加氫站高效儲氫、加氫等關鍵技術的研究

劉子龍(神華氫能科技如皋有限責任公司，江蘇 如皋 226500)

0 引言

氫能作為一種高效的清潔能源，已經(jīng)在交通運輸領域得到了廣泛應用。加氫站作為氫能行業(yè)的中轉站和補給站，在交通領域的應用和推廣起到了至關重要的作用。如何提高氫能的加注和儲存效率，降低氫氣加注成本，成為制約氫能在交通行業(yè)發(fā)展的關鍵因素。加氫站智能化控制系統(tǒng)和分級存儲技術的研發(fā)，將傳統(tǒng)的高壓加注方式轉換成為自動化分級加注，在實現(xiàn)加氫站自動化運行的同時，提高加氫站內(nèi)氫氣的利用效率，降低加氫站運營成本。

1 氫能技術現(xiàn)狀

近年來，為了減少CO2排放，提高清潔能源的利用率，世界各國持續(xù)推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)《2021年全球氫燃料站市場(Global Market for Hydrogen Fueling Stations，2021)》(簡稱《報告》)指出，當前加氫站市場正經(jīng)歷著快速的增長，截至2020年底，全球已有33個國家建成共計584座加氫站。在加氫站的布局方面，日本顯然是全球領先者，目前已擁有近150座加氫站。而增長最快的國家是中國，目前已有超過100座加氫站投入運營。根據(jù)報告，中國加氫站數(shù)量已于2020年超越韓國成為第二名，目前正在趕超日本。全球到2035年，加氫站的數(shù)量將增長近14倍。屆時，加氫站將覆蓋美國、西歐、中國、日本和韓國的大部分地區(qū)。因此，加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對我國推進能源革命和能源轉型具有重大的現(xiàn)實意義。

2 加氫站的工藝流程現(xiàn)狀

目前，加氫模式分為35 MPa/70 MPa兩個壓力等級。國內(nèi)加氫站的工藝流程基本相同。

加氫站工藝路線如圖1所示，長管拖車運送氫氣到站內(nèi)指定卸氫區(qū)，與卸氣柱金屬軟管相連，沿卸氫管路進入45 MPa/87 MPa壓縮機，經(jīng)過壓縮機加壓，沿著儲氫管路分別進入50 MPa和98 MPa儲罐[1]。燃料電池車加氫時，儲罐利用壓差沿輸送管路進入35 MPa和70 MPa加氫機，由加氫機對車輛進行加注，其中70 MPa加氫機氣路進入加氫機之前還會進行冷卻降溫工序。

圖1 加氫站工藝流程圖

3 研究內(nèi)容

3.1 分級儲氫系統(tǒng)的研究

加氫站儲氫系統(tǒng)設置：45 MPa儲氫系統(tǒng)設置為低、中、高儲氫罐，根據(jù)不同溫度下氫氣壓縮因子和溫度系統(tǒng)對儲氫量的影響[2]，配合壓力曲線的變化對加注效率的影響，配置不同水容積的儲氫罐，已達到分級加注時，儲氫罐內(nèi)的氫氣最大化利用，降低氫氣的存儲成本。

3.2 安全防護的技術研究

在進行加氫站工藝流程和技術優(yōu)化開發(fā)的同時，進行加氫站加氫機加注過程的安全可靠性的研究，如進行泄漏保護、超壓保護、溢流保護、警報系統(tǒng)和緊急停機等功能研究。

(1)氫氣泄漏報警。當加氫站監(jiān)測到站內(nèi)氫氣濃度超過0.4%時，加氫站警報系統(tǒng)打開，提示氫氣濃度超標。當空氣中濃度超過1%時，需切斷加氫站儲氫系統(tǒng)閥門，停止氫氣加注[3]。

(2)超壓保護。加氫機控制系統(tǒng)應具備壓力傳感器或者壓力控制失效的探測方法，緊急情況下可執(zhí)行緊急停機。在氫氣加注過程中，氫氣加注壓力Pstation高于安全操作要求時，加氫站需采取安全措施，保證系統(tǒng)安全。

(3)溢流保護。在加注過程中，為保證加注的安全，除超壓保護外，加注完成時的加注率應滿足95%≤SOC≤100%，當SOC高于100%時，需在5 s內(nèi)啟動緊急停機。

(4)緊急停機。當加氫機工作中，出現(xiàn)突發(fā)狀況時，需緊急關停加氫機。

(5)斷電保護。當智能控制系統(tǒng)斷電時，對控制邏輯影響較大，可能損壞CPU等主要配件，同時系統(tǒng)斷電時，會出現(xiàn)回復出廠設置等問題。設置斷電保護是在系統(tǒng)出現(xiàn)斷電時，及時根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對現(xiàn)場設備進行保護，同時保護智能控制系統(tǒng)不受損傷。

3.3 氫氣計量體系研究

氫氣在加注時的準確計量對加氫站的商業(yè)化運營非常重要。氫氣的準確計量涉及到測量的方法、準確度、校準、法規(guī)及標準等。當前，在德國，根據(jù)OIMLR139-車輛用壓縮氣體計量系統(tǒng)要求，1.5%的誤差是被允許的。參照Linde的計量方法，其加氫站的氫氣計量誤差在2%～2.5%和5%～8%之間[4]。

