35 MPa/70 MPa加氫站運行優化技術分析

何廣利 許壯 董輝 董文平

摘? ? ? 要：分析基于氣態儲運氫的35 MPa/70 MPa加氫站儲氫優化、供氫模式優化、加注協議方面的研究成果以及存在的不足。結果表明：加氫站內最佳高壓儲氫的容量配比尚無一致的研究結果，有待全面考慮壓力級別數量、壓力值、容積值、切換模式、切換策略、需求負荷分布等進行深入研究;提高長管拖車運氫壓力和優化長管在站內的使用模式，有助于提高加氫站的峰值加注能力和綜合加注能力，降低氫氣成本;準確獲知或預測車載儲氫瓶的狀態，降低現有加注協議中的溫度余量，可以明顯降低氫氣加注能耗。

關? 鍵? 詞：加氫站;氫氣成本;運行優化;高壓儲氫配比;氫氣加注協議;長管拖車運氫

中圖分類號：TQ023? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2625-04

Analysis on 35 MPa/70 MPa Hydrogen Refueling

Station Process Optimization Technologies

HE Guang-li*， XU Zhuang， DONG Hui， DONG Wen-ping

（National Institute of Clean And-Low-Carbon Energy， Beijing 102209， China）

Abstract： The effect of parameters including equipment cost and operation performance on the hydrogen cost in hydrogen refueling station was analyzed. The results showed that the operation parameters had the similar impact on hydrogen cost in station as hydrogen station equipment cost， then the technology of high pressure hydrogen storage cascade configuration optimization， hydrogen supply mode optimization， and filling protocol optimization were reviewed， it was found that there was no united agreement on the best high pressure hydrogen storage cascade configuration yet， the effect of pressure levels， pressure limits， and switch strategies need to be considered for? cascade configuration; increasing tube trailer pressure and optimizing operation scenario can help to reduce hydrogen cost in station; precisely obtaining or predicting the state parameters of onboard storage tank then reducing the margin of filling protocol will be key technologies for saving energy consumption during refueling.

Key words： Hydrogen refueling station; Hydrogen cost; Operation optimization; High pressure hydrogen cascade configuration; Hydrogen filling protocol; Tube trailer

加氫站是保障燃料電池汽車運營的必要基礎設施，根據媒體報道，截至2019年我國燃料電池汽車累積量已經超過5 000 輛，國際上燃料電池汽車累積量已經超過20 000 輛，因此對于加氫站的需求也快速增長，截至2019年底，我國加氫站數量已經有60 座，國際上則達到約350 座，按照國際和國內機構預測，到2025年我國加氫站數量將達到1 000座，國際加氫站數量將超過3 000座[1-2]，則國內外加氫站設備的投資約分別將超過150 億元和450 億元，是具有典型意義的新基礎設施建設增長點。但在數量增長的同時，必須重視質量，加氫站的技術水平和性能決定了氫氣的加注成本和加注到車載儲氫系統中的狀態，對于安全、客戶體驗、通用性至關重要。目前國內外研究者在加氫站技術開發和分析方面做了很多有益的工作，張旭[3]以《加氫站技術規范50516—2010》為基礎，分析了加氫站設計和建設的相關標準，并提出了合理化的建議。陳祖志等則對氫能用氣瓶、壓力容器等特種設備在基礎理論方面以及材料、設計制造、使用管理、充裝卸載、定期檢驗等環節的技術、產品、服務、法規標準等方面需求進行了分析[4]。安全是加氫站的最基本要求，因此也有不少學者對加氫站安全分析方法、風險評價等進行了深入研究[5-7]，加氫站內的氫氣加注速度主要受溫度制約，因此國內外對氫氣加注過程的模型以及加注過程中溫升的影響因素進行了深入研究[8-13]，結果表明，氫氣溫度、加注速度、環境溫度、車載儲氫瓶容積、初始壓力等對氫氣加注的溫升都有重要影響。在加氫站內儲氫技術方面，鄭津洋等人開發了鋼帶纏繞式儲氫壓力容器[14-16]，已經應用多個加氫站。整體而言，目前針對加氫站的相關技術開發和分析大都是專注于安全、標準或者單個裝備技術或者過程。但加氫站是一個復雜的系統，除了必需的硬件如壓縮機、加氫機、高壓儲氫容器、冷凍機、冷水機、換熱器等，還需要整體的系統集成和優化，從而達到性能和成本的最佳結合點。本文以加氫站整體系統作為分析對象，首先量化分析了加氫站內氫氣綜合成本的組成以及設備成本、運營參數（人工、維護、加注量等）對加氫站氫氣處理成本影響的敏感性，進而對加氫站運氫參數優化技術進行了分析，重點關注加氫站整體設計和運行優化技術。

