CN218781126U - 双级氢气压缩系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双级氢气压缩系统，通过减压阀及多级缓冲罐，解决现有技术中压缩管路系统压力波动较大的技术问题。其包括压缩管路和放散管路，所述压缩管路包括从上游至下游依次连接的减压阀、入口换热器、入口缓冲罐、入口控制阀、过滤器、一级压缩膜头、中间换热器、中间缓冲罐、二级压缩膜头、出口换热器、出口控制阀、出口缓冲罐、出口单向阀；所述放散管路包括氮气吹扫单元、紧急放散单元、高压放散单元。具有抑制氢气压力波动，安全系数高等优点。

Description

双级氢气压缩系统

技术领域

本申请涉及氢气压缩技术领域，具体涉及一种双级氢气压缩系统。

背景技术

氢能产业链包括三个关键的环节：氢的制取、氢的储运以及氢的应用。其中，氢的储运作为承上启下的环节，面临着技术和经济等方面的问题。制氢环节结束后需远程输送或者直接储存，由于标准状态下氢气的体积能量密度很低，约是汽油的 1/3000，因此，实现氢经济的一个先决条件是在较高的体积能量密度下输送和储存氢气。

高压气态储氢是目前工程化程度最高的储氢技术。高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中，通过增压来提高氢气的容量，满足日常使用，这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式，具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点，是目前占主导地位的储氢方式。

高压气态储氢关键环节在于压缩和储存。压缩过程的关键设备是氢气压缩机。压缩机可以视为一种真空泵，它将系统低压侧的压力降低，并将系统高压侧的压力提高，从而使氢气从低压侧向高压侧流动。目前加氢站普遍采用的单级氢气压缩机橇，排量低，工作效率不高，为解决压缩机排量问题，可用两台普通排量的氢气压缩机橇并联使用，以满足大型加氢站大排量的需求，但此种方式维护成本、用地成本、设备成本较高。

发明人知晓的一种加氢机用压缩加氢装置（CN212298560U）公开了该装置包括带捡漏装置的一级压缩机、带捡漏装置的二级压缩机、电机、第一换热器、第二换热器、缓冲罐、空冷器、水箱、水泵、加氢机、气体管路系统和冷却管路系统，一级压缩机和二级压缩机均由同一电机驱动；即采用双级压缩，降低压缩机膜头的压缩比，依次提高排量，但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

氢气压力波动较大，一方面，对于压缩机入口压力波动，易使得压缩机压缩比超设定值，由此引起压缩机排气温度超温，存在烧坏压缩机气阀等安全隐患；另一方面，对于压缩机出口压力波动，对于经压缩后直接充装使用的场景会造成充装设备工作不稳定。

公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种双级氢气压缩系统，通过减压阀及多级缓冲罐，解决现有技术中压缩管路系统压力波动较大的技术问题。

根据本公开的一个方面，提供一种双级氢气压缩系统，包括压缩管路和放散管路，其特征在于，所述压缩管路包括从上游至下游依次连接的减压阀、入口换热器、入口缓冲罐、入口控制阀、过滤器、一级压缩膜头、中间换热器、中间缓冲罐、二级压缩膜头、出口换热器、出口控制阀、出口缓冲罐、出口单向阀；

所述放散管路包括氮气吹扫单元、紧急放散单元、高压放散单元；

所述氮气吹扫单元包括设于氮气吹扫气源和所述压缩管路减压阀间的入口单向阀、设于所述入口单向阀下游及压缩管路所述出口单向阀下游的手动放散阀；

所述紧急放散单元包括分别设于所述一级压缩膜头和二级压缩膜头前后的安全阀；

所述高压放散单元包括设于压缩管路所述入口控制阀和出口控制阀间的中间控制阀、连接至所述中间控制阀下游管路上且与放散口依次连接的限流孔板、高压放散控制阀和高压放散单向阀。

在本公开的一些实施例中，所述压缩管路与氢气进气口和氢气出气口间分别设有阀门。

在本公开的一些实施例中，所述中间换热器和所述出口换热器前后分别设有用于监测换热前后温度变化的温度变送器。

在本公开的一些实施例中，还包括分别用于监测各缓冲罐前后压力的各压力监测单元，所述压力监测单元包括压力表和压力变送器，且所述压力监测单元通过针阀与系统管路相连。

在本公开的一些实施例中，所述各控制阀为气动阀或电动阀。

在本公开的一些实施例中，还包括分别设于所述一级压缩膜头和二级压缩膜头出口管路的隔热套管。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：

