当充装柱内的压力泄放至0.1bar时，自动关闭20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16，压力放散完毕；
开启20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13，使氮气进入充装柱进行吹扫，当充装柱内的压力达到5bar时，自动关闭充氢管路自动吹扫阀门11/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13；
维持2秒后，自动打开20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16将充装柱内的压力泄放至0.1bar，自动关闭20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16，完成一次自动吹扫过程。
以上过程重复3次，完成氮气置换。
S3：氢气自动置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路，通过站控系统向吹扫气端口通入氢气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门11/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门13完成充氢管路氢气自动吹扫置换过程；
作为一种实施例，氢气自动置换过程具体如下：
开启20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4，氢气进入充装柱进行吹扫置换，当充装柱内的压力达到5bar时，自动关闭20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4；
维持2秒后，自动打开20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16将充装柱内的压力泄放至0.1bar，自动关闭20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16，完成一次氢气置换过程。
以上过程重复3次，完成氢气置换。
S4：氢气快速充装：获取氢气快速充装约束条件，根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量；站控系统根据最佳冷却水流量和最佳氢气流量完成氢气快速充装；
作为一种实施例，步骤S4中，所述氢气快速充装约束条件具体包括：
充氢管路保证储氢瓶不超温最大流量Vmax，其根据长管拖车储氢瓶参数计算获得，如下式：
Figure GDA0003933572320000111
式(1)中，t1为站内管路中氢气的温度；CT为升温系数；t2为长管拖车储氢瓶内氢气的温度；p2为长管拖车储氢瓶内氢气的压力；T表示长管拖车储氢瓶承受温度的设定最大值；
充氢管路最大预设流量V1,max；
充氢管路最大预设流量V1,max对应的氢气预冷温度t1,max；
冷水机组冷却水流量调节范围ma～mb、对应的预冷温度ta和tb、对应的氢气最大流量Va,max和Vb,max。
其中，Vmax是根据式(1)计算获得；ma、mb是已知值；V1,max是充氢管道实际能够达到的最大流量；ta和tb、Va,max和Vb,max可根据ma、mb利用现有公式对应计算得到；
作为一种实施例，步骤S4中根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量，具体分为如下情况：
(A)当长管拖车储氢瓶内氢气压力低于第一预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过低，此时调节氢气流量快速充氢；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1>Vmax时，根据当前冷水机组冷却水流量m1进行进一步判断：
(a)若m1＝mb，则站控系统调节20Mpa充氢管路主路减压阀5/30Mpa充氢管路主路减压阀6，改变充氢管路氢气压力p1，使得当前充氢管路实际氢气流量V1下降至V1＝Vmax；
(b)若m1<mb，则进一步判断tb与t1,max的关系：
(b1)若tb＜t1,max，则由V1,max和t1,max计算出冷却水适宜的出水流量，并利用站控系统通过调节第一冷水机组旁通阀1/第二冷水机组旁通阀2使冷却水出水量保持最佳；最佳出水流量如下式：
Figure GDA0003933572320000121
式(2)中，c水是冷却水的比热容，Δt是冷水机组设定的供回水温差，V1,max是当前充氢管路实际流量；
(b2)若tb>t1,max，则站控系统通过控制第一冷水机组旁通阀1/第二冷水机组旁通阀2将m1调节至mb，再通过调节20Mpa充氢管路主路减压阀5/30Mpa充氢管路主路减压阀6，使V1＝Vb,max；