1 加氫站氫氣綜合成本量化分析

以國內目前燃料電池商用車固定式加氫站為例，設計加注能力800 kg·d-1，加注壓力35 MPa，不考慮土地和基建成本，設備折舊年限15年，壓縮機1臺500萬（進口），儲罐3支300萬，加氫機2臺300萬（含冷凍機、換熱器等），管路及其他輔助成本等500萬（設計、安評、環評、管路、閥門、站內施工、罩棚建設），運行電耗2 kWh·kg-1，電費1 元·kWh-1，無故障加氫次數500 次（參考美國DOE統計數[17]），單次維修耗時1 天，人工1 萬元;加氫站人員配置5人，人力成本16 萬·a-1·人-1。按照上述初始數據，分析了各個影響因素對加氫站內氫氣供應成本的貢獻率。結果顯示，如果加氫站連續無故障加氫次數提高一倍，則有助于降低氫氣處理成本1.5元·kg-1;而如果在硬件配置不變的情況下，日加氫能力提高15%，將降低氫氣處理成本1.0 元·kg-1;如果加氫站的人員數量由5 個降為2 個，則氫氣處理成本也將降低1.5 元·kg-1;如果加氫電耗降低50%，也將降低氫氣處理成本1.0 元·kg-1;而如果主要設備成本如壓縮機、加氫機、儲罐單獨成本降低50%，氫氣的處理成本僅僅分別降低0.5 元·kg-1、0.5 元·kg-1和? ? 0.8 元·kg-1。由上可以看出，不僅加氫站設備初始投資成本對氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運營因素對氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內的具體裝備技術，加氫站的運行優化技術也是加氫站設計和建設需要考慮的重點。

2? 加氫站儲氫優化

加氫站的運行優化，是為了在相同的硬件配置情況下，實現提高實際加注量，降低能耗，減少人工，增加無故障次數等，ROTHUIZEN[18-19]等考慮加氫站內的流體力學和熱動力學現象，利用商業軟件開展了加氫站動態過程模擬，并針對不同的設計方案進行了加氫站性能分析，其發現采用多級壓力存儲方案，可以降低氫氣冷卻能耗12%，降低壓縮機能耗17%，車輛加氫時排隊時間減少5%，同時高壓氫氣的總存儲容積降低了20%。同時他還研究了高壓儲氫壓力級數、高壓儲氫容積和壓力對壓縮能耗的影響，結果發現當高壓儲氫由1個容器增加到3個容器時，能耗可以降低30%，而如果從3個容器增加到4個容積，能耗將進一步降低4%，故加氫站內儲氫最優的是三級或者四級壓力。對于不同壓力級別的儲氫容積比例方面，其考察了三級儲氫情況下，1∶1∶1與4∶3∶2的能耗對比，根據其研究結果，在站內多級高壓儲氫容積比為4∶3∶2時，效果最佳，但是相比于1∶1∶1的情況，能耗僅僅降低了約2%，并不顯著，但是通過優化各級儲氫的壓力，對能耗的節省效果竟然可以達到約5%，此時對于70 MPa的加氫站，低壓儲氫的壓力為35 MPa。對于高壓儲氫容積配比問題，馮慧聰[20]等應用真實氣體狀態方程，擬合了常用溫度壓力范圍內的氫氣壓縮因子，建立了加氫站高壓氫氣多級加注的計算方法，通過計算發現三級變質量加注是最佳模式，可獲得較高的取氣率。三級加注加氫站儲氫瓶組的通用最佳容積比是4∶3∶2和2∶2∶1，但其在研究中并沒有考慮三級儲氫的壓力對取氣率和能耗的影響。除了儲氫容積配比和壓力范圍，多級儲氫之間的切換邏輯和順序也會對加氫站的加注能力和能耗產生影響，鄭津洋[21]等研究了在低、中、高三級壓力容積比例為3∶2∶1情況下，不同的切換模式對加注能力的影響，其采用多目標優化的方法，以氫氣取氣率和加注時間為優化目標，結果表明切換模式對取氣率和加注時間有重要影響，最好的切換模式相比最差的切換模式，加注能力相差60%，其三層儲氫壓力分別為42、45、70 MPa。KRISHNA [22]等也研究了加氫站內高壓儲氫的最佳配比，其研究了儲氫配比對氫氣取氣率和綜合成本的影響，結果表明在站內儲氫為四級，比例為? ? 1∶1∶1∶1時，其取氣率和綜合成本都明顯優于三級儲氫4∶3∶2的情況。綜上可以看出，加氫站中高壓儲氫的配比目前并沒有統一的結論和一致認可的最優化配置，其原因是除了目前在加氫站設計中已經考慮的三級存儲容積比例之外，各級儲氫的壓力、各級儲氫之間的切換模式都對加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個相關研究所假設的參數以及邊界條件不同，所得出的結論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲氫優化尚待開展。

