本發(fā)明屬于液氫儲存加注領(lǐng)域，具體涉及一種回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、氫燃料電池被視為極具潛力的動力來源，特別在交通領(lǐng)域發(fā)展迅速。為此，開發(fā)安全高效低能耗的加氫技術(shù)具有重要的工程實用價值。加氫站主要有高壓氣態(tài)氫加注、液氫加注兩種。液氫加氫站占地面積小，安全程度高，運輸成本低。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與氫液化技術(shù)的進步，液氫加氫站可能成為主流。目前，氫能汽車中儲氫方式包含35mpa高壓氣瓶儲氫、70mpa高壓氣瓶儲氫、液氫儲氫三種方式。為此，加氫站仍以高壓氣氫加注與液氫加注并存。由于液氫增壓效率高、能耗低，且具備高壓氣氫加注和液氫加注的多種模式，具有靈活多樣的供氫優(yōu)勢。然而，液氫