CN114992507B - 一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统，本发明涉及加氢站相关领域，包括液氢储罐，两个相同的液氢泵，两级空温式汽化器，中压氢气储氢瓶组，高压氢气储氢瓶组，加氢机，本发明简化了工艺流程和氢气预冷所需设备，节约资源，并具有可实现性，采用空温式汽化器代替需要换热介质的液氢气化方式，防止换热介质凝固在管壁，堵塞换热器甚至造成换热器损坏，本发明低温氢气和常温氢气混合的方式代替液氢气氢混配的预冷方式，缩短热平衡建立时间，工艺模式一可以保证稳定有效地输出预冷氢气，减少下游氢气温度波动，使用两级的汽化器，而不是液氢直接与单一汽化器输出的气氢混合，因为目前市面上没有‑200℃的高压低温氢气调压阀。

Description

一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统
技术领域
本发明涉及加氢站相关领域，具体为一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统。
背景技术
氢能以来源广、能效高、可再生、燃烧产物零污染等优点，正成为世界主要发达经济体和国家能源创新与再工业化的焦点。近年来，美国、日本、中国、韩国、欧盟等都制定了氢能发展战略，大力开发氢能汽车，积极推进加氢站等氢能基础设置的建设。
加氢站在给氢燃料电池车充装氢气过程中，氢气压缩等因素会导致车载气瓶的温度显着升高，气瓶的温度过高(标准规定小于80℃)可能导致安全问题，并对续航里程产生负面影响。此外，升温现象在70MPa加氢站中尤为明显。因此，70MPa加氢站一般都会配备氢气预冷器来实现氢气降温。加氢站设备商一般通过电制冷或者液氮冷却的方式，将70MPa高压氢气冷却至-40℃。在氢气预冷的过程需要消耗大量的能源或者资源。
目前国内的70MPa加氢站以高压气态氢储氢站为主。根据中国氢能与燃料电池产业高峰论坛发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》，其技术路线图指出2020年后，液氢储氢供氢和70MPa高压加氢将得到快速发展。液氢加氢站具有装载量、装卸时间、储蓄压力、占地面积等方面的优势。如果在液氢加氢站中，利用液氢的冷量实现预冷氢气，将可以达到节能减排，减少预冷设备配置的作用。
中国专利CN 110939861 A公开了一种液氢加氢站的输送系统，通过换热介质在蒸发器和冷却器之间循环传递冷量，在蒸发器内与液氢进行热交换使液氢转化为氢气，在冷却器内与所汽化的氢气进行热交换冷却氢气，从而达到减少加氢站能耗的目标。中国专利CN 113701049 A公开了一种液氢加氢站冷量智能回收控制系统及控制方法，通过三个热交换系统和两种换热介质来实现利用液氢的冷量预冷氢气的目的，并设计了一套控制系统。中国专利CN 108561749A公开了一种液氢气氢直接混配的预冷方式。
现有的技术存在以下缺点：
1、现有的液氢加氢站液氢冷量利用技术，均需使用换热介质来进行热量交换。这些换热介质的熔点温度都比液氢气化温度-253℃高，在与液氢换热中会出现介质凝固在管壁，影响换热效率，长时间工作下会堵塞换热器甚至造成换热器损坏。
2、采用液氢气氢混配的方式，会存在换热不彻底，温度调节滞后、失调的风险，并易造成下游的冷脆安全风险。采用换热介质进行预冷，换热介质也需要冷却，会存在热量交换延迟，导致氢气加注时在相当长一段时间内不能达到预冷效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无需预冷器的液氢加氢站，包括液氢储罐，两个相同的液氢泵，两级空温式汽化器，中压氢气储氢瓶组，高压氢气储氢瓶组，加氢机；
所述两级空温式汽化器包括一级空温式高压液氢汽化器，二级空温式高压液氢汽化器；
