本发明涉及
加氢站技术领域，尤其涉及一种加氢机前氢气冷却方法。
背景技术：
氢被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢能在解决能源危机、全球变暖及环境污染等问题方面将发挥越来越重要的作用。作为氢能在交通运输方面的重要用途之一，氢燃料电池汽车使用越来越广泛。加氢站之于氢燃料电池汽车，犹如加油站之于传统燃油汽车、充电桩之于电动汽车，是氢能在交通、运输等领域关键的环节。
加氢站核心设备包括压缩机、固定储氢设施、加氢机，这三大设备的性能参数决定了加氢站的整体加注能力和储氢能力。加氢机的主要功能是为氢燃料电池汽车的车载储氢瓶进行加注。由于加氢机在氢气加注时有“焦-汤效应”，导致氢气温度上升，因此加注过程中如何防止氢气温度不断升高是加氢机的关键性能之一。目前国内主要的35mpa加氢机生产商在应对加注时氢气升温主要有两种方式：1)在加氢机内设置与汽车车载瓶相连接的通讯接口，将加注过程中车载气瓶的温度和压力信号输入到加氢机内，实现自动调节氢气升压速率，达到控制氢气温度的效果；2)采用加氢前预冷的方式。氢气进入加氢机前首先通过一台外置换热器进行换热，使氢气温度下降后对车载气瓶进行加注。由于加氢前预冷的方式在实现快速加氢方面有优势，可减少氢气加注的时间和应对日常较多的加注车辆，目前加氢前预冷的方式得到广泛应用。
目前常用的加氢机前冷却方法多采用水作为冷却剂来冷却氢气，再采用水冷或空冷等方式来冷却水，达到循环使用水的目的；或采用冷却剂冷却氢气，再采用水冷或其它方法来冷却冷却剂。中国专利201710035200.4公开了一种增压、加氢装置，采用换热器、风冷机、离心泵和冷却介质容器组成的闭式冷却水系统，将降温后的氢气通过控制系统安全、定量的输送到氢燃料电池汽车中，但总体来说冷却系统流程长、设备多；专利cn202010590538.8提供了撬装加氢站的冷却系统，该冷却系统包括隔膜压缩机、印刷电路板式pche换热器、加氢机以及水冷机组，将印刷电路板式pche换热器结合隔膜压缩机、水冷机组实现对加氢机前氢气的冷却，其中印刷电路板式pche换热器利用冷却剂对氢气进行冷却，结合隔膜压缩机、水冷机组，通过对管路的循环使用设计，通过水冷机组的冷却液的一级冷却即对氢气实现压缩与换热，无需二级冷却，具备较高的换热效率，但总体来说系统投资较高，运营、检维修工作量大等情况。另外，若采用水或其它冷却剂冷却氢气，目前冷却剂或多或少都有腐蚀性，有可能导致冷却换热器的腐蚀损坏，增加系统的运行维护成本和安险隐患，氢气压力高而冷却剂的压力往往较低，一旦出现泄露在巨大压差作用下将导致大量氢气涌入冷却剂一侧，氢气易爆，存在较大安全隐患。
总之，加氢机前氢气冷却无论是用水或其它冷却剂，均是通过较复杂系统来实现冷却剂的循环使用，系统复杂，造成较高的一次投资、运行维护成本和安全风险，需要开发新的冷却方法和设备。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的加氢机前氢气冷却系统复杂、一次投资、运行维护成本和安全风险高的问题，本发明提供一种加氢机前氢气冷却方法，以降低系统复杂程度，降低系统运维成本，提高系统的安全性。
本发明提供的加氢机前氢气冷却方法包括如下步骤：
1)将冷却剂引入冷却器：
打开冷却剂入口阀门，从冷却剂存储器中将冷却剂引入到冷却器中，冷却剂在冷却器内膨胀释放冷量，冷却器内整体温度得到降低；通过冷却剂出口温度计，测得冷却剂出口温度达到预定温度后，同时关闭冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门，在冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门的共同作用下，冷却剂在冷却器中保温保压；
2)将氢气引入冷却器并进行加注：
打开氢气出口阀门，将氢气引入冷却器，氢气在冷却器中接收冷却剂冷量实现降温，当氢气出口处氢气温度达到预定温度时进行氢气的加注，完成目标氢气加注容积后，关闭氢气出口阀门，完成冷却加注任务；
3)对氢气冷却加注过程的控制：氢气冷却加注过程中通过氢气出口温度计测量氢气温度，若氢气需求量继续增加导致氢气降温不足，当氢气出口温度大于预定温度时，同时打开冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门，将低温冷却剂引入冷却器，降低冷却器内温度，以进一步冷却氢气，升温后的冷却剂经冷却剂出口阀门排空；当氢气出口温度计测得氢气温度小于预定温度时，同时关闭冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门；
所述的冷却剂为液氮。
