一种集成式移动加氢站

1.本发明属于加氢站技术领域，具体涉及一种集成式移动加氢站。


背景技术：

2.氢能是世界能源发展的重要方向，如何实现氢的高效生产、储运与利用是世界当下研究的热点领域。目前，由于缺乏大规模的氢运输基础建设（如大量的氢管道），氢的生产、储运与利用往往存在时间上和空间上的分散性，能源效率利用低下。而集氢的生产、储运与利用的一体化移动式加氢站有望改变这一现状。移动式加氢站一方面可以为固定式加氢站加氢，另一方面还可以为集中式客户加氢（如公交车、载重汽车、绿氢炼钢炼铁厂等）。
3.目前对加氢站的研究主要侧重于固定式加氢站，对于移动式加氢站的研究相对较少，尤其是集“制-储-运-用”一体化的移动式绿电制氢加氢站。移动式加氢站在储氢、加氢方面和固定式加氢站具有共性，同时又具有额外的加氢和运氢功能，其运营所处场景也更复杂（动态运输）。因此有必要展开对集成式移动加氢站及其系统化设计进行研究。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种集成式移动加氢站。
5.基于上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明第一方面提供了一种集成式移动加氢站，包括移动装置以及装载在所述移动装置上顺次连接的双压缩系统、储氢系统和氢气分配系统；所述双压缩系统包括至少一组增压机组；所述增压机组包括低压压缩机和高压压缩机，低压压缩机气体进口和高压压缩机气体进口均分别与外部供氢装置连通，所述低压压缩机气体出口通过缓冲罐与所述高压压缩机气体进口连通，所述高压压缩机气体出口与所述储氢系统连通；所述储氢系统用于储存经双压缩系统压缩后的氢气；所述氢气分配系统用于将所述储氢系统内存储的氢气输送至外部用氢装置；所述移动装置可移动。
6.更加优选地，所述移动加氢站还可包括供氢装置。
7.优选地，当所述双压缩系统包括两组或两组以上增压机组时，增压机组并联连接。
8.更加优选地，所述高压压缩机气体出口分别连接至储氢系统中的低压储氢部气体进口，中压储氢部气体进口和高压储氢部气体进口。
9.优选地，所述储氢系统包括并联设置的低压储氢部、中压储氢部和高压储氢部；所述低压储氢部包括至少一个并联的低压储氢罐，所述中压储氢部包括至少一个并联的中压储氢罐，所述高压储氢部包括至少一个并联的高压储氢罐。
10.进一步地，所述氢气分配系统可优选为加氢机和与加氢机连接的加氢枪；所述加氢机气体进口分别连接至所述低压储氢部气体出口，中压储氢部气体出口，高压储氢部气
体出口；所述加氢机气体出口连接加氢枪以便向外部用氢装置如氢燃料电池车等注氢。
11.优选地，所述移动加氢站还包括级联冷却系统；所述级联冷却系统包括低温蒸发装置、中温蒸发装置、中温级制冷压缩机组、低温级制冷压缩机组和换热器；所述低温蒸发装置、中温蒸发装置和中温级制冷压缩机组串联形成中温换热回路，所述低温蒸发装置、低温级制冷压缩机组和换热器串联形成低温换热回路，且中低温两条换热回路不连通。
12.更加优选地，所述移动加氢站还包括内外两个壳体；所述低温蒸发装置和储氢系统安装在内壳体的内部腔室中，其他装置系统包括所述双压缩系统，与储氢系统气体出口连通的用氢管道，级联冷却系统的中温蒸发装置、两个制冷压缩机组和换热器等均安装在所述内壳体和外壳体之间形成的腔室中；所述换热器安装在与储氢系统气体出口连通的用氢管道上。进一步地，述中温蒸发装置主要用于对双压缩系统进行降温处理；所述低温蒸发装置主要用于对储氢系统进行降温处理；所述换热器用于对与储氢系统气体出口连通的用氢管道进行降温处理，便于降低用氢管道内的氢气温度。
13.优选地，所述中温换热回路和低温换热回路通过所述低温蒸发装置处进行热交换，便于中温换热回路对低温换热回路进行预冷，同时低温换热回路可对中温换热回路进一步降温，进一步节能减排。
