專利名稱:基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于可再生、清潔環(huán)保的新能源領(lǐng)域,涉及一種基于溫升與能耗控制 的快速有效、安全可靠、高取氣率的氫氣優(yōu)化加注系統(tǒng)。
背景技術(shù):
氫能以高能效、來源廣、可再生、燃燒產(chǎn)物零污染等優(yōu)點(diǎn),被國際公認(rèn)為未來的綠 色能源。近年來,包括美、日、中、韓、歐盟在內(nèi)的許多國家和地區(qū)都在大力開發(fā)氫能汽車,積 極建造加氫站和相關(guān)氫能基礎(chǔ)實(shí)施。以氫為動(dòng)力已成為新能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。目前,氫的儲(chǔ)存方式主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和金屬儲(chǔ)氫。由于高壓氣態(tài) 儲(chǔ)氫具有能耗低、放氫速度快和可靠等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)有的加氫站主要采用這一方式。要實(shí)現(xiàn)氫能 在交通領(lǐng)域的商業(yè)化,必須保證加氫如同加油一樣安全、快速、方便和可靠,同時(shí)還應(yīng)盡可 能地降低加氫站能耗。為此,必須嚴(yán)格控制高壓氫氣加注過程中車載儲(chǔ)氫容器內(nèi)的溫升,合 理地控制加注速率,盡可能縮短加注時(shí)間,同時(shí)以最小的能耗完成對所需數(shù)量車輛的加注。 因此,需要研究一種基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注方法及其優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng), 既保證加注過程的安全、快速,又能使加氫站以最低能耗運(yùn)作。近年來,我國在高壓氫氣加注技術(shù)及系統(tǒng)方面取得了一定進(jìn)展。中國專利 CN1887622針對加氫站提出了一種快速充裝氫氣的制氫加氫站系統(tǒng)及其方法,其在加注系 統(tǒng)中使用40MPa的氫氣儲(chǔ)罐及75MPa的高壓氫氣儲(chǔ)罐的對車輛進(jìn)行順序加氣,來提高取氣 率和充裝速度。該專利包括首臺(tái)國內(nèi)自主研制的加氫機(jī),可對壓力、溫度、流量、流速實(shí)時(shí) 計(jì)量,自動(dòng)收費(fèi),同時(shí)對車載儲(chǔ)氫容器的壓力、溫度、應(yīng)力等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,耐壓范圍在 45-75MPa,安全保護(hù)裝置齊備。其能提高取氣率和充裝速度,并對各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,但未 涉及加注過程優(yōu)化及系統(tǒng)能耗控制等。中國專利CN101418908A給出了一種可用于高壓氫 氣加氣站的加氣系統(tǒng),其包括控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)。具 有加注計(jì)量的溫度自動(dòng)補(bǔ)償、順序取氣、加注速率控制、氫泄漏報(bào)警、自動(dòng)斷電、加注過程防 拉脫、靜電自動(dòng)釋放及系統(tǒng)過壓保護(hù)等功能。其能夠提高取氣率,并通過加注速率來控制溫 升,但其加注速率控制程序,必需測量車載儲(chǔ)氫容器中溫度,如溫度超限,只能停止加注,等 溫度降回可行范圍才能繼續(xù)加注,而實(shí)際車載儲(chǔ)氫容器自然冷卻降溫很慢,因而不僅實(shí)際 加注時(shí)間較長,效率較低,而且該方法也沒有進(jìn)行能耗優(yōu)化。中國專利CN101315545給出了 一種加氫站高效加氫的三級加注優(yōu)化控制方法及其系統(tǒng),其通過優(yōu)化高壓氫氣多級加注過 程中從各儲(chǔ)氫罐的取氣質(zhì)量和取氣次序,縮短加注時(shí)間,并保證較高的取氣率。但沒有對加 注過程溫升進(jìn)行控制,且取氣率比順序取氣略低??傊?,目前尚無關(guān)于加氫站氫氣加注過程 中同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速有效、安全可靠、高取氣率和低能耗的優(yōu)化加注方法及其系統(tǒng)報(bào)道。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是,克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)快 速有效、安全可靠、高取氣率和低能耗的基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效地控制加注過程中車載儲(chǔ)氫容器的溫度,確保高取氣率、高加氣速率等同時(shí), 使系統(tǒng)以最低的能耗運(yùn)行。