液氮是工业上应用广泛、易获得、廉价且冷量高的冷却剂。液氮为温度极低的惰性液体，无色，无臭，无腐蚀性，不可燃，使用具有较高的安全性。由于液氮汽化时可大量吸热，因此较少液氮即可完成大量氢气的冷却。由于氮气本身是大气的重要组成部分，液氮在释放冷量后通过冷却剂排空装置排空即可，排放不涉及二次污染。由于液氮廉价且冷量高，使用少量液氮即可达到冷却氢气目的，相比冷却剂循环系统的运维成本，即使在液氮不循环使用的情况下，仍有较大的经济性。
如果加氢机前氢气冷却系统首次投用或长期闲置后再次使用，为了保证氢气冷却加注过程能顺利进行，在氢气冷却加注前需增加常温氮气吹扫步骤：
首先用常温氮气对冷却剂输送管路、冷却器和氢气输送管路等进行吹扫置换，排出其中的空气和水蒸气；
冷却器完成常温氮气吹扫置换后，同时关闭与冷却器连通的冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门；
氢气输送管路完成氮气吹扫置换后通入氢气，测得氢气出口处氢气纯度达标后，关闭与冷却器连通的氢气出口阀门，此时氢气已达到加注的纯度要求，温度降低后即可进行加注。
常温氮气吹扫的目的在于排除水蒸气等易于凝结的成分，防止管路堵塞；另外一个目的是置换冷却器中的全部空气，防止通入氢气时氢气与残留的氧气混合发生爆炸。
冷却器提供氢气冷却的场所，待降温氢气进入冷却器实现降温，低温氮气进入冷却器吸收氢气的热量。冷却器中保温保压的冷却剂的量取决于需要冷却的氢气的量，通过冷却器换热面积和冷却剂温度的设置，一般情况下保温保压的冷却剂的量可将200l(满足目前95％以上车载氢气瓶容积)的氢气量降温到出口温度不大于20℃。
作为进一步改进的方案，为了避免操作人员高浓度吸入窒息，防止操作人员冻伤，升温后的冷却剂排空前需与操作人员进行物理隔离处置，或者采用将排放的升温后的冷却剂加速与空气混合的方法，加速升温后的冷却剂的升温，避免操作人员大量直接吸入升温后的冷却剂，消除操作人员窒息的风险。
本发明具有如下有益效果：
1)取消了冷却剂循环冷却系统，系统结构简单，操作简便，一次投资成本低；消除了冷却剂循环系统的运行维护费用，降低了系统的运行维护成本。
2)冷却剂采用液氮时，液氮不可燃、无腐蚀性，避免了冷却剂对冷却设备的腐蚀，增加了系统的安全性；冷却剂采用液氮时，液氮易获得、更换快捷方便，冷量高且成本低，使用少量液氮即可达到冷却氢气目的，换热效率高，可实现加氢机快速为汽车加氢的要求，可提高加氢站的处理量和处理效率。
3)冷却剂采用液氮时，氮气无色、无臭，由于氮气本身是大气的组成部分，在冷却氢气后稍加处理排空即可，无污染物的排放。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图中：1-常温氮气，2-冷却剂，3-冷却剂存储器，4-冷却剂入口阀门，5-待冷却的氢气，6-冷却器，7-冷却剂出口温度计，8-冷却剂出口阀门，9-冷却剂排空装置，10-氢气纯度检测器，11-氢气出口阀门，12-冷却后的氢气，13-常温氮气，14-升温后的冷却剂，15-氢气出口温度计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，在加氢机前氢气冷却系统首次投用或长期闲置后再次使用的情况下：
首先，进行常温氮气吹扫步骤：
打开冷却剂入口阀门4冷却剂出口阀门8，用常温氮气1对冷却剂输送管路和冷却器等进行吹扫置换，排出其中的空气和水蒸气；打开氢气出口阀门11，用常温氮气13对氢气输送管路进行吹扫置换，同样排出其中的空气和水蒸气；冷却器6完成常温氮气置换后，同时关闭与冷却器6连通的冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8；氢气输送管路完成氮气置换后通入待冷却的氢气5，用氢气纯度检测器10测得氢气出口处氢气纯度达标后，关闭与冷却器连通的氢气出口阀门11，此时氢气已达到加注的纯度要求，温度降低后即可进行加注；
其次，将冷却剂引入冷却器：
打开冷却剂入口阀门4，从冷却剂存储器3中将冷却剂引入到冷却器6中，冷却剂在冷却器6内膨胀释放冷量，冷却器6内整体温度得到降低；通过冷却剂出口温度计7，测得冷却剂出口温度达到预定温度后，同时关闭冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8，在冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8的共同作用下，冷却剂在冷却器6中保温保压；冷却剂出口的预定温度一般为-50～20℃；
再次，将氢气引入冷却器并进行加注：
打开氢气出口阀门11，将待冷却的氢气5引入冷却器6，氢气在冷却器6中接收冷却剂冷量实现降温，当氢气出口处冷却后的氢气12的温度达到预定温度时进行氢气的加注，完成目标氢气加注容积后，关闭氢气出口阀门11，完成冷却加注任务；
