专利名称：基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于可再生、清洁环保的新能源领域，涉及一种基于温升与能耗控制 的快速有效、安全可靠、高取气率的氢气优化加注系统。
背景技术：
氢能以高能效、来源广、可再生、燃烧产物零污染等优点，被国际公认为未来的绿 色能源。近年来，包括美、日、中、韩、欧盟在内的许多国家和地区都在大力开发氢能汽车，积 极建造加氢站和相关氢能基础实施。以氢为动力已成为新能源领域的重要应用方向。目前，氢的储存方式主要包括高压气态储氢、液态储氢和金属储氢。由于高压气态 储氢具有能耗低、放氢速度快和可靠等优点，现有的加氢站主要采用这一方式。要实现氢能 在交通领域的商业化，必须保证加氢如同加油一样安全、快速、方便和可靠，同时还应尽可 能地降低加氢站能耗。为此，必须严格控制高压氢气加注过程中车载储氢容器内的温升，合 理地控制加注速率，尽可能缩短加注时间，同时以最小的能耗完成对所需数量车辆的加注。 因此，需要研究一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其优化运行系统， 既保证加注过程的安全、快速，又能使加氢站以最低能耗运作。近年来，我国在高压氢气加注技术及系统方面取得了一定进展。中国专利 CN1887622针对加氢站提出了一种快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，其在加注系 统中使用40MPa的氢气储罐及75MPa的高压氢气储罐的对车辆进行顺序加气，来提高取气 率和充装速度。该专利包括首台国内自主研制的加氢机，可对压力、温度、流量、流速实时 计量，自动收费，同时对车载储氢容器的压力、温度、应力等运行参数进行监控，耐压范围在 45-75MPa，安全保护装置齐备。其能提高取气率和充装速度，并对各种参数进行监控，但未 涉及加注过程优化及系统能耗控制等。中国专利CN101418908A给出了一种可用于高压氢 气加气站的加气系统，其包括控制系统、采样系统、加注系统、报警系统和氮气吹扫系统。具 有加注计量的温度自动补偿、顺序取气、加注速率控制、氢泄漏报警、自动断电、加注过程防 拉脱、静电自动释放及系统过压保护等功能。其能够提高取气率，并通过加注速率来控制温 升，但其加注速率控制程序，必需测量车载储氢容器中温度，如温度超限，只能停止加注，等 温度降回可行范围才能继续加注，而实际车载储氢容器自然冷却降温很慢，因而不仅实际 加注时间较长，效率较低，而且该方法也没有进行能耗优化。中国专利CN101315545给出了 一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其系统，其通过优化高压氢气多级加注过 程中从各储氢罐的取气质量和取气次序，缩短加注时间，并保证较高的取气率。但没有对加 注过程温升进行控制，且取气率比顺序取气略低。总之，目前尚无关于加氢站氢气加注过程 中同时实现快速有效、安全可靠、高取气率和低能耗的优化加注方法及其系统报道。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时实现快 速有效、安全可靠、高取气率和低能耗的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统。该系统能有效地控制加注过程中车载储氢容器的温度，确保高取气率、高加气速率等同时， 使系统以最低的能耗运行。为解决技术问题，本实用新型出了以下具体技术方案本实用新型提供了一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补 气系统、控制系统和加注系统；补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢 罐，压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；所述的三级储氢罐通过管路 分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口 电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过 信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷 却装置、车载储氢容器与加氢站之间的通讯接口。作为一种改进，所述冷却装置至加氢软管之间的管路上，还设置有质量流量计，可 编程控制器通过信号线经流量变送器连接至质量流量计。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至显示屏。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至上位工控机。本实用新型中，基于前述加注系统的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注 方法主要包括温升与加注速率的优化控制程序，还包括顺序取气程序和顺序补气优化控制 程序。温升与加注速率的优化控制程序是以温升控制为控制条件，以加注用时为优化控制 目标，具体实现步骤如下(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开 度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储 氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的 温度控制在容器材质允许范围内，且加注用时最短；(2)可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时 的针阀开度值及是否需要降低车载储氢容器入口温度；如果需要降低，还将给出需要达到 的降温后的入口温度值。