加氫站節(jié)能增效的建設(shè)優(yōu)化與研究
發(fā)布時(shí)間:
2024-03-01 16:20
氫能產(chǎn)業(yè)是清潔低碳高效能源體系的重要一環(huán),也是實(shí)現(xiàn)碳減排的載體,加氫站是普及氫能發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)施。2022年3月頒布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》中指出,到2025年氫燃料電池車輛將會(huì)達(dá)到5萬輛保有量,部署配套一批加氫站勢在必行。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2021年底,國內(nèi)已建成加氫站200座左右,僅為實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)全面綠色交通配套就建設(shè)了30余座加氫站。
2021年新修訂了GB50156和GB50516兩個(gè)關(guān)于加氫站設(shè)計(jì)與建設(shè)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,為加氫站的安全設(shè)計(jì)提供建設(shè)指導(dǎo)。然而國內(nèi)加氫站成套建設(shè)技術(shù)提供方屈指可數(shù),加氫站存在工藝流程技術(shù)較為單一、能量利用效率低及檢測控制手段有限等不足缺陷,大多的做法是對(duì)已運(yùn)行加氫站的效仿,因此現(xiàn)有加氫站存在較大的優(yōu)化空間。隨著氫能產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式的發(fā)展和新問題的不斷涌現(xiàn),加之氫燃料汽車市場占有量不斷增加,對(duì)現(xiàn)有加氫站工藝設(shè)計(jì)和操作模式提出新的要求。特別是存在氫氣純度無法實(shí)時(shí)監(jiān)控、氫氣冷卻缺少控制調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)啟動(dòng)頻繁等問題。
本文從氫氣檢測智能化控制、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制、站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化、氫氣壓縮機(jī)節(jié)能等方面進(jìn)行分析,提出加氫站的節(jié)能減排和降本增效建議。
1 反向監(jiān)測氫氣純度控制
制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫是氫能產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié),如何保證各環(huán)節(jié)氫氣的純度品質(zhì)至關(guān)重要。氫燃料電池對(duì)氫氣痕量雜質(zhì)要求嚴(yán)苛,目前市場上缺少快速在線監(jiān)測分析方法與設(shè)備,采用非在線送樣全雜質(zhì)分析成本將達(dá)到2萬~5萬/次,高昂的檢測成本讓氫氣出廠單位更多參考了成品油和壓縮氣的運(yùn)營方式,以定期氫氣檢測報(bào)告作為銷售公司提供給下游用氫方的證明,然而這樣存在無法及時(shí)獲得在制氫、運(yùn)氫、儲(chǔ)氫多個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)混入雜質(zhì)的情況。
氫氣品質(zhì)出現(xiàn)問題主要在3個(gè)方面:一是氫源出現(xiàn)問題,例如氫氣母站提純裝置失效或者操作不當(dāng),導(dǎo)致提純效果下降;二是氫氣運(yùn)輸車的車載儲(chǔ)罐未能脫除雜質(zhì)或者混用;三是加氫站的氫氣儲(chǔ)罐中本身混入雜質(zhì)。無論哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,不合格的氫氣都會(huì)對(duì)氫能汽車產(chǎn)生致命損壞。據(jù)了解,目前1輛氫能源汽車價(jià)格在100萬元左右,氫氣不純不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,更會(huì)降低大眾對(duì)氫能汽車甚至氫能產(chǎn)業(yè)認(rèn)可度。
