汽车用氢燃料加氢站系统配置的研究.pdf

第 6期 2 0 0 3年 l 2月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t o m a t i on NO． 6 De c．20 0 3 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 60 0 1 7 0 3 汔 车用氢燃 料加氢站系统 配置 的研究 潘爱华 ， 马建新 ， 高 峰 ， 麦云飞 1 ． 上 海理 工 大学 机 械工 程 学 院 ， 上 海2 0 0 0 9 3 ； 2 ． 同济 大 学 汽 车 工 程 学 院 ， 上 海2 0 0 0 9 2 摘要 在 用氢燃料 电池汽 车研发 的 同时 ， 必须进 行加 氢站基 础设 施 系统 的开发 。文章 主要是 通过借 鉴 C NG 加 气站 系统 相 关 的 技 术 ， 阐述 汽 车 用氢 燃 料 加 氢 站 的 系统组 成 及 配 置 等 功 能 。 关 键 词 加 氢 站 ；配 置 ；控 制 系统 ； 储 存 系统 ；压 缩 系统 中 图 分 类 号 T K4 4 1 ． 4 3 ／ 4 9 1 ． 8 9 文 献 标 识 码 B 0 引言 随着 我 国经 济 的持 续 发展 ， 汽 车 消 费不 断升 温 ， 我 国已成为能源消耗 大国。但 随之而来的石油资源 供需 日益紧张 ， 尤 其城 市汽 车尾 气排放 已成 为 当今 大 气 污 染 的 主 要 来 源 ， 因 此 致 力 于 为 汽 车 发 动 机 开 收稿 日期 2 0 0 30 81 0 3仿 真 波 形 与 频 谱 图 3为投入 并联混 合型有 源 电力滤波器 前 、 后 电源电流 、 电压 的波形 图与频 谱 图。图 3 a 、 c 为 投 入 并联 混 合 型 有 源 电 力 滤 波 器 前 电源 电 流 、 电 压 的波形图与频谱图 ， 图 3 b 、 d 为投 入并联 混合 型 有源 电 力 滤 波 器 后 电 源 电 流 、 电 压 的 波 形 图 与 频 广] 一5 O广] 发 清洁燃料及 合理利用资源将是未来工作 的重点之 一 。目前 ， 汽 车 发 动 机 用 天 然 气 或 液 化 石 油 气 正 在 我 国普 及 并 且 逐 步 走 向 成 熟 阶 段 ， 而 且 相 关 的 资 源 配置或基础设施也在不断完 善。但是 天然气最终也 与汽油一样 ， 不久 的将来也是会耗尽 的 ； 再 说天然 气 在汽车上 也不是绝 对的环 保燃 料 ， 它会 产生 二氧 化 碳 ， 有 温 室 效 应 。 因 而 ， 世 界 各 国现 正 在 寻 求 一 种 既 是 绝 对 环 保 燃 料 又 是 容 易 取 得 的 替 代 物 ， 即氢 能 源 谱 图 。 补偿 前 、 后 电源 电 流 、 电压 总畸 变 率 如表 1所 示 。结果表 明采用 的并联混 合型有 源电力滤波器可 有效地滤除 电网谐波 ， 起到净化 电网的作用 。 表 1补偿 前 、 后 电源 电流 、 电压总 畸 变率 0 4 0 ．05 0 ． 0 6 0 ． 0 7 0 ．0 8 0 ． 04 0．0 5 0 ．0 6 0 ． O 7 0．0 8 ． r ／ s r ／ s 4 一 。 b 5 0 0 广 ]一厂 ] d 有源 电力 滤 波器前 、 后 电源 电流 、 电压 的波形 图与频 谱 图 结 语 仿真 结果表 明 ， 并联混 合型有 源 电力滤波器 可 对 系 统 中 的谐 波 、 无 功 电流 分 量 进 行 较 好 的补 偿 ， 文 中所提方法可对实 际系统 的设计起参 考作用。 参 考文献 [ 1 ] 王兆 安 ， 刘 进 军 ， 杨 君 ． 谐 波 抑 制 和无 功 功 率 补 偿 『 M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ， 1 9 9 8． [ 2 ] 周新 ， 卓放 ， 裴云 庆 ， 等 ． 