加氢站的能耗与节能分析_冯祥.pdf

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氢能专栏加氢站的能耗与节能分析冯祥1柯泽桐21.上海海德利森科技有限公司2.广东海德利森一氢科技有限公司摘要：基于35 MPa加氢站的主要设备功率和3个35 MPa加氢站运营过程中的单位加氢量的耗能情况，提出了现在加氢站运营中节能的方向。主要可以从减少压缩机的空转，根据进气压力由站控系统自动选择合适压缩比进行氢气压缩及储气，综合加氢速度、氢气换热等情况，合理设置加氢机的氢气预冷温度。关键词：加氢站；能耗；节能；压缩机DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.004Energy Consumption and Energy Saving Analysis of Hydro-gen Refueling StationsFENG Xiang1,KE Zetong21.Shanghai Hydrosys Science and Technology Co.,Ltd.2.Guangdong Hydrosys-Hydrogen Science and Technology Co.,Ltd.Abstract:Based on the main equipment power of the 35 MPa hydrogen refueling station and the energy con-sumption per unit of hydrogen refueling during the operation of three 35 MPa hydrogen refueling stations,thedirection for energy conservation in the current operation of hydrogen refueling stations is proposed.The mainapproach is to reducing the idle operation of the compressor,select an appropriate compression ratio automati-cally by the station control system based on the inlet pressure for hydrogen compression and storage and setthe hydrogen precooling temperature of the hydrogenation machine reasonably based on the comprehensiveconditions of hydrogenation speed,hydrogen heat exchange,etc.Key words:Hydrogen Refueling Station;Energy Consumption;Energy Saving;Compressor收稿日期：2022-08-09第一作者：冯祥（1990-06，-），男，硕士，从事加氢站项目全过程的技术支持及加氢站的工艺设备维运397SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN0 前言中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求作出了重大战略决策，在2020年9月22日第七十五届联合国大会一般性辩论上，习近平主席郑重宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和1。中国正在大力发展新能源来兑现自己的承诺。氢能因其具有高热值、高能源转化率、零排放等特点，同时国内有大量的工业副产氢，以及大量风光水的弃电可以用来电解水制氢，使国内的氢气有着广泛的来源。氢能正逐渐发展成新能源发展的一个方向。在交通领域，我国现阶段以客车和重卡为主，正在运营的以氢燃料电池为动力的车辆数量超过6 000辆，约占全球运营总量的12%2。作为氢燃料电池汽车燃料的充装场所，加氢站的建设和运营对氢能的利用普及有巨大的推动作用。关注加氢站中的能耗及节能也将对氢能的发展和利用有着重要作用。