通過對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14687—2019和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37244—2018分析,氫燃料電池對(duì)氫氣的純度閾值為99.97%,尚未達(dá)到高純氫99.99%規(guī)格,但對(duì)氫氣中的14種其他雜質(zhì)含量給出超嚴(yán)格限制,其主要目的是為了保護(hù)氫燃料電池的使用壽命和發(fā)電效率。
在這14種雜質(zhì)中可大體分為兩類,一類雜質(zhì)能夠造成燃料電池的永久性中毒與損害,導(dǎo)致電池報(bào)廢,例如CO、總硫等;一類雜質(zhì)會(huì)降低氫燃料電池的發(fā)電效率,通過合格新鮮氣體置換有恢復(fù)的可能性,例如水、氮?dú)獾?/strong>。但不論出現(xiàn)何種中毒或者損害,都會(huì)像燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出故障一樣,讓購買者對(duì)氫能源汽車望而卻步。
分析氫氣雜質(zhì)首先從其源頭探索,目前工業(yè)制氫工藝主要來自于以下幾種工藝流程,其可能含有的雜質(zhì)見表1。
表1 不同工業(yè)制氫方式氫氣 主要雜質(zhì)
本文關(guān)于加氫站節(jié)能相關(guān)的措施和思路,可為后續(xù)加氫站的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。由于直接分析氫氣雜質(zhì)純度難度大,本文提出了一種采用反向檢測氫氣規(guī)格新理念(詳見圖1),通過對(duì)氫氣純度的嚴(yán)格檢測以推測其他雜質(zhì)變化的可能性,適用于加氫母站和加氫站。
圖1 反向檢測氫氣流程優(yōu)化簡易圖
(1)加氫母站
對(duì)于加氫母站或者站內(nèi)制氫加氫站,在提純裝置下游設(shè)置一臺(tái)在線氫氣分析儀,此時(shí)要求氫氣的純度至少維持在99.99%。流程如圖1(a)所示,增加一臺(tái)精制保護(hù)器M-101以及氫氣純度的聯(lián)鎖AIC-101,在裝置穩(wěn)定獲得合格產(chǎn)品后,此時(shí)設(shè)定氫氣純度值為w1(w1滿足氫氣純度大于99.99%);如果運(yùn)行時(shí)在線分析AI-101顯示氫氣純度出現(xiàn)波動(dòng),達(dá)到氫氣純度下限報(bào)警值w2(例如,w2設(shè)置為99.975%)意味著提純裝置可能出現(xiàn)問題,此時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖打開精制保護(hù)器M-101的入口閥,讓氫氣通過1個(gè)撬裝化高效分離裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提純,該裝置重點(diǎn)對(duì)工藝氣體來源中可能含有的雜質(zhì)以及對(duì)氫燃料汽車造成危害較大的組分進(jìn)行脫除。此時(shí)對(duì)站內(nèi)的提純裝置進(jìn)行分析,若不是運(yùn)營問題則需要考慮是否原料組分發(fā)生變化或者吸附劑效果下降。若分析儀AI-101檢測純度低于99.97%,立即聯(lián)鎖停止提純裝置和對(duì)外充裝。
(2)加氫站
對(duì)于加氫站,可在卸氫柱位置設(shè)置1個(gè)簡易化中毒檢測器X-101以及氫氣精脫保護(hù)裝置M-102,其中精脫保護(hù)器產(chǎn)生的解析氣體進(jìn)入到站內(nèi)放散系統(tǒng),流程如圖1(b)所示。中毒檢測器X-101是1個(gè)和燃料電池工作原理一樣的電池,在外部購買的氫氣進(jìn)站之后先經(jīng)過中毒檢測器X-101,通過顯示電流的強(qiáng)弱分析其是否存在中毒雜質(zhì),如果出現(xiàn)問題立即聯(lián)鎖停止卸氫,并將已卸入的氫氣進(jìn)入到撬裝氫氣精脫保護(hù)裝置M-102防止污染下游設(shè)備;如果依然不滿足燃料氫要求,只能拒絕接收該批次氫氣。
本文提供的反向監(jiān)測氫氣純度的方法不是一種根本解決氫氣在線分析問題的方式,無法直接檢測每類雜質(zhì)含量甚至還會(huì)出現(xiàn)“假報(bào)警”現(xiàn)象,但是對(duì)于現(xiàn)階段的氫氣純度起到一定監(jiān)控作用,避免造成不可挽回經(jīng)濟(jì)損失。
2 站內(nèi)制氫加氫一體站優(yōu)化控制
對(duì)于現(xiàn)有加氫站站內(nèi)制氫的電主要有兩種來源途徑:一是采用工業(yè)用電;二是利用加氫站站內(nèi)罩棚、站房頂部、停車場頂部以及周邊工作場所或者集中地區(qū)建設(shè)太陽能發(fā)電站。但是由于光伏發(fā)電的效率相對(duì)較低,如果僅依靠站內(nèi)的面積發(fā)電量遠(yuǎn)不能滿足電解水制氫的需求量,因此依然要采用工業(yè)電作為補(bǔ)充。而工業(yè)電又分為波峰用電和波谷用電,波谷用電價(jià)格比波峰用電價(jià)格大約低0.6~0.8元/kWh,因此如何合理利用“電”是降低站內(nèi)制氫加氫一體站的關(guān)鍵因素。
