撬装式加氢站及其充惰保护方法与流程

1.本发明涉及氢能安全保障技术领域，具体地涉及撬装式加氢站及其充惰保护方法。


背景技术：

2.氢能作为一种新能源，其来源比较广泛，不仅可通过化石能源获得，也可以通过可包括太阳能、风能等再生能源获取，其获取过程相比其他能源来说可以有效减少污染物的排放，更加清洁环保。同时，由于氢能可通过高压气态、低温液态、金属有机氢化物、有机液体氢化物等多种方式存储，因而适宜于多种应用场景，方便运输和使用。
3.交通用氢能是氢能大规模应用的领域之一，加氢站作为基础能源服务设施，将伴随燃料电池汽车的推广普及而在国内大量建设。撬装式加氢站是加氢站快速建设的主要方式，因为撬装式加氢站可高度集成相关设备，同时自控程度较高，解决了固定式加氢站设备运输困难、占地面积大、建设周期长的不足。然而，由于氢气密度小、具有氢脆特性、燃烧爆炸范围宽，确保氢气安全始终是氢能领域的核心难题。而对于撬装式加氢站，由于相关设备高度集中，撬装式加氢站也面临着较高的安全风险，其中主要是由于氢气泄漏而引发的火灾、爆炸等异常极端事故。
4.在现有技术中，如：专利cn 107061688 a公开了一种撬装式加氢站的整体结构，将增压、加氢、卸氢、冷却、通风和控制系统等全部集成在一个框架内，然而对撬装式加氢站的安全保障系统并未提出针对性的相关措施。又如：专利cn 107044585 a公开了一种撬装式加氢站的整体结构和安全控制器，针对氢气泄漏和火灾设置了安全控制系统，同时将浪涌保护器、冗余开关电源、安全控制器和安全继电器都设置在独立于接线端子的分隔空间中，但也未针对橇装式加氢站设置针对性的安全防护措施。
5.由于撬装式加氢站高压临氢设备集中设置，且管线、阀门、接口等结构密集，易发生氢气泄漏的部位较多。由于撬装式加氢站本身特点，易于形成密闭性空间，一旦氢气发生泄漏后，传统的浓度检测和通风等手段均难以快速、有效地降低撬装结构内部的氢气浓度，可能会引发氢气燃烧、爆炸、爆轰等多种异常事故等，因而亟待开发撬装式加氢站安全保障技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺乏安全防护措施的问题，提供一种撬装式加氢站及其充惰保护方法，本发明在撬装式加氢站中设置充惰保护装置，当加氢站撬体内部发生泄漏，氢气浓度检测组件检测到当前氢气浓度超标时，通过设置在加氢站撬体上的多个充气口将惰性气体快速充入至加氢站撬体内，从而迅速降低氢气浓度，结构简单紧凑，大大提高了撬装式加氢站的安全性。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种撬装式加氢站，包括加氢站撬体和控制中心，所述加氢站撬体的内部设有充惰保护装置，所述充惰保护装置包括设置在所述加
氢站撬体上的氢气浓度检测组件和充气组件，所述氢气浓度检测组件、充气组件分别与所述控制中心之间通过控制信号通讯连接，所述氢气浓度检测组件检测到所述加氢站撬体内部的当前氢气浓度超过阈值浓度后，通过所述控制中心发出控制信号并经所述充气组件向所述加氢站撬体内部充气。
8.优选地，所述充气组件的设置数量为多组，多组所述充气组件依次在所述加氢站撬体的长度方向上间隔设置；每组所述充气组件包括第一充气口和第二充气口，所述第一充气口和所述第二充气口在所述加氢站撬体的横截面方向上的同一竖直直线上，所述第一充气口和所述第二充气口在所述加氢站撬体上的设置高度不同。
9.优选地，所述充气组件在所述加氢站撬体的长度方向上等距离间隔设置。
10.优选地，所述第一充气口设置在所述加氢站撬体靠近顶部的位置，所述第二充气口设置在所述加氢站撬体在高度方向上的中间位置；所述第一充气口和所述第二充气口位于所述加氢站撬体的同一个平面上。
11.优选地，所述充气组件通过管路与用于储存不易燃的惰性气体的惰气储罐相连；所述惰气储罐设置在所述加氢站撬体内部；或者，所述惰气储罐为所述加氢站撬体之外的外接装置。
12.优选地，所述氢气浓度检测组件包括设置在所述加氢站撬体上的氢气检测器和设置在所述控制中心的检测报警控制器，所述氢气检测器与所述检测报警控制器通过电信号彼此通讯。
13.优选地，所述氢气检测器包括气体传感器，所述氢气检测器将所述气体传感器检测到的当前氢气浓度转换成电信号，将所述电信号发送给所述检测报警控制器，所述当前氢气浓度超过所述阈值浓度时，所述报警控制器发出报警信号；和/或，所述报警信号包括声、光、电其中之一或组合。
