一种自动液氢加注机及液氢加注方法与流程

本发明涉及一种自动液氢加注机及液氢加注方法，属于液氢加注。

背景技术：

1、加氢站是为氢能燃料电池汽车等氢能利用设备设施提供能源补给的基础设施，是氢燃料电池汽车推广应用、加快发展氢能产业的前置条件。加氢站分为站外供氢加氢站和站内制氢加氢站。站外供氢加氢站又分为高压氢气加氢站和液氢加氢站。

2、液氢加氢站分为液氢储存型加氢站和液氢加注型加氢站，液氢储存型加氢站是指加氢站内以液氢的方式进行储存，加注前在站内气化成高压氢气进行加注。按照工艺又可以采用“先增压后气化”或“先气化后增压”的方式；液氢加注型加氢站是指直接给车辆加注液氢，在车载系统中进行气化。液氢加注型加氢站的难点在于整个加注系统的低温绝热性，以及加注设备的研发。目前国内外关于液氢加注设备成熟产品较少，难以满足建站需求。随着液氢重卡等新型运输工具的研制，对于适合民用的液氢加注机的开发则迫在眉睫。

3、液氢加注机目前主要应用于航天领域，该领域液氢加注机相对于民用领域而言，具有单次加注流量大、接收端容器工况参数单一、系统较复杂、占用空间大、无法实现全自动加注等特点，不适合民用领域。

4、民用领域方面，国内外液氢加注机产品较少。国外目前已知的有林德公司为戴姆勒公司和宝马公司研发的液氢加注机，主要为液氢重卡加注。该液氢加注机漏热严重，液氢产生的蒸发气体(boil-off gas,bog)较多，液氢加注效率较低，不能实现加注速度的调整。此外，bog冷量不回收，造成冷量浪费。国内适用于液氢加氢站的液氢加氢机产品还处于空白。

技术实现思路

1、为填补国内液氢加注机空白，弥补国外液氢加注机不足之处，本发明的目的在于提供一种自动液氢加注机及液氢加注方法。所述液氢加注机及液氢加注方法可为民用液氢加氢站配套，应用于相对小流量的液氢燃料电池车辆的加注场景；可以实现液氢加注自动化控制，自动调整加氢速度；准确计量液氢加注流量；采用预冷措施降低bog产生，提升加注率；冷量回收。

2、为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

3、一种自动液氢加注机，所述液氢加注机主要包括液氢加注管路、置换吹扫管路、小流量预冷管路、回气管路、置换排空管路、总排空管路、监测系统、自动控制系统、开关控制阀、安全阀、压力调节阀、过滤器和液氢加注枪。

4、监测系统由监测组a、监测组b和监测组c构成，用于监测管路中的温度、压力和氢气/液氢流量。

5、自动控制系统可采用本领域现有技术中的自动控制系统，如编程逻辑控制器(plc)等。

6、所述开关控制阀包括若干气动阀、单向阀和低温手动针阀。

7、所述气动阀上配备有电磁阀，利用电信号控制电磁阀开断控制驱动气，进而实现自动控制系统通过远程控制气动阀的开关。单向阀用于防止外界空气进入管路。低温手动针阀作为气动阀自动控制失灵时的备用控制机构或是所述液氢加注机长时间的不使用时的加强关闭。

8、所述安全阀为低温安全阀a和低温安全阀b。

9、液氢加注管路用于连通液氢储罐与车载液氢接收容器。液氢加注管路上，与液氢储罐接口连接处为输入端，与液氢加注枪连接处为输出端，从输入端向输出端依次设有低温手动针阀a、过滤器、低温气动阀a、置换吹扫管路、小流量预冷管路、监测组a、压力调节阀、置换排空管路、低温气动阀d和监测组b。

10、过滤器用于去除输入液氢中的固体杂质。

11、置换吹扫管路上设有单向阀和置换气动阀，分别与氮气源或氢气源连接。优选在单向阀和置换气动阀之间还设有手动针阀，作为气动阀自动控制失灵时的备用控制机构或是用于所述液氢加注机长时间的不使用时的加强关闭。

