高寒條件下移動(dòng)加氫站系統(tǒng)改造

任海平 羅悅齊 王遠(yuǎn)遠(yuǎn)

摘 ?要：常規(guī)移動(dòng)加氫站中在使用時(shí)有溫度要求，在高寒地區(qū)工作時(shí)受溫度影響較大，無(wú)法保證氫氣加注的正常進(jìn)行。該文針對(duì)高寒條件，對(duì)常規(guī)移動(dòng)加氫站進(jìn)行系統(tǒng)改造，主要通過(guò)為移動(dòng)加氫站內(nèi)部各主件輔助設(shè)計(jì)加熱裝置和對(duì)驅(qū)動(dòng)氣輸入過(guò)程進(jìn)行加熱處理，來(lái)保證系統(tǒng)在高寒地區(qū)的正常工作。系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試證明改進(jìn)設(shè)計(jì)的移動(dòng)加氫站系統(tǒng)在高寒條件下具備良好的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：高寒條件;移動(dòng)加氫;加熱裝置;保溫;改造

中圖分類號(hào)：TK441 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展，新能源車輛對(duì)氫氣的使用也越來(lái)越廣泛。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的移動(dòng)加氫站發(fā)展較為迅速，由于其具有加注靈活、便于移動(dòng)、適用范圍廣等特點(diǎn)，在全國(guó)各地區(qū)都得到了廣泛應(yīng)用。但是移動(dòng)加氫站主件的正常工作溫度范圍大多在+5℃～+40℃，這就導(dǎo)致移動(dòng)加氫站在高寒地區(qū)無(wú)法正常使用。針對(duì)這一現(xiàn)狀，在移動(dòng)加氫站的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行改造，通過(guò)對(duì)移動(dòng)加氫站內(nèi)部主件進(jìn)行加熱處理和對(duì)驅(qū)動(dòng)氣輸入過(guò)程進(jìn)行控制來(lái)提高系統(tǒng)的抗寒能力，產(chǎn)品最終測(cè)試結(jié)果證明經(jīng)過(guò)處理后的移動(dòng)加氫站可在高寒地區(qū)正常工作。

1 常規(guī)移動(dòng)加氫站系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

移動(dòng)式加氫站系統(tǒng)采用20 bar～200 bar儲(chǔ)氣瓶中的氫氣作為被壓縮介質(zhì)，低壓壓縮空氣作為動(dòng)力源，將氫氣增壓至350 bar或700 bar。移動(dòng)式加氫站系統(tǒng)由空氣驅(qū)動(dòng)單元、氫氣升壓機(jī)、氫氣加注裝置和外部連接管路等組成。空氣驅(qū)動(dòng)單元為氫氣升壓機(jī)提供低壓壓縮空氣，氫氣升壓機(jī)是將低壓氫氣增壓至所需的加注壓力，氫氣加注裝置由加氫槍和配套軟管組成，為加氫車加注高壓氫氣，系統(tǒng)工藝原理圖如圖1所示。

如圖1所示，空氣驅(qū)動(dòng)單元主要生產(chǎn)低壓壓縮空氣，為氫氣升壓機(jī)提供動(dòng)力源。它由空氣壓縮機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、儲(chǔ)氣罐、兩級(jí)過(guò)濾器和電子排水閥等組成。驅(qū)動(dòng)設(shè)備為變頻式螺桿空壓機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，安裝方便。下游配置立式空氣緩沖罐、風(fēng)冷冷凍式干燥機(jī)以及多級(jí)空氣過(guò)濾器，保證供氣穩(wěn)定及空氣品質(zhì)，滿足氣動(dòng)增壓泵的驅(qū)動(dòng)氣需求。空氣驅(qū)動(dòng)單元的儲(chǔ)氣罐和過(guò)濾器采用電子排水器自動(dòng)排水，可在一定范圍內(nèi)設(shè)置排水時(shí)間，無(wú)需操作人員手動(dòng)排水。配置一套配電柜，控制電子排水器和空壓機(jī)油溫加熱裝置的工作。配電柜集成在空氣驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部。

