一种分级加注双系统加氢机及加注方法与流程

1.本发明涉及一种加氢机，具体涉及一种分级加注双系统加氢机及加注方法，属于加氢机技术领域。


背景技术：

2.氢能以来源广、能效高、可再生、燃烧产物零污染等优点，正成为世界主要发达经济体和国家能源创新与再工业化的焦点。近年来，美国、日本、中国、韩国、欧盟等都制定了氢能发展战略，大力开发氢能汽车，积极推进加氢站等氢能基础设施的建设。加氢站是为氢能燃料电池等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气氢加氢站和液氢加氢站，目前我国以高压气氢加氢站为主。
3.加氢机是加氢站内的关键设备，主要分为35mpa和70mpa两种压力等级。国外的加氢机制造企业，主要有美国的plug power公司、air product公司、日本川崎公司和德国宝马公司等，美国air product公司的35mpa和70mpa加氢一体机样机，已经达到了很高的水平。而国内，35mpa加氢机设备已经实现国产化，且已经实现量产；而70mpa加氢机设备仅有个别企业投入市场。受车辆气瓶制造水平和相关标准尚未完善的影响，国内加氢机主要是以35mpa压力等级为主，但70mpa压力等级的加氢机是未来的发展趋势。
4.目前国内市场上的加氢机，大多属于单系统单线进气，加注效率低，等待时间长。随着我国加氢需求的不断增加，现有加氢机的加注流程也存在如下缺陷：
5.(1)现有加氢技术集中于35mpa或者70mpa的单一压力等级，不能满足一台加氢机可加注两个压力等级的需求，实用性和经济性都不强，不能满足市场需求。
6.(2)现有加氢机的加注技术主要集中于单线单系统，受气路流量限制，不能实现两侧同时加注，加注效率低下。
7.(3)现有加氢机的加氢技术供气压力等级分级单一，对于满足高压需求的氢气供应，压力分级越少，能量消耗大，加注效率越低。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种分级加注双系统加氢机及加注方法，能够实现不同压力等级分别和同时加注，整体结构简单、功能可靠也易于实现。
9.为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
10.本发明提供一种分级加注双系统加氢机，该加氢机包括并行设置的高压储氢罐、中压储氢罐和低压储氢罐，所述高压储氢罐依次连接高压进气气动阀、第一控制阀后连接氢气换热器的进气口，所述低压储氢罐依次连接低压进气气动阀、第二控制阀后连接氢气换热器的进气口；所述中压储氢罐连接中压进气气动阀后分成两个支路，其中一支路连接中压平气气动阀后接在高压进气气动阀和第一控制阀之间，另一支路连接低压平气气动阀
后接在低压进气气动阀和第二控制阀之间；所述氢气换热器的出气口分别通过第一气路和第二气路分别连接第一加氢枪和第二加氢枪。
11.进一步的，所述第一控制阀和氢气换热器、及所述第二控制阀和氢气换热器之间分别设置有质量流量计。
12.进一步的，所述第一气路和第二气路上分别设置温度传感器和压力传感器，用于检测气体的温度和压力值。
13.进一步的，所述第一气路和第二气路上还分别设置有泄放气动阀，用于在加注完成后泄放氢气。
14.进一步的，所述氢气换热器还连接充入冷却剂的冷却气路。
15.进一步的，所述高压储氢罐提供90mpa气源，所述中压储氢罐提供50mpa气源，所述低压储氢罐提供20mpa气源。
16.本发明还提供一种分级加注双系统加注方法，该加注方法具体包括：
