一种大流量、连续液氢加注站加注系统及加注方法与流程

1.本发明属于液氢加氢站技术领域，特别涉及一种大流量、连续液氢加注站加注系统及加注方法。


背景技术：

2.加氢站是为燃料电池汽车充装氢气的场所，是燃料电池车应用的重要保障，也是氢能发展利用的关键环节。根据加氢站内氢气储存的形态不同，可分为气氢加氢站和液氢加氢站。气氢加氢站是目前占据主导地位的储氢方式，但其储氢密度低，安全性较差，相较于高压气氢储氢加氢站，液氢加氢站具有占地面积小、液氢储存量大的特点，能够满足大规模的加氢需求。液氢加氢站将液氢储存在具有多层真空绝热的大型低压液氢储罐中，通过汽化、加压后给高压氢罐燃料电池汽车用户加氢。根据《sae j2601》国际氢加注协议标准，当进行70mpa氢加注时，缓冲罐中的高压氢应该预冷至-33℃至-40℃之间，在3min内加注至燃料电池汽车储氢气瓶体积容量的97％，峰值加注速度为3.6kg/min。预计，至2030年，高压氢的峰值加注速度应达到8.0kg/min以上。但是，目前的预冷单元预冷能力严重受限，且能耗偏高，液氢泵的出口流量最高仅为100kg/h，严重受限，加注速率难以满足重卡、客车等10kg车载储氢气瓶的快速充注需求，而通过延长加注时间来满足充注要求，会造成非常差的充注使用体验。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出了一种大流量、连续液氢加注站加注系统及加注方法，解决了现有的液氢加氢站无法实现大流量、连续液氢加注的问题。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种大流量、连续液氢加注站加注系统，所述系统包括与液氢储罐相连的液压增压泵、空温式汽化器、高压紧凑式换热器、固定式高压缓冲罐、低温蓄冷器、微混合器和加氢机；
6.液压增压泵的输出端分为三路，分别与第一高压低温管线、第二高压低温管线以及第三高压低温管线相连；
7.第一高压低温管线与微混合器相连，微混合器与加氢机相连；
8.第二高压低温管线依次与微混合器、低温蓄冷器相连；
9.第三高压低温管线依次与空温式汽化器、高压紧凑式换热器、固定式高压缓冲罐相连；
10.低温蓄冷器分别与固定式高压缓冲罐、微混合器和加氢机相连；
11.高压紧凑式换热器分别与低温蓄冷器、加氢机相连。
12.进一步地，第二高压低温管线上还连接有第四高压低温管线，第四高压低温管线与微混合器并联。
13.进一步地，低温蓄冷器分别通过第五高压低温管线与高压紧凑式换热器相连、第
六高压低温管线与加氢机相连。
14.进一步地，固定式高压缓冲罐分别通过第一高压常温管线与加氢机相连、第二高压常温管线与低温蓄冷器相连。
15.进一步地，第一高压低温管线上连接有第二减压阀；第二高压低温管线上连接有第一调节阀；第三高压低温管线上连接有第三调节阀；第四高压低温管线上连接有第二调节阀；第五高压低温管线上连接有第六调节阀；第六高压低温管线上连接有第一减压阀；
16.高压紧凑式换热器通过连接有第八调节阀的管线与加氢机相连；低温蓄冷器分别通过连接有第四调节阀的管线与微混合器相连、连接有第五调节阀的管线与加氢机相连。
17.进一步地，第一高压常温管线上连接有第七调节阀、第三减压阀；第二高压常温管线上连接有第九调节阀。
18.进一步地，低温蓄冷器能够为低温蓄冷系统，低温蓄冷系统包括依次相连的高压多股流换热器、多层绝热保温的载冷剂储液罐和蓄冷剂输运泵，高压多股流换热器压力大于等于70mpa。
19.进一步地，高压多股流换热器采用缠绕管式换热器或印刷电路板式换热器。
20.进一步地，空温式汽化器为耐高压带翅片的复合金属套管，其流道为蛇形曲折布置形式；或为蛇形或竖直布置的sus系列不锈钢材质光管；空温式汽化器内额定压力大于等于100mpa。
21.进一步地，高压紧凑式换热器的通道截面为半圆形或矩形，高压紧凑式换热器的流道为波浪形或直流道，通道水力直径为0.1mm—3mm；高压紧凑式换热器内额定压力大于等于100mpa。