14.优选地，所述移动加氢站还包括通信控制系统；所述通信控制系统包括内部通信控制装置和第三方通信控制装置（包括支持蜂窝网络的无线路由器）；所述内部通信控制装置用于控制移动加氢站内部装置和系统，所述第三方通信控制装置用于控制移动加氢站外部装置和系统；所述内部通信控制装置和第三方通信控制装置均分别与其他系统包括双压缩系统、储氢系统、氢气分配系统和级联冷却系统通信连接。
15.更加优选地，所述外部供氢装置的气体出口通过供氢管道经三通阀分流后分别与所述低压压缩机、高压压缩机的气体进口连通；所述三通阀分流前的供氢管道上还设有压力传感器。
16.更加优选地，所述通信控制系统根据外部供氢压力控制三通阀引导氢气通路，根据供氢装置提供的氢气压力将氢气压缩过程分配至低压压缩机或高压压缩机处，进入低压压缩机的氢气通过缓冲罐后再输送至高压压缩机。进一步地，当供氢压力低于高压压缩机气体进口阈值压力时，所述通信控制系统控制三通阀将氢气分配至低压压缩机进行氢气的压缩处理，缓解高压压缩机的高入口压力。
17.更加优选地，所述低压储氢部、中压储氢部、高压储氢部中的每个储氢罐气体进口和气体出口处均设有阀门和压力传感器，所述储氢系统连接所述氢气分配的用氢管道上设有减压阀。所述通信控制系统与阀门、压力传感器和减压阀建立通信连接，通信控制系统通过阀门、压力传感器和减压阀控制不同压力的储氢罐进行压缩和加氢，同时根据用氢装置需求选择合适的储氢部以及控制储氢系统的输出总管道上的减压阀输出符合压力需求的氢气。
18.更加优选地，所述通信控制系统还可根据储氢系统中储氢压力控制氢气分配系统，将氢气输送至符合储氢系统中储氢压力的用氢装置。
19.更加优选地，所述通信控制系统还通过检测设备检测级联冷却系统设备的工作情况以及制冷剂的泄露情况。
20.更加优选地，所述移动加氢站还包括安全设备（如灭火系统、断路器、摄像头监控
系统和备用电池系统等）和操作维护系统（可查阅操作说明指导工作人员对移动加氢站进行日常操作、维护和终端诊断，与远端工作人员通信、报告紧急情况等）。进一步地，所述通信控制系统也会将安全设备和操作维护系统与其他系统建立通信连接。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明集成式移动加氢站提供了储氢、运氢和加氢功能的综合解决方案，可以大规模生产和快速实施。该系统通过双压缩系统最大限度地提取氢气，避免了因压力不足而无法抽取剩余氢气的问题，并缓解了高压压缩机的压缩压力；储氢系统减少了压缩所需的压力和时间，并降低了成本；级联冷却系统的两个换热回路在中温换热回路对低温换热回路进行预冷的同时，还能使低温换热回路对中温换热回路进一步降温，不仅保证了储氢和加氢的安全性，还能进一步节能减排；此外，本发明还可采用可编程逻辑控制器（plc）作为通信控制系统的控制器配合数字压力表进行监控和维护，保证储罐的安全。本发明集成式移动加氢站具有安全、适应性强、价格合理的优点，可以大规模生产和快速实施。这些优势将促使用氢便捷化，进一步促进市场对氢能汽车的需求，为消费者和投资者树立对氢能汽车市场的信心，鼓励发展更永久的基础设施，同时也促进生产和改造更多的氢燃料汽车，为氢燃料基础设施的快速发展提供更有利的帮助。
22.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
23.图1为本发明集成式移动加氢站结构示意图；图中，101为制氢设备，102为阀门，103为压力传感器，201为三向旋塞阀，202为低压压缩机，203为单向阀，204为缓冲罐，205为高压压缩机，301为低压储氢罐，302为中压储氢罐，303为高压储氢罐，401为加氢设备，501为中温级制冷压缩机组，502为中温蒸发器，503为低温级制冷压缩机组，504为低温蒸发器，505为管壳式换热器。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例结合附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
