一种适用于35或70MPa加注压力的加氢方法和系统与流程

本发明涉及氢能技术领域，更具体地讲，涉及一种适用于35或70mpa加注压力的加氢方法和系统。

背景技术：

氢能源作为一种高效、清洁、可持续发展的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注，以氢燃料电池汽车为主的交通领域是氢能利用的重要方向之一。现阶段制约氢能在交通领域利用发展的瓶颈主要是加氢站的建设，加氢基础设施不足，成为当前我国氢能产业发展面临的最大阻碍。

加氢站氢的来源主要分为外供氢和站内制氢两类。站内制氢加氢站在国外已较为成熟，而在国内正在运营的加氢站，因受到各种因素制约，均采用外供氢方式。但随着技术的不断成熟、我国相关法律法规的不断完善，站内制氢预计将成为我国加氢站未来的发展趋势。

加氢站的氢气加注压力目前有35mpa、70mpa两种。其中，35mpa加注压力的加氢站较为常见(国内运营的加氢站大部分均为35mpa加注)，其终端用户包括燃料电池公交车、物流车等；70mpa加注压力的加氢站国内目前仍较少，其终端用户主要为小轿车等。

目前世界范围内已有的35mpa或70mpa加注压力的常规加氢站，其工艺系统流程基本如图1、图2所示。

如图1所示，经站内制氢提纯设备1＇产出的0.6～3mpa的氢气暂存于缓冲罐2＇中，经氢气压缩设备3＇(多级压缩机或泵)增压至40mpa以上(如45mpa)或80mpa以上(如87.5mpa)，经阀门7＇、8＇、9＇分别储存于储氢瓶组4＇中。储氢瓶组4＇由多个额定工作压力均为45mpa或87.5mpa的储氢瓶组成，并被划分为高、中、低压三种等级储氢瓶。

如图2所示，经氢气长管拖车11＇运输而来的5～20mpa的氢气，由氢气卸料装置12＇卸料之后，经氢气压缩设备3＇(压缩机或泵)增压至80mpa以上(如87.5mpa)，经阀门7＇、8＇、9＇分别储存于储氢瓶组4＇中。储氢瓶组4＇由多个额定工作压力均为87.5mpa的储氢瓶组成，并被划分为高、中、低压三种等级储氢瓶。

在通过加注压力为35mpa或70mpa的加氢机5＇向终端用户6＇加注氢气时，氢气压缩设备3＇停运，首先由低压储氢瓶经阀门9＇、10＇及加氢机5＇向终端用户6＇加氢，待二者压力平衡后，若终端用户6＇氢气充装压力达不到要求(如35mpa或70mpa)，则继续切换至中压储氢瓶经阀门8＇、10＇及加氢机5＇向终端用户6＇加氢并至压力平衡，最后切换至高压储氢瓶经阀门7＇、10＇及加氢机5＇向终端用户6＇加氢至压力平衡，最终使终端用户6＇的氢气充装压力达到要求值(如35mpa或70mpa)。

随着储氢瓶组4＇中氢气的消耗，其压力不断下降。当高压储氢瓶中的氢气压力低于某一压力要求时(如35mpa或70mpa)，停止储氢瓶组4＇向加氢机5＇的供气。此时启动压缩设备3＇，抽取上游站内制氢设备出口缓冲罐或外供氢长管拖车内的氢气经增压后依次对储氢瓶组4＇中的各储氢瓶充装氢气，并使其压力恢复至要求值(如40～45mpa或80～87.5mpa)。此时也可由压缩设备3＇直接经阀门10＇向加氢机5＇供气，但需关闭阀门7＇、8＇、9＇。

由上述过程可知，常规35mpa或70mpa加注压力加氢站工艺系统存在以下问题：

(1)因储氢瓶组4＇的氢气充装口、氢气输出口为同一端口，当储氢瓶组4＇向加氢机9＇供气时，氢气压缩设备3＇则无法工作，氢气压缩设备3＇的利用率较低。

(2)虽被人为划分为高、中、低压三种等级，但储氢瓶组4＇的各储氢瓶额定工作压力均同为45mpa或87.5mpa，高压储氢瓶数量较多，危险性大。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于35或70mpa加注压力的加氢系统和方法，同时也为现有加氢站提供了改造方法。