1 2 0 k VA并联 型 有 源 电力 滤 波器 的研 制 [ J ] ．电气 自动化 ， 2 0 0 2 ， 2 4 6 1 9～2 1 ． [ 3 ] 朱 东起 ， 姜 新 建 ， 马大 铭 ． 无 源 和 有源 滤波 器 串联 构 成 的并 联 型综合 电力滤 波 系统 [ J ] ． 清 华 大学 学报 ， 1 9 9 9 ， 3 9 3 4 9～ 5 2． 加 O 加O 一 l I 一 |B 口 ∞ 湖 。 一 ‘ l 一 u 矗 I s 维普资讯 l 8 工矿 自动化 2 0 0 3年 1 2月 的利用 。氢作为能 源 与氧反 应就 是水 ， 因而汽 车利 用氢就是真正 的零污 染。在这 方 面 的研 究 ， 我 国许 多科研机构及大学 如 同济 大学 的氢燃 料汽 车 的开 发 都在参与这项工作 。 我国已把燃料 电池汽车的系统开发作为 8 6 3项 目， 在此系统 的开发 中 ， 大家都把精力集 中放在汽车 的改 造 上 ， 而忽 略 了加 氢 站 系 统 的 基 础 设 施 研 究 及 开 发 。就 目前 来 说 ， 氢 燃 料 电 池 汽 车 要 全 面 推 向 市 场 ， 最 主要 的技 术 壁 垒就 是 加 氢 站 的 系 统 开 发 ， 以避 免开发加氢 汽车试 制过程 中的安全 隐患 ， 因此 加 氢 站基础设施 系统的研 究是非常必要 的。 1加 氢 站 系统 组 成 及 配 置 可 以借 鉴 C NG 加 气 站 系 统 来 开 发 加 氢 站 系 统。加氢站系统主要包括 调压 计量 装置 、 气 体干 燥系统 氢气压缩 系统 、 压缩氢 气储气 系 统 、 售气 系 统 和控 制 系 统 含 充 气 优 先 控 制 盘 。 以上 6个 子 系 统 ， 在 不 同条 件 下 ， 系 统 的组 成 及 配置可能有些不 同 ， 但 作 为一个 完整 的加 氢站 的系 统来说 ， 它们是缺一不可的。 加氢站工艺流程示 意图如 图 1所示。氢气通过 管道进 入调 压计量装 置输 出稳 定 压力 的氢气 后 ， 再 进入干燥 系统对氢气 进行 干燥 ； 经 过干 燥 的氢气 进 入压缩 系统 ， 压缩 系统 根据 当前工 况决 定对储 气 系 统充气还 是直接通过售气机给汽车加气 。在这整个 流程 中 ， 控制系统控制着整个加 氢站 的运 行。 ． - { 调 压 计量 装 置H 埋 匦 L 廑 国 l I堡 垦 I 控制系 统 图 1 加 氢 站工 艺流 程示 意 图 1 ． 1 调 压 计 量 装 置 在加氢站 氢 的来 源有 两种 一种 是从厂 家通过 车载输送 过来 的 在我 国氢气 瓶 的压力 一般不 超 过 1 3 MP a ； 另 一 种 是 在 加 氢 站 内 制 氢 站 制 氢 。调 压 计量 装置 在此 的主要作 用 使 以上 两种氢 来源 从输气管道来 的氢 气压 力保 持稳 定 ， 并满 足压缩 机 入 E l 的压力要求 ； 同时对输 入 加氢站 的 气体进 行计 量 当然也可考虑不需要计量装置 。其主要设备有 调 压器 、 过滤器 、 流量 计 、 压力 表及旁通 阀等 。在选 择调压 计量 装置时 ， 主要 考 虑 的参 数有调 压范 围 及 流量 等 。 1 ． 2氢 气干 燥 系统 氢气干燥系统与 C NG 加气 站干 燥系 统 的作用 相同 ， 即除去水份 ， 使其符合氢燃料 用作汽车的规定 及保证 氢气 被压 缩 之前 不 损 坏压 缩 设 备或 下 游 系 统 。干燥器是一 个大 的压 力容 器 ， 使用 干燥 剂脱 除 气流 中的水蒸气 。当车载过来的氢气基本上符合汽 车 用 氢 燃 料 的标 准 没 有 相 关 的 加 氢 汽 车 质 量 标 准 时 ， 这 个 系 统 可 以省 略 。 1 ． 3氢 气压 缩 系统 氢气压 缩 系统 与 CNG压 缩 系统 一 样 ， 也 是 整 个 站 的 核 心 。 