CN109827068B - 一种加氢速率控制方法及加氢机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加氢速率控制方法及加氢机。加氢速率控制方法包括以下步骤：加氢机的控制系统分析计算在设定时间内车辆的氢瓶的压强和温度的变化值的比值并与控制系统内设定的额定值进行比较，当时，减小氢气的加注速率，当时，提高氢气的加注速率，使得控制系统对车辆内氢瓶的压力与温度的变化值的比值进行分析，与控制系统内的额定值比较之后可以及时地控制加氢速率，氢瓶内压强与温度的变化值的比值始终处于设定范围之内，氢气的加注速率不会过大从而保证了氢瓶内温度始终处于规定的范围之内，仅需要比对氢瓶的压力与温度的变化值的比值即可实现对氢气加注速率的控制，原理简单，实施成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种加氢速率控制方法及加氢机。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置，只需要输入燃料与氧化剂就可以通过化学反应直接输出电能，氢气作为燃料具有高能效、来源广、可再生、无污染的特点，在燃料电池领域具有广阔的应用前景。
氢气作为燃料电池车辆的燃料目前主要通过氢瓶储存，需要在加氢站中通过专门的加氢机加注氢气，利用加氢机的储氢罐内的高压氢气与车辆的氢瓶内的低压氢气的压力差，将氢气加注至氢瓶内。高压氢气在加注至氢瓶内后体积膨胀，由于氢气的焦汤效应，氢气在体积膨胀的过程中会放热，导致氢瓶内的温度升高，氢气的加注速率越大，氢瓶的温度上升的越快，而由于氢瓶的材质等原因，氢瓶在使用的过程中内部温度不得超过85度，因此在向氢瓶内加注氢气的过程中需要控制氢气的加注速率。
授权公告号为CN101832467B，授权公告日为2011.09.14的中国发明专利公开了一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统，该基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统包括补气系统、加注系统和控制系统，补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，该三级储氢罐由管路分为三路经由三个电磁阀后并为一路，然后通过管路连接加注装置的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪，控制系统包括可编辑控制器，可编辑控制器信号连接各电磁阀、温度传感器、压力传感器、冷却装置、氢瓶与加氢站之间的通讯接口，通讯接口用于给可编辑控制器传送加注氢气之前车载储氢容器的压力和温度。该温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及系统在使用时，可编辑控制器根据通讯接口提供的氢瓶在加注前的温度和压力以及环境温度，给出不同压力级别的储氢罐的针阀开度值，以此调整不同压力级别的储氢罐的加注速率，以控制氢气加注至氢瓶中的温度变化。
上述的加氢系统依靠通讯接口测量氢瓶在加注氢气之前的温度和压力，通过可编辑控制器得到合适的针阀开度值，经由操作人员进行调节，以获得达到要求的加注速率。但是上述的氢气加注方法控制系统过于复杂，在实施的过程中成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原理简单并且实施成本较低的加氢速率控制方法；本发明还提供了一种使用该加氢速率控制方法的加氢机。
为了解决上述技术问题，本发明的加氢速率控制方法的技术方案为：
方案1：一种加氢速率控制方法，加氢机的控制系统分析计算在设定时间内车辆的氢瓶的压强和温度的变化值的比值并与控制系统内设定的额定值进行比较，当时，减小氢气的加注速率，当时，提高氢气的加注速率，使得式中，ΔP为加氢过程中氢瓶第i+Δi秒的压力与第i秒的压力的差值，ΔP＝Pi+Δi-Pi，ΔT为加氢过程中氢瓶第i+Δi秒的温度与第i秒的温度的差值，ΔT＝Ti+Δi-Ti；其中式中，Pmax为氢瓶最高允许充装压力，Pmin为氢瓶最低允许充装压力，Tmax为氢瓶最高允许工作温度，TH为当地最高环境温度，TL为当地最低环境温度。