(B)当长管拖车储氢瓶内氢气压力高于第二预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过高，此时调节充氢流量；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1<Vmax时，根据Vmax和V1,max的关系进一步判断：
(a)若V1,max<Vmax，则站控系统控制20Mpa充氢管路主路减压阀5/30Mpa充氢管路主路减压阀6，使V1＝V1,max，并根据V1,max对应的温度t1,max及式(2)计算此时冷却水的最佳出水量m1’，站控系统利用调节第一冷水机组旁通阀1/第二冷水机组旁通阀2使当前冷却水出水量m1＝m1’；
(b)若V1,max>Vmax，则站控系统选择最佳冷却水流量和氢气流量的方式与情况(A)中V1>Vmax时情况一致。
(C)当长管拖车储氢瓶内氢气压力处于预设范围内时，表示此时当前充氢管路的氢气流量V1＝Vmax；此时站控系统判断冷却水流量m1是否达到最大冷却水流量mb：
(a)若m1＝mb，则维持当前冷却水流量大小；
(b)若m1<mb，则与情况(A)中出现m1<mb的处理情况一致。
作为一种实施例，步骤S4中，将充氢管道当前流量V1根据实际情况调整至最佳加氢流量的过程中，20Mpa充氢管路主路减压阀5/30Mpa充氢管路主路减压阀6的阀门开度的计算公式如下式(3)所示：
当
Figure GDA0003933572320000131
时，
Figure GDA0003933572320000132
当
Figure GDA0003933572320000133
时，
Figure GDA0003933572320000134
式(3)中，c为加氢口节流系数，ρ为管路中氢气密度，Sor为加氢口面积，k为氢气的比热比；p1为充氢管路压力；具体来说，通过式(3)计算出p1，然后调节阀门的开度，使充氢管路压力达到p1即可；式(3)中的V是已知的，即为最佳氢气流量Vmax或V1,max。
S5：充装停止：当长管拖车储氢瓶达到预设的充氢压力20Mpa/30Mpa后，站控系统控制20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4关闭，充装停止。
作为一种实施例，充装停止的具体步骤如下：
当长管拖车气瓶达到系统设定的充装压力20MPa或30MPa后，充装柱20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀3/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀4关闭，充装过程自动停止。充装柱停止充装过程后，首先关闭长管拖车充装口的根部阀，再由控制系统进行自动放散过程，此时20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16自动开启，将充装柱内的压力泄放至0.1bar，再自动关闭20Mpa充氢管路自动放散阀门15/30Mpa充氢管路自动放散阀门16，完成充装结束后的放散过程。
本发明通过自动阀门及控制系统实现长管拖车自动氢气充装减小了运行成本及人工操作导致的失误率，并在充装过程中通过控制系统获取长管拖车气瓶和站内管路的氢气参数来计算及调节加氢流量和冷却水出水流量，在保证加氢安全的前提下，将氢气流量提高至最大，提升了加氢效率。通过冷却水流量调节和加氢流量调节相结合的方式，更能保证加氢过程中的安全性和高效性，采用旁通阀的设计实现流量控制从而达到主动控温的目的，避免频繁通过改变冷水机组从而增大其使用寿命。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本发明的有益效果是：采用自动阀门及控制系统实现自动氢气充装过程减小运行成本及人工操作失误率，通过站控系统获取长管拖车气瓶和站内管路的氢气参数来计算及调节加氢流量和冷却水出水流量，提升了加氢效率和安全性，采用旁通阀进行水流量调节，避免冷水机组的压缩机频繁启闭从而增大其使用寿命。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统，其特征在于：包括：
第一冷水机组、第一冷水机组对应充氢管路的阀门、20Mpa长管拖车、
第二冷水机组、第二冷水机组对应充氢管路的阀门、30Mpa长管拖车；
其中，第一冷水机组通过第一冷水机组对应充氢管路的阀门与20Mpa长管拖车连接；第二冷水机组通过第二冷水机组对应充氢管路的阀门与30Mpa长管拖车连接；
所述第一冷水机组对应充氢管路的阀门、第二冷水机组对应充氢管路的阀门通过充装站站控系统控制；
