一种加氢站的蒸发气回收系统
技术领域
本发明涉及加氢站技术领域，尤其涉及一种加氢站的蒸发气回收系统。
背景技术
氢能源是公认的清洁能源，而且氢气热值是常见燃料中最高的，约是石油的3倍和煤炭的4.5倍，因此氢能源汽车在减少空气污染、减少温室气体排放和降低对传统能源的依赖性等方面具有突出的优势，其中，为氢燃料电池汽车提供氢能的加氢站设施将非常关键。
目前我国建成的加氢站主要利用高压技术存储氢气气源，而采用高压技术储氢的加氢站具有储氢能力低和加注形式单一等缺陷，针对上述问题，现有技术公开了一种液态储氢加氢站，既可以加注氢气，也可以加注高压液氢和低压液氢，解决了上述问题。液氢站虽然具有存储性能更高的优点，但其存在氢气的气化问题，液氢的温度是-253℃，其蒸发潜热相对较低，通过管道漏热和储罐漏热等会导致液氢气化，尤其在液氢槽车卸料至站内液氢储罐的过程会有大量的氢气产生，而且氢气本身存在正氢和仲氢，通过自身反应放热会引起液氢不断的蒸发，如果遇到超压将会像目前的液化天然气加注站一样以气体的形式从排气管放空至大气，不仅会造成能源的严重浪费，甚至可能引发爆炸，危害公众安全。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种加氢站的蒸发气回收系统，能够同时加注氢气和液氢，储氢量较高，且站内蒸发氢气能够得到充分回收利用，实现节能减排。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种加氢站的蒸发气回收系统，包括氢储罐、氢气液化系统、液氢气化系统、液氢加注系统、氢气加注系统和氢气缓存系统；
所述氢储罐包括底部用于储存液氢的液氢储存空间和顶部用于储存氢气的低温气相空间，且所述液氢储存空间和所述低温气相空间相连通；
所述氢气液化系统的进口端通过管道分别与所述液氢储存空间和所述低温气相空间相连通，所述氢气液化系统的出口端通过管道分别连通于所述液氢加注系统和所述液氢气化系统；
所述液氢气化系统的出口端通过管道连通于所述氢气加注系统；
所述氢气加注系统通过管道与所述低温气相空间相连通，所述氢气缓存系统通过管道并联在所述氢气加注系统和所述低温气相空间相连通的管道上，且所述氢气缓存系统通过管道连通于所述液氢气化系统，所述氢气缓存系统用于缓存多余的蒸发氢气和气化氢气。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，所述氢气液化系统包括：
上下连通设置的液化罐和液氢储罐，所述液化罐的进口端通过管道分别连通于所述液氢储存空间和所述低温气相空间，所述液氢储罐的出口端通过管道分别连通于所述液氢加注系统和所述液氢气化系统，且所述液氢储罐能够承接从所述液化罐落下的液化液氢。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，所述液化罐的侧壁上设置有第一进口和第二进口，所述第一进口设置在所述第二进口的上方，所述第一进口通过管道连通于所述低温气相空间，所述第二进口通过管道连通于所述液氢储存空间。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，还包括：
低压压缩机，设置于所述低温气相空间和所述第一进口相连通的管道中，所述低压压缩机能够将所述低温气相空间输出的所述蒸发氢气增压，并分别输送至所述第一进口和所述氢气缓存系统。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，还包括：
高压压缩机，设置于所述低压压缩机和所述氢气缓存系统相连通的管道中，所述高压压缩机能够将所述低压压缩机输出的所述蒸发氢气进一步增压，并分别输送至所述氢气缓存系统和所述氢气加注系统。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，还包括：
