CN114251595B - 一种混合式加气站及加气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合式加气站，包括：液化燃料单元、气体燃料单元、温度管理系统和加注单元。本发明通过将液化燃料单元和气体燃料单元相结合，将来自液化燃料单元的蒸发的燃料回收至气体燃料单元中，避免了液化燃料的蒸发损耗。本发明还提供了一种混合加气站加气方法，通过在液化燃料单元启动的过程中使用气体燃料单元进行加气操作，克服了现有技术中使用液化燃料单元启动延迟的问题。本发明利用的液化燃料和气体燃料各自的优点，相较于单纯使用气体燃料以达到目标加气容量/能力的加气站，设备尺寸明显减小；相较于单纯使用液化燃料加气，蒸发损耗明显降低，同时避免了使用液化燃料单元启动延迟的问题。

Description

一种混合式加气站及加气方法
技术领域
本发明涉及清洁能源技术领域，具体涉及一种混合式加气站及加气方法。
背景技术
氢燃料汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车，用氢气作为燃料燃烧后的产物为水，不会污染环境，干净卫生。目前，车载氢气高压储气罐技术已经成熟，安全性高，氢燃料加注时间与汽柴油车相当，一般需要在加氢站内进行。
目前加氢站的发展方向主要可以概括为以下几种：
1、压缩气体储存，其中氢气被进一步压缩，并且在冷却和加注给车辆之前，在缓冲/级联储存管中高压储存，这种设计需要一个压缩和制冷系统，但这种系统成本高、能耗大，同时也限制了加氢站进行连续加注的能力，详细的结构可以参见图1；
2、压缩气体储存，其中，氢气在用增压压缩机增压并且通过制冷系统冷却后加注给车辆之前，在缓冲/级联储存管中以中压储存，这种设置与方案1存在着相似的缺陷，详细的结构可以参见图1；
3、液化氢燃料储存，其中液化氢燃料在冷藏和加注给车辆之前在缓冲/级联储存管中蒸发、压缩和高压储存(图2)，这种设计提供了比方案1具有更高的储存能力，因为，相较于气态氢燃料，液化氢燃料具有更高的密度，可以使得液化氢燃料在更小的储罐中储存，然而，液化氢燃料储存的一个缺点是液化氢燃料蒸发损耗，尤其是，当热泄漏到储存罐中时会导致一部分液化氢燃料蒸发，因此，这种气体不适合在没有安装压缩机和其他设备将温度和压力调节到适当水平的情况下作为燃料加注；
4、液化氢燃料储存，其中液化氢燃料在高压下蒸发并使用低温泵加注到车辆上(图2)，这种方法虽然提供了简化设计的可能性，但是并没有解决与蒸发损耗有关的问题，在这种设计中，由于低温泵位于储液罐的外部，因此在低温泵启动之前须预冷，这个过程可能需要15分钟，因此会导致启动补充氢气过程的延迟，当系统已经冷却后，在连续加注的情况下这种延迟时间可以缩短(或消除)。
US 8069885公开了一种移动加氢站，包括液化氢燃料储罐，用于通过泵加注液化氢燃料，或通过蒸发器、压缩机或级联等加注气态氢燃料。该液化氢燃料储罐的顶部蒸发的氢气和级联存储的气体可以用于燃料电池，其中，燃料电池可以为控制系统设备、压缩机和泵提供动力。因此，加氢站可以自主供电，不需外接电源。但是，添加燃料电池会使加氢站的结构更加复杂，增加了资本成本，同时，对于商业规模的加氢站来说，自主供电是不必要的。
US 5243821公开了一种直接驱动往复式设备，其中输入流可以是液体、气体或混合物，包括一个窜气回收系统，一个内部再循环单元来控制流量。窜气通过储罐中的液体冒泡从而减少储罐中的液体分层。蒸汽空间气体的使用减少了排气的损失，并允许在启动过程中使用汽化的气体。虽然，这一过程可回收蒸发气体，但是，由于汽化的气体是经过压缩的，初始流量非常小，对于商业规模的加氢站来说流量太低。
基于目前现有技术中存在的问题，有必要开发一种具有更小的设备尺寸、能够利用蒸发损耗的燃料、可以消除连续充填燃料过程中的启动延迟的商业规模的加气站以克服现有技术中存在的问题。
发明内容
为了解决现有的加气站体积较大、液化燃料利用不充分、启动延迟时间长的问题，本发明提供了一种混合式加气站，以达到减小设备体积、充分利用液化燃料和缩短启动时间的效果。
本发明提供了一种混合式加气站，包括：