第一冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第一冷水机组旁通阀(1)、20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(3)、20Mpa充氢管路主路减压阀(5)、20Mpa充氢管路第一单向阀(9)、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门(11)、20Mpa充氢管路第二单向阀(12)、20Mpa充氢管路自动放散阀门(15)、20Mpa充氢管路充装软管(17)；
第一冷水机组设置有第一冷水机组旁通阀(1)，用于控制冷却水流量；
第一冷水机组对应的换热器与20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(3)的一端连接；20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(3)的另一端与20Mpa充氢管路主路减压阀(5)的一端连接；20Mpa充氢管路主路减压阀(5)的另一端与20Mpa充氢管路的流量计(7)的一端连接；20Mpa充氢管路的流量计(7)的另一端与20Mpa充氢管路第一单向阀(9)的一端连接；20Mpa充氢管路第一单向阀(9)的另一端与20Mpa充氢管路第二单向阀(12)的一端、20Mpa充氢管路自动放散阀门(15)的一端、20Mpa充氢管路充装软管(17)的一端连接；20Mpa充氢管路第二单向阀(12)的另一端与20Mpa充氢管路自动吹扫阀门(11)的一端连接；20Mpa充氢管路自动吹扫阀门(11)的另一端与吹扫气端口连接；20Mpa充氢管路自动放散阀门(15)的另一端与放散端口连接；20Mpa充氢管路充装软管(17)的另一端与20Mpa长管拖车连接；20Mpa充氢管路第一单向阀(9)与20Mpa充氢管路充装软管(17)之间还设置有压力变送器；
第二冷水机组对应充氢管路的阀门包括：第二冷水机组旁通阀(2)、30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(4)、30Mpa充氢管路主路减压阀(6)、30Mpa充氢管路第一单向阀(10)、30Mpa充氢管路自动吹扫阀门(13)、30Mpa充氢管路第二单向阀(14)、30Mpa充氢管路自动放散阀门(16)、30Mpa充氢管路充装软管(18)；
第二冷水机组设置有第二冷水机组旁通阀(2)，用于控制冷却水流量；
第二冷水机组对应的换热器与30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(4)的一端连接；30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(4)的另一端与30Mpa充氢管路主路减压阀(6)的一端连接；30Mpa充氢管路主路减压阀(6)的另一端与30Mpa充氢管路的流量计(8)的一端连接；30Mpa充氢管路的流量计(8)的另一端与30Mpa充氢管路第一单向阀(10)的一端连接；30Mpa充氢管路第一单向阀(10)的另一端与30Mpa充氢管路第二单向阀(14)的一端、30Mpa充氢管路自动放散阀门(16)的一端、30Mpa充氢管路充装软管(18)的一端连接；30Mpa充氢管路第二单向阀(14)的另一端与30Mpa充氢管路自动吹扫阀门(13)的一端连接；30Mpa充氢管路自动吹扫阀门(13)的另一端与吹扫气端口连接；30Mpa充氢管路自动放散阀门(16)的另一端与放散端口连接；30Mpa充氢管路充装软管(18)的另一端与30Mpa长管拖车连接；30Mpa充氢管路第一单向阀(10)与30Mpa充氢管路充装软管(18)之间还设置有压力变送器。
2.一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法，应用于如权利要求1所述的一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装系统，其特征在于：采用冷却水流量调节和加氢流量调节结合的方式进行氢气充装，具体包括以下步骤：
S1：通过站控系统选择20Mpa/30Mpa充氢管路；
S2：氮气自动吹扫置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路通过站控系统，向吹扫气端口通入氮气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门(15)/30Mpa充氢管路自动放散阀门(16)、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门(11)/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门(13)完成充氢管路氮气自动吹扫置换过程；
