本發(fā)明涉及加氫站技術領域，尤其涉及一種加氫機前氫氣冷卻方法。

背景技術：

氫被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗瑲淠茉诮鉀Q能源危機、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮越來越重要的作用。作為氫能在交通運輸方面的重要用途之一，氫燃料電池汽車使用越來越廣泛。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、充電樁之于電動汽車，是氫能在交通、運輸?shù)阮I域關鍵的環(huán)節(jié)。

加氫站核心設備包括壓縮機、固定儲氫設施、加氫機，這三大設備的性能參數(shù)決定了加氫站的整體加注能力和儲氫能力。加氫機的主要功能是為氫燃料電池汽車的車載儲氫瓶進行加注。由于加氫機在氫氣加注時有“焦-湯效應”，導致氫氣溫度上升，因此加注過程中如何防止氫氣溫度不斷升高是加氫機的關鍵性能之一。目前國內(nèi)主要的35mpa加氫機生產(chǎn)商在應對加注時氫氣升溫主要有兩種方式：1)在加氫機內(nèi)設置與汽車車載瓶相連接的通訊接口，將加注過程中車載氣瓶的溫度和壓力信號輸入到加氫機內(nèi)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)氫氣升壓速率，達到控制氫氣溫度的效果；2)采用加氫前預冷的方式。氫氣進入加氫機前首先通過一臺外置換熱器進行換熱，使氫氣溫度下降后對車載氣瓶進行加注。由于加氫前預冷的方式在實現(xiàn)快速加氫方面有優(yōu)勢，可減少氫氣加注的時間和應對日常較多的加注車輛，目前加氫前預冷的方式得到廣泛應用。

目前常用的加氫機前冷卻方法多采用水作為冷卻劑來冷卻氫氣，再采用水冷或空冷等方式來冷卻水，達到循環(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冷卻冷卻劑。中國專利201710035200.4公開了一種增壓、加氫裝置，采用換熱器、風冷機、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，但總體來說冷卻系統(tǒng)流程長、設備多；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、印刷電路板式pche換熱器、加氫機以及水冷機組，將印刷電路板式pche換熱器結(jié)合隔膜壓縮機、水冷機組實現(xiàn)對加氫機前氫氣的冷卻，其中印刷電路板式pche換熱器利用冷卻劑對氫氣進行冷卻，結(jié)合隔膜壓縮機、水冷機組，通過對管路的循環(huán)使用設計，通過水冷機組的冷卻液的一級冷卻即對氫氣實現(xiàn)壓縮與換熱，無需二級冷卻，具備較高的換熱效率，但總體來說系統(tǒng)投資較高，運營、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，有可能導致冷卻換熱器的腐蝕損壞，增加系統(tǒng)的運行維護成本和安險隱患，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，加氫機前氫氣冷卻無論是用水或其它冷卻劑，均是通過較復雜系統(tǒng)來實現(xiàn)冷卻劑的循環(huán)使用，系統(tǒng)復雜，造成較高的一次投資、運行維護成本和安全風險，需要開發(fā)新的冷卻方法和設備。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術存在的加氫機前氫氣冷卻系統(tǒng)復雜、一次投資、運行維護成本和安全風險高的問題，本發(fā)明提供一種加氫機前氫氣冷卻方法，以降低系統(tǒng)復雜程度，降低系統(tǒng)運維成本，提高系統(tǒng)的安全性。

本發(fā)明提供的加氫機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；通過冷卻劑出口溫度計，測得冷卻劑出口溫度達到預定溫度后，同時關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現(xiàn)降溫，當氫氣出口處氫氣溫度達到預定溫度時進行氫氣的加注，完成目標氫氣加注容積后，關閉氫氣出口閥門，完成冷卻加注任務；

3)對氫氣冷卻加注過程的控制：氫氣冷卻加注過程中通過氫氣出口溫度計測量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導致氫氣降溫不足，當氫氣出口溫度大于預定溫度時，同時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；當氫氣出口溫度計測得氫氣溫度小于預定溫度時，同時關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)上應用廣泛、易獲得、廉價且冷量高的冷卻劑。液氮為溫度極低的惰性液體，無色，無臭，無腐蝕性，不可燃，使用具有較高的安全性。由于液氮汽化時可大量吸熱，因此較少液氮即可完成大量氫氣的冷卻。由于氮氣本身是大氣的重要組成部分，液氮在釋放冷量后通過冷卻劑排空裝置排空即可，排放不涉及二次污染。由于液氮廉價且冷量高，使用少量液氮即可達到冷卻氫氣目的，相比冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的運維成本，即使在液氮不循環(huán)使用的情況下，仍有較大的經(jīng)濟性。

如果加氫機前氫氣冷卻系統(tǒng)首次投用或長期閑置后再次使用，為了保證氫氣冷卻加注過程能順利進行，在氫氣冷卻加注前需增加常溫氮氣吹掃步驟：

首先用常溫氮氣對冷卻劑輸送管路、冷卻器和氫氣輸送管路等進行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；

