CN114893712A - 一种氢气充返系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种氢气充返系统及控制方法，涉及氢气存储和输送技术领域，该氢气充返系统包括缓冲罐、压缩机、循环管路、阀门模组和至少一件集装格；在充氢流程结束后将管道内的氢气输至缓冲罐，避免在设备停机后管道内存有高压氢气而造成隐患，且缓冲罐还可作集气装置来存储氢气。压缩机可将产品氢气的压力升至设定值，便于氢气进行高压输送与存储。集装格既能用以储氢，也能做为供气源进行返氢；在充装管路上预留一定数量的接口，便于根据实际情况灵活的增减集装格的数量。另外设置的检测单元以及阀门模组，可就地显示各个单元的压力值，并将压力值传送至控制系统，控制系统可依据压力进行全自动控制，实现全自动化充氢与返氢流程。

Description

一种氢气充返系统及控制方法
技术领域
本发明涉及氢气存储和输送技术领域，尤其涉及一种氢气充返系统及控制方法。
背景技术
制氢的生产单位一般都设有水电解岗位，主要用于从事特种氢气(氘气)的生产，氢气作为I级安全环保风险点，其在各单位的管理是非常严格的。改进氢气的风险管控措施，有利于提高风险点管理。多数水电解岗位每小时的产气量远大于实际使用量，实际工作中通常将多余的特种氢气进行充装用于后期使用，以减少浪费，节约成本。现有的现场氢气的充装系统往往利用人工手动控制阀门进行充装，整个充装耗时费力，同时不具备返气功能；另外无法对充装过程中的设备的关键参数进行在线监测，安全的自动化充氢。因此，业内急需一种氢气充返系统及控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气充返系统及控制方法，解决背景技术中存在的无法在线监测以及安全的自动化充氢、返氢的技术问题。
本发明提供了一种氢气充返系统，包括缓冲罐、压缩机、循环管路、阀门模组和至少一件集装格；阀门模组包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；循环管路包括充装管路和返气管路；充装管路与返气管路间设有减压阀；
缓冲罐上一侧设有第一进气口和第二进气口；缓冲罐另一侧设有第一出气口和第二出气口；第一进气口连接制氢设备的输氢出口；第一出气口用以连接需氢的第一用户；第二出气口连接压缩机进气口，且第二出气口与压缩机进气口之间设有第一阀门，第一阀门用以控制压缩机进气；压缩机的出气口设有第二阀门，第二阀门用以控制压缩机器出气，第二阀门通过循环管路连通第二进气口；
多件集装格并联于所述充装管路，且集装格与充装管路间设有第三阀门；多件集装格后端的充装管路上设有第二用户接口，第二用户接口与充装管路间设有第四阀门。
进一步地，集装格上设有第一检测单元，第一检测单元用以检测集装格的压力，以确定集装格满载情况。
进一步地，缓冲罐上设有第二检测单元，第二检测单元用以检测缓冲罐的压力，以确定缓冲罐满载情况；压缩机出气口与第二阀门之间设有第三检测单元，第三检测单元用以检测压缩机出气口压力；第二用户接口后端的充装管路上设有第四检测单元，第四检测单元用以检测充装管路的压力。
进一步地，第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元为相同结构；第一检测单元包括并联连接的压力变送器和压力表。
进一步地，第二用户接口的数量为多件，多件第二用户接口并联于充装管路；减压阀门的进气口设有第五阀门，第五阀门用以控制减压阀进气。
进一步地，充装管路上设有置换接口，返气管路上设有排气阀，置换接口位于第二用户接口后端，置换接口上设有第一开关阀门，第一开关阀门用以连接置换气源。
进一步地，循环管路上设有分析接口，分析接口位于第二用户接口后端，分析接口上设有第二开关阀门，第二开关阀门连接分析仪设备，分析仪设备用以分析循环管路的气体纯度。
本发明还提供一种氢气充返系统的控制方法，包括上述氢气充返系统，包括集装格充氢和集装格返氢；
集装格充氢：设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；
集装格返氢：设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作。
进一步地，所述设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；具体包括：
多个集装格当前压力均大于设定的第一压力阈值，表示多个集装格处于“充满”状态，无需充气，此时各个集装格进口处的第三阀门均不会打开；
多个集装格中，有一个集装格的当前压力小于设定的第一压力阈值，则打开其进口处的第三阀门，对该集装格进行充气操作，直至其压力升至设定的第一压力阈值，其进口处的第三阀门关闭，停止充气；
多个集装格中，有多个集装格的当前压力没有达到设定的第一压力阈值，依据各集装格压力由大到小依次充装；直至所有集装格均达到压力上限后，压缩机停止工作，充气流程结束。