但 由 于 氢 气 1 too l 1标 况 下 的 质 量 约 是 天 然 气 在 相 同 条 件 下 质 量 的 1 ／ 8， 为 了 给 汽 车 加氢达到与 C NG加气站 加天然 气有 相 同的行驶 里 程效果 ， 那 么氢气压缩 机系统 要压缩 到5 0 0 0 p s i 甚 至 1 0 0 0 0 p s i ， 但 C NG 通 常 只 需 压 缩 到3 6 0 0 p s i 。 P D C公 司的氢 压缩机 采用三层 隔膜 结构 ， 是 具 备上述相应能力 的压 缩机 ， 确 保 了被压缩 氢气 的浓 度 ， 防止了油水与 氢 的混合 。P DC公 司的压缩 机能 把 氢 气 压 缩 到 1 2 0 0 0 p s i ， 完 全 符 合 加 氢 站 用 的 氢 压 缩机压缩 到 1 0 0 0 0 p s i 的要 求 。 目前 加 氢站 内可采 用 两 种 氢 气 压 缩 方 案 1 分级充 气 C a s c a d e F i l l i n g 这 是传 统 的压 注方式 ， 为 了使 车载储 氢瓶 的压力达 到5 0 0 0 p s i ， 加 氢站储氢 瓶 内的压 力 需要 高 达 7 0 0 0～8 0 0 0 p s i 才 能达 到快速充 气。 2 增 压 压缩 B o o s t e r C o mp r e s s i o n 此 时 加 氢 站 中储 氢 罐 的 压 力 可 以 比 较 低 例 如 3 6 0 0 p s i ， 用 此氢气部分 冲压后 ， 启动增压压缩机 ， 使车载储氢瓶 达 到 5 0 0 0 p s i 。 采用后一种技术 可以降低加氢站储氢瓶的耐压 级别 ， 并 降低部分成本 ， 但是却增 加 了氢气压缩机运 行 成 本 。 压缩机 系统使 用各 种传感 器 、 变 送器 和 电磁 阀 来控 制和监测设 备 的运转情况 。其 管理采用 计算 机 集 中控制 ， 提高机组 的安全可靠性。 1 ． 4压 缩 氢 气 的储 存 系统 压缩氢气 的储存 系统 一般采 用两 种方式 一 种 是 大 瓶 组 容 积 的 气 瓶 有 三 瓶 组 、 六 瓶 组 、 九 瓶 组 ， 如 每 个 瓶 的 水 容 积 是 5 0 0 L 、 1 0 0 0 L 、 1 7 5 0 L的 大 型 无 缝 锻 造 压 力 容 器 ； 另 一 种 是 小 瓶 组 的 气 瓶 ， 如 4 5 L、 5 0 L、 8 0 L的水 容积 ， 每站 在 4 0～2 0 0个 。合 理分配瓶组 的容量 ， 不但能 提 高气瓶 组 的利用 率和 加气 的速度 ， 而且 可以减少压缩 机 的启动次数 ， 降低 维普资讯 第 6期 潘 爱 华 等 汽 车 用 氢燃 料 加 氢站 系统 配 置 的 研 究 ．1 9 ． 运行成本 ， 延 长 压 缩机 的使 用 寿命 。根 据 CN G 加 气站 的经验 ， 通过编组 的方法分为高 、 中、 低压 三组 ， 瓶数 比例为 1 2 3较好 。当压缩机 向储 气瓶组 充气 时 ， 应按高 、 中、 低压顺 序充 气 ， 而 当储气瓶 向汽车加 气 时 ， 则恰好相反 ， 应 按低 、 中 、 高压 的顺序进行 。 就 以上两 种储存 系统 比较可知 ， 大 瓶组一 次性 投资较高 ， 每年的维护费低 ； 而小 瓶组一次性投资费 用相对较低 ， 维护费 用较 高 ； 当储气 容积 相 同时 ， 大 瓶 组所 用 的数 量 很 少 ， 而小 瓶 组 所 用 的 数 量 大 ， 大 瓶 组 相对 于 小 瓶 组 的 气 阀 和 管 件 很 少 、 可 靠 性 高 、 安 全 性高等 ， 这些都是需 要建设 加 氢站 时综合 考虑 的 因 素 。 1 ． 5售 气 系统 氢 气 售 气 系 统 与 C NG 加 气 站 售 气 系 统 的 原 理 是一样 的 ， 但是其 操作 压力 更高 ， 安 全性 要求 很高 。 