22.进一步地，低温蓄冷器为长方形的实心芯体，芯体外含多层隔热泡沫保温材料，芯体内有多个不同温度的高、低压氢的蛇形曲折管；低温蓄冷器的材质为金属铝或铜。
23.进一步地，微混合器的通道截面为半圆形或矩形，流道为波浪形或直流道；微混合器为单张板片厚度为0.5mm—2.5mm、通道直径为0.1mm—3.0mm的印刷电路板式高压微通道混合器。
24.本发明还提供了一种上述系统的加注方法，该方法包括：打开第五调节阀和第九调节阀，其他阀门关闭；
25.处于充足状态的固定式高压缓冲罐瓶组中高压常温氢经第二高压常温管线进入温度低于-40℃的低温蓄冷器或低温蓄冷系统的热侧，经连接有第五调节阀的高压氢管线流至加氢机。
26.本发明还提供了一种上述系统的加注方法，当固定式高压缓冲罐瓶组中氢气不足，且低温蓄冷器或低温蓄冷系统的温度高于-40℃时，分别打开与液压增压泵相连的单向止回阀后、第二调节阀和第六调节阀，其他阀门关闭；
27.液氢储罐中的液氢进入液压增压泵后经第四高压低温管线输送至低温蓄冷器或低温蓄冷系统的冷侧，再进入高压紧凑式换热器的冷侧，升温气化后通过连接有第八调节阀的管线流至加氢机。
28.本发明还提供了一种上述系统的加注方法，当固定式高压缓冲罐瓶组中氢气充足，且低温蓄冷器或低温蓄冷系统的温度高于-40℃时，打开第四调节阀、第三减压阀、第七调节阀和第九调节阀，其他阀门关闭；
29.固定式高压缓冲罐瓶组中的高压常温氢经第二高压常温管线进入低温蓄冷器或低温蓄冷系统的热侧，再进入微混合器，与经第一高压低温管线流经第二减压阀的减压后的高压低温氢直接混合进行初级预冷，初级预冷后的低温高压氢与经第一高压常温管线输送的高压常温氢在第二混合点混合进行二级预冷，之后通过管线流至加氢机。
30.本发明还提供了一种上述系统的加注方法，当固定式高压缓冲罐瓶组中氢气充足，且低温蓄冷器或低温蓄冷系统的温度低于-40℃时，分别打开第一调节阀、第四调节阀、第三减压阀、第七调节阀、第九调节阀，其他阀门关闭；
31.固定式高压缓冲罐瓶组中高压常温氢经第二高压常温管线进入低温蓄冷器或低温蓄冷系统的热侧，与经第一高压低温管线、第二减压阀减压后的氢气分别进入微混合器中混合，进行初级预冷并换热至低于-40℃的低温高压状态；
32.经第二高压低温管线的高压低温氢进入微混合器的冷侧，再进入低温蓄冷器或低温蓄冷系统的冷侧，再经第六高压低温管线、第一减压阀，与经第一高压常温管线的高压常温氢在第一混合点处混合，进行初级预冷，再与微混合器出口处的高压氢在第二混合点进行二次混合、二级预冷，之后通过管线流至加氢机。
33.本发明的液氢站能够在不需要氢气加氢站类似的额外供电的单独制冷机组的情况下，通过充分利用液氢本身所具有的冷能，实现35mpa大流量加氢和70mpa大流量加氢两种加氢方式。为了实现氢的大流量、快速加注，设置了低温蓄冷器或低温蓄冷系统，在高压氢加注过程中，可以在固定式高压缓冲罐瓶组中的高压常温氢预冷过程中，提供一部分冷量，减少预冷过程耗冷量，且高压常温氢本身所携带的热量被吸收，减少了液氢泵出口的高压低温氢汽化消耗热量。
34.同时，通过带有冷却功能的微混合器，实现更为高效的直接接触式预冷；在高压低温氢汽化充装过程中，使液氢泵出口的高压低温氢首先流经低温蓄冷器或低温蓄冷系统，使低温蓄冷器或低温蓄冷系统实现降温蓄冷，且减少高压低温氢本身汽化过程中的耗热量，也减少了固定式高压缓冲罐瓶组中的高压常温氢预冷过程的耗冷量，满足大流量高压气氢的预冷需求，实现了液氢汽化与气氢预冷的时空间匹配强耦合关系，大大节省了整站能耗，与气氢加氢站相比，更能凸显出液氢加氢站的优势。
35.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
36.为了更清楚地说明本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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
37.图1示出了根据本发明的第一实施例的一种大流量、连续液氢加注站加注系统；
