本发明涉及氢能源技术领域，具体涉及天然气重整供氢加氢站设备选型方法。
背景技术：
氢能是一种典型的储能载体，也是一种二次能源，更是连接煤炭、石油、天然气、风能、水能等一次能源与电能之间的高效清洁的媒介。由于氢能利用效率高、使用后无任何无染污的排放，以其为动力的燃料电池汽车是传统燃油车更新换代的必然选择。加氢站是支撑燃料电池汽车规模化应用的能源供给服务设施，可以实现氢能的制取、储存、升压、加注等多种工艺。
天然气重整制氢是工业常用的制氢工艺，主要反应如下所示：
ch4+h20→co+3h2
co+h2o→co2+h2
总反应如下：
ch4+2h2o→co2+4h2
通过上述天然气重整反应，最终实现一分子的天然气制氢四分子的氢气，是氢气规模化制备常用手段。近年来，随着装备制造技术的不断升级，出现了小型化、微型化、橇装式天然气重整制氢设备，天然气处理量在100～300nm3/h。该类设备适宜氢源供应较为困难但天然气资源丰富的加氢站建设。专利cn100534840c设计了一种通过天然气重整制氢、净化、压缩、储存及加注一体化的方法，侧重于逻辑控制程序的设计。cn107946615a提出了一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统，通过物理法对燃气管道中的燃气进行处理得到尾气和较高纯度的氢气，再将尾气输送回燃气管网，以期解决制氢尾气难处理的问题，对加氢站内主要设备的介绍及选择并未涉及。
目前，由于国内外天然气重整供氢加氢站投用数量较少，相关设计经验较为欠缺；且天然气重整供氢加氢站的工艺路线较为繁杂，技术难度较高；存在设备选型方法单一、不准确等问题，导致加氢站设计处理能力与运营效果不匹配，限制了天然气重整供氢加氢站的设计及建设。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术中天然气重整供氢加氢站设计处理能力与运营效果不匹配的不足，本发明提供一种天然气重整供氢加氢站设备选型方法，该方法能够为天然气重整供氢加氢站内设备选型以及加氢站设计建设提供依据。
为了实现上述目的，本发明提供一种天然气重整供氢加氢站设备选型方法，所述天然气重整供氢加氢站的设备包括：天然气重整系统，所述天然气重整系统由n个天然气重整设备组成、氢气净化装置、氢气压缩机、储氢系统、预冷系统和加氢机，所述选型方法包括以下步骤：
s1：确定以下基本参数：1)加氢站日加氢量m；
2)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果车辆加氢时间集中在某几个固定时间段，则为集中，加氢站日工作时间t按照10小时计；否则为分散，加氢站日工作时间按16小时计；
3)确定加氢站每小时加氢量mt，计算公式为：
4)确定停机敏感性大小，若用户主要为公交车辆，则停机敏感性大，否则停机敏感性小；
5)氢气加注压力等级p；
s2：天然气重整系统选型：确定天然气重整设备的数量n；
式中，vh为天然气重整系统对天然气的处理总量，v1为单个天然气重整设备对天然气的处理量；
式中，m为加氢站日加注氢气量；θ为天然气重整系统的效率，t为加氢运行时间；
s3：对天然气重整系统生产的氢气进行纯度及杂质含量分析，判断是否增设氢气净化装置，判断方法如下：
若天然气重整系统生产的氢气纯度及杂质含量同时满足以下条件：1)摩尔分数不低于99.99％；2)非氢气体总量不超过100μmol/mol；3)总硫含量不超过0.004μmol/mol；4)co含量不超过0.2μmol/mol，则氢气纯度及杂质含量合格，不需要增设氢气净化装置；否则，则需设置氢气净化装置；
s4：确定氢气压缩机的排量和数量；
当n≤25kw时，若停机敏感性大，则选择两台排量为vt的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为vt的氢气压缩机；
当25kw＜n≤60kw时，若停机敏感性大，则选择三台排量为vt/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为vt/2的氢气压缩机；
当n＞60kw时，若停机敏感性大，则选择三台排量为vt/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为vt/2的氢气压缩机；
其中，vt为单位小时内压缩氢气体积，
n为氢气压缩机功率，
ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为pa；pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为pa；vt为单位小时内压缩氢气体积，单位为m3/s；
s5：根据氢气加注压力等级p，设置储氢系统的压力系统以及各级压力系统的储氢量比例，方法如下：
1)如果氢气加注压力等级为70mpa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；
2)如果氢气加注压力等级为35mpa和70mpa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；
3)如果氢气加注压力等级为35mpa，则设置低压、中压两级储氢系统，且低压、中压两级储氢系统的储氢量比例为1～2:1；
s5：根据储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例和加氢站日加氢量m确定储氢系统，方法如下：
1)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为35mpa时，则设置2个低压储氢设备和1个中压储氢设备；
