加氫站儲(chǔ)氫容器優(yōu)化配置研究

張 奇

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

加氫站是保障氫燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)的必要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。最近，中國(guó)石化也宣布將把氫能作為公司新能源業(yè)務(wù)的主要方向，將中國(guó)石化打造成“中國(guó)第一大氫能公司”，并將在“十四五”期間布局1 000座加氫站。

值得注意的是，在加快加氫站建設(shè)的同時(shí)，必須重視加氫站的設(shè)備配置，充分發(fā)揮加氫站的效能。當(dāng)前，加氫站的設(shè)計(jì)和建設(shè)的一些理念和想法大都來源于CNG加氣站，一些設(shè)備的設(shè)置直接參照CNG加氣站[2]，但是氫氣和甲烷的物理化學(xué)性質(zhì)差別很大，加氫站按照CNG加氣站來進(jìn)行設(shè)備設(shè)置顯然是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。與此同時(shí)，對(duì)于當(dāng)前已建成的加氫站，由于加注車輛的數(shù)量沒有達(dá)到一定規(guī)模，或者車輛對(duì)加注速度要求還不高，加氫站的快速、連續(xù)加注能力還沒有得到真正考驗(yàn)。在加氫站配置儲(chǔ)氫容器，是適應(yīng)間歇式加氫工藝要求的必要手段，可以明顯改善氫氣充裝的穩(wěn)定性和可靠性，提高充裝速率，有利于提高加氫站的整體工作效率。儲(chǔ)氫容器作為固定式加氫站的主要設(shè)備，其投資占整個(gè)加氫站設(shè)備總投資的20%~30%，儲(chǔ)氫容器的配置是否合理，對(duì)整個(gè)加氫站的投資及取氣率也有很大影響。因此，為了應(yīng)對(duì)將來氫燃料電池車大規(guī)模、連續(xù)、快速加注的要求，對(duì)加氫站儲(chǔ)氫容器的配置和工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地研究就顯得尤為重要。

1 氫氣長(zhǎng)管拖車供氫固定式加氫站的工藝流程

對(duì)于長(zhǎng)管拖車供氫的固定式加氫站，其主要設(shè)備有長(zhǎng)管拖車、卸氣柱、氫氣壓縮機(jī)、優(yōu)先順序控制盤、儲(chǔ)氫容器、加氫機(jī)以及相應(yīng)的輔助設(shè)備（圖1）。長(zhǎng)管拖車將氫氣運(yùn)送到加氫站之后，氫氣通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，升壓后的氫氣儲(chǔ)存在站內(nèi)的高壓儲(chǔ)氫容器內(nèi)，當(dāng)需要給車載氣瓶加注氫氣時(shí)，在加氫站固定式儲(chǔ)氫容器與車載氣瓶之間高壓差的作用下，氫氣通過加氫機(jī)快速充裝至車載氣瓶?jī)?nèi)。

圖1 氫氣長(zhǎng)管拖車供氫加氫站工藝流程

2 儲(chǔ)氫容器模擬計(jì)算數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 合理的規(guī)定和假設(shè)

在對(duì)儲(chǔ)氫容器進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，為了便于分析計(jì)算，需做以下合理的規(guī)定和假設(shè)：

（1）氫燃料電池汽車到站加氫站時(shí)，車載氣瓶?jī)?nèi)的溫度為25℃（環(huán)境溫度）、壓力為5MPa。車載氣瓶加氫終了時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)的溫度為60℃（氫氣的焦-湯系數(shù)在常溫下為負(fù)值，節(jié)流膨脹會(huì)導(dǎo)致氫氣溫度升高，一般充裝氫氣時(shí)先將氫氣進(jìn)行冷卻，控制車載氣瓶?jī)?nèi)的溫度為60℃。）、壓力為35MPa（車載氣瓶的最大工作壓力）。

（2）一般氫燃料電池汽車單個(gè)車載氣瓶的水容積為140L。車型不同，所配置的氣瓶數(shù)量不同，一般物流車配置3臺(tái)氣瓶，氫燃料電池客車可配置多達(dá)8臺(tái)氣瓶。為便于討論，本文僅討論充裝的車載氣瓶數(shù)量，暫不討論充裝的車輛數(shù)。

