高压管束车供氢加氢站设备选型方法
阅读说明：本技术 高压管束车供氢加氢站设备选型方法 (Model selection method for high-pressure tube bundle vehicle hydrogen supply station equipment ) 是由 刘欢 张健中 陶彬 许光 王振中 赵雯晴 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及氢能源技术领域,具体涉及高压管束车供氢加氢站设备选型方法,所述高压管束车供氢加氢站设备选型方法,包括如下步骤：确定基本参数、氢气净化系统、氢气压缩机选型、设置储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例、确定储氢系统、根据氢气加注压力等级确定是否设置氢气预冷系统、确定加氢机的数量。本发明针对高压管束车供氢加氢站这一典型具有普适性的加氢站工艺,提出了站内主要设备选型方法,建立了公式计算和工厂要求相结合的选型方法,为高压管束车供氢加氢站内设备选型以及加氢站设计建设提供依据。(The invention relates to the technical field of hydrogen energy, in particular to a method for selecting models of equipment of a hydrogen supply station of a high-pressure tube bundle vehicle, which comprises the following steps: determining basic parameters, a hydrogen purification system, a hydrogen compressor model selection, setting the pressure grade of a hydrogen storage system and the hydrogen storage quantity proportion under each pressure grade, determining the hydrogen storage system, determining whether to set a hydrogen precooling system or not according to the hydrogen filling pressure grade, and determining the number of hydrogenation machines. The invention provides a model selection method of main equipment in a station aiming at a typical universal hydrogen station process of a hydrogen supply hydrogen station of a high-pressure tube bundle vehicle, establishes a model selection method combining formula calculation and factory requirements, and provides a basis for model selection of equipment in the hydrogen supply hydrogen station of the high-pressure tube bundle vehicle and design and construction of the hydrogen station.)
技术领域
本发明涉及氢能源技术领域，具体涉及高压管束车供氢加氢站设备选型方法。
背景技术
加氢站是燃料电池汽车(FCVs)规模化应用的基础能源设施。由于氢气具有燃烧后只产生水而无其它污染、制备方法多样、可循环再生等优势，其在交通运输行业的应用得到了世界各国的关注。对于加氢站而言，大体上可以分为站内化学制氢和外供氢两种方式，相较于化石燃料而言，其供给方式也较为多样化。对于运营初期的加氢站而言，由于氢气加注量较少，采用高压管束车供氢是加氢站投资运行较为经济合理的一种方式。
CN103062619B公开了一种机动车加氢站系统，涉及到自然能源发电装置、氢气发生器、氢气存储器和加氢装置。该专利侧重于水电解制氢工艺的加氢站，同时也缺乏加氢站内主要设备的选择方法。
CN100534840C公开了一种可快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，提出了采用电解水制氢与天然气重整制氢的供氢工艺路线，同时对氢气加注工艺进行了详细的描述，然而对加氢站内设备信息介绍较少。
目前，由于国内外高压管束车供氢的加氢站投用数量较少，相关设计经验较为欠缺；且高压管束车供氢的加氢站的工艺路线较为繁杂，技术难度较高；存在设备选型方法单一、不准确等问题，导致加氢站设计处理能力与运营效果不匹配，限制了加氢站的设计及建设。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中高压管束车供氢加氢站设计处理能力与运营效果不匹配的不足，本发明提供一种高压管束车供氢加氢站设备选型方法，该方法能够为高压管束车供氢加氢站内设备选型以及加氢站设计建设提供依据。
为了实现上述目的，本发明提供一种高压管束车供氢加氢站设备选型方法，所述高压管束车供氢加氢站的设备包括：氢气净化系统、氢气压缩机、氢气压缩机冷却系统、储氢系统、氢气预冷系统和加氢机，所述选型方法包括以下步骤：
S1：确定基本参数：1)高压管束车运载氢气的压力P0；
2)高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量；
3)加氢站日加氢量m；