1. 由于在两级压缩膜头前后分别设置了缓冲罐，入口缓冲罐给一级压缩膜头提供了一个压力稳定、气源充分的氢气供给，出口缓冲罐避免了排出氢气的压力波动，以便于为后续设备提供稳定的气体压力输出，有效解决了现有技术中入口压力波动导致压缩机过载以及出口压力波动导致后续设备工作不稳定甚至影响直接加注的问题，保证了整条管线上氢气压力的平稳变化。

2. 由于压缩管路设置了入口换热器、中间换热器，使得氢气温度在进入膜头进行压缩时处于低温状态，进而使同样压强的氢气处于高密度状态，有效增加了氢气的排量；并且低温氢气还可以保护膜头的主要零部件，如气阀、O型圈、膜片等，使其不受高温影响，延长其使用寿命。

3. 气体压缩前首先经过设于压缩管路中的减压阀，该减压阀可使进入压缩设备的氢气压力处于10MPa及其以下压力状态，使得压缩设备排出的氢气压力一直处于额定排气压力值或以下，避免设备排气压力超压超温的可能，提高了安全性。

4. 由于高压放散单元设有限流孔板，在关闭入口控制阀和出口控制阀后进行压缩机高压氢气放散时，可有效减小氢气流通量，缓慢降低管路内压力，避免高压氢气突然释放对管路的冲击以及所造成的周围空气氢气浓度过高的安全隐患。

5. 由于压力监测单元通过针阀与系统管路相连，可在更换压力表或压力变送器时通过针阀断开与管路连接，保证更换安全。

6. 由于一级压缩膜头和二级压缩膜头出口管路部分设有隔热套管，可有效避免维护人员直接接触高温管道，起到了良好的防护作用。

附图说明

图1为本申请一实施例中双级氢气压缩系统的结构示意图。

图2为本申请一实施例中双级氢气压缩系统压缩管路部分结构示意图。

图3为本申请一实施例中双级氢气压缩系统放散管路部分示意图。

图4为本申请一实施例中双级氢气压缩系统高压放散单元放散示意图。

以上各图中，100为减压阀，101为入口换热器，102入口缓冲罐，103为入口控制阀，104为过滤器，105为一级压缩膜头，106为中间换热器，107为中间缓冲罐，108为二级压缩膜头，109为出口换热器，110为出口控制阀，111为出口缓冲罐、112为压缩管路手动球阀，20为氮气吹扫入口单向阀，21为出口单向阀，22为安全阀，23为手动放散阀，24为放散管路手动球阀，30为中间控制阀，31为限流孔板，32为高压放散控制阀，33为高压放散单向阀，4为隔热套管，5为针阀，6为温度变送器，A为氢气压缩机，B为压力监测单元，C为高压放散单元。

具体实施方式

在本申请的描述中，本申请所涉及“一级”、“二级”等是用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所涉及“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

以下实施例中所涉及的单元模块或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。

为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本例公开一种双级氢气压缩系统，参见图1，其包括压缩管路和放散管路。

压缩管路参见图2，包括从上游至下游依次连接的减压阀100、入口换热器101、入口缓冲罐102、入口控制阀103、过滤器104、一级压缩膜头105、中间换热器106、中间缓冲罐107、二级压缩膜头108、出口换热器109、出口控制阀110、出口缓冲罐111、出口单向阀21，氢气气源依次经由上述管路部件进行两级增加。

氢气气源进口与压缩管路间设有一手动球阀112，氢气排气口与压缩管路间亦设有一手工球阀112，通过旋拧两球阀，可控制压缩管路的导通与闭合，由此形成氢气压缩通路或者氮气吹扫放散通路。

