CN114877249A - 一种70MPa大流量加氢系统 - Google Patents

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陈丽娟
许慎启
何滔
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Abstract

本发明公开了一种70MPa大流量加氢系统，涉及加氢站领域，本发明包括通过管道连接的氢气源、卸气柱、中高压压缩机、储氢瓶组和加氢机，所述加氢机包括主管，以及通过主管依次连接的调节阀组、微通道换热器组、加氢软管组和大流量加氢枪，所述调节阀组包括并联连接的流量调节阀和旁路切断阀，所述微通道换热器组包括至少2个并联的微通道换热器，所述加氢软管组包括至少2个并联的加氢软管，并且每个加氢软管的输入端均设置有拉断阀。本发明采用并联和旁通控制的加氢系统，来实现大流量加注稳定安全的要求，有效克服大流量加注选型的瓶颈和难度，在安全可靠的前提下实现大流量加注。

Description

一种70MPa大流量加氢系统
技术领域
本发明涉及加氢站领域，特别是一种70MPa大流量加氢系统。
背景技术
氢能源是公认的清洁能源，而且氢气热值是常见燃料中最高的，约是石油的3倍和煤炭的4.5倍，因此氢能源汽车在减少空气污染、减少温室气体排放和降低对传统能源的依赖性等方面具有突出的优势。
随着氢燃料电池汽车的逐渐兴起与规模化应用，作为氢燃料电池汽车的配套设施，加氢站的建设目前也在加速进行。根据我国发展燃料电池汽车路线，主要目标是实现交通领域的电气化。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》，2030年我国氢燃料电池汽车的保有量目标为100万辆，燃料电池车类型有重卡、物流车、公交车、乘用车等多种，其中重卡的车常规要求氢气加注量30kg以上，49吨级别重卡70MPa加氢量达到70kg以上，对于常规的加氢站点约2kg/min的加注流量，加注时间需要35min以上，目前使用燃料电池船加氢量要求达到200kg/次，为了减少加氢过程时间，因此可行的解决措施为加氢站必需采取大流量加注方式才能适应大流量氢需求的重卡或船用加注需求。
常规加氢站一般由卸气柱、压缩机、储氢瓶组、顺序控制盘以及加氢机和控制系统等关键模块组成。目前的常规35MPa或70MPa加氢站通常设计平均加注速度约为2kg/min,主要受制于氢用流量调节阀、加氢软管、拉断阀、微通道换热器选型尺寸，大流量加氢的设计选型主要存在如下瓶颈：
(1)当前加氢机组件都太小；
为避免储氢系统和压缩机尺寸过大，从源/储氢系统到车辆瓶的整个H2路径上的压降必须最小化。
(2)有待开发的大型Cv值管阀件；
(3)加氢枪和枪座：当前可用的组件具有较小的CV值，选型和验证使用为关键技术问题，制造不太重、设计压力为96MPa的加氢枪是一项巨大的挑战；
(4)加氢软管：目前可用的软管内径太小，软管为大流量加注的冲刷磨蚀耐受的最薄弱点，成为大流量加注的关键瓶颈，设计不太硬的大内径软管面临巨大挑战；
(5)微通道换热器：高压大流量微通道换热器的选型和设计是避免瓶颈的关键，目前市场上无法选到安全可靠的大流量微通道换热器。
所以，需要提出一种适用于大流量加氢的加氢系统，以满足现有大流量氢需求的重卡或船用加注需求。