本发明的一方面提供了一种适用于35或70mpa加注压力的加氢系统，所述加氢系统包括站内制氢单元、外供氢单元、缓冲罐、低压氢气压缩单元、低压储氢单元、高压氢气压缩单元、高压储氢单元和加氢单元，其中，

所述站内制氢单元与缓冲罐相连且所述缓冲罐与低压氢气压缩单元相连，所述低压氢气压缩单元通过设置有第一控制阀的低压储氢支路与低压储氢单元相连；

所述低压储氢单元通过依次设置有第二控制阀和第三控制阀的低压输氢支路与外供氢单元相连，所述低压输氢支路与低压储氢支路相连并且所述低压输氢支路与低压储氢支路的连接处位于低压氢气压缩单元与第一控制阀之间；

所述低压输氢支路的第二控制阀与第三控制阀之间连接有与高压储氢单元相连的高压储氢支路，所述高压储氢支路上沿着氢气流动方向依次设置有第四控制阀、高压氢气压缩单元和第五控制阀；

所述高压储氢单元通过设置有第六控制阀的高压输氢支路与加氢单元相连，所述高压输氢支路与高压储氢支路相连并且所述高压输氢支路与高压储氢支路的连接处位于第五控制阀与高压氢气压缩单元之间。

所述低压输氢支路上所述低压输氢支路与高压储氢支路的连接处和第三控制阀之间还连接有与加氢单元相连的补充支路，所述补充支路上设置有第七控制阀。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，所述站内制氢单元为站内制氢提纯设备，所述外供氢单元为氢气长管拖车，所述外供氢单元与第三控制阀之间设置有调压阀。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，所述加氢单元为低压加氢单元或高压加氢单元，所述低压加氢单元的加注压力为35mpa，所述高压加氢单元的加注压力为70mpa。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，当所述加氢单元为低压加氢单元时，所述低压储氢单元由若干个额定工作压力为20mpa的低压储氢瓶组成，所述低压储氢瓶中的初始氢气压力为15～20mpa。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，当所述加氢单元为低压加氢单元时，所述高压储氢单元由若干个额定工作压力为45mpa的高压储氢瓶组成，所述高压储氢瓶中的初始氢气压力为40～45mpa。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，当所述加氢单元为高压加氢单元时，所述低压储氢单元由若干个额定工作压力为45mpa的低压储氢瓶组成，所述低压储氢瓶中的初始氢气压力为40～45mpa。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的一个实施例，当所述加氢单元为高压加氢单元时，所述高压储氢单元由若干个额定工作压力为87.5mpa的高压储氢瓶组成，所述高压储氢瓶中的初始氢气压力为80～87.5mpa。

本发明还提供了一种适用于35或70mpa加注压力的加氢方法，利用上述适用于35或70mpa加注压力的加氢系统向终端用户加注氢气。

根据本发明适用于35或70mpa加注压力的加氢方法的一个实施例，所述加氢方法包括以下步骤：

a、利用低压氢气压缩单元抽取缓冲罐中来自于站内制氢单元的氢气，增压后充装至低压储氢单元中至初始氢气压力；利用高压氢气压缩单元抽取低压储氢单元或外供氢单元中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元中至初始氢气压力；

b、通过低压储氢单元经加氢单元向终端用户加注氢气，直至终端用户的氢气压力达到要求值；当低压储氢单元中的氢气压力不足以使终端用户的氢气压力达到要求值时，切换由高压储氢单元向终端用户加注氢气，直至终端用户的氢气压力达到要求值；