本文提出建設(shè)一套太陽能發(fā)電和低谷電智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化站內(nèi)用電方案思路,即最大可能使用太陽能發(fā)電比例,其次是低谷用電比例,最后是正常或者波峰工業(yè)用電比例,以降低電解水制氫成本。
例如白天用電按照太陽能發(fā)電→蓄電池電→工業(yè)用電順序,如果太陽能發(fā)電量富余,可通過蓄電池將電“存儲(chǔ)”至晚上利用,實(shí)現(xiàn)全天連續(xù)電解水制備得到綠氫;若出現(xiàn)天氣惡劣情況,太陽能發(fā)電量不足且站內(nèi)儲(chǔ)備氫氣量不足,則只能啟用工業(yè)用電作為補(bǔ)充。晚上用電模式按照蓄電池電→低谷用電順序,晚上優(yōu)先利用白天太陽能發(fā)電的蓄電池電,如果沒有富余電量再采用廉價(jià)的夜間低谷電。
因此可建設(shè)一套智能控制系統(tǒng),若白天太陽能發(fā)電量足夠多,則可將多余電量存放于蓄電池中供晚上利用或者白天調(diào)整制氫裝置負(fù)荷;若出現(xiàn)陰雨天且發(fā)電蓄電能力不足,根據(jù)氫氣需求量在夜間充分利用低谷用電期提高電解水制氫工作負(fù)荷,加大夜間制氫產(chǎn)量并存儲(chǔ)于站內(nèi)氫氣儲(chǔ)罐,同時(shí)降低白天電解水工作負(fù)荷。
另外,站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)集中充裝瓶組時(shí)間調(diào)整于夜間低谷用電期,降低用電成本。
3 卸氫計(jì)量系統(tǒng)優(yōu)化
考慮到安全和消防限制,國內(nèi)加氫站主要采用站外制氫供氫方式,通過高壓長管拖車從外部購買氫氣,關(guān)于卸氫計(jì)量問題,規(guī)范GB50156—2010(2021版)對(duì)于氫氣進(jìn)站的計(jì)量方式進(jìn)行了科學(xué)調(diào)整。
在2010版規(guī)范中,建議卸氫計(jì)算方法是按照氫氣儲(chǔ)氣瓶的容積和起始?jí)毫怂悖瑢?shí)際加氫站建設(shè)期間為了減少質(zhì)量流量計(jì)的成本投入也是采用此方法估算。從其條文解釋舉例數(shù)據(jù)可看出該計(jì)算方法是建立在氣體理想狀態(tài)方程,但是在高壓狀態(tài)下氫氣遠(yuǎn)離理想狀態(tài),壓縮因子發(fā)生重大偏離(如表2),因此采用這種方法并不能精確體現(xiàn)卸載量。
表2 在20℃溫度下不同壓力下氫氣的壓縮因子
2010版條文解釋舉例:10個(gè)1170L氫氣瓶組從25MPa到0.5MPa的氫氣卸載量總共是2866.5Nm3(255.94kg),而通過修正壓縮因子實(shí)際上最大卸載量是213.38kg,相差了42.56kg(存在16.5%的誤差),對(duì)于接收方是有損失的。實(shí)際上即使手動(dòng)通過溫度和壓力去修正依然會(huì)出現(xiàn)誤差,同時(shí)在泄氫過程存在一定損失。若增加1個(gè)質(zhì)量流量計(jì)(帶累計(jì)功能),可以精確地直觀提供氫氣卸載量。
因此建議卸氣柱必須設(shè)置質(zhì)量流量計(jì),增加之后還可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)氫氣使用率進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。因?yàn)榧託湔静贿B續(xù)運(yùn)行特點(diǎn),在壓縮機(jī)、加氫機(jī)、卸氫柱等設(shè)備停止工作后須對(duì)部分密封高壓管道空間進(jìn)行泄壓,該部分氫氣量無法計(jì)量。因此通過對(duì)外的加注量以及卸載量的直觀計(jì)量可以實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算站內(nèi)氫氣利用率,為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營分析提供精確數(shù)據(jù)支撐。
4 冷卻系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化
加氫站內(nèi)的冷卻系統(tǒng)主要是采用電制冷方式實(shí)現(xiàn),站內(nèi)需要冷卻主要在2個(gè)區(qū)域:一是氫氣壓縮機(jī)冷卻,氫氣被做功增壓后發(fā)生急速升溫;二是加氫機(jī)冷卻,氫氣溫度大于-69.15℃時(shí)節(jié)流或者膨脹會(huì)發(fā)生焦-湯效應(yīng),升溫達(dá)到150℃,而目前車載儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度最高為85℃,因此需在加氫機(jī)進(jìn)行有效充分冷卻。