进一步地，所述设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作；具体包括：
多个集装格当前的压力均小于设定的第二压力阈值，表示多个集装格均处于“空”的状态，此时不进行返气从流程；
多个集装格中仅存在一个大于第二压力阈值的集装格，则由该集装格进行返气，直至该集装格压力小于等于设定的第二压力阈值，返气流程结束；
多个集装格中存在多个压力大于第二压力阈值的集装格，依据各集装格的压力大小，由小到大依次进行返气，集装格压力降至第二压力阈值时，返气流程结束。
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明的氢气充返系统，设置缓冲罐，在充氢流程结束后将管道内的氢气输至缓冲罐，避免在设备停机后管道内存有高压氢气而造成隐患，亦可用作集气装置来存储氢气。设置压缩机，可将产品氢气的压力升至设定值，便于氢气进行高压输送与存储。设置集装格并在充装管路上预留一定数量的接口，便于根据实际情况灵活的增减集装格的数量；集装格既能用以储氢，也能做为供气源进行返氢。
另外通过设置的检测单元以及阀门模组，可就地显示各个单元的压力值，亦可将各单元的压力值传送至控制系统，控制系统可依据压力进行全自动控制阀门的关闭与开合，实现全自动化充氢与返氢流程，且安全系数高，操作简便。
附图说明
图1为本发明的一种氢气充返系统的结构框图；
其中：1、缓冲罐，2、压缩机，3、第一集装格，4、第二集装格，5、第三集装格，6、第一用户，7、第二用户接口，8、置换接口，9、分析仪接口，10、第一检测单元，11、第二检测单元，12、第三检测单元，13、第三检测单元，QZ1、第一阀门，QZ2、第二阀门，QZ3、第五阀门，QZ4、第三阀门，Q1、第四阀门，J1、第一开关阀门，J2、第二开关阀门，Y1、减压阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本发明的一种氢气充返系统，包括缓冲罐1、压缩机2、循环管路、阀门模组和至少一件集装格；阀门模组包括第一阀门QZ1、第二阀门QZ2、第三阀门QZ4和第四阀门Q1；循环管路包括充装管路和返气管路；充装管路与返气管路间设有减压阀Y1；减压阀可将管道中的氢气压力降至安全压力后，将氢气返回至缓冲罐，确保充氢、返氢过程安全平稳运行。
缓冲罐上一侧设有第一进气口和第二进气口；缓冲罐另一侧设有第一出气口和第二出气口；第一进气口连接制氢设备的输氢出口；第一出气口用以连接需氢的第一用户6；第一用户优选需氢的企业和公司。第二出气口连接压缩机进气口，且第二出气口与压缩机进气口之间设有第一阀门，第一阀门用以控制压缩机进气；压缩机的出气口设有第二阀门，第二阀门用以控制压缩机器出气，第二阀门通过循环管路连通第二进气口；
多件集装格并联于所述充装管路，且集装格与充装管路间设有第三阀门；多件集装格后端的充装管路上设有第二用户接口7，第二用户接口与充装管路间设有第四阀门。本实施例设有三件集装格，分别为第一集装格3、第二集装格4和第三集装格5。
本发明的集装格在充氢流程中用于氢气的储备，在返气流程中，作为氢气储备单元向用户供氢。
集装格上设有第一检测单元10，第一检测单元用以检测集装格的压力，以确定集装格满载情况，并将当前压力及将压力信号传送至控制系统。
缓冲罐上设有第二检测单元11，第二检测单元用以检测缓冲罐的压力，以确定缓冲罐满载情况，并将当前压力及将压力信号传送至控制系统。
压缩机出气口与第二阀门之间设有第三检测单元12，第三检测单元用以检测压缩机出气口压力；第二用户接口后端的充装管路上设有第四检测单元13，第四检测单元用以检测充装管路的压力。
优选的，第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元为相同结构；第一检测单元包括并联连接的压力变送器和压力表。
在缓冲罐、压缩机进出口、集装格、充气管路上设置压力表及压力变送器，可就地显示各个单元的压力值，亦可将各单元的压力值传送至控制系统，系统可依据压力进行全自动控制，安全系数高，操作简便。
第二用户接口的数量为多件，多件第二用户接口并联于充装管路；第二用户接口连接小用户的储气设备如氢气钢瓶等。
减压阀门的进气口设有第五阀门QZ3，第五阀门用以控制减压阀进气。
作为一种可实施方式，充装管路上设有置换接口8，返气管路上设有排气阀，置换接口位于第二用户接口后端，置换接口上设有第一开关阀门J1，第一开关阀门用以连接置换气源。置换气源优选氮气瓶，设备停机后，氮气瓶的氮气通过置换接口置换管路中的氢气，氢气经排气阀排出收集，确保系统的安全性。
作为一种可实施方式，循环管路上设有分析接口9，分析接口位于第二用户接口后端，分析接口上设有第二开关阀门J2，第二开关阀门连接分析仪设备，分析仪设备用以分析循环管路的气体纯度。