-液化燃料单元，包括至少一个液化燃料储存装置、气化装置和第一气体储存子单元，所述液化燃料储存装置与所述第一气体储存子单元之间通过气化装置连接，所述第一气体储存子单元用于储存气化后的燃料；
-气体燃料单元，包括至少一个气体燃料储存装置、加压装置和第二气体储存子单元，所述气体燃料储存与所述第二气体储存子单元之间通过加压装置连接，所述第二气体储存子单元用于储存加压后的气体燃料；
-温度管理系统，包括气体入口和气体出口，所述气体入口分别与所述液化燃料单元和所述气体燃料单元相连接，用于对所述液化燃料单元和所述气体燃料单元输出的气体的温度进行调节；
-加注单元，与所述温度管理系统的气体出口相连，用于加注来自温度管理系统的气体；
其中，将来自液化燃料单元的蒸发损耗回收至气体燃料单元中，优选回收至气体燃料储存装置中，所述蒸发损耗优选包括液化燃料储存装置蒸发损耗的燃料和低温泵预冷过程蒸发的燃料。
需要说明的是，本发明中的蒸发损耗的燃料是指在液化燃料单元中，未经过气化装置气化的、液化燃料单元自然蒸发的燃料。
利用本发明的装置，可以根据车辆添加燃料的需求，加注单元可以选择从液化燃料单元或气体燃料单元获取燃料进行加注。同时，将液化燃料单元蒸发的燃料回收至气体燃料储存装置中，进一步提高液化燃料的利用率。
在一些实施方式中，所述温度管理系统还包括换热器入口和换热器出口，所述换热器入口与所述液化燃料单元相连，所述换热器出口与所述气体燃料单元相连，优选所述换热器出口连接至所述气体燃料储存装置或所述第二气体储存子单元。
在稳定运行期间，可以使用液化燃料储存装置中的液化燃料对温度管理系统进行换热，换热后的液化燃料因为温度的变化被气化，气化后的液化燃料可以循环至气体燃料单元对气体燃料单元进行补气，
在一些实施方式中，所述气体燃料储存装置用于接收来自至少燃料输送或现场生成的气体燃料。
所述液化燃料单元还包括低温加压装置，所述低温加压装置的输入端与液化燃料储存装置的出口相连接，所述低温加压装置的输出端与所述气化装置的入口相连，所述低温加压装置优选为低温泵。
在一些具体的实施方式中，所述第一气体储存子单元选自级联存储管或缓冲储罐中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中，所述第二气体储存子单元选自级联存储管或缓冲储罐中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中，所述温度管理系统为制冷装置，优选为列管式换热器、蛇管换热器、板式换热器中的一种或多种。
在一些具体的实施方式中，所述加注单元包括加气枪，用于给交通运输装置进行加气操作。
在一些具体的实施方式中，所述加压装置为气体压缩机，所述气化装置为蒸发器。
本发明的另一方面提供了一种混合式加气站的加气方法，包括：在液化燃料单元启动的过程中，使用气体燃料单元进行加气，并将来自液化燃料单元的蒸发的燃料回收至气体燃料单元，优选回收至气体燃料储存装置，所述蒸发燃料优选包括液化燃料储存装置蒸发损耗的燃料和低温泵预冷过程蒸发的燃料。
具体的，当液化燃料单元启动时，使用气体燃料单元进行加气操作。此时，液化燃料在加压系统冷却循环的过程中蒸发，蒸发的燃料循环至气体燃料单元储存备用。由此，解决了使用液化燃料的加气站因冷却循环导致的启动延迟，同时也有效地利用了系统启动时的蒸发的燃料。
在一些实施方式中，所述气体燃料单元的加气步骤包括：将气体燃料储存装置中的气体燃料经气体压缩泵加压后通入第二气体储存子单元中用于加气。
具体的，所述气体燃料单元的加气可以直接使用第二气体储存子单元中的气体燃料经换热后输入加注单元进行加注；或，直接将气体燃料储存装置中的气体燃料经加压、换热后输入加注单元进行加注。
在一些实施方式中，所述加气方法还包括：当液化燃料单元启动后，使用气体燃料单元或液化燃料单元进行加气。
在一些实施方式中，所述液化燃料单元的加气步骤包括：将液化燃料储存装置中的液化燃料经低温泵加压后，一部分通入气化装置中气化后，储存在第一气体储存子单元中用于加气，另一部分与温度管理系统换热后循环至气体燃料单元进行补气。