1 能耗分析1.1 加氢站耗电设备国内建设的加氢站绝大部分为 35 MPa 加氢站，由20 MPa的氢气长管拖车来提供氢源。国内加氢站行业针对加氢站有固定站和撬装站之分。一般固定站配置有卸气柱、45 MPa压缩机、顺序控制阀箱、储氢罐/瓶组、加氢机、压缩机用冷水机、氢气预冷用冷水机、站控系统等。一般的撬装站配置有卸气柱、45 MPa压缩加注撬、附属撬等（其中附属撬内含有配电系统，控制系统和冷水机。冷水机配套用于压缩机的冷却以及氢气在压缩前、压缩中、压缩后的冷却）。从狭义理解上来看，撬装站在固定站的基础上，取消了储氢容器、顺序控制阀组以及加氢机。不论是固定站还是撬装站加氢站内主要的耗电设备为压缩机、压缩机冷水机、加氢机冷水机以及控制系统。市面上各个厂家的压缩机撬功率略有不同，本文搜集了12.5 MPa进气，45 MPa排气条件下，部分 500 kg/12 h 的压缩机撬厂家的压缩机电机功率，数据如表1。表1 45 MPa 500 kg/12 h压缩机撬功率压缩机厂家电机功率（kW）海德利森55Maximator15+37康普瑞斯（650 kg/12 h）452豪顿55PDC55天高55由上表功率可知，现在主流的压缩机厂家的电机功率相近，如果开机时间相同，压缩机能耗近似。在压缩机对氢气增压的过程中，压缩机气缸内因为氢气的压缩会产生大量热量，为了压缩机稳定地工作，需要对压缩机进行冷却。液驱活塞压缩机的气缸外壁有一层冷水夹套，夹套内走循环冷却水进行冷却。隔膜压缩机则在压缩机缸头内留有流水通道，走冷却水进行冷却，所以启动压缩机的同时需要启动工业冷水机提供闭式循环冷却水对压缩机进行冷却。国内外燃料电池汽车多采用高压气态储氢方式，储氢压力主要有35 MPa和70 MPa两个等级。在高压氢气加注过程中，由于压缩和氢气的焦耳-汤姆逊效应的双重作用，车载氢瓶内氢气容易快速升温，存在安全隐患。为控制氢气的温升、提高加注效率和安全性，可以在加注前对氢气进行预冷降温处理并控制氢气加注的流量或压力上升速率，从而保证氢气在加注过程中的温度不超过气瓶规定的使用温度。所以加氢机配置有冷水机，对加注前的氢气进行预冷。其余站内的加氢机功率单台在300 W左右，站控系统2 kW左右，氢气探测器、火焰探测器、视频监控等安全监控系统功率也在2 kW左右，这些设备一般由站内的 UPS 进行供电，500 kg 站内的UPS功率也在6 kW左右。这些设备耗电较少，不作过多关注。398SHANGHAI 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1.2 加氢站单位加氢量电耗行业内统称的500 kg加氢站，是指在12.5 MPa的进气压力下，45 MPa的排气条件下，压缩机总的排量为 500 kg/12 h。加氢能力或者加氢规模与GB 50516中加氢站的等级不完全等同，GB 50516中的加氢站等级，由加氢站内储氢瓶组和站内的长管拖车储存的氢气质量的总和确定（见表2）。以下按照公司三个不同类型的加氢站分析加氢站的单位加氢量的电耗。三个站的设备及简要工艺描述如下：1）江苏南京溧水撬装站（以下简称“溧水站”）（1）设备站内主要设备有 1台500 kg压缩机撬，1台附属撬（内含压缩机冷水机和控制系统），1台卸气柱，1台氮气阀箱。（2）工艺长管拖车的氢气经过卸气柱卸气过滤后，由压缩机增压后直充入氢燃料车。其间由附属撬内的压缩机冷水机给压缩机冷却，同时对压缩机的进气和排气进行冷却（见表3）。2）广东佛山九江大道固定站（以下简称“九江大道站”）（1）设备主要设备有1台500 kg压缩机撬，1台附属撬（内含压缩机冷水机和控制系统），1根1 m3的储氢瓶，1台双枪单计量加氢机，1台卸气柱，1台氮气阀箱。（2）工艺长管拖车的氢气经过卸气柱卸气过滤后，由压缩机增压后充入1 m3的储氢瓶内，最高储氢压力39 MPa。当有氢燃料车需要加氢时，储氢瓶内氢气先对车辆进行平压。当加氢机给出压缩机启动信号，由压缩机排气对车辆进行直充，同时关闭储氢瓶的入口阀。直到加氢车辆压力到达35 MPa后，加氢停止。同时打开储氢瓶入口阀，压缩机继续将储氢瓶内补气至39 MPa的设定压力后停机。其间由附属撬内的压缩机冷水机给压缩机冷却，同时对压缩机的进气和排气进行冷却（见表4）。3）广东佛山瀚蓝松岗禅炭路加氢站（以下简称“松岗站”）（1）设备主要设备有2台1 000 kg压缩机撬，2台压缩机用冷水机，1套顺序控制阀组，3个7.3 m3储氢罐，2台双枪单计量加氢机，2台加氢机用冷水机，1台卸气柱，1台氮气阀箱，以及对应的整站的控制系统。