低压液氢泵，设置于所述液氢储存空间和所述第二进口相连通的管道中，所述低压液氢泵能够将所述液氢储存空间输出的液氢增压，并输送至所述第二进口和所述液氢加注系统。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，还包括：
高压液氢泵，设置于所述液氢储罐和所述液氢气化系统相连通的管道中，且所述高压液氢泵的进口端与所述低压液氢泵相连通，所述高压液氢泵能够将所述液氢储罐输出的所述液化液氢和所述低压液氢泵输出的所述液氢增压，并分别输送至所述液氢气化系统和所述液氢加注系统。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，所述液氢加注系统包括：
低压液氢加注系统和高压液氢加注系统，所述低压液氢加注系统通过管道分别与所述低压液氢泵和所述液氢储罐相连通，所述高压液氢加注系统通过管道与所述高压液氢泵相连通。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，所述液氢气化系统包括：
连通设置的空温气化器和氢气复温器，所述空温气化器的进口端通过管道连通于所述高压液氢泵，所述空温气化器用于将所述高压液氢泵输出的所述液氢气化，所述氢气复温器的出口端通过管道分别连通于所述氢气缓存系统和所述氢气加注系统，所述氢气复温器用于调节所述空温气化器输出的所述氢气的温度。
作为一种加氢站的蒸发气回收系统的优选方案，所述液氢气化系统还包括：
换热组件，所述换热组件连接于所述氢气复温器，所述换热组件与所述氢气复温器能够进行热量交换。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种加氢站的蒸发气回收系统，包括氢储罐、氢气液化系统、液氢气化系统、液氢加注系统、氢气加注系统和氢气缓存系统，氢储罐底部的液氢储存空间用于储存液氢，液氢通过管道输送至液氢加注系统实现液氢加注，液氢蒸发生成的氢气聚集在氢储罐的顶部形成低温气相空间，低温气相空间中的蒸发氢气通过管道输送至氢气加注系统实现氢气加注，并在低温气相空间和氢气加注系统相连通的管道中并联设置有氢气缓存系统，且氢气缓存系统还通过管道与液氢气化系统相连通，氢气缓存系统用于存放多余的蒸发氢气和液氢气化系统输出的未进入氢气加注系统的气化氢气，为氢气加注系统下一次加注提供氢气，该加氢站的蒸发气回收系统既提高了加氢站的储氢能力，又实现了同时加注氢气和液氢的目的；氢储罐中的蒸发氢气通过管道输送至氢气液化系统中，并将氢储罐中的液氢也通过管道输送至氢气液化系统中辅助氢气进行液化反应生成液氢，然后通过管道将液氢分别输送至液氢加注系统和液氢气化系统，氢储罐输送的液氢和氢气液化系统生成的液氢经过液氢气化系统气化生成气化氢气，然后通过管道输送至氢气加注系统实现氢气加注。该加氢站的蒸发气回收系统能够使站内蒸发氢气得到充分的回收利用，实现节能减排。
附图说明
为了更清楚地说明本发明发明实施例中的技术方案，下面将对本发明发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的加氢站的蒸发气回收系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的加氢站的蒸发气回收系统中的氢气液化系统的示意图；
图3是本发明实施例提供的加氢站的蒸发气回收系统中的液氢气化系统的示意图。
图中：
1-低压压缩机；2-低压液氢泵；3-高压液氢泵；4-高压压缩机；
10-氢储罐；101-液氢储存空间；102-低温气相空间；
20-氢气液化系统；201-液化罐；202-液氢储罐；203-运算控制器；204-气相流量计；205-液氢阀门；206-液相流量计；2011-第一进口；2012-第二进口；
30-液氢气化系统；301-空温气化器；302-氢气复温器；303-换热组件；3031-换热循环管道；3032-冷能利用单元；3033-冷剂阀门；3034-温度传感器；
40-液氢加注系统；401-低压液氢加注系统；402-高压液氢加注系统；