為解決技術(shù)問題,本實(shí)用新型出了以下具體技術(shù)方案本實(shí)用新型提供了一種基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注系統(tǒng),包括補(bǔ) 氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加注系統(tǒng);補(bǔ)氣系統(tǒng)包括高壓級儲(chǔ)氫罐、中壓級儲(chǔ)氫罐和低壓級儲(chǔ)氫 罐,壓縮機(jī)組通過管路分三路經(jīng)由電磁閥連接至三級儲(chǔ)氫罐;所述的三級儲(chǔ)氫罐通過管路 分三路經(jīng)由三個(gè)電磁閥后再并為一路,然后依次連接至加注系統(tǒng)的冷卻裝置、過濾器、出口 電磁閥、針閥、拉脫閥、加氫軟管和加氫槍;所述控制系統(tǒng)包括一個(gè)可編程控制器,分別通過 信號線連接至前述各電磁閥、三級儲(chǔ)氫罐上的壓力傳感器、測量環(huán)境溫度的溫度傳感器、冷 卻裝置、車載儲(chǔ)氫容器與加氫站之間的通訊接口。作為一種改進(jìn),所述冷卻裝置至加氫軟管之間的管路上,還設(shè)置有質(zhì)量流量計(jì),可 編程控制器通過信號線經(jīng)流量變送器連接至質(zhì)量流量計(jì)。作為一種改進(jìn),所述可編程控制器還通過信號線連接至顯示屏。作為一種改進(jìn),所述可編程控制器還通過信號線連接至上位工控機(jī)。本實(shí)用新型中,基于前述加注系統(tǒng)的基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注 方法主要包括溫升與加注速率的優(yōu)化控制程序,還包括順序取氣程序和順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制 程序。溫升與加注速率的優(yōu)化控制程序是以溫升控制為控制條件,以加注用時(shí)為優(yōu)化控制 目標(biāo),具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)建立內(nèi)置于可編程控制器中的數(shù)據(jù)庫,用于記錄相應(yīng)加注初始條件及針閥開 度值對應(yīng)關(guān)系;所述加注初始條件為車載儲(chǔ)氫容器的初始溫度與壓力、環(huán)境溫度、三級儲(chǔ) 氫罐的實(shí)際壓力,優(yōu)化選擇從不同壓力級別儲(chǔ)氫罐取氣所需針閥開度,使車載儲(chǔ)氫容器的 溫度控制在容器材質(zhì)允許范圍內(nèi),且加注用時(shí)最短;(2)可編程控制器根據(jù)加注的初始條件,查詢得到從不同壓力級別儲(chǔ)氫罐取氣時(shí) 的針閥開度值及是否需要降低車載儲(chǔ)氫容器入口溫度;如果需要降低,還將給出需要達(dá)到 的降溫后的入口溫度值。(3)根據(jù)可編程控制器查詢到的數(shù)據(jù),將針閥設(shè)置為相應(yīng)標(biāo)定位置,進(jìn)行加注操 作;加注過程中,如果需要降低車載儲(chǔ)氫容器入口溫度,可編程控制器將實(shí)時(shí)根據(jù)測得的 實(shí)際入口溫度及需要達(dá)到的入口溫度之間的差值,對冷卻裝置的溫度調(diào)控部件進(jìn)行反饋控 制,以調(diào)整其冷卻劑流量,使得實(shí)際入口溫度降至與需要達(dá)到的入口溫度接近的值。所述步驟(2)中,如查詢時(shí)顯示需要降低車載儲(chǔ)氫容器的入口氫氣溫度,則可編 程控制器對冷卻裝置的溫度調(diào)控部件進(jìn)行反饋控制,將車載儲(chǔ)氫容器的入口氫氣溫度控制 在要求的范圍內(nèi);在調(diào)整入口氫氣溫度后,顯示此時(shí)對應(yīng)的針閥開度值。通過對加氫站的儲(chǔ)氫罐進(jìn)行壓力分級,按照低壓級儲(chǔ)氫罐、中壓級儲(chǔ)氫罐和高壓 級儲(chǔ)氫罐的順序來取氣,以提高系統(tǒng)的取氣率;各儲(chǔ)氫罐間的切換動(dòng)作根據(jù)事先設(shè)定的氫 氣的加注速率或儲(chǔ)氫罐與車載儲(chǔ)氫容器之間的壓力差進(jìn)行。為降低壓縮機(jī)系統(tǒng)的能耗,根據(jù)加氫要求設(shè)置用于壓縮機(jī)組啟動(dòng)的儲(chǔ)氫罐壓力設(shè) 定值;如某個(gè)儲(chǔ)氫罐的壓力低至設(shè)定值,則啟動(dòng)壓縮機(jī)組并打開相應(yīng)補(bǔ)氣管路的電磁閥對 該儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)氣;如果各儲(chǔ)氫罐的補(bǔ)氣發(fā)生沖突,則根據(jù)壓力級別關(guān)閉較低壓力級別儲(chǔ) 氫罐補(bǔ)氣管路中的電磁閥,對更高壓力級別儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)氣。