加氢站加氢预冷系统及方法与流程

1.本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种加氢站加氢预冷系统及方法。


背景技术：

2.氢能因其具有高含能特性、高能源转化率、零碳排放等特点，而被视为新世纪重要二次能源，已成为各国能源战略转移和研究的重点，为化解能源危机提供了有效的方法。
3.加氢站常常通过低压、中压、高压三种压力进行加注的方式进行加氢，氢气通过电磁阀在储氢瓶膨胀，由于氢气的焦一汤效应，加注速度快，车载储氢系统不能及时散热，导致储氢瓶温度超过最高工作温度。目前国际上通用的碳纤维铝内胆缠绕氢气瓶最高工作温度为85℃，实际应用中发现，当夏季环境温度较高时，储氢瓶和加注的氢气初始温度较高，加氢速率过快会导致储氢瓶温度超过此最高工作温度，存在储氢瓶损坏，氢气泄漏等风险。
4.因此，需要在加注氢气前对其进行预冷，现有的方式是利用冷水机组直接对加氢机进行预冷，由于氢气在预冷时需要相对较高的换热量，导致产生较大的能源浪费。
5.公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

6.发明人通过研究发现：利用冷水机组对加氢机进行预冷会有较大的能源浪费，而当氢气以液氢的形式存在时，具有高品位冷能，如果充分利用液氢的冷能，对加氢机进行预冷，可减少能源消耗，降低温室效应。
7.鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种加氢站加氢预冷系统及方法，通过对液氢进行逐级换热使其汽化为氢气进入加氢机，从而保证氢气温度较低，即完成对加氢机的预冷，实现了能源的回收利用，减少能源消耗。
8.根据本公开的一个方面，提供一种加氢站加氢预冷系统，包括液氢储罐，所述液氢储罐通过输送管路依次连接柱塞泵、第一换热器、汽化器、顺序控制盘、第二换热器、加氢机；所述第一换热器与第二换热器之间设置有换热循环系统，所述换热循环系统包括水冷箱，所述水冷箱与所述第一换热器之间通过第一循环管路连接，所述水冷箱与第二换热器之间通过第二循环管路连接；所述输送管路、第一循环管路、第二循环管路上设置有若干控制管路启闭的阀门；控制单元，包括plc控制器、若干温度变送器和若干压力变送器，所述plc控制器通过所述温度变送器所收集的温度信息和压力变送器所收集的压力信息，进而控制所述阀门和换热循环系统的启闭。
9.在本公开的一些实施例中，所述第一循环管路包括由所述水冷箱流向所述第一换热器的第一输出管路和由所述第一换热器回流至所述水冷箱的第一回流管路；所述第二循环管路包括由所述水冷箱流向所述第二换热器的第二输出管路和由
所述第二换热器回流至所述水冷箱的第二回流管路；所述第一回流管路和第二回流管路上均设置有与所述控制单元电连接并受其控制的循环泵。
10.在本公开的一些实施例中，所述第一输出管路、第一回流管路、第二输出管路和第二回流管路上均设置有至少一个温度变送器。
11.在本公开的一些实施例中，所述柱塞泵与换热器之间的输送管路上设置有所述温度变送器、压力变送器和阀门；所述柱塞泵和汽化器之间连通有附加管路，所述附加管路上设置有控制其启闭的阀门；所述plc控制器根据所述温度变送器和压力变送器的信息控制阀门的启闭进而控制液氢的流通管路。
12.在本公开的一些实施例中，所述汽化器与所述顺序控制盘之间设置有辅热器和安全阀，且所述顺序控制盘还连通有储氢器，所述储氢器包括低压、中压、高压储氢器，所述顺序控制盘控制氢气进行顺序储氢，以及所述加氢机的顺序取氢。
13.在本公开的一些实施例中，所述阀门的类型包括单向阀、旋塞阀、压力安全阀、电磁阀、气动阀、手阀中的一类或多类；所述第一换热器为液氢与冷媒之间的换热，是液-液换热，通过冷媒对液氢的冷量进行回收利用，所述第二换热器为加氢换热器，是利用液氢换热后的冷媒将氢气冷却，为液-气换热。
14.在本公开的一些实施例中，所述水冷箱中的冷媒介质为乙二醇水溶液，所述换热循环系统配备有急停按钮，以便于在紧急情况下停止运作。
15.根据本公开的另一个方面，提供一种基于上述加氢站加氢预冷系统而实施的加氢站加氢预冷方法，包括如下步骤：（1）经柱塞泵将液氢加压并泵送至第一换热器，通过换热循环系统的第一循环管路进行一次换热，利用水冷箱中的冷媒储存液氢的冷能；（2）经所述第一换热器一次换热后的液氢进入汽化器进行汽化，并由顺序控制盘控制进行顺序储存至储氢器内；（3）氢气进入加氢机前，进入第二换热器进行二次换热，经一次换热后的冷媒通过换热循环系统的第二循环管路对氢气进行降温，使所述加氢机的进气温度低于-40℃。