17.第二加氢枪加注35mpa车辆时，打开低压进气气动阀，低压储氢罐给第二气路供气进行加注；待低压储氢罐与车辆气瓶的压力差达到设定值，关闭低压进气气动阀，打开中压进气气动阀和低压平气气动阀，中压储氢罐给第二气路供气进行加注；待车辆气瓶达到目标压力，关闭中压进气气动阀，打开第二泄放气动阀，完成加注35mpa车辆；
18.第一加氢枪加注70mpa车辆时，打开低压进气气动阀、低压平气气动阀和中压平气气动阀，低压储氢罐给第一气路供气进行加注；待低压储氢罐与车辆气瓶的压力差达到设定值，关闭低压进气气动阀和低压平气气动阀，并打开中压进气气动阀；中压储氢罐给第一气路供气进行加注；待中压储氢罐与车辆气瓶的压力差达到设定值，关闭中压进气气动阀和中压平气气动阀，并打开高压气动阀，高压储氢罐给第一气路供气进行加注；待车辆气瓶达到目标压力，关闭高压进气气动阀，打开第一泄放气动阀，完成加注70mpa车辆。
19.进一步的，所述加注方法还包括：第一加氢枪和第二加氢枪同时加注70mpa车辆和35mpa车辆，具体为：
20.若低压储氢罐和中压储氢罐两者的气量充足，则打开低压进气气动阀、低压平气气动阀和中压平气气动阀，低压储氢罐同时为第一气路和第二气路进行供气；
21.待第二气路完成低压平气后，则关闭低压进气气动阀，开启中压进气气动阀，中压储氢罐同时为第一气路和第二气路供气，直到第二气路完成加注，关闭低压平气气动阀；
22.待第一气路实现中压平气后，关闭中压平气气动阀和中压进气气动阀，打开高压进气气动阀，高压储氢罐为第一气路供气，直到第一气路完成加注。
23.进一步的，所述第一加氢枪和第二加氢枪同时加注35mpa车辆和70mpa车辆，具体为：
24.若低压储氢罐气量不足，中压储氢罐气量充足，则打开低压进气气动阀、中压进气气动阀和中压平气气动阀，低压储氢罐为第二气路供气，中压储氢罐为第一气路供气；
25.待第二气路完成低压平气后，则关闭低压进气气动阀并打开低压平气气动阀，中压储氢罐为第二气路供气直到完成加注；
26.待第一气路完成中压平气后，关闭中压平气气动阀，并打开高压进气气动阀，高压储氢罐为第一气路供气直到完成加注。
27.进一步的，所述第一加氢枪和第二加氢枪同时加注35mpa车辆和70mpa车辆，具体
为：
28.若低压储氢罐和中压储氢罐气量两者的气量不足，则打开低压进气气动阀为第二气路供气，打开高压进气气动阀为第一气路供气直到完成加注；
29.待第二气路完成低压平气后，则关闭低压进气气动阀，并打开低压平气气动阀和中压进气气动阀，中压储氢罐为第二气路供气直到完成加注。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
31.(1)本发明的加氢机通过设置高压储氢罐、中压储氢罐和低压储氢罐提供三路不同压力等级的气源，分别设置对应的进气气动阀进行控制，并通过两个气路进行供气实现双系统加注，还通过控制阀和氢气换热器进行控制调节，整个加氢机的结构简单、功能可靠也易于实现，并通过进气气动阀可以实现紧急切断功能。
32.(2)本发明的加氢机通过设置质量流量计、温度传感器和压力传感器，实现精确控制和测量，保证加氢机整体工作的可靠性，并能实现超压保护功能。
33.(3)本发明的加氢机通过在两个气路上分别设置泄放气动阀，用于加注完成后进行安全泄放，保证加氢机整体的安全性。
34.(4)本发明的加注方法能够实现分级加注和控制，可提高氢气利用率，降低能耗，缩短加注时间；在加注35mpa时，先用低压储氢罐进行供气后，再由中压储氢罐进行降压补气完成加注，加注速度大大提高；在加注70mpa车辆时，低压储氢罐和中压储氢罐先后进行供气，最后由70mpa高压储氢罐进行供气完成加注，减少了高压气源的用量，降低了能耗。