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种70MPa大流量加氢系统，氢气通过中高压压缩机储存在中压储氢瓶和高压储氢瓶中，作为氢气加注过程的一级和二级加注线，并可实现从中压储氢瓶取气压缩到高压储氢瓶中，充分利用中压储氢瓶中的余气，解决了大流量加注选型的瓶颈和难度的技术问题，在使用原有成熟调节阀、微通道换热器、加氢软管和拉断阀的基础上，采用并联和旁通控制，来实现大流量加注稳定安全的要求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明是一种70MPa大流量加氢系统，包括通过管道连接的氢气源、卸气柱、中高压压缩机、储氢瓶组和加氢机，所述加氢机包括主管，以及通过主管依次连接的调节阀组、微通道换热器组、加氢软管组和大流量加氢枪，所述调节阀组包括并联连接的流量调节阀和旁路切断阀，所述微通道换热器组包括至少2个并联的微通道换热器，所述加氢软管组包括至少2个并联的加氢软管，并且每个加氢软管的输入端均设置有拉断阀，所述中高压压缩机的输出端通过管道与储氢瓶组连接，所述中高压压缩机的输出端与储氢瓶组的输出端均通过管道与主管连接，卸气柱卸载氢气后经过中高压压缩机压缩后存储在储氢瓶组或者直接输送至加氢机加注，储氢瓶组为加氢机提供氢气加注来源。
进一步的，所述中高压压缩机为二级隔膜式压缩机或二级活塞式压缩机，所述中高压压缩机包括通过管道串联连接的中压压缩机和高压压缩机。
进一步的，所述储氢瓶组包括中压储氢瓶和高压储氢瓶，所述中压压缩机的输出端通过第一管道对应连接中压储氢瓶组，所述高压压缩机的输出端通过第二管道对应连接高压储氢瓶，所述中压压缩机输出端和中压储氢瓶输出端还通过第三管道与主管输入端连接，所述高压压缩机输出端和高压储氢瓶输出端还通过第四管道与主管输入端连接。
进一步的，所述第一管道上对应设置第一切断阀，所述第二管道上对应设置第二切断阀，所述第三管道上对应设置第三切断阀，所述第四管道上对应设置第四切断阀，所述中压储氢瓶和高压储氢瓶上还设置有瓶阀，控制氢气输入或输出。
进一步的，所述中压储氢瓶的输出端和中压压缩机的输入端之间还连接有直通管道，并且在直通管道上设置倒瓶切断阀。
进一步的，所述主管上还设置有流量计，并且流量计设置在调节阀组的氢气输入前端。
进一步的，所述主管上还设置有总阀，并且总阀设置在微通道换热器组和拉断阀之间。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明是一种70MPa大流量加氢系统，采用中高压压缩机，灵活实现45MPa和90MPa压力等级的增压需求，可按需求进行选择储存，通过中压储氢瓶和高压储氢瓶进行分级加注，并且在高压储氢瓶的压力低于设定值时，可以通过直通管道或者第一管道抽吸中压储氢瓶中氢气余气进行增压到90MPa，以此保证整站高压储氢瓶的高压维持以确保加注车辆加满，也可实现中压储氢瓶中余气充分应用。
2、本发明是一种70MPa大流量加氢系统，在使用原有成熟调节阀、微通道换热器、加氢软管和拉断阀的基础上，采用并联和旁通控制的加氢系统，来实现大流量加注稳定安全的要求，有效克服大流量加注选型的瓶颈和难度，在安全可靠的前提下实现大流量加注，推动大流量加氢站建设和大吨位级氢燃料电池重卡和船舶的市场蓬勃发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的结构示意图。
附图标号说明：1-氢气源，2-卸气柱，3-中高压压缩机，31-中压压缩机，32-高压压缩机，4-储氢瓶组，41-中压储氢瓶，42-高压储氢瓶，5-第一管道，6-加氢机，60-主管，61-流量调节阀，62-旁路切断阀，63-换热器，64-拉断阀，65-加氢软管，66-大流量加氢枪，67-流量计，68-总阀，7-第二管道，8-第三管道，9-第四管道，10-第一切断阀，11-第二切断阀，12-第三切断阀，13-第四切断阀，14-瓶阀，15-直通管道，16-倒瓶切断阀。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
需要说明的是，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