50-氢气加注系统；60-氢气缓存系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本实施例提供一种加氢站的蒸发气回收系统，该加氢站的蒸发气回收系统主要包括氢储罐10、氢气液化系统20、液氢气化系统30、液氢加注系统40、氢气加注系统50和氢气缓存系统60。其中，氢储罐10包括底部用于储存液氢的液氢储存空间101和顶部用于储存氢气的低温气相空间102，且液氢储存空间101和低温气相空间102相连通，以使液氢储存空间101中的液氢蒸发生成氢气后能够上升储存至低温气相空间102中。优选地，液氢储存空间101和低温气相空间102的压力设定为0.01MPa～1MPa，氢气液化系统20的进口端通过管道分别与液氢储存空间101和低温气相空间102相连通，氢气液化系统20的出口端通过管道分别连通于液氢加注系统40和液氢气化系统30，液氢气化系统30的出口端通过管道连通于氢气加注系统50，氢气加注系统50通过管道与低温气相空间102相连通，氢气缓存系统60通过管道并联在氢气加注系统50和低温气相空间102相连通的管道中，用于缓存多余的蒸发氢气，且氢气缓存系统60通过管道连通于液氢气化系统30，用于缓存多余的气化氢气。优选地，氢气缓存系统60采用高压氢气瓶组储存高压氢气。
本实施例提供的加氢站的蒸发气回收系统，氢储罐10底部的液氢储存空间101用于储存液氢，液氢通过管道输送至液氢加注系统40实现液氢加注，液氢蒸发生成的氢气聚集在氢储罐的顶部形成低温气相空间102，低温气相空间102中的蒸发氢气通过管道输送至氢气加注系统50实现氢气加注，并在低温气相空间102和氢气加注系统50相连通的管道中并联设置有氢气缓存系统60，且氢气缓存系统60还通过管道与液氢气化系统30相连通，氢气缓存系统60用于存放多余的蒸发氢气和液氢气化系统30输出的未进入氢气加注系统50的气化氢气，为氢气加注系统50下一次加注提供氢气，该加氢站的蒸发气回收系统既提高了加氢站的储氢能力，又实现了同时加注氢气和液氢的目的；氢储罐10中的蒸发氢气通过管道输送至氢气液化系统20中，并将氢储罐10中的液氢也通过管道输送至氢气液化系统20中辅助氢气进行液化反应生成液氢，然后通过管道将液氢分别输送至液氢加注系统40和液氢气化系统30，氢储罐10输送的液氢和氢气液化系统20生成的液氢经过液氢气化系统30气化生成气化氢气，然后通过管道输送至氢气加注系统50实现氢气加注。该加氢站的蒸发气回收系统能够使站内蒸发氢气得到充分的回收利用，实现节能减排，且相较于单纯地采用压缩机，该加氢站的蒸发气回收系统通过增设液氢泵和氢气液化系统20更加节能环保。
进一步地，氢气液化系统20包括上下连通设置的液化罐201和液氢储罐202。优选地，液化罐201的横截面面积比液氢储罐202的横截面面积小，液氢储罐202采用横截面面积较大的罐体可以防止氢气进入液氢储罐202出口端的管道。优选地，氢气液化系统20的压力控制在0.8Mpa～1.5Mpa。液化罐201的进口端通过管道分别连通于液氢储存空间101和低温气相空间102。优选地，液化罐201的侧壁上设置有第一进口2011和第二进口2012，第一进口2011设置在第二进口2012的上方，第一进口2011通过管道连通于低温气相空间102，第二进口2012通过管道连通于液氢储存空间101。
进一步地，液化罐201中由上至下依次盛放有转化催化剂层和填料层，转化催化剂层中填充有转化催化剂，转化催化剂用于催化氢气发生正-仲氢反应生成液氢，填料层中填充有规整栅格填料，当然，在其他实施例中，也可以采用散堆填料，液氢和氢气能在填料层充分混合，实现氢气吸收冷凝液化。为了使蒸发氢气和液氢分别与转化催化剂层和填料层充分接触，优选地，第一进口2011设置于转化催化剂层的上方，第二进口2012设置于填料层的上方，以使低温气相空间102中输出的蒸发氢气通过第一进口2011进入转化催化剂层转化成液氢，液氢储存空间101中输出的液氢通过第二进口2012进入填料层中与氢气充分混合使得氢气完全转化成液氢，氢气液化后生成的液氢落入液氢储罐202中。