26.实施例1本实施例提供一种集成式移动加氢站，如图1所示，包括可移动的移动装置和装载在所述移动装置上顺次连接的制氢设备、双压缩系统、储氢系统、氢气分配系统以及级联冷却系统、安全设备、操作维护系统和通信控制系统以及内外两个壳体。
27.其中，双压缩系统包括一组增压机组；所述增压机组中，低压压缩机202气体进口管道和高压压缩机205气体进口管道经三向旋塞阀201汇总后，通过充氢口阀门102与制氢
设备101连接，所述低压压缩机202气体出口管道经单向阀203通过缓冲罐204连接至所述高压压缩机205气体进口，所述高压压缩机205气体出口管道经单向阀203分三路分别连接至所述储氢系统中并联设置的低压储氢罐301、中压储氢罐302和高压储氢罐303；低压储氢罐301、中压储氢罐302和高压储氢罐303的出气管道汇总后经减压阀102将所述储氢系统内存储的氢气输送至外部加氢设备401。
28.另一方面，所述级联冷却系统包括中温级制冷压缩机组501、中温蒸发器502、低温级制冷压缩机组503、低温蒸发器504和管壳式换热器505。所述低温蒸发器504和储氢系统安装在内壳体的内部腔室中，其他装置系统包括所述双压缩系统，与储氢系统气体出口连通的用氢管道，级联冷却系统的中温级制冷压缩机组501、中温蒸发器502、低温级制冷压缩机组503、管壳式换热器505等均安装在所述内壳体和外壳体之间形成的腔室中；管壳式换热器505安装在与储氢系统气体出口连通的用氢管道上。其中，中温级制冷压缩机组501、中温蒸发器502和低温蒸发器504串联形成中温换热回路，低温蒸发器504、低温级制冷压缩机组503和管壳式换热器505串联形成低温换热回路，且中低温两条换热回路通过低温蒸发器504进行热交换但不连通，便于中温换热回路对低温换热回路进行预冷，同时低温换热回路可对中温换热回路进一步降温，进一步节能减排。
29.进一步地，所述集成式移动加氢站还包括安全设备（如灭火系统、断路器、摄像头监控系统和备用电池系统等）和操作维护系统（如触摸屏显示器、摄像机和车载计算机等）。需要说明的是，灭火系统包括一个烟雾探测器、自动灭火系统和连接到通信设备的热电偶热探测器；断路器将在紧急情况下用来切断系统通信；摄像头监控系统连接通信模块，检测设备安全。操作维护系统可查阅操作说明指导工作人员对移动加氢站进行日常操作、维护和终端诊断，与远端工作人员通信、报告紧急情况等。
30.需要说明的是，所述通信控制系统包括内部通信控制装置和第三方通信控制装置（如通过支持蜂窝网络的无线路由等与远端工作人员通信、报告紧急情况等）；所述内部通信控制装置处理输入端（如压力传感器，安全设备、操作维护系统的通信模块等）反馈的通信信号，控制输出端包括阀门（包括三向旋塞阀、单向阀、减压阀等）、压缩机、蒸发器、安全设备等仪器设备。所述压力传感器包括三向旋塞阀201前的压力传感器103以及低压储氢罐301、中压储氢罐302和高压储氢罐303气体出口处的独立压力传感器103等。
31.作为一种可选方案，本发明设置低压压缩机最低入口压力为20bar，高压压缩机最低入口压力为103bar，压缩机工作环境温度为20℃。优选地，低压压缩机采用rix公司的4vx系列，参考型号4vx-2bg（该型号的最低气体进口压力为20bar）。当制氢设备101内压力低于150bar时，4vx-2bg低压压缩机能够在低至20bar的压力下吸入氢气，并将其压缩到150bar，进而缓解高压压缩机的高入口压力，然后通过缓冲罐再将氢气输送至高压压缩机，从而实现氢气存储设备所需的压力。高压压缩机采用pdc机器公司生产隔膜压缩机系列，参考型号pdc-4-12000（该型号的设计范围为入口压力从103到517bar，气体出口压力可高达900bar）。
32.本发明设置低压储氢罐301、中压储氢罐302和高压储氢罐303的储罐压力分别为400bar、650bar和900bar；各氢气储罐独立位于移动加氢站的一个隔间（用10cm聚氨酯绝缘，r值为26.770）内，隔间将完全密封，不透气，工作时将通过冷却系统保持在-10℃的恒定温度，一旦发生泄漏，氢气将通过屋顶上的被动通风口排出。