35.(5)本发明的加注方法通过设置三路分级，可以根据不同的加注需求和加氢现场实际情况，更改和调整加注策略；若35mpa车辆加注需求大，加注车辆数量在某一时间较多，可在保证安全加注的情况下，缩短低压进气时间，增加中压供气时间，调整中压压力降低量，从而最大限度缩短加注时间。
36.(6)本发明的加氢机和加注方法能够根据实际需要可以实现35mpa和70mpa分开加注和同时加注，方便进行调节和控制，满足了加氢机加注两个压力等级的需求，加注效率高，实用性和经济性强。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，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。其中：
38.图1为本发明分级加注双系统加氢机的原理示意图。
39.图2为本发明中加注35mpa车辆的流程图。
40.图3为本发明中加注70mpa车辆的流程图。
41.附图标记说明如下：1-高压储氢罐、2-中压储氢罐、3-低压储氢罐、4-氢气换热器、11-高压进气气动阀、12-第一控制阀、13-第一质量流量计、14-第一温度传感器、15-第一压力传感器、16-第一泄放气动阀、21-中压进气气动阀、22-中压平气气动阀、23-低压平气气动阀、31-低压进气气动阀、32-第二控制阀、33-第二质量流量计、34-第二温度传感器、35-第二压力传感器、36-第二泄放气动阀、5-第一加氢枪、6-第二加氢枪、7-冷却气路。
具体实施方式
42.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
43.本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
44.此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
45.参阅图1所示，本发明提供一种分级加注双系统加氢机，该加氢机包括并行设置的高压储氢罐1、中压储氢罐2和低压储氢罐3，所述高压储氢罐1依次连接高压进气气动阀11、第一控制阀12后连接氢气换热器4的进气口，所述低压储氢罐3依次连接低压进气气动阀31、第二控制阀32后连接氢气换热器4的进气口。所述中压储氢罐2连接中压进气气动阀21后分成两个支路，其中一支路连接中压平气气动阀22后接在高压进气气动阀11和第一控制阀12之间，另一支路连接低压平气气动阀23后接在低压进气气动阀31和第二控制阀32之间。所述氢气换热器4的出气口分别通过第一气路和第二气路分别连接第一加氢枪5和第二加氢枪6。
46.本实施例中，为满足第一加氢枪5加注70mpa和第二加氢枪6加注35mpa两路的加注需求，加氢机设置三路气源并分别连接高压储氢罐1、中压储氢罐2和低压储氢罐3，其中高压气源的工作压力90mpa，中压气源的工作压力50mpa，低压气源的工作压力20mpa，由于三路气源前端连接外部压缩机，在高压储氢罐1、中压储氢罐2和低压储氢罐3内的压力低于公称压力一定值时，则会自动加压补气并维持在上述压力值，也可以根据实际需要调整为其它压力值。
47.进一步的，所述第一控制阀12和氢气换热器4、及所述第二控制阀32和氢气换热器4之间分别设置有质量流量计，即第一质量流量计13和第二质量流量计33，两者的计量精度满足最小度量10g，用于读取经过第一控制阀12和第二控制阀32的气体流量，保证加注的可靠性。
48.进一步的，所述第一气路和第二气路上分别设置温度传感器和压力传感器，用于检测气路上的温度和压力值。具体的，所述第一气路上设置第一温度传感器14和第一压力传感器15，所述第二气路上设置第二温度传感器34和第二压力传感器35。