表2 海德利森设备功率设备压缩机压缩机用冷水机加氢机用冷水机主要设备功率溧水站55 kW24.5/九江大道站55 kW24.5/松岗站110 kW2(39.4+4)221.5 kW2表3 溧水站电耗记录表记录时间2021/52021/62021/72021/82021/92021/102021/11合计环境温度（）2028253628362838283617281023加氢量(kg)1 3262 5641 4533941 3652 1311 67410 907总耗电量（kWh）2 7345 3743 2304893 1513 3063 46721 751单位氢气功耗（kWh/kg）2.062.102.221.242.311.552.071.99加氢站的能耗与节能分析399SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN（2）工艺长管拖车的氢气经过卸气柱卸气过滤后，由压缩机增压后经过储氢阀组分成3级充入3个7 m3的储氢罐内。当有氢燃料车需要加氢时，储氢瓶内氢气由取气顺序阀组分级取气，经过加氢机后对车辆进行匀压。当检测到储氢瓶内压力低于设计压力时启动压缩机给储氢罐内补气。其间由压缩机冷水机给压缩机冷却，同时对压缩机的进气和排气进行冷却。加氢时由加氢机冷水机给加氢机前的氢气进行冷却（见表5）。表4 九江大道站电耗记录表记录时间2020/10/152020/10/162020/10/172020/10/182020/10/192020/10/202020/10/212020/10/222020/10/232020/10/242020/10/252020/10/262020/10/272020/10/282020/10/292020/10/30总计环境温度（）2229212920252026192619261925192619262024212820312130202718222025/加氢量(kg)301.7252.54318.39310.21132.33397.05144.35265.95313.16226.55273.8322.49349.08320.52241.92265.894 435.93总耗电量（kWh）6005407207203009004206007204806007208407205405409 960单位氢气功耗（kWh/kg）1.992.142.262.322.272.272.912.262.302.122.192.232.412.252.232.032.25表5 松岗加氢站功耗记录表记录时间2020/8/132020/8/142020/8/152020/8/162020/8/172020/8/182020/8/192020/8/202020/10/112020/10/122020/10/132020/10/142020/10/152020/10/162020/10/182020/10/21总计环境温度2630263226322633263225312528263422302230212723272229212920261925加氢量(kg)282.08249.45205.73294.48332.49271.88295.09244.84191292.5290.9199111.594.03152.5129.53 636.97总耗电量（kWh）1 241.341 166.581 122.161 264.91 436.18991.91 252.581 086.096661 0111 17662858864471925815 251.73单位氢气功耗（kWh/kg）4.404.685.454.304.323.654.244.443.493.454.043.165.276.854.711.994.19400SHANGHAI 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氢能专栏从上面统计可知，溧水站单位质量的加氢量平均电耗为 1.99 kg/kWh，九江大道站平均电耗为2.25 kg/kW h，松岗站单位质量的加氢量平均电耗为4.19 kg/kW h。1.3 固定站比撬装站更耗电的分析由上表可知，固定站的单位加氢电耗（松岗站）单瓶固定站单位加氢电耗（九江大道站）撬装站单位加氢电耗（溧水站）。