加氢站加氢能力匹配设计及其能耗分析

上海舜华新能源系统有限公司 刘京京 何宏凯

氢能源来源广泛、可储运、燃烧无污染，氢能源的利用是我国实现能源消费结构转型的重要途径之一。氢燃料电池具有能量转化效率高、排放物仅为水以及续航能力强等优势，是未来汽车应用能源的发展目标之一。随着相关政策的制定和实施以及燃料电池汽车示范城市群的启动，2021年我国氢燃料电池汽车销量为1 881辆，同比增长了25.7%。为进一步推广和发展氢燃料电池技术，需要在全国网络化建设相当数量的加氢站来保障氢燃料电池汽车的燃料供应。截至 2021年底，我国已建成加氢站230座，但距预先的规划目标仍有一段距离，整体仍处在起步阶段。

1 加氢站工艺流程

加氢站根据建设形式可分为固定式和移动式两种，其中移动式加氢站在世博会后由于政策的原因未得到实际推广应用。固定式加氢站根据氢气来源不同可分为站外供氢和站内制氢两种。其中：站外供氢加氢站通过长管拖车或者氢气管道将气源氢气运输至站内，而站内制氢加氢站则是通过在站内直接建设制氢系统来制取氢气。目前我国以长管拖车外供氢的固定式加氢站数量居多。

以长管拖车供氢的固定式加氢站工艺流程如图1所示。

图1 氢气长管拖车供氢固定式加氢站工艺流程

长管拖车上的氢气被泊车位内的卸气柱卸载，然后进入压缩机被增压储存在不同压力级的站内储氢容器中。当燃料电池汽车需要加氢时，加氢机从站内储氢容器中分级取气，氢气经氢气加注机加注至燃料电池汽车的车载储氢气瓶中。

2 燃料电池汽车全天氢气加注需求分布

国内外两种燃料电池汽车全天氢气需求分布，如图2所示，表示每小时运营时间内燃料电池汽车的氢气加注需求占全天总运营时间内氢气加注需求的比例。图2(a)中的曲线被称为单峰需求分布，是通过统计美国加州33座加氢站2016年全年平均氢气加注需求数据所得，其与传统加油站的加注需求分布基本相同。图2(b)中的曲线被称为三峰需求分布，通过统计国内的上海安亭加氢站在 2017年全年氢气加注需求数据得到的。三峰需求曲线与单峰需求曲线的分布规律有明显区别，即在全天运营时间内出现了多次加注需求高峰。图2(a)和(b)这两类加氢站的服务对象都是在固定路线运行的物流车队和大巴车队，容易形成特定的需求分布特征。考虑到我国燃料电池汽车发展战略是优先将其应用于商用车领域，所以国内加氢站的主要服务对象在未来很长一段时间将是这类商用车，其需求分布应该类似于三峰需求分布。

图2 燃料电池汽车全天氢气需求分布

3 加氢站加氢能力匹配设计

对于加氢站来说，进行加氢能力的匹配设计是建设加氢站前期需要考虑的关键环节。加氢站对外运行时间内压缩机提供的能力及储罐提供的满加注能力之和称为总能力，用Z1表示；储罐满储时的车辆满加注能力及满加注期间的压缩机提供的能力之和称为峰值满加注能力，用Z2表示；总能力Z1和峰值加注能力Z2可通过式(1)和式(2)分别进行计算：

式中：Z1——总能力，kg；

Z2——峰值加注能力，kg；

t1——加氢站对外运营时间，h；

X——压缩机排量，kg/h；

Y——储罐满加注利用量，kg；

W——来车平均加注量，kg；

n——峰值满加注车辆数，辆；

t2——平均每车加注时间，h。

根据式(1)和式(2)，结合加氢站能力匹配需求设计了Excel计算模型。通过该模型可计算得到对加氢站建设和运营较重要的车辆加注时间、均匀运行加注氢气总量、峰值满加注氢气总量及其加注车辆数量、峰谷式运营满加注氢气总量及其加注车辆数量、峰值加注时间等参数，以期可以利用该模型对加氢站能力配置需求进行指导。

表1为加氢站能力匹配计算参数表。以表1的输入参数为例，对按该参数配置的一些加氢站关键参数进行研究。根据储氢罐的供氢能力和压缩机的排量进行计算可获得氢气每小时连续可加注量随运营时间的变化规律，如图3所示。前几个小时储罐内气源充足，先是高压级储罐给燃料电池汽车供氢，高压储罐达到最低利用压力后，切换为其他压力级储罐供氢，同时压缩机开始运行，向高压级储罐储存氢气，同时会有部分高压氢气分流进入加氢机，使得每小时连续加氢时，压缩机无法将高压力级储罐储满。但是依靠前期其他压力级储罐存储的氢气仍可在一段时间内维持每小时连续可加注量最大值。随着运营时间延长，所有压力级的储罐内氢气的可利用性均较低时，燃料电池汽车所需氢气主要由压缩机排量决定。

表1 加氢站能力匹配计算参数

图3 每小时连续可加注氢气量随运营时间的变化规律

一些加氢站在运营过程中，会出现在某些时段需要提供加注服务的燃料电池汽车数量激增的情况，可通过加氢站峰值加注能力显示其对该情况的应对能力。通过测算得到以表1参数配置为例的加氢站峰值加注氢气量、峰值加注时间和峰值加注等待时间，然后建立关系式得到峰值满加注量随峰值满加注时间的变化规律如图4所示。该图的波峰是示例加氢站的峰值满加注量为1 326 kg，峰值满加注时间为3.7 h，即3.7 h可向外界提供1 326 kg的氢气，满足 66辆燃料电池汽车加注。达到下一次峰值满加注能力的等待时间即停止加注服务压缩机将储罐储满的时间为4.1 h。通过计算得到的以上数据可为实际的加氢站加注能力匹配设计过程提供参考，从而实现加氢站的设备配置的最优投资。