在本实施例中，如图2所示，采取流量比例对氢气液化系统20进行自动控制，在低温气相空间102和第一进口2011相连通的管道中连接有气相流量计204，在液氢储存空间101和第二进口2012相连通的管道中连接有液氢阀门205和液相流量计206，且气相流量计204和液相流量计206之间连接有运算控制器203，运算控制器203同时与液氢阀门205相连接。具体而言，在-150°时通过气相流量计204获取气相流量，然后经过运算控制器203控制液氢的流量，优选地，为确保氢气能被充分冷凝，液氢与氢气的比例值采取9～12。示例性地，根据液氢每日蒸发的蒸发量480kg/日，平均20kg/h，M值取9，通过液氢阀门205控制进入液化罐201的液氢质量流量为180kg/h。当然，在其他实施例中，可以根据实际需要调整比例值，蒸发氢气采用自动化处理，减少了工作负荷。且氢气液化系统20的压力和液位控制采用常规的泵出口调节设置即可。
进一步地，如图1所示，加氢站的蒸发气回收系统还包括低压压缩机1，低压压缩机1设置于低温气相空间102和第一进口2011相连通的管道中，低压压缩机1能够将低温气相空间102输出的氢气增压至0.8～1.5MPa，并分别输送至第一进口2011和氢气缓存系统60。优选地，低压压缩机1采用多级负荷的往复式压缩机，工作负荷可以是0％-50％-100％，也可以是0％-25％-50％-75％-100％，根据低温气相空间102的压力自动调节低压压缩机1的工作负荷，低温气相空间102的压力和低压压缩机1的启动负荷自动关联，具体如下表所示：
为了满足加氢车所需加注的氢气压力，加氢站的蒸发气回收系统还包括高压压缩机4，高压压缩机4设置于低压压缩机1和氢气缓存系统60相连通的管道中，且在高压压缩机4的进口端和出口端处分别设置有阀门a和阀门b，高压压缩机4能够将低压压缩机1输出的氢气进一步增压至氢气加注系统50所需的加注压力，并将增压后的高压氢气分别输送至氢气缓存系统60和氢气加注系统50。在高压压缩机4和氢气缓存系统60相连通的管道中连通有阀门c，在氢气缓存系统60与氢气加注系统50相连通的管道中连通有阀门d。可选地，高压压缩机4可以采用隔膜式压缩机或者液压式压缩机。
进一步地，加氢站的蒸发气回收系统还包括低压液氢泵2，低压液氢泵2设置于液氢储存空间101和第二进口2012相连通的管道中，且在液氢储存空间101和第二进口2012相连通的管道中还连通有阀门e，低压液氢泵2能够将液氢储存空间101输出的液氢增压至0.8～1.5MPa，并分别输送至第二进口2012和液氢加注系统40。优选地，低压液氢泵2采用离心泵，离心泵的占地面积小，且安装费用较少。
进一步地，为了满足加氢车所述加注的液氢和氢气压力，加氢站的蒸发气回收系统还包括高压液氢泵3，高压液氢泵3设置于液氢储罐202和液氢气化系统30相连通的管道中，且高压液氢泵3的进口端与低压液氢泵2相连通，在高压液氢泵3的进口端与低压液氢泵2相连通的管道中连通有阀门f，高压液氢泵3能够将液氢储罐202输出的液化液氢和低压液氢泵2输出的液氢增压至35MPa～45MPa，并将增压后的液氢分别输送至液氢气化系统30和液氢加注系统40。优选地，高压液氢泵采用液氢柱塞泵，液氢柱塞泵的驱动功率高，增压效率高。
进一步地，液氢加注系统包括低压液氢加注系统401和高压液氢加注系统402，低压液氢加注系统401通过管道分别与低压液氢泵2和液氢储罐202相连通，且在液氢储罐202和低压液氢加注系统401相连通的管道中连通有阀门g，高压液氢加注系统402通过管道与高压液氢泵3的出口相连通，且在高压液氢加注系统402和高压液氢泵3相连通的管道中连通有阀门h。具体地，阀门g控制液氢储罐202和低压液氢加注系统401相连通的管道中低压液氢的通断，阀门h控制高压液氢加注系统402和高压液氢泵3相连通的管道中高压液氢的通断。