该技术方案的有益效果在于：控制系统对车辆内氢瓶的压力与温度的变化值的比值进行分析，与控制系统内的额定值比较之后可以及时地控制加氢速率，比值小于n时，如果按此加氢速率继续充装，氢瓶的压力达到氢瓶最高允许充装压力后，氢瓶的温度会超过最高允许工作温度，所以需及时减小加氢速率；当比值大于m时，如果按此加氢速率继续充装，氢瓶的压力达到氢瓶最高充装压力时，氢瓶的温度还未达到最高允许工作温度，加氢速率还有提高空间，可以提高加氢速率，保证加氢速率在合理范围内，仅需要比对氢瓶的压力与温度的变化值的比值即可实现对加氢速率的控制，原理简单，实施成本低。
方案2：根据方案1所述的加氢速率控制方法，0.4≤n≤m≤1.4。在此范围内可以使氢瓶内的温度在加注氢气的过程中始终保持在70℃以下，并且也可以保证氢气的加注速率处于较大的值，缩短氢气的加注时间。
方案3：根据方案1所述的加氢速率控制方法，所述Δi的数值为5。根据每五秒内氢瓶的压力与温度的比值，可以在保证氢气的加注速率能够及时调整的情况下确保氢气加注过程的平稳连续。
方案4：根据方案1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，加氢机上设有用于与车辆的信号发射装置配合使用的信号接收装置，加氢机通过所述信号接收装置获得氢瓶的压强与温度值。信号接收装置可以与不同车辆的信号发射装置适配，适用范围广。
方案5：根据方案1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，加氢机通过控制流量调节阀的开度控制加氢速率。流量调节阀与控制系统信号连接，可以对加氢速率实现精确地控制。
方案6：根据方案5所述的加氢速率控制方法，所述流量调节阀与控制系统之间设置有执行控制系统命令以改变流量调节阀的开度的执行机构。专设的执行机构使流量调节阀的响应更为快捷准确。
方案7：根据方案5所述的加氢速率控制方法，所述流量调节阀与控制系统之间还设有检测流量调节阀开度的限位开关。限位开关可以检测流量调节阀的开度并且将检测结果反馈给控制系统从而形成闭环回路，使控制系统随时得到流量调节阀的开度数据。
方案8：根据方案1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，加氢机具有用于加注氢气的管路系统，所述管路系统上还设有测量氢气的温度的温度传感器，温度传感器与控制系统信号连接。温度传感器可以检测加注的氢气的温度并实时的传输给控制系统，从而使操作人员掌握加注的氢气的温度以调整氢气的加注速率。
方案9：根据方案8所述的加氢速率控制方法，所述管路系统位于温度传感器的上游处还并行设有氢气预冷装置，所述管路系统上还设有使氢气选择性的通过氢气预冷装置的阀门，当氢气的温度超过设定温度t1时，控制系统控制阀门使氢气通过氢气预冷装置并将氢气的温度降至设定温度t2以下，t1不小于t2。当氢气温度高于t1时，控制系统控制阀门使氢气流经氢气预冷装置并将氢气的温度降至t2以下，保证了氢气的温度低于规定值。
方案10：根据方案9所述的加氢速率控制方法，-30℃≤t1≤45℃，t2≤20℃。氢气的温度低于20℃时可以使加注氢气的过程中氢瓶内的温度处于规定的范围内。
方案11：根据方案8所述的加氢速率控制方法，所述管路系统位于温度传感器的下游处设有保温结构。保温结构使经过氢气预冷装置冷却后的氢气不与外界进行热交换，从而使氢气保持较低的温度。
本发明的加氢机的技术方案为：
方案1：一种加氢机，包括储氢罐和加氢枪，所述储氢罐和加氢枪之间连通有管路系统，还包括根据设定时间内车辆氢瓶的压强与温度的变化值的比值以控制加氢速率的控制系统，所述控制系统与所述管路系统信号连接，所述加氢机还包括在使用时与车辆的信号发射装置适配以获取车辆上氢瓶的实时压力以及温度的信号接收装置，所述信号接收装置与控制系统信号连接。
该技术方案的有益效果在于：控制系统对车辆内氢瓶的压力与温度的变化值的比值进行分析，与控制系统内的额定值比较之后可以及时地控制加氢速率，氢瓶内压强与温度的变化值的比值始终处于设定范围之内，氢气的加注速率不会过大从而保证了氢瓶内温度始终处于规定的范围之内，仅需要比对氢瓶的压力与温度的变化值的比值即可实现对氢气加注速率的控制，原理简单，实施成本低。