14.优选地，所述加氢站撬体至少包括由底板、侧壁和顶盖围设而成的封闭空间，所述顶盖上设有用于给所述封闭空间换气的换气组件。
15.优选地，所述撬装式加氢站包括彼此连通的高压储氢罐、氢气压缩机和加氢机，所述高压储氢罐和氢气压缩机设置在所述封闭空间的内部，所述加氢机设置在所述封闭空间的外部。
16.优选地，所述底板朝所述封闭空间的外部延伸形成底座，所述顶盖朝所述封闭空间的外部延伸形成顶棚，所述加氢机设置在所述底座上并位于所述顶棚的下方。
17.优选地，所述惰性气体为氮气、氦气或氩气。
18.本发明第二方面提供一种如上所述的撬装式加氢站的充惰保护方法，该方法包括如下步骤：
19.步骤100：检测所述撬装式加氢站内的当前氢气浓度；
20.步骤200：将所述当前氢气浓度与阈值浓度进行比较，当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，进入步骤300；否则返回步骤100；
21.步骤300：对所述撬装式加氢站内部进行充气处理。
22.优选地，所述步骤100进一步包括：所述当前氢气浓度的检测范围是：氢气占比范围：0-4vol.％；氢气爆炸下限范围：0-100lel％。
23.优选地，所述步骤200进一步包括：
24.当所述当前氢气浓度≤于所述阈值浓度时，为所述撬装式加氢站换气，此时的换气频率为第一换气频率；
25.当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，在进入步骤300的同时，将所述第一换气频率变为第二换气频率，所述第二换气频率＞所述第一换气频率。
26.优选地，所述第二换气频率为30次/小时-35次/小时。
27.优选地，所述步骤200进一步包括：当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，在进入步骤300之前先报警。
28.所述阈值浓度范围是：2％lel-25％lel。
29.优选地，在所述充气处理的过程中，所述步骤300进一步包括：气体的充气速率不低于0.06-0.2m3/(min
·
m3)，气体的充气压力不低于1.8-3.0kpa。
30.优选地，该方法还进一步包括步骤400：当所述当前氢气浓度≤所述阈值浓度时，直接停止对所述撬装式加氢站内部进行充气处理；
31.或者，当所述当前氢气浓度≤所述阈值浓度，维持预定时间后，停止对所述撬装式加氢站内部进行充气处理。
32.优选地，其特征在于，所述预定时间为0.1-0.5小时。
33.通过上述技术方案，本发明在撬装式加氢站中设置充惰保护装置，当加氢站撬体内部发生泄漏，氢气浓度检测组件检测到当前氢气浓度超标时，通过设置在加氢站撬体上的多个充气口将惰性气体快速充入至加氢站撬体内，从而迅速降低氢气浓度，结构简单紧凑，大大提高了撬装式加氢站的安全性。
附图说明
34.图1为本发明一实施例中撬装式加氢站的整体结构示意图；
35.图2为图1所示的撬装式加氢站的充惰保护方法最基本步骤的流程图。
36.附图标记说明
37.100加氢站撬体 101底板 1011底座 102侧壁 103顶盖 1031顶棚 104换气组件 110第一充气口 120第二充气口 130氢气浓度检测组件 200高压储氢罐 300氢气压缩机 400加氢机
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
39.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
40.本发明提供一种撬装式加氢站，包括加氢站撬体100和控制中心(图中未示出)，所述加氢站撬体100的内部设有充惰保护装置，所述充惰保护装置包括设置在所述加氢站撬体100上的氢气浓度检测组件130和充气组件，所述氢气浓度检测组件130、充气组件分别与所述控制中心之间通过控制信号通讯连接，所述氢气浓度检测组件130检测到所述加氢站撬体100内部的当前氢气浓度超过阈值浓度后，通过所述控制中心发出控制信号并经所述