3? 加氫站長管拖車供氫模式優化

目前全球加氫站中，以外運高壓氫氣為氣源的加氫站數量占比70%以上，不同管道供氫是恒定的壓力和流量，外運高壓氫在使用時，因為容積有限，所以隨著使用，壓力會降低，這就會影響壓縮機的處理量和能耗等，因此外運氣源的壓力、容積以及卸氣模式等也會對加氫站的加注能力產生重要影響。KRISHNA[22]首先研究了長管拖車供氫模式對能耗和加注能力的影響，其發現采用長管拖車在加注初始時直充和提高長管拖車的返回壓力都能提高加氫站的加注能力和降低能耗。LIN[23]又進一步通過全周期模型，研究了氫氣的運輸壓力對氫氣整體成本的影響，其結果表明，對于70 MPa加氫站，對于區域性的策略，70 MPa運氫壓力相對于30 MPa和50 MPa是更好的選擇，但對于集群策略，30 MPa和 50 MPa運氫壓力更具有優勢。70 MPa運氫壓力在市場初始階段、加氫站負荷率不高的情況是更好的選擇。整體來看，最優的運氫壓力數值對燃料可用性、燃料電池經濟性，駕駛習慣等非常敏感。

AMGAD [24]進一步深化了長管拖車供氫的模式研究，提出了氫氣固結（consolidation）概念，其整體思想是：在壓縮機不需要為加氫站內高壓儲氫罐進行補氣的時間段，壓縮機在管拖車上的壓力容器之間傳輸氫氣，確保長管拖車上的至少一個壓力容器保持在高壓下，這樣當加氫站內高壓氫氣儲罐需要補氣時，壓縮機優先使用長管拖車中高壓部分的氫氣，因為進口氫氣的壓力高，則壓縮機的處理量越大，因此能夠保障壓縮機在很快時間內將站內高壓儲氫罐補滿，能夠最大限度地提高壓縮機流量和加氫站的加注能力。模擬表明，與常規運行相比，加氫站的加注能力增加了三倍（即當沒有實施壓力固結時）。上述固結操作意味著長管拖車中容器在固結期間被加壓并且當用于補充高壓緩沖存儲器時減壓。這種常規的加壓和減壓，即壓力循環，可能會縮短壓力容器的使用壽命。此外，其要求所有壓力容器（或組）連接到壓縮機入口和出口。這將需要大量的閥門和管道以及更復雜的控制裝置，因此增加了長管拖車的成本?；诖?，KRISHNA [25]進一步提出雙層壓力固結方法，僅需要在第一層有限數量的容器中增加額外的閥門和管道，并且還降低第二層中管道的壓力循環頻率，從而提供了更實用、更低成本的方法。另外一方面，其還提出了多級壓縮機的創新使用方法，典型的多級壓縮機在一個時間段只能處理一個氫氣壓縮操作。但根據KRISHNA所提出的方法，多級壓縮機將被靈活地配置成能夠在需要時獨立地處理兩個單獨的氫氣流以最大化加氫站的加注能力，此時，壓縮機可以一邊將氫氣從第二層壓縮到第一層壓力容器，一邊又將氫氣從第一層壓力容器填充到高壓緩沖存儲器中。

綜上可以看出，無論是長管拖車運氫的壓力，還是長管拖車在站內供氫的模式，都對加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構成重要影響，因此，從運氫壓力來說，應該盡快促進更高壓力長管技術開發和應用，同時在長管拖車站內的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。

