0 引言
1 一般系统流程和配置
在市场初期,外供氢型加氢站使用较多,加注系统一般由以下部分组成：氢气供应源（长管拖车）,压缩机,站侧储罐（包括高压储罐、中压储罐等）,减压阀,预冷系统及加氢机。当然,除了加注系统,加氢站还包含控制系统和安全等系统,在此不做讨论。
根据加氢站的加注方式不同,产生了不同的系统流程和配置方式,见图2。
Fig. 2 Different types of refueling methods图2 不同类型加注方法 |
此外,在压缩机排气温度较高时,可能还会在压缩机进出口配置冷却系统。
2 加氢站系统流程和配置优化方法
2.1 长管拖车
加氢站长管拖车一般采用租用的形式,但是其参数配置和操作策略会影响运营成本。
长管拖车配置必须符合相关标准中关于尺寸及载荷要求,因此其有效载荷受到长管材料和压力制约。国内一般采用20 MPa钢制长管,而国外已经开发出更高的运输压力（50 MPa）[13]的长管。由于长管本身具有压力,REDDI等[18]提出采用长管拖车作为一级加注气源,以减少压缩能耗和高压储罐容积要求,降低成本。为进一步降成本,REDDI等[11]提出长管拖车压力整合技术,即在非高峰期间,用压缩机将氢气从低压长管转移到其他长管,加注时压缩机从较高压力长管进行吸气。吸气压力越高则氢气密度越大,相同质量流量所需压缩机尺寸越小,成本越低。结果显示对于450 kg/d的加氢站,压力整合可节约40%的加氢站成本。为延长长管使用寿命和节约阀门成本,REDDI等[19]进一步提出了两级压力整合技术——将长管拖车内的长管分为两级,只有第2级对第1级进行氢气补充。赵磊[20]进一步研究了不同的长管拖车操作策略、长管级数的影响,最后得出最佳的拖车分级数量为4,最优的拖车操作策略为采用当前压力最高的长管作为高压储罐的补气气源、采用当前压力最低的长管作为长管拖车的自增压气源、并采用当前压力最高的长管对车辆进行加注。
2.2 站侧储罐
站侧储罐配置方式,如级数、容积和压力,一起决定了站侧储罐氢气储量,不仅影响着压缩机尺寸,还影响着加氢过程取气质量分配和补氢过程的能耗。表1总结了学者们在站侧储罐配置方面的研究。
Table 1 Station side tank optimization methods表 1 站侧储罐优化方法 |
| 文献 | 目标 | 加氢站参数 | 对比范围 | 优化值（低—高） |
|---|---|---|---|---|
| [26] | / | 长管：18.3 MPa, 344 kg × 9 储罐：21.3 kg × 3 气瓶：35 MPa 加注：终止34.5 MPa | 压力：最大43 MPa 各级最低压力：13.8 MPa, 30.3 MPa,41.3 MPa | 成本计算,未做储罐优化 |
| [29] | 取气率 | 储罐：40 ~ 45 MPa,90 MPa,767 L × 9 气瓶：154 L 加注：初始2 MPa ;终止35/70 MPa | V2∶V1 = 0.5 ~ 1.5 V3∶V2 = 0.25 ~ 3.5 | 各储氢压力有多个最佳容积比,通用最佳容积比：4∶3∶2和2∶2∶1 |
| [30] | / | 气瓶：150 L,3.29 kg 加注：初始2 MPa;终止35 MPa | 储罐容积比：3∶2∶1 储罐压力：42 MPa、45 MPa、70 MPa和42 MPa、70 MPa、70 MPa | 多目标控制优化,不做储罐优化 |
| [18] | 最小成本/利用率 | 长管：35 MPa,8 000 L×4 储罐：95 MPa,255 L 气瓶：5 kg,129 L,IV型 加注：初始2 MPa;终止70 MPa | 16组比值：10组三级,各级储罐数变化;6组为4 ~ 9级配置,各级储罐容积相同 | 最佳容积：4级 1∶1∶1∶1 |
| [20] | 压缩机与高压储罐总成本最小 | 长管：25/35 MPa 储罐：95 MPa 气瓶：6 kg,150 L,IV型 加注：28.2 MPa/min | 18组操作策略 82组容积组合 | 最佳级数：6 3级时最佳容积： 1∶1∶1、3∶3∶2 |
| [23] | / | 长管：20 MPa 储罐：单级3 m3,三级1 m3×3 气瓶：7 kg,172 L,IV型 加注：28.2 MPa/min,-40℃; 初始2MPa;终止70 MPa | 单级：90 Mpa 三级：91 MPa,65 MPa,45 MPa | 仅能耗对比,无优化 |
