CN114777010A - 一种可以控制加氢速率的加氢机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加氢机领域，提供一种可以控制加氢速率的加氢机及控制方法，包括：氢气换热器、氮气柜、第一压力检测单元、质量流量检测单元、温度检测单元、流量调节阀、球阀、第一电磁阀、第二压力检测单元、氢气探测器、PLC控制单元、安全阀、放散单元、第一加氢单元和第二加氢单元。本发明实现根据氢能汽车的储氢瓶状态实时调节加氢速率，使得加氢机对于加氢速率的控制更加自动化和精确化。
Description
技术领域
本发明涉及加氢机领域，尤其涉及一种可以控制加氢速率的加氢机及控制方法。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，车辆只需要加入燃料与氧化剂就可以通过化学反应直接输出电能，驱使车辆运行，现如今氢气作为新能源燃料，它具有高效的燃烧性能，且安全无毒，导热性能、发热值高，能源来源广且可再生利用，在燃料电池领域具有广阔的应用前景。
氢气作为燃料电池车辆的燃料，现如今主要通过储氢瓶储存，需要在各个加氢站中通过专门的加氢机往车辆储氢瓶组内加注氢气，利用加氢站的储氢瓶组内的高压氢气与车辆的储氢瓶内的低压氢气的压力差，将氢气从加氢机加注至车辆的储氢瓶内。高压氢气在加注至储氢瓶内后体积膨胀，由于氢气的压力发生变化，氢气在体积膨胀的过程中会放热，导致储氢瓶内的温度升高，氢气的加注速率越大，储氢瓶的温度上升的越快，而由于储氢瓶的材质等原因，储氢瓶在使用的过程中内部温度不得超过85℃，因此在向储氢瓶内加注氢气的过程中需要控制氢气的加注速率。
现如今的加氢机都是通过控制器预先设定得到合适的针阀开度值，以达到要求合适的加注速率，这种控制方法使得加注效率低，无法根据氢能汽车的储氢瓶状态自动实时调节加氢速率；并且操作人员操作维护不便，控制系统过于复杂，在运行的过程中成本较高。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种可以控制加氢速率的加氢机，包括：氢气换热器、氮气柜、第一压力检测单元、质量流量检测单元、温度检测单元、流量调节阀、球阀、第一电磁阀、第二压力检测单元、氢气探测器、PLC控制单元、安全阀、放散单元、第一加氢单元和第二加氢单元；
氢气换热器与第一压力检测单元和质量流量检测单元连接，质量流量检测单元与温度检测单元连接，温度检测单元与流量调节阀连接，流量调节阀与第一电磁阀和球阀连接，球阀与氮气柜连接；
第一电磁阀与安全阀、第二压力检测单元、第一加氢单元的进气口和第二加氢单元的进气口连接，安全阀与放散单元连接；
放散单元与第一加氢单元的出气口和第二加氢单元的出气口连接；
PLC控制单元与第一压力检测单元、质量流量检测单元、温度检测单元、流量调节阀、第一电磁阀、第二压力检测单元、氢气探测器、第一加氢单元和第二加氢单元均电性连接。
优选的，还包括：针阀和第一过滤器；
氢气换热器与针阀连接，针阀与第一过滤器连接，第一过滤器与第一压力检测单元连接。
优选的，第一加氢单元包括：第一拉断阀、第一金属软管、第二拉断阀、第二金属软管、第一加氢枪、第一红外线通讯模块和单向阀；
第一电磁阀与第一拉断阀连接，第一拉断阀与第一金属软管连接，第一金属软管与第一加氢枪的进气口连接；
第一加氢枪的出气口与第二金属软管连接，第二金属软管与第二拉断阀连接，第二拉断阀与单向阀的进气口连接，单向阀的出气口与放散单元连接；
第一红外线通讯模块固定在第一加氢枪的外表面上，第一红外线通讯模块与PLC控制单元电性连接。
优选的，第二加氢单元包括：第三拉断阀、第三金属软管、第四拉断阀、第四金属软管、第二加氢枪、第二红外线通讯模块、第二过滤器、第二电磁阀和手动阀；
第一电磁阀与第三拉断阀连接，第三拉断阀与第三金属软管连接，第三金属软管与第二加氢枪的进气口连接；
第二加氢枪的出气口与第四金属软管连接，第四金属软管与第四拉断阀连接，第四拉断阀与第二过滤器连接，第二过滤器与第二电磁阀和手动阀连接，第二电磁阀和手动阀均与第一电磁阀连接；
第二红外线通讯模块固定在第二加氢枪的外表面上，第二红外线通讯模块和第二电磁阀均与PLC控制单元电性连接。
一种可以控制加氢速率的加氢机的控制方法，基于上述的可以控制加氢速率的加氢机实现，包括：
