35 MPa/70 MPa加氢站运行优化技术分析

何广利 许壮 董辉 董文平

摘      要：分析基于气态储运氢的35 MPa/70 MPa加氢站储氢优化、供氢模式优化、加注协议方面的研究成果以及存在的不足。结果表明：加氢站内最佳高压储氢的容量配比尚无一致的研究结果，有待全面考虑压力级别数量、压力值、容积值、切换模式、切换策略、需求负荷分布等进行深入研究;提高长管拖车运氢压力和优化长管在站内的使用模式，有助于提高加氢站的峰值加注能力和综合加注能力，降低氢气成本;准确获知或预测车载储氢瓶的状态，降低现有加注协议中的温度余量，可以明显降低氢气加注能耗。

关  键  词：加氢站;氢气成本;运行优化;高压储氢配比;氢气加注协议;长管拖车运氢

中图分类号：TQ023       文献标识码： A       文章编号： 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

加氫站是保障燃料电池汽车运营的必要基础设施，根据媒体报道，截至2019年我国燃料电池汽车累积量已经超过5 000 辆，国际上燃料电池汽车累积量已经超过20 000 辆，因此对于加氢站的需求也快速增长，截至2019年底，我国加氢站数量已经有60 座，国际上则达到约350 座，按照国际和国内机构预测，到2025年我国加氢站数量将达到1 000座，国际加氢站数量将超过3 000座[1-2]，则国内外加氢站设备的投资约分别将超过150 亿元和450 亿元，是具有典型意义的新基础设施建设增长点。但在数量增长的同时，必须重视质量，加氢站的技术水平和性能决定了氢气的加注成本和加注到车载储氢系统中的状态，对于安全、客户体验、通用性至关重要。目前国内外研究者在加氢站技术开发和分析方面做了很多有益的工作，张旭[3]以《加氢站技术规范50516—2010》为基础，分析了加氢站设计和建设的相关标准，并提出了合理化的建议。陈祖志等则对氢能用气瓶、压力容器等特种设备在基础理论方面以及材料、设计制造、使用管理、充装卸载、定期检验等环节的技术、产品、服务、法规标准等方面需求进行了分析[4]。安全是加氢站的最基本要求，因此也有不少学者对加氢站安全分析方法、风险评价等进行了深入研究[5-7]，加氢站内的氢气加注速度主要受温度制约，因此国内外对氢气加注过程的模型以及加注过程中温升的影响因素进行了深入研究[8-13]，结果表明，氢气温度、加注速度、环境温度、车载储氢瓶容积、初始压力等对氢气加注的温升都有重要影响。在加氢站内储氢技术方面，郑津洋等人开发了钢带缠绕式储氢压力容器[14-16]，已经应用多个加氢站。整体而言，目前针对加氢站的相关技术开发和分析大都是专注于安全、标准或者单个装备技术或者过程。但加氢站是一个复杂的系统，除了必需的硬件如压缩机、加氢机、高压储氢容器、冷冻机、冷水机、换热器等，还需要整体的系统集成和优化，从而达到性能和成本的最佳结合点。本文以加氢站整体系统作为分析对象，首先量化分析了加氢站内氢气综合成本的组成以及设备成本、运营参数（人工、维护、加注量等）对加氢站氢气处理成本影响的敏感性，进而对加氢站运氢参数优化技术进行了分析，重点关注加氢站整体设计和运行优化技术。