49.进一步的，所述第一气路和第二气路上还分别设置有泄放气动阀即第一泄放气动阀16和第二泄放气动阀36，两者分别位于所述第一加氢枪5和第二加氢枪6前端的气路上，
用于在加注完成后泄放氢气。
50.进一步的，所述氢气换热器4还连接充入冷却剂的冷却气路7，用于冷却剂在氢气换热器4内调节换热，使氢气降温以达到规定的加注温度。
51.本实施例中，所述高压进气气动阀11、中压进气气动阀21和低压进气气动阀31均为紧急切断阀，确保在紧急情况下可以紧急切断氢源，保证加氢机整体的安全性。
52.本发明还提供一种分级加注双系统加注方法，该加注方法具体包括：
53.1)当有35mpa车辆加注需求时，将第二加氢枪6与车辆气瓶的加氢口连接。参阅图2所示，具体为：
54.步骤s11：加氢机的控制器接收到加氢指令，打开低压进气气动阀31，来自20mpa低压储氢罐3的氢气经过第二控制阀32后到达第二质量流量计33，第二温度传感器34和第二压力传感器35测得当前第二气路内的氢气温度和压力。
55.步骤s12：所述第二控制阀32根据所述氢气温度和压力，并按照设定的加注速度调节氢气压力和流量，经过调节后的氢气经过氢气换热器4、第二加氢枪6后注入车辆气瓶。
56.步骤s13：当车辆气瓶内压力与低压储氢罐3内的压力差达到某一设定值时，控制器发出指令关闭低压进气气动阀31，并打开中压进气气动阀21和低压平气气动阀23。具体的，所述车辆气瓶内压力由对应的压力传感器测得并传到控制器和第二控制阀32。
57.步骤s14：50mpa中压储氢罐2的氢气经过第二控制阀32后到达第二质量流量计33，进行减压调节后，经过氢气换热器4、第二加氢枪6后注入车辆气瓶内。
58.步骤s15：待车辆气瓶达到加注目标压力，关闭中压进气气动阀21，打开第二泄放气动阀36，将第二气路内氢气泄放后，拔出第二加氢枪6，完成35mpa车辆加注过程。
59.本实施例中，由于所述低压储氢罐3内压力为20mpa，中压储氢罐2内压力为50mpa，而第二加氢枪6需要加注35mpa时，则先由低压储氢罐3对第二气路进行供气，再由中压储氢罐2对第二气路进行供气，从而可以达到第二加氢枪6加注35mpa的需求。
60.2)当有70mpa车辆加注需求时，将第一加氢枪5与车辆气瓶的加氢口连接，参阅图3所示，具体为：
61.步骤s21：加氢机的控制器接收到70mpa加氢命令，打开低压进气气动阀31、低压平气气动阀23和中压平气气动阀22，低压储氢罐3内氢气经过低压平气气动阀23、中压平气气动阀22、第一控制阀12后到达第一质量流量计13，第一温度传感器14和第一压力传感器15测得当前高压气路内的氢气温度和压力。
62.步骤s22：所述第一控制阀12根据所述氢气温度和压力，进行加注压力和加注速度的调整后，经过调节后的氢气经过氢气换热器4、第一加氢枪5后注入车辆气瓶。
63.步骤s23：当车辆气瓶内压力与低压储氢罐3内压力差达到某一设定值时，控制器发出指令关闭低压进气气动阀31和低压平气气动阀23，并打开中压进气气动阀21。
64.步骤s24：中压储氢罐2内氢气经过中压平气气动阀22后，依次经过第一控制阀12、第一质量流量计13后，经过氢气换热器4、第一加氢枪5后注入车辆气瓶。
65.步骤s25：当车辆气瓶内压力与中压储氢罐2内压力差达到另一中压设定值时，控制器发出指令关闭中压气动阀21，并打开高压气动阀11，关闭中压平气气动阀22。
66.步骤s26：高压储氢罐1内氢气依次经过高压气动阀11、第一控制阀12、第一质量流量计13后，再经过氢气换热器4、第一加氢枪5后注入车辆气瓶。
67.步骤s27：待车辆气瓶内压力达到目标压力后，控制器发出指令关闭高压进气气动阀11，打开第一气路上第一泄放气动阀16，将高压气路内氢气泄放后，拔出第一加氢枪5，完成70mpa加注过程。