(1)氫氣壓縮機(jī)冷卻控制
加氫站內(nèi)的壓縮機(jī)采用的是容積式壓縮機(jī),出口壓力是固定不變。例如45MPa壓力級(jí)別加氫站的壓縮機(jī)出口壓力為45MPa,而入口壓力是一直變化波動(dòng),意味著其壓縮比也在變化,入口壓力變化范圍一般在5~20MPa,壓縮比范圍在2.25~9,通過表3可看出在入口氫氣溫度為20℃時(shí),不經(jīng)過任何冷卻出口溫度達(dá)到200℃以上。將200℃的介質(zhì)冷卻到50℃以下需要消耗大量的冷凍水,因此目前站內(nèi)運(yùn)行模式基本上是按照最大操作流量常供。
表3 無冷卻工況氫氣壓縮機(jī)出口溫度變化
圖2 氫氣壓縮機(jī)冷卻控制優(yōu)化
如圖2所示對(duì)氫氣壓縮機(jī)的冷卻流程進(jìn)行優(yōu)化,在其壓縮機(jī)的出入口均設(shè)置一組換熱裝置(E-101&E-102)以及溫度控制系統(tǒng),溫度傳感器TIC-101控制壓縮機(jī)入口溫度維持在-10~0℃,如果入口壓力PIC-101低于10MPa,超馳聯(lián)鎖控制FV-101調(diào)節(jié)閥,維持一定冷卻介質(zhì)流量;壓縮機(jī)出口溫度通過換熱器和TIC-102實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),但是調(diào)節(jié)閥TV-102設(shè)置為故障開,確保壓縮機(jī)出口溫度即使在閥門出現(xiàn)故障也不會(huì)超溫。
優(yōu)化之后,非特殊情況無需常開大流量制冷系統(tǒng),并通過增加溫度聯(lián)鎖控制靈活調(diào)整冷卻流量,可實(shí)現(xiàn)節(jié)省30%以上的制冷劑用電量。
(2)氫氣加氫機(jī)冷卻控制
加氫機(jī)的冷卻控制至關(guān)重要,必須確保車載儲(chǔ)罐不能超其安全設(shè)計(jì)溫度85℃,因此加氫過程設(shè)置了車載儲(chǔ)罐壓力和溫度的超馳聯(lián)鎖,在達(dá)到加氫設(shè)定壓力和設(shè)定溫度強(qiáng)制停止加氫機(jī)。即使加氫在安全設(shè)計(jì)溫度和壓力以內(nèi),不同的終了溫度對(duì)其加注量會(huì)影響很大,詳見表4。
表4 不同溫度和壓力車載儲(chǔ)罐充裝量
(4)通過對(duì)氫氣壓縮機(jī)節(jié)能分析,降低加氫站壓縮機(jī)的運(yùn)行能耗以及啟動(dòng)頻次。加注車均加注到儲(chǔ)罐35MPa壓力下,儲(chǔ)罐溫度35℃比85℃溫度下的加注量多了19.65%。加注過程影響氫氣儲(chǔ)罐溫度主要因素有加注過程壓力差節(jié)流、加注速率以及車載儲(chǔ)罐容積等,目前多數(shù)加氫站冷卻裝置設(shè)置在調(diào)節(jié)閥上游,每次加注需要人為設(shè)置調(diào)節(jié)閥開度,而且缺少精確控制冷卻水量措施,基本上是大流量供冷。
圖3 加氫機(jī)冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化
如圖3所示,對(duì)加氫機(jī)部分流程進(jìn)行優(yōu)化,將調(diào)節(jié)閥FV-201位置提前至冷卻器E-201上游并增加1個(gè)溫度控制TIC-201調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量。考慮到超溫后果相對(duì)嚴(yán)重,增加一道壓力差聯(lián)鎖PDIC-202(站內(nèi)供氫儲(chǔ)罐壓力和車載儲(chǔ)罐壓力差),在站內(nèi)供氫壓力和車載儲(chǔ)罐壓力差超過25MPa時(shí),冷卻介質(zhì)流量不能低于限值F0。例如對(duì)于5kg/min加注速率工況,壓差ΔP超過25MPa時(shí)冷卻最低量F0為35m3/h;當(dāng)PDIC-202未超過25MPa時(shí)通過出口溫度TIC-201調(diào)節(jié)冷凍水流量,從而降低制冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷。
5 壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化