如图1所示，本发明是一种70MPa大流量加氢系统，包括通过管道连接的氢气源1、卸气柱2、中高压压缩机3、储氢瓶组4和加氢机6，所述加氢机6包括主管60，以及通过主管60依次连接的调节阀组、微通道换热器组、加氢软管组和大流量加氢枪66，所述调节阀组包括并联连接的流量调节阀61和旁路切断阀62，所述微通道换热器组包括至少2个并联的微通道换热器63，所述加氢软管组包括至少2个并联的加氢软管65，并且每个加氢软管的输入端均设置有拉断阀64，所述中高压压缩机3的输出端通过管道与储氢瓶组4连接，所述中高压压缩机3的输出端与储氢瓶组4的输出端均通过管道与主管60连接，卸气柱2卸载氢气后经过中高压压缩机3压缩后存储在储氢瓶组4或者直接输送至加氢机6加注，储氢瓶组4为加氢机6提供氢气加注来源。
优选的，所述主管60上还设置有流量计67，并且流量计67设置在调节阀组的氢气输入前端。
优选的，所述主管60上还设置有总阀68，并且总阀68设置在微通道换热器组和拉断阀64之间。
目前行业高压小Cv值氢用流量调节阀、小口径加氢软管和拉断阀、小负荷微通道热交换器无法匹配大流量氢气加注，而大流量加注方式才能适应大流量氢需求的重卡或船用加注需求，所以本发明针对现有加氢机，充分考虑大流量加注各个压力工况下流量及压降的要求值来设计选型管道尺寸及阀门的Cv流量系数，以此来满足大流量加注流量的要求。
本实施例以大流量氢气加注平均流量≥7.2kg/min为例，在加氢机6中，包括主管60，以及通过主管60依次连接的调节阀组、微通道换热器组、拉断阀组、加氢软管组和大流量加氢枪66，主管60的管径选用3/4in，流量计67选用测量范围0.5～15kg/min；调节阀组包括高压小Cv值的流量调节阀61，其调节范围0.5～7.2kg/min，流量调节阀61并联一个旁路切断阀62，旁路切断阀62采用3/4in，并联分流量≤7.2kg/min；微通道换热器组为微通道换热器63A和微通道换热器63B并联，任一一台微通道换热器63可以对流量为3.6kg/min温度由40℃预冷到-40℃；小口径的拉断阀64A和拉断阀64B并联，拉断阀64A和拉断阀64B采用9/16in；加氢软管组为加氢软管65A和加氢软管65B并联，并且加氢软管65A和加氢软管65B的输入端分别对应设置拉断阀64A和拉断阀64B，拉断阀64A和拉断阀64B采用9/16in，加氢软管65A加氢软管65B采用6mm内通径，加氢软管65A和加氢软管65B并联工装后接一杆TK635-70MPa大通径大流量加氢枪66。氢气经主管60通过旁路切断阀62和流量调节阀61结合的方式调节加注过程的大流量，然后经过微通道换热器63A和微通道换热器63B，对大流量的氢气进行预冷，以满足氢气燃料电池车加注结束时，其车载储氢瓶的瓶内温度不超过85℃，大流量的氢气分成两路小流量氢气，每一路小流量氢气经过拉断阀64和加氢软管65，并联的小口径拉断阀64A和拉断阀64B分别对加氢软管65A和加氢软管65B进行保护，将大流量氢气分成两路小流量，避免大流量氢气对于加氢软管65的重度磨蚀，提高加氢软管65的安全性和使用寿命，最后，两路小流量氢气汇总后经过大流量加氢枪66加注到氢燃料电池车的气瓶中。
在本发明中，大口径的加注氢气的组件，是目前常规70MPa加氢机成熟应用的部件，流量调节阀61并联一个全通径的旁路切断阀，保证基础流量的同时，实现50％的流量控制调节，采用并联多台微通道换热器63实现大流量加注过程氢气有效预冷需求，将两路小口径加氢软管65并联安装汇合后接70MPa大流量加氢枪66，在使用原有成熟调节阀、微通道换热器63、加氢软管65和拉断阀64的基础上，采用并联和旁通控制的创新工艺，来实现大流量加注稳定安全的要求。本工艺有效克服大流量加注选型的瓶颈和难度，在安全可靠的前提下很容易实现大流量加注，组合配置平均加注流量≥7.2kg/min，推动大流量加氢站建设和大吨位级氢燃料电池重卡和船舶的市场蓬勃发展。
实施例二
本实施例是对本发明的进一步说明。
如图1所示，本实施例在实施例一的基础上，在本发明一种优选实施例中，所述中高压压缩机3为二级隔膜式压缩机或二级活塞式压缩机，所述中高压压缩机3包括通过管道串联连接的中压压缩机31和高压压缩机32。