33.本发明采用用于汽油加油的分配器（与标准汽油分配器的外部尺寸和接口规格相似）转换成的氢气分配器为供氢燃料车辆加氢使用。分配器中的安全隔离装置具有符合sae tir 2799标准的喷嘴，最大分配速度为60g/s，符合sae tir j2601标准，并能与具备匹配装备的氢燃料车辆油箱条件进行通信。
34.本发明所述级联冷却系统为所有系统提供冷却。冷却系统制冷压缩机组的工作温度范围为-20至50℃，通信模块工作温度范围为-20至70℃，因此，除储氢系统和低温蒸发器外的其他设备和系统在中温阶段进行冷却。所述中温阶段使用r-134a制冷剂和copelamd公司生产的中温压缩机和冷凝装置，压缩机参考型号为zb38kce-tfe。储氢系统和低温蒸发器在低温阶段进行冷却，同时低温阶段可通过换热器使加氢温度达到-58℃。所述低温阶段使用r-744制冷剂和copelamd公司生产的低温压缩机和冷凝装置，压缩机参考型号为zod104kce-tfe。在所述级联冷却系统中，低温蒸发器与中温蒸发器串联，排斥来自流动的氢燃料的热量，降低加氢过程带来的温度提升。为确保安全，通信控制系统将监测级联冷却系统的制冷剂泄漏情况。如果级联冷却系统完全出现故障，将实施停站操作。
35.本发明所述安全设备包括灭火系统、断路器、摄像头监控系统、备用电池系统等。其中，灭火系统采用sbs h2氢探测器，当装置的检测率达到1%时，通信控制系统启动警示灯和通风风扇，氢气将从屋顶的被动通风口逸出；当装置的检测率达到2%时，通信控制系统启动声音报警和安全系统通知，同时控制断路器切断系统通信，所有阀门关闭。自动灭火系统采用二氧化碳灭火设备，参考型号为cff800。该设备功能不依赖于电源，其中三个独立的热激活模块安装在天花板上。摄像头监控系统在移动加氢站的每个上角安装了一个摄像头，这些摄像头将被连接到通信模块，并通过通信设备立即向随叫随到的工作人员发出问题信号。
36.本发明所述操作维护系统可以通过第三方通信控制装置实现与远程操作员通信，一旦连接，操作员将协助驾驶员处理问题，并在故障发生时向当地安全部门请求协助。如果工作人员注意到移动加氢站的不安全情况，如软管破裂、车辆碰撞造成的外部损坏、关键部件被破坏，甚至火灾等，可以使用报告紧急情况选项，启动应急协议、发送声音警报疏散周边人员。为了防止误报，在启动应急协议时，系统中的所有传感器将在远程操作员使用远程访问的安全摄像头可视检查该区域的同时验证故障。执行维护的人员可以对移动加氢站进行系统诊断，并将诊断报告发送给远程操作员。
37.本发明的内部设备和系统的监测和控制的信息处理均由crouzet millenium 3 (xd26) 240vac, 60hz可编程逻辑控制器（plc）进行管理。plc用于阀门、压缩机、蒸发器和压力传感器等其他传感器之间的通信传递，利用数字压力表的实时压力读数，在氢气的输送、储存和分配期间，采用动态压缩算法保持储罐的最佳储存压力，监测、维护并确保系统的安全和高效运行。plc还将用于确定系统中各个点的电压或瓦数，以确认正常运行。如果有服务中断，控制器将接合备用电池系统；如果存在可能导致火灾危险的电路故障，控制器将启动一系列安全协议，如紧急警告灯和/或警报器，启动灭火系统，并将故障信号中继给第三方。移动加氢站和远程第三方之间的通信由5g工业千兆路由器完成，参考型号ar7091。该型号的5g工业路由器是基于5g/4g/3g/2g、wifi、虚拟专网等技术开发的工业物联网网关/cpe。产品采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式操作系统为软件支撑平台，同时支持1个千兆以太网wan、4个千兆以太网lan、1个rs232/rs485（可选）
接口和2.4g/5.8g wifi接口，可同时连接串口设备、以太网设备和wifi 设备，可以满足移动加氢站现场通信的需求。