具体的，当液化燃料单元启动后，将第二气体储存子单元中的气体燃料经换热后输入加注单元进行加注；或，将第一气体储存子单元中的气体燃料经换热后输入加注单元进行加注；或，将液化燃料储存装置中的液化燃料经气化、换热后输入加注单元进行加注；或，将气体燃料储存装置中的气体燃料经加压、换热后输入加注单元进行加注。
在一些实施方式中，所述使用来自液化燃料单元的液化燃料对温度管理系统进行冷却。
在一些具体的实施方式中，所述燃料选自氢气、天然气、丙烷或其他常用燃料或燃料衍生物。
与现有技术相比，本发明通过将液化燃料单元和气体燃料单元相结合，在液化燃料单元启动的过程中使用气体燃料单元进行加气操作，克服了现有技术中使用液化燃料单元启动延迟的问题，同时，将液化燃料单元蒸发损耗的燃料回收至气体燃料单元，避免了液化燃料的蒸发损耗。本发明的混合加气站利用的液化燃料和气体燃料各自的优点，相较于使用气体燃料以达到目标加气容量/能力的加气站，设备尺寸明显减小；相较于使用液化燃料加气，蒸发损耗明显降低，同时还消除了与使用低温加压装置的液化燃料单元低温加压相关的启动延迟。
附图说明
通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明公开的范围，其中所包括的附图是：
图1为现有技术的气体燃料加气站的结构示意图；
图2为现有技术的液化燃料加气站的结构示意图；
图3为根据本发明实施例1的混合式加气站的结构示意图；
图4为根据本发明实施例2的混合式加气站的结构示意图；
图5为根据本发明总加注成本(单位：美元/kg)与加气站规模(单位：kg/d)的函数关系图；
图6为根据本发明加气站的总资本成本(美元)与加气站规模(kg/d)的函数关系图。
附图标记说明：
1’-拖车；2’-低压储存罐；3’-气体压缩机；4’-级联管/缓冲储存罐；5’-制冷器；6’-加注器；7’-电解+压缩装置；8’-中间压力储罐；9’-升压压缩机；
1”-液化燃料拖车；2”-蒸发器；3”-气体压缩机；4”-级联管/缓冲储存罐；5”-制冷器；6”-加注器；7”-液化氢燃料储罐；8”-液化燃料低温泵；
1-拖车；2-电解+压缩装置；3-气体燃料储存装置；4-气体压缩机；5-第二气体储存子单元；6-温度管理系统；7-加注单元；8-液化燃料拖车；9-液化燃料储存装置；10-低温加压装置；11-气化装置；12-第一气体储存子单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3、4，本发明实施例提供了一种混合式加气站，包括：
-液化燃料单元，包括液化燃料储存装置9、低温加压装置10、气化装置11和第一气体储存子单元12，所述液化燃料储存装置9的出口分别与所述低温加压装置10的输入端和气体燃料储存装置3相连接，所述低温加压装置10的输出端与所述气化装置11的入口相连接，所述气化装置11的出口与所述第一气体储存子单元12的输入端相连接，所述第一气体储存子单元12的输出端连接至温度管理系统6的气体入口；低温加压装置10为低温泵；
-气体燃料单元，包括气体燃料储存装置3、加压装置4和第二气体储存子单元5，所述气体燃料储存装置3的出口与所述加压装置4的输入端相连接，所述加压装置4的输出端与所述第二气体储存子单元5的入口相连接，所述第二气体储存子单元5的输出端连接至温度管理系统6的气体入口；加压装置4为气体压缩机；
-温度管理系统6，包括换热器入口、换热器出口、气体入口和气体出口，所述气体入口分别与所述液化燃料单元的第一气体储存子单元12和所述气体燃料单元的第二气体储存子单元5相连接，用于对来自液化燃料单元和气体燃料单元的气体的温度进行调节；
-加注单元7，所述温度管理系统6的气体出口与加注单元的输入口相连接，所述加注单元的输出口连接至待加气的交通运输装置。
使用该混合式加气站加气的工艺流程如下，具体地：
