加氢站高效储氢、加氢等关键技术的研究

刘子龙(神华氢能科技如皋有限责任公司，江苏 如皋 226500)

0 引言

氢能作为一种高效的清洁能源，已经在交通运输领域得到了广泛应用。加氢站作为氢能行业的中转站和补给站，在交通领域的应用和推广起到了至关重要的作用。如何提高氢能的加注和储存效率，降低氢气加注成本，成为制约氢能在交通行业发展的关键因素。加氢站智能化控制系统和分级存储技术的研发，将传统的高压加注方式转换成为自动化分级加注，在实现加氢站自动化运行的同时，提高加氢站内氢气的利用效率，降低加氢站运营成本。

1 氢能技术现状

近年来，为了减少CO2排放，提高清洁能源的利用率，世界各国持续推动氢能产业的发展，据《2021年全球氢燃料站市场(Global Market for Hydrogen Fueling Stations，2021)》(简称《报告》)指出，当前加氢站市场正经历着快速的增长，截至2020年底，全球已有33个国家建成共计584座加氢站。在加氢站的布局方面，日本显然是全球领先者，目前已拥有近150座加氢站。而增长最快的国家是中国，目前已有超过100座加氢站投入运营。根据报告，中国加氢站数量已于2020年超越韩国成为第二名，目前正在赶超日本。全球到2035年，加氢站的数量将增长近14倍。届时，加氢站将覆盖美国、西欧、中国、日本和韩国的大部分地区。因此，加快氢能产业发展，对我国推进能源革命和能源转型具有重大的现实意义。

2 加氢站的工艺流程现状

目前，加氢模式分为35 MPa/70 MPa两个压力等级。国内加氢站的工艺流程基本相同。

加氢站工艺路线如图1所示，长管拖车运送氢气到站内指定卸氢区，与卸气柱金属软管相连，沿卸氢管路进入45 MPa/87 MPa压缩机，经过压缩机加压，沿着储氢管路分别进入50 MPa和98 MPa储罐[1]。燃料电池车加氢时，储罐利用压差沿输送管路进入35 MPa和70 MPa加氢机，由加氢机对车辆进行加注，其中70 MPa加氢机气路进入加氢机之前还会进行冷却降温工序。

图1 加氢站工艺流程图

3 研究内容

3.1 分级储氢系统的研究

加氢站储氢系统设置：45 MPa储氢系统设置为低、中、高储氢罐，根据不同温度下氢气压缩因子和温度系统对储氢量的影响[2]，配合压力曲线的变化对加注效率的影响，配置不同水容积的储氢罐，已达到分级加注时，储氢罐内的氢气最大化利用，降低氢气的存储成本。

3.2 安全防护的技术研究

在进行加氢站工艺流程和技术优化开发的同时，进行加氢站加氢机加注过程的安全可靠性的研究，如进行泄漏保护、超压保护、溢流保护、警报系统和紧急停机等功能研究。

(1)氢气泄漏报警。当加氢站监测到站内氢气浓度超过0.4%时，加氢站警报系统打开，提示氢气浓度超标。当空气中浓度超过1%时，需切断加氢站储氢系统阀门，停止氢气加注[3]。

(2)超压保护。加氢机控制系统应具备压力传感器或者压力控制失效的探测方法，紧急情况下可执行紧急停机。在氢气加注过程中，氢气加注压力Pstation高于安全操作要求时，加氢站需采取安全措施，保证系统安全。

(3)溢流保护。在加注过程中，为保证加注的安全，除超压保护外，加注完成时的加注率应满足95%≤SOC≤100%，当SOC高于100%时，需在5 s内启动紧急停机。

(4)紧急停机。当加氢机工作中，出现突发状况时，需紧急关停加氢机。

(5)断电保护。当智能控制系统断电时，对控制逻辑影响较大，可能损坏CPU等主要配件，同时系统断电时，会出现回复出厂设置等问题。设置断电保护是在系统出现断电时，及时根据现场实际情况，对现场设备进行保护，同时保护智能控制系统不受损伤。

3.3 氢气计量体系研究

氢气在加注时的准确计量对加氢站的商业化运营非常重要。氢气的准确计量涉及到测量的方法、准确度、校准、法规及标准等。当前，在德国，根据OIMLR139-车辆用压缩气体计量系统要求，1.5%的误差是被允许的。参照Linde的计量方法，其加氢站的氢气计量误差在2%～2.5%和5%～8%之间[4]。