(3)根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操 作；加注过程中，如果需要降低车载储氢容器入口温度，可编程控制器将实时根据测得的 实际入口温度及需要达到的入口温度之间的差值，对冷却装置的温度调控部件进行反馈控 制，以调整其冷却剂流量，使得实际入口温度降至与需要达到的入口温度接近的值。所述步骤(2)中，如查询时显示需要降低车载储氢容器的入口氢气温度，则可编 程控制器对冷却装置的温度调控部件进行反馈控制，将车载储氢容器的入口氢气温度控制 在要求的范围内；在调整入口氢气温度后，显示此时对应的针阀开度值。通过对加氢站的储氢罐进行压力分级，按照低压级储氢罐、中压级储氢罐和高压 级储氢罐的顺序来取气，以提高系统的取气率；各储氢罐间的切换动作根据事先设定的氢 气的加注速率或储氢罐与车载储氢容器之间的压力差进行。为降低压缩机系统的能耗，根据加氢要求设置用于压缩机组启动的储氢罐压力设 定值；如某个储氢罐的压力低至设定值，则启动压缩机组并打开相应补气管路的电磁阀对 该储氢罐进行补气；如果各储氢罐的补气发生冲突，则根据压力级别关闭较低压力级别储 氢罐补气管路中的电磁阀，对更高压力级别储氢罐进行补气。[0018]本实用新型的有益效果在于在综合考虑加注过程温升、加注用时、取气率、压缩机组能耗的基础上，提出了补 气系统、加注系统和控制系统。能以较低的冷却装置能耗运行，并保证车载储氢容器的温度 严格控制在要求的范围内，且显著地缩短加注时间；从而使整个系统能够快速有效、安全可 靠地为车辆加注高压氢气，并具有高取气率和低能耗等优点。
图1为加氢站氢气加注系统的流程示意图；图1中，1为压缩机组；2 4及11 13为电磁阀；5为高压级储氢罐；6为中压 级储氢罐；7为低压级储氢罐；8 10为压力传感器；14为冷却装置；15为过滤器；16为出 口电磁阀；17为质量流量计；18流量变送器；19为针阀；20为拉脱阀；21为加氢软管；22 为加氢枪；23为燃料电池汽车；24为温度传感器；25为车载储氢容器压力和温度的通讯接 口 ；26为显示屏；27为可编程控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。本实用新型的系统由加注系统、控制系统和补气系统组成，优化加注方法包括加 注速率和温升的优化控制程序、顺序取气程序及顺序补气优化控制程序。来自加氢站压缩机组1的氢气分三路经由电磁阀2、3和4进入加氢站高压级储氢 罐5、中压级储氢罐6和低压级储氢罐7中，组成补气系统。通过开启或停止压缩机组1，打 开或关闭各储氢罐取气管路中的电磁阀2、3和4，来实现对多级储氢罐进行补气。来自储氢罐5、6和7中的氢气则分三路分别经过电磁阀11、12和13，再并为一路， 依次连接冷却装置14、过滤器15、出口电磁阀16、质量流量计17、针阀19、拉脱阀20、加氢 软管21、加氢枪22，组成加注系统。控制系统包括一个可编程控制器27，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级 储氢罐上的压力传感器8 10、流量变送器18、温度传感器24、冷却装置14、车载储氢容器 压力和温度的通讯接口 25。根据设定的控制程序，可编程控制器27分别向各电磁阀发出 开启或关闭的指令，向冷却装置14发出调节冷却效果的指令，对其进行反馈控制，并将相 关参数反馈给显示屏26。可编程控制器27亦可与上位工控机相接。可编程控制器27中， 以软件的形式内置了本实用新型给出的优化加注方法，包括加注速率和温升的优化控制程 序、顺序取气程序和顺序补气优化控制程序。其中，可编程控制器27用于根据传感器与检测仪发送的信号，调用加注速率和温 升的优化控制程序、顺序取气程序和顺序补气优化控制程序、计价程序等，控制整个系统的 运行；压力传感器用于测量加氢站固定储氢罐的压力，并将压力信号发送给控制器，根据压 力值启动顺序补气优化控制程序及顺序取气程序；质量流量计用于测量累计质量流量，进 行计价，可编程控制器27通过计算当前时刻与上一时刻累计质量流量的差值，判断是否切 换取气气源；流量变送器18将质量流量计的信号转换并发送给可编程控制器27 ；温度传感 器24用于测量环境温度；通讯接口 25用于传送给可编程控制器27加注前车载储氢容器的 压力和温度；显示屏26用于给出针阀应有的开度值及价格等数据信息。[0028]可编程控制器27中内置软件的有关控制内容包括通过控制电磁阀2 4的开 闭，来实现三个不同压力级别储氢罐的补气；通过电磁阀11 13及16的开闭来实现对加 注过程的控制。通过质量流量计17和流量变送器18每隔若干秒测量累计加注的氢气质量， 并将测得的信号发送给可编程控制器27，可编程控制器27根据加注的氢气质量计算出所 加氢气的价格及加注过程的总价，并通过显示屏26显示，实现加注过程的计价。可编程控 制器27根据通讯接口 25提供的气瓶型号、车载储氢容器加注前的温度和压力，以及温度传 感器24测得的环境温度，调用加注速率和温升的优化控制程序，查询相关优化结果，给出 从不同压力级别的储氢罐取气时的针阀开度值，同时根据通讯接口 25传递给可编程控制 器27的车载储氢容器入口处的氢气温度值及优化结果，反馈控制冷却装置14的制冷剂流 量，调节预冷却效果，使车载储氢容器入口处的氢气温度满足优化结果中对车载储氢容器 入口氢气温度的要求。