[0018]本實(shí)用新型的有益效果在于在綜合考慮加注過程溫升、加注用時(shí)、取氣率、壓縮機(jī)組能耗的基礎(chǔ)上,提出了補(bǔ) 氣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。能以較低的冷卻裝置能耗運(yùn)行,并保證車載儲(chǔ)氫容器的溫度 嚴(yán)格控制在要求的范圍內(nèi),且顯著地縮短加注時(shí)間;從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠快速有效、安全可 靠地為車輛加注高壓氫氣,并具有高取氣率和低能耗等優(yōu)點(diǎn)。
圖1為加氫站氫氣加注系統(tǒng)的流程示意圖;圖1中,1為壓縮機(jī)組;2 4及11 13為電磁閥;5為高壓級儲(chǔ)氫罐;6為中壓 級儲(chǔ)氫罐;7為低壓級儲(chǔ)氫罐;8 10為壓力傳感器;14為冷卻裝置;15為過濾器;16為出 口電磁閥;17為質(zhì)量流量計(jì);18流量變送器;19為針閥;20為拉脫閥;21為加氫軟管;22 為加氫槍;23為燃料電池汽車;24為溫度傳感器;25為車載儲(chǔ)氫容器壓力和溫度的通訊接 口 ;26為顯示屏;27為可編程控制器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。本實(shí)用新型的系統(tǒng)由加注系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和補(bǔ)氣系統(tǒng)組成,優(yōu)化加注方法包括加 注速率和溫升的優(yōu)化控制程序、順序取氣程序及順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制程序。來自加氫站壓縮機(jī)組1的氫氣分三路經(jīng)由電磁閥2、3和4進(jìn)入加氫站高壓級儲(chǔ)氫 罐5、中壓級儲(chǔ)氫罐6和低壓級儲(chǔ)氫罐7中,組成補(bǔ)氣系統(tǒng)。通過開啟或停止壓縮機(jī)組1,打 開或關(guān)閉各儲(chǔ)氫罐取氣管路中的電磁閥2、3和4,來實(shí)現(xiàn)對多級儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)氣。來自儲(chǔ)氫罐5、6和7中的氫氣則分三路分別經(jīng)過電磁閥11、12和13,再并為一路, 依次連接冷卻裝置14、過濾器15、出口電磁閥16、質(zhì)量流量計(jì)17、針閥19、拉脫閥20、加氫 軟管21、加氫槍22,組成加注系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括一個(gè)可編程控制器27,分別通過信號線連接至前述各電磁閥、三級 儲(chǔ)氫罐上的壓力傳感器8 10、流量變送器18、溫度傳感器24、冷卻裝置14、車載儲(chǔ)氫容器 壓力和溫度的通訊接口 25。根據(jù)設(shè)定的控制程序,可編程控制器27分別向各電磁閥發(fā)出 開啟或關(guān)閉的指令,向冷卻裝置14發(fā)出調(diào)節(jié)冷卻效果的指令,對其進(jìn)行反饋控制,并將相 關(guān)參數(shù)反饋給顯示屏26??删幊炭刂破?7亦可與上位工控機(jī)相接??删幊炭刂破?7中, 以軟件的形式內(nèi)置了本實(shí)用新型給出的優(yōu)化加注方法,包括加注速率和溫升的優(yōu)化控制程 序、順序取氣程序和順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制程序。其中,可編程控制器27用于根據(jù)傳感器與檢測儀發(fā)送的信號,調(diào)用加注速率和溫 升的優(yōu)化控制程序、順序取氣程序和順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制程序、計(jì)價(jià)程序等,控制整個(gè)系統(tǒng)的 運(yùn)行;壓力傳感器用于測量加氫站固定儲(chǔ)氫罐的壓力,并將壓力信號發(fā)送給控制器,根據(jù)壓 力值啟動(dòng)順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制程序及順序取氣程序;質(zhì)量流量計(jì)用于測量累計(jì)質(zhì)量流量,進(jìn) 行計(jì)價(jià),可編程控制器27通過計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻累計(jì)質(zhì)量流量的差值,判斷是否切 換取氣氣源;流量變送器18將質(zhì)量流量計(jì)的信號轉(zhuǎn)換并發(fā)送給可編程控制器27 ;溫度傳感 器24用于測量環(huán)境溫度;通訊接口 25用于傳送給可編程控制器27加注前車載儲(chǔ)氫容器的 壓力和溫度;顯示屏26用于給出針閥應(yīng)有的開度值及價(jià)格等數(shù)據(jù)信息。