38.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的不足，且具高度产业利用价值。上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

技术特征：
1.一种集成式移动加氢站，其特征在于，包括移动装置以及装载在所述移动装置上顺次连接的双压缩系统、储氢系统和氢气分配系统；所述双压缩系统包括至少一组增压机组；所述增压机组包括低压压缩机和高压压缩机，低压压缩机气体进口和高压压缩机气体进口均分别与外部供氢装置连通，所述低压压缩机气体出口通过缓冲罐与所述高压压缩机气体进口连通，所述高压压缩机气体出口与所述储氢系统连通；所述储氢系统用于储存经双压缩系统压缩后的氢气；所述氢气分配系统用于将所述储氢系统内存储的氢气输送至外部用氢装置。2.根据权利要求1所述的移动加氢站，其特征在于，所述移动加氢站还包括级联冷却系统；所述级联冷却系统包括低温蒸发装置、中温蒸发装置、中温级制冷压缩机组、低温级制冷压缩机组和换热器；所述低温蒸发装置、中温蒸发装置和中温级制冷压缩机组串联形成中温换热回路，低温蒸发装置、低温级制冷压缩机组和换热器串联形成低温换热回路；所述中温蒸发装置用于对双压缩系统进行降温处理；所述低温蒸发装置用于对储氢系统进行降温处理；所述换热器用于对与储氢系统气体出口连通的用氢管道进行降温处理。3.根据权利要求2所述的移动加氢站，其特征在于，所述中温换热回路和低温换热回路通过所述低温蒸发装置处进行热交换。4.根据权利要求3所述的移动加氢站，其特征在于，当所述双压缩系统包括两组或两组以上增压机组时，增压机组并联连接。5.根据权利要求4所述的移动加氢站，其特征在于，所述储氢系统包括并联设置的低压储氢部、中压储氢部和高压储氢部；所述低压储氢部包括至少一个并联的低压储氢罐，所述中压储氢部包括至少一个并联的中压储氢罐，所述高压储氢部包括至少一个并联的高压储氢罐。6.根据权利要求5所述的移动加氢站，其特征在于，所述移动加氢站还包括通信控制系统；所述通信控制系统包括内部通信控制装置和第三方通信控制装置；所述内部通信控制装置用于控制移动加氢站内部装置和系统，所述第三方通信控制装置用于控制移动加氢站外部装置和系统；所述内部通信控制装置和第三方通信控制装置均分别与双压缩系统、储氢系统、氢气分配系统和级联冷却系统通信连接。7.根据权利要求6所述的移动加氢站，其特征在于，所述外部供氢装置的气体出口通过供氢管道与所述低压压缩机、高压压缩机的气体进口连通；所述供氢管道上设有压力传感器和三通阀。8.根据权利要求7所述的移动加氢站，其特征在于，当所述外部供氢装置气体出口供氢压力低于高压压缩机气体进口阈值压力时，所述通信控制系统控制三通阀将氢气分配至低压压缩机进行氢气的压缩处理。9.根据权利要求8所述的移动加氢站，其特征在于，所述低压储氢部、中压储氢部、高压储氢部中的每个储氢罐的气体进口和气体出口处均设有阀门和压力传感器，所述通信控制系统与阀门、压力传感器通信连接，通信控制系统通过阀门、压力传感器控制储氢系统中各储氢部的储氢压力。10.根据权利要求9所述的移动加氢站，其特征在于，所述移动加氢站还包括安全设备和操作维护系统。

技术总结
本发明属于加氢站技术领域，公开了一种集成式移动加氢站。本发明包括移动装置以及装载在所述移动装置上顺次连接的双压缩系统、储氢系统、氢气分配系统等，其中，所述双压缩系统包括至少一组增压机组；所述储氢系统包括并联设置的低压储氢部、中压储氢部和高压储氢部；所述氢气分配系统用于将所述储氢系统内存储的氢气输送至外部用氢装置。本发明集成式移动加氢站提供了储氢、运氢和加氢功能的综合解决方案，可以大规模生产和快速实施，为氢燃料基础设施的快速发展提供更有利的帮助。设施的快速发展提供更有利的帮助。设施的快速发展提供更有利的帮助。


技术研发人员：侯正猛 郭奕麟 刘建华 韩丽 黄亮朝 方琰藜 王琪琛
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/19