所述液氢储罐分别与两个所述液氢泵之间通过第一管道连接，两个所述液氢泵与所述一级空温式高压液氢汽化器之间通过第二管道连接，所述一级空温式高压液氢汽化器与所述二级空温式高压液氢汽化器之间通过第三管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器与所述高压氢气储氢瓶组之间通过第四管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器与所述中压氢气储氢瓶组之间通过第五管道连接，所述第三管道与所述加氢机之间连接设有第六管道，所述第四管道与所述第六管道之间连接设有第七管道，所述第五管道与所述第六管道之间连接设有第八管道。
作为优选，所述一级空温式高压液氢汽化器与所述二级空温式高压液氢汽化器之间的第三管道上从左到右依次设有第一温度变送器、安全阀、第一气动阀、第二气动阀。
作为优选，所述二级空温式高压液氢汽化器与所述高压氢气储氢瓶组之间的第四管道上固定设有第二温度变送器，和第四气动阀，所述二级空温式高压液氢汽化器与所述中压氢气储氢瓶组之间的第五管道上固定设有第二温度变送器和第五气动阀。
作为优选，所述第三管道与所述加氢机之间的第六管道上从左到右依次设有第三气动阀,第四温度变送器和第二氢气调压阀。
作为优选，所述第七管道上固定设有第六气动阀,第三温度变送器，和第一氢气调节阀，所述第八管道上固定设有第七气动阀,第三温度变送器和第一氢气调节阀，液氢首先从液氢储罐中流入液氢泵，在液氢泵增压后进入一级空温式高压液氢汽化器，在一级空温式高压液氢汽化器中，液氢将气化相变为气氢并升温至-100℃至-50℃，低温氢气在二级空温式高压液氢汽化器中会进一步地升温至常温，随后保存在高压氢气储氢瓶组和中压氢气储氢瓶组中，氢气的预冷通过两种不同温度地氢气混合完成，即一级液氢汽化器出口的低温氢气和储氢罐中的常温氢气混合，混合时通过两个调压阀调节两者的流量大小，最后实现氢气的预冷，并满足加氢机加注进燃料电池汽车的氢气温度符合标准规范。
一种无需预冷器的液氢加氢系统，包括气动阀顺序控制盘模块A，气动阀顺序控制盘模块B,加氢机模块C及三种模式；
模式一：当氢气开始准备加注时，液氢泵启动，在最开始的几秒钟打开第一气动阀、第二气动阀、第五气动阀，增压后的液氢将气化为氢气并以常温的形式进入中压氢气储氢瓶组，由于在一级空温式高压液氢汽化器中可能存在常温氢气，所以通过一段时间的往中压氢气储氢瓶组充气，把常温氢气排至中压氢气储氢瓶组，待第一温度变送器检测到一级空温式高压液氢汽化器出口的氢气温度＜-50℃时，关闭第二气动阀，打开第三气动阀开始正常的氢气加注。
模式二：关闭第二气动阀，打开第三气动阀，第一氢气调节阀、第二氢气调压阀后氢气开始正常加注，在低压阶段，打开第七气动阀，低温氢气将达到第四温度变送器，中压氢气储氢瓶组中的氢气到第三温度变送器，随后由两个温度变送器，结合压力的数据调整第二氢气调压阀以及第一氢气调节阀的开度，调压阀压力调整后，混合氢气温度保持在-33℃至-40℃之间，并加注进燃料电池汽车，待压力逐步升高后切换至高压阶段，打开高压氢气储氢瓶组出口第六气动阀，关闭第七气动阀，继续加注，直至加注完成。
模式三：氢气加注完成后，关闭第六气动阀，第一氢气调节阀、第二氢气调压阀，判断高压氢气储氢瓶组中氢气压力是否大于最低设定值，如果小于最低设定值则液氢泵继续工作，关闭第三气动阀，打开第二气动阀、第四气动阀向高压氢气储氢瓶组中充入氢气，直至压力符合要求，关闭第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀，一般高压氢气储氢瓶组的补气在晚上无加注车辆时进行，如果加注完成后，高压氢气储氢瓶组中氢气压力正常，打开第二气动阀、第五气动阀，对中压氢气储氢瓶组补气，完成后关闭所有气动阀。
模式四：如果加氢站长时间连续地进行车辆加注，或者加注中间高压氢气储氢瓶组中的氢气压力不够，那么在模式二高压阶段基础上，打开第二气动阀、第四气动阀，关闭高压氢气储氢瓶组瓶阀，低温氢气将分为两路，一路进入二级空温式高压液氢汽化器后变为常温氢气，与另一路的低温氢气直接混合，然后加注。
作为优选，所述气动阀顺序控制盘模块A包括第三管道上的第一气动阀,第二气动阀以及第六管道上的第三气动阀。
作为优选，所述气动阀顺序控制盘模块B包括第四管道上的第四气动阀，第五管道上的第五气动阀，第七管道上的第六气动阀，以及第八管道上的第七气动阀。
作为优选，所述加氢机模块C包括第七第八管道上的第三温度变送器,第一氢气调节阀，第六管道上的第二氢气调压阀，第四温度变送器以及加氢机。
