本發(fā)明涉及加氫站技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種加氫機(jī)前氫氣冷卻方法。

背景技術(shù)：

氫被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問(wèn)題方面將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。作為氫能在交通運(yùn)輸方面的重要用途之一，氫燃料電池汽車使用越來(lái)越廣泛。加氫站之于氫燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電樁之于電動(dòng)汽車，是氫能在交通、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

加氫站核心設(shè)備包括壓縮機(jī)、固定儲(chǔ)氫設(shè)施、加氫機(jī)，這三大設(shè)備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲(chǔ)氫能力。加氫機(jī)的主要功能是為氫燃料電池汽車的車載儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行加注。由于加氫機(jī)在氫氣加注時(shí)有“焦-湯效應(yīng)”，導(dǎo)致氫氣溫度上升，因此加注過(guò)程中如何防止氫氣溫度不斷升高是加氫機(jī)的關(guān)鍵性能之一。目前國(guó)內(nèi)主要的35mpa加氫機(jī)生產(chǎn)商在應(yīng)對(duì)加注時(shí)氫氣升溫主要有兩種方式：1)在加氫機(jī)內(nèi)設(shè)置與汽車車載瓶相連接的通訊接口，將加注過(guò)程中車載氣瓶的溫度和壓力信號(hào)輸入到加氫機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣升壓速率，達(dá)到控制氫氣溫度的效果；2)采用加氫前預(yù)冷的方式。氫氣進(jìn)入加氫機(jī)前首先通過(guò)一臺(tái)外置換熱器進(jìn)行換熱，使氫氣溫度下降后對(duì)車載氣瓶進(jìn)行加注。由于加氫前預(yù)冷的方式在實(shí)現(xiàn)快速加氫方面有優(yōu)勢(shì)，可減少氫氣加注的時(shí)間和應(yīng)對(duì)日常較多的加注車輛，目前加氫前預(yù)冷的方式得到廣泛應(yīng)用。

目前常用的加氫機(jī)前冷卻方法多采用水作為冷卻劑來(lái)冷卻氫氣，再采用水冷或空冷等方式來(lái)冷卻水，達(dá)到循環(huán)使用水的目的；或采用冷卻劑冷卻氫氣，再采用水冷或其它方法來(lái)冷卻冷卻劑。中國(guó)專利201710035200.4公開了一種增壓、加氫裝置，采用換熱器、風(fēng)冷機(jī)、離心泵和冷卻介質(zhì)容器組成的閉式冷卻水系統(tǒng)，將降溫后的氫氣通過(guò)控制系統(tǒng)安全、定量的輸送到氫燃料電池汽車中，但總體來(lái)說(shuō)冷卻系統(tǒng)流程長(zhǎng)、設(shè)備多；專利cn202010590538.8提供了撬裝加氫站的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括隔膜壓縮機(jī)、印刷電路板式pche換熱器、加氫機(jī)以及水冷機(jī)組，將印刷電路板式pche換熱器結(jié)合隔膜壓縮機(jī)、水冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫機(jī)前氫氣的冷卻，其中印刷電路板式pche換熱器利用冷卻劑對(duì)氫氣進(jìn)行冷卻，結(jié)合隔膜壓縮機(jī)、水冷機(jī)組，通過(guò)對(duì)管路的循環(huán)使用設(shè)計(jì)，通過(guò)水冷機(jī)組的冷卻液的一級(jí)冷卻即對(duì)氫氣實(shí)現(xiàn)壓縮與換熱，無(wú)需二級(jí)冷卻，具備較高的換熱效率，但總體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)投資較高，運(yùn)營(yíng)、檢維修工作量大等情況。另外，若采用水或其它冷卻劑冷卻氫氣，目前冷卻劑或多或少都有腐蝕性，有可能導(dǎo)致冷卻換熱器的腐蝕損壞，增加系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本和安險(xiǎn)隱患，氫氣壓力高而冷卻劑的壓力往往較低，一旦出現(xiàn)泄露在巨大壓差作用下將導(dǎo)致大量氫氣涌入冷卻劑一側(cè)，氫氣易爆，存在較大安全隱患。

總之，加氫機(jī)前氫氣冷卻無(wú)論是用水或其它冷卻劑，均是通過(guò)較復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻劑的循環(huán)使用，系統(tǒng)復(fù)雜，造成較高的一次投資、運(yùn)行維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，需要開發(fā)新的冷卻方法和設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的加氫機(jī)前氫氣冷卻系統(tǒng)復(fù)雜、一次投資、運(yùn)行維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種加氫機(jī)前氫氣冷卻方法，以降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)運(yùn)維成本，提高系統(tǒng)的安全性。