第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门为气动阀门，第四阀门为手动阀门，第一开关阀门和第二开关阀门为截止阀。
本发明设置缓冲罐，在充氢流程结束后将管道内的氢气输至缓冲罐，避免在设备停机后管道内存有高压氢气而造成隐患，亦可用作集气装置来存储氢气。设置压缩机，可将产品氢气的压力升至设定值，便于氢气进行高压输送与存储。设置集装格并在充装管路上预留一定数量的接口，便于根据实际情况灵活的增减集装格的数量；集装格既能用以储氢，也能做为供气源进行返氢。
本发明还提供一种氢气充返系统的控制方法，包括上述氢气充返系统，包括集装格充氢和集装格返氢(返气)；
集装格充氢：设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；
集装格返氢：设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作。
进一步地，所述设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；具体包括：
多个集装格当前压力均大于设定的第一压力阈值，表示多个集装格处于“充满”状态，无需充气，此时各个集装格进口处的第三阀门均不会打开；
多个集装格中，有一个集装格的当前压力小于设定的第一压力阈值，则打开其进口处的第三阀门，对该集装格进行充气操作，直至其压力升至设定的第一压力阈值，其进口处的第三阀门关闭，停止充气；
多个集装格中，有多个集装格的当前压力没有达到设定的第一压力阈值，依据各集装格压力由大到小依次充装；直至所有集装格均达到压力上限后，压缩机停止工作，充气流程结束。
进一步地，所述设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作；具体包括：
多个集装格当前的压力均小于设定的第二压力阈值，表示多个集装格均处于“空”的状态，此时不进行返气从流程；
多个集装格中仅存在一个大于第二压力阈值的集装格，则由该集装格进行返气，直至该集装格压力小于等于设定的第二压力阈值，返气流程结束；
多个集装格中存在多个压力大于第二压力阈值的集装格，依据各集装格的压力大小，由小到大依次进行返气，集装格压力降至第二压力阈值时，返气流程结束。
本方案中具体一充氢返氢方式：
如图1所示,设有三个集装格；充氢流程为：水电解设备生成的产品气首先进入缓冲罐中，按下“充氢按钮”后气动球阀QZ1打开，氢气进入氢气压缩机，压缩机自动开启。压缩机将氢气压力升至设定值后气动球阀QZ2自动打开。系统会根据算法将三个集装格当前压力与其设定的第一压力阈值U进行比较，下面分情况说明：
三个集装格当前压力均大于集装格的设定压力，则意味着三个集装格处于“充满”状态，无需充气，此时三个集装格进口处的气动球阀均不会打开。
三个集装格中，有一个集装格的当前压力小于第一压力阈值U，则系统会打开其进口处的气动球阀，对该集装格进行充气操作，直至其压力升至设定上限值，进口处的气动球阀关闭停止充气。
三个集装格中，有2个集装格的压力小于其第一压力阈值U。系统会优先选出压力较大的集装格进行充装直至其压力达到上限。最后对压力较小的集装格进行充装，直至充满。
三个集装格的压力均没有达到第一压力阈值U，此时系统会从三个集装格中选出压力较大的先充装，然后对压力次大的集装格进行充装，最后对压力最小的集装格进行充装，至三个集装格均达到压力上限后，充气流程结束；压缩机停止工作。
为避免充氢结束后管道内存有高压气体，在充气过程结束后，气动球阀QZ3会自动打开，此时管道内的高压氢气会通过管道进入缓冲罐，从而使管道内的氢气压力处于安全压力内。以保证充气过程安全稳定自动运行。
本发明按照由大到小的压力值依次进行充氢，可确保每个集装格均能单独充满氢气，确保集装格氢气数量的准确性。
当用户需要用氢气时，在上位机上选择“返氢”按钮，系统会根据算法将三个集装格当前压力与其设定的第二压力阈值V进行比较，分以下情况进行说明：
三个集装格当前的压力均小于其下限第二压力阈值V，则此时集装格均处于“空”的状态，此时系统不进行返气从流程。
两个集装格压力低于其下限第二压力阈值V，此时系统会选在压力大于下限设定值的集装格进行返气，待该集装格压力降至压力下限设定值时，返气流程结束。
一个集装格压力低于下限第二压力阈值V，其余两个集装格的压力大于集装格下限第二压力阈值，系统会自动从两个集装格中选出压力较小的集装格，该集装格出口处的气动球阀自动打开，氢气开始返回，直至其压力达到下限值时该集装格停止返气，系统会选择另外一个集装格继续返气，直至三个集装格压力均达到其下限设定值。
三个集装格当前压力均大于压力下限第二压力阈值V，此时系统会首先选出压力最小的集装格进行返氢，其次选出压力次小集装格进行返气，最后对剩下的集装格进行返气操作，直至三个集装格内的压力均达到压力下限，此时返气流程结束。