38.图2示出了根据本发明的第二实施例的一种大流量、连续液氢加注站加注系统的示意图；
39.附图标记：1、液氢储罐；2、液压增压泵；3、空温式汽化器；4、高压紧凑式换热器；5、
固定式高压缓冲；6、低温蓄冷器；7、微混合器；8、加氢机；9、单向止回阀；6
，
、高压多股流换热器；12、载冷剂储液罐；13、蓄冷剂输运泵；
40.16、第二混合点；17、第一混合点；
41.111、第一调节阀；112、第二调节阀；113、第三调节阀；114、第四调节阀；115、第五调节阀；116、第六调节阀；117、第七调节阀；118、第八调节阀；119、第九调节阀；
42.141、第一高压低温管线；142、第二高压低温管线；143、第三高压低温管线；144、第四高压低温管线；145、第五高压低温管线；146、第六高压低温管线；
43.151、第一高压常温管线；152、第二高压常温管线；
44.101、第一减压阀；102、第二减压阀；103、第三减压阀。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.图1示出了一种大流量、连续液氢加注站加注系统，本发明中大流量为(＞＝7.2kg/min)；该系统包括与液氢储罐1相连的液压增压泵2、空温式汽化器3、高压紧凑式换热器4、固定式高压缓冲罐5、低温蓄冷器6、微混合器7和加氢机8；液压增压泵2的输出端与单向止回阀9相连，并分为三路，分别与第一高压低温管线141、第二高压低温管线142以及第三高压低温管线143相连；第一高压低温管线141与微混合器7相连，第一高压低温管线141上连接有第二减压阀102；第二高压低温管线142依次与微混合器7、低温蓄冷器6相连；第二高压低温管线142上连接有第一调节阀111；
47.第二高压低温管线142同时与第四高压低温管线144相连，连接有第二调节阀112的第四高压低温管线144与微混合器7并联。第三高压低温管线143依次与空温式汽化器3、高压紧凑式换热器4、固定式高压缓冲罐5相连；第三高压低温管线143上连接有第三调节阀113。
48.低温蓄冷器6通过连接有第六调节阀116的第五高压低温管线145与高压紧凑式换热器4的高压氢侧入口相连，高压紧凑式换热器4的高压氢侧出口通过连接有第八调节阀118的管线并经过第二混合点16与加氢机8相连。
49.固定式高压缓冲罐5通过连接有第三减压阀103、第七调节阀117的第一高压常温管线151并经过第一混合点17与加氢机8相连；固定式高压缓冲罐5通过连接有第九调节阀119的第二高压常温管线152与低温蓄冷器6相连。
50.低温蓄冷器6的高压常温氢侧出口通过连接有第四调节阀114的管线与微混合器7相连，低温蓄冷器6的高压常温氢侧出口通过连接有第五调节阀115的管线并经过第二混合点16与加氢机8相连。
51.微混合器7通过连接有第二调节阀112的第四高压低温管线144与低温蓄冷器6的高压低温侧入口相连，低温蓄冷器6的高压低温侧出口连接第六高压低温管线146，第六高压低温管线146连接有第一减压阀101，低温蓄冷器6的高压低温侧出口分别经第六高压低温管线146、第一混合点17、第二混合点16与加氢机8相连。
52.本发明实施例中，空温式汽化器3可以为耐高压(＞＝100mpa)的带翅片的复合金属套管，其流道为蛇形曲折布置形式；也可以是蛇形或竖直布置的sus系列不锈钢材质光管。
53.本发明实施例中，高压紧凑式换热器4为通道截面为半圆形或矩形，流道为波浪形或直流道的微通道，通道水力直径在0.1mm－3mm之间，材质为sus316l的印刷电路板式换热器，热侧工质为醇类或导热油类，冷侧工质为高压低温氢。
54.本发明的一个实施例中，如图1所示的低温蓄冷器6，其材质为金属铝或铜，外形为长方形的实心芯体，芯体外含多层隔热泡沫保温材料，芯体内有多个不同温度的高、低压氢的蛇形曲折管。本发明的另一个实施例中，当采用蓄冷模式时，见如图2所示的低温蓄冷系统，对于蓄冷剂单元回路，包含多层绝热保温的载冷剂储液罐12、蓄冷剂输运泵13、高压多股流换热器(＞＝70mpa)6