S3：氢气自动置换：根据选择的20Mpa/30Mpa充氢管路，通过站控系统向吹扫气端口通入氢气，并控制20Mpa充氢管路自动放散阀门(15)/30Mpa充氢管路自动放散阀门(16)、20Mpa充氢管路自动吹扫阀门(11)/30Mpa充氢管路自动吹扫阀门(13)完成充氢管路氢气自动吹扫置换过程；
S4：氢气快速充装：获取氢气快速充装约束条件，根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量；站控系统根据最佳冷却水流量和最佳氢气流量完成氢气快速充装；
步骤S4中，所述氢气快速充装约束条件具体包括：
充氢管路满足储氢瓶不超温最大流量Vmax，其根据长管拖车储氢瓶参数计算获得，如下式：
Figure FDA0003933572310000031
式(1)中，t1为站内管路中氢气的温度；CT为升温系数；t2为长管拖车储氢瓶内氢气的温度；p2为长管拖车储氢瓶内氢气的压力；T表示长管拖车储氢瓶承受温度的设定最大值；
充氢管路最大预设流量V1,max；
充氢管路最大预设流量V1,max对应的氢气预冷温度t1,max；
冷水机组冷却水流量调节范围ma～mb、对应的氢气预冷温度ta和tb、对应的氢气最大流量Va,max和Vb,max；
S5：充装停止：当长管拖车储氢瓶达到预设的充氢压力20Mpa/30Mpa后，站控系统控制20Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(3)/30Mpa充氢管路充装柱根部气动阀(4)关闭，充装停止。
3.如权利要求2所述的一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法，其特征在于：步骤S4中根据约束条件，得到氢气快速充装过程的最佳冷却水流量和最佳氢气流量，具体分为如下情况：
(A)当长管拖车储氢瓶内氢气压力低于第一预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过低，此时调节氢气流量快速充氢；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1>Vmax时，根据当前冷水机组冷却水流量m1进行进一步判断：
(a)若m1＝mb，则站控系统调节20Mpa充氢管路主路减压阀(5)/30Mpa充氢管路主路减压阀(6)，改变充氢管路氢气压力p1，使得当前充氢管路实际氢气流量V1下降至V1＝Vmax；
(b)若m1<mb，则进一步判断tb与t1,max的关系：
(b1)若tb＜t1,max，则由V1,max和t1,max计算出冷却水适宜的出水流量，并利用站控系统通过调节第一冷水机组旁通阀(1)/第二冷水机组旁通阀(2)使冷却水出水量保持最佳；最佳出水流量如下式：
Figure FDA0003933572310000041
式(2)中，c水是冷却水的比热容，Δt是冷水机组设定的供回水温差，V1,max是当前充氢管路实际流量；
(b2)若tb>t1,max，则站控系统通过控制第一冷水机组旁通阀(1)/第二冷水机组旁通阀(2)将m1调节至mb，再通过调节20Mpa充氢管路主路减压阀(5)/30Mpa充氢管路主路减压阀(6)，使V1＝Vb,max；
(B)当长管拖车储氢瓶内氢气压力高于第二预设值时，表明长管拖车储氢瓶压力过高，此时调节充氢流量；具体如下：当当前充氢管路实际氢气流量V1<Vmax时，根据Vmax和V1,max的关系进一步判断：
(a)若V1,max<Vmax，则站控系统控制20Mpa充氢管路主路减压阀(5)/30Mpa充氢管路主路减压阀(6)，使V1＝V1,max，并根据V1,max对应的温度t1,max及式(2)计算此时冷却水的最佳出水量m1’，站控系统利用调节第一冷水机组旁通阀(1)/第二冷水机组旁通阀(2)使当前冷却水出水量m1＝m1’；
(b)若V1,max>Vmax，则站控系统选择最佳冷却水流量和氢气流量的方式与情况(A)中V1>Vmax时情况一致；
(C)当长管拖车储氢瓶内氢气压力处于预设范围内时，表示此时当前充氢管路的氢气流量V1＝Vmax；此时站控系统判断冷却水流量m1是否达到最大冷却水流量mb：
(a)若m1＝mb，则维持当前冷却水流量大小；
(b)若m1<mb，则与情况(A)中出现m1<mb的处理情况一致。
4.如权利要求3所述的一种用于长管拖车带自动流量调节的氢气充装方法，其特征在于：步骤S4中，将充氢管道当前流量V1根据实际情况调整至最佳加氢流量的过程中，20Mpa充氢管路主路减压阀(5)/30Mpa充氢管路主路减压阀(6)的阀门开度的计算公式如下式(3)所示：
Figure FDA0003933572310000051
式(3)中，c为加氢口节流系数，ρ为管路中氢气密度，Sor为加氢口面积，k为氢气的比热比；p1为充氢管路压力。
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