分析原因如下：1）压缩机将氢气增压至更高压力储存，压缩机多做功，消耗更多电能。松岗站最高压力43 MPa，九江大道站39 MPa，溧水站37 MPa左右（直充至车辆）。2）当压缩机将气体增压至更高压力消耗的电能，有部分能量转换为热能，需要压缩机冷水机运行提供更多冷量，冷却压缩机及压缩机排气，消耗更多电能。3）在加注过程中，松岗站是由储氢罐内高压氢气直接往车载储氢瓶内匀压，速度较快。因为一般气体在进行快速增压过程时均会有明显的温升现象，但氢气在快速加注增压过程中除压缩放热外，由于其负的焦耳-汤姆逊效应，在管路阀口等处节流过程中也会产生热量，因而温升更为剧烈。为了保证车载储氢瓶内温度不超温，需要将氢气换热冷却至较低温度。加氢机冷水机运行，消耗电能。2 节能方向分析在加氢站内主要耗能设备为压缩机（电机），压缩机用冷水机，加氢机用冷水机，可以从以上三种设备入手来进行节能研究。1）减少压缩机不必要的空转，可同时减少压缩机的电耗和对应压缩机冷水机的电耗。如隔膜压缩机不适宜频繁启停，为了保护膜片现在一般做法是将隔膜压缩机出口氢气通过旁路减压回流到压缩机入口端，形成自循环而不必关停压缩机。在需要增压补气时，压缩机也可以迅速满足供气需要。液驱活塞压缩机可以随时启停。所以在节能方面，液驱活塞压缩机比隔膜压缩机有一定优势。2）压缩机都有最佳的压缩比范围，比如液驱活塞压缩机压缩比在4:1时是比较合适的。在此范围内，压缩机能稳定地工作。当压缩比超过合适范围后，压缩过程中气腔内气体温度快速升高。比一般排气温度更高的气体温升的能量将推高整站的电耗，同时需要提供更多的冷量来给压缩机排气进行冷却。所以在分级储氢的固定站中，建议根据长管拖车内气体压力的不同，优化站控逻辑更好地安排压缩机排气的去向。比如，当长管拖车压力在1520 MPa时，压缩机排气可以优先导入高压级储氢瓶组，当长管拖车压力降低到1015 MPa后，压缩机排气可以导入中压级储氢瓶组，当储氢瓶组压力在10 MPa以下时可以由储氢阀组导入低压级储氢瓶组中。3）加氢机冷水机的目的是给加氢机前的氢气进行预冷，确保加注后氢燃料车的车载储氢瓶不超温，这个氢气的预冷温度存在一个比较合适的范围。当预冷温度不足，会导致车载储氢瓶超温，引起安全隐患，同时当车载储氢瓶温度下降后压力下降，导致车载储氢瓶充装率（充入氢气质量与额定充装量的比值）不足。但是，当出现氢气预冷温度过低的情况，不仅会增加整站电耗，而且当加入车载储氢瓶内的氢气温度较低，周围环境温度比车载储氢瓶温度高，导致车载储氢瓶内温度升高，压力升高，也会产生安全隐患。各国学者和研究机构针对不同体积、不同材料和不同加注压力的储氢瓶进行加注温升的研究，例如，Christian PERRE对9 L的储氢瓶进行加注，3 s内加注至30 MPa，气体中心温升达125。该过程加注时间很短，整个过程近似绝热，这一结果可认为已接近加注氢气至30 MPa时的温升极限。国内外各个研究机构对储氢瓶加注的研究主要有实验和数值计算两种手段，研究结果见表63。因车载储氢瓶的初始温度、初始压力、氢气初始温度（近似氢气预冷后温度）以及加注速度对车载储氢瓶温升均有一定影响，当氢气的温度与车载储氢瓶的温度相同时，李磊的试验研究表明，储氢瓶容积170 L，流量为15 g/s的充装速度下，充装率达到80%以上时，温升在60 左右（见表7）4。加氢站的能耗与节能分析401SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023氢能专栏HYDROGEN ENERGY COLUMN结合目前中石化运营的加氢站加氢枪平均加注速度基本控制在1.5 kg/min，一般公交车配有46个车载储氢瓶，即单支车载储氢瓶的充装速度为0.25 kg/min即4 g/s。按李磊的研究结果推断车载储氢瓶内温升小于60。车载储氢瓶内氢气温度不应超过85 5，所以将氢气冷却至10 加注即可保证安全。加氢机冷水机的功率可由换热器以及换热后管道的长度、环境温度及保温情况综合考虑。3 结论加氢站的耗能分析对加氢站的运营以及加氢站的发展有至关重要的作用。