方案2：根据方案1所述的加氢机，所述信号接收装置为红外线接收装置。红外线接收装置使用方便，成本较低且传输速率快。
方案3：根据方案1所述的加氢机，所述管路系统上设置有流量调节阀，控制系统通过控制流量调节阀的开度调节加氢速率。流量调节阀与控制系统信号连接，可以对加氢速率实现精确地控制。
方案4：根据方案3所述的加氢机，所述流量调节阀与控制系统之间设置有执行控制系统命令以改变流量调节阀的开度的执行机构。专设的执行机构使流量调节阀的响应更为快捷准确。
方案5：根据方案3所述的加氢机，所述流量调节阀与控制系统之间还设有检测流量调节阀开度的限位开关。限位开关可以检测流量调节阀的开度并且将检测结果反馈给控制系统从而形成闭环回路，使控制系统随时得到流量调节阀的开度数据。
方案6：根据方案1-5中任一项所述的加氢机，所述管路系统上还设有测量氢气的温度的温度传感器，温度传感器与控制系统信号连接。温度传感器可以检测加注的氢气的温度并实时的传输给控制系统，从而使操作人员掌握加注的氢气的温度以调整氢气的加注速率。
方案7：根据方案6所述的加氢机，所述管路系统位于温度传感器的上游处还并行设有氢气预冷装置，所述管路系统上还设有使氢气选择性的通过氢气预冷装置的阀门。当氢气温度过高时，控制系统控制阀门使氢气流经氢气预冷装置并将氢气的温度降低，保证了氢气的温度低于规定值。
方案8：根据方案6所述的加氢机，所述管路系统位于温度传感器的下游处设有保温结构。保温结构使经过氢气预冷装置冷却后的氢气不与外界进行热交换，从而使氢气保持较低的温度。
附图说明
图1为本发明的加氢机的实施例1的结构示意图；
图中各标记：1.过滤器；2.储氢罐针阀；3.储氢罐压力传感器；4.气动阀；5.单向阀；6.氢气预冷装置；7.关断阀；8.温度传感器；9.质量流量计；10.流量调节阀；11.执行机构；12.限位开关；13.球阀；14.出口压力传感器；15.拉脱阀；16.加氢软管；17.加氢枪；18.红外线接收装置；19.控制系统；20.保温结构；21.高压储氢罐；22.中压储氢罐；23.低压储氢罐。
具体实施方式
本发明的加氢机的实施例1如图1所示，包括储氢罐和加氢枪17，还包括根据设定时间内车辆氢瓶的压强与温度的变化值的比值以控制加氢速率的控制系统19，储氢罐包括三个压力各不相同的高压储氢罐21、中压储氢罐22和低压储氢罐23，储氢罐与加氢枪17之间通过管路系统连通，管路系统包括由高压储氢罐21、中压储氢罐22和低压储氢罐23分别引出至汇合点的分路管路以及自汇合点连通至加氢枪17的主路管路，由高压储氢罐21、中压储氢罐22和低压储氢罐23引出的分路管路上沿氢气的流通方向分别依次设有过滤器1、储氢罐针阀2、储氢罐压力传感器3、气动阀4和单向阀5，过滤器1可以过滤氢气中附带的杂质以保证氢气的纯度，储氢罐针阀2可以人工调节各个储氢罐输出氢气的速率，储氢罐压力传感器3可以检测各个储氢罐内的氢气的压力，气动阀4可以由控制系统19进行控制以确定不同的储氢罐的输出氢气速率，实现储氢罐输出氢气的自动化控制，同时气动阀4可以避免氢气与电的接触，确保安全，单向阀5可以避免氢气回流，储氢罐压力传感器3、气动阀4分别通过线路与控制系统19连接。
加氢机在汇合点的下游设有氢气预冷装置接口，该接口上并行设有氢气预冷装置6，与氢气预冷装置6并行设置的主路管路上设有关断阀7，在氢气预冷装置6下游的主路管路上设有温度传感器8，温度传感器8和控制系统19通过线路信号连接，温度传感器8检测氢气的温度并将信号传递给控制系统19，当氢气温度过高时，控制系统做出指示，操作人员可以关闭关断阀7使氢气通过氢气预冷装置6对氢气降温。
温度传感器8至加氢枪17之间的管路系统上依次设置有质量流量计9、流量调节阀10、球阀13、出口压力传感器14、拉脱阀15、加氢软管16，质量流量计9、流量调节阀10、出口压力传感器14分别通过线路与控制系统19信号连接，质量流量计9与控制系统19连接的线路上设有流量变送器，流量变送器将质量流量计9的信号进行转换并传输给控制系统19。流量调节阀10与控制系统19连接的线路上并联设有执行机构11和限位开关12，执行机构11接收控制系统19的信号以改变流量调节阀10的开度，限位开关12可以检测流量调节阀10的开度并将信号传输给控制系统19从而形成闭环回路，使控制系统可以实时掌握流量调节阀的开度。