综上所述，本发明有益效果是：
1、本发明简化了工艺流程和氢气预冷所需设备，节约资源，并具有可实现性。
2、本发明采用空温式汽化器代替需要换热介质的液氢气化方式，防止换热介质凝固在管壁，堵塞换热器甚至造成换热器损坏。
3、本发明低温氢气和常温氢气混合的方式代替液氢气氢混配的预冷方式，缩短热平衡建立时间，工艺模式一可以保证稳定有效地输出预冷氢气，减少下游氢气温度波动。
4、使用两级的汽化器，而不是液氢直接与单一汽化器输出的气氢混合，因为目前市面上没有-200℃的高压低温氢气调压阀。经过一级汽化器换热，不仅保护了调压阀，也解决了下游的冷脆安全风险。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一种无需预冷器的液氢加氢站及其加氢系统整体结构示意图；
附图中标记分述如下：1-液氢储罐；2-液氢泵；3-一级空温式高压液氢汽化器；4-二级空温式高压液氢汽化器；5-高压储氢瓶组；6-中压储氢瓶组；7-加氢机；8-第一温度变送器13-第二温度变送器18-第三温度变送器；21-第四温度变送器；9-安全阀；10-第一气动阀11-第二气动阀12-第三气动阀14-第四气动阀15-第五气动阀16第六气动阀17-第七气动阀；19-第一氢气调压阀20-第二氢气调压阀，A-气动阀顺序控制盘模块；B-气动阀顺序控制盘模块；C-加氢机模块。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合图1对本发明进行详细说明，其中，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1视图方向的前后左右上下的方向一致，图1为本发明装置的正视图，图1所示方向与本发明装置正视方向的前后左右上下方向一致。
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种无需预冷器的液氢加氢站，包括液氢储罐1，两个相同的液氢泵2，两级空温式汽化器，中压氢气储氢瓶组6，高压氢气储氢瓶组5，加氢机7；
所述两级空温式汽化器包括一级空温式高压液氢汽化器3，二级空温式高压液氢汽化器4；
所述液氢储罐1分别与两个所述液氢泵2之间通过第一管道连接，两个所述液氢泵2与所述一级空温式高压液氢汽化器3之间通过第二管道连接，所述一级空温式高压液氢汽化器3与所述二级空温式高压液氢汽化器4之间通过第三管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器4与所述高压氢气储氢瓶组5之间通过第四管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器4与所述中压氢气储氢瓶组6之间通过第五管道连接，所述第三管道与所述加氢机7之间连接设有第六管道，所述第四管道与所述第六管道之间连接设有第七管道，所述第五管道与所述第六管道之间连接设有第八管道。
另外，在一个实施例中，所述一级空温式高压液氢汽化器3与所述二级空温式高压液氢汽化器4之间的第三管道上从左到右依次设有第一温度变送器8、安全阀9、第一气动阀10、第二气动阀11。
另外，在一个实施例中，所述二级空温式高压液氢汽化器4与所述高压氢气储氢瓶组5之间的第四管道上固定设有第二温度变送器13，和第四气动阀14，所述二级空温式高压液氢汽化器4与所述中压氢气储氢瓶组6之间的第五管道上固定设有第二温度变送器13和第五气动阀15。
另外，在一个实施例中，所述第三管道与所述加氢机7之间的第六管道上从左到右依次设有第三气动阀12,第四温度变送器21和第二氢气调压阀20。
另外，在一个实施例中，所述第七管道上固定设有第六气动阀16,第三温度变送器18，和第一氢气调节阀19，所述第八管道上固定设有第七气动阀17,第三温度变送器18和第一氢气调节阀19，液氢首先从液氢储罐1中流入液氢泵2，在液氢泵2增压后进入一级空温式高压液氢汽化器3，在一级空温式高压液氢汽化器3中，液氢将气化相变为气氢并升温至-100℃至-50℃，低温氢气在二级空温式高压液氢汽化器中会进一步地升温至常温，随后保存在高压氢气储氢瓶组5和中压氢气储氢瓶组6中，氢气的预冷通过两种不同温度地氢气混合完成，即一级液氢汽化器出口的低温氢气和储氢罐中的常温氢气混合，混合时通过两个调压阀调节两者的流量大小，最后实现氢气的预冷，并满足加氢机加注进燃料电池汽车的氢气温度符合标准规范。