氫氣升壓機(jī)的核心部件是4臺(tái)氫氣專用型氣動(dòng)增壓泵。4臺(tái)氣動(dòng)增壓泵可分為2臺(tái)低壓氣動(dòng)增壓泵和2臺(tái)高壓氣動(dòng)增壓泵。2臺(tái)低壓氣動(dòng)增壓泵并聯(lián)，可將低壓氫氣增壓至350 bar，滿足350 bar氫氣加注要求，2臺(tái)高壓氣動(dòng)增壓泵在2臺(tái)低壓泵增壓的基礎(chǔ)上，將氫氣壓力增壓至700 bar，滿足700 bar氫氣加注要求。氣動(dòng)泵可采用一開(kāi)一備的設(shè)計(jì)使用原則，用戶可根據(jù)加注設(shè)備的容積大小和壓力，選擇所需的氣動(dòng)泵，操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。

氫氣加注裝置采用1把350 bar高壓氫氣專用加氫槍和1把700bar高壓氫氣專用加氫槍，加氫槍接口符合的加氫接口要求，加氫槍安裝在氫氣升壓機(jī)上，便于人員操作。

移動(dòng)式加氫站各設(shè)備之間采用軟管進(jìn)行連接，方便安裝和拆卸。空氣驅(qū)動(dòng)單元和氫氣升壓機(jī)做成2套機(jī)箱樣式，方便運(yùn)輸。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)特點(diǎn)包括5點(diǎn)。1）空氣驅(qū)動(dòng)單元和氫氣升壓機(jī)采用封閉式機(jī)箱設(shè)計(jì)，便于整套裝車和卸載，設(shè)備之間采用軟管連接，方便拆卸。2）采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，氣驅(qū)泵為氫氣專用無(wú)油泵，電氣與氫氣進(jìn)行隔離，并靜電接地，滿足國(guó)家氫能使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，安全可靠。3）系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)機(jī)只需簡(jiǎn)單的手動(dòng)閥門控制，能夠快速控制氫氣升壓機(jī)的工作狀態(tài)。4）所有使用的閥件管路都符合氧級(jí)禁油要求。5）系統(tǒng)自身內(nèi)置安全閥，避免氫氣升壓機(jī)超壓使用，保護(hù)加注過(guò)程中的車輛安全。

2 高寒條件下設(shè)備問(wèn)題

常規(guī)移動(dòng)加氫機(jī)具備很多優(yōu)點(diǎn)，但是在高寒條件下，常規(guī)移動(dòng)加氫站將無(wú)法正常運(yùn)行，主要有3個(gè)問(wèn)題。1）空壓機(jī)在低溫條件下，油黏度過(guò)大，無(wú)法正常啟動(dòng)。2）壓縮空氣經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸后，到移動(dòng)升壓機(jī)時(shí)，氣體溫度很低，再對(duì)移動(dòng)升壓機(jī)做功后，空氣溫度進(jìn)一步降低，移動(dòng)升壓機(jī)內(nèi)的氣體增壓器會(huì)出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。3）空壓機(jī)、冷凍式干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐的排水口會(huì)出現(xiàn)冰堵，壓縮空氣內(nèi)的水氣不能排除，影響壓縮空氣的氣體品質(zhì)，并且更易導(dǎo)致移動(dòng)升壓機(jī)內(nèi)的氣體增壓器出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。

3 移動(dòng)加氫站改造

針對(duì)高寒條件下，移動(dòng)加氫站無(wú)法運(yùn)行的情況，對(duì)移動(dòng)加氫站進(jìn)行系統(tǒng)改造，保證移動(dòng)加氫站在高寒條件下可以正常運(yùn)行。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，逐個(gè)提供解決方法，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)加氫站的正常運(yùn)行。