球阀13可以使操作人员在进行加注氢气的过程中手动控制管路的通断，出口压力传感器14可以检测管路系统的出口处的氢气压力，从而与储氢罐压力传感器3检测的储氢罐内氢气的压力值进行比较，当两个位置的压力差较小时，控制系统19可以通过控制不同的分路管路上气动阀4的开闭以选取不同的储氢罐进行加注氢气作业。拉脱阀15可以有效的防止在加注氢气的过程中车辆突然启动而拉断加氢软管16带来的氢气泄漏以及危险，加氢枪17连接车辆上的加氢接口，为车辆加注氢气。温度传感器8至加氢枪17的管路系统上设有保温结构20，保温结构20使经过氢气预冷装置6冷却后的氢气不与外界进行热交换，从而使氢气保持较低的温度。
加氢枪17上设有红外线接收装置18，红外线接收装置18与控制系统19通过线路信号连接。在对车辆进行加注氢气的过程中，红外线接收装置18可以与车辆的红外线发射装置配合，红外线发射装置将测得的氢瓶内的温度以及压力的数值输送给红外线接收装置，进而传送给控制系统19，控制系统19根据该信号计算分析后通过执行机构11改变流量调节阀10的开度，进而调节氢气的加注速率，使氢瓶内的压力与温度在设定时间内的变化值的比值处于设定的范围之内，提高氢气的加注速率的情况下保证氢瓶的温度在规定的范围之内。
上述的加氢机的使用方法，即本发明的加氢速率控制方法，包括以下步骤：(1)红外线接收装置接收车辆上的红外线发射装置传递的信号获得车辆的氢瓶在加注氢气时压强和温度的数值并通过线路传输到控制系统；(2)控制系统根据内置的程序以及红外线接收装置传递的加注氢气的过程中氢瓶第i秒的压力值Pi、温度值Ti，以及第氢瓶第i+5秒的压力值Pi+5、温度值Ti+5，分析计算出5秒内氢瓶的压力的变化值ΔP＝Pi+5-Pi和温度的变化值ΔT＝Ti+5-Ti，当时，控制系统增大流量调节阀的开度，提高氢气的加注速率，当时，控制系统减小流量调节阀的开度，减小氢气的加注速率，其中式中，Pmax为氢瓶最高允许充装压力，Pmin为氢瓶最低允许充装压力，Tmax为氢瓶最高允许工作温度，TH为当地最高环境温度，TL为当地最低环境温度，0.4≤n≤m≤1.4；(3)控制系统向执行机构传递改变流量调节阀的开度的信号，执行机构根据该信号改变流量调节阀的开度从而调节氢气的加注速率，使得限位开关检测流量调节阀的开度并将其开度数据反馈给控制系统，使控制系统随时得到流量调节阀的开度数据，同时根据规范要求，调整后的氢气的加注速率需要小于3.6kg/min；(4)当温度传感器检测到氢气的温度超过设定值t1时，关闭关断阀，氢气流经氢气预冷装置使氢气的温度降至设定值t2以下，t1不小于t2，且-30℃≤t1≤45℃，t2≤20℃。采用该加氢速率控制方法，在整个加注氢气的过程中氢瓶内的温度始终保持在70℃以下，加氢速率可以提高至3.0kg/min以上，缩短了加氢时间且保证了加氢安全。
当车辆内氢瓶的压力与温度的变化值的比值小于n时，如果按此加氢速率继续充装，氢瓶的压力达到氢瓶最高允许充装压力后，氢瓶的温度会超过最高允许工作温度，所以需及时减小加氢速率；当比值大于m时，如果按此加氢速率继续充装，氢瓶的压力达到氢瓶最高充装压力时，氢瓶的温度还未达到最高允许工作温度，加氢速率还有提高空间，可以提高加氢速率，保证加氢速率在合理范围内，仅需要比对氢瓶的压力与温度的变化值的比值即可实现对加氢速率的控制，原理简单，实施成本低。
在本发明的加氢速率控制方法的其他实施例中，可以省略设定值m，仅设定压力与温度的变化值的比值的最小值，即可得到允许的氢气的加注速率的最大值，从而保证氢瓶内的温度始终小于规定值；压力与温度的变化值的时间差也可以为3秒、4秒、6秒、7秒等其他的数值，可以根据外界环境以及氢瓶的性质的不同而进行选择；也可以省略执行机构，流量调节阀选择比例电磁阀；也可以省略限位开关，通过质量流量计判断流量调节阀的响应情况；信号接收装置也可以是蓝牙装置。
在本发明的加氢机的其他实施例中，可以省略保温结构，通过选用保温效果好的材料作为输送管路；也可以省略氢气预冷装置，通过减小力量调节阀的开度以减小氢气的加注速率，保证氢瓶内的温度不超过规定值；也可以省略限位开关，通过质量流量计判断流量调节阀的响应情况；也可以省略执行机构，流量调节阀选择比例电磁阀；信号接收装置也可以是蓝牙装置。