加氫站的非連續(xù)運(yùn)行特性對(duì)站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)運(yùn)行影響巨大,目前國內(nèi)加氫站90%以上采用的是隔膜式壓縮機(jī),該壓縮機(jī)最明顯的缺點(diǎn)是膜片運(yùn)行時(shí)間較短,大約在700~2000h,尤其頻繁的啟停對(duì)膜片壽命破壞力更大,因此如何提高站內(nèi)壓縮機(jī)連續(xù)工作時(shí)間,降低啟停頻次至關(guān)重要。壓縮機(jī)啟動(dòng)工況主要是高壓儲(chǔ)罐壓力不足時(shí)壓縮機(jī)直接加注車載儲(chǔ)罐以及加氫站內(nèi)氫氣儲(chǔ)罐充裝。
(1)壓縮機(jī)直接加注汽車儲(chǔ)罐
加氫站加氫主要采用站內(nèi)高壓、中壓、低壓多級(jí)帶壓氫氣儲(chǔ)罐進(jìn)行汽車加氫,以提高站內(nèi)氫氣利用率以及加氫速率。然而當(dāng)加氫站遇到汽車加注高峰期時(shí)會(huì)出現(xiàn)高壓儲(chǔ)罐壓力不足現(xiàn)象,此時(shí)需要啟動(dòng)站內(nèi)氫氣壓縮機(jī)直接加氫,但這會(huì)因?yàn)檐囕v加注的不連續(xù)特點(diǎn)出現(xiàn)壓縮機(jī)頻繁啟停問題,同時(shí)受壓縮機(jī)最大工作負(fù)荷限制加氫速率較慢。
m實(shí)際=Q實(shí)際×ρ=Q實(shí)際×P/ZRT
其中,m實(shí)際——壓縮機(jī)的外輸實(shí)際流量,kg/min;Q實(shí)際——壓縮機(jī)的實(shí)際工作負(fù)荷,m3/min;ρ——氫氣密度,kg/m3;P——壓縮機(jī)的入口壓力,Pa;Z——氫氣的壓縮因子;T——二級(jí)壓縮機(jī)的入口溫度,K;R——理想氣體常數(shù),R=8.314J/(mol•K)
圖4 壓縮機(jī)優(yōu)化控制簡易圖
本文對(duì)流程和操作進(jìn)行優(yōu)化(如圖4所示),增加低/中壓儲(chǔ)罐與壓縮機(jī)入口之間返氫管線,根據(jù)式(1)可知對(duì)于隔膜式壓縮機(jī)其入口壓力P與壓縮機(jī)的實(shí)際外輸量Q實(shí)際成正比,因此采用低壓或者中壓儲(chǔ)罐作為壓縮機(jī)入口,可提高壓縮機(jī)的加注質(zhì)量流量。在高壓氫氣不足時(shí),如有氫燃料汽車到站內(nèi)加氫,可打開閥門V-306直接實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)充氫;如無汽車加氫則打開閥門V-303、V-304(或者V-305),關(guān)閉V-306、V-301、V-302,把低壓儲(chǔ)罐的氫氣“倒罐”至高壓儲(chǔ)罐,使后續(xù)來車在短時(shí)間內(nèi)無需頻繁啟動(dòng)壓縮機(jī)。
若外部采購的氫氣量遠(yuǎn)不能完全將站內(nèi)所有儲(chǔ)罐充滿,例如僅能滿足站內(nèi)儲(chǔ)罐的1/2,對(duì)于高、中、低壓3種儲(chǔ)罐的充裝順序建議如下:優(yōu)先充裝高壓儲(chǔ)罐,此時(shí)由于壓縮機(jī)入口壓力高(壓縮機(jī)入口壓力隨著外部儲(chǔ)罐氫氣充裝而降低),可快速將高壓儲(chǔ)罐充滿;然后再充裝中壓儲(chǔ)罐,最后是低壓儲(chǔ)罐,這種方式可在卸氫量不足的情況下優(yōu)先確保高壓和中壓的量,在加注車輛時(shí)可以短時(shí)間內(nèi)無需啟動(dòng)氫氣壓縮機(jī),同時(shí)提高加注車輛氫氣速率,降低壓縮機(jī)啟動(dòng)頻次。
6 結(jié)語
本文通過對(duì)目前加氫站實(shí)際建設(shè)中存在的問題進(jìn)行分析與總結(jié),從反向監(jiān)測氫氣純度控制、卸氫精確計(jì)量系統(tǒng)、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制、站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化、氫氣壓縮機(jī)節(jié)能等幾個(gè)方面提出合理化建議與優(yōu)化。
(1)提出一種氫氣檢測智能化控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫站內(nèi)的氫氣純度進(jìn)行間接的實(shí)施監(jiān)控,確保氫氣質(zhì)量合規(guī);
(2)提出了卸氫精確計(jì)量系統(tǒng)、加氫站冷卻系統(tǒng)節(jié)能控制等措施,提高氫氣利用率,降低冷卻能耗;
(3)提出一種關(guān)于站內(nèi)制氫加氫一體化節(jié)能減排優(yōu)化新思路,將加氫站與站內(nèi)制氫、可再生能源相結(jié)合,為后續(xù)制氫加氫一體化站建設(shè)提供思路;
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