CN114962996A - 一种加氢站氢气质量在线检测控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，涉及加氢站领域，包括通过管道连接的氢气源、压缩机组、储氢装置和加氢机，还包括在线检测单元，在线检测单元分别在氢气源、储氢装置和加氢机设置有1个或者多个采样点，通过采样点采集氢气样本，根据氢气样本来源选择所需检测的杂质项目对氢气样本进行质量检测分析；氢气源、储氢装置和加氢机上还设置有阀门，在线检测单元根据各个采样点的氢气样本质量分析结果联锁控制相应阀门开关以及压缩机组的工作状态。本发明针对氢气来源选择检测杂质项，精准检测，省时省力，对加氢站卸载和充装氢气整个过程进行全方面的氢气质量监测，避免有质量问题的氢气进入下游设备和加氢车辆。
Description
技术领域
本发明涉及加氢站领域，特别是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统。
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，加氢站是给燃料电池汽车提供氢气的燃气站，随着氢能源的发展，加氢站的建设逐步加快。
随着氢能产业的迅速发展，氢气质量检测技术和相关标准的重要性愈发凸显；众所周知，氢气中个别杂质组分对于燃料电池的性能以及寿命有着及其严重的影响，而燃料电池是燃料电池车的核心所在。此外，氢气中的杂质还会损害加氢站的各个关键核心设备，如压缩机、流量计和控制阀等，影响加氢站的稳定可靠运行。因此需要完善氢气质量检测技术，定期并实时检测加氢站的氢气品质，为加氢站的可靠运行，以及燃料电池车辆的性能提供可靠保障。
我国已经发布了GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用氢气》标准中规定了适用于质子交换膜燃料电池车用氢气的品质要求，定义了14种杂质成分有要求范围。但由于氢气中各杂质组分分析技术要求高，价格贵，我国燃料电池车的燃料氢气习惯性的直接采用GB/T3634.2-2011《氢气第二部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》作为质量控制标准，虽然该标准相较于GB/T37244氢气的纯度要求更高，但对影响燃料电池的关键组分却未规定其含量，例如甲酸、甲醛、总卤化物、总硫以及颗粒物浓度都没有规定。加氢站氢气的质量的检测是非常有必要，且具有重要的实际意义，此外，工业制氢的方式多样，不同的制氢方式生产的氢气，其杂质含量和组成液不同，目前工业制氢主要有以下几种方法：
化石燃料制氢：传统的制氢方法，可通过蒸汽重整、氧化重整和自热重整等处理烃类或含碳材料获得；重整产品中除H2外还包括CO、CO2等杂质气体。煤制氢是国内制取工业氢的主流路线，以煤和O2为主要原料，通过气化反应制取粗合成气，通过变换工艺把粗合成气中的水蒸气和CO转化为H2和CO2，变换气再经酸性气体脱除工艺脱除CO2、H2S和羰基硫(COS)等，净化气送至变压吸附(PSA)进行提纯，生产出H2产品；氢气产品中可能的杂质有：H2O、CO、CO2，硫，烃类等。
焦炉气制氢：焦炉气是焦炭生产过程中的副产品，焦炉煤气组成中含H2体积分数55～60％，CH4体积分数23～27％，CO体积分数6～8％等，使用PSA进行变压吸附脱除萘、烃类和硫等杂质，可以将焦炉煤气中的H2提纯，生产出满足燃料电池用的合格H2。氢气产品中可能的杂质有：H2O，CO、CO2，甲烷，硫和烃类等。
氯碱制氢：氯碱行业基本采用离子膜电解路线，副产H2，纯度一般在99％以上，CL2、CO含量较低且无化石燃料中的有机硫和无机硫。氢气产品中可能的杂质有：H2O、CO和CL2。
丙烷脱氢裂解：粗H2的纯度可高达99.8％，而其中O2、H2O、CO和CO2的含量与燃料电池用H2规格较为接近，仅总硫含量超出，只需较小的成本对其净化便可作为燃料电池的稳定氢源使用；氢气产品中可能的杂质有：H2O、CO、CO2，甲烷，硫和烃类等。
甲醇重整制氢：工艺使用甲醇和脱盐水为原料，在220～280℃下催化重整，甲醇的单程转化率可达99％以上，H2的选择性高达99.5％，转化气中除了H2和CO2以外仅有微量CH4和CO，通过变压吸附后可获得纯度为99.999％的H2，CO的体积分数低于0.0005％，氢气产品中可能的杂质有：H2O、CO、CO2和甲烷等。