（3）為了維持一定的充裝速率，要求儲(chǔ)氫容器與車載氣瓶的壓力始終大于一定壓差。本文按照1MPa考慮，即切換壓差為1MPa。

（4）本文研究的儲(chǔ)氫容器為現(xiàn)在應(yīng)用較多的儲(chǔ)氫瓶組，首先研究由18支水容積為1m3的儲(chǔ)氫瓶組成的儲(chǔ)氫瓶組。

2.2 高壓下氫氣壓縮因子Z的求取

理想氣體的狀態(tài)方程為：Pvid=RT。但是，高壓狀態(tài)下氫氣的變化過程并不遵循理想氣體狀態(tài)方程。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常采用乘以壓縮因子Z的方法來矯正實(shí)際氣體與理想氣體的偏差[3]。實(shí)際氣體的狀態(tài)方程可以寫為：

式（1）中：P為氣體的絕對(duì)壓力，Pa；

v為氣體的比容，m3/kg；

Z為氣體壓縮因子；

R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）；

中國(guó)也在成為別人的別處，身邊幾乎所有人都有去中國(guó)玩的經(jīng)歷。一個(gè)法國(guó)人給我講他的特別體驗(yàn)：2000米高的黃山，居然有臺(tái)階上到山頂；上到山頂以后發(fā)現(xiàn)身邊還有好幾百人，抵得上一個(gè)歐洲小鎮(zhèn)的市中心。這在阿爾卑斯山區(qū)是無(wú)法想象的：2000米的山峰攀到頂，身邊連一只山羊也沒有。

T為氣體熱力學(xué)溫度，K。

氣體壓縮因子Z是溫度T和壓力P的函數(shù)。在本文中，氫氣壓縮因子的計(jì)算采用《燃料電池電動(dòng)汽車 氫氣消耗量測(cè)量方法》GB/T 35178—2017中所給出的計(jì)算方法[4]：

式（2）中：vij為常數(shù)，見表1。

表1 系數(shù)vij

對(duì)于一組確定的溫度T和壓力p，利用上式可以求出一個(gè)對(duì)應(yīng)的壓縮因子。

2.3 儲(chǔ)氫瓶組工作過程分析

本文研究的加氫站配備有優(yōu)先順序控制盤和儲(chǔ)氫瓶組。優(yōu)先順序控制盤是加氫站中的重要設(shè)備之一，通過優(yōu)先順序控制盤，可以實(shí)現(xiàn)加氫站內(nèi)儲(chǔ)氫瓶組取氣和充氣的自動(dòng)控制。儲(chǔ)氫瓶組按一定的容積比例劃分為高、中、低壓三組[5]。

儲(chǔ)氫瓶組對(duì)車載氣瓶的充氣過程：先由低壓儲(chǔ)氫瓶組充氣，當(dāng)?shù)蛪簝?chǔ)氫瓶組的壓力下降到一定值時(shí)，隔離低壓儲(chǔ)氫瓶組并切換到中壓儲(chǔ)氫瓶組，此時(shí)利用中壓儲(chǔ)氫瓶組對(duì)車載氣瓶進(jìn)行充氣，當(dāng)中壓儲(chǔ)氫瓶組壓力下降到一定值時(shí)，隔離中壓儲(chǔ)氫瓶組并切換到高壓儲(chǔ)氫瓶組，此時(shí)利用高壓儲(chǔ)氫瓶組對(duì)車載氣瓶進(jìn)行充氣，直至高壓儲(chǔ)氫瓶組的壓力下降到一定值時(shí)，停止從儲(chǔ)氫瓶組中取氣[6]。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，儲(chǔ)氫瓶組對(duì)車載氣瓶充氣的過程中，儲(chǔ)氫瓶組中氫氣的質(zhì)量變化應(yīng)等于車載氣瓶中氫氣質(zhì)量變化，可用如下公式表示：