[0028]可編程控制器27中內(nèi)置軟件的有關(guān)控制內(nèi)容包括通過控制電磁閥2 4的開 閉,來實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同壓力級別儲(chǔ)氫罐的補(bǔ)氣;通過電磁閥11 13及16的開閉來實(shí)現(xiàn)對加 注過程的控制。通過質(zhì)量流量計(jì)17和流量變送器18每隔若干秒測量累計(jì)加注的氫氣質(zhì)量, 并將測得的信號發(fā)送給可編程控制器27,可編程控制器27根據(jù)加注的氫氣質(zhì)量計(jì)算出所 加氫氣的價(jià)格及加注過程的總價(jià),并通過顯示屏26顯示,實(shí)現(xiàn)加注過程的計(jì)價(jià)。可編程控 制器27根據(jù)通訊接口 25提供的氣瓶型號、車載儲(chǔ)氫容器加注前的溫度和壓力,以及溫度傳 感器24測得的環(huán)境溫度,調(diào)用加注速率和溫升的優(yōu)化控制程序,查詢相關(guān)優(yōu)化結(jié)果,給出 從不同壓力級別的儲(chǔ)氫罐取氣時(shí)的針閥開度值,同時(shí)根據(jù)通訊接口 25傳遞給可編程控制 器27的車載儲(chǔ)氫容器入口處的氫氣溫度值及優(yōu)化結(jié)果,反饋控制冷卻裝置14的制冷劑流 量,調(diào)節(jié)預(yù)冷卻效果,使車載儲(chǔ)氫容器入口處的氫氣溫度滿足優(yōu)化結(jié)果中對車載儲(chǔ)氫容器 入口氫氣溫度的要求。加注系統(tǒng)中,電磁閥11 13和16、針閥19、拉脫閥20、加氫軟管21及加氫槍22以 相應(yīng)的耐高壓連接管件連接。電磁閥11 13分別用于打開或關(guān)閉來自高壓級、中壓級和低 壓級儲(chǔ)氫罐的氣源。出口電磁閥16配合順序取氣程序,控制加注過程的開始及停止,并配 合電磁閥11 13實(shí)現(xiàn)取氣氣源的切換。針閥19根據(jù)加注速率與溫升的優(yōu)化控制程序,由 加注操作人員進(jìn)行調(diào)節(jié),以達(dá)到要求的加注速率,同時(shí)由可編程控制器27根據(jù)加注速率與 溫升的優(yōu)化控制程序,決定冷卻裝置14是否需要啟動(dòng),如果需要啟動(dòng),還將根據(jù)通訊接口 25給出的車載儲(chǔ)氫容器入口溫度與優(yōu)化控制程序給出的入口溫度之間的差值,對冷卻裝置 14的溫度調(diào)控部件進(jìn)行反饋控制,將加注結(jié)束時(shí)車載儲(chǔ)氫容器的溫度以及加注用時(shí)控制在 的范圍內(nèi),并有效縮短加注用時(shí)。拉脫閥20能夠有效地防止加注過程中由于車輛23意外 啟動(dòng),拉斷加氫軟管21所帶來的危險(xiǎn)。當(dāng)拉脫閥所承受的拉力大于閥的設(shè)定值時(shí),其連接 加氫軟管21的一端主動(dòng)脫落,另一端則自動(dòng)關(guān)閉,從而有效地避免了氫氣的泄露。加氫槍 22連接被加注車輛上的加氫接口,為車輛加注高壓氫氣。本實(shí)用新型中,基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注方法,包括加注速率 和溫升的優(yōu)化控制程序、順序取氣程序以及順序補(bǔ)氣優(yōu)化控制程序。加注速率和溫升的優(yōu)化控制程序主要包括(1)建立內(nèi)置于可編程控制器中的數(shù)據(jù)庫,用于記錄相應(yīng)加注初始條件及針閥開 度值對應(yīng)關(guān)系;所述加注初始條件為車載儲(chǔ)氫容器的初始溫度與壓力、環(huán)境溫度、三級儲(chǔ) 氫罐的實(shí)際壓力,優(yōu)化選擇從不同壓力級別儲(chǔ)氫罐取氣所需針閥開度,使車載儲(chǔ)氫容器的 溫度控制在必須的范圍內(nèi)——即在容器器壁材料樹脂的溫度上限85°C基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低 溫度上限,如50°C,以提高實(shí)際加注的氫氣量;同時(shí)規(guī)定溫度下限,如0°C,以防止充裝完畢 后,車載儲(chǔ)氫容器內(nèi)溫度恢復(fù)至環(huán)境溫度時(shí)的過度超壓;同時(shí),該程序能夠有效縮短加注用 時(shí),并且避免冷卻裝置的不必要使用,達(dá)到節(jié)能的目的。