加注系统中，电磁阀11 13和16、针阀19、拉脱阀20、加氢软管21及加氢枪22以 相应的耐高压连接管件连接。电磁阀11 13分别用于打开或关闭来自高压级、中压级和低 压级储氢罐的气源。出口电磁阀16配合顺序取气程序，控制加注过程的开始及停止，并配 合电磁阀11 13实现取气气源的切换。针阀19根据加注速率与温升的优化控制程序，由 加注操作人员进行调节，以达到要求的加注速率，同时由可编程控制器27根据加注速率与 温升的优化控制程序，决定冷却装置14是否需要启动，如果需要启动，还将根据通讯接口 25给出的车载储氢容器入口温度与优化控制程序给出的入口温度之间的差值，对冷却装置 14的温度调控部件进行反馈控制，将加注结束时车载储氢容器的温度以及加注用时控制在 的范围内，并有效缩短加注用时。拉脱阀20能够有效地防止加注过程中由于车辆23意外 启动，拉断加氢软管21所带来的危险。当拉脱阀所承受的拉力大于阀的设定值时，其连接 加氢软管21的一端主动脱落，另一端则自动关闭，从而有效地避免了氢气的泄露。加氢枪 22连接被加注车辆上的加氢接口，为车辆加注高压氢气。本实用新型中，基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法，包括加注速率 和温升的优化控制程序、顺序取气程序以及顺序补气优化控制程序。加注速率和温升的优化控制程序主要包括(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开 度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储 氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的 温度控制在必须的范围内——即在容器器壁材料树脂的温度上限85°C基础上，进一步降低 温度上限，如50°C，以提高实际加注的氢气量；同时规定温度下限，如0°C，以防止充装完毕 后，车载储氢容器内温度恢复至环境温度时的过度超压；同时，该程序能够有效缩短加注用 时，并且避免冷却装置的不必要使用，达到节能的目的。所述优化选择方法如下(a)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》中所述高压氢 气快充温升数值模型，所不同之处在于加注前车载储氢容器的初始温度、环境温度、以及车 载储氢容器入口温度分别设置，可取不同的值。(b)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》所述快充温升 实验方法研究温升规律。由于35MPa下快充，采用树脂浇铸密封温度传感器引线的密封效果欠佳，所以温升实验时，应专门定做传感器引线密封接头，保证快充时引线的密封效果。 其它与《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》。(c)采用(b)中所述实验方法得到的快充温升数据，对(a)中所述快充温升模型进 行验证，并跟据实验数据调整快充温升模型中相关参数。(d)使用快充温升模型对不同加注条件下的加注过程进行计算，并拟合出如下形 式的温升计算公式
权利要求一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补气系统、加注系统和控制系统；所述补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；其特征在于，所述的三级储氢罐通过管路分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷却装置、车载储氢容器与加氢站之间的通讯接口。
2.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述冷却装置与加氢软管之间的管 路上，还设有质量流量计，可编程控制器通过信号线经流量变送器连接至质量流量计。
3.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述可编程控制器还通过信号线连 接至显示屏。
4.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述可编程控制器还通过信号线连 接至上位工控机。专利摘要本实用新型涉及可再生、清洁环保的新能源领域，旨在提供一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统。该系统包括补气系统、加注系统和控制系统；压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；储氢罐通过管路分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；控制系统包括一个可编程控制器。本实用新型能以较低的冷却装置能耗运行，并保证车载储氢容器的温度严格控制在要求的范围内，且显著地缩短加注时间；从而使整个系统能够快速有效、安全可靠地为车辆加注高压氢气，并具有高取气率和低能耗等优点。
文档编号F17C13/00GK201723971SQ20102021330
公开日2011年1月26日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者叶建军, 唐萍, 徐平, 杨健, 赵磊, 郑津洋 申请人:浙江大学