冷卻器完成常溫氮氣吹掃置換后，同時關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氣吹掃置換后通入氫氣，測得氫氣出口處氫氣純度達標后，關閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門，此時氫氣已達到加注的純度要求，溫度降低后即可進行加注。

常溫氮氣吹掃的目的在于排除水蒸氣等易于凝結(jié)的成分，防止管路堵塞；另外一個目的是置換冷卻器中的全部空氣，防止通入氫氣時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所，待降溫氫氣進入冷卻器實現(xiàn)降溫，低溫氮氣進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，通過冷卻器換熱面積和冷卻劑溫度的設置，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℃。

作為進一步改進的方案，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險。

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)構簡單，操作簡便，一次投資成本低；消除了冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的運行維護費用，降低了系統(tǒng)的運行維護成本。

2)冷卻劑采用液氮時，液氮不可燃、無腐蝕性，避免了冷卻劑對冷卻設備的腐蝕，增加了系統(tǒng)的安全性；冷卻劑采用液氮時，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到冷卻氫氣目的，換熱效率高，可實現(xiàn)加氫機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，氮氣無色、無臭，由于氮氣本身是大氣的組成部分，在冷卻氫氣后稍加處理排空即可，無污染物的排放。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。

圖中：1-常溫氮氣，2-冷卻劑，3-冷卻劑存儲器，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，8-冷卻劑出口閥門，9-冷卻劑排空裝置，10-氫氣純度檢測器，11-氫氣出口閥門，12-冷卻后的氫氣，13-常溫氮氣，14-升溫后的冷卻劑，15-氫氣出口溫度計。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

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

首先，進行常溫氮氣吹掃步驟：

打開冷卻劑入口閥門4冷卻劑出口閥門8，用常溫氮氣1對冷卻劑輸送管路和冷卻器等進行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；打開氫氣出口閥門11，用常溫氮氣13對氫氣輸送管路進行吹掃置換，同樣排出其中的空氣和水蒸氣；冷卻器6完成常溫氮氣置換后，同時關閉與冷卻器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氣置換后通入待冷卻的氫氣5，用氫氣純度檢測器10測得氫氣出口處氫氣純度達標后，關閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門11，此時氫氣已達到加注的純度要求，溫度降低后即可進行加注；

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；通過冷卻劑出口溫度計7，測得冷卻劑出口溫度達到預定溫度后，同時關閉冷卻劑入口閥門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；冷卻劑出口的預定溫度一般為-50～20℃；

再次，將氫氣引入冷卻器并進行加注：

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現(xiàn)降溫，當氫氣出口處冷卻后的氫氣12的溫度達到預定溫度時進行氫氣的加注，完成目標氫氣加注容積后，關閉氫氣出口閥門11，完成冷卻加注任務；

對氫氣進行冷卻時，需要對氫氣冷卻加注過程進行有效的控制：氫氣冷卻加注過程中通過氫氣出口溫度計15測量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導致氫氣降溫不足，當氫氣出口溫度大于預定溫度時，同時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；當氫氣出口溫度計15測得氫氣溫度小于預定溫度時，同時關閉冷卻劑入口閥門4和冷卻劑出口閥門8。氫氣出口的預定溫度一般為-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排空前通過冷卻劑排空裝置9與操作人員進行物理隔離處置，避免操作人員大量直接吸入氮氣，消除操作人員窒息的風險。

技術特征：

1.一種加氫機前氫氣冷卻方法，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；通過冷卻劑出口溫度計，測得冷卻劑出口溫度達到預定溫度后，同時關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現(xiàn)降溫，當氫氣出口處氫氣溫度達到預定溫度時進行氫氣的加注，完成目標氫氣加注容積后，關閉氫氣出口閥門，完成冷卻加注任務；

3)對氫氣冷卻加注過程的控制：氫氣冷卻加注過程中通過氫氣出口溫度計測量氫氣溫度，若氫氣需求量繼續(xù)增加導致氫氣降溫不足，當氫氣出口溫度大于預定溫度時，同時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；當氫氣出口溫度計測得氫氣溫度小于預定溫度時，同時關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氣吹掃步驟：

用常溫氮氣對冷卻劑輸送管路、冷卻器和氫氣輸送管路進行吹掃置換，排出其中的空氣和水蒸氣；

冷卻器完成常溫氮氣吹掃置換后，同時關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氣吹掃置換后通入氫氣，測得氫氣出口處氫氣純度達標后，關閉與冷卻器連通的氫氣出口閥門，此時氫氣已達到加注的純度要求，溫度降低后即可進行加注。

3.根據(jù)權利要求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定溫度為-50～20℃，氫氣出口的預定溫度為-10～20℃。

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

技術總結(jié)

本發(fā)明公開了一種加氫機前氫氣冷卻方法，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)的運行維護成本；2)冷卻劑采用液氮，避免了冷卻劑對設備的腐蝕，增加了系統(tǒng)的安全性，換熱效率高，可實現(xiàn)加氫機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，無污染物的排放。

技術研發(fā)人員：鄧矛;晁君瑞

受保護的技術使用者：中國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)股份有限公司

技術研發(fā)日：2021.02.25

技術公布日：2021.06.15