1 加氢站氢气综合成本量化分析

以国内目前燃料电池商用车固定式加氢站为例，设计加注能力800 kg·d-1，加注压力35 MPa，不考虑土地和基建成本，设备折旧年限15年，压缩机1台500万（进口），储罐3支300万，加氢机2台300万（含冷冻机、换热器等），管路及其他辅助成本等500万（设计、安评、环评、管路、阀门、站内施工、罩棚建设），运行电耗2 kWh·kg-1，电费1 元·kWh-1，无故障加氢次数500 次（参考美国DOE统计数[17]），单次维修耗时1 天，人工1 万元;加氢站人员配置5人，人力成本16 万·a-1·人-1。按照上述初始数据，分析了各个影响因素对加氢站内氢气供应成本的贡献率。结果显示，如果加氢站连续无故障加氢次数提高一倍，则有助于降低氢气处理成本1.5元·kg-1;而如果在硬件配置不变的情况下，日加氢能力提高15%，将降低氢气处理成本1.0 元·kg-1;如果加氢站的人员数量由5 个降为2 个，则氢气处理成本也将降低1.5 元·kg-1;如果加氢电耗降低50%，也将降低氢气处理成本1.0 元·kg-1;而如果主要设备成本如压缩机、加氢机、储罐单独成本降低50%，氢气的处理成本仅仅分别降低0.5 元·kg-1、0.5 元·kg-1和    0.8 元·kg-1。由上可以看出，不仅加氢站设备初始投资成本对氢气处理成本有显著影响，加氢站运营因素对氢气处理成本也有显著影响。因此除了加氢站内的具体装备技术，加氢站的运行优化技术也是加氢站设计和建设需要考虑的重点。

2  加氢站储氢优化

加氢站的运行优化，是为了在相同的硬件配置情况下，实现提高实际加注量，降低能耗，减少人工，增加无故障次数等，ROTHUIZEN[18-19]等考虑加氢站内的流体力学和热动力学现象，利用商业软件开展了加氢站动态过程模拟，并针对不同的设计方案进行了加氢站性能分析，其发现采用多级压力存储方案，可以降低氢气冷却能耗12%，降低压缩机能耗17%，车辆加氢时排队时间减少5%，同时高压氢气的总存储容积降低了20%。同时他还研究了高压储氢压力级数、高压储氢容积和压力对压缩能耗的影响，结果发现当高压储氢由1个容器增加到3个容器时，能耗可以降低30%，而如果从3个容器增加到4个容积，能耗将进一步降低4%，故加氢站内储氢最优的是三级或者四级压力。对于不同压力级别的储氢容积比例方面，其考察了三级储氢情况下，1∶1∶1与4∶3∶2的能耗对比，根据其研究结果，在站内多级高压储氢容积比为4∶3∶2时，效果最佳，但是相比于1∶1∶1的情况，能耗仅仅降低了约2%，并不显著，但是通过优化各级储氢的压力，对能耗的节省效果竟然可以达到约5%，此时对于70 MPa的加氢站，低压储氢的压力为35 MPa。对于高压储氢容积配比问题，冯慧聪[20]等应用真实气体状态方程，拟合了常用温度压力范围内的氢气压缩因子，建立了加氢站高压氢气多级加注的计算方法，通过计算发现三级变质量加注是最佳模式，可获得较高的取气率。三级加注加氢站储氢瓶组的通用最佳容积比是4∶3∶2和2∶2∶1，但其在研究中并没有考虑三级储氢的压力对取气率和能耗的影响。除了储氢容积配比和压力范围，多级储氢之间的切换逻辑和顺序也会对加氢站的加注能力和能耗产生影响，郑津洋[21]等研究了在低、中、高三级压力容积比例为3∶2∶1情况下，不同的切换模式对加注能力的影响，其采用多目标优化的方法，以氢气取气率和加注时间为优化目标，结果表明切换模式对取气率和加注时间有重要影响，最好的切换模式相比最差的切换模式，加注能力相差60%，其三层储氢压力分别为42、45、70 MPa。KRISHNA [22]等也研究了加氢站内高压储氢的最佳配比，其研究了储氢配比对氢气取气率和综合成本的影响，结果表明在站内储氢为四级，比例为    1∶1∶1∶1时，其取气率和综合成本都明显优于三级储氢4∶3∶2的情况。综上可以看出，加氢站中高压储氢的配比目前并没有统一的结论和一致认可的最优化配置，其原因是除了目前在加氢站设计中已经考虑的三级存储容积比例之外，各级储氢的压力、各级储氢之间的切换模式都对加氢站取气率、能耗、加注能力有重要影响，各个相关研究所假设的参数以及边界条件不同，所得出的结论也不同，因此考虑全部因素的加氢站储氢优化尚待开展。