| [25] | 单周期能耗最低 | 储罐：1 ~ 8级 | S1（参考）：储罐1 m3 × 级数,压力根据级数变化40 ~ 95 MPa之间等比分布 S2：压力同S1,最高级减小到0.25 m3 S3：尺寸同S1,压力减小 | 最佳级数：3或4 3级压力：35 MPa, 65 MPa,87.5 MPa 4级压力：35 MPa,55 MPa,71 MPa,84 MPa |
| [24] | 最小熵产 | 氢源：20 MPa 储罐：50 ~ 100 L 气瓶：150 L 加注：初始0.1 MPa;终止35 MPa | 低压/高压 = 0.24 ~ 0.36 中压/高压 = 0.3 ~ 0.9 | 最佳压力比： 0.24∶0.55∶1 对应压力：8.88 MPa,20.35 MPa,37 MPa |
| [27] | 最小冷却能耗 | 储罐：87.5 MPa,1 260 L 气瓶：130 L 加注：初始0.19 MPa;终止70 MPa | 储罐：500 ~ 16 000 L 环温：0 ~ 40℃ | 最佳容积比： 0.12∶0.12∶1 对应容积： 126 L,126 L,1 010 L |
| [28] | 生命周期总成本最低 | 气瓶：122.4 L,5 kg 加注：21.8 MPa/min,-40℃; 初始5 MPa;终止70 MPa | 储罐：250 ~ 1 100 L 双级：低40 MPa,高90 MPa 多级：1 ~ 6级,40 ~ 90 MPa间线性分布 | 双级最佳储罐容积： 高/低 = 4 最佳级数：4或5 最佳容积：1 600 L; 最高级/其他级 = 4 |
（1）级数配置。级联储罐级数越多,则储罐切换的次数越多,加注时与车载气瓶的压差越小,熵产越小,但是系统越复杂。
相比单级系统,级联系统可以降低压缩机功耗和预冷机组能耗[25],但是级数增加会增大系统复杂程度和配套设备（如管道及阀门）成本,储罐级数设置需综合考虑这两方面因素。
（2）容积配置。级联储罐系统容积影响加氢时候节流温升和制冷能耗,同时影响各级取氢质量,从而进一步决定补氢时压缩机能耗。
ELGOWAINY等[26]采用相同配置的级联储罐组（见表1）的情况下,通过扩展组数来满足不同规模加氢站需求,然后对长管拖车、压缩机和级联储罐的总成本进行优化。结果表明,无论加氢站大小,级联储罐最佳总容量比相同,约为平均日需求的15%,而压缩机的最佳小时容量约为加氢站平均小时需求的两倍。TALPACCI等[27]研究了三级级联系统容积对预冷能耗的影响：在500 ~ 2 000 L范围内,随着总容积的增大,预冷能耗逐渐增大,随后容积继续增大时预冷能耗趋于饱和,典型总容积为1 260 L,最优容积比为3∶3∶25。ROTHUIZEN等[25]发现,当储罐数小于5时,减小高压级储罐容积节能率约为1% ~ 2.7%。当储罐数大于5时,能耗反而增加,三级级联系统节能效果最好。BLAZQUEZ-DIAZ[28]考虑初始成本和运行成本,研究了储罐容积对生命周期内的成本的影响,在两级储罐系统分析中,最优容积比为1∶4。当选择多级储罐时,最佳的储罐级数为4个或最多5个,最优总容积为1 600 L,最高压力储罐容积是其余储罐容积的4倍。赵磊[20]认为对于三级储气而言,储罐最佳容积比可以是1∶1∶1或3∶3∶2。
可见,尽管不同研究者得出的最优容积比不尽相同,但普遍认为存在最优的容积比。
（3）压力配置。压力配置包括储罐名义压力、最高运行压力、最低运行压力、切换压差等参数。名义压力取决于储罐技术,影响着储罐成本。最高运行压力可以与名义压力相同或不同。最高运行压力、最低运行压力以及切换压差,均会影响运行能耗。
ROTHUIZEN等[25,31]在储罐尺寸不变时,减少各级的较高压级压力,并对比减压前后能耗的变化。降低较高压级压力后,补气时压缩机压比降低,功耗降低,出口温度降低,制冷能耗减少。除了单储罐系统节能量稍小,其他多级（2 ~ 8级）系统节能4% ~ 5%。其认为在站内设置3级或4级时,级联系统优化压力可能是最好的解决方案,3级时,最佳压力为35 MPa、65 MPa、87.5 MPa;4级时各级压力分别为35 MPa、55 MPa、71 MPa、84 MPa。FARZANEH等[24]以熵产最小化为目标,得出最佳工况下,对应各级压力分别为8.88 MPa、20.35 MPa、37 MPa。然而,该研究针对的是固定面积孔口节流系统,并未进行加氢流量调节,这在成熟的加氢站中较为少见。
