一种液氢加氢站的快速预冷系统及其方法与流程

本发明属于液氢，具体涉及一种液氢加氢站的快速预冷系统及其方法。

背景技术：

1、加氢站作为氢能源在交通领域应用的关键基础设施，是连接上游氢气和下游燃料汽车用户的纽带。据统计，截至2022年6月底，中国已建成加氢站超270座。这些加氢站根据站内氢气的储存相态不同，可以分为气氢加氢站和液氢加氢站两大类。在常规的气氢加氢站中，氢气首先通过调压干燥系统进行处理，以确保其转化为压力稳定的干燥气体。处理后的氢气随后被输送至氢气压缩机，进而进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机进行加注。这一流程工艺已相对成熟。

2、近年来，随着液氢重卡等新型载具的出现，直接加注液氢的加氢站得到了越来越多的关注。与传统的高压气态氢储存相比，液态氢储罐在同等氢储存量下具有更小的体积，这意味着液氢加氢站的占地以及建设投资都相对较小。此外，液氢加氢站具有储运效率高、运输成本低、单位投资少、站内能耗少以及兼容性强等优势，使其成为大规模加氢站的理想选择。然而，液氢加注过程相对于常规的气态氢加注要复杂得多。除了必要的吹除置换步骤外，还需要对整个系统进行深度预冷，以保证液氢在加注过程中的稳定性。这些额外的步骤延长了加注时间，从而影响了液氢加注的整体效率。因此，需要开发一种针对液氢加氢站的快速预冷系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种液氢加氢站的快速预冷系统及其方法。该系统利用中间冷却介质二氧化碳实现置换和预冷的耦合同一，大幅缩减系统整体的预冷时间，同时利用高压氦气进行深度置换，并设计露点冷却器综合提升置换和预冷效果。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种液氢加氢站的快速预冷系统，包括液氢加注管路、液氢供给罐、管阀子系统、液氢加注罐、循环管路、冷凝器、气液分离器、液态二氧化碳罐、储气瓶、氦气管路、高压氦气瓶、燃料电池、低温氢气管路和液氢储罐组；

4、所述液氢加注管路依次连接液氢供给罐、第一液氢截止阀、管阀子系统、第二液氢截止阀和液氢加注罐，将液氢介质自液氢供给罐转移至液氢加注罐；所述液氢加注罐顶部设有排空阀；

5、所述循环管路依次连接液氢加注罐、第四截止阀、冷凝器的第一通道、气液分离器、液态二氧化碳罐、循环泵、第二截止阀、第三截止阀至液氢加注管路，实现二氧化碳介质的循环液化；

6、所述气液分离器的出口设置二次循环管路；所述二次循环管路的后端分为两条支路，一条支路通过第五截止阀连接至循环管路，实现未液化二氧化碳气体的二次循环；另一条支路通过第六截止阀与储气瓶连接，实现氦气的回收存储；

7、所述高压氦气瓶浸泡在液态二氧化碳罐中，降低其温度；所述氦气管路的前端通过第七截止阀与高压氦气瓶连接；所述氦气管路的后端分为两条支路，一条支路依次经过露点冷却器的干通道后进入循环管路，对管路中的氦气进一步冷却后用于深度置换，另一条支路依次经过露点冷却器的湿通道、第八截止阀后进入循环管路，将氦气和二氧化碳进行分离；

8、所述循环管路和氦气管路通过设有第一截止阀的支路相连，使得液态二氧化碳通过循环管路进入氦气管路；所述燃料电池通过设有第九截止阀的支路与循环管路连接，接收深度冷却的氢气进行发电；

9、所述低温氢气管路依次连接液氢储罐组、第十截止阀、冷凝器的第二通道后至燃料电池中，使得燃料电池接收经过液氢储罐组产生的低温氢气液化的二氧化碳进行发电。

10、作为优选，所述管阀子系统包括液氢阀门和液氢计量元件。

11、进一步的，所述液氢阀门采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀。

12、进一步的，所述液氢计量元件采用质量流量计、液位计、流速计、温度传感器或压力传感器。

13、作为优选，所述管阀子系统还包括设置在液氢阀门和液氢计量元件之间的液氢功能部件；所述液氢功能部件采用压力调控类部件、温度调控类部件或泵类部件。

14、作为优选，所述液氢加注管路、循环管路、液氢加注罐、液态二氧化碳罐外部均设置绝热材料，防止漏热。

15、作为优选，所述液氢供给罐通过自增压的方式进行液氢输送。

16、作为优选，所述冷凝器采用低温板翅式换热器或微通道换热器。

17、作为优选，所述气液分离器采用离心式气液分离结构，提升分离效率。

18、第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述液氢加氢站的快速预冷系统的方法，初始阶段所有阀门处于关闭状态，所有装置处于停止运行状态；