如图3所示，液氢气化系统30包括连通设置的空温气化器301和氢气复温器302，空温气化器301的进口端通过管道连通于高压液氢泵3，且在空温气化器301和高压液氢泵3连通的管道中连通有阀门i，空温气化器301用于将高压液氢泵3输出的液氢气化，气化后的氢气温度在-80℃-90℃，氢气复温器302的出口端通过管道分别连通于氢气缓存系统60和氢气加注系统50，且在氢气复温器302和氢气缓存系统60相连通的管道中连通有阀门j，氢气复温器302用于调节空温气化器301输出的氢气的温度。进一步地，为了确保加氢车充装后的储氢瓶的温度控制在合理的范围内，氢气复温器302控制氢气最终温度至-15℃。
由于空温气化器301的出口温度不稳定，液氢气化系统30还包括换热组件303，换热组件303连接于氢气复温器302，换热组件303能与氢气复温器302进行热量交换。具体地，换热组件303包括换热循环管道3031、冷能利用单元3032、冷剂阀门3033和温度传感器3034，冷能利用单元3032通过换热循环管道3031与氢气复温器302相连接，换热循环管道3031中流动有循环冷剂。优选地，循环冷剂采用加入了抗凝剂的乙二醇溶液，当然，在其他实施例中也可以采用其他冷剂，例如冷冻水和乙醇，在此不再一一赘述。冷剂阀门3033的开合度根据温度传感器3034检测到的氢气复温器302出口的氢气温度确定，控制循环冷剂的流量，从而控制循环冷剂与氢气复温器302中的氢气的换热量，通过循环冷剂与氢气换热，使得从氢气复温器302输出的氢气温度更加可控和稳定。且循环冷剂与氢气换热后进入冷能利用单元3032中，具体地，冷能利用单元3032可以是站内空调、冷藏设施和周边的冷库设施，冷能利用单元3032也可以用于对该加氢站的蒸发气回收系统中的低压压缩机1和高压压缩机4的出口进行冷却。经过冷能利用单元3032利用后的循环冷剂通过换热循环管道3031再次与氢气复温器302中的氢气换热。通过设置换热组件303，相较于现有技术采用的全空温式气化器，节省了占地面积，降低了换热负荷，既可以在流量波动的情况下控制换热，确保加注氢气的温度控制在合理的范围内，同时也对冷量进行了回收利用，实现了节能环保。
下面对本实施例提出的加氢站的蒸发气回收系统的工作过程进行说明：
在本实施例中，低温气相空间102的压力维持在0.01MPa～1MPa，蒸发氢气温度为-200℃，氢储罐10中的液氢的蒸发量为540kg/日。
当只有液氢车需要加注时，开启低压液氢泵2、阀门e、阀门f、低压压缩机1、高压液氢泵3、阀门g和阀门h，低温气相空间102中的氢气经过低压压缩机1增压至1MPa的低压氢气，液氢储存空间101中的液氢经过低压液氢泵2增压至1MPa的低压液氢，低压液氢和低压氢气在氢气液化系统20中进行液化反应生成低压液化液氢，经过低压液氢泵2增压至1MPa的低压液氢，以及从液氢储罐202中输出的低压液化液氢经过管道输入至低压液氢加注系统401中实现低压加注；经过高压液氢泵3增压至35MPa～45MPa的高压液氢输入至高压液氢加注系统402中实现高压加注。
当需要混合加注时，除开启上述部件外，还需要开启阀门i，经过高压液氢泵3增压后的高压液氢还通过管道输送至空温气化器301中进行气化反应生成高压氢气，且经过空温复温器302进行精确控温至合理范围内，从空温复温器302输出的在合理温度范围内的高压氢气通过管道输送至氢气加注系统50中，实现高压氢气加注；当停止氢气加注时，关闭阀门i，开启阀门j，液氢气化系统30中多余的气化氢气通过管道输送至氢气缓存系统60中回收储存，并在每次需要进行氢气加注时，优先开启阀门d，以将氢气缓存系统60中的气体压力释放至5MPa～10MPa，氢气缓存系统60中的氢气通过管道输送至氢气加注系统50中进行氢气加注，加注增压优先采用液相增压，相较于现有技术中采用的气相压缩机增压更加节能。
当只有少量氢气车需要加注时，开启低压压缩机1、阀门a、高压压缩机4、阀门b、阀门c和阀门d，低温气相空间102中的氢气经过低压压缩机1和高压压缩机4增压后输送至氢气缓存系统60和氢气加注系统50中，减少蒸发氢气的排空，提高资源利用率，实现加注车较少时的蒸发气处理方案和节能环保。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