一种无需预冷器的液氢加氢系统，包括气动阀顺序控制盘模块A，气动阀顺序控制盘模块B,加氢机模块C及三种模式；
模式一：当氢气开始准备加注时，液氢泵2启动，在最开始的几秒钟打开第一气动阀10、第二气动阀11、第五气动阀15，增压后的液氢将气化为氢气并以常温的形式进入中压氢气储氢瓶组6，由于在一级空温式高压液氢汽化器3中可能存在常温氢气，所以通过一段时间的往中压氢气储氢瓶组6充气，把常温氢气排至中压氢气储氢瓶组6，待第一温度变送器8检测到一级空温式高压液氢汽化器3出口的氢气温度＜-50℃时，关闭第二气动阀11，打开第三气动阀12开始正常的氢气加注。
模式二：关闭第二气动阀11，打开第三气动阀12，第一氢气调节阀19、第二氢气调压阀20后氢气开始正常加注，在低压阶段，打开第七气动阀17，低温氢气将达到第四温度变送器21，中压氢气储氢瓶组6中的氢气到第三温度变送器18，随后由两个温度变送器，结合压力的数据调整第二氢气调压阀20以及第一氢气调节阀19的开度，调压阀压力调整后，混合氢气温度保持在-33℃至-40℃之间，并加注进燃料电池汽车，待压力逐步升高后切换至高压阶段，打开高压氢气储氢瓶组5出口第六气动阀16，关闭第七气动阀17，继续加注，直至加注完成。
模式三：氢气加注完成后，关闭第六气动阀16，第一氢气调节阀19、第二氢气调压阀20，判断高压氢气储氢瓶组5中氢气压力是否大于最低设定值，如果小于最低设定值则液氢泵2继续工作，关闭第三气动阀12，打开第二气动阀11、第四气动阀14向高压氢气储氢瓶组5中充入氢气，直至压力符合要求，关闭第一气动阀10、第二气动阀11、第三气动阀12、第四气动阀14，一般高压氢气储氢瓶组5的补气在晚上无加注车辆时进行，如果加注完成后，高压氢气储氢瓶组5中氢气压力正常，打开第二气动阀11、第五气动阀15，对中压氢气储氢瓶组6补气，完成后关闭所有气动阀。
模式四：如果加氢站长时间连续地进行车辆加注，或者加注中间高压氢气储氢瓶组5中的氢气压力不够，那么在模式二高压阶段基础上，打开第二气动阀11、第四气动阀14，关闭高压氢气储氢瓶组5瓶阀，低温氢气将分为两路，一路进入二级空温式高压液氢汽化器4后变为常温氢气，与另一路的低温氢气直接混合，然后加注。
另外，在一个实施例中，所述气动阀顺序控制盘模块A包括第三管道上的第一气动阀10,第二气动阀11以及第六管道上的第三气动阀12。
另外，在一个实施例中，所述气动阀顺序控制盘模块B包括第四管道上的第四气动阀14，第五管道上的第五气动阀15，第七管道上的第六气动阀16，以及第八管道上的第七气动阀17。
另外，在一个实施例中，所述加氢机模块C包括第七第八管道上的第三温度变送器18,第一氢气调节阀19，第六管道上的第二氢气调压阀20，第四温度变送器21以及加氢机7。
以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，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 (4)

1.一种无需预冷器的液氢加氢站，包括液氢储罐(1)，两个相同的液氢泵(2)，两级空温式汽化器，中压氢气储氢瓶组(6)，高压氢气储氢瓶组(5)，加氢机(7)，其特征在于：
所述两级空温式汽化器包括一级空温式高压液氢汽化器(3)，二级空温式高压液氢汽化器(4)；
所述液氢储罐(1)分别与两个所述液氢泵(2)之间通过第一管道连接，两个所述液氢泵(2)与所述一级空温式高压液氢汽化器(3)之间通过第二管道连接，所述一级空温式高压液氢汽化器(3)与所述二级空温式高压液氢汽化器(4)之间通过第三管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器(4)与所述高压氢气储氢瓶组(5)之间通过第四管道连接，所述二级空温式高压液氢汽化器(4)与所述中压氢气储氢瓶组(6)之间通过第五管道连接，所述第三管道与所述加氢机(7)之间连接设有第六管道，所述第四管道与所述第六管道之间连接设有第七管道，所述第五管道与所述第六管道之间连接设有第八管道；