3.4 壓縮機的啟?？刂?/h3>

根據(jù)工藝要求，充氣壓力選擇相應壓縮機可以在壓縮機停止狀態(tài)時，對壓縮機進行切換。根據(jù)加氫站工藝流程設計，啟動壓縮機前需要啟動冷水機，因此當系統(tǒng)處于自動狀態(tài)時，系統(tǒng)會在啟動壓縮機前自動啟動冷水機。當判斷冷水機啟動后，系統(tǒng)會啟動已經(jīng)選擇的壓縮機對罐體進行充裝工作。當有報警出現(xiàn)時，程序自動停止壓縮機運行。

3.5 冷水機的啟?？刂?/h3>

在自動狀態(tài)下，如果冷水機在運行時出現(xiàn)故障報警，系統(tǒng)會自動停止。排除故障后，按動確認按鈕和啟動按鈕，冷水機自動運行。當兩臺壓縮機停止后，在設定時間到后冷水機停止。

3.6 研究長管拖車的自動選擇和切換

在設備啟動前，觀察報警信息欄是否有報警，無報警時按動啟動按鈕，系統(tǒng)進入自動狀態(tài)，綠燈亮。系統(tǒng)自動選擇高于長管拖車返回壓力并且較低的長管拖車給壓縮機供氣。比如：兩個長管拖車車內(nèi)壓力分別為10 MPa和15 MPa，都高于長管拖車返回壓力設置值 7.5 MPa，系統(tǒng)會選擇10 MPa管路給壓縮機供氣；如果兩個長管拖車分別為7 MPa和 15 MPa，長管拖車返回壓力設置值為 7.5 MPa，系統(tǒng)會選擇 15 MPa 管路給壓縮機供氣。

3.7 研究卸氫時儲氫罐的自動選擇和切換

站控系統(tǒng)啟動后系統(tǒng)會根據(jù)算法對3#、4#、5#儲氫罐目標壓力做出判斷，對沒到達目標壓力且壓力最低的儲氫罐先進行補氣，按照儲氫罐充氣切換壓差參數(shù)進行切換。例如3個儲氫罐初始壓力為11 MPa、12 MPa 和13 MPa，目標壓力設置都為45 MPa[5]，儲氫罐充氣切換壓為10 MPa，系統(tǒng)會先對11 MPa 儲氫罐充裝，充裝到 22 MPa，切換到 12 MPa 充裝，充到 23 MPa，切換到 13 MPa充裝，以此類推直至充壓達到目標壓力為止。

3.8 研究車輛加注時加注策略、加注控制和儲氫系統(tǒng)的切換

以35 MPa加氫系統(tǒng)為例，當加氫槍連接加氫車倆后正式加氫前，通過加氫機控制系統(tǒng)，自主對車載CHSS系統(tǒng)的初始儲氫壓力Pinitial進行測定。當加氫機完成啟動程序后，獲得車載CHSS系統(tǒng)的初始壓力Pinitial和系統(tǒng)體積VCHSS，根據(jù)加氫站內(nèi)的傳感器測得的環(huán)境溫度，系統(tǒng)自主確定最優(yōu)的加注策略。通過加注策略和加氫機控制系統(tǒng)控制調(diào)壓閥、氣動閥等，自主控制系統(tǒng)的氫氣加注速率。

4 關鍵技術問題

4.1 優(yōu)化加氫站整體工藝流程技術，實現(xiàn)各個設備和系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制

本項目需要通過計算流體力學方法，首先建立氫氣壓縮機、氫氣管路輸送、氫氣不同壓力存儲的物理和數(shù)學模型；然后針對不同的用氫需求場景，分析不同壓力級別的氫氣儲存配置對整體能耗、整體成本的影響，找出優(yōu)選的設計方案，進而指導加氫站整體的設計和運營，在關鍵技術優(yōu)化過程中探索嘗試，是項目中的一大難點。

4.2 針對氫氣如何快速升壓和分級存儲的研究

在氫氣儲存過程中，因為氫氣湯姆森-焦耳效應，會產(chǎn)生熱量，進而引起儲氫罐儲氫溫度的變化，不同溫度下的溫度系數(shù)和壓縮因子產(chǎn)生變化。在相同的壓力下，所能儲存的氫氣減少，影響分級儲氫時參數(shù)匹配度，從而影響站內(nèi)氫氣的利用效率。

4.3 針對加氫機氫氣加注控制的研究

在氫氣加注過程中，通過氫氣檢漏、對系統(tǒng)初始壓力的測定、加注策略、氫氣加注控制、氫氣計量、儲氫系統(tǒng)切換的研究，進行對加氫機控制系統(tǒng)自主確定最優(yōu)的加注策略分析。自主控制系統(tǒng)的氫氣加注速率，有效提高氫氣利用率，同時提高氫氣加注效率，其分析研究的過程也十分復雜。

5 結論

(1)通過智能控制系統(tǒng)研發(fā)，實現(xiàn)全自動化運營。通過智能化系統(tǒng)對設備運行模式的監(jiān)控，確定分級儲氫下，各儲氫罐的最佳儲氫量，根據(jù)分級加氫操作系統(tǒng)下各儲氫罐壓力變化，確定最優(yōu)的卸氫操作數(shù)據(jù)，壓縮機自動啟動、停止數(shù)據(jù)，以此來確定控制系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯關系及數(shù)值，優(yōu)化系統(tǒng)加氫效率，降低加氫成本。(2)分級儲存和加注，提高加注效率。通過設置儲氫罐充氣換壓參數(shù)的設置，研究制定最優(yōu)的分級打壓操作策略可以防止系統(tǒng)連續(xù)工作，并避免進行充氣切換罐時對壓縮機造成的沖擊，提高儲氫利用率，降低氫能存儲成本，同時減少壓縮機啟停次數(shù)，保障壓縮機使用壽命。