充气组件向所述加氢站撬体100内部充气。由上述内容可知，本发明在撬装式加氢站中设置充惰保护装置，当加氢站撬体100内部发生泄漏，氢气浓度检测组件130检测到当前氢气浓度超标时，通过设置在加氢站撬体上的多个充气口将惰性气体快速充入至加氢站撬体内，从而迅速降低氢气浓度，结构简单紧凑，大大提高了撬装式加氢站的安全性。在图1所示的实施例中，所述的惰性气体采用的是氮气，在实际应用中，也可以采用不易燃烧的其他惰性气体用来快速充入加氢站撬体内部。
41.具体来说，结合图1所示，所述充气组件的设置数量为多组，多组所述充气组件依次在所述加氢站撬体100的长度方向上间隔设置；每组所述充气组件包括第一充气口110和第二充气口120，所述第一充气口110和所述第二充气口120在所述加氢站撬体100的横截面方向上的同一竖直直线上，所述第一充气口110和所述第二充气口120在所述加氢站撬体100上的设置高度不同。为了保证充气的均匀性，所述充气组件在所述加氢站撬体100的长度方向上等距离间隔设置。通常情况下，充气组件的设置位置及设置数量主要依据加氢站撬体100的尺寸而设置，在图1所示的实施例中，要求沿着加氢站撬体100的长度方向每3m设置一组充气组件，每组充气组件中都包括了两个充气口，也就是第一充气口110和第二充气口120。更具体地，所述第一充气口110设置在所述加氢站撬体100靠近顶部的位置，所述第二充气口120设置在所述加氢站撬体100在高度方向上的中间位置；所述第一充气口110和所述第二充气口120位于所述加氢站撬体100的同一个平面上，即：第一充气口110和第二充气口120都设置在加氢站撬体100的侧壁上。每组充气组件中的两个充气口的上述设置方式，更有利于稀释泄漏在加氢站撬体100内的氢气，从而降低氢气在加氢站撬体100中的浓度。根据需要，所述充气组件通过管路与惰气储罐(图中未示出)相连，所述惰气储罐中储存有不易燃的惰性气体，如：本实施例中的氮气。此外，还可以使用氦气和氩气等其他惰性气体，当然，也可以使用二氧化碳等，但优选为氮气、氦气或氩气。惰气储罐可以为多种结构形式，比如：惰气储气柜或者瓶组，当然，在实际应用中，也可以采用其他结构形式的惰气储罐，同样属于本发明的保护范围之内。根据撬装式加氢站的实际安装空间需要，所述惰气储罐可以设置在所述加氢站撬体100的内部；或者，所述惰气储罐也可以为所述加氢站撬体100之外的外接装置。在图1所示的实施例中，所述惰气储罐即为设置在加氢站撬体100之外的外接装置，因此在图1中撬装式加氢站的整体结构中并未显示出来。
42.氢气浓度检测组件包括设置在加氢站撬体100上的氢气检测器和检测报警控制器，其中的检测报警控制器可以为控制中心的一部分，氢气检测器与检测报警控制器通过电信号相连。对撬装式加氢站内的当前氢气浓度进行实时检测。由于撬装式加氢站内的氢气浓度检测器优选为固定式氢气浓度检测器，该氢气检测器为连续在线运行状态。为了提高敏感度，氢气检测器可以安装于气体最易泄露或易于积聚的位置或在上述位置布置多个氢气检测器，其核心部件为气体传感器。氢气检测器将气体传感器检测到的氢气浓度转换成电信号，通过线缆传输到气体检测报警控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的氢气浓度阈值时，检测报警控制器发出报警信号，该报警信号可以包括声、光、电等单独的报警形式或者其中两种以上的组合形式，比如：发出警报声并同时有红灯闪烁。在报警的同时，控制中心发送控制信号启动充气组件和换气组件等设备，在充惰的同时有效换气，自动排除隐患。需要说明的是，本发明所要保护的核心内容在于向撬装式加氢站充气从而避免氢气浓度超标引发的异常事故，对于氢气检测器的选择使
用，市售的固定式氢气浓度检测器基本上都可以满足使用需求。
43.更进一步地，如图1所示，在本实施例中，所述加氢站撬体100至少包括由底板101、侧壁102和顶盖103围设而成的封闭空间，所述顶盖103上设有用于给所述封闭空间换气的换气组件104。通常情况下，换气组件104为换气扇。此外，所述撬装式加氢站包括彼此连通的高压储氢罐200、氢气压缩机300和加氢机400，所述高压储氢罐200和氢气压缩机300设置在所述封闭空间的内部，所述加氢机400则设置在所述封闭空间的外部。为了方便加氢机400的固定和操作人员在加氢操作过程中的安全，所述底板101朝所述封闭空间的外部延伸形成底座1011，所述顶盖103朝所述封闭空间的外部延伸形成顶棚1031，所述加氢机400设置在所述底座1011上并位于所述顶棚1031的下方。通过上述结构设置，可以方便操作人员站在底座1011上通过加氢机400的加氢枪实施对外部装置的加氢作业过程，在操作的同时还可以受到顶棚1031的保护。加氢机400与高压储氢罐200、氢气压缩机300之间的物理管路和电子线路的连接关系和结构布置方式，以及加氢机400与控制中心之间发送和接收控制信号，执行控制命令的过程，属于本领域的常规技术手段，在此不再赘述。
