一种用于氢气加注的蓄能预冷系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于氢气加注的蓄能预冷系统，属于氢气加注前的预冷技术领域。


背景技术：

2.为满足氢燃料电池汽车的市场化要求，车用氢气瓶的总充装时间应接近目前燃油汽车的充装时间3-5min，这就使得充注过程产生的温升难以短时间通过自然散热排掉。车载储氢罐常使用的碳纤维复合增强材料在温度较高时会发生剥离失效，要求车载储氢瓶内的温度不能超过85℃，因此需要在氢气加注前增加预冷环节，降低氢气温度。
3.通常，加氢前要求将氢气预冷至-20℃-40℃。预冷系统有负荷间歇产生、负荷波动大、氢气温降大的特点。同时，要求预冷系统能够快速响应且要保持氢气出口温度稳定。如果预冷系统设计成在极端条件下(如所有加氢枪同时工作)提供所需的加注参数，所需要的预冷系统与其配套的高压换热器会导致很高的设备成本和运营成本。降低预冷设备的初期投资和使用能耗对于降低氢燃料电池整体成本具有重要意义。实际运行过程中，由于加氢操作存在随机性，制冷机组运行时长较短且启、停频繁，影响了制冷机组的运行稳定性。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于氢气加注的蓄能预冷系统，通过蓄能系统的配置能够实现外供冷量的快速调节，降低制冷机组设计容量，保证制冷机组长时间、高负荷率稳定运行。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种用于氢气加注的蓄能预冷系统，包括：制冷机组、第一循环泵、第一蓄能储罐、第二蓄能储罐、第二循环泵和氢气预冷换热器；
7.其中，制冷机组依次通过第一循环泵和第二蓄能储罐连接至氢气预冷换热器形成第一循环管路，
8.氢气预冷换热器依次通过第二循环泵和第一蓄能储罐连接至制冷机组形成第二循环管路；
9.第一蓄能储罐和第二蓄能储罐通过气相连通管连通。
10.进一步的，所述氢气预冷换热器的氢气入口连接储氢系统，所述氢气预冷换热器的氢气出口连接加氢枪。
11.进一步的，第一蓄能储罐和第二蓄能储罐中分别设置有液位计，用于测量罐内制冷液的液位。
12.进一步的，所述第一循环泵和第二蓄能储罐之间设有单向阀，所述第二循环泵和第一蓄能储罐之间也设有单向阀。
13.进一步的，第一循环管路和第二循环管路之间设有旁通阀。
14.进一步的，所述蓄能预冷系统运行过程中，第二蓄能储罐液位高于第一蓄能储罐
液位，第一循环管路上设置的单向阀阻止制冷液从第二蓄能储罐流入第一蓄能储罐；当第一蓄能储罐液位达到下限时，第一循环泵及制冷机组停止运行。
15.进一步的，无加氢需求时，所述第二循环泵处于关闭状态：若第二蓄能储罐液位高于第一蓄能储罐液位，氢气预冷换热器侧的循环管路在重力作用下小流量循环；若第二蓄能储罐液位低于第一蓄能储罐液位，氢气预冷换热器侧的循环管路在阀门作用下循环停止。
16.进一步的，所述第二循环泵为变频运行，根据氢气预冷换热器氢气出口的氢气温度实时调节所述第二循环泵的转速。
17.进一步的，所述制冷机组使用制冷液由制冷剂和载冷剂混合而成，其中载冷剂为乙二醇或丙二醇，制冷剂为r404a或r134a。
18.进一步的，制冷机组、第一循环泵、第二循环泵、氢气预冷换热器、液位计和各阀门均连接至中央处理器。
19.本发明的有益效果为：
20.本发明所述用于氢气加注的蓄能预冷系统可最大程度避免加氢操作对制冷机组制冷量随机性的需求，避免制冷机组运行时长较短且启、停频繁，增强制冷机组的运行稳定性。避免制冷机组选型按所有加氢枪同时工作的最大负荷选取，提升制冷机组的工作负荷率，降低设备成本与后期能耗。