优选的，所述储氢瓶组包括中压储氢瓶41和高压储氢瓶42，所述中压压缩机31的输出端通过第一管道5对应连接中压储氢瓶组41，所述高压压缩机32的输出端通过第二管道7对应连接高压储氢瓶42，所述中压压缩机31输出端和中压储氢瓶41输出端还通过第三管道8与主管60输入端连接，所述高压压缩机32输出端和高压储氢瓶42输出端还通过第四管道9与主管60输入端连接。
优选的，所述第一管道5上对应设置第一切断阀10，所述第二管道7上对应设置第二切断阀11，所述第三管道8上对应设置第三切断阀12，所述第四管道9上对应设置第四切断阀13，所述中压储氢瓶41和高压储氢瓶41上还设置有瓶阀14，控制氢气输入或输出。
优选的，所述中压储氢瓶41的输出端和中压压缩机31的输入端之间还连接有直通管道15，并且在直通管道15上设置倒瓶切断阀16。
在本实施例中，第三管道和第四管道均选用管径为1in，第一切断阀、第二切断阀、第三切断阀和第四切断阀，采用1in”，其Cv流量系数要求≥0.6。
在本实施例中，中压储氢瓶41用于存储45MPa氢气，高压储氢瓶42用于存储90MPa氢气，本发明将20MPa管束车作为氢气源，20MPa管束车的氢气通过中高压压缩机3增压后分别储存在45MPa的中压储氢瓶41和90MPa的高压储氢瓶42中，作为氢气加注过程的一级和二级加注线，对于70MPa大流量加氢，20MPa管束车氢气通过卸气柱2卸气计量，先进入到中高压压缩机3，根据储氢瓶组4增压需求增压到45MPa或90MPa选择储存在45MPa的中压储氢瓶41或90MPa的高压储氢瓶42中，当有燃料电池车加注需求时，大流量加氢机6启动，通过45MPa的中压储氢瓶41和90MPa的高压储氢瓶42对燃料电池车进行分级加注。
当高压储氢瓶42中压力低于设定值72MPa或中压储氢瓶41中压力低于设定值35MPa时，可以启动中高压压缩机3，通过卸气柱2抽吸20MPa管束车1中氢气，先对高压储氢瓶42进行增压，高压储氢瓶42增压到设定的高值90MPa后，切换到中压压缩机32运行，对中压储氢瓶41进行增压，增压到设定值45MPa后，中压压缩机32停止运行。
当90MPa高压储氢瓶42有增压需求而又无20MPa管束车时，可开启高压压缩机42，并开启第二管道7上的第二切断阀11和中压储氢瓶的瓶阀14抽吸中压储氢瓶41中45MPa氢气增压到90MPa，对高压储氢瓶42进行增压储存；当中压储氢瓶41压力低于20MPa时，可开启中压储氢瓶的瓶阀14和直通管道15上的倒瓶切断阀16，同时开启中压压缩机31和高压压缩机32将中压储氢瓶41中氢气余气增压到90MPa，对高压储氢瓶42进行增压储存；以此保证整站高压储氢瓶42的高压维持以确保加注车辆加满。
具体的分级加注过程如下：
当大流量加氢站有氢气加注需求时，首先将45MPa中压储氢瓶41中的压力定义为P1，90MPa高压储氢瓶42中的压力定义为P2，比较P1和燃料电池车车内气瓶的压力差，当压力差＞2MPa，开启45MPa中压储氢瓶41的瓶阀14和第三切断阀12，经过第三管道8与主管60连接，中压储氢瓶41通过加氢机6对燃料电池车气瓶进行第一级加注，当压力差≤2MPa时，关闭45MPa中压储氢瓶41的瓶阀14和第三切断阀12；比较P2与燃料电池车气瓶压力，当P2与燃料电池车气瓶压力差＞2MPa，开启P2对应90MPa高压储氢瓶42的的瓶阀14和第四切断阀13，经过第四管道9与主管60连接，高压储氢瓶42通过加氢机6对燃料电池车气瓶进行第二级加注，直到燃料电池车气瓶压力为70MPa时，加氢机加氢结束。对应加注过程相关的阀门全部关闭；在加注过程，当90MPa高压储氢瓶42的压力P2≤72MPa时，无法将燃料电池车载气瓶加注到70MPa时，可切换到启动中高压压缩机3或单独的高压压缩机42对管束车的氢气或中压储氢瓶的氢气直接增压，通过加氢机直接加注到燃料电池车的气瓶，直到燃料电池车气瓶压力为70MPa，此直充过程中，第二管道7上的第二切断阀11和第四管道9上的第四切断阀13开启，90MPa高压储氢瓶42的瓶阀14关闭。