19、s1：启动阶段：

20、打开第十截止阀，来自液氢储罐组的低温氢气进入低温氢气管路，通过第十截止阀进入冷凝器的第二通道释放冷量，随后进入燃料电池产生电能；

21、s2：初级置换和预冷阶段：

22、打开管阀子系统中的液氢阀门、第二液氢截止阀、第四截止阀、第二截止阀、第三截止阀和第五截止阀；启动气液分离器、循环泵，在循环泵的驱动下，液态二氧化碳罐中的液态二氧化碳依次通过第二截止阀、第三截止阀进入液氢加注管路，对管阀子系统和液氢加注罐进行置换和冷却，使得液态二氧化碳转化为气态二氧化碳；

23、气态二氧化碳通过第四截止阀进入冷凝器的第一通道吸收冷量液化，随后进入气液分离器；在气液分离器的作用下，未液化的二氧化碳气体通过第五截止阀再次返回循环管路吸收冷量，而液态二氧化碳则进入液态二氧化碳罐，此过程往复循环，直至管阀子系统和液氢加注罐的温度均为液态二氧化碳温度，此时初步置换和预冷阶段完成，关闭第二截止阀和第五截止阀；

24、s3：深度置换和预冷阶段：

25、打开第一截止阀、第六截止阀、第七截止阀和第八截止阀；启动循环泵，液态二氧化碳罐中的液态二氧化碳通过第一截止阀进入露点冷却器的湿通道；来自高压氦气瓶的低温氦气经过第七截止阀后，一部分进入露点冷却器的湿通道，露点冷却器内的液态二氧化碳向低温氦气中扩散蒸发产生冷量，产生的混合气通过第八截止阀进入循环管路；另一部分低温氦气进入露点冷却器的干通道，吸收湿通道中的冷量后进一步降温，通过第三截止阀对管阀子系统和液氢加注罐进行深度置换和冷却，随后通过第四截止阀与来自湿通道的混合气合并，进入冷凝器的第一通道吸收冷量，混合气中的二氧化碳再次液化，在气液分离器的作用下，混合气中的液态二氧化碳进入液态二氧化碳罐，而氦气则通过第六截止阀进入储气瓶存储；

26、持续上述过程，直至置换后气体纯度满足要求，随后停止气液分离器、循环泵，关闭第一截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第六截止阀、第七截止阀和第八截止阀，置换完成；

27、s4：液氢预冷阶段：

28、打开第一液氢截止阀和第九截止阀；液氢供给罐通过自增压进入低压状态，在压差作用下，液氢通过第一液氢截止阀进入管阀子系统和液氢加注罐，继续进行预冷，产生的氢气则通过第九截止阀进入燃料电池供电；持续上述过程直至管阀子系统和液氢加注罐的温度均为液氢温度，液氢预冷完成；

29、s5：加注阶段：

30、所述液氢供给罐通过自增压进入高压状态，开始进行加注过程；大量液氢通过第一液氢截止阀进入管阀子系统和液氢加注罐，加注过程产生的氢气继续通过第九截止阀进入燃料电池供电，当液氢加注罐内部的液氢达到设定液位后，此时加注完成；打开排空阀，关闭第一液氢截止阀、管阀子系统中的液氢阀门、第二液氢截止阀、第九截止阀和第十截止阀，燃料电池停止运行。

31、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

32、(1)本发明提供的快速预冷系统，利用液态二氧化碳和低温氦气实现系统置换操作和预冷操作的深度耦合；置换完成后，系统温度已经降低至液态二氧化碳的温度以下，显著减少了预冷时间；

33、(2)本发明提供的快速预冷系统，将高压氦气瓶浸泡在液态二氧化碳罐中进行冷却，有效降低了氦气温度；同时配制了露点冷却器对氦气进行二次降温，提升氦气置换时的预冷效果；设置氦回收系统，避免氦资源的浪费；

34、(3)本发明提供的快速预冷系统中还利用液氢储罐组贮存的低温氢气来液化二氧化碳，实现二氧化碳介质的循环，同时将释放冷量后的氢气和预冷产生的氢气输送至燃料电池发电，提升氢气的利用效率。