当交通运输装置驶入加气站时，加气站液化燃料单元和气体燃料单元同时启动，低温加压装置10开始冷却循环，加压装置4对来自气体燃料储存装置3的气体进行加压，加压后经第二气体储存子单元5进入温度管理系统6进行降温，降温后的气体燃料由加注单元7加注给交通运输装置；待低温加压装置10预冷完成后，液化燃料由液化燃料储存装置9经低温加压装置10加压后，进入气化装置11将液化燃料气化成气体燃料后，储存在第一气体储存子单元12中备用，同时，冷却循环过程中蒸发的燃料回收至气体燃料储存装置3进行补气；当液化燃料单元启动完成后，当交通运输装置驶入加气站时，可以选择将第二气体储存子单元5中的气体燃料经换热后输入加注单元7进行加注；或，将第一气体储存子单元12中的气体燃料经换热后输入加注单元7进行加注；或，将液化燃料储存装置9中的液化燃料经低温加压、气化、换热后输入加注单元7进行加注；或，将气体燃料储存装置3中的气体燃料经加压、换热后输入加注单元7进行加注，由此完成交通运输装置的连续加气操作。当气体燃料储存装置3中燃料储量不足时，可以通过长管拖车1运输、电解+压缩装置2现场电解或通过液化燃料储存装置9中的液化燃料蒸发补充。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
【实施例1】
按照上述方式布置混合式加气站，其中，将低温加压装置10的输出端分别与所述气化装置11的入口和所述温度管理系统6的换热器入口相连通，所述温度管理系统6的换热器出口连接至所述气体燃料储存装置3的入口，利用低温的液化燃料对气体燃料进行换热。加气站使用氢燃料，每天的加气总量为3000kg/d，其中，液化燃料供给量为2700kg/d，气体燃料的供给量为300kg/d，混合式加气站的每千克燃料的加注花费、资本需求和液化燃气的蒸发量的统计见表1。
混合加气站的设计效益可以通过详细的技术经济分析来说明。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(ANL)已开发出此类模型，并已被接受为标准，特别是，加氢站分析模型(HRSAM)考虑了加氢站的规模、车流状态、资本回报率和制造成熟度等因素，并给出了设备布局、资本存量要求和单位加注成本。
图5显示了混合式加气站在3000kg/d以下时的加注成本，其中，浅色线为气体氢燃料，深色线为液化氢燃料。加气站提供H70燃料，车辆每次加气量为5公斤，加气时间为5分钟，停留时间为2分钟。随着加气站规模的增加，需要多达8个喷嘴来满足这些要求。
图6显示了混合式加气站的总资本成本(美元)与加气站规模(kg/d)的函数关系，其中，浅色线为气体氢燃料，深色线为液化氢燃料。
【实施例2】
按照上述方式布置混合式加气站，其中，将低温加压装置10的输出端分别与所述气化装置11的入口和所述温度管理系统6的换热器入口相连通，所述温度管理系统6的换热器出口连接至所述第二气体储存子单元5的入口，利用低温的液化燃料对气体燃料进行换热。
【对比例1】
使用现有技术中的液化氢燃料加气站进行加气操作，如图2所示，加气站每天的加气总量为3000kg/d，液化氢燃料加气站的每千克燃料的加注花费、资本需求和液化燃气蒸发量的统计见表1。
【对比例2】
使用现有技术中的气体氢燃料加气站进行加气操作，如图1所示，加气站每天的加气总量为3000kg/d，液化氢燃料加气站的每千克燃料的加注花费、资本需求和液化燃气蒸发量的统计见表1。
表1
行业经验表明，除了与低温泵预冷相关的蒸发损耗外，液化氢燃料储罐本身每天的蒸发量约为1％。因此，在没有减少蒸发的情况下，纯液化氢燃料站的蒸发损耗至少为30kg/天。在加气站启动过程中会产生额外的液化氢燃料蒸发，具体量会根据加气站的燃料使用状态而变化；加气时间间隔较长的话，加气站会产生较大量的液化氢燃料蒸发。对于车辆以非计划方式到达的LDV应用或加气站时，加气站需要考虑这种“最坏情况”，以确保服务的可靠性。对于纯气体氢燃料加气站，虽然没有燃料蒸发损耗，但单位加注成本和资金投入都要高很多。对于纯液化氢燃料加气站，虽然保持了低资本和低运行成本的优点，但是造成了液化氢燃料的损失。
本发明通过将气体氢燃料加气站与液化氢燃料加气站相结合，将液化氢燃料单元的任何燃料的蒸发，包括储罐自然蒸发损耗及低温泵预冷造成的蒸发，都回收至气体燃料储存装置中，避免了液化氢燃料蒸发带来的损失，同时，当液化氢燃料单元启动时，使用气态氢单元立即加注氢气，避免了液化氢燃料单元启动延迟的情况。同时，相较于纯气体氢燃料加气站，本发明的混合式加气站占地面积更小、成本更低。表中的结果表明，本发明的混合式加气站启动快、连续加气、资金和加注成本合理，无燃料的蒸发浪费。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (12)