S1：氢能汽车与加氢单元连接开始加氢；
S2：PLC控制单元通过红外线通讯模块获取氢能汽车的储氢瓶的最高允许充装压力Pmax，最低允许充装压力Pmin，最高允许工作温度Tmax，以及当地最高环境温度Th和当地最低环境温度Tl；
S3：计算获得第一调节系数m＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Th)，
第二调节系数n＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Tl)；
S4：红外线通讯模块实时接收氢能汽车的储氢瓶在加注氢气时压力和温度数据；
S5：获取储氢瓶第i秒的压力Pi和温度Ti，以及第i+u秒的压力Pi+u和温度Ti+u，计算获得u秒内的压力变化值δP＝Pi+u-Pi和温度的变化值δT＝Ti+u-Ti；
若δP和δT的值均小于n则按照预设速率v逐渐减小加氢速率，若δP和δT的值均大于m则按照预设速率v逐渐增大加氢速率，否则保持当前的加氢速率。
本发明具有以下有益效果：
1、通过计算在设定时间内氢能汽车储氢瓶的压强和温度的变化值的比值与预设值进行比较，实现根据氢能汽车的储氢瓶状态实时调节加氢速率，使得加氢机对于加氢速率的控制更加自动化和精确化；
2、使得氢能汽车储氢瓶内压力与温度的变化值的比值始终处于设定范围之内，氢气的加注速率不会过大从而保证了储氢瓶内温度始终处于规定的范围之内，仅需要比对储氢瓶的压力与温度的变化值的比值即可实现对氢气加注速率的控制，其控制原理简单，可以高效快速的给车辆加氢；
3、通过加氢机内部设置的压力检测单元和温度检测单元实时检测加氢机的工作状态，通过PLC控制单元实时监测和控制，保障加氢机的工作安全。
附图说明
图1为本发明实施例系统结构图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
参照图1，本发明提供一种可以控制加氢速率的加氢机，包括：氢气换热器29、氮气柜30、第一压力检测单元3、质量流量检测单元6、温度检测单元7、流量调节阀8、球阀5、第一电磁阀9、第二压力检测单元28、氢气探测器4、PLC控制单元10、安全阀11、放散单元31、第一加氢单元和第二加氢单元；
氢气换热器29与第一压力检测单元3和质量流量检测单元6连接，质量流量检测单元6与温度检测单元7连接，温度检测单元7与流量调节阀8连接，流量调节阀8与第一电磁阀9和球阀5连接，球阀5与氮气柜30连接；
第一电磁阀9与安全阀11、第二压力检测单元28、第一加氢单元的进气口和第二加氢单元的进气口连接，安全阀11与放散单元31连接；
放散单元31与第一加氢单元的出气口和第二加氢单元的出气口连接；
PLC控制单元10与第一压力检测单元3、质量流量检测单元6、温度检测单元7、流量调节阀8、第一电磁阀9、第二压力检测单元28、氢气探测器4、第一加氢单元和第二加氢单元均电性连接。
具体的，加氢机正常加氢工作时，质量流量检测单元6将加注时的实时质量和累计质量、温度、压力等参数传输到PLC控制单元10实现数据处理与记录；温度检测单元7对其管道内的温度实时监测远传数据至PLC控制单元10；流量调节阀8受PLC控制单元10控制其动作，再经其阀位开度信号反馈至PLC控制单元10，从而形成闭环回路，使PLC控制单元10可以实时掌握流量调节阀8的开度，实时调节开度，已最优化的加氢速率进行给车辆加注，流量调节阀8的开度动作是用纯净氮气做为驱动气源，由氮气柜30提供氮气，在流量调节阀8与氮气柜30之间安装有球阀5，对其维护时控制气源的通断；
第一电磁阀9受PLC控制单元10的控制进行开始加氢和结束加氢；安全阀11的作用是在加注过程时，若管道压力超过设定安全压力值，自动对其管道进行泄压；第二压力检测单元28对其管道压力实时监测远传数据至PLC控制单元10，同时安装有指针式压力表，可进行以压力比对，保证压力检测的准确性；氢气探测器4用于实时监测加氢机内的管道及设备连接处是否有氢气泄露。
本实施例中，还包括：针阀1和第一过滤器2；
氢气换热器29与针阀1连接，针阀1与第一过滤器2连接，第一过滤器2与第一压力检测单元3连接。