3.4 压缩机的启停控制

根据工艺要求，充气压力选择相应压缩机可以在压缩机停止状态时，对压缩机进行切换。根据加氢站工艺流程设计，启动压缩机前需要启动冷水机，因此当系统处于自动状态时，系统会在启动压缩机前自动启动冷水机。当判断冷水机启动后，系统会启动已经选择的压缩机对罐体进行充装工作。当有报警出现时，程序自动停止压缩机运行。

3.5 冷水机的启停控制

在自动状态下，如果冷水机在运行时出现故障报警，系统会自动停止。排除故障后，按动确认按钮和启动按钮，冷水机自动运行。当两台压缩机停止后，在设定时间到后冷水机停止。

3.6 研究长管拖车的自动选择和切换

在设备启动前，观察报警信息栏是否有报警，无报警时按动启动按钮，系统进入自动状态，绿灯亮。系统自动选择高于长管拖车返回压力并且较低的长管拖车给压缩机供气。比如：两个长管拖车车内压力分别为10 MPa和15 MPa，都高于长管拖车返回压力设置值 7.5 MPa，系统会选择10 MPa管路给压缩机供气；如果两个长管拖车分别为7 MPa和 15 MPa，长管拖车返回压力设置值为 7.5 MPa，系统会选择 15 MPa 管路给压缩机供气。

3.7 研究卸氢时储氢罐的自动选择和切换

站控系统启动后系统会根据算法对3#、4#、5#储氢罐目标压力做出判断，对没到达目标压力且压力最低的储氢罐先进行补气，按照储氢罐充气切换压差参数进行切换。例如3个储氢罐初始压力为11 MPa、12 MPa 和13 MPa，目标压力设置都为45 MPa[5]，储氢罐充气切换压为10 MPa，系统会先对11 MPa 储氢罐充装，充装到 22 MPa，切换到 12 MPa 充装，充到 23 MPa，切换到 13 MPa充装，以此类推直至充压达到目标压力为止。

3.8 研究车辆加注时加注策略、加注控制和储氢系统的切换

以35 MPa加氢系统为例，当加氢枪连接加氢车俩后正式加氢前，通过加氢机控制系统，自主对车载CHSS系统的初始储氢压力Pinitial进行测定。当加氢机完成启动程序后，获得车载CHSS系统的初始压力Pinitial和系统体积VCHSS，根据加氢站内的传感器测得的环境温度，系统自主确定最优的加注策略。通过加注策略和加氢机控制系统控制调压阀、气动阀等，自主控制系统的氢气加注速率。

4 关键技术问题

4.1 优化加氢站整体工艺流程技术，实现各个设备和系统之间的协调控制

本项目需要通过计算流体力学方法，首先建立氢气压缩机、氢气管路输送、氢气不同压力存储的物理和数学模型；然后针对不同的用氢需求场景，分析不同压力级别的氢气储存配置对整体能耗、整体成本的影响，找出优选的设计方案，进而指导加氢站整体的设计和运营，在关键技术优化过程中探索尝试，是项目中的一大难点。

4.2 针对氢气如何快速升压和分级存储的研究

在氢气储存过程中，因为氢气汤姆森-焦耳效应，会产生热量，进而引起储氢罐储氢温度的变化，不同温度下的温度系数和压缩因子产生变化。在相同的压力下，所能储存的氢气减少，影响分级储氢时参数匹配度，从而影响站内氢气的利用效率。

4.3 针对加氢机氢气加注控制的研究

在氢气加注过程中，通过氢气检漏、对系统初始压力的测定、加注策略、氢气加注控制、氢气计量、储氢系统切换的研究，进行对加氢机控制系统自主确定最优的加注策略分析。自主控制系统的氢气加注速率，有效提高氢气利用率，同时提高氢气加注效率，其分析研究的过程也十分复杂。

5 结论

(1)通过智能控制系统研发，实现全自动化运营。通过智能化系统对设备运行模式的监控，确定分级储氢下，各储氢罐的最佳储氢量，根据分级加氢操作系统下各储氢罐压力变化，确定最优的卸氢操作数据，压缩机自动启动、停止数据，以此来确定控制系统联锁逻辑关系及数值，优化系统加氢效率，降低加氢成本。(2)分级储存和加注，提高加注效率。通过设置储氢罐充气换压参数的设置，研究制定最优的分级打压操作策略可以防止系统连续工作，并避免进行充气切换罐时对压缩机造成的冲击，提高储氢利用率，降低氢能存储成本，同时减少压缩机启停次数，保障压缩机使用寿命。