所述一级空温式高压液氢汽化器(3)与所述二级空温式高压液氢汽化器(4)之间的第三管道上从左到右依次设有第一温度变送器(8)、安全阀(9)、第一气动阀(10)、第二气动阀(11)；
所述二级空温式高压液氢汽化器(4)与所述高压氢气储氢瓶组(5)之间的第四管道上固定设有第二温度变送器(13)，和第四气动阀(14)，所述二级空温式高压液氢汽化器(4)与所述中压氢气储氢瓶组(6)之间的第五管道上固定设有第二温度变送器(13)和第五气动阀(15)；
所述第三管道与所述加氢机(7)之间的第六管道上从左到右依次设有第三气动阀(12),第四温度变送器(21)和第二氢气调压阀(20)；
所述第七管道上固定设有第六气动阀(16),第三温度变送器(18)，和第一氢气调节阀(19)，所述第八管道上固定设有第七气动阀(17),第三温度变送器(18)和第一氢气调节阀(19)；
还包括气动阀顺序控制盘模块A，气动阀顺序控制盘模块B,加氢机模块C及加注氢气的四种模式；
模式一：当氢气开始准备加注时，液氢泵(2)启动，在最开始的几秒钟打开第一气动阀(10)、第二气动阀(11)、第五气动阀(15)，增压后的液氢将气化为氢气并以常温的形式进入中压氢气储氢瓶组(6)，由于在一级空温式高压液氢汽化器(3)中可能存在常温氢气，所以通过一段时间的往中压氢气储氢瓶组(6)充气，把常温氢气排至中压氢气储氢瓶组(6)，待第一温度变送器(8)检测到一级空温式高压液氢汽化器(3)出口的氢气温度＜-50℃时，关闭第二气动阀(11)，打开第三气动阀(12)开始正常的氢气加注；
模式二：关闭第二气动阀(11)，打开第三气动阀(12)，第一氢气调节阀(19)、第二氢气调压阀(20)后氢气开始正常加注，在低压阶段，打开第七气动阀(17)，低温氢气将达到第四温度变送器(21)，中压氢气储氢瓶组(6)中的氢气到第三温度变送器(18)，随后由两个温度变送器，结合压力的数据调整第二氢气调压阀(20)以及第一氢气调节阀(19)的开度，调压阀压力调整后，混合氢气温度保持在-33℃至-40℃之间，并加注进燃料电池汽车，待压力逐步升高后切换至高压阶段，打开高压氢气储氢瓶组(5)出口第六气动阀(16)，关闭第七气动阀(17)，继续加注，直至加注完成；
模式三：氢气加注完成后，关闭第六气动阀(16)，第一氢气调节阀(19)、第二氢气调压阀(20)，判断高压氢气储氢瓶组(5)中氢气压力是否大于最低设定值，如果小于最低设定值则液氢泵(2)继续工作，关闭第三气动阀(12)，打开第二气动阀(11)、第四气动阀(14)向高压氢气储氢瓶组(5)中充入氢气，直至压力符合要求，关闭第一气动阀(10)、第二气动阀(11)、第三气动阀(12)、第四气动阀(14)，一般高压氢气储氢瓶组(5)的补气在晚上无加注车辆时进行，如果加注完成后，高压氢气储氢瓶组(5)中氢气压力正常，打开第二气动阀(11)、第五气动阀(15)，对中压氢气储氢瓶组(6)补气，完成后关闭所有气动阀；
模式四：如果加氢站长时间连续地进行车辆加注，或者加注中间高压氢气储氢瓶组(5)中的氢气压力不够，那么在模式二高压阶段基础上，打开第二气动阀(11)、第四气动阀(14)，关闭高压氢气储氢瓶组(5)瓶阀，低温氢气将分为两路，一路进入二级空温式高压液氢汽化器(4)后变为常温氢气，与另一路的低温氢气直接混合，然后加注。
2.根据权利要求1所述的一种无需预冷器的液氢加氢站，其特征在于：所述气动阀顺序控制盘模块A包括第三管道上的第一气动阀(10),第二气动阀(11)以及第六管道上的第三气动阀(12)。
3.根据权利要求1所述的一种无需预冷器的液氢加氢站，其特征在于：所述气动阀顺序控制盘模块B包括第四管道上的第四气动阀(14)，第五管道上的第五气动阀(15)，第七管道上的第六气动阀(16)，以及第八管道上的第七气动阀(17)。
4.根据权利要求1所述的一种无需预冷器的液氢加氢站，其特征在于：所述加氢机模块C包括第七第八管道上的第三温度变送器(18),第一氢气调节阀(19)，第六管道上的第二氢气调压阀(20)，第四温度变送器(21)以及加氢机(7)。
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