16.在本公开的一些实施例中，启闭所述换热循环系统的控制逻辑为：当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＞-40℃时，所述plc控制器打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作；当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＜-42℃时，所述plc控制器关闭所述循环泵，使所述换热循环系统停止运作；当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＞-38℃时，所述plc控制器再次打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作，如此往复循环。
17.在本公开的一些实施例中，当所述柱塞泵停止运行时，所述换热循环系统将停止运作；当紧急情况下人为按下所述急停按钮时，所述换热循环系统将紧急停止运作。
18.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：1. 本技术通过对液氢逐级换热，将液氢的冷能储存至冷媒中，再将冷媒中的冷能
用于氢气的降温，从而充分利用了液氢的冷能，实现了能源的回收利用，减少了加氢机预冷过程中的能源消耗，避免了能源浪费。
19.2. 本技术利用换热器对液氢进行换热，再利用汽化器使其汽化，系统结构简单，易于实现，且自动化程度高，可操作性强。
附图说明
20.图1为本技术一实施例中预冷系统的示意图。
21.图2为本技术一实施例的方法流程图。
22.图3为本技术一实施例中换热循环系统的逻辑控制流程图；以上各图中，1为液氢储罐，2为柱塞泵，21为单向阀，22、23为旋塞阀，3为第一换热器，4为汽化器，45为辅热器，41为安全阀，5为顺序控制盘，6为第二换热器，7为加氢机，8为换热循环系统，81为水冷箱，82、83为循环泵，9为储氢容器，pt101、pt102、pt103为压力变送器，tt101、tt102、tt103、tt104、tt105、tt106、tt107、tt108、tt109为温度变送器。
具体实施方式
23.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术所涉及“第一”、“第二”等是用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所涉及“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
24.以下实施例中所涉及的单元模块或传感器等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。
25.本技术实施例通过提供一种加氢站加氢预冷系统及方法，解决了现有技术在进行加氢机预冷过程中造成能源浪费较大的技术问题，通过充分利用液氢汽化所释放的冷能，从而实现能源的回收利用，减少能源消耗，避免能源浪费。
26.本技术实施例中的技术方案为解决上述能源浪费的问题，总体思路如下：通过两个换热器对液氢进行逐级换热，并在换热器之间设置换热循环系统，并由plc控制器控制其启闭，以使液氢的温度达到标准，利用水冷箱中的冷媒储存液氢的冷能，并对进入加氢机前的氢气进行降温，使所述加氢机的进气温度低于-40℃，从而通过对液氢的冷能进行回收利用，完成加氢机的预冷。
27.上述的换热循环系统采用循环泵的水循环系统，其中的冷媒为乙二醇水溶液，由设置在管路上的温度变送器和压力变送器采集液氢温度，通过plc控制器控制循环泵的启闭，进而完成换热循环系统的循环换热。
28.逐级换热后的氢气温度达到预冷标准，无需再使用冷水机组进行预冷，可以直接通过加氢机分配至车载储氢罐内供车辆使用，从而解决了现有技术在加氢预冷过程中能源浪费的技术问题。
29.为了更好的理解本技术技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
30.实施例一本例公开一种加氢站加氢预冷系统，参见图1，包括液氢储罐和控制单元，所述液氢储罐通过输送管路依次连接柱塞泵、第一换热器、汽化器、顺序控制盘、第二换热器、加氢机；控制单元，包括若干温度变送器、若干压力变送器和plc控制器，所述plc控制器通过所述温度变送器所收集的温度信息和压力变送器所收集的压力信息，进而控制所述阀门和换热循环系统的启闭。
31.所述输送管路、第一循环管路、第二循环管路上设置有若干控制管路启闭的阀门；具体地，所述液氢储罐内的液氢经所述柱塞泵泵送至所述第一换热器，所述柱塞泵与第一换热器之间的输送管路上设置有单向阀，液氢经过所述单向阀后，由设置在所述输送管路上的压力变送器pt101和温度变送器tt101检测其压力和温度，正常情况下，液氢通过设置在输送管路上的旋塞阀22进入第一换热器进行一次换热，之后再进入汽化器进行汽化；若无需进行一次换热或所述第一换热器损坏时，则通过设置在附加管路上的旋塞阀23直接进入汽化器进行汽化；无论液氢是从哪个管路进入汽化器，在进入汽化器前都要进行温度和压力的再检测，因此，在所述汽化器前的输送管路上设置有压力变送器pt102和温度变送器tt104。