2)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为70mpa时，则设置2个低压储氢设备、1个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
3)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为35mpa时，则设置4个低压储氢设备和3个中压储氢设备；
4)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为70mpa时，则设置4个低压储氢设备、2个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
5)若加氢站日加氢量1000kg≤m＜2000kg，按照氢气加注压力等级为70mpa进行设计，则设置6个低压储氢设备和3个中压储氢设备和2个高压储氢设备；
s7：依据氢气加注压力等级的差异，确定是否选用氢气预冷系统设置，判断方法如下：
(1)加氢站氢气加注压力等级为35mpa时，则不设置氢气预冷系统；
(2)加氢站氢气加注压力等级为70mpa时，则设置氢气预冷系统；
s8：确定加氢机的数量
优选条件下，在步骤s1中，所述加氢站日加氢量m通过以下两种方法中的一种确定：
a)直接给出数值m；
b)通过加氢车辆的类型及数量计算：
m＝5×n1+20×n2+15×n3+m4；
其中，n1为出租车的数量，n2为公交车的数量，n3为客运车的数量，m4为其它车辆用氢量的数量。
优选条件下，在步骤s2中，所述天然气重整设备为橇装式天然气重整设备，其对天然气的处理量≤300nm3/h。
优选条件下，在步骤s3中，所述氢气净化装置采用变压吸附分离氢气的装置。
优选条件下，所述变压吸附分离氢气的装置包括5个吸附塔，其中，始终有1个吸附塔处于吸附状态。
优选条件下，所述吸附塔单位小时内对氢气的处理量为v0，其中，
优选条件下，在步骤s5中，当氢气加注压力等级为70mpa时，所述低压、中压、高压三级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5mpa。
优选条件下，在步骤s5中，当氢气加注压力等级为35mpa和70mpa时，所述低压、中压、高压三级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5mpa。
优选条件下，在步骤s5中，当氢气加注压力等级为35mpa时，所述低压、中压两级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa。
优选条件下，在步骤s6中，所述低压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为25mpa，最大储氢容量为88kg/车。
优选条件下，在步骤s6中，所述中压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为45mpa，最大储氢容量为145kg/罐。
优选条件下，在步骤s6中，所述高压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为87.5mpa，最大储氢容量为235kg/罐。
优选条件下，在步骤s7中，所述氢气预冷系统采用盐水与氢气换热方式预冷。
优选条件下，经预冷系统预冷后氢气的温度t≥-40℃。
优选条件下，在步骤s8中，所述加氢机为单枪加氢机
通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明针对天然气重整供氢加氢站这种站内产氢的加氢站工艺路线，提出了站内主要设备选型方法，建立了公式计算和工厂要求相结合的选型方法，适应于加氢站内主要设备：天然气重整系统，所述天然气重整系统由n个天然气重整设备组成、氢气净化装置、氢气压缩机、储氢系统、预冷系统和加氢机，为天然气重整供氢加氢站内设备选型以及加氢站设计建设提供依据。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的天然气重整供氢加氢站适用于日加注量m＜2000kg的加氢站，当加氢站的日加注量m≥2000kg时，则不适用天然气重整供氢加氢站。
本发明提供一种天然气重整供氢加氢站设备选型方法，所述天然气重整供氢加氢站的设备包括：天然气重整系统，所述天然气重整系统由n个天然气重整设备组成、氢气净化装置、氢气压缩机、储氢系统、预冷系统和加氢机，所述选型方法包括以下步骤：
s1：确定以下基本参数：
1)加氢站日加氢量m；通过工程要求及现场调研明确拟建加氢站的日平均加氢量m，加氢站日加氢量m可由以下两种方法确定：
a)直接给出数值m；
b)通过加氢车辆的类型及数量计算：
m＝5×n1+20×n2+15×n3+m4；
其中，n1为出租车的数量，n2为公交车的数量，n3为客运车的数量，m4为其它车辆用氢量的数量。
2)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果车辆加氢时间集中在某几个固定时间段，则为集中，加氢站日工作时间t按照10小时计；否则为分散，加氢站日工作时间按16小时计；
3)确定加氢站每小时加氢量mt，计算公式为：
4)确定停机敏感性大小，若用户主要为公交车辆，则停机敏感性大，否则停机敏感性小；
5)氢气加注压力等级p；
s2：天然气重整系统选型：确定天然气重整设备的数量n；
式中，vh为天然气重整系统对天然气的处理总量，v1为单个天然气重整设备对天然气的处理量；
式中，m为加氢站日加注氢气量；θ为天然气重整系统的效率，t为加氢运行时间。
本发明中采用现有的橇装式天然气重整设备，其对天然气的处理量v1≤300nm3/h.