具体的，其中氢气是从上游氢气换热器29通过管道输送至加氢机，加氢机入口安装有可手动控制通断气源的针阀1；气源再经过管道连接第一过滤器2，用于过滤加氢机前端管道内杂质，保证加氢机内部及后端设备氢气纯净，可大大降低设备故障频率；第一压力检测单元3对其管道压力实时监测远传数据至PLC控制单元10，同时安装有指针式压力表，可进行以压力比对，保证压力检测的准确性，同时还预留有针阀做用于氢气取样口，可采样氢气对其分析纯度。
本实施例中，第一加氢单元包括：第一拉断阀18、第一金属软管19、第二拉断阀14、第二金属软管15、第一加氢枪16、第一红外线通讯模块17和单向阀12；
第一电磁阀9与第一拉断阀18连接，第一拉断阀18与第一金属软管19连接，第一金属软管19与第一加氢枪16的进气口连接；
第一加氢枪16的出气口与第二金属软管15连接，第二金属软管15与第二拉断阀14连接，第二拉断阀14与单向阀12的进气口连接，单向阀12的出气口与放散单元31连接；
第一红外线通讯模块17固定在第一加氢枪16的外表面上，第一红外线通讯模块17与PLC控制单元10电性连接。
具体的，拉断阀可以有效的防止在加注氢气的过程中车辆突然启动而拉断加氢金属软管带来的氢气泄漏以及危险，避免危险事故发生；红外线通讯模块做为车辆内储氢瓶系统与加氢机的PLC控制单元10的数据传输桥梁，可使PLC控制单元10实时监测车辆储氢瓶的数据；单向阀12可以避免空气回流。
本实施例中，第二加氢单元包括：第三拉断阀20、第三金属软管21、第四拉断阀24、第四金属软管25、第二加氢枪22、第二红外线通讯模块23、第二过滤器13、第二电磁阀27和手动阀26；
第一电磁阀9与第三拉断阀20连接，第三拉断阀20与第三金属软管21连接，第三金属软管21与第二加氢枪22的进气口连接；
第二加氢枪22的出气口与第四金属软管25连接，第四金属软管25与第四拉断阀24连接，第四拉断阀24与第二过滤器13连接，第二过滤器13与第二电磁阀27和手动阀26连接，第二电磁阀27和手动阀26均与第一电磁阀9连接；
第二红外线通讯模块23固定在第二加氢枪22的外表面上，第二红外线通讯模块23和第二电磁阀27均与PLC控制单元10电性连接。
具体的，通过设置第二过滤器13、第二电磁阀27和手动阀26可以避免空气回流，保证管道氢气的纯度。
本发明提供的一种可以控制加氢速率的加氢机的控制方法为：
S1：氢能汽车与加氢单元连接开始加氢；
S2：PLC控制单元10通过红外线通讯模块获取氢能汽车的储氢瓶的最高允许充装压力Pmax，最低允许充装压力Pmin，最高允许工作温度Tmax，以及当地最高环境温度Th和当地最低环境温度Tl；
S3：计算获得第一调节系数m＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Th)，
第二调节系数n＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Tl)；
S4：红外线通讯模块实时接收氢能汽车的储氢瓶在加注氢气时压力和温度数据；
S5：获取储氢瓶第i秒的压力Pi和温度Ti，以及第i+u秒的压力Pi+u和温度Ti+u，计算获得u秒内的压力变化值δP＝Pi+u-Pi和温度的变化值δT＝Ti+u-Ti；
若δP和δT的值均小于n则按照预设速率v逐渐减小加氢速率，若δP和δT的值均大于m则按照预设速率v逐渐增大加氢速率，否则保持当前的加氢速率。
具体的,当温度检测单元7检测到加氢机内氢气的温度超过设定值T1时，暂停加氢操作，氢气流经氢气预冷装置使氢气的温度降至设定值T2以下，T1不小于T2，且-30℃≤T1≤45℃，T2≤20℃；
u的值可根据情况具体设定，优选的设置为5秒；也可设置为3秒、4秒、6秒或7秒；预设速率v的值可根据情况具体设定；加氢速率的最大值为3.6kg/min，最小值为3.0kg/min；在整个加注氢气的过程中储氢瓶内的温度始终保持在规范要求温度85℃以下，缩短了加氢时间且保证了加氢安全。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种可以控制加氢速率的加氢机，其特征在于，包括：氢气换热器(29)、氮气柜(30)、第一压力检测单元(3)、质量流量检测单元(6)、温度检测单元(7)、流量调节阀(8)、球阀(5)、第一电磁阀(9)、第二压力检测单元(28)、氢气探测器(4)、PLC控制单元(10)、安全阀(11)、放散单元(31)、第一加氢单元和第二加氢单元；