4)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果车辆加氢时间集中在某几个固定时间段，则为集中，加氢站日工作时间T按照10小时计；否则为分散，加氢站日工作时间按16小时计；
5)确定高压管束车供氢加氢站每小时加氢量mT，计算公式为：其中，m为加氢站日加氢量，T为加氢运行时间；
6)确定停机敏感性大小，若用户主要为公交车辆，则停机敏感性大，否则停机敏感性小；
7)氢气加注压力等级P；
S2：对高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量进行分析，判断是否设置氢气净化系统，判断方法如下：
若高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量同时满足以下条件：1)氢气摩尔分数不低于99.99％；2)非氢气体总量不超过100μmol/mol；3)总硫含量不超过0.004μmol/mol；4)CO含量不超过0.2μmol/mol，则氢气纯度及杂质含量合格，不需要增设氢气净化系统；否则，则需设置氢气净化系统；
S3：氢气压缩机选型：
1)确定氢气压缩机的排量和数量；
当N≤25kW时，若停机敏感性大，则选择两台排量为VT的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为VT的氢气压缩机；
当25kW＜N≤60kW时，若停机敏感性大，则选择两台排量为VT的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为VT或两台排量为VT/2的氢气压缩机；
当N＞60kW时，若停机敏感性大，则选择三台排量为VT/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为VT/2的氢气压缩机；
其中，VT为单位小时内压缩氢气体积，
N为氢气压缩机功率，
Ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为Pa；Pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为Pa；VT为单位小时内压缩氢气体积，单位为m3/s；
2)确定是否设置氢气压缩机冷却系统；
根据排气温度Td确定是否设置氢气压缩机冷却系统：
当排气温度Td＜170℃时，则不需要加装氢气压缩机冷却系统；
当排气温度Td≥170℃时，则需要要加装氢气压缩机冷却系统；其中，
Ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为Pa；Pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为Pa；Ts为氢气压缩机进气温度，单位为℃；
S4：根据氢气加注压力等级P设置储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例，方法如下：
1)如果氢气加注压力等级为70MPa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；
2)如果氢气加注压力等级为35MPa和70MPa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；
3)如果氢气加注压力等级为35MPa，则设置低压、中压两级储氢系统，且低压、中压两级储氢系统储氢量比例为1～2:1；
S5：根据储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例和加氢站日加氢量m确定储氢系统，方法如下：
1)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为35MPa时，则设置1个低压储氢设备和1个中压储氢设备；
2)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为70MPa时，则设置1个低压储氢设备、1个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
3)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为35MPa时，则设置1个低压储氢设备和2个中压储氢设备；
4)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为70MPa时，则设置1个低压储氢设备、2个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
5)若加氢站日加氢量1000kg≤m＜2000kg，按照氢气加注压力等级为70MPa进行设计，则设置2个低压储氢设备和3个中压储氢设备和2个高压储氢设备；
S6：根据氢气加注压力等级，确定是否设置氢气预冷系统，方法如下：
1)当加氢站氢气加注压力等级为35MPa时，不设置氢气预冷系统；
2)当氢站氢气加注压力等级为70MPa时，则设置氢气预冷系统。
S7：确定加氢机的数量
式中[]为向上取整数运算符，式中m1为氢气加注压力等级P为35MPa下的加氢量，m2为氢气加注压力等级P为70MPa下的加氢量，计算得到数值即为加氢机数量。
优选条件下，在步骤S1中，所述加氢站日加氢量m通过以下两种方法中的一种确定：
a)直接给出数值m；
b)通过加氢车辆的类型及数量计算：
m＝5×N1+20×N3+15×N3+m4；
其中，N1为出租车的数量，N2为公交车的数量，N3为客运车的数量，m4为其它车辆用氢量的数量。
优选条件下，在步骤S2中，所述氢气净化系统采用变压吸附分离氢气的装置。
优选条件下，所述变压吸附分离氢气的装置包括5个吸附塔，其中，始终有1个吸附塔处于吸附状态。
优选条件下，在步骤S3中，所述氢气压缩机冷却系统包括选自风冷系统、水冷系统和冷却液冷却系统中的至少一种。