將實(shí)際氣體的狀態(tài)方程Pv=ZRT代入上面的質(zhì)量守恒方程組，得：

儲(chǔ)氫瓶組的取氣率是指充入氫燃料電池汽車車載氣瓶的氫氣質(zhì)量與儲(chǔ)氫瓶組可以儲(chǔ)存的氫氣質(zhì)量之比，是衡量?jī)?chǔ)氫瓶組配置優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于同一組儲(chǔ)氫容器，取氣率越高，意味著壓縮機(jī)啟停的次數(shù)就越少。因此，有必要對(duì)儲(chǔ)氫瓶組的氣體利用率進(jìn)行分析，提高儲(chǔ)氫瓶組的取氣率，減少壓縮機(jī)啟停次數(shù)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的壽命，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)加氫站的節(jié)能降耗。

儲(chǔ)氫瓶組高壓氫氣取氣率η：

式中，pL、pM、pH為低、中、高壓儲(chǔ)氫瓶組的壓力，MPa；

nL、nH、nM為低、中、高壓儲(chǔ)氫瓶組中儲(chǔ)氫瓶的個(gè)數(shù)；

Z（PL）、Z（PM）、Z（PH）、Z（45）為氫氣在pL、pM、pH、 45MPa，25℃下的壓縮因子。

3 儲(chǔ)氫瓶組的模擬計(jì)算

3.1 不同高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積配比的分析

根據(jù)第2節(jié)建立的儲(chǔ)氫瓶組模擬計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了不同高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積配比時(shí)，整個(gè)加氫站儲(chǔ)氫瓶組的取氣率以及可以充裝車載氣瓶的數(shù)量。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積比例的計(jì)算結(jié)果

通過表2可以看到，隨著低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積逐漸增加，整個(gè)加氫站儲(chǔ)氫容器的取氣率呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的容積比例為2：3：4時(shí)，整個(gè)加氫站儲(chǔ)氫容器的取氣率最高，為46.483%。同時(shí)充裝的車載氣瓶的數(shù)量也最多，為86臺(tái)。

3.2 高、中、低壓瓶組容積比例為2∶3∶4時(shí)工作過程分析

根據(jù)3.1節(jié)分析，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的容積比例為2∶3∶4時(shí)，儲(chǔ)氫容器的取氣率最高。本節(jié)以高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的容積比例為2∶3∶4，即高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的實(shí)際水容積為4m3、6m3、8m3時(shí)，將儲(chǔ)氫瓶組對(duì)車載氣瓶的充氫過程進(jìn)行模擬計(jì)算，詳細(xì)分析了儲(chǔ)氫瓶組充裝車載氣瓶的過程，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積比例為2∶3∶4的充裝過程

儲(chǔ)氫瓶組儲(chǔ)氫壓力為45MPa，高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組的水容積分別為4m3、6m3、8m3。車載氣瓶的最高充裝壓力35MPa，體積為140L。充氫過程中的切換壓差為1MPa。從表3可以看出，只利用儲(chǔ)氫瓶組可以充裝86臺(tái)車載氣瓶，此時(shí)儲(chǔ)氫瓶組的取氣率為46.483%。其中，只利用低壓儲(chǔ)氫瓶組可以充裝13臺(tái)車載氣瓶，利用低壓和中壓儲(chǔ)氫瓶組可以充裝36臺(tái)車載氣瓶，剩余的37臺(tái)車載氣瓶需要高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組一起充裝。

由表3可以看出，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氫瓶組的水容積分別為4m3、6m3、8m3時(shí)，在給第1~40臺(tái)車載氣瓶充氫過程中，低壓瓶組的壓力下降最快，說明此時(shí)主要以低壓瓶組充氫為主。在給第40~60臺(tái)車載氣瓶充氫過程中，中壓瓶組的壓力下降最快，說明此時(shí)主要以中壓瓶組充氫為主。在給第60~86臺(tái)車載氣瓶充氫過程中，中、高壓瓶組的壓力下降都很快，說明此時(shí)以中、高壓瓶組充氫為主。當(dāng)儲(chǔ)氫瓶組給車載氣瓶加氫結(jié)束時(shí)，低壓瓶組的壓力為13.232MPa，中壓瓶組的壓力為23.688MPa，高壓瓶組的壓力為35.114MPa。