由于普通的单级氢气压缩机排量低且工作效率较低，且并联两台普通氢气压缩机使用虽可提高排量，但会造成机橇体积增大，维护成本、用地成本以及设备投入成本大大增加。因此，本实施例采用单体双级氢气压缩机，该压缩机由电机驱动曲轴箱，设在中间的曲轴箱进而带动分设两侧的膜头，相比于普通的单级氢气压缩机的曲轴箱只带动一个膜头进行工作，在同样的功率下，压缩比降低，进而排量便会升高，由此提升了排量。例如，在本实施例中，利用氢气压缩机将氢气从5-20Mpa增压至45Mpa，普通单膜头氢气压缩机的排量为500kg/12h，而双膜头的排量为1000kg/12h，由于排量大必然导致其驱动电机功率较大，即可理解为双膜头压缩机的功率是单膜头压缩机功率的两倍，由此平均下来则每个膜头分担的功率便和单膜头压缩机消耗功率基本相等，但是单膜头压缩机需要将从5-20Mpa直接增压至45Mpa，而双膜头氢气压缩机通过两膜头接力加压，每个膜头加压约为额定排气压力的一半。因此，在双膜头压缩机每个膜头消耗功率与单膜头压缩机消耗功率接近的情况下，由于双模头每个膜头相比于单膜头压缩机所需加压需求只有单膜头的一半左右，即每个压缩膜头的压缩比小，使得每个膜头的排量由此升高，进而从整体上使得分级压缩的双级氢气压缩机相较于单膜头压缩机，在其每个膜头与单膜头在同样功率的情况下，排量整体上有较大程度的提升。参见图2，双级氢气压缩机A包括一级压缩膜头105和二级压缩膜头108，两压缩膜头由同一曲轴箱驱动。

氢气气源进行卸气时，长管拖车内部氢气气压并非一固定值，初始卸气阶段，氢气气压可能较高，因此会造成较高压氢气经由氢气压缩机A两级加压后排出气压超过额定排气压力值，为避免超压氢气由于过压超温烧毁压缩机气阀或对后续设备工作安全性造成影响，参见图2，在压缩管路的气源入口处设有减压阀100，通过该减压阀100使得进入设备的氢气压力处于10MPa及其以下压力状态，确保设备排出的氢气压力一直处于额定排气压力值或以下，避免设备排气压力超压超温，由此提高压缩系统的安全性。

氢气气源经减压阀100限定压力后，氢气气源依次经由入口换热器101、入口缓冲罐102、入口控制阀103、过滤器104、一级压缩膜头105、中间换热器106、中间缓冲罐107、二级压缩膜头108、出口换热器109、出口控制阀110、出口缓冲罐111、出口单向阀21后至氢气排出口。

其中，入口换热器101用于氢气进入压缩机进行压缩前冷却氢气，中间换热器106用于经一级压缩后的氢气进入二级压缩前的冷却降温，由此保证氢气温度在进入膜头进行压缩时一直处于低温状态，进而使得同样压强条件下氢气处于高密度状态，经此有效增加氢气的排量，此外，低温氢气还可以保护膜头的主要零部件，如气阀、O型圈、膜片等，降低其受高温的影响，延长其使用寿命。出口换热器109用于经两级压缩后的氢气的冷却降温，由于氢气经由两级压缩，密度变小，分子间摩擦导致氢气温度升高，为保证设备及使用存储的安全，通过出口换热器对压缩后的空气再次进行降温冷却，使其回落至安全区间范围内。

由于氢气气源在卸气、一级压缩、二级压缩等过程中压力会产生波动，进而影响系统工作的稳定和安全，因此在本实施例中，设有入口缓冲罐102、中间缓冲罐107、出口缓冲罐111，通过设在压缩机前、两级膜头间、压缩机后的缓冲罐，充分稳定入口气源气压、一级压缩后氢气气压、二级压缩后氢气气压，以保证给膜头提供压力稳定、气源充分的氢气供给，并依靠出口缓冲罐避免排出氢气的压力波动，确保给后续设备提供稳定的气体压力输出。

过滤器104设在压缩机一级压缩膜头入口处，用于净化氢气气源，过滤氢气气源中的杂质，避免杂质对压缩机工作及氢气纯净度的影响。

在本实施例中，参见图2，双级氢气压缩机管路前后还设有入口控制阀103和出口控制阀110，两控制阀具体为气动阀，用于接通或断开双级氢气压缩机与管路的连接，便于压缩机内高压氢气的放散。