图4 峰值满加注量与峰值满加注时间的变化规律

4 加氢站能耗分析和优化

目前关于加氢站能耗分析和优化方面的研究较少。加氢站能耗主要有加氢冷却能耗、增压系统运行能耗以及站控系统能耗，其中站控系统能耗在总能耗结构中占比较小不做详细论述。

4.1 加氢冷却能耗

由于向燃料电池汽车车载气瓶充装氢气时，会造成车载气瓶出现温升，而超温会降低气瓶寿命，带来安全隐患。为了将温升限制在安全范围内的同时，提高加氢效率，通常在加氢过程中结合氢气预冷措施，降低氢气在进入车载气瓶前的温度。图5显示了无预冷和普通水冷对以下3种燃料电池汽车车型加注氢气所需时间的影响。由于车载气瓶的体积不同，故各车型的加注时间不同。氢气加注过程考虑氢气被水冷却后，加氢时间随着氢气被预冷所至温度的降低而减少，根据加注协议氢气充装速度可相应提高，但氢气充装速度也会达到上限，所以加注时间呈现先显著减少，最后趋于稳定的趋势。氢气预冷后的温度对冷水机功率的确定十分重要，进而影响加氢站系统的能耗和成本。在选取加氢预冷配置时要综合考虑车辆加氢时间、功耗、设备投资成本因素进行系统设计。

图5 3类燃料电池汽车的加氢时间随氢气被预冷所至温度的变化关系

4.2 增压系统运行能耗

增压系统是整个加氢站系统的关键组成部分，用于将氢气管束车中卸载下来的氢气增压存储至储氢容器中。在保证加氢站系统正常运营的同时，需要充分利用压缩机的效能和考虑降低压缩机能耗。隔膜式压缩机在加氢站得到了广泛的应用，其余隙容积和泄漏系数较小，所以排量主要与吸入氢气的密度有关，成正比关系。不同吸气压力下隔膜式压缩机的耗电功率可通过式(3)和(4)进行计算。

为了了解压缩机在对储氢容器进行充装过程的能耗变化规律，此处设计几个典型工况。设计工况1和2为压缩机将一辆水容积为26 m3的20 MPa管束车内卸载的氢气增压储存到加氢站内的不同压力级储氢容器中，以考虑向储氢容器不同压力级的充装顺序对压缩机能耗的影响。管束车的压降范围是20～5 MPa。设计工况1和2的低、中、高三级的水容积均为10 m3，在外界环境温度为25 ℃的情况下，加氢站内的储氢容器充装的初始压力分别为15 MPa、25 MPa、35 MPa，充装结束压力均为45 MPa。所用压缩机在氢气气源压力为12.5 MPa、排气压力为45 MPa时，氢气排量为0.8 kg/s，其将储氢容器储满所需的能耗及时间如表2所示。通过管束车压降范围调整向各压力级加氢站内的储氢容器内的氢气充装顺序可以发现，压缩机对不同压力级的储氢容器进行充装所需时间和耗电量显著不同，管束车高中低三个压降段分别对应储氢容器初始压力为高-中-低的顺序进行充装，整个过程所需时间较少，压缩机耗电量较低。

表2 工况1和工况2对比

设计工况3、4与工况1、2气源相同，如表3所示。在外界温度为 25 ℃时，低中高三级储氢容器的初始压力分别为15 MPa、25 MPa和35 MPa，充装结束压力为25 MPa、35 MPa和45 MPa。为便于对比，保持工况3、4与工况1、2各级储氢容器具有相等的氢气可利用质量，设置低中高三级储氢容器的水容积分别为29.8 m3、21.7 m3和10.0 m3，其压缩机充装时间和耗电量与工况1和2具有相同的规律，即按储氢容器高-中-低压力级顺序进行充装所需充装时间和耗电量最少。纵向对比工况1和3、工况2和4可以发现，保证相同的储氢量，工况3和工况4储氢容器结束压力存在梯级可以一定程度上节省能耗，同时，每一级储氢容器被取气后内部压力波动范围较小，可以延长储氢容器的使用寿命，增加站内高压储氢的安全性。还可以发现在保持几种工况的储氢容器储氢量相同的情况下，设置储氢容器充装结束压力存在梯度则需要增大其水容积，所以前期一次性设备成本会有所增加。在做加氢站储氢容器的配置和运行模式设计时要综合考虑设备前期投资、寿命、维护成本等综合因素。

表3 工况3和工况4对比

5 结语

本文基于示例加氢站的设计参数计算得到了加氢站的连续加注能力、峰值加注能力、和峰值加注时间等参数的重要变化规律，对于加氢站的建设和运营具有重要意义。氢气预冷所至的温度对加氢时间影响显著，同样也影响着冷水机的选型，进而影响加氢站系统的能耗和成本；基于管束车卸气的压降，压缩机按照储氢容器高-中-低压力级的顺序充装氢气，可减小充装功耗和时间；保持相同储氢能力的情况下，使储氢容器的充装结束压力存在梯级则进一步减少压缩机功耗，但需要改变储氢容器的水容积，会增加前期建站的一次性设备成本。结合能耗做加氢站设备的配置和运行模式的设计时，要综合考虑设备前期投资、寿命、维护成本等因素。