加氢站瓶组分级及加注控制模拟计算研究_宣锋.pdf

：加氢站瓶组分级及加注控制模拟计算研究宣锋姜方方沛军上海氢枫能源技术有限公司摘要：氢燃料电池汽车是解决燃油汽车污染物以及温室气体排放的关键技术，而加氢站是保障氢燃料电池汽车运营的关键设施。为了推进加氢站快速建设的同时降低加氢成本、提高加氢技术水平，优化站内瓶组的分级方法和加注过程控制方法显得尤为重要。就以上两个关键问题进行探讨，根据长期的加氢站运行经验提出了可以将车辆加氢速率维持在较高水平的瓶组分级和加注控制方法。关键词：氢燃料电池汽车；加氢站；瓶组分级；加注控制方法DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.003Simulation Calculation Research on Clas-sification and Filling Control of BottleGroups in Hydrogenation StationsXUAN Feng,JIANG Fang,FANG PeijunShanghai Hyfun Energy Technology Co.,Ltd.Abstract:Hydrogen fuel cell vehicles are key technologies to solve thepollution and greenhouse gas emissions of fuel vehicles,and hydrogen re-收稿日期：2023-01-30作者简介：宣锋（1983-02-），男，硕士，从事工业气体行业，接触氢气、氢能领域姜方（1985-07-），男，硕士，高级工程师，从事工业气体行业，接触氢气、氢能领域方沛军（1978-11-），男，从事工业气体行业，接触氢气、氢能领域SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMNSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 07 期 HYDROGEN ENERGY COLUMN氢能专栏0 前言ESG（Environmental，Social，Governance)是环境、社会和治理fueling stations are key facilities to ensure the operation of hydrogen fuel cell vehicles.In order to promote therapid construction of hydrogen refueling stations while reducing hydrogenation costs and improving the level ofhydrogenation technology,it is particularly important to optimize the classification method and refueling processcontrol method of the stations bottle groups.Exploring the above two key issues,based on long term operatingexperience of hydrogen refueling stations,a bottle group classification and refueling control method that canmaintain a high level of vehicle refueling rate has been proposed.Key words:Hydrogen Fuel Cell Vehicle;Hydrogen Refueling Station;Bottle Group Classification;Filling Con-trol Method0 背景氢能源是公认能够替代化石燃料的绿色能源之一，具有重量轻、储量丰富、燃烧性能好等优点，目前氢能在多种场景下得到了应用1。氢燃料交通工具的应用始于20世纪，当时出现了一些引人注目的技术突破，比如利用氢能为阿波罗11号提供登月动力。