此外，还包括分别用于监测各缓冲罐前后压力的各压力监测单元B，参见图2，所述压力监测单元包括压力表PI和压力变送器PT，且压力监测单元通过针阀5与系统管路相连，当压力表或者压力变送器出现故障需要维修更换时，可通过关闭对应的针阀断开该压力监测单元与管路间的连接，避免发生氢气泄漏事故。各压力监测单元分别用于监测管路各处压力值，监测氢气加压是否达到设定标准，以便于及时维修调整，确保加压过程的准确可靠。另外，在中间换热器106以及出口换热器109的前后分别设有温度变送器6，用于监测一级加压和二级加压后氢气气体经由换热器降温冷却的情况，防止氢气温度超温对压缩机零件及系统安全的不利影响。

由于氢气气体经由一级压缩膜头105和二级压缩膜头108的压缩作用后温度升高，进而热量传递至管壁，进而在各压缩膜头和后续的换热器间管壁上设置隔热套管4，避免误触导致的烫伤等隐患。

放散管路包括氮气吹扫单元、紧急放散单元、高压放散单元。

参见图3，在入口控制阀103和出口控制阀110间设有高压放散单元C，其包括中间控制阀30、连接至中间控制阀下游管路上且与放散口依次连接的限流孔板31、高压放散控制阀32以及高压放散单向阀33。停机放散压缩机高压氢气时，首先关闭入口控制阀103和出口控制阀110，打开中间控制阀30，形成高压放散通道，参见图4，压缩机内高压氢气依次经由限流孔板31、高压放散控制阀32以及高压放散单向阀33流通至高压放散口放散，其中，限流孔板31用于减小氢气流通量，缓慢降低管路内的压力，防止高压氢气突然放散对管路造成冲击及影响放散口周围环境安全。

氮气吹扫单元包括设于氮气吹扫气源和压缩管路减压阀间的入口单向阀20、设于入口单向阀下游及压缩管路出口单向阀21下游的手动放散阀23，参见图3，氮气吹扫气源通过手动球阀24与压缩管路相连，用于压缩前管路内气体的吹扫，防止管路内空气掺混进氢气中，影响氢气纯度。进行吹扫前，首先关闭压缩管路两端的手动球阀112，打开氮气吹扫单元的手动球阀24，使得氮气气源进入压缩管路进行吹扫，扫除残余空气。另外，手动放散阀23可用于停机时手动放散管道内高压氢气。

紧急放散单元包括分别设于一级压缩膜头和二级压缩膜头前后的安全阀22，该安全阀22连接管路和放散口，用于防止管路压力超压，在超压时可及时跳起进行放散，保证系统安全。

尽管已描述了本申请的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请之发明精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种双级氢气压缩系统，包括压缩管路和放散管路，其特征在于，所述压缩管路包括从上游至下游依次连接的减压阀、入口换热器、入口缓冲罐、入口控制阀、过滤器、一级压缩膜头、中间换热器、中间缓冲罐、二级压缩膜头、出口换热器、出口控制阀、出口缓冲罐、出口单向阀；

所述放散管路包括氮气吹扫单元、紧急放散单元、高压放散单元；

所述氮气吹扫单元包括设于氮气吹扫气源和所述压缩管路减压阀间的入口单向阀、设于所述入口单向阀下游及压缩管路所述出口单向阀下游的手动放散阀；

所述紧急放散单元包括分别设于所述一级压缩膜头和二级压缩膜头前后的安全阀；

所述高压放散单元包括设于压缩管路所述入口控制阀和出口控制阀间的中间控制阀、连接至所述中间控制阀下游管路上且与放散口依次连接的限流孔板、高压放散控制阀和高压放散单向阀。

2.根据权利要求1所述的双级氢气压缩系统，其特征在于，所述压缩管路与氢气进气口和氢气出气口间分别设有阀门。

3.根据权利要求1所述的双级氢气压缩系统，其特征在于，所述中间换热器和所述出口换热器前后分别设有用于监测换热前后温度变化的温度变送器。

4.根据权利要求1所述的双级氢气压缩系统，其特征在于，还包括分别用于监测各缓冲罐前后压力的各压力监测单元，所述压力监测单元包括压力表和压力变送器，且所述压力监测单元通过针阀与系统管路相连。

5.根据权利要求1所述的双级氢气压缩系统，其特征在于，所述各控制阀为气动阀或电动阀。

6.根据权利要求1所述的双级氢气压缩系统，其特征在于，还包括分别设于所述一级压缩膜头和二级压缩膜头出口管路的隔热套管。

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