，
；其中，多股流换热器可以采用缠绕管式换热器或印刷电路板式换热器，当采用缠绕管式换热器时，蓄冷剂走壳程。
55.本发明的一个实施例中，微混合器7的通道截面为半圆形或矩形，流道为波浪形或直流道，单张板片厚度在0.5mm—2.5mm之间，通道直径在0.1mm—3.0mm之间的印刷电路板式高压(＞＝70mpa)微通道混合器。
56.本发明的一个实施例中，微混合器7、图1所示的低温蓄冷器6，图2所示的低温蓄冷系统6，可以额外增加一路氢bog冷却管路，此时，微混合器7、低温蓄冷器6、高压多股流换热器(＞＝70mpa)6
，
均设计为多股流换热。
57.图1中液氢的充装过程的具体工作原理为：液氢缓冲罐1中的低压
58.(＜＝0.5mpa)、低温(－253℃)液氢进入液压增压泵2，升压升温至(＞＝90mpa，＞＝－220℃)，经过单向止回阀9、分为两股流股，其中，第一股流股沿着第三高压低温管线143依次进入空温式汽化器3、高压紧凑式换热器4，充分吸热后升温汽化，最终进入固定式高压缓冲罐5(＞＝80mpa)储存，完成第一股液氢的汽化、充装过程。在液压增压泵2出口的第二股液氢沿着第四高压低温管线144进入低温蓄冷器6之前，打开与微混合器7并联的第四高压低温管线144的第二调节阀112，关闭微混合器7冷侧入口前端的第一调节阀111。第二股高压液氢依次流经低温蓄冷器6、高压紧凑式换热器4后充分吸热并升温汽化，之后进入固定式高压缓冲罐5储存，完成第二股流股高压氢的汽化、充装过程。
59.固定式高压缓冲罐5的出口端通过第一高压常温管线151、第三减压阀103、第七调节阀117与加氢机8相连，用于完成高压氢向加氢机的加注。
60.具体加注过程如下：当进行70mpa高压氢加注时，固定式高压缓冲罐5内储存有经气化升温后的高压常温氢，高压常温氢经固定式高压缓冲罐5的出口端分为两股，一股经第二高压常温管线152依次流经低温蓄冷器6、微混合器7，降温为高压低温氢；与流经第一高压常温管线151另一股高压常温氢在第二混合点16进行混合。与此同时，液压增压泵2出口的第三股流股高压氢沿着第一高压低温管线141，首先流经第二减压阀102，进入微混合器7中减压至与低温蓄冷器6出口端的高压氢相同的压力，随后，高压氢需要进行两次混合。首先，与低温蓄冷器6出口端的高压氢直接接触，实现初级混合，并与液压增压泵2出口的沿着第一高压低温管线141的第三股液氢充分换冷后，与高压缓冲罐5出口的沿着第一高压常温管线151的一股高压常温氢再次直接接触，进行混合，最终调温至－40℃左右，经加氢机8，完成70mpa高压氢加注。
61.如图2所示为大流量、连续液氢加注站加注系统的另一个实施例，图2中，可以将图1中的低温蓄冷器6替换成低温蓄冷单元，低温蓄冷单元包括高压多股流换热器6
，
、带多层绝热保温的蓄冷剂储罐12和蓄冷剂输运泵13，高压多股流换热器6
，
与带多层绝热保温的蓄冷剂储罐12、蓄冷剂输运泵13依次相连；其他部件、阀门以及管道的相互连接关系和图1保持相同，其实现的作用和功能也相同，在此不再赘述。
62.下面将基于不同模式详细阐述图1和图2所示的大流量、连续液氢加注站加注系统的充装、加注过程。
63.当车载移动式储氢气瓶的容量还剩下50％以下，70mpa的燃料电池汽车等待加注时，如果固定式高压缓冲罐5中氢气量大于80％，且低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的温度低于－40℃时，打开第九调节阀119、第五调节阀115，关闭其他阀门。固定式高压缓冲罐5中的高压常温氢气经第二高压常温管线152，进入低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的热侧，被冷却至－40℃左右时，再经过连接有第五调节阀115的高压氢管线，流至加氢机8，对燃料电池汽车进行加注。