44.本发明第二方面还提供一种上述撬装式加氢站的充惰保护方法，结合图2所示，总体来说，该方法包括如下步骤：
45.步骤100：检测所述撬装式加氢站内的当前氢气浓度；
46.步骤200：将所述当前氢气浓度与阈值浓度进行比较，当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，进入步骤300；否则返回步骤100；
47.步骤300：对所述撬装式加氢站内部进行充气处理。
48.具体来说，所述步骤100进一步包括：所述当前氢气浓度的检测范围是：氢气占比范围：0-4vol.％；爆炸下限范围：0-100lel％。
49.为了能够确保撬装式加氢站的安全，所述步骤200进一步包括：当所述当前氢气浓度≤于所述阈值浓度时，为所述撬装式加氢站换气，此时的换气频率为第一换气频率；
50.当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，在进入步骤300的同时，将所述第一换气频率变为第二换气频率，所述第二换气频率＞所述第一换气频率。
51.通常情况下，所述第二换气频率为30次/小时-35次/小时。
52.为了方便有效地提醒操作人员注意，所述步骤200进一步包括：当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，在进入步骤300之前先报警。
53.根据需要，所述阈值浓度范围是：2％lel-25％lel。
54.更具体地，所述步骤300进一步包括：
55.在所述充气处理的过程中，气体的充气速率不低于0.06-0.2m3/(min
·
m3)，优选为0.1m3/(min
·
m3)；气体的充气压力不低于1.8-3.0kpa，优选为2.5kpa。
56.优选地，该方法还进一步包括步骤400：当所述当前氢气浓度≤所述阈值浓度时，直接停止对所述撬装式加氢站内部进行充气处理；
57.或者，当所述当前氢气浓度≤所述阈值浓度，维持预定时间后，停止对所述撬装式加氢站内部进行充气处理。
58.所述预定时间为0.1-0.5小时，优选为0.5小时。
59.以下结合图1和图2，通过具体实施例中的具体参数，对本发明的技术方案做进一步地详细说明。
60.具体来说，本发明提供一种应用于氢能安全保障领域的设备，特别是一种撬装式加氢站，为了实现高压临氢设备的集成化，该撬装式加氢站至少包括加氢站撬体100，除了将用于对外加注氢气的加氢机400设置在由加氢站撬体100构成的封闭空间之外，在由加氢站撬体100构成的封闭空间内部设置了高压储氢罐200和氢气压缩机300等加氢站的主要装置，以及用于确保撬装式加氢站安全的充惰保护系统。该充惰保护系统包括氢气浓度检测组件130、充惰保护装置和换气组件104及相应的管线、电路等，是本发明的主要保护对象。除此之外，出于撬装式加氢站的设置及应用等方面的考虑，卸氢系统、冷却系统等也可设置在加氢站撬体100构成的封闭空间内。
61.由于在加氢站撬体100的顶部设有氢气浓度检测组件130，且该氢气浓度检测组件130会对加氢站内部的当前氢气浓度进行实时检测，其中氢气浓度检测组件130的检测范围在0-4vol.％(100％lel)之间，并将所述当前氢气浓度与阈值浓度进行比较；通常情况下，阈值浓度范围是：2％lel-25％lel，阈值浓度的优选值为10％lel。当加氢站撬体100发生了氢气泄漏时，氢气浓度检测组件130检测到当前氢气浓度超过10％lel的阈值浓度时，即发送信号给控制中心，控制中心输出控制信号给相应的报警装置报警，从而提醒操作人员已经发生氢气泄漏。与此同时，控制中心输出控制信号给换气扇，使其加快换气频率，比如：换气频率不低于30次/小时。另外，控制中心还输出控制信号给充惰保护装置，充惰保护装置接收到控制信号后，将来自加氢站撬体100外部的氮气瓶组中的氮气减压后快速充至加氢站撬体100内，迅速充入的大量氮气，对泄漏的氢气起到稀释的作用，确保氢气浓度不超过燃烧、爆炸范围，从而确保撬装式加氢站安全运行。根据需要，气体的充气速率不低于0.06-0.2m3/(min