对氢气进行冷却时，需要对氢气冷却加注过程进行有效的控制：氢气冷却加注过程中通过氢气出口温度计15测量氢气温度，若氢气需求量继续增加导致氢气降温不足，当氢气出口温度大于预定温度时，同时打开冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8，将低温冷却剂引入冷却器6，降低冷却器6内温度，以进一步冷却氢气，升温后的冷却剂14经冷却剂出口阀门8排空；当氢气出口温度计15测得氢气温度小于预定温度时，同时关闭冷却剂入口阀门4和冷却剂出口阀门8。氢气出口的预定温度一般为-10～20℃。
为了避免操作人员高浓度吸入窒息，防止操作人员冻伤，升温后的冷却剂14排空前通过冷却剂排空装置9与操作人员进行物理隔离处置，避免操作人员大量直接吸入氮气，消除操作人员窒息的风险。
技术特征：
1.一种加氢机前氢气冷却方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将冷却剂引入冷却器：
打开冷却剂入口阀门，从冷却剂存储器中将冷却剂引入到冷却器中，冷却剂在冷却器内膨胀释放冷量，冷却器内整体温度得到降低；通过冷却剂出口温度计，测得冷却剂出口温度达到预定温度后，同时关闭冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门，在冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门的共同作用下，冷却剂在冷却器中保温保压；
2)将氢气引入冷却器并进行加注：
打开氢气出口阀门，将氢气引入冷却器，氢气在冷却器中接收冷却剂冷量实现降温，当氢气出口处氢气温度达到预定温度时进行氢气的加注，完成目标氢气加注容积后，关闭氢气出口阀门，完成冷却加注任务；
3)对氢气冷却加注过程的控制：氢气冷却加注过程中通过氢气出口温度计测量氢气温度，若氢气需求量继续增加导致氢气降温不足，当氢气出口温度大于预定温度时，同时打开冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门，将低温冷却剂引入冷却器，降低冷却器内温度，以进一步冷却氢气，升温后的冷却剂经冷却剂出口阀门排空；当氢气出口温度计测得氢气温度小于预定温度时，同时关闭冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门；
所述的冷却剂为液氮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括氢气冷却加注前的常温氮气吹扫步骤：
用常温氮气对冷却剂输送管路、冷却器和氢气输送管路进行吹扫置换，排出其中的空气和水蒸气；
冷却器完成常温氮气吹扫置换后，同时关闭与冷却器连通的冷却剂入口阀门和冷却剂出口阀门；
氢气输送管路完成氮气吹扫置换后通入氢气，测得氢气出口处氢气纯度达标后，关闭与冷却器连通的氢气出口阀门，此时氢气已达到加注的纯度要求，温度降低后即可进行加注。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述升温后的冷却剂排空前需与操作人员进行物理隔离处置，或者将排放的升温后的冷却剂加速与空气混合。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述冷却剂出口的预定温度为-50～20℃，氢气出口的预定温度为-10～20℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述冷却剂出口的预定温度为-50～20℃，氢气出口的预定温度为-10～20℃。
技术总结
本发明公开了一种加氢机前氢气冷却方法，该方法包括如下步骤：1)将冷却剂引入冷却器；2)将氢气引入冷却器并进行加注；所述的冷却剂为液氮。本发明具有如下有益效果：1)取消了冷却剂循环冷却系统，降低了一次投资成本低和系统的运行维护成本；2)冷却剂采用液氮，避免了冷却剂对设备的腐蚀，增加了系统的安全性，换热效率高，可实现加氢机快速为汽车加氢的要求；3)冷却剂采用液氮，在冷却氢气后稍加处理排空即可，无污染物的排放。
技术研发人员：邓矛;晁君瑞
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司;中石化广州工程有限公司;中石化炼化工程(集团)股份有限公司
技术研发日：2021.02.25
技术公布日：2021.06.15
声明：
“加氢机前氢气冷却方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国石油化工股份有限公司;中石化广州工程有限公司;中石化炼化工程(集团)股份有限公司
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2024年07月12日 ~ 14日 