优选条件下，在步骤S4中，当氢气加注压力等级为70MPa时，所述低压、中压、高压三级储氢系统中：采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5MPa。
优选条件下，在步骤S4中，当氢气加注压力等级为35MPa和70MPa时，所述低压、中压、高压三级储氢系统中：采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5MPa。
优选条件下，在步骤S4中，当氢气加注压力等级为35MPa时，所述低压、中压两级储氢系统中，采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa。
优选条件下，在步骤S5中，所述低压储氢设备为高压管束车，其储氢设计压力为P0，最大储氢容量为350kg/车；所述中压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为45MPa，最大储氢容量为145kg/罐；所述高压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为87.5MPa，最大储氢容量为235kg/罐。
优选条件下，在步骤S6中，所述氢气预冷系统采用盐水与氢气换热方式预冷。
优选条件下，在步骤S6中，经氢气预冷系统预冷后氢气的温度≥-40℃。
优选条件下，在步骤S7中，所述加氢机为单枪加氢机
通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明针对高压管束车供氢加氢站这一典型具有普适性的加氢站工艺，提出了站内主要设备选型方法，建立了公式计算和工厂要求相结合的选型方法，适应于加氢站内主要设备：氢气净化系统、氢气压缩机的数量和功率、储氢系统、氢气预冷系统及加氢机等系统的选型，从而为高压管束车供氢加氢站内设备选型以及加氢站设计建设提供依据。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
高压管束车供氢加氢站适用于日加氢量小于2000kg的加氢站，因此，本发明提供的高压管束车供氢加氢站设备选型方法也是针对日加氢量小于2000kg的加氢站进行选型。
本发明提供一种高压管束车供氢加氢站设备选型方法，所述高压管束车供氢加氢站的设备包括：氢气净化系统、氢气压缩机、氢气压缩机冷却系统、储氢系统、氢气预冷系统和加氢机，所述选型方法包括以下步骤：
S1：确定基本参数：1)高压管束车运载氢气的压力P0；
2)高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量；
3)加氢站日加氢量m；通过工程要求及现场调研明确拟建加氢站的日平均加氢量m，加氢站日加氢量m可由以下两种方法确定：a)直接给出数值m；
b)通过加氢车辆的类型及数量计算：
m＝5×N1+20×N2+15×N3+m4；
其中，N1为出租车的数量，N2为公交车的数量，N3为客运车的数量，m4为其它车辆用氢量的数量。
4)判断加氢时间是否集中，判断方法如下：
如果车辆加氢时间集中在某几个固定时间段，则为集中，加氢站日工作时间T按照10小时计；否则为分散，加氢站日工作时间按16小时计；
5)确定加氢站每小时加氢量mT，计算公式为：其中，m为加氢站日加氢量，T为加氢运行时间；
6)确定停机敏感性大小，若用户主要为公交车辆，则停机敏感性大，否则停机敏感性小；
7)氢气加注压力等级P；
S2：对高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量进行分析，判断是否设置氢气净化系统，判断方法如下：
若高压管束车运载的氢气纯度及杂质含量同时满足以下条件：1)氢气摩尔分数不低于99.99％；2)非氢气体总量不超过100μmol/mol；3)总硫含量不超过0.004μmol/mol；4)CO含量不超过0.2μmol/mol，则氢气纯度及杂质含量合格，不需要增设氢气净化系统；否则，则需设置氢气净化系统；所述氢气净化系统采用变压吸附分离(PSA)氢气的装置，可采用“5-1-3”工艺，即选用5个吸附塔，始终有1个吸附塔处于吸附状态。
通过计算单位小时净化氢气体积获得吸附塔的处理量，单位小时内氢气体积V0(单位：m3/h)计算公式如下：
S3：氢气压缩机选型：
1)确定氢气压缩机的排量和数量；
当N≤25kW时，若停机敏感性大，则选择两台排量为VT的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为VT的氢气压缩机；
当25kW＜N≤60kW时，若停机敏感性大，则选择两台排量为VT的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择一台排量为VT或两台排量为VT/2的氢气压缩机；
当N＞60kW时，若停机敏感性大，则选择三台排量为VT/2的氢气压缩机；若停机敏感性小，则选择两台排量为VT/2的氢气压缩机；
其中，VT为单位小时内压缩氢气体积，
N为氢气压缩机功率，
Ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为Pa；Pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为Pa；VT为单位小时内压缩氢气体积，单位为m3/s；
2)确定是否设置氢气压缩机冷却系统；
根据排气温度Td确定是否设置氢气压缩机冷却系统：
当排气温度Td＜170℃时，则不需要加装氢气压缩机冷却系统；
当排气温度Td≥170℃时，则需要要加装氢气压缩机冷却系统；其中，
Ps为氢气压缩机进气绝对压力，单位为Pa；Pd为氢气压缩机排气绝对压力，单位为Pa；Ts为氢气压缩机进气温度，单位为℃；
本发明中，所述氢气压缩机冷却系统包括选自风冷系统、水冷系统和冷却液冷却系统中的至少一种，本发明对氢气压缩机冷却系统的具体种类没有特殊的要求，级间及终极排气温度满足要求即可。
S4：根据氢气加注压力等级P设置储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例，方法如下：