本发明按照由小到大的压力值依次进行返氢，可确保每个集装格均能单独返完氢气，确保集装格氢气数量的准确性。
需要说明的是，本发明还包括控制器，控制器中包含控制系统，控制器与本申请涉及的阀门、压缩机以及检测单元(第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元)连接，控制系统参照现有技术常规设置；以控制整个氢气充返系统的运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢气充返系统，其特征在于，包括缓冲罐、压缩机、循环管路、阀门模组和至少一件集装格；阀门模组包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；循环管路包括充装管路和返气管路；充装管路与返气管路间设有减压阀；
缓冲罐上一侧设有第一进气口和第二进气口；缓冲罐另一侧设有第一出气口和第二出气口；第一进气口连接制氢设备的输氢出口；第一出气口用以连接需氢的第一用户；第二出气口连接压缩机进气口，且第二出气口与压缩机进气口之间设有第一阀门，第一阀门用以控制压缩机进气；压缩机的出气口设有第二阀门，第二阀门用以控制压缩机器出气，第二阀门通过循环管路连通第二进气口；
多件集装格并联于所述充装管路，且集装格与充装管路间设有第三阀门；多件集装格后端的充装管路上设有第二用户接口，第二用户接口与充装管路间设有第四阀门。
2.如权利要求1所述的一种氢气充返系统，其特征在于，集装格上设有第一检测单元，第一检测单元用以检测集装格的压力，以确定集装格满载情况。
3.如权利要求2所述的一种氢气充返系统，其特征在于，缓冲罐上设有第二检测单元，第二检测单元用以检测缓冲罐的压力，以确定缓冲罐满载情况；压缩机出气口与第二阀门之间设有第三检测单元，第三检测单元用以检测压缩机出气口压力；第二用户接口后端的充装管路上设有第四检测单元，第四检测单元用以检测充装管路的压力。
4.如权利要求3所述的一种氢气充返系统，其特征在于，第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元为相同结构；第一检测单元包括并联连接的压力变送器和压力表。
5.如权利要求4所述的一种氢气充返系统，其特征在于，第二用户接口的数量为多件，多件第二用户接口并联于充装管路；减压阀门的进气口设有第五阀门，第五阀门用以控制减压阀进气。
6.如权利要求1-5任意一项所述的氢气充返系统，其特征在于，充装管路上设有置换接口，返气管路上设有排气阀，置换接口位于第二用户接口后端，置换接口上设有第一开关阀门，第一开关阀门用以连接置换气源。
7.如权利要求1-5任意一项所述的氢气充返系统，其特征在于，循环管路上设有分析接口，分析接口位于第二用户接口后端，分析接口上设有第二开关阀门，第二开关阀门连接分析仪设备，分析仪设备用以分析循环管路的气体纯度。
8.一种氢气充返系统的控制方法，包括权利要求1-7任意一项中所述的一种氢气充返系统，其特征在于，包括集装格充氢和集装格返氢；
集装格充氢：设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；
集装格返氢：设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作。
9.根据权利要求8所述的一种氢气充返系统的控制方法，其特征在于，所述设定集装格第一压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地充氢操作；具体包括：
多个集装格当前压力均大于设定的第一压力阈值，表示多个集装格处于“充满”状态，无需充气，此时各个集装格进口处的第三阀门均不会打开；
多个集装格中，有一个集装格的当前压力小于设定的第一压力阈值，则打开其进口处的第三阀门，对该集装格进行充气操作，直至其压力升至设定的第一压力阈值，其进口处的第三阀门关闭，停止充气；
多个集装格中，有多个集装格的当前压力没有达到设定的第一压力阈值，依据各集装格压力由大到小依次充装；直至所有集装格均达到压力上限后，压缩机停止工作，充气流程结束。
10.根据权利要求8所述的一种氢气充返系统的控制方法，其特征在于，所述设定集装格第二压力阈值，依据集装格的第一检测单元检测数据，确定各集装格的满载情况，且依据各集装格的满载情况控制执行相应地返氢操作；具体包括：
多个集装格当前的压力均小于设定的第二压力阈值，表示多个集装格均处于“空”的状态，此时不进行返气从流程；
多个集装格中仅存在一个大于第二压力阈值的集装格，则由该集装格进行返气，直至该集装格压力小于等于设定的第二压力阈值，返气流程结束；
多个集装格中存在多个压力大于第二压力阈值的集装格，依据各集装格的压力大小，由小到大依次进行返气，集装格压力降至第二压力阈值时，返气流程结束。
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