3  加氢站长管拖车供氢模式优化

目前全球加氢站中，以外运高压氢气为气源的加氢站数量占比70%以上，不同管道供氢是恒定的压力和流量，外运高压氢在使用时，因为容积有限，所以随着使用，压力会降低，这就会影响压缩机的处理量和能耗等，因此外运气源的压力、容积以及卸气模式等也会对加氢站的加注能力产生重要影响。KRISHNA[22]首先研究了长管拖车供氢模式对能耗和加注能力的影响，其发现采用长管拖车在加注初始时直充和提高长管拖车的返回压力都能提高加氢站的加注能力和降低能耗。LIN[23]又进一步通过全周期模型，研究了氢气的运输压力对氢气整体成本的影响，其结果表明，对于70 MPa加氢站，对于区域性的策略，70 MPa运氢压力相对于30 MPa和50 MPa是更好的选择，但对于集群策略，30 MPa和 50 MPa运氢压力更具有优势。70 MPa运氢压力在市场初始阶段、加氢站负荷率不高的情况是更好的选择。整体来看，最优的运氢压力数值对燃料可用性、燃料电池经济性，驾驶习惯等非常敏感。

AMGAD [24]进一步深化了长管拖车供氢的模式研究，提出了氢气固结（consolidation）概念，其整体思想是：在压缩机不需要为加氢站内高压储氢罐进行补气的时间段，压缩机在管拖车上的压力容器之间传输氢气，确保长管拖车上的至少一个压力容器保持在高压下，这样当加氢站内高压氢气储罐需要补气时，压缩机优先使用长管拖车中高压部分的氢气，因为进口氢气的压力高，则压缩机的处理量越大，因此能够保障压缩机在很快时间内将站内高压储氢罐补满，能够最大限度地提高压缩机流量和加氢站的加注能力。模拟表明，与常规运行相比，加氢站的加注能力增加了三倍（即当没有实施压力固结时）。上述固结操作意味着长管拖车中容器在固结期间被加压并且当用于补充高压缓冲存储器时减压。这种常规的加压和减压，即压力循环，可能会缩短壓力容器的使用寿命。此外，其要求所有压力容器（或组）连接到压缩机入口和出口。这将需要大量的阀门和管道以及更复杂的控制装置，因此增加了长管拖车的成本。基于此，KRISHNA [25]进一步提出双层压力固结方法，仅需要在第一层有限数量的容器中增加额外的阀门和管道，并且还降低第二层中管道的压力循环频率，从而提供了更实用、更低成本的方法。另外一方面，其还提出了多级压缩机的创新使用方法，典型的多级压缩机在一个时间段只能处理一个氢气压缩操作。但根据KRISHNA所提出的方法，多级压缩机将被灵活地配置成能够在需要时独立地处理两个单独的氢气流以最大化加氢站的加注能力，此时，压缩机可以一边将氢气从第二层压缩到第一层压力容器，一边又将氢气从第一层压力容器填充到高压缓冲存储器中。

综上可以看出，无论是长管拖车运氢的压力，还是长管拖车在站内供氢的模式，都对加氢站的能耗、加氢能力以及全周期的氢能成本构成重要影响，因此，从运氢压力来说，应该尽快促进更高压力长管技术开发和应用，同时在长管拖车站内的供氢模式上，可以采用更灵活的操作策略，但前提是必須保证安全性。