Claims (19)
1.一种加氢速率控制方法，其特征在于：加氢机的控制系统分析计算在设定时间内车辆的氢瓶的压强的变化值和温度的变化值的比值并与控制系统内设定的额定值进行比较，当时，减小氢气的加注速率，当时，提高氢气的加注速率，使得式中，ΔP为加氢过程中氢瓶第i+Δi秒的压力与第i秒的压力的差值，ΔP＝Pi+Δi-Pi，ΔT为加氢过程中氢瓶第i+Δi秒的温度与第i秒的温度的差值，ΔT＝Ti+Δi-Ti；其中式中，Pmax为氢瓶最高允许充装压力，Pmin为氢瓶最低允许充装压力，Tmax为氢瓶最高允许工作温度，TH为当地最高环境温度，TL为当地最低环境温度。
2.根据权利要求1所述的加氢速率控制方法，其特征在于：0.4≤n≤m≤1.4。
3.根据权利要求1所述的加氢速率控制方法，其特征在于：所述Δi的数值为5。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，其特征在于：加氢机上设有用于与车辆的信号发射装置配合使用的信号接收装置，加氢机通过所述信号接收装置获得氢瓶的压强与温度值。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，其特征在于：加氢机通过控制流量调节阀的开度控制加氢速率。
6.根据权利要求5所述的加氢速率控制方法，其特征在于：所述流量调节阀与控制系统之间设置有执行控制系统命令以改变流量调节阀的开度的执行机构。
7.根据权利要求5所述的加氢速率控制方法，其特征在于：所述流量调节阀与控制系统之间还设有检测流量调节阀开度的限位开关。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的加氢速率控制方法，其特征在于：加氢机具有用于加注氢气的管路系统，所述管路系统上还设有测量氢气的温度的温度传感器，温度传感器与控制系统信号连接。
9.根据权利要求8所述的加氢速率控制方法，其特征在于：所述管路系统位于温度传感器的上游处还并行设有氢气预冷装置，所述管路系统上还设有使氢气选择性的通过氢气预冷装置的阀门，当氢气的温度超过设定温度t1时，控制系统控制阀门使氢气通过氢气预冷装置并将氢气的温度降至设定温度t2以下，t1不小于t2。
10.根据权利要求9所述的加氢速率控制方法，其特征在于：﹣30℃≤t1≤45℃，t2≤20℃。
11.根据权利要求8所述的加氢速率控制方法，其特征在于：所述管路系统位于温度传感器的下游处设有保温结构。
12.一种使用权利要求1所述的加氢速率控制方法的加氢机，包括储氢罐和加氢枪，所述储氢罐和加氢枪之间连通有管路系统，其特征在于：还包括根据设定时间内车辆氢瓶的压强的变化值与温度的变化值的比值以控制加氢速率的控制系统，所述控制系统与所述管路系统信号连接，所述加氢机还包括在使用时与车辆的信号发射装置适配以获取车辆上氢瓶的实时压力以及温度的信号接收装置，所述信号接收装置与控制系统信号连接。
13.根据权利要求12所述的加氢机，其特征在于：所述信号接收装置为红外线接收装置。
14.根据权利要求12所述的加氢机，其特征在于：所述管路系统上设置有流量调节阀，控制系统通过控制流量调节阀的开度调节加氢速率。
15.根据权利要求14所述的加氢机，其特征在于：所述流量调节阀与控制系统之间设置有执行控制系统命令以改变流量调节阀的开度的执行机构。
16.根据权利要求14所述的加氢机，其特征在于：所述流量调节阀与控制系统之间还设有检测流量调节阀开度的限位开关。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的加氢机，其特征在于：所述管路系统上还设有测量氢气的温度的温度传感器，温度传感器与控制系统信号连接。
18.根据权利要求17所述的加氢机，其特征在于：所述管路系统位于温度传感器的上游处还并行设有氢气预冷装置，所述管路系统上还设有使氢气选择性的通过氢气预冷装置的阀门。
19.根据权利要求17所述的加氢机，其特征在于：所述管路系统位于温度传感器的下游处设有保温结构。
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