12、优选置换吹扫管路由氮气置换吹扫管路和氢气置换管路组成。

13、氮气置换吹扫管路用于通入氮气(n2)对所述液氢加注机管路中的气体进行置换和吹扫。氮气置换吹扫管路的出气端与液氢加注管路连接，进气端与氮气源连接；氮气置换吹扫管路上设有单向阀a和置换气动阀a用于控制氮气通入液氢加注管路。优选单向阀a和置换气动阀a之间还设有手动针阀a。

14、氢气置换管路用于通入氢气(h2)对所述液氢加注机管路中的气体进行置换。氢气置换管路的出气端与液氢加注管路连接，进气端与氢气源连接；氢气置换管路上设有单向阀b和置换气动阀b用于控制氢气通入液氢加注管路。优选单向阀b和置换气动阀b之间还设有手动针阀b。

15、小流量预冷管路是液氢加注管路上的一条分支回路，小流量预冷管路上设有低温气动阀c；小流量预冷管路与液氢加注管路连接的输入端和输出端之间的液氢加注管路上设有低温气动阀b，低温气动阀b和低温气动阀c共同作用，控制小流量预冷管路中氢气流向或液氢加注管路中液氢流向。小流量预冷管路的管径小于液氢加注管路的管径，具体大小依照实际液氢加注管路的长度和管径所需的预冷量进行计算得到。在所述液氢加注机刚工作时，液氢加注管路的温度高于液氢温度，因此液氢会气化为氢气，通过采用管径较小的小流量预冷管路，使气化后的低温氢气以相对较小的流量对液氢加注管路进行快速预冷至接近液氢温度，可以避免液氢直接输入管径较大的液氢加注管路造成大量蒸发，提升液氢加注效率。

16、优选监测组a由压力变送器a、温度变送器a和流量计a组成；监测组b由压力变送器b和温度变送器b组成。

17、监测组b通过采集温度和压力信号传输至自动控制系统，控制压力调节阀的开合程度，以控制液氢加注压力和流量，实现自动调整加氢速度。

18、监测组a通过采集温度和压力信号传输至自动控制系统，实现三方面作用：1、控制小流量预冷管路的启用，2、与监测组b采集的信号进行对比，监测液氢加注管路的整体压力，对压力调节阀调节压力的准确性进行判断调整，3、采集液氢加注管路中的液氢流量。

19、低温气动阀d用于控制液氢加注管路与液氢加注枪的连通和关闭。

20、液氢加注管路输出端与液氢加注枪连接，通过车载液氢加注口将液氢加入车载液氢接收容器；优选液氢加注管路输出端通过拉断阀a与液氢加注枪连接，拉断阀a用于意外事故发生时防止管路内的液氢喷射出来引发安全事故。

21、车载液氢接收容器上通常设置有氢气回收管路，本发明所述液氢加注机内设置有回气管路，用于接收氢气回收管路中回收的氢气。回气管路的进气端与液氢加注枪连接，液氢加注枪通过车载液氢回气口与氢气回收管路连接。回气管路上，从进气端向出气端方向依次设有低温气动阀e、低温手动针阀b、单向阀d、监测组c和低温气动阀h，出气端与接收容器连接。通过回气管路，液氢加注时车载液氢接收容器内的bog可以直接回到接收容器中。

22、优选回气管路的进气端通过拉断阀b与液氢加注枪连接，拉断阀b用于意外事故发生时防止管路内的液氢喷射出来引发安全事故。

23、优选监测组c由压力变送器c、温度变送器c和流量计b组成。

24、监测组a中的流量计a与监测组c中的流量计b的示数差值即为加注的液氢流量，可实现液氢加注量的准确计量。监测组c中的温度变送器c和压力变送器c用于监测回气管路中的压力和温度。

25、置换排空管路的进气端与液氢加注管路连接，连接处位于压力调节阀和低温气动阀d之间；置换排空管路的出气端与回气管路连接，连接处位于低温气动阀e与低温手动针阀b之间；置换排空管路上设有低温气动阀f。