售气 系 统 主 要 包 括 高 压 管 路 、 阀 门 、 加 气 枪 、 计 量 、 计 价以及控制 系统等 。加气枪 上要 安装 压力 传感 器 、 温度 传感器 ， 同 时还 应 具 有过 压 保 护 、 环 境 温度 补 偿 、 软 管拉 断裂保 护及 优先顺 序 加气 控制 系统 等功 能 。当然也可 以增加 自动收款 系统及计算 机经营管 理系统 。当 1台加氢机为 两种不 同储 氢压力 的燃 料 电池 汽车加氢时 ， 还 必须使 用不 可互 换 的喷嘴 。加 氢机 的设计 要应用工业界 已经采用 的故 障模式 和效 应分析 F ME A 程序 以及过程危险性分析程序 ⋯ 。 1 ． 6控 制 系统 控 制系统是 加氢 站的神 经 中枢 ， 指挥 着整 个加 氢 站 的运 作 ， 对 于 保 证 加 氢 站 的正 常 运 行 非 常重 要 ， 必须具有全方位 的实 时监 控能力 。 通 过 借 鉴 C NG 加 气 站 的 控 制 系 统 ， 可 把 加 氢 站控制系统分为两级计算机组成 。前置机 负责数 据 的采集功能 ； 管理机完成数 据处理 、 显示 、 保存 、 控 制 和数 据 上 传 。如 图 2所 示 。 本 系统适合 于站制氢和车载输送氢两种氢来源 的加 氢 站 的 自动 控 制 管 理 系 统 。硬 件 主 要 是 由各 种 变 送 器 压 力 变 送 器 、 温 度 变 送 器 、 气 敏 传感 器 、 转 速 传感器等 、 安全 隔离栅 、 售气体通信连接器 、 数据采 集卡 、 工控机 、 自动控制 继 电器输 出卡 、 报警 器 和仪 表柜组成 ； 软件主要 由压缩机现场采集模块 、 售气机 通信模块 、 流量计 通信模块 、 通过 电话 线的远程通信 模块 、 专 家系统和 MI S管理 系统 等组成 。加氢站 的 图 2控 制 系 统 组 成 图 控制系统 ， 将 现场设备 包括压缩 机系统 、 储气 系统 、 售气系统等 的各种 实时数 据 如 压力 、 温 度 、 差压 、 气体浓度 、 流量 、 售气量 、 售气金额等 传送 到后台工 控 机 进 行 流 量 计 算 和 数 据 保 存 ， 经 MI S管 理 系统 处 理 后 进 行 实 时显 示 、 数 据 查 询 、 数 据 保 存 、 售 气 累 计 、 报 表 白下 而 上 、 报 表 打 印 、 自动 报 警 、 自动 加载 、 故 障 停车等多功能为一体 的实 时数 据采集 自动控制监视 管 理 系 统 。 2结 语 由于 我 国 现 行 的汽 车 用 氢 加 氢 站 的相 关 标 准没 有 出台 ， 在参 考 C NG加 气站 的基 础上 提 出 了加 氢 站 系统 的组 成 及 配 置 情 况 。在 建 设 C NG 加 气 站 的 时 候 ， 同 时 可 以考 虑 将 来 加 氢 站 从 中 改造 的 问题 ， 尽 可能保持两者之 间 的兼 容性 ， 以减少 重复 投资 和建 设 ， 对 降低 直接氢气燃料 电池汽车 的成本 ， 使之得到 快速推广有很大 的促进作用 。当今我 国正在加紧开 发用 氢燃 料 电池 汽 车 ， 因 此 加 氢 站 建 站 的 基 础 设 施 也 必 须 加 速 发 展 ， 同 时 相 关 的 技 术 标 准 也 需 尽 快 出 台 。 参 考文 献 『 1 ] G B 5 0 1 5 62 0 0 2汽 车加 油加 气站 设计 与施 工规 范 [ s ] ． 北京 中国计 划 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 上海 市石 油学 会 编 ． 车 用 燃 气 与 加 气 站 建 设 [ M ] ． 北 京 中国石化 出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 孙 济美 ． 燃 气 和液 化 石 油 气 汽 车 [ M] ． 北 京 北 京 理 工 大学 出版 社 ， 1 9 9 3 ． 丁 维普资讯