如今，氢燃料电池汽车逐渐商业化以解决化石燃料汽车的污染物排放(如PM2.5、PM10、NO、NO2、CO和未燃烧的碳氢化合物)和CO2排放问题。对于氢燃料电池，目前可达到较高的效率，且其使用时仅生成水，非常清洁。目前，重型燃料电池汽车，如卡车受到越来越多的关注，因为除了高效率和低排放的好处外，还有更长的续航里程以及接近零噪音污染的优点。氢燃料电池需要有氢气来源，因此需要建设氢能的基础设备。按照2020年发布的 节能与新能源汽车技术路线图2.0，对于氢燃料电池汽车，到 2035 年，我国要达到约 100 万辆，因此需要加大对加氢站的建设力度。截止到 2020 年 12 月底，我国已经累计建设了 118 座加氢站，预计到2025年，加氢站数量将达到1 000座，加氢站正迎来发展的高峰2。在加氢站快速建设的同时，提高加氢站的性能和技术水平对降低加氢成本，提高加氢效率有着重要作用。其中，加氢站储氢瓶组的分级方法和加注过程的逻辑控制是影响加氢站性能的关键所在3-5。1 储氢瓶组分级方法1.1 瓶组分级的重要性加氢站内氢气存储通常采用储氢瓶式容器组，储氢瓶式容器组具有储存氢气、提高加注速度，同时应对加氢站内车辆调度调峰的作用，储氢瓶组配置一系列的安全设施。加氢站用储氢瓶组具有储存和缓冲的作用，提高其工作压力，可增大气流速度，同时也可以有效降低压缩机的启停频率。为了避免压缩机的频繁启停，同时提高车辆加氢速率，将瓶组进行分级必不可少。1.2 分级方法加氢站内常用的储氢瓶组单套总水容积为9 m3，按功能分为低、中、高压三级对外供气。为了有效维持加氢站运行稳定、高效节能，根据长期的加氢站运行经验，本文提出以下储氢瓶组分级方法。当采用瓶组串氢时，为了保证一定的流速，防止加注时间过长，一般设置瓶组与车载气瓶（来车时瓶内压力为5 MPa，加满时瓶内压力为35 MPa）压差控制在2 MPa以上。低中压瓶组的主要作用是在满足压差的前提下，尽可能多地往车载气瓶串氢。在满足压差的情况下，低中压瓶组的压力可以不断下降。高压瓶组的主要作用是在满足压差的前提下，尽可能保证车载气瓶加注到设定压力，因加氢站瓶组分级及加注控制模拟计算研究391SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN此高压瓶组的压力不宜过低。车载气瓶的加注，其中大部分氢气来源于低中压瓶组，只有接近于车载气瓶设定压力的部分氢气来自高压瓶组。因此，各压力级的瓶组利用率计算如下：高压瓶组的利用率（燃料电池车满加注压力3 MPa）；中压瓶组的利用率（燃料电池车最低压力5 MPa）；低压瓶组的利用率（燃料电池车最低压力5 MPa）。由上述计算结果可以看出，高压瓶组的利用率或者取气率较低，容积设置不宜过大，应该小于中低压瓶组的容积。另外，当有车辆不断来加氢，低中高压储氢瓶组压力低于设定值时，则优先给高压储氢瓶组增压，若此时高压瓶组设计容积较小，可以保证高压储氢瓶组在较短时间内充氢高于35 MPa（或者达到更高的压力），确保车辆能快速加到35 MPa（或者可以更快充装到更高的压力）。反之，若高压瓶组容积较大，则高压瓶组无法在较短时间内充氢高于35 MPa（或者达到更高的压力）。在储氢瓶串氢的工况下，车辆的充装时间与储氢瓶和车载气瓶两者的压差成正比，压差较小会导致车辆加注时间过长，且不能加到车载气瓶的设定压力。根据以上原因，考虑到车辆加注频率和单车加注质量，并且结合长期运行经验。本文认为低、中、高压瓶组分级采用4 3 2更合理，这样分级加注极大地增加了瓶组的取气率，防止压缩机由于启停频率过高而影响寿命，同时提高了车辆加氢速率。1.3 瓶组的置换操作1）打开储氢瓶组放空阀，确认系统内无压力。2）打开储氢瓶的根部阀，确认储氢瓶在打开状态，然后打开管路系统上的压力表、安全阀以及压力变送器根部阀，提供系统气动阀仪表气在0.60.8 MPa。3)打开对应阀门，打开进气阀门，关闭放散阀门，关闭排放阀。4)打开氮气主管氮气源，打开置换阀，吹扫置换氮气压力控制在3 MPa左右。5）控制进气阀，打开向储氢瓶组输送氮气，通过放散阀对储氢瓶组流动吹扫5 min。6）关闭放散阀，向储氢瓶组充入约3 MPa，关闭根部阀，再打开放散阀，将储氢瓶系统泄放至微正压。7）重复上述步骤6，充气放气置换约5次以上，则储氢瓶组使用前置换完成。8）关闭放散阀，关闭氮气置换阀。9）打开压缩氢气管路，系统控制，储氢瓶组即可投入使用。