氢气换热器(29)与第一压力检测单元(3)和质量流量检测单元(6)连接，质量流量检测单元(6)与温度检测单元(7)连接，温度检测单元(7)与流量调节阀(8)连接，流量调节阀(8)与第一电磁阀(9)和球阀(5)连接，球阀(5)与氮气柜(30)连接；
第一电磁阀(9)与安全阀(11)、第二压力检测单元(28)、第一加氢单元的进气口和第二加氢单元的进气口连接，安全阀(11)与放散单元(31)连接；
放散单元(31)与第一加氢单元的出气口和第二加氢单元的出气口连接；
PLC控制单元(10)与第一压力检测单元(3)、质量流量检测单元(6)、温度检测单元(7)、流量调节阀(8)、第一电磁阀(9)、第二压力检测单元(28)、氢气探测器(4)、第一加氢单元和第二加氢单元均电性连接。
2.根据权利要求1所述的可以控制加氢速率的加氢机，其特征在于，还包括：针阀(1)和第一过滤器(2)；
氢气换热器(29)与针阀(1)连接，针阀(1)与第一过滤器(2)连接，第一过滤器(2)与第一压力检测单元(3)连接。
3.根据权利要求1所述的可以控制加氢速率的加氢机，其特征在于，第一加氢单元包括：第一拉断阀(18)、第一金属软管(19)、第二拉断阀(14)、第二金属软管(15)、第一加氢枪(16)、第一红外线通讯模块(17)和单向阀(12)；
第一电磁阀(9)与第一拉断阀(18)连接，第一拉断阀(18)与第一金属软管(19)连接，第一金属软管(19)与第一加氢枪(16)的进气口连接；
第一加氢枪(16)的出气口与第二金属软管(15)连接，第二金属软管(15)与第二拉断阀(14)连接，第二拉断阀(14)与单向阀(12)的进气口连接，单向阀(12)的出气口与放散单元(31)连接；
第一红外线通讯模块(17)固定在第一加氢枪(16)的外表面上，第一红外线通讯模块(17)与PLC控制单元(10)电性连接。
4.根据权利要求1所述的可以控制加氢速率的加氢机，其特征在于，第二加氢单元包括：第三拉断阀(20)、第三金属软管(21)、第四拉断阀(24)、第四金属软管(25)、第二加氢枪(22)、第二红外线通讯模块(23)、第二过滤器(13)、第二电磁阀(27)和手动阀(26)；
第一电磁阀(9)与第三拉断阀(20)连接，第三拉断阀(20)与第三金属软管(21)连接，第三金属软管(21)与第二加氢枪(22)的进气口连接；
第二加氢枪(22)的出气口与第四金属软管(25)连接，第四金属软管(25)与第四拉断阀(24)连接，第四拉断阀(24)与第二过滤器(13)连接，第二过滤器(13)与第二电磁阀(27)和手动阀(26)连接，第二电磁阀(27)和手动阀(26)均与第一电磁阀(9)连接；
第二红外线通讯模块(23)固定在第二加氢枪(22)的外表面上，第二红外线通讯模块(23)和第二电磁阀(27)均与PLC控制单元(10)电性连接。
5.一种可以控制加氢速率的加氢机的控制方法，基于如权利要求1-4任一项所述的可以控制加氢速率的加氢机实现，其特征在于，包括：
S1：氢能汽车与加氢单元连接开始加氢；
S2：PLC控制单元(10)通过红外线通讯模块获取氢能汽车的储氢瓶的最高允许充装压力Pmax，最低允许充装压力Pmin，最高允许工作温度Tmax，以及当地最高环境温度Th和当地最低环境温度Tl；
S3：计算获得第一调节系数m＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Th)，
第二调节系数n＝(Pmax-Pmin)/(Tmax-Tl)；
S4：红外线通讯模块实时接收氢能汽车的储氢瓶在加注氢气时压力和温度数据；
S5：获取储氢瓶第i秒的压力Pi和温度Ti，以及第i+u秒的压力Pi+u和温度Ti+u，计算获得u秒内的压力变化值δP＝Pi+u-Pi和温度的变化值δT＝Ti+u-Ti；
若δP和δT的值均小于n则按照预设速率v逐渐减小加氢速率，若δP和δT的值均大于m则按照预设速率v逐渐增大加氢速率，否则保持当前的加氢速率。
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2022
- 2022-03-25 CN CN202210299340.3A patent/CN114777010A/zh active Pending
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