26、总排空管路的进气端与回气管路连接，连接处位于监测组c和低温气动阀h之间，其上设有气动排空阀和单向阀c，出气端与外界空气连通，用于安全排气。

27、在液氢加注管路上设有低温安全阀a，低温安全阀a的入口与液氢加注管路连接，连接处位于低温气动阀a和低温气动阀b之间，低温安全阀a的出口与总排空管路连接，连接处位于气动排空阀和单向阀c之间。低温安全阀a用于在置换过程中对液氢加注管路进行管内超压保护。

28、在回气管路上设有低温安全阀b，低温安全阀b的入口与回气管路连接，连接处位于单向阀d和低温气动阀h之间，低温安全阀b的出口与总排空管路连接，连接处位于气动排空阀和单向阀c之间。低温安全阀b用于在液氢加注过程中对回气管路进行管内超压保护。

29、优选所述液氢加注机中还设有氢气回收利用管路，氢气回收利用管路的进气端与回气管路连接，连接处位于监测组c和低温气动阀h之间，其上设有低温气动阀i，出气端与增压回收系统连接，低温气动阀i和增压回收系统之间设有换热器。液氢加注时或加注完毕后，留在管路中多余的氢气可以通过氢气回收利用管路上的换热器连接进行冷量回收，对通过换热器的载冷剂进行降温，也可将载冷剂换成如氮气等气体进行液化；经换热器换热后，氢气到达增压回收系统，在增压回收系统内经压缩机增压后储存起来可以作为置换用的氢气，或其他方式再利用；当作为置换用的氢气时，通过管路连接减压阀，然后再与氢气置换管路的进气端连通即可。监测组c中的温度变送器c和压力变送器c还可用来监测增压回收系统中的需求。

30、一种液氢加注方法，所述加注方法采用本发明所述的一种自动液氢加注机实现，所述方法步骤如下：所述液氢加注机长期不工作和短时间工歇时，所有气动阀均关闭。

31、所述液氢加注机长期未工作时，所有低温手动针阀、手动针阀和气动阀均关闭，短时间工歇时，低温手动针阀和手动针阀常开，气动阀关闭。

32、当所述液氢加注机长期未工作时，其管路中会存在空气，如果直接通入氢气会有爆炸的风险，因此在启动液氢加注工作前，需打开相关阀门通入氮气，对液氢加注机所有管路中的空气进行置换与吹扫；然后通过氢气置换管路通入氢气，对液氢加注机管路中的气体进行氢气置换，避免有除氢气外的其他气体存在。

33、当液氢加注机经常使用时，在启动液氢加注工作前，需打开相关阀门，通过氢气置换管路通入氢气，对液氢加注机中的管路进行吹扫，避免管路中有除氢气外的其他气体存在。

34、所述置换与吹扫需要进行多次，正常情况下，每次置换与吹扫的气体通过置换排空管路和总排空管路排出液氢加注机，当置换与吹扫的气体压力超过低温安全阀a设定的压力，气动排空阀仍未打开时，低温安全阀a被动打开，将气体出液氢加注机。

35、当氢气置换完毕后，启动液氢加注工作，打开相关阀门，液氢通过液氢加注管路输入端输入所述液氢加注机，由于此时液氢加注机中的管路温度高于液氢温度，因此液氢气化为氢气，通过相关阀门控制低温氢气从小流量预冷管路通过，使低温氢气以较小的加注量对液氢加注管路进行快速预冷，将温度降低至接近液氢温度后完成，预冷蒸发的氢气通过置换排空管路进入回气管路，可以通过回气管路的出气端进入接收容器，或是进入氢气回收利用管路到达增压回收系统。预冷完成后通过相关阀门控制，关闭小流量预冷管路通道，打开液氢加注管路通道，使液氢通过管径较大的液氢加注管路进行大流量和小流量的液氢加注。

36、在加注过程中，当车载液氢接收容器中的氢气压力超过车载液氢接收容器接受液氢压力设定值且小于加氢站液氢储罐内压力时，低温气动阀e打开，氢气通过回气管路出气端到达接收容器。加注结束或增压回收系统有氢气需求时，可通过打开氢气回收利用管路使来自车载液氢接收容器内低温氢气得到回收，所述低温氢气通过换热器将冷量回收后，到达增压回收系统，再经减压阀后可以作为氢气置换用的氢气源。