68.本实施例中，同理的，所述高压储氢罐1内压力90mpa，而第一加氢枪5需要加注70mpa时，则先依次由低压储氢罐3、中压储氢罐2对第一气路进行供气，最后由高压储氢罐1对第一气路进行供气，从而可以达到第一加氢枪5加注70mpa的需求。
69.3)当第一加氢枪5和第二加氢枪6同时加注70mpa车辆和35mpa车辆，具体包括：
70.a、若低压储氢罐3和中压储氢罐2两者的气量充足，则打开低压进气气动阀31、低压平气气动阀23和中压平气气动阀22，低压储氢罐3同时为第二气路和第一气路进行供气；
71.待第二气路完成低压平气后，则关闭低压进气气动阀31，开启中压进气气动阀21，中压储氢罐2同时为第一气路和第二气路供气，当第二气路压力达到目标压力后即35mpa车辆完成加注，关闭低压平气气动阀23；
72.待第一气路实现中压平气后，关闭中压平气气动阀22和中压进气气动阀21，打开高压进气气动阀11，高压储氢罐1为第一气路供气直到第一加氢枪5完成70mpa车辆气瓶的加注。
73.本实施例中，所述低压储氢罐3和中压储氢罐2分别对第一气路和第二气路进行供气，待第二气路内气体压力与车辆气瓶内的压力相近即两者压差为2mpa时，则表示低压储氢罐3完成对第二气路进行低压平气，需要中压储氢罐2对第二气路进行供气，达到35mpa的加注需求；同理的，第一气路内压力也与对应的车辆气瓶内压力相近即两者压差为2mpa时，则表示中压储氢罐2完成对第一气路进行中压平气，需要高压储氢罐1对第一气路进行供气，达到70mpa的加注需求。
74.b、当中压储氢罐2的气量充足，低压储氢罐3的压力低于某一设定值即气量不足，则低压储氢罐3仅为第二气路即35mpa气路供气，中压储氢罐2同时给第一气路和第二气路双线供气，具体为：
75.开启低压进气气动阀31给第二气路供气，开启中压进气气动阀21、中压平气气动阀22给第一气路供气。
76.待低压储氢罐3给第二气路完成低压平气，关闭低压进气气动阀31并打开低压平气气动阀23，由中压储氢罐2给第二气路供气，完成35mpa车辆加注。
77.待中压储氢罐2给第一气路完成中压平气结束，关闭中压平气气动阀22，开启高压进气气动阀11，高压储氢罐为第一气路供气，直到完成70mpa车辆加注。
78.c、当中压储氢罐2、低压储氢罐3两者的气量同时不足时，高压储氢罐1专给第一气路加注，低压储氢罐3和中压储氢罐2两者给第二气路供气，具体为：
79.开启低压进气气动阀31给第二气路供气，开启高压进气气动阀11为第一气路供气，直到完成70mpa车辆加注；
80.待低压储氢罐3给第二气路完成低压平气，关闭低压进气气动阀31并开启低压平气气动阀22和中压进气气动阀21，由中压储氢罐2为第二气路供气，直到完成35mpa车辆加注。
81.上述在同时加注过程中，不管以何种方式，利用第一控制阀12和第二控制阀32，来保证第一气路和第二气路内加注压力增加速率在某设定范围内变化，从而保证整个加氢机
工作的可靠性和车辆气瓶温度在国标要求范围内。
82.本实施例中，对于三路气源进气之间的切换和停止加注的判断条件，采用加注的瞬时流量进行判断：当前瞬时流量小于某设定值时进行切换，如低压储氢罐3给第二气路供气瞬时流量达到设定值，则切换中压储氢罐2进行供气，当最后一个流程(即35mpa车辆的中压加注或70mpa车辆的高压加注)瞬时流量小于某设定值(气源压力不足)或加氢机达到目标压力时，则停止加注，方便进行加注操作，也能保证加注方法的可靠性。
83.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。