4 加氫站儲(chǔ)氫容器規(guī)模的確定

對(duì)于商業(yè)運(yùn)營(yíng)的加氫站，到達(dá)加氫站加氫的氫燃料電池汽車的數(shù)量具有很大的隨機(jī)性，但是，一般會(huì)出現(xiàn)高峰與低谷現(xiàn)象，真正對(duì)加氫站的加注能力形成考驗(yàn)的是它的快速、連續(xù)加注能力。儲(chǔ)氫容器是實(shí)現(xiàn)加氫站快速、連續(xù)加氫的必要設(shè)備設(shè)施，而加氫站的儲(chǔ)氫量決定了設(shè)計(jì)的儲(chǔ)氫容器的大小?？梢酝ㄟ^合理的分析，綜合判斷確定加氫站的儲(chǔ)氫量，從而選擇相對(duì)合理的儲(chǔ)氫容器的規(guī)模。

通過第3節(jié)的研究結(jié)果可知，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的容積之比為2∶3∶4時(shí)，儲(chǔ)氫容器的取氣率最高，為46.483%。對(duì)于日加注能力1 000kg氫氣的加氫站，壓縮機(jī)及時(shí)為加氫站供應(yīng)氫氣可以適當(dāng)減少站內(nèi)儲(chǔ)氫容器的容積。為研究補(bǔ)氫次數(shù)對(duì)加氫站儲(chǔ)氫容器容積的影響，針對(duì)每日儲(chǔ)氫容器補(bǔ)充氫氣次數(shù)的不同，利用第2節(jié)所述公式對(duì)所需儲(chǔ)氫容器的容積進(jìn)行了計(jì)算，見表4。

表4 不同補(bǔ)充氫氣次數(shù)對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氫容器的規(guī)模

對(duì)于目前建設(shè)的日加注1 000kg、35MPa氫氣的加氫站，如果配置18m3的儲(chǔ)氫容器，儲(chǔ)氫容器每天至少需要補(bǔ)充4次氫氣。這也說明如果來站加氫的氫燃料電池汽車數(shù)量多且時(shí)間集中，需要增設(shè)更多的儲(chǔ)氫容器。

綜上所述，在加氫站的設(shè)計(jì)過程中，需考慮建站及未來一段時(shí)間內(nèi)預(yù)期來站加氫的氫燃料電池汽車數(shù)量及車載氣瓶的容積，根據(jù)實(shí)際情況，選擇相對(duì)合理的儲(chǔ)氫容器的規(guī)模，既實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)加注，又不會(huì)造成過多的設(shè)備投資。

5 結(jié)論

加氫站高、中、低壓三級(jí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)是加氫站的一個(gè)核心技術(shù)。本文通過建立加氫站儲(chǔ)氫容器工作過程的數(shù)學(xué)模型，分析了三級(jí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的工作方式，對(duì)加氫站儲(chǔ)氫瓶組的工作過程進(jìn)行了模擬計(jì)算。得到的結(jié)論如下：

1）隨著低壓儲(chǔ)氫瓶組水容積逐漸增加，整個(gè)加氫站儲(chǔ)氫容器的取氣率呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)高、中、低壓儲(chǔ)氫容器的容積比例為2∶3∶4時(shí)，整個(gè)加氫站儲(chǔ)氫容器的取氣率最高，為46.483%。

2）在加氫站的設(shè)計(jì)過程中，需考慮建站及未來一段時(shí)間內(nèi)預(yù)期來站加氫的氫燃料電池汽車數(shù)量及車載氣瓶的容積，根據(jù)實(shí)際情況，選擇相對(duì)合理的儲(chǔ)氫容器的規(guī)模，既實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)加注，又不會(huì)造成過多的設(shè)備投資。