s3：对天然气重整系统生产的氢气进行纯度及杂质含量分析，判断是否增设氢气净化装置，判断方法如下：
若天然气重整系统生产的氢气纯度及杂质含量同时满足以下条件：1)摩尔分数不低于99.99％；2)非氢气体总量不超过100μmol/mol；3)总硫含量不超过0.004μmol/mol；4)co含量不超过0.2μmol/mol，则氢气纯度及杂质含量合格，不需要增设氢气净化装置；否则，则需设置氢气净化装置；
本发明中，所述氢气净化装置采用变压吸附分离(psa)氢气的装置，可采用“5-1-3”工艺，即所述变压吸附分离氢气的装置包括5个吸附塔，且始终有1个吸附塔处于吸附状态。
所述吸附塔单位小时内对氢气的处理量为v0，其中，
当n≤25kw时，若停机敏感性大，则选择两台排量为vt的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为vt的氢气压缩机；
当25kw＜n≤60kw时，若停机敏感性大，则选择三台排量为vt/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为vt/2的氢气压缩机；
当n＞60kw时，若停机敏感性大，则选择三台排量为vt/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为vt/2的氢气压缩机；
其中，vt为单位小时内压缩氢气体积，
n为氢气压缩机功率，
ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为pa；pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为pa；vt为单位小时内压缩氢气体积，单位为m3/s；
s5：根据氢气加注压力等级p，设置储氢系统的压力系统以及各级压力系统的储氢量比例，方法如下：
1)如果氢气加注压力等级为70mpa，则设置低、中、高三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；在所述低压、中压、高压三级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5mpa；
2)如果氢气加注压力等级为35mpa和70mpa，则设置低、中、高三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；在所述低压、中压、高压三级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5mpa；
3)如果氢气加注压力等级为35mpa，则设置低、中两级储氢系统，且低压、中压两级储氢系统的储氢量比例为1～2:1；在所述低压、中压两级储氢系统中：低压储氢罐的储氢设计压力为25mpa；中压储氢罐的储氢设计压力为45mpa。
本发明中，所述储氢设计压力为储氢设备(低压储氢罐、中压储氢罐或高压储氢罐)的最高储氢压力，即储氢设备的实际储氢压力≤设计压力。
s5：根据储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例和加氢站日加氢量m确定储氢系统，方法如下：
1)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为35mpa时，则设置2个低压储氢设备和1个中压储氢设备；
2)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为70mpa时，则设置2个低压储氢设备、1个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
3)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为35mpa时，则设置4个低压储氢设备和3个中压储氢设备；
4)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为70mpa时，则设置4个低压储氢设备、2个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
5)若加氢站日加氢量1000kg≤m＜2000kg，按照氢气加注压力等级为70mpa进行设计，则设置6个低压储氢设备和3个中压储氢设备和2个高压储氢设备；
本发明中，所述低压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为25mpa，最大储氢容量为88kg/车；所述中压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为45mpa，最大储氢容量为145kg/罐；所述高压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为87.5mpa，最大储氢容量为235kg/罐。
s7：依据氢气加注压力等级的差异，确定是否选用氢气预冷系统设置，判断方法如下：
(1)加氢站氢气加注压力等级为35mpa时，则不设置氢气预冷系统；