附图说明
21.图1为本发明所述用于氢气加注的蓄能预冷系统的结构示意图。
22.1-制冷机组，2-第一循环泵，3-第一蓄能储罐，4-第二蓄能储罐，5-第二循环泵，6-氢气预冷换热器，7-储氢系统，8-加氢枪，9-第一循环管路，10-第二循环管路，11-球形阀，12-旁通阀，13-单向阀，14-过滤器，15-气相连通管。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.目前国内加氢站的制冷系统大多采用制冷机组作为预冷系统的冷源，冷源的设计参数往往根据极端条件下需提供的加注参数进行选择，以35mpa加氢站为例，在配置2台加氢机时，制冷机组的制冷量往往达到60kw以上，设备费用与运行费用高。而且实际运行过程中，由于加氢操作存在随机性，制冷机组运行时长较短且启、停频繁，影响了制冷机组的运行稳定性；制冷机组的选型往往以所有加氢枪同时工作的最大负荷选取，实际运行过程中，往往仅有一台加氢枪处于工作状态，造成制冷机组长期处于低负荷状态运行，制冷机组的效率大幅下降；氢气冷却温度通过制冷机组制冷量进行调节，但制冷机组的冷量调节以及载冷剂输送需要一定的时间，因此温度控制存在严重的滞后效应；由于制冷机组的配电功率较大，将增加电力系统投资；氢气加注多在峰电时段进行，导致预冷系统的运行费用较高。
25.本发明所提供的用于氢气加注的蓄能预冷系统，配置制冷机组一套、循环泵两套、
蓄能储罐两套、氢气预冷换热器，通过蓄能储罐实现冷、热能的蓄存，同时将冷源侧与用冷侧的水力工况及热力工况相互独立，提高系统运行的稳定性。
26.具体的，一种用于氢气加注的蓄能预冷系统，如图1所示，包括：制冷机组1、第一循环泵2、第一蓄能储罐3、第二蓄能储罐4、第二循环泵5和氢气预冷换热器6。其中，制冷机组1依次通过第一循环泵2和第二蓄能储罐4连接至氢气预冷换热器6形成第一循环管路9；氢气预冷换热器6依次通过第二循环泵5和第一蓄能储罐3连接至制冷机组1形成第二循环管路10，制冷液在第一循环管路9和第二循环管路10中循环流动。
27.第一蓄能储罐3可选为热储罐，第二蓄能储罐4可选为冷储罐，实现冷、热能的蓄存，且冷热分储，避免自然分层蓄冷系统可能引发的冷热掺混热损失，提高了蓄能系统的效率。此外，储罐的设置在整个系统里还起到缓冲系统制冷液容量及定压的作用。
28.第一蓄能储罐3和第二蓄能储罐4通过气相连通管15连通，将两个储罐的气相空间连通，从而保证在蓄冷及释冷工况下，气相空间压力恒定。
29.其中，所述氢气预冷换热器6的氢气入口连接储氢系统7，所述氢气预冷换热器6的氢气出口连接加氢枪8；所述氢气预冷换热器6的液体入口接第二蓄能储罐4，所述氢气预冷换热器6的液体出口接第二循环泵5，以将用于加注的氢气预冷。即定义所述制冷机组侧的循环管路为冷源侧，所述氢气预冷换热器侧的循环管路为用冷侧，也是分别通过所述制冷机组和氢气预冷换热器6，将第一循环管路9和第二循环管路10连通。
30.第一蓄能储罐3和第二蓄能储罐4中分别设置有液位计(未在图中示出)，用于测量罐内制冷液的液位，且所述液位计连接至中央处理器(未在图中示出)。所述中央处理器接收液位计的信号，并根据所接收的信号进行控制处理整个系统。