c、当需要向低压储氢单元中补充氢气时，启动低压氢气压缩单元抽取缓冲罐中来自于站内制氢单元的氢气，增压后充装至低压储氢单元中恢复至初始氢气压力；利用高压氢气压缩单元抽取低压储氢单元或外供氢单元中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元中恢复至初始氢气压力；当站内制氢能力不足或站内制氢单元、低压氢气压缩单元出现故障时，利用高压氢气压缩单元抽取外供氢单元中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元中恢复至初始氢气压力；

d、循环进行步骤b和步骤c对终端用户加注氢气。

根据上述适用于35或70mpa加注压力的加氢方法的一个实施例，当站内制氢能力超过自用氢气量时，由低压储氢单元向空载的外供氢单元充装氢气直至外供氢单元的氢气压力达到要求值；当低压储氢单元中的氢气压力不足以使外供氢单元的氢气压力达到要求值时，切换启动低压氢气压缩单元抽取缓冲罐中的氢气并在增压后直接向外供氢单元充装氢气或由高压储氢单元向外供氢单元充装氢气，直至外供氢单元的氢气压力达到要求值；

当站内制氢单元故障时，由外供氢单元代替低压储氢单元首先向终端用户加注氢气，并启动高压氢气压缩单元抽取外供氢单元中的氢气并在增压后充装至高压储氢单元中恢复至初始氢气压力。

与现有技术相比，本发明的氢源可来自站内制氢和外供氢两种，提高了加氢站的可靠性；并且，既可利用长管拖车外供氢至加氢站，也可在站内制氢能力超过加氢站自用氢气量时，直接向空载长管拖车充装并外售氢气；设置了2种不同设计压力等级的压缩设备以及储氢瓶组(当加注压力为70mpa时，储氢瓶组额定工作压力分别为45、87.5mpa；加注压力为35mpa时，储氢瓶组额定工作压力分别为20、45mpa)，减少高压储氢瓶数量，降低了氢气储存的危险性；并且，各项操作能够彼此独立，互不影响。

附图说明

图1示出了现有技术中常规35或70mpa加注压力站内制氢加氢站的结构原理示意图。

图2示出了现有技术中常规35或70mpa加注压力外供氢加氢站的结构原理示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例的适用于35或70mpa加注压力的加氢系统的结构原理示意图。

附图标记说明：

1-站内制氢单元、2-缓冲罐、3-低压氢气压缩单元、4-低压储氢单元、5-高压氢气压缩单元、6-高压储氢单元、7-加氢单元、8-终端用户、9-外供氢单元、10-第一控制阀、11-第四控制阀、12-第五控制阀、13-第六控制阀、14-第七控制阀、15-第三控制阀、16-第二控制阀、17-调压阀、18-低压储氢支路、19-低压输氢支路、20-高压储氢支路、21-高压输氢支路、22-补充支路。

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。

下面具体对本发明的同适用于35或70mpa加注压力的加氢方法和系统进行说明，先对该加氢系统的结构和原理进行描述。

图3示出了根据本发明示例性实施例的适用于35或70mpa加注压力的加氢系的结构原理示意图。

如图3所示，根据本发明的示例性实施例，所述适用于35或70mpa加注压力的加氢系统包括站内制氢单元1、外供氢单元9、缓冲罐2、低压氢气压缩单元3、低压储氢单元4、高压氢气压缩单元5、高压储氢单元6和加氢单元7，本发明通过对上述组件连接方式的优化设计使得该加氢系统能够在有效提高氢气压缩设备和储氢设备的利用率，减少高压储氢瓶的数量并降低氢气储存危险性。

根据本发明，加氢单元7可以为低压加氢单元或高压加氢单元，具体根据要求设置。其中，低压加氢单元的加注压力为35mpa，主要适用于燃料电池公交车、物流车等终端用户的氢气加注；高压加氢单元的加注压力为70mpa，主要适用于小轿车等终端用户的氢气加注。

具体地，站内制氢单元1与缓冲罐2相连，缓冲罐2与低压氢气压缩单元3相连并且低压氢气压缩单元3通过设置有第一控制阀10的低压储氢支路18与低压储氢单元4相连，从而能够将缓冲罐2中储存的氢气增压后储存在低压储氢单元4中。