(2)加氢站氢气加注压力等级为70mpa时，则设置氢气预冷系统；
对于氢气加注，由于逆汤-焦效应、氢气动能向内能的转化等，导致当氢气加注压力等级为70mpa时加注时必须采用氢气预冷系统，而当氢气加注压力等级为35mpa时，则选用氢气预冷系统。
本发明中，所述氢气预冷系统采用盐水与氢气换热方式预冷；经预冷系统预冷后氢气的温度t≥-40℃。
s8：确定加氢机的数量
优选条件下，本发明采用单枪加氢机。
以下通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
某城市拟建设一座加氢站但周围无氢源可供采购，加氢站附近有城市用天然气管道。加氢站内氢气加注压力等级为35和70mpa，氢气加注时间集中，主要服务对象为：出租车30辆(氢气加注压力等级为70mpa)，公交车20辆(氢气加注压力等级为35mpa)，客运车15辆(氢气加注压力等级为35mpa)，其它车辆(氢气加注压力等级为35mpa)用氢量200kg(单位：kg)，停机敏感性大。
根据以上规划条件，天然气重整供氢加氢站设备选型实施方式如下：
一、确定以下基本参数
(1)天然气重整供氢加氢站日供氢量m＝5×30+20×20+15×15+200＝975kg
(2)天然气重整供氢加氢站氢气加注时间集中，t＝10h；
(3)每小时加氢量mt＝975kg/10h＝97.5kg/h
(4)由于天然气重整供氢加氢站的主要服务对象为公交车，所以停机敏感性较大；
(5)氢气加注压力等级p为35mpa和70mpa。
二、天然气重整系统选型：确定天然气重整设备的数量n
天然气重整系统对天然气的处理总量
式中，m为加氢站日加注氢气量；θ为天然气重整系统的效率，取值为0.65，t为天然气重整系统日平均运行时间，取值为10h；
本实施例中，采用的撬式天然气重整设备的对天然气的处理量v1为250nm3/h。
因此，n＝[418.5/250]＝2，选用两台撬式天然气重整设备。
三、氢气净化系统选型
由于天然气重整系统热力学及动力学的限制，重整获得的氢气纯度及杂质含量难以达到燃料电池汽车用氢气的要求，因此需要增设氢气净化装置。
氢气净化装置选用变压吸附分离(psa)工艺，可采用“5-1-3”工艺，即选用5个吸附塔，始终有1个吸附塔处于吸附状态。通过计算单位小时净化氢气体积获得吸附塔的处理量，单位小时内氢气体积v0(单位：m3/h)计算公式如下：
因此吸附塔的处理量为24.4m3/h。
四、确定氢气压缩机的排量和数量
单位小时内氢气压缩量vt＝97.5/7.5＝13m3/h＝＝0.00361m3/s；
氢气压缩机功率
将进气绝对压力为ps＝101×105pa，出气绝对压力为pd＝846×105pa，代入公式可得n＝259kw＞60kw；
因此，由于停运敏感性较高，选用三台排气不小于7m3/h的氢气压缩机。
五、根据氢气加注压力等级p，设置储氢系统的压力系统以及各级压力系统的储氢量比例，方法如下：
本实施例中氢气加注压力等级为70mpa和35mpa，因此设置低压、中压、高压三级储氢系统，低压储氢罐设计压力为25mpa，中压储氢罐设计压力为45mpa，高压储氢罐设计压力为87.5mpa。
加氢站日供氢量m为975kg，氢气加注压力等级为35mpa和70mpa，则储氢系统设置如下：
低压储氢设备设计压力为25mpa，选用水容积为5m3的储氢罐四座，单罐储氢容量为88kg，共储氢352kg；
中压储氢设备设计压力为45mpa，选用水容积为5m3的储氢罐两座，单罐储氢容量为145kg，共储氢290kg；
高压储氢设备设计压力为87.5mpa，选用水容积为5m3的储氢罐一座，单罐储氢容量为235kg；
本实施例中储氢系统的储氢总容量＝352kg+290kg+235kg＝877kg；
本实施例中，虽然储氢系统的储氢总容量小于加氢站日加氢量(占预计日加氢量的89.9％)，但是考虑到前端天然气重整制氢装置可连续供氢，因此，该储氢系统可满足日常氢气加注要求。
且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1.49:1.23:1。
六、依据氢气加注压力等级确定是否选用氢气预冷系统设置，判断方法如下：
本实施例中的天然气重整供氢加氢站中氢气的加注等级为35和70mpa，应选用氢气预冷系统；
氢气预冷系统采用盐水与氢气换热方式预冷，预冷后氢气温度需要达到不低于-40℃。
七、加氢机设备选型
加氢机为单枪机，对于加注压力等级为35mpa的加氢机，日加氢量为200kg，对于加注压力等级为70mpa的加氢机，日加氢量为350kg，则加氢机数量计算公式为：
加氢机数量＝[m1/200]+[m2/350]，式中[]为向上取整数运算符，式中m1为35mpa压力等级下加氢量，m1＝20×20+15×15+200＝825kg，m2为70mpa压力等级下加氢量，m2＝30×5＝150kg；
将m1和m2的数值代入上式，得到加氢机数量＝[825/200]+[150/350]＝6
因此，本实施例中单枪加氢机的数量为6台。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。