2.3 预冷系统
加氢站制冷能耗来自压缩机出口冷却和进入车载气瓶前的氢气预冷,其中氢气预冷程度影响加注时间及最终加注状态,受到较多关注。
PIRAINO等[34]在T20预冷基础上增加二级冷却系统,提供 -40℃的预冷温度。加氢时,采用一级冷却提供大部分冷量,二级冷却进行氢气温度精确控制。JENSEN等[35]研究了三种不同的氢气冷却方案：单级冷却、减压阀后两级和减压阀前后各一级。在蒸发温度分别为 -5℃和 -45℃的双级换热配置下时,减压阀后两级冷却时总成本最低,比单级冷却的成本低45%,而单级冷却占据空间最少。但是文中没有考虑双级制冷系统导致的成本增加。ELGOWAINY等[33]对比了大热容和紧凑型换热器的预冷系统,对于一个200 kg/d的加氢站,最佳制冷系统配置为13 kW制冷机和1 400 kg的换热器,设备总成本为70 000美元。在一个充分利用的加氢站,制冷系统总成本（包括运行）估计为0.5美元/kg H2,其中约2/3为换热器成本。该系统直接利用铝换热器作为热容,导致换热器尺寸较大,成本较高。
2.4 新型加氢流程
上述常规加氢流程很难实现较大的能耗及成本降低,部分研究者希望通过引入新的零部件或提出新型加氢流程来实现较大幅度的改善。
（1）集成喷射器的加氢流程
Fig. 3 Hydrogen refueling process integrated with ejector图 3 集成喷射器的加氢流程 |
ROGIÉ等[38]进一步研究级联储罐系统应用喷射器的可行性,并对比了膨胀阀系统、直接加氢（高压引射多级低压）系统和混合加氢（逐级引射）系统。结果表明,相对于膨胀阀系统,混合加氢系统在两个储罐时可使压缩能耗降低6.5%,但随着储罐级数增加,节能效果变差。直接加氢系统可以缩短加氢时间,但是会导致能耗增加。总的说来,喷射器能否节能以及节能程度,与系统配置形式有关。
（2）集成涡流管的加氢流程
Fig. 4 Hydrogen refueling process integrated with vortex tube图 4 集成涡流管的加氢流程 |
（3）集成膨胀机的加氢流程
Fig. 5 Hydrogen refueling process 1 integrated with turbine- compressor图 5 集成膨胀-压缩机加氢流程1 |
Fig. 6 Hydrogen refueling process 2 integrated with turbine- compressor图 6 集成涡轮膨胀机的加氢流程2 |
3 总结与展望
加氢站目前处于发展初期,初始投资和运行能耗相对较高。除了进行部件单体性能优化,系统流程及配置对成本和能耗的影响也非常突出,应加强进一步研究：
（1）长管拖车配置形式及操作策略影响加氢站运行能耗,除了长管单体研究,还需要进行操作策略的探索,以提高氢气利用率;目前长管返回压力较高,除了压缩机优化,还可以考虑通过引射、热管或者蓄热等技术提高氢气利用率。当前长管技术仅适用于发展初期的小型加氢站,随着加氢站等级提高,需要加强其他高效运输方式的研究,如高压低温气氢及液氢等。
（2）储罐-压缩机系统配置参数（级数、容积、压力范围）较多,参数设置范围较大,对设备成本及能耗（包括压缩、预冷）影响较复杂,目前没有获得统一的最优配置结论。实际应用中,可根据具体加氢站设计要求,结合当前技术水平获得合理的参数范围,并且尽量以加氢站整体（包括预冷系统、加氢机等）为对象,采用优化分析方法进行能耗、初始投资的整体优化。
（3）加氢站制冷能耗来自压缩机出口冷却和进入车载气瓶前的氢气预冷。应研究如何减少制冷负荷和提高制冷系统性能来减少制冷能耗,例如：减少压缩机排气温度和减压阀前后温升以减少制冷系统冷却负荷;改进加注方法来提高预冷温度;加强站内热管理,尽可能利用既有冷源如液氢或自然冷源来抵消部分热负荷;尝试采用先进制冷技术来提升制冷性能等。
（4）相对于常规配置优化方法,新型技术的加入可实现更大成本改善,但是新型技术相关研究一般处于初级阶段,并且由于氢气性质特殊,对于新技术可靠性要求更为严格,所以这些技术还需要大量的研究投入。
除了系统及配置的优化,加注协议和运行策略也会影响成本及能耗,也应该引起重视。