其中，站内制氢单元1包括站内制氢提纯设备，该站内制氢单元的氢源可来自天然气重整、甲醇裂解、电解水等。外供氢单元9可以为氢气长管拖车，外供氢单元9与加氢单元7相连，由此可将外供氢单元9中的氢气经加氢单元7向终端用户8供氢，或由高压储氢单元6向外供氢单元9充装氢气。

低压储氢单元4通过依次设置有第二控制阀16和第三控制阀15的低压输氢支路19与外供氢单元9相连，低压输氢支路19与低压储氢支路18相连并且低压输氢支路19与低压储氢支路18的连接处位于低压氢气压缩单元3与第一控制阀10之间。其中，外供氢单元9为氢气长管拖车，外供氢单元9与第三控制阀15之间设置有调压阀17，由此低压储氢单元4或高压储氢单元6能够在站内制氢能力超过加氢站自用氢气量时直接向空载的外供氢单元9充装氢气。

根据本发明，低压储氢单元4由若干个低压储氢瓶组成，可以根据不同加注压力的要求选择不同的低压储氢瓶。具体地，当加氢单元7为低压加氢单元时，低压储氢单元4由若干个额定工作压力为20mpa的低压储氢瓶组成，低压储氢瓶中的初始氢气压力为15～20mpa。当加氢单元7为高压加氢单元时，低压储氢单元4由若干个额定工作压力为45mpa的低压储氢瓶组成，低压储氢瓶中的初始氢气压力为40～45mpa。

低压输氢支路19的第二控制阀16与第三控制阀15之间连接有与高压储氢单元6相连的高压储氢支路20，高压储氢支路20上沿着氢气流动方向依次设置有第四控制阀11、高压氢气压缩单元5和第五控制阀12，由此低压储氢单元4能够通过高压氢气压缩单元5向高压储氢单元6供给氢气。

高压储氢单元6通过设置有第六控制阀13的高压输氢支路21与加氢单元7相连，高压输氢支路21与高压储氢支路20相连并且高压输氢支路21与高压储氢支路20的连接处位于第五控制阀12与高压氢气压缩单元5之间，由此高压储氢单元6能够直接通过加氢单元7向终端用户8加注氢气。

根据本发明，高压储氢单元6由若干个高压储氢瓶组成，同样可以根据不同加注压力的要求选择不同的高压储氢瓶。具体地，当加氢单元7为低压加氢单元时，高压储氢单元6由若干个额定工作压力为45mpa的高压储氢瓶组成，高压储氢瓶中的初始氢气压力为40～45mpa。当加氢单元7为高压加氢单元时，高压储氢单元由若干个额定工作压力为87.5mpa的高压储氢瓶组成，所述高压储氢瓶中的初始氢气压力为80～87.5mpa。

此外，低压输氢支路19上所述低压输氢支路19与高压储氢支路20的连接处和第三控制阀15之间还连接有与加氢单元7相连的补充支路22，补充支路22上设置有第七控制阀14。通过补充支路22的设置，一方面可以由低压储氢单元4直接通过加氢单元7向终端用户8加注氢气，另一方面在站内制氢设备故障或出力不满足加氢站用氢量时，还可以通过外供氢单元9外供氢补充或由外供氢单元9直接通过加氢单元7向终端用户8加注氢气，提高加氢站的可靠性。

其中，本发明优选地设置有包括匹配外供氢单元9的接口，既可用于外供氢单元外供氢至加氢站，也可在站内制氢能力超过加氢站自用氢气量时，通过该接口向空载的外供氢单元充装并外售氢气。

并且，高压储氢单元6经加氢单元7向终端用户8供应氢气的同时，不影响低压氢气压缩单元3向低压储氢单元4充装氢气，也不影响低压储氢单元4向空载的外供氢单元9充装氢气，低压氢气压缩单元3及低压储氢单元4的使用效率高。