电解水制氢是一种高清洁、可持续的制氢方式，电解水获得的H2纯度较高，可以直接用于燃料电池汽车，但是目前电解水制氢受制于较高的成本而难以大规模运用，可以利用可再生自然能源制氢，有利于电解水制氢产业的发展；氢气产品中可能的杂质有：H2O、CO、CO2和甲烷等。
针对目前国内外燃料氢的现行产品质量标准GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》和ISO 14687:2019“Hydrogen fuel quality—Productspecification”的需求，需要严格控制燃料氢中14种气体杂质的含量；如果同时检测所有14种杂质，耗时耗力，并且成本高，因此需要提出一种根据氢气的生产来源，有选择性的在线检测氢气的杂质的方法，以降低运行成本。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，分别在氢气源、储氢装置和加氢机设置采样点采集氢气样本，根据氢气样本来源选择所需检测的杂质项目对氢气样本进行质量检测分析，而不必对氢气样本进行全部杂质项目检测，精准检测，省时省力，以解决背景技术中需要同时检测多种杂质导致耗时耗力的问题，同时通过在线检测单元对加氢站卸载和充装氢气整个过程进行全方面的氢气质量监测，避免有质量问题的氢气进入下游设备和加氢车辆，为加氢站的可靠运行，以及燃料电池车辆的性能提供可靠保障。
本发明采用的技术方案如下：
本发明是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，包括通过管道连接的氢气源、压缩机组、储氢装置和加氢机，还包括在线检测单元，
在线检测单元用于实时监测氢气质量，在线检测单元分别在氢气源、储氢装置和加氢机设置有1个或者多个采样点，在线检测单元通过采样点采集氢气样本，根据氢气样本来源选择所需检测的杂质项目对氢气样本进行质量检测分析；
氢气源、储氢装置和加氢机上还设置有阀门，所述在线检测单元与阀门控制连接，在线检测单元根据各个采样点的氢气样本质量分析结果联锁控制相应阀门开关以及压缩机组的工作状态，从而控制氢气卸载或者加注。
进一步的，所述氢气源包括氢气管束车以及卸气柱，氢气管束车用于提供氢气，卸气柱用于卸载氢气管束车上的氢气，所述氢气管束车的氢气输出端通过管道与卸气柱连接，所述卸气柱的输出端通过管道与压缩机组的输入端连接，所述氢气管束车输出端的管道上设置有阀门V1，所述卸气柱上设置有采样点SP01，在线检测单元根据采样点SP01采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V1开关以及压缩机组的工作状态。
进一步的，所述储氢装置包括若干储氢瓶，储氢瓶的输入端通过管道连接压缩机组，储氢瓶的输出端通过管道连接加氢机，压缩机组输出的氢气充装到储氢瓶中，储氢瓶输出氢气加注到加氢机，在储氢瓶的输入输出管道上设置阀门V2和采样点SP02，在线检测单元根据采样点SP02采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2开关以及压缩机组的工作状态。
进一步的，所述加氢机的输入端通过管道连接压缩机组和储氢装置，所述加氢机通过管道以及加氢枪直接输出氢气至氢气燃料电池车，所述加氢机上设置采样点SP03，并在其输出管道上设置有阀门V3，在线检测单元根据采样点SP03采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2、阀门V3开关以及压缩机组的工作状态。
进一步的，主要检测的杂质项目包括H2O、O2、CO、CO2、Ar、He、总卤化物、总硫、烃类、甲烷、甲醛、甲酸、氨和氮气，根据氢气样本来源分为多种检测模式，每种检测模式包括上述一种或者多种杂质项目。
进一步的，所述在线检测单元中设置有对应杂质项目的检测仪器，所述在线检测单元通过检测仪器检测氢气中的杂质项目。
进一步的，所述在线检测单元包括控制处理器、显示器和报警系统，控制处理器控制采样点采集氢气样本并对氢气样本分析处理，当氢气质量不合格时，显示器显示氢气质量问题，报警系统自动报警，控制处理器联锁控制相应阀门关闭和压缩机组停机。
进一步的，还包括有预冷系统，所述预冷系统为冷水机组或换热器，所述预冷系统的输入端与压缩机组的输出端连接，所述预冷系统的输出端直接输出氢气至储氢装置和\或加氢机。