10）投入使用后，日常检查确认储氢瓶组放空阀在关闭状态，确认储氢瓶的根部阀在打开状态，系统管路上压力表、安全阀、压力变送器根部阀在打开状态，瓶组进气管路阀门在打开状态，氮气置换阀在关闭状态。2 加注控制方法2.1 加氢站加注流程加氢站内包括卸气、增压、储氢及加注冷却等系统（如图1所示）。加注流程：卸气系统从长管拖车上取氢，通过增压系统将低压的氢气（5 MPa以上，20 MPa以下）增压至45 MPa，存储于储氢系统中。当有加氢需求时，氢气从储氢系统，经过加注冷却系统进入到车载气瓶中。2.2 控制方法所有加氢控制都是通过PLC自动检测，判断和控制，目的是减少站内加氢员的运行操作负荷，提高整站的加氢效率并保证安全性，充分发挥压缩机的增压高效性以及瓶组的利用率。本文根据上述要求，提出以下加注控制方法。当无加氢信号时，长管拖车内的氢气经卸气系392SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMNSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 07 期 HYDROGEN ENERGY COLUMN氢能专栏统和一台45 MPa氢压机向低中高压蓄能器储氢。首先，控制系统监测高压蓄能器的压力小于42 MPa时，优先向高压蓄能器内增压储氢，直至增压至45 MPa。其次，控制系统监测中压瓶组压力若小于42 MPa，则向中压瓶组内增压，直至压力达到45 MPa时。再次，控制系统监测低压瓶组压力若小于42 MPa，则向低压瓶组内增压，直至压力达到45 MPa，当压力均达到45 MPa，氢压机自动停止增压，进入自循环流程，当在设定时间内没有增压指令时，45 MPa氢压机自动关机。当加氢机发出加氢信号时，低、中、高压储氢瓶组内氢气通过顺序控制系统和加氢机为车辆加氢，即从低压储氢瓶组中取气为车辆加氢，当检测到低压储氢瓶组内的氢气与车载储氢瓶组内的氢气压差2 MPa时，采用中压瓶组进行加氢；当检测到中压瓶组内的氢气与车载瓶组内的氢气压差2 MPa时，采用高压瓶组进行加氢；当检测到高压储氢瓶组内的氢气与车载储氢瓶组内的氢气压差2 MPa且车载瓶压力小于35 MPa时，高压储氢瓶组停止为车辆充氢，此时由45 MPa氢压机直接为车辆增压加氢，直至车载瓶内氢气增压到 35MPa，停止加氢工作。然后，氢压机继续给高压、中压和低压瓶组增压至45 MPa。当在给车辆加氢时，任何一个蓄能器压力低于42 MPa时，压缩机启动给该蓄能器增压，当有车辆不断来加氢，高压蓄能器压力低于设定值时，则优先给高压蓄能器增压，不对低、中压蓄能器进行增压，以保证高压蓄能器在较短时间内充氢高于35 MPa，确保车辆能加到35 MPa。在给车辆连续加氢时，致使高压蓄能器内的氢气压力低于35 MPa，当高压蓄能器压力和车载瓶串氢平衡时（此时车载瓶压力小于35 MPa），高压蓄能器切断阀自动关闭，压缩机直接给车辆充氢增压至35 MPa后，停止加氢工作，然后继续给高压蓄能器增压至45 MPa。3 加氢站加注过程模拟计算根据上述的瓶组分级和加注控制方法，本文进行了加氢站加注过程模拟计算，建模的场景为1台500 kg级压缩机，配置9 m3储氢瓶组，加注车辆为8瓶组的燃料电池大巴车连续加注的情况（每辆车初始压力6 MPa，加注到35 MPa，每辆车加注氢气30 kg），每天10辆车，得到了加注时间以及瓶组压力的变化趋势。由图2中数据可以看出，当有车辆（大巴车）连续进站加注时，车辆加注所需的时间会越来越长，这是因为储氢瓶组内各级的压力在不断降低，各级瓶组的压力与燃料电池车载瓶内的压力差在不断减小，使得加注流量减小，所需时间增加。当然连续加注时，压缩机也会启动，但随着长管拖车内的图1 加氢站流程示意图加氢站瓶组分级及加注控制模拟计算研究393SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN压力不断减小，压缩机的总增压流量小于增加流量，因此反映在计算和图表中的现象是当长管拖车的压力同时也在不断降低，两个因素叠加导致加注时间起初车辆差别不明显，但趋势是时间变长，但当长管拖车压力低于7 MPa时，加注所需时间明显开始增加，因为此时中、低压瓶组内的压力已经降低至低位，而且压缩机的增压流量也明显降低，有一段时间是压缩机给车辆直充阶段了（高压瓶组内的压力也低于35 MPa了）。