并且，低压储氢单元4经加氢单元7向终端用户8首先供应低压氢气，或低压储氢单元4向空载的外供氢单元充装20mpa氢气的同时，不影响高压压缩设备向高压储氢单元6充装氢气，高压氢气压缩单元5及高压储氢单元6的使用效率高。

本发明还提供了适用于35或70mpa加注压力的加氢方法，具体利用了上述适用于35或70mpa加注压力的加氢系统向终端用户加注氢气。

根据本发明的示例性实施例，所述加氢方法包括以下步骤：

a、利用低压氢气压缩单元3抽取缓冲罐2中来自于站内制氢单元1的氢气，增压后充装至低压储氢单元4中至初始氢气压力；利用高压氢气压缩单元5抽取低压储氢单元4或外供氢单元9中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元6中至初始氢气压力。

b、通过低压储氢单元4经加氢单元7向终端用户8加注氢气，直至终端用户8的氢气压力达到要求值；当低压储氢单元4中的氢气压力不足以使终端用户8的氢气压力达到要求值时，切换由高压储氢单元6向终端用户8加注氢气，直至终端用户8的氢气压力达到要求值。

c、当需要向低压储氢单元4中补充氢气时，启动低压氢气压缩单元3抽取缓冲罐2中来自于站内制氢单元1的氢气，增压后充装至低压储氢单元4中恢复至初始氢气压力；利用高压氢气压缩单元5抽取低压储氢单元4或外供氢单元9中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元4中恢复至初始氢气压力；当站内制氢能力不足或站内制氢单元、低压氢气压缩单元出现故障时，利用高压氢气压缩单元5抽取外供氢单元9中的氢气，进一步增压后充装至高压储氢单元6中恢复至初始氢气压力；

d、循环进行步骤b和步骤c对终端用户加注氢气。

此外，当站内制氢能力超过自用氢气量时，由低压储氢单元4向空载的外供氢单元9充装氢气直至外供氢单元9的氢气压力达到要求值；当低压储氢单元4中的氢气压力不足以使外供氢单元9的氢气压力达到要求值时，切换启动低压氢气压缩单元抽取缓冲罐中的氢气并在增压后直接向外供氢单元充装氢气或由高压储氢单元6向外供氢单元9充装氢气，直至外供氢单元9的氢气压力达到要求值。

当站内制氢单元1故障时，由外供氢单元9代替低压储氢单元4首先向终端用户加注氢气，并启动高压氢气压缩单元5抽取外供氢单元9中的氢气并在增压后充装至高压储氢单元6中恢复至初始氢气压力。

由上述结构可知，本发明设置两级不同压力等级的氢气压缩设备。其中，低压氢气压缩单元3的入口氢气压力范围为0.6～3mpa(站内制氢氢气出口压力范围)，出口氢气压力范围为15～20mpa或40～45mpa(不超过低压储氢瓶的额定工作压力)；高压氢气压缩单元的入口氢气压力范围为5～20mpa或40～45mpa，出口氢气压力范围为40～45mpa或80～87.5mpa(满足35或70mpa的加注压力要求，不超过高压储氢瓶的额定工作压力)。本发明设置了两种不同压力等级的储氢单元(低压储氢单元和高压储氢单元的额定工作压力分别为20和45mpa或者45和87.5mpa)，减少了高压储氢瓶的数量，氢气高压储存的危险性降低。

当终端用户的氢气加注压力要求为35或70mpa且氢源来自站内制氢时，2级氢气压缩单元均投运；当空载的外供氢单元的氢气加注压力要求为20mpa时(如充装长管拖车)，高压氢气压缩单元及高压氢气单元可不投运，优先仅投运低压氢气压缩单元及低压储氢单元、调压阀等设备，节省加氢站能耗；当氢源来自外供氢单元的外供氢时，低压氢气压缩单元不投运，仅投运高压氢气压缩单元，也有利于节省加氢站能耗。