4  氢气加注协议

氢气加注协议规定了氢气在加注过程中和加注截止时所需要达到的性能和相关技术要求，其决定了氢气加注的时间、温升、压力、加注率（SOC）等，进而对加氢站整体的加注能力、能耗有重要的影响。目前我国尚没有氢气加注协议相关的标准和规范，国际上较广泛接受的氢气加注协议有美国汽车工程学会的SAE J2601系列标准[26]，日本的JPEC系列标准[27]等，两者具有高度相似性，适用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型车用氢气瓶，储氢容量为2～10 kg。分别按照加氢机与车用储氢系统是否能实现通信功能分别制定了预冷温度为-40～-33 oC、-33 ～-26 oC、  -26 ～-17.5 oC 3个等级的加注方案。加注过程中压力升高速率的控制方法可采用查表法或者MC方法。此外，SAE除了对轻型汽车气态氢的加注制定了标准，还对重型汽车与工业用车辆等制定了气态氢加注协议，SAE J2601—2（TIR）规定了《重型汽车气态氢加注协议》，SAE J2601—3（TIR）规定了《工业用车辆气态氢加注协议》。根据大岛等人的估算[28]，如果将氢气加注时的预冷温度提高10～15 ℃，则对于300 kg·d-1的乘用车使用的70 MPa加氢站，则年可以节约电费及辅助部件维修及损耗费用400 万日元。因此，在保障氢气加注的时间和便利性不会改变的情况下，如何降低氢气的预冷需求，是技术开发的重点。在上述标准中，提到了通过红外通讯技术，将车载储氢系统的物性和状态参数发送给加氢机控制系统，从而可以做到更精准的加注控制，因而可以在相同的预冷情况下氢气加注的速度更快，即单位加注氢气的能耗降低。如果没有通讯技术，因为车辆使用历史、停放环境等都会对车载储氢瓶的状态产生影响，因此必须要考虑最苛刻的情况，另外，目前车载储氢瓶有三型瓶和四型瓶，三型瓶的传热效果要好于四型瓶，但是为了保障四型瓶的加注，所以在标准中按照四型瓶的数据制定的加注速度，这也增大了加氢站的能耗。因此，未来如何准确地获知或者检测车载储氢瓶的状态，精准控制加注过程的误差，以降低现有加注协议中的余量，将是降低氢气加注能耗的重要技术发展方向。

5  结束语

本文对加氢站氢气综合处理成本的组成和各种影响因素的显著性进行了分析，在其结论的基础上，对涉及加氢站运行性能的各种优化技术和氢气加注协议等方面的技术进行了评述，最后得到如下结论。

1）加氢站设备初始投资成本对氢气处理成本有显著影响，加氢站运营因素对氢气处理成本也有显著影响。因此除了加氢站内的具体装备技术，加氢站的运行优化技术也是加氢站设计和建设需要考虑的重点。

2）在加氢站内高压储氢的容量配比上，目前并没有统一的结论和一致认可的最优化配置。其原因是除了目前在加氢站设计中已经考虑的三级存储容积比例之外，各级储氢的压力、各级储氢之间的切换模式都对加氢站取气率、能耗、加注能力有重要影响，各个相关研究所假设的参数以及边界条件不同，所得出的结论也不同，因此考虑全部因素的加氢站储氢优化尚待开展。

3）综上可以看出，无论是长管拖车运氢的压力，还是长管拖车在站内供氢的模式，都对加氢站的能耗、加氢能力以及全周期的氢能成本构成重要影响，因此从运氢压力来说，应该尽快促进更高压力长管技术开发和应用，同时在长管拖车站内的供氢模式上，可以采用更灵活的操作策略，但前提是必须保证安全性。

4）在氢气加注协议技术方面，目前国际上的技术协议对氢气的预冷有苛刻的要求，目前尚没有氢气预冷温度低于-17.5 ℃的广泛认可的加注协议，今后在保障氢气加注的时间和便利性不会改变的情况下，如何降低氢气的预冷需求，是技术开发的重点，方向一是采用通讯技术，二是没有通讯技术情况，如何准确地获知或者预测车载储氢瓶的状态，精准控制加注过程的误差，以降低现有加注协议中的余量，这将是降低氢气加注能耗的重要技术发展方向。

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