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、本发明是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，分别在氢气源、储氢装置和加氢机这3个单元设置了采样点，采集整个氢气传输过程中3个阶段的氢气样本，对加氢站卸载和充装氢气整个过程进行全方面的氢气质量监测，实时把控氢气质量。
2、本发明是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，针对不同氢气来源，选择不同检测模式检测相应的杂质项目，而不必对氢气样本进行全部杂质项目检测，精准检测，省时省力，降低了加氢站的运行成本。
3、本发明是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，在线检测单元根据采样点采集的氢气样本的浓度和杂质的含量进行质量分析，并联锁控制各个单元运行，能够及时发现氢气质量问题，避免有质量问题的氢气进入下游设备和加氢车辆，为加氢站的可靠运行，以及燃料电池车辆的性能提供可靠保障。
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是本发明的整体结构示意图。
附图标号说明：1-氢气源，11-氢气管束车，12-卸气柱，2-压缩机组，3-储氢装置，4-加氢机，5-在线检测单元，6-预冷系统。
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。
针对目前国内外燃料氢的现行产品质量标准GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》和ISO 14687:2019“Hydrogen fuel quality—Productspecification”的分析检测需求，具体组分见表1。
表1，国内外现行产品质量标准对燃料电池用氢杂质组分的限值要求
实施例一
如图1所示，本发明是一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，包括通过管道连接的氢气源1、压缩机组2、储氢装置3和加氢机4，还包括在线检测单元5，
在线检测单元5用于实时监测氢气质量，在线检测单元5分别在氢气源1、储氢装置3和加氢机4设置有1个或者多个采样点，在线检测单元5通过采样点采集氢气样本，根据氢气样本来源选择所需检测的杂质项目对氢气样本进行质量检测分析；
氢气源1、储氢装置3和加氢机4上还设置有阀门，所述在线检测单元5与阀门控制连接，在线检测单元5根据各个采样点的氢气样本质量分析结果联锁控制相应阀门开关以及压缩机组2的工作状态，从而控制氢气卸载或者加注。
优选的，所述氢气源1包括氢气管束车11以及卸气柱12，氢气管束车11用于提供氢气，卸气柱12用于卸载氢气管束车11上的氢气，所述氢气管束车11的氢气输出端通过管道与卸气柱12连接，所述卸气柱12的输出端通过管道与压缩机组2的输入端连接，所述氢气管束车11输出端的管道上设置有阀门V1，所述卸气柱12上设置有采样点SP01，在线检测单元5根据采样点SP01采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V1开关以及压缩机组2的工作状态。
优选的，所述储氢装置3包括若干储氢瓶，储氢瓶的输入端通过管道连接压缩机组2，储氢瓶的输出端通过管道连接加氢机4，压缩机组2输出的氢气充装到储氢瓶中，储氢瓶输出氢气加注到加氢机4，在储氢瓶的输入输出管道上设置阀门V2和采样点SP02，在线检测单元5根据采样点SP02采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2开关以及压缩机组2的工作状态。
优选的，所述加氢机4的输入端通过管道连接压缩机组2和储氢装置3，所述加氢机4通过管道以及加氢枪直接输出氢气至氢气燃料电池车，所述加氢机4上设置采样点SP03，并在其输出管道上设置有阀门V3，在线检测单元5根据采样点SP03采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2、阀门V3开关以及压缩机组2的工作状态。
优选的，主要检测的杂质项目包括H2O、O2、CO、CO2、Ar、He、总卤化物、总硫、烃类、甲烷、甲醛、甲酸、氨和氮气，根据氢气样本来源分为多种检测模式，每种检测模式包括上述一种或者多种杂质项目。
优选的，所述在线检测单元5中设置有对应杂质项目的检测仪器，所述在线检测单元5通过检测仪器检测氢气中的杂质项目。