32.所述汽化器与所述顺序控制盘之间设置有辅热器，且在所述辅热器与所述顺序控制盘之间的输送管道上设置有安全阀、实施监测压力和温度大小的压力变送器pt103和温度变送器tt105，所述顺序控制盘还连通有储氢器，液氢经汽化器压缩汽化后，所述顺序控制盘控制氢气依次进入储存在高压、中压、低压储氢器中，且所述储氢器中设置用于检测其压力的压力变送器，当压力不足（高压低于37mpa、中压低于28mpa、低压低于18mpa，其中压力限制大小可进行设置）时，柱塞泵自动运行进行储氢，当压力达到45mpa时，柱塞泵停止工作；在车辆需要加氢时，所述加氢机依次从低压、中压、高压储氢器中顺序取气，从而实现氢气的快速加注；当变送器pt103的压力大于47mpa时，所述柱塞泵将停止工作，以防止超压；温度变送器tt105用于检测进入所述顺序控制盘的氢气温度，当氢气温度低于-35℃时（以所述储氢器的设计最低温度是-40℃为例），启用辅热器，氢气的温度低于-40℃时，柱塞泵停止工作；所述顺序控制盘与所述第二换热器之间设置有用于检测温度的温度变送器tt108,所述加氢机内设置有用于检测其内部温度的温度变送器tt109；此外，加氢机的控制系统会保证氢气加注进入车载气瓶的温度不超过85℃，一旦超过此温度后，加氢机将停止加氢。
33.所述第一换热器与第二换热器之间设置有换热循环系统，所述换热循环系统包括水冷箱，所述水冷箱与所述第一换热器之间通过第一循环管路连接，所述水冷箱与第二换热器之间通过第二循环管路连接；进一步地，所述第一循环管路包括由所述水冷箱流向所述第一换热器的第一输出管路和由所述第一换热器回流至所述水冷箱的第一回流管路；所述第二循环管路包括由所述水冷箱流向所述第二换热器的第二输出管路和由所述第二换热器回流至所述水冷箱的第二回流管路；所述第一回流管路和第二回流管路上设置有与控制单元电连接并受其控制的第一循环泵和第二循环泵。所述第一输出管路、第一回流管路、第二输出管路、第二回流管路上分别设置有用于检测管路温度的温度变送器tt102、tt103、tt106、tt107；此外，所述换热循环系统配备有急停按钮，以便于在紧急情况下停止运作。
34.如图3所示，所述换热循环系统的逻辑控制流程为：当所述温度变送器检测到温度
＞-40℃时，所述plc控制器打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作；当所述温度变送器检测到温度＜-42℃时，所述plc控制器关闭所述循环泵，使所述换热循环系统停止运作；当所述温度变送器检测到温度＜-38℃时，所述plc控制器再次打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作，如此往复循环，以进行液氢冷能的储存和加氢机的预冷。当所述柱塞泵停止运行时，所述换热循环系统将停止运作；当紧急情况下人为按下所述急停按钮时，所述换热循环系统将紧急停止运作。
35.实施例二本例公开一种加氢站加氢预冷工法，参见图2，主要包括如下步骤：（1）经柱塞泵将液氢加压并泵送至第一换热器，通过换热循环系统的第一循环管路进行一次换热，利用水冷箱中的冷媒储存液氢的冷能。
36.（2）经所述第一换热器一次换热后的液氢进入汽化器进行汽化，并由顺序控制盘控制进行顺序储存至储氢器内。
37.（3）氢气进入加氢机前，进入第二换热器进行二次换热，经一次换热后的冷媒通过换热循环系统的第二循环管路对氢气进行降温，使所述加氢机的进气温度低于-40℃。
38.换热循环系统的具体控制逻辑为：当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＞-40℃时，所述plc控制器打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作；当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＜-42℃时，所述plc控制器关闭所述循环泵，使所述换热循环系统停止运作；当设置在所述水冷箱与第二换热器之间的温度变送器检测到温度＞-38℃时，所述plc控制器再次打开所述循环泵，使所述换热循环系统开始运作，如此往复循环；此外，当所述柱塞泵停止运行时，所述换热循环系统将停止运作；当紧急情况下人为按下所述急停按钮时，所述换热循环系统将紧急停止运作。
39.尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
40.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。