64.当车载移动式储氢气瓶的容量还剩下80％以下，70mpa的燃料电池汽车等待加注时，如果固定式高压缓冲罐5中氢气量少于30％，且低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的温度高于－40℃时，此时，打开第二调节阀112、第六调节阀116和第八调节阀118，关闭其他阀门。液氢储罐1中的低压(＜＝0.5mpa)、低温(－253℃)液氢进入液压增压泵2升压升温至(＞＝90mpa，－220℃)，经过单向止回阀9后，经第四高压低温管线144进入低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的冷侧；再经连接有第六调节调节阀的第五高压低温管线145进入高压紧凑式换热器4的冷侧，吸热并升温至－40℃左右时，不进入固定式高压缓冲罐5中，直接通过连接有第八调节阀118的高压氢管线流至加氢机8，对燃料电池汽车进行加注。
65.当车载移动式储氢气瓶的容量还剩下40％以下，70mpa的燃料电池汽车等待加注时，如果固定式高压缓冲罐5中氢气量大于70％，且低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的温度高于－40℃时，此时，打开第四调节阀114、第三减压阀103、第七调节阀117和第九调节阀119，关闭其他阀门。固定式高压缓冲罐5中的高压常温氢分为两路流股，第一股高压常温氢经连接有第九调节阀119的第二高压常温管线152，进入低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的热侧入口，再进入微混合器7中，与从液压增压泵2输出、并通过第一高压低温管线141流经第二减压阀102减压后的高压低温氢直接接触混合换热，初级预冷至低于－40℃的低温高压状态，此时，微混合器7处于绝热状态。然后，预冷后低于－40℃的低温高压氢与固定式高压缓冲罐5中流经第一高压常温管线151、第三减压阀103、第七调节阀117的另一路高压常温氢，在第二混合点16处直接再次混合，二次预冷至－40℃，之后通过管路流至加氢机8，对燃料电池汽车进行加注。
66.当车载移动式储氢气瓶的容量还剩下20％以下，且不止一辆70mpa的燃料电池汽车等待加注，固定式高压缓冲罐5中氢气量大于80％，且低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的温度低于－40℃时，此时，打开第一调节阀111、第四调节阀114、第三减压阀103、第七调节阀117和第九调节阀119，关闭其他阀门。固定式高压缓冲罐5中的高压氢分为两路流股，一路流股沿着高压常温管线152，经过第九调节阀119，进入低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的热侧，再进入微混合器7中；与此同时，液压增压泵2出口的高压低温氢分为两路流股，其中，一股高压低温氢沿着第一高压低温管线141，经过第二减压阀102减压后，直接混合，初级预
冷、并换热至低于－40℃的低温高压状态；液压增压泵2出口的另一路高压低温氢，沿着第二高压低温管线142，首先经过第一调节阀111，进入微混合器7的冷侧，再沿着管线进入低温蓄冷器6或低温蓄冷单元的冷侧，随后，沿着第六高压低温管线146，经过第一减压阀101，与固定式高压缓冲罐5中沿着第一高压常温管线151，经过第三减压阀103、第七调节阀117的另一路高压氢在第一混合点17处直接进行第一次混合，初级预冷，第一次混合预冷后的高压氢再与微混合器7热侧出口的高压氢在第二混合点16处进行第二次混合，二级预冷，然后，通过管路流至加氢机8，对燃料电池汽车进行加注，此时，峰值加注速率大于7.2kg/min。
67.当35mpa的燃料电池汽车等待加注时，固定式高压缓冲罐5中的高压常温氢(＞＝35mpa)经第三减压阀103减压至35mpa后，直接沿着第一高压常温管线151，经过第九调节阀119，流至加氢机8，对35mpa的燃料电池汽车进行加注。
68.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。