1.一种混合式加气站的加气方法，包括：
在液化燃料单元启动的过程中，同时启动气体燃料单元，液化燃料单元的低温加压装置开始冷却循环，然后气体燃料单元的加压装置对来自气体燃料储存装置的气体进行加压，加压后经第二气体储存子单元进入温度管理系统进行降温，降温后的气体燃料由加注单元加注给交通运输装置；待低温加压装置预冷完成后，液化燃料由液化燃料储存装置经低温加压装置加压后，进入气化装置将液化燃料气化成气体燃料后，储存在第一气体储存子单元中备用，解决使用液化燃料的加气站因冷却循环导致的启动延迟，并将来自液化燃料单元的蒸发损耗的燃料回收至气体燃料储存装置中；所述来自液化燃料单元的蒸发损耗的燃料包括液化燃料储存装置蒸发的燃料和低温加压装置预冷过程蒸发的燃料；
采用所述加气方法的混合式加气站，包括：
-液化燃料单元，包括至少一个液化燃料储存装置、气化装置和第一气体储存子单元，所述液化燃料储存装置与所述第一气体储存子单元之间通过气化装置连接，所述第一气体储存子单元用于储存气化后的燃料；
-气体燃料单元，包括至少一个气体燃料储存装置、加压装置和第二气体储存子单元，所述气体燃料储存装置与所述第二气体储存子单元之间通过加压装置连接，所述第二气体储存子单元用于储存加压后的气体燃料；
-温度管理系统，包括气体入口和气体出口，所述气体入口分别与所述液化燃料单元和所述气体燃料单元相连接，用于对所述液化燃料单元和所述气体燃料单元输出的气体的温度进行调节；
-加注单元，与所述温度管理系统的气体出口相连，用于加注来自温度管理系统的气体；
所述液化燃料单元还包括低温加压装置，所述低温加压装置的输入端与液化燃料储存装置的出口相连接，所述低温加压装置的输出端与所述气化装置的入口相连。
2.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述气体燃料单元的加气步骤包括：将气体燃料储存装置中的气体燃料经加压、冷却后进行加气。
3.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述加气方法还包括：当液化燃料单元启动后，使用气体燃料单元或液化燃料单元进行加气。
4.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，使用来自液化燃料单元的液化燃料对温度管理系统进行冷却。
5.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述燃料选自氢气、天然气、丙烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述燃料为氢气。
7.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述温度管理系统还包括换热器入口和换热器出口，所述换热器入口与所述液化燃料单元相连，所述换热器出口与所述气体燃料单元相连。
8.根据权利要求7所述的加气方法，其特征在于，所述换热器出口连接至所述气体燃料储存装置或所述第二气体储存子单元。
9.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述低温加压装置为低温泵。
10.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述第一气体储存子单元和第二气体储存子单元各自独立地选自级联存储管和缓冲储罐。
11.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述温度管理系统为制冷装置；和/或，所述加注单元包括加气枪；和/或，所述加压装置为气体压缩机；和/或，所述气化装置为蒸发器。
12.根据权利要求1所述的加气方法，其特征在于，所述温度管理系统为列管式换热器、蛇管换热器、板式换热器中的一种或多种。
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