37、当车载液氢接收容器加满后，关闭相关阀门，停止液氢加注。

38、优选，当液氢加氢枪接收到车载液氢加注口出发送的加注到95％信号后且加满信号前，关闭液氢加注管路通道，打开小流量预冷管路通道，使液氢以较小的流量传输，以便准确控制液氢的加入量，直至加满；当液氢加氢枪接收到车载液氢加注口出发送的加满信号后，首先关闭低温气动阀a和低温气动阀c，然后关闭低温气动阀e，停止液氢加注。

39、有益效果

40、1.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机通过结构组成设计，可以实现液氢加注的自动、精准、安全控制，液氢加注效率高，可调整加注速度，可回收bog冷量，适用于民用领域液氢加氢站使用。

41、2.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机中设有监测系统、自动控制系统和开关控制阀，监测系统用于监测管路中的温度、压力和氢气/液氢流量，将信息反馈至自动控制系统；开关控制阀中的气动阀上配备有电磁阀，自动控制系统利用电信号控制电磁阀开断控制驱动气，进而实现自动控制系统通过远程控制气动阀的启闭，响应快速，能自动完成加注、排空、吹扫置换。

42、3.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机中设有监测系统，其中在氢气加注管路上设有监测组a和监测组b，在回气管路上设有监测组c；

43、监测组a通过采集温度和压力信号传输至自动控制系统，实现三方面作用：1、控制小流量预冷管路的启用，2、与监测组b采集的信号进行对比，监测液氢加注管路的整体压力，对压力调节阀调节压力的准确性进行判断调整，3、采集液氢加注管路中的液氢流量；

44、检测组b通过采集温度和压力信号传输至自动控制系统，控制压力调节阀的开合程度，以控制液氢加注压力和流量，实现自动调整加氢速度；

45、监测组a中的流量计a和监测组c中的流量计b的示数差值即为加注的液氢流量，可实现液氢加注量的准确计量。

46、4.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机中设置有小流量预冷管路，在所述液氢加注机刚工作时，液氢加注管路的温度高于液氢温度，因此液氢会气化为氢气，通过采用管径较小的小流量预冷管路，使气化后的低温氢气以相对较小的流量对液氢加注管路进行快速预冷至接近液氢温度，可以避免液氢直接输入管径较大的液氢加注管路造成大量蒸发，防止液氢气化出现两相流，提升液氢加注效率；进一步地，小流量预冷管路还可以实现在快加注完成时精确加注，可满足民用液氢燃料车辆的快速加注。

47、5.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机内设置有回气管路，通过回气管路，液氢加注时车载液氢接收容器内的bog可以直接回到接收容器中，可充分再利用气化的氢气。

48、进一步地，所述液氢加注机中还设有氢气回收利用管路，氢气回收利用管路的进气端与回气管路连接，其上设有换热器和增压回收系统，液氢加注时或加注完毕后，留在管路中多余的氢气可以通过氢气回收利用管路上的换热器连接进行冷量回收，对通过换热器的载冷剂进行降温，也可将载冷剂换成如氮气等气体进行液化；经换热器换热后，氢气到达增压回收系统，在增压回收系统内经压缩机增压后储存起来可以作为置换用的氢气，或其他方式再利用；当作为置换用的氢气时，通过管路连接减压阀，然后再与氢气置换管路的进气端连通即可。

49、6.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机的液氢加注管路输出端通过拉断阀a与液氢加注枪连接，回气管路的进气端通过拉断阀b与液氢加注枪连接，拉断阀a和拉断阀b用于意外事故发生时防止管路内的液氢喷射出来，避免引发安全事故。

50、7.本发明提供了一种自动液氢加注机，所述液氢加注机中设有双重安全阀进行保护，在液氢加注管路上设有低温安全阀a，用于在置换过程中对液氢加注管路进行管内超压保护；在回气管路上设有低温安全阀b，用于在液氢加注过程中对回气管路进行管内超压保护，安全性得到有效保障。