31.所述第一循环泵2和第二蓄能储罐4之间设有单向阀13，所述第二循环泵5和第一蓄能储罐3之间也设有单向阀13。制冷机组1的出液口和进液口分别设置有球形阀11，沿循环管路的液体流通方向，在第一循环泵2和第二循环泵5的前后分别设置有球形阀11，并在所述第一循环泵2和第二循环泵5前分别设置有过滤器14。其中，通过球形阀的开闭可控制循环管路是否通液；所述过滤器的设置可滤除循环管路上的杂质，以免影响循环泵的使用寿命；所述单向阀的设置可防止制冷液的倒流。
32.一种可选的实施方式，所述第一循环泵2和第二循环泵5分别设置有两个，相应的，每个循环泵管线上由前至后分别配置有球形阀11、过滤器14、循环泵、单向阀13和球形阀11。
33.第一循环管路9和第二循环管路10之间设有旁通阀12。本实施例中，旁通阀12设置在第一循环泵2管线的前方。在预冷系统正常工作情况下，旁通阀12一直处于关闭状态。当预冷系统出现故障时，旁通阀12打开，实现第一循环管路9和第二循环管路10的内部循环，以排出制冷液以检修预冷系统。
34.本实施例中，通过第一循环泵2实现冷源侧的系统循环及冷量蓄存。所述蓄能预冷系统运行过程中，一种可选的实施方式，所述第一循环泵2定频运行，保持冷源侧循环管路的循环流量恒定，制冷机组保持满负荷运行，将从热储罐进入的高温制冷液冷却至设计供液温度，并通过第一循环泵2将制冷液打入蓄冷罐中蓄存起来。当第一蓄能储罐3液位达到下限时，第一循环泵2及制冷机组1停止运行。此时由于冷、热储罐气相空间压力联通，第二蓄能储罐4液位高于第一蓄能储罐3液位，第一循环管路9上设置的单向阀13起到了阻止制
冷液从第二蓄能储罐4流入第一蓄能储罐3的作用。当热储罐液位上升到设定值时，联锁启动制冷机组及第一循环泵2。
35.本实施例中，将第一循环泵2配置为定频运行，有利于制冷机组的稳定运行，但本发明不限定其为定频运行。将第一循环泵2配置为变频运行，也在本发明的保护范围内。
36.本实施例通过第二循环泵5实现氢气预冷换热器6侧的系统循环和冷量的利用。所述第二循环泵5采用变频调节，在运行过程中，根据氢气预冷换热器6的出口氢气温度实时调节第二循环泵5转速，保持制冷液回液温度恒定从而实现氢气温度控制。当系统无加氢需求时，循环泵处于关闭状态，此时若冷储罐液位高于热储罐液位，则说明系统蓄冷量充足，氢气预冷换热器6侧制冷液在重力压头的作用下以小流量循环，保证氢气预冷换热器的供水温度维持在较低值，提高系统响应速度；若冷储罐液位低于热储罐液位，则说明系统蓄冷量不充足，氢气预冷换热器6侧制冷液在单向阀的作用下循环停止，减低了系统的冷量输出，提高了蓄冷速度。
37.一种可选的实施方式，所述制冷机组1可使用载冷剂为乙二醇、丙二醇等，r404a、r134a等作为制冷剂，载冷剂和制冷剂混合为制冷液，其具有较低的冰点，且环保无毒。
38.制冷机组1、第一循环泵2、第二循环泵5、氢气预冷换热器6、液位计和各阀门均连接至中央处理器，所述蓄能预冷系统在中央处理器的控制，实现统一调度。
39.所述蓄能预冷系统可以最大程度避免加氢操作对冷量随机性的需求，避免制冷机组运行时长较短且启、停频繁，增强制冷机组的运行稳定性；避免制冷机组选型按所有加氢枪同时工作的最大负荷选取，可将制冷机组的设计负荷降低60％以上，提升制冷机组的效率，降低设备成本与后期能耗；考虑制冷机组的冷量调节以及载冷剂输送的时间需求，避免温度控制的滞后效应；降低制冷机组的配电功率，减少建设阶段电力系统投资；考虑氢气加注多在峰电时段进行，降低运营阶段预冷系统的运行能耗与费用；且本发明适用地域范围广泛。
40.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。