但换了一辆新长管拖车后，压缩机的流量突然增长到最大值区间，给储氢瓶组的补氢量也加快了，因此加注时间又明显降低了（见表1、图3、图4）。图2 压缩机性能曲线及实际运行参数表1 加氢站加注时间模拟计算数据394SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMNSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 07 期 HYDROGEN ENERGY COLUMN氢能专栏图3 车辆加注时间变化图4 车辆加注瓶组压力变化加氢站瓶组分级及加注控制模拟计算研究395SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN4 结论综上所述，为了提高加氢站技术水平和性能，降低加氢成本，需要对站内的储氢瓶组进行合理分级，同时采用恰当的加注控制方法控制车辆的加注过程。站内储氢瓶组应采用高压、中压和低压三级对外供气，比例为 的分级方法，以保证每个储罐的取气率均衡，防止连续从同一储罐取气从而降低储罐寿命。加注过程中，采用低、中、高的顺序向外供气，当检测到储氢罐内的氢气与车载储氢瓶组内的氢气压差2 MPa时，自动切换到压力高一级的储氢瓶组或氢气压缩机为车辆加氢，采用本文的瓶组分级和加注控制方法可将氢气加注速率维持在2 kg/min以上的较高水平。参考文献1李元丽.氢能产业化未来可期 N.人民政协报,2021-08-10(5).2中国石化:至2025年建成1000座加氢站 J.汽车零部件,2021(6):68.3周鑫.车载储氢罐加注过程的模拟与性能预测 D.武汉理工大学,2020.4王莹.70 MPa车载储氢气瓶供氢系统及快充过程研究 D.大连理工大学,2019.5李静媛.加氢站高压氢气充装策略及泄漏爆炸后果预测研究 D.浙江大学,2015.（上接封二）会上，临港氢能公司与联合国工业发展组织全球创新网络项目上海全球科技创新中心、壳牌（中国）有限公司、林德集团、液化空气（中国）投资有限公司，上海交通大学以及临港新片区本土氢能企业康明斯、氢晨科技等16家国内外知名中外企业和机构共同发布了建设“国际氢标准联合研究中心”的倡议书。国际氢标准联合研究中心是一个自愿参与、开放合作、非官方非独立法人的沟通交流平台，将围绕加强国际标准信息交流、推动国际标准联合研究、建立国际交流合作机制、促进国际标准示范应用四大职能开展工作，旨在通过标准助力氢能产业高质量发展，共献智慧、共享成果，为全球氢能产业和绿色低碳事业贡献一份力量。上海市经信委和上海市市场监管局相关领导对上海市氢标委的成立表示祝贺，并希望氢标委扎实做好上海市氢能产业标准体系建设，充分发挥地标委对产业的支撑引领作用，更好发挥产业链上下游协同创新作用，立足产业，着力构建高质量的标准体系，做好规范性建设工作，提升制度建设水平，加强与国际的沟通合作，真正做到立足上海、面向全球。临港集团副总经济师徐海代表主办方致辞。他表示，临港集团将积极履行上海市氢标委秘书处职责并做好各项保障工作，全力支持上海市氢标委制定一批满足氢能产业发展迫切需求的相关标准，以标准创新带动产业创新，提升临港新片区及上海市氢能标准化创新能力。同时，加强国际合作交流，积极探索打造国际氢能产业应用的先行实践区和标准示范引领区。全国氢能标准化技术委员会（以下简称“全国氢标委”）主任委员马林聪院长和全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会张亮秘书长发来视频贺词。全国氢标委秘书长鲍威发表了 氢能产业国际标准化进展及我国氢能标准体系建设 主旨演讲，深入剖析了国内外标准化体系建设工作现状与进展。未来，临港集团将加强与全国氢标委的对接沟通，做好上海市地方氢能标准体系建设，为临港新片区及上海市氢能产业发展赋能。成立大会上，上海市市场监管局代表宣读了 上海市市场监督管理局关于同意上海市氢能标准化技术委员会组建方案的复函。上海汽检党委书记、总经理沈剑平和临港氢能公司副总经济师陈海林等委员代表上台接受聘书。上海市经信委、上海市市场监管局、临港新片区管委会、氢能行业专家代表、上海市氢标委全体委员及部分外资企业代表参会。(来源：临港集团)396