本文以加氢站内主要耗能设备作为出发点，对比分析了撬装式加氢站、固定式加氢站的能耗数据不同的原因，得出了选择液驱活塞压缩机来减少压缩机的空转；根据进气压力由站控系统自动选择合适压缩比进行氢气压缩及储气；综合加氢速度、氢气换热等情况，合理表6 国内外机构对储氢瓶加注的温度研究研究机构及主要人员GDATP.John A.Eihusen，2002GTI,W.E.Liss等，2003法液空AirLiquid,E.Weren等，2003欧盟一体化氢计划第二阶段EIHP2,ChristianPERRE,2004日本自动车研究所宏谷龍一，伊藤裕一等，2006加拿大英属哥伦比亚大学，C.J.B.Dicken,W.Merida,2007,2008浙江大学刘延雷等，2009浙江大学赵磊等，2010荷兰能源研究所M.Heitsch等，2010韩国中央大学、庆一大学Sung Chan Kim等，2010同济大学孟曦等，2012同济大学王希震等，2015研究手段实验实验实验+数值计算实验实验+数值计算实验+数值计算实验实验+数值计算数值计算实验+数值计算实验+数值计算实验+数值计算加注压力/MPa7035353035403535353535353535+70容器类型111 L 190220 L或47 L 9 L34 L 65 L 74 L 74 L 150 L 150 L 74 L 和72 L 28 L 40 L 瓶内最高温度/131.2106651259211580539389.9867887382.3表7 不同平均流量下的温升比较编号abcd初始温度/K283293303313流量控制/g/s15151515内壁最高温度/K340.5351.8363.1374.3加注时间/s237.7231.3225.3219.5充装率/%87.8785.5083.2781.16402SHANGHAI 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氢能专栏设置加氢机的氢气预冷温度等三个大方向进行节能，对指导加氢站的设备设计选择、参数设定以及加氢站的运营有实际的指导意义。参考文献1新华社.习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，中国政府网 EB/OL，2020年9月22日，http:/ EB/OL，2022-04-13.http:/ M.化学工业出版社，2020：169.4李磊.加氢站高压氢系统工艺参数研究 D.浙江大学,2007.5住房和城乡建设部.汽车加油加气加氢站技术标准：GB 50156-2021S.（上接封三）镁基固态储运氢技术具有储氢容量大、常温常压安全储运、可长时存储、低成本等优势，因此邹建新教授表示，“在应用端，该技术在氢冶金、氢储能、氢化工、分布式发电等方面都有机会获得很大的应用”。在镁基固态储运氢车的设计特色及创新内容等方面，氢枫能源首席运营官宣锋表示，在设计初期，研发团队就考虑了公路运输、铁路运输、远洋运输或多式联运的方式，以标准40尺的集装箱设计来配置通用化运输。同时，由于镁基固态储运氢技术的上述优势，及其广泛的应用场景，未来氢枫将继续迭代升级产品和技术，实现产品的标准化、模块化和系列化，满足客户和市场对储氢量的不同需求。“通过对整个产业链的梳理，我们最终发现氢能发展的关键在于氢气的储运问题，解决这个卡脖子问题才能真正实现氢能产业大发展。”氢枫能源董事长方沛军表示，“在研发这辆车的过程中，我们也遇到了很多问题，比如材料选取及制备、热平衡的管理、安全问题等，感谢丁院士和邹教授的信任和支持，我们最终打造了今天发布的吨级镁基固态储运氢车。我们的技术和产品并非很完美，我们将引进、培养更多的技术研发人员，陆续在产线设计、制造增加投入。”方沛军提到，将始终坚持研发与商业并存，将在今年完成千吨级的镁基固态储氢材料生产线的建设，并计划在中国三个地方江苏、山东、内蒙古，规划建设三条万吨级生产线，年产1 5002 500辆吨级储运氢车。罗兰贝格氢能业务总负责人Uwe Weichenhain表示，罗兰贝格目前正在支持氢枫完成全球氢能市场的业务布局，“高效的氢能储运技术是推动氢能市场走向成功的关键，而氢枫及其镁基固态储运氢技术是固态储氢领域真正的先驱，相信该产品和解决方案将令全世界氢能行业受益”。发布会当天上午，氢枫能源与越南及马来西亚客户分别签订了氢能领域综合战略合作协议，其中，镁基固态储运氢产品得到高度关注。未来，氢枫将持续推动镁基固态储运氢技术在工业、建筑、交通、民用等领域的落地应用，为我国的多领域节能减碳探索绿色发展之路，为实现“双碳”目标而不懈努力。(来源：氢枫能源)加氢站的能耗与节能分析403