4? 氫氣加注協議

氫氣加注協議規定了氫氣在加注過程中和加注截止時所需要達到的性能和相關技術要求，其決定了氫氣加注的時間、溫升、壓力、加注率（SOC）等，進而對加氫站整體的加注能力、能耗有重要的影響。目前我國尚沒有氫氣加注協議相關的標準和規范，國際上較廣泛接受的氫氣加注協議有美國汽車工程學會的SAE J2601系列標準[26]，日本的JPEC系列標準[27]等，兩者具有高度相似性，適用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型車用氫氣瓶，儲氫容量為2～10 kg。分別按照加氫機與車用儲氫系統是否能實現通信功能分別制定了預冷溫度為-40～-33 oC、-33 ～-26 oC、? -26 ～-17.5 oC 3個等級的加注方案。加注過程中壓力升高速率的控制方法可采用查表法或者MC方法。此外，SAE除了對輕型汽車氣態氫的加注制定了標準，還對重型汽車與工業用車輛等制定了氣態氫加注協議，SAE J2601—2（TIR）規定了《重型汽車氣態氫加注協議》，SAE J2601—3（TIR）規定了《工業用車輛氣態氫加注協議》。根據大島等人的估算[28]，如果將氫氣加注時的預冷溫度提高10～15 ℃，則對于300 kg·d-1的乘用車使用的70 MPa加氫站，則年可以節約電費及輔助部件維修及損耗費用400 萬日元。因此，在保障氫氣加注的時間和便利性不會改變的情況下，如何降低氫氣的預冷需求，是技術開發的重點。在上述標準中，提到了通過紅外通訊技術，將車載儲氫系統的物性和狀態參數發送給加氫機控制系統，從而可以做到更精準的加注控制，因而可以在相同的預冷情況下氫氣加注的速度更快，即單位加注氫氣的能耗降低。如果沒有通訊技術，因為車輛使用歷史、停放環境等都會對車載儲氫瓶的狀態產生影響，因此必須要考慮最苛刻的情況，另外，目前車載儲氫瓶有三型瓶和四型瓶，三型瓶的傳熱效果要好于四型瓶，但是為了保障四型瓶的加注，所以在標準中按照四型瓶的數據制定的加注速度，這也增大了加氫站的能耗。因此，未來如何準確地獲知或者檢測車載儲氫瓶的狀態，精準控制加注過程的誤差，以降低現有加注協議中的余量，將是降低氫氣加注能耗的重要技術發展方向。

5? 結束語

本文對加氫站氫氣綜合處理成本的組成和各種影響因素的顯著性進行了分析，在其結論的基礎上，對涉及加氫站運行性能的各種優化技術和氫氣加注協議等方面的技術進行了評述，最后得到如下結論。

1）加氫站設備初始投資成本對氫氣處理成本有顯著影響，加氫站運營因素對氫氣處理成本也有顯著影響。因此除了加氫站內的具體裝備技術，加氫站的運行優化技術也是加氫站設計和建設需要考慮的重點。

2）在加氫站內高壓儲氫的容量配比上，目前并沒有統一的結論和一致認可的最優化配置。其原因是除了目前在加氫站設計中已經考慮的三級存儲容積比例之外，各級儲氫的壓力、各級儲氫之間的切換模式都對加氫站取氣率、能耗、加注能力有重要影響，各個相關研究所假設的參數以及邊界條件不同，所得出的結論也不同，因此考慮全部因素的加氫站儲氫優化尚待開展。

3）綜上可以看出，無論是長管拖車運氫的壓力，還是長管拖車在站內供氫的模式，都對加氫站的能耗、加氫能力以及全周期的氫能成本構成重要影響，因此從運氫壓力來說，應該盡快促進更高壓力長管技術開發和應用，同時在長管拖車站內的供氫模式上，可以采用更靈活的操作策略，但前提是必須保證安全性。

4）在氫氣加注協議技術方面，目前國際上的技術協議對氫氣的預冷有苛刻的要求，目前尚沒有氫氣預冷溫度低于-17.5 ℃的廣泛認可的加注協議，今后在保障氫氣加注的時間和便利性不會改變的情況下，如何降低氫氣的預冷需求，是技術開發的重點，方向一是采用通訊技術，二是沒有通訊技術情況，如何準確地獲知或者預測車載儲氫瓶的狀態，精準控制加注過程的誤差，以降低現有加注協議中的余量，這將是降低氫氣加注能耗的重要技術發展方向。

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