3.1 空壓機(jī)油罐改造

空壓機(jī)在低溫條件下無(wú)法啟動(dòng)，主要是因?yàn)橛宛ざ冗^(guò)大。假設(shè)采用加熱裝置對(duì)空壓機(jī)的油罐進(jìn)行加熱，使罐內(nèi)油溫達(dá)到工作許可溫度?？諌簷C(jī)的最低啟動(dòng)環(huán)境溫度為5℃，需要將空壓機(jī)的油罐溫度控制在5℃以上。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，采用自限溫型電伴熱帶對(duì)空壓機(jī)油罐進(jìn)行纏繞加熱。如圖2所示，這種自限溫型電伴熱帶，最高可加熱到60℃，并且可以自由選擇纏繞長(zhǎng)度，由溫控器來(lái)控制電伴熱帶的加熱溫度。溫控器包括機(jī)械式和電子式2種，在高寒條件下，優(yōu)先選用機(jī)械式溫控器，電子式溫控器容易出現(xiàn)低溫?zé)o法工作的情況。溫控器設(shè)定好加熱溫度后，只要給設(shè)備上電，電伴熱帶會(huì)自動(dòng)將油罐溫度升溫到設(shè)定溫度。這樣即使在高寒條件下，油罐溫度也可滿足工作溫度要求，使空壓機(jī)能夠正常運(yùn)行。

3.2 增加空氣加熱器

至于空氣壓縮單元輸送給移動(dòng)升壓機(jī)的壓縮空氣溫度過(guò)低問(wèn)題，采用加熱器對(duì)輸送的壓縮空氣進(jìn)行加熱，使之進(jìn)入移動(dòng)升壓機(jī)時(shí)，進(jìn)氣溫度在10℃以上，這樣氫氣升壓機(jī)工作過(guò)程中，不會(huì)由于驅(qū)動(dòng)空氣溫度過(guò)低，出現(xiàn)氣體增壓器的冰堵現(xiàn)象。

選用低壓壓縮空氣管道式加熱器作為壓縮空氣的加熱工具，它既能承受1 MPa的壓縮空氣，并且不會(huì)影響壓縮空氣的流量。根據(jù)所需的加熱功率，選用合適的管道加熱器（6 kW）。管道加熱器由本體和控制系統(tǒng)2個(gè)部分組成，發(fā)熱元件采用鋼管做保護(hù)套管，高溫電阻合金絲，結(jié)晶氧化鎂粉，經(jīng)壓縮工藝成型，控制部分采用先進(jìn)的數(shù)字電路，集成電路觸發(fā)器、高反壓可控硅等組成可調(diào)測(cè)溫、恒溫系統(tǒng)，保證了電加熱器的正常運(yùn)行。

3.3 系統(tǒng)管路保溫

至于空壓機(jī)、冷凍式干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐的排水口在高寒條件下出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，主要是排出的液態(tài)水遇到外部環(huán)境溫度迅速冷凝，堵塞了排水口。由于空壓機(jī)、干燥機(jī)和儲(chǔ)氣罐等排水前溫度較高，只需要對(duì)排水管采取保溫措施，使排水管能夠順利排水即可。如果保溫效果不佳，可以采用電伴熱帶進(jìn)行纏繞加熱和保溫。

同時(shí)，由于空氣驅(qū)動(dòng)單元和移動(dòng)升壓機(jī)之間的安全標(biāo)準(zhǔn)距離要求≥35 m，這么長(zhǎng)距離的軟管輸送，高寒條件下，溫度必然會(huì)有較大溫降，所以也對(duì)空氣管道加熱器加熱后壓縮空氣的軟管進(jìn)行保溫。保溫材料可以選用聚氨酯等軟質(zhì)保溫材料，如圖3所示。

4 結(jié)論

按照上述方法，對(duì)移動(dòng)加氫站內(nèi)的空壓機(jī)油罐、壓縮空氣軟管增加管道式加熱器，還有對(duì)排水管路進(jìn)行改造。將改造后的移動(dòng)加氫站系統(tǒng)放在高寒地區(qū)（黑河）進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的加氫作業(yè)。

通過(guò)設(shè)備數(shù)月的運(yùn)行，改造后的移動(dòng)加氫站能夠在高寒地區(qū)正常工作，能夠滿足氫氣加注的使用要求。通過(guò)這次對(duì)常規(guī)移動(dòng)加氫站系統(tǒng)的改造，也對(duì)移動(dòng)加氫站系統(tǒng)有了更多的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)加氫站的設(shè)計(jì)還有可優(yōu)化的空間，該次改造對(duì)于日后移動(dòng)加氫站進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 31139—2014，移動(dòng)式加氫設(shè)施安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.