不同的氢气来源含有不同的杂质；此外，加氢站在运营的过程中，还会产生一些杂质，例如压缩机液压油、金属颗粒等会污染氢气，因此，本发明根据氢气的来源和氢气在加氢站被污染的可能性，可将氢气的检测模式分为8种模式，具体每个检测模式对应检测的杂质项目如表2所示，
表2，氢气来源检测模式分类
根据上述表2中氢气来源对应检测模式中杂质项目，其对应的检测仪器如表3所示，表3中的检测仪器仅仅是本实施例中的检测仪器，本发明还可以使用其他检测仪器用于检测下列杂质项目，
表3，杂质项目-检测仪器
本发明分别在氢气源1、储氢装置3和加氢机4这个3个单元设置了采样点，采样点可根据需要设置1个或者多个，本实施例在卸气柱12设置了1个采样点SP01，其对应在氢气管束车11的出口设置阀门V1，本实施例有2个氢气管束车11，在每个氢气管束车11的出口均设置有阀门V1；储氢装置3包括若干储氢瓶，本实施例设置了2个储氢瓶，在每个储氢瓶的进出口均设置了采样点SP02和阀门V2；加氢机4上设置一个35Pa氢气加注出口，并在其出口上设置阀门V3，加氢机4内设置采样点SP03，本发明点中的压缩机组2可根据需要设置多个压缩机，本实施例中的压缩机组2设置了2个压缩机。
本实施例中的氢气来源为电解水制氢，通过高压氢气管束车11向加氢站充装的高压氢气，其采样点SP01根据电解水制氢可能产生的杂质，选择表2中的检测模式07，即检测O2和H2O的含量，通过微氧分析仪检测O2在氢气中的含量，通过微水分析仪检测H2O在氢气中的含量，当氢气中杂质O2和H2O其中一种杂质的含量超过表1中规定的氢气杂质限值要求时，在线检测单元5中的报警系统自动报警，并进行联锁控制阀V1关闭和压缩机组2停止运行，氢气管束车11停止向加氢站输运高压氢气；当采样点SP01采集的氢气样本合格时，即O2和H2O的含量未超过表1中规定的限值含量，氢气管束车继续向加氢站充装高压氢气，直到氢气管束车氢气卸载到最低压力。
采样点SP02采集储氢装置3输入输出管道上的氢气样本，采样点SP02采集的氢气为电解水制氢，但由于采样点SP02位于压缩机组2之后，有压缩机液压油渗透到氢气中的可能，因此，因此所需检测的杂质项目包括O2、H2O和烃类，选择检测模式8，除上述分别用于检测O2、H2O微氧分析仪和微水分析仪，还需用于检测烃类的气相色谱仪或傅里叶红外光谱分析仪，通过微氧分析仪检测O2在氢气中的含量，通过微水分析仪检测H2O的含量，通过气相色谱仪或傅里叶红外光谱分析仪检测烃类的含量，当氢气中杂质O2、H2O和烃类其中一种杂质项目的含量超过表1中规定的燃料用氢杂质限值要求时，在线检测单元5中的报警系统自动报警，并进行联锁控制阀门V2关闭和压缩机组2停止运行，停止向储氢装置3充装氢气，同时，阀门V3关闭，加氢机4停止向氢气燃料电池车加注氢气；
采样点SP03采集加氢机4输出氢气样本，采样点SP03同样位于压缩机组2之后，其检测模式和采样点SP02一样，均为检测模式8，检测的杂质项目有O2、H2O和烃类，通过上述仪器分别检测O2、H2O和烃类在氢气中的含量，当其中一种杂质项目的含量超过表1中规定的燃料用氢杂质限值要求时，在线检测单元5中的报警系统自动报警，加氢机4出口的阀门V3关闭，加氢机4自动停机，储氢装置3进出口的阀门V2关闭，同时压缩机组2也停止加注氢气。
本发明还可以根据在线检测单元5对氢气样本的检测结果，对阀门V1、阀门V2和阀门V3手动开关。
本发明分别在氢气源1、储氢装置3和加氢机4这3个单元设置了采样点，采集整个氢气传输过程中3个阶段的氢气样本，针对不同氢气来源，选择不同检测模式检测相应的杂质项目，而不必对氢气样本进行全部杂质项目检测，精准检测，省时省力，降低了加氢站的运行成本。在线检测单元5根据采样点采集的氢气样本的浓度和杂质的含量进行质量分析，并联锁控制各个单元运行，能够及时发现氢气质量问题，避免有质量问题的氢气进入下游设备和加氢车辆，为加氢站的可靠运行，以及燃料电池车辆的性能提供可靠保障。
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，还包括有预冷系统6，所述预冷系统6为冷水机组或换热器，所述预冷系统6的输入端与压缩机组22的输出端连接，所述预冷系统6的输出端直接输出氢气至储氢装置33和\或加氢机4。
在本实施例中，经过压缩机组2压缩后的氢气直接进入预冷系统6，通过冷水机组对高温氢气降为常温，氢气经过降温后对储氢装置3进行充装，储氢装置3包括若干个储氢瓶，可存储中压或者高压氢气，或者直接通过加氢机4加注到氢气燃料电池车，储氢装置3中的氢气也可以经过降压等操作后加注到氢气燃料电池车。