1)如果氢气加注压力等级为70MPa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；所述低压、中压、高压三级储氢系统中：采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5MPa；
2)如果氢气加注压力等级为35MPa和70MPa，则设置低压、中压、高压三级储氢系统，且低压、中压、高压三级储氢系统的储氢量比例为1～3:1～2:1；在所述低压、中压、高压三级储氢系统中：采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa；高压储氢罐的储氢设计压力为87.5MPa；
3)如果氢气加注压力等级为35MPa，则设置低压、中压两级储氢系统，且低压、中压两级储氢系统储氢量比例为1～2:1；在所述低压、中压两级储氢系统中，采用高压管束车作为低压储氢设备，储氢设计压力为P0；中压储氢罐的储氢设计压力为45MPa；
本发明中，所述储氢设计压力为储氢设备(高压管束车、中压储氢罐或高压储氢罐)的最高储氢压力，即储氢设备的实际储氢压力≤设计压力。
S5：根据储氢系统的压力等级及各压力等级下的储氢量比例和加氢站日加氢量m确定储氢系统，方法如下：
1)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为35MPa时，则设置1个低压储氢设备和1个中压储氢设备；
2)若加氢站日加氢量m≤500kg且氢气加注压力等级为70MPa时，则设置1个低压储氢设备、1个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
3)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且氢气加注压力等级为35MPa时，则设置1个低压储氢设备和2个中压储氢设备；
4)若加氢站日加氢量500kg≤m＜1000kg且加注压力等级为70MPa时，则设置1个低压储氢设备、2个中压储氢设备和1个高压储氢设备；
5)若加氢站日加氢量1000kg≤m＜2000kg，按照氢气加注压力等级为70MPa进行设计，则设置2个低压储氢设备和3个中压储氢设备和2个高压储氢设备；
本发明中，所述低压储氢设备为高压管束车，其储氢设计压力为P0，最大储氢容量为350kg/车；所述中压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为45MPa，最大储氢容量为145kg/罐；所述高压储氢设备为容积为5m3的储氢罐，其储氢设计压力为87.5MPa，最大储氢容量为235kg/罐。
S6：根据氢气加注压力等级，确定是否设置氢气预冷系统，方法如下：
1)当加氢站氢气加注压力等级为35MPa时，不设置氢气预冷系统；
2)当氢站氢气加注压力等级为70MPa时，则设置氢气预冷系统；
对于氢气加注，由于逆汤-焦效应、氢气动能向内能的转化等，导致当加氢站氢气加注压力等级为70MPa必须采用氢气预冷系统，而当加氢站氢气加注压力等级为35MPa时则选用氢气预冷系统。
优选条件下，所述氢气预冷系统采用盐水与氢气换热方式预冷，经氢气预冷系统预冷后氢气的温度≥-40℃。
S7：确定加氢机的数量
式中[]为向上取整数运算符，m1为氢气加注压力等级P为35MPa下的加氢量，m2为氢气加注压力等级P为70MPa下的加氢量，计算得到数值即为加氢机数量。
优选条件下，本发明采用单枪加氢机。
以下通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
某城市拟建设氢气加注压力等级P为35MPa加氢站，设计日加氢量为500kg/天，氢气加注时间集中，主要服务对象为公交车。
根据以上规划条件，高压管束车供氢加氢站设备选型实施方式如下：
一、输入条件
(1)高压管束车运输氢气压力P0＝20MPa；
(2)氢气为外购氢，质量满足燃料电池用氢气标准，因此加氢站内不需要设置氢气净化系统；
(3)加氢站设计日加氢量为500kg；
(4)加氢站氢气加注时间集中，T＝10h；
(5)确定加氢站每小时加氢量mT，计算公式为：代入公式得mT＝50kg/h；
(6)加氢站停机敏感性较大；
(7)氢气加注压力等级P为35MPa。
二、由于氢气为外购氢，质量满足燃料电池用氢气标准，因此加氢站内不需要设置氢气净化系统；
三、氢气压缩机计算
1)确定氢气压缩机的排量和数量；
单位小时内氢气压缩量VT＝mT/7.5＝6.7m3/h＝0.00186m3/s；
压缩机轴功率
其中，进气绝对压力为Ps＝101×105Pa；出气绝对压力为Pd＝451×105Pa，
N≤25kW，且停运敏感性较高，因此，选用两台排气不小于6.7m3/h的氢气压缩机；
2)确定是否设置氢气压缩机冷却系统；
氢气压缩机进气温度Ts＝30℃，计算得到排气温度Td＝46.3℃，排气温度不高于170℃，因此，不需要加设排气冷却系统；
四、根据氢气加注压力等级P，设置储氢系统的压力系统以及各级压力系统的储氢量比例
氢气加注压力等级为35MPa，设置中、低压两级储氢系统，高压管束车为低压储氢系统，压力P0＝20MPa；中压储氢罐设计压力为45MPa。
加氢站日加氢量m＝500kg且储氢系统压力等级为35MPa时，则高压管束车数量n＝1，作为低压储氢设备，每台高压管束车储氢容量为350kg；中压储氢设备选用水容积为5m3的储氢罐一座，单罐储氢容量为145kg，设计压力为45MPa，该条件下储氢总容量＝350kg+145kg＝495kg。
四、氢气预冷系统设施
氢气加注压力等级为35MPa，不需要设计氢气预冷系统。
五、加氢机设备选型
氢气加注压力等级为35MPa，日加注量为500kg，则计算得到加氢机数量＝[500/200]＝3台。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
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