·
m3)，优选为0.1m3/(min
·
m3)，也就是说，充气速率的计量单位为单位撬装加氢站内每分钟充入惰性气体的量；气体的充气压力不低于1.8-3.0kpa，优选为2.5kpa。充气速率和充气压力与撬装式加氢站中封闭空间的大小有关。在本实施例中，充气组件的充惰速率不低于0.1m3/(min
·
m3)，氮气表压不低于2.5kpa。当加氢站撬体100内的氢气浓度降至安全浓度以下，比如：5lel％以下后，可以直接降低充气组件的充惰速率或关闭，也可以待密封空间内的氢气浓度在安全浓度以下维持一段时间之后，比如：0.5小时，再使充气组件的充惰速率降低或直接关闭充气。所述预定时间可以为0.1-0.5小时。当加氢站撬体100检测不到氢气浓度时，则可以恢复正常运转。需要说明的是，换气扇的换气频率是可以调整的，在本实施例中，换气扇的换气频率最高可以达到35次/小时，也就是说，在本实施例中，当所述当前氢气浓度＞所述阈值浓度时，换气扇的速率可以在30次/小时-35次/小时的范围内进行调整。在加氢站没有发生任何泄漏的情况下，换气扇可以为关闭状态或者以低速率、低换气频率运转。也就是说，本发明在检测到加氢站撬体100内氢气浓度超标时，除了加大换气扇的换气频率外，同时通过充气组件将大量氮气迅速充至加氢站撬体100内，快速降低氢气浓度，避免因氢气浓度过高所带来的安全事故的发生。
62.需要说明的是，vol是用于描述气体体积的物理单位，用百分比来表示，就是某一种特定气体的体积在空气中所占的百分比。如：在本发明中，氢气浓度检测组件130中的氢气检测器的检测范围在0-4％vol(100％lel)之间，代表氢气检测器可以检测到其在空气中的占比范围是0-4％。可以设定某一个百分比数值的vol作为报警阈值，当氢气的含量达到或者超过这个预设的报警阈值时，氢气检测器就会输出电信号给检测报警控制器报警。报警阈值就涉及到了另一个单位lel，氢气作为可燃气体能够与空气或氧气在一定的浓度范
围内均匀混合形成预混气，预混气遇到火源就会发生爆炸，而氢气在空气中能引爆的最低体积百分比浓度，也就是气体爆炸的下限浓度则用lel来表示，简称：爆炸下限。这个单位也是百分比，即把爆炸下限分为一百份，一个单位为1％lel，而爆炸下限里面的气体体积的浓度是用vol来表示。vol和lel之间的换算关系具体来说要先找出氢气的爆炸下限值是多少，空气中氢气的浓度达到其爆炸下限值时，这个场所的可燃气环境爆炸危险度为百分之百。例如：氢气的lel是4％vol，即：氢气在空气中的体积百分比达到4％vol时，遇明火就会爆炸，因此，将4％vol作为100％危险来看，称为100％lel，即：4％vol＝100％lel，以此类推，1％vol＝25％lel。需要说明的是，本发明中的加氢机400、高压储氢罐200、氢气压缩机300、换气组件104和氢气浓度检测组件130属于撬装式加氢站内的主要工艺及安全设备，本发明未对上述设备的性能及安全指标提出唯一性或排他性要求，一般为市售的经过相关部门检验检测合格的相关设备即可，本领域技术人员可以根据实际使用需求对其进行选择，对其结构和性能在此不再赘述。
63.综上所述，本发明在撬体上设置多个能够将氮气快速充入至撬体内的充气口，当检测到撬装式加氢站内氢气浓度较高时，通过充气口紧急充气的方式并结合换气组件迅速降低氢气浓度，避免氢气浓度积聚达到燃烧、爆炸范围，从而避免了氢火焰、氢爆炸、氢爆轰等极端异常事故，提高了撬装式加氢站的安全性，应急防护效果优异，确保撬装式加氢站安全运行。
64.以上结合附图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，例如，可以通过增加换气组件的设置数量和设置位置提高换气效率。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但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。