本發(fā)明提供的加氫機(jī)前氫氣冷卻方法包括如下步驟：

1)將冷卻劑引入冷卻器：

打開冷卻劑入口閥門，從冷卻劑存儲(chǔ)器中將冷卻劑引入到冷卻器中，冷卻劑在冷卻器內(nèi)膨脹釋放冷量，冷卻器內(nèi)整體溫度得到降低；通過(guò)冷卻劑出口溫度計(jì)，測(cè)得冷卻劑出口溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門，在冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門的共同作用下，冷卻劑在冷卻器中保溫保壓；

2)將氫氣引入冷卻器并進(jìn)行加注：

打開氫氣出口閥門，將氫氣引入冷卻器，氫氣在冷卻器中接收冷卻劑冷量實(shí)現(xiàn)降溫，當(dāng)氫氣出口處氫氣溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)進(jìn)行氫氣的加注，完成目標(biāo)氫氣加注容積后，關(guān)閉氫氣出口閥門，完成冷卻加注任務(wù)；

3)對(duì)氫氣冷卻加注過(guò)程的控制：氫氣冷卻加注過(guò)程中通過(guò)氫氣出口溫度計(jì)測(cè)量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導(dǎo)致氫氣降溫不足，當(dāng)氫氣出口溫度大于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)打開冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門，將低溫冷卻劑引入冷卻器，降低冷卻器內(nèi)溫度，以進(jìn)一步冷卻氫氣，升溫后的冷卻劑經(jīng)冷卻劑出口閥門排空；當(dāng)氫氣出口溫度計(jì)測(cè)得氫氣溫度小于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門；

所述的冷卻劑為液氮。

液氮是工業(yè)上應(yīng)用廣泛、易獲得、廉價(jià)且冷量高的冷卻劑。液氮為溫度極低的惰性液體，無(wú)色，無(wú)臭，無(wú)腐蝕性，不可燃，使用具有較高的安全性。由于液氮汽化時(shí)可大量吸熱，因此較少液氮即可完成大量氫氣的冷卻。由于氮?dú)獗旧硎谴髿獾闹匾M成部分，液氮在釋放冷量后通過(guò)冷卻劑排空裝置排空即可，排放不涉及二次污染。由于液氮廉價(jià)且冷量高，使用少量液氮即可達(dá)到冷卻氫氣目的，相比冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)維成本，即使在液氮不循環(huán)使用的情況下，仍有較大的經(jīng)濟(jì)性。

如果加氫機(jī)前氫氣冷卻系統(tǒng)首次投用或長(zhǎng)期閑置后再次使用，為了保證氫氣冷卻加注過(guò)程能順利進(jìn)行，在氫氣冷卻加注前需增加常溫氮?dú)獯祾卟襟E：

首先用常溫氮?dú)鈱?duì)冷卻劑輸送管路、冷卻器和氫氣輸送管路等進(jìn)行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；

冷卻器完成常溫氮?dú)獯祾咧脫Q后，同時(shí)關(guān)閉與冷卻器連通的冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門；

氫氣輸送管路完成氮?dú)獯祾咧脫Q后通入氫氣，測(cè)得氫氣出口處氫氣純度達(dá)標(biāo)后，關(guān)閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門，此時(shí)氫氣已達(dá)到加注的純度要求，溫度降低后即可進(jìn)行加注。

常溫氮?dú)獯祾叩哪康脑谟谂懦魵獾纫子谀Y(jié)的成分，防止管路堵塞；另外一個(gè)目的是置換冷卻器中的全部空氣，防止通入氫氣時(shí)氫氣與殘留的氧氣混合發(fā)生爆炸。

冷卻器提供氫氣冷卻的場(chǎng)所，待降溫氫氣進(jìn)入冷卻器實(shí)現(xiàn)降溫，低溫氮?dú)膺M(jìn)入冷卻器吸收氫氣的熱量。冷卻器中保溫保壓的冷卻劑的量取決于需要冷卻的氫氣的量，通過(guò)冷卻器換熱面積和冷卻劑溫度的設(shè)置，一般情況下保溫保壓的冷卻劑的量可將200l(滿足目前95％以上車載氫氣瓶容積)的氫氣量降溫到出口溫度不大于20℃。