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 (8)
1.一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，包括通过管道连接的氢气源(1)、压缩机组(2)、储氢装置(3)和加氢机(4)，其特征在于：还包括在线检测单元(5)，
在线检测单元(5)用于实时监测氢气质量，在线检测单元(5)分别在氢气源(1)、储氢装置(3)和加氢机(4)设置有1个或者多个采样点，在线检测单元(5)通过采样点采集氢气样本，根据氢气样本来源选择所需检测的杂质项目对氢气样本进行质量检测分析；
氢气源(1)、储氢装置(3)和加氢机(4)上还设置有阀门，所述在线检测单元(5)与阀门控制连接，在线检测单元(5)根据各个采样点的氢气样本质量分析结果联锁控制相应阀门开关以及压缩机组(2)的工作状态，从而控制氢气卸载或者加注。
2.根据权利要求1所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：所述氢气源(1)包括氢气管束车(11)以及卸气柱(12)，氢气管束车(11)用于提供氢气，卸气柱(12)用于卸载氢气管束车(11)上的氢气，所述氢气管束车(11)的氢气输出端通过管道与卸气柱(12)连接，所述卸气柱(12)的输出端通过管道与压缩机组(2)的输入端连接，所述氢气管束车(11)输出端的管道上设置有阀门V1，所述卸气柱(12)上设置有采样点SP01，在线检测单元(5)根据采样点SP01采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V1开关以及压缩机组(2)的工作状态。
3.根据权利要求1所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：所述储氢装置(3)包括若干储氢瓶，储氢瓶的输入端通过管道连接压缩机组(2)，储氢瓶的输出端通过管道连接加氢机(4)，压缩机组(2)输出的氢气充装到储氢瓶中，储氢瓶输出氢气加注到加氢机(4)，在储氢瓶的输入输出管道上设置阀门V2和采样点SP02，在线检测单元(5)根据采样点SP02采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2开关以及压缩机组(2)的工作状态。
4.根据权利要求3所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：所述加氢机(4)的输入端通过管道连接压缩机组(2)和储氢装置(3)，所述加氢机(4)通过管道以及加氢枪直接输出氢气至氢气燃料电池车，所述加氢机(4)上设置采样点SP03，并在其输出管道上设置有阀门V3，在线检测单元(5)根据采样点SP03采集的氢气样本进行质量分析，并根据分析结果控制阀门V2、阀门V3开关以及压缩机组(2)的工作状态。
5.根据权利要求1所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：主要检测的杂质项目包括H2O、O2、CO、CO2、Ar、He、总卤化物、总硫、烃类、甲烷、甲醛、甲酸、氨和氮气，根据氢气样本来源分为多种检测模式，每种检测模式包括上述一种或者多种杂质项目。
6.根据权利要求5所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：所述在线检测单元(5)中设置有对应杂质项目的检测仪器，所述在线检测单元(5)通过检测仪器检测氢气中的杂质项目。
7.根据权利要求1所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：所述在线检测单元(5)包括控制处理器、显示器和报警系统，控制处理器控制采样点采集氢气样本并对氢气样本分析处理，当氢气质量不合格时，显示器显示氢气质量问题，报警系统自动报警，控制处理器联锁控制相应阀门关闭和压缩机组(2)停机。
8.根据权利要求1所述的一种加氢站氢气质量在线检测控制系统，其特征在于：还包括有预冷系统(6)，所述预冷系统(6)为冷水机组或换热器，所述预冷系统(6)的输入端与压缩机组(2)的输出端连接，所述预冷系统(6)的输出端直接输出氢气至储氢装置(3)和\或加氢机(4)。
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