所述優(yōu)化選擇方法如下(a)采用劉延雷等在《高壓氫氣快充溫升控制及泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究》中所述高壓氫 氣快充溫升數(shù)值模型,所不同之處在于加注前車載儲(chǔ)氫容器的初始溫度、環(huán)境溫度、以及車 載儲(chǔ)氫容器入口溫度分別設(shè)置,可取不同的值。(b)采用劉延雷等在《高壓氫氣快充溫升控制及泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究》所述快充溫升 實(shí)驗(yàn)方法研究溫升規(guī)律。由于35MPa下快充,采用樹脂澆鑄密封溫度傳感器引線的密封效果欠佳,所以溫升實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)專門定做傳感器引線密封接頭,保證快充時(shí)引線的密封效果。 其它與《高壓氫氣快充溫升控制及泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究》。(c)采用(b)中所述實(shí)驗(yàn)方法得到的快充溫升數(shù)據(jù),對(a)中所述快充溫升模型進(jìn) 行驗(yàn)證,并跟據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整快充溫升模型中相關(guān)參數(shù)。(d)使用快充溫升模型對不同加注條件下的加注過程進(jìn)行計(jì)算,并擬合出如下形 式的溫升計(jì)算公式
權(quán)利要求一種基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注系統(tǒng),包括補(bǔ)氣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng);所述補(bǔ)氣系統(tǒng)包括高壓級儲(chǔ)氫罐、中壓級儲(chǔ)氫罐和低壓級儲(chǔ)氫罐,壓縮機(jī)組通過管路分三路經(jīng)由電磁閥連接至三級儲(chǔ)氫罐;其特征在于,所述的三級儲(chǔ)氫罐通過管路分三路經(jīng)由三個(gè)電磁閥后再并為一路,然后依次連接至加注系統(tǒng)的冷卻裝置、過濾器、出口電磁閥、針閥、拉脫閥、加氫軟管和加氫槍;所述控制系統(tǒng)包括一個(gè)可編程控制器,分別通過信號線連接至前述各電磁閥、三級儲(chǔ)氫罐上的壓力傳感器、測量環(huán)境溫度的溫度傳感器、冷卻裝置、車載儲(chǔ)氫容器與加氫站之間的通訊接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加注系統(tǒng),其特征在于,所述冷卻裝置與加氫軟管之間的管 路上,還設(shè)有質(zhì)量流量計(jì),可編程控制器通過信號線經(jīng)流量變送器連接至質(zhì)量流量計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加注系統(tǒng),其特征在于,所述可編程控制器還通過信號線連 接至顯示屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加注系統(tǒng),其特征在于,所述可編程控制器還通過信號線連 接至上位工控機(jī)。專利摘要本實(shí)用新型涉及可再生、清潔環(huán)保的新能源領(lǐng)域,旨在提供一種基于溫升與能耗控制的加氫站氫氣優(yōu)化加注方法及其系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括補(bǔ)氣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng);壓縮機(jī)組通過管路分三路經(jīng)由電磁閥連接至三級儲(chǔ)氫罐;儲(chǔ)氫罐通過管路分三路經(jīng)由三個(gè)電磁閥后再并為一路,然后依次連接至加注系統(tǒng)的冷卻裝置、過濾器、出口電磁閥、針閥、拉脫閥、加氫軟管和加氫槍;控制系統(tǒng)包括一個(gè)可編程控制器。本實(shí)用新型能以較低的冷卻裝置能耗運(yùn)行,并保證車載儲(chǔ)氫容器的溫度嚴(yán)格控制在要求的范圍內(nèi),且顯著地縮短加注時(shí)間;從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠快速有效、安全可靠地為車輛加注高壓氫氣,并具有高取氣率和低能耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F17C13/00GK201723971SQ20102021330
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者葉建軍, 唐萍, 徐平, 楊健, 趙磊, 鄭津洋 申請人:浙江大學(xué)