作為進(jìn)一步改進(jìn)的方案，為了避免操作人員高濃度吸入窒息，防止操作人員凍傷，升溫后的冷卻劑排空前需與操作人員進(jìn)行物理隔離處置，或者采用將排放的升溫后的冷卻劑加速與空氣混合的方法，加速升溫后的冷卻劑的升溫，避免操作人員大量直接吸入升溫后的冷卻劑，消除操作人員窒息的風(fēng)險(xiǎn)。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1)取消了冷卻劑循環(huán)冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，一次投資成本低；消除了冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本。

2)冷卻劑采用液氮時(shí)，液氮不可燃、無(wú)腐蝕性，避免了冷卻劑對(duì)冷卻設(shè)備的腐蝕，增加了系統(tǒng)的安全性；冷卻劑采用液氮時(shí)，液氮易獲得、更換快捷方便，冷量高且成本低，使用少量液氮即可達(dá)到冷卻氫氣目的，換熱效率高，可實(shí)現(xiàn)加氫機(jī)快速為汽車加氫的要求，可提高加氫站的處理量和處理效率。

3)冷卻劑采用液氮時(shí)，氮?dú)鉄o(wú)色、無(wú)臭，由于氮?dú)獗旧硎谴髿獾慕M成部分，在冷卻氫氣后稍加處理排空即可，無(wú)污染物的排放。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。

圖中：1-常溫氮?dú)猓?-冷卻劑，3-冷卻劑存儲(chǔ)器，4-冷卻劑入口閥門，5-待冷卻的氫氣，6-冷卻器，7-冷卻劑出口溫度計(jì)，8-冷卻劑出口閥門，9-冷卻劑排空裝置，10-氫氣純度檢測(cè)器，11-氫氣出口閥門，12-冷卻后的氫氣，13-常溫氮?dú)猓?4-升溫后的冷卻劑，15-氫氣出口溫度計(jì)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，在加氫機(jī)前氫氣冷卻系統(tǒng)首次投用或長(zhǎng)期閑置后再次使用的情況下：

首先，進(jìn)行常溫氮?dú)獯祾卟襟E：

打開冷卻劑入口閥門4冷卻劑出口閥門8，用常溫氮?dú)?對(duì)冷卻劑輸送管路和冷卻器等進(jìn)行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；打開氫氣出口閥門11，用常溫氮?dú)?3對(duì)氫氣輸送管路進(jìn)行吹掃置換，同樣排出其中的空氣和水蒸氣；冷卻器6完成常溫氮?dú)庵脫Q后，同時(shí)關(guān)閉與冷卻器6連通的冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8；氫氣輸送管路完成氮?dú)庵脫Q后通入待冷卻的氫氣5，用氫氣純度檢測(cè)器10測(cè)得氫氣出口處氫氣純度達(dá)標(biāo)后，關(guān)閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門11，此時(shí)氫氣已達(dá)到加注的純度要求，溫度降低后即可進(jìn)行加注；

其次，將冷卻劑引入冷卻器：

打開冷卻劑入口閥門4，從冷卻劑存儲(chǔ)器3中將冷卻劑引入到冷卻器6中，冷卻劑在冷卻器6內(nèi)膨脹釋放冷量，冷卻器6內(nèi)整體溫度得到降低；通過(guò)冷卻劑出口溫度計(jì)7，測(cè)得冷卻劑出口溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8，在冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8的共同作用下，冷卻劑在冷卻器6中保溫保壓；冷卻劑出口的預(yù)定溫度一般為-50～20℃；

再次，將氫氣引入冷卻器并進(jìn)行加注：

打開氫氣出口閥門11，將待冷卻的氫氣5引入冷卻器6，氫氣在冷卻器6中接收冷卻劑冷量實(shí)現(xiàn)降溫，當(dāng)氫氣出口處冷卻后的氫氣12的溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)進(jìn)行氫氣的加注，完成目標(biāo)氫氣加注容積后，關(guān)閉氫氣出口閥門11，完成冷卻加注任務(wù)；