当高压储氢单元6经加氢单元7向终端用户8供氢的同时，不影响低压氢气压缩单元3向低压储氢单元4充装氢气，也不影响低压储氢单元4向外供氢单元9充装氢气；当低压储氢单元4经加氢单元7向终端用户8供氢或低压储氢单元4向外供氢单元9充装氢气的同时，不影响高压氢气压缩单元5向高压储氢单元充装氢气。

下面结合具体实施例来对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的具体结构如图3所示，本实施例以加注压力为35mpa且加氢单元7为加注压力为35mpa的低压加氢机为例进行说明。

经站内制氢单元1产出的0.6～3mpa的氢气暂存于缓冲罐2中，经低压氢气压缩设备3(如压缩机或泵)增压至15～20mpa后，储存于低压储氢单元4中，低压储氢单元4由数个额定工作压力为20mpa的储氢瓶组成。低压储氢单元4中15～20mpa的氢气经高压氢气压缩单元5被进一步增压至40mpa以上(如45mpa)后，储存于高压储氢单元6中，高压储氢瓶组6由数个额定工作压力为45mpa的储氢瓶组成。

1、当站内制氢能力超过加氢站自用氢气量，需要向额定工作压力为20mpa的空载外供氢单元9(氢气长管拖车)充装氢气外售时：

(1)第一控制阀10、第三控制阀15、第二控制阀16开启，低压氢气压缩单元3停运，由低压储氢单元4向空载的外供氢单元9充氢，直至二者压力平衡，若低压储氢单元4中的氢气压力不足以使外供氢单元9的压力达到要求值，则进行下一步动作；

(2)关闭第一控制阀10，保持第三控制阀15、第二控制阀16开启，启动低压氢气压缩单元3，抽取上游缓冲罐2中的氢气增压至20mpa后向外供氢单元9继续充装氢气，使外供氢单元9的氢气压力达到要求值(如20mpa)；

2、当需要经加注压力为35mpa的加氢单元7向终端用户8加注氢气时：

(3)第六控制阀13关闭，低压氢气压缩单元3停运，第一控制阀10、第七控制阀14、第二控制阀16开启，由低压储氢单元4经加氢单元7向终端用户8加氢，待二者压力平衡后，若终端用户8的氢气充装压力达不到要求(如35mpa)，则进行下一步动作；

(4)第四控制阀11、第七控制阀14、第二控制阀16关闭，高压氢气压缩单元5停运，第五控制阀12、第六控制阀13开启，由高压储氢单元6经加氢单元7向终端用户8加氢至压力平衡，使终端用户8的氢气充装压力达到要求值(如35mpa)。该步骤不受上述步骤(1)、(2)的影响；

3、当需要向低压储氢单元4补充氢气时：

(5)第二控制阀16关闭，第一控制阀10开启，低压氢气压缩单元3启动，向低压储氢单元4充装氢气至压力达到20mpa。该步骤不受上述步骤(4)的影响；

4、当需要向高压储氢瓶组6补充氢气时：

(6)第六控制阀13关闭，第一控制阀10、第四控制阀11、第五控制阀12、第二控制阀16开启，高压氢气压缩单元5启动，抽取上游氢气增压并充装至高压储氢单元6中，使其压力恢复至要求值(如40～45mpa)。该步骤不受上述步骤(1)、(3)的影响。

5、当站内制氢设备故障或出力不满足要求，以外供氢单元9的方式为该加氢站供氢时：

(7)第四控制阀11、第六控制阀13、第二控制阀16关闭，第七控制阀14、第三控制阀15开启，以外供氢单元9经加氢单元7向终端用户8加氢。该步骤功能同上述步骤(3)；

(8)第六控制阀13、第七控制阀14、第二控制阀16关闭，第四控制阀11、第五控制阀12开启，高压氢气压缩单元5启动，抽取外供氢单元9的氢气增压并充装至高压储氢单元6中，使其压力恢复至要求值(如40～45mpa)。该步骤功能同上述步骤(6)。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。