本发明的中高压压缩机3可选用二级隔膜式压缩机或二级活塞式压缩机，活塞式压缩机可根据大流量加氢站规模选用气驱或液驱式，灵活实现45MPa和90MPa压力等级的增压需求，可按需求进行选择储存，也可通过中高压压缩机3实现45MPa中压储氢瓶41中余气的充分应用。
本发明大流量加氢系统也可使用到35MPa大流量加氢站和35Mpa+70Mpa合建的大流量加氢站中。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种70MPa大流量加氢系统，包括通过管道连接的氢气源(1)、卸气柱(2)、中高压压缩机(3)、储氢瓶组(4)和加氢机(6)，其特征在于：所述加氢机(6)包括主管(60)，以及通过主管(60)依次连接的调节阀组、微通道换热器组、加氢软管组和大流量加氢枪(66)，所述调节阀组包括并联连接的流量调节阀(61)和旁路切断阀(62)，所述微通道换热器组包括至少2个并联的微通道换热器(63)，所述加氢软管组包括至少2个并联的加氢软管(65)，并且每个加氢软管的输入端均设置有拉断阀(64)，所述中高压压缩机(3)的输出端通过管道与储氢瓶组(4)连接，所述中高压压缩机(3)的输出端与储氢瓶组(4)的输出端均通过管道与主管(60)连接，卸气柱(2)卸载氢气后经过中高压压缩机(3)压缩后存储在储氢瓶组(4)或者直接输送至加氢机(6)加注，储氢瓶组(4)为加氢机(6)提供氢气加注来源。
2.根据权利要求1所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述中高压压缩机(3)为二级隔膜式压缩机或二级活塞式压缩机，所述中高压压缩机(3)包括通过管道串联连接的中压压缩机(31)和高压压缩机(32)。
3.根据权利要求2所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述储氢瓶组包括中压储氢瓶(41)和高压储氢瓶(42)，所述中压压缩机(31)的输出端通过第一管道(5)对应连接中压储氢瓶组(41)，所述高压压缩机(32)的输出端通过第二管道(7)对应连接高压储氢瓶(42)，所述中压压缩机(31)输出端和中压储氢瓶(41)输出端还通过第三管道(8)与主管(60)输入端连接，所述高压压缩机(32)输出端和高压储氢瓶(42)输出端还通过第四管道(9)与主管(60)输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述第一管道(5)上对应设置第一切断阀(10)，所述第二管道(7)上对应设置第二切断阀(11)，所述第三管道(8)上对应设置第三切断阀(12)，所述第四管道(9)上对应设置第四切断阀(13)，所述中压储氢瓶(41)和高压储氢瓶(41)上还设置有瓶阀(14)，控制氢气输入或输出。
5.根据权利要求3所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述中压储氢瓶(41)的输出端和中压压缩机(31)的输入端之间还连接有直通管道(15)，并且在直通管道(15)上设置倒瓶切断阀(16)。
6.根据权利要求1所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述主管(60)上还设置有流量计(67)，并且流量计(67)设置在调节阀组的氢气输入前端。
7.根据权利要求1所述的一种70MPa大流量加氢系统，其特征在于：所述主管(60)上还设置有总阀(68)，并且总阀(68)设置在微通道换热器组和拉断阀(64)之间。
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