對(duì)氫氣進(jìn)行冷卻時(shí)，需要對(duì)氫氣冷卻加注過(guò)程進(jìn)行有效的控制：氫氣冷卻加注過(guò)程中通過(guò)氫氣出口溫度計(jì)15測(cè)量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導(dǎo)致氫氣降溫不足，當(dāng)氫氣出口溫度大于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)打開冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8，將低溫冷卻劑引入冷卻器6，降低冷卻器6內(nèi)溫度，以進(jìn)一步冷卻氫氣，升溫后的冷卻劑14經(jīng)冷卻劑出口閥門8排空；當(dāng)氫氣出口溫度計(jì)15測(cè)得氫氣溫度小于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8。氫氣出口的預(yù)定溫度一般為-10～20℃。

為了避免操作人員高濃度吸入窒息，防止操作人員凍傷，升溫后的冷卻劑14排空前通過(guò)冷卻劑排空裝置9與操作人員進(jìn)行物理隔離處置，避免操作人員大量直接吸入氮?dú)?，消除操作人員窒息的風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種加氫機(jī)前氫氣冷卻方法，其特征在于包括如下步驟：

1)將冷卻劑引入冷卻器：

打開冷卻劑入口閥門，從冷卻劑存儲(chǔ)器中將冷卻劑引入到冷卻器中，冷卻劑在冷卻器內(nèi)膨脹釋放冷量，冷卻器內(nèi)整體溫度得到降低；通過(guò)冷卻劑出口溫度計(jì)，測(cè)得冷卻劑出口溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門，在冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門的共同作用下，冷卻劑在冷卻器中保溫保壓；

2)將氫氣引入冷卻器并進(jìn)行加注：

打開氫氣出口閥門，將氫氣引入冷卻器，氫氣在冷卻器中接收冷卻劑冷量實(shí)現(xiàn)降溫，當(dāng)氫氣出口處氫氣溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)進(jìn)行氫氣的加注，完成目標(biāo)氫氣加注容積后，關(guān)閉氫氣出口閥門，完成冷卻加注任務(wù)；

3)對(duì)氫氣冷卻加注過(guò)程的控制：氫氣冷卻加注過(guò)程中通過(guò)氫氣出口溫度計(jì)測(cè)量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導(dǎo)致氫氣降溫不足，當(dāng)氫氣出口溫度大于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)打開冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門，將低溫冷卻劑引入冷卻器，降低冷卻器內(nèi)溫度，以進(jìn)一步冷卻氫氣，升溫后的冷卻劑經(jīng)冷卻劑出口閥門排空；當(dāng)氫氣出口溫度計(jì)測(cè)得氫氣溫度小于預(yù)定溫度時(shí)，同時(shí)關(guān)閉冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門；

所述的冷卻劑為液氮。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括氫氣冷卻加注前的常溫氮?dú)獯祾卟襟E：

用常溫氮?dú)鈱?duì)冷卻劑輸送管路、冷卻器和氫氣輸送管路進(jìn)行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；

冷卻器完成常溫氮?dú)獯祾咧脫Q后，同時(shí)關(guān)閉與冷卻器連通的冷卻劑入口閥門和冷卻劑出口閥門；

氫氣輸送管路完成氮?dú)獯祾咧脫Q后通入氫氣，測(cè)得氫氣出口處氫氣純度達(dá)標(biāo)后，關(guān)閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門，此時(shí)氫氣已達(dá)到加注的純度要求，溫度降低后即可進(jìn)行加注。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述升溫后的冷卻劑排空前需與操作人員進(jìn)行物理隔離處置，或者將排放的升溫后的冷卻劑加速與空氣混合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述冷卻劑出口的預(yù)定溫度為-50～20℃，氫氣出口的預(yù)定溫度為-10～20℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述冷卻劑出口的預(yù)定溫度為-50～20℃，氫氣出口的預(yù)定溫度為-10～20℃。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種加氫機(jī)前氫氣冷卻方法，該方法包括如下步驟：1)將冷卻劑引入冷卻器；2)將氫氣引入冷卻器并進(jìn)行加注；所述的冷卻劑為液氮。本發(fā)明具有如下有益效果：1)取消了冷卻劑循環(huán)冷卻系統(tǒng)，降低了一次投資成本低和系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本；2)冷卻劑采用液氮，避免了冷卻劑對(duì)設(shè)備的腐蝕，增加了系統(tǒng)的安全性，換熱效率高，可實(shí)現(xiàn)加氫機(jī)快速為汽車加氫的要求；3)冷卻劑采用液氮，在冷卻氫氣后稍加處理排空即可，無(wú)污染物的排放。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧矛;晁君瑞

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)石油化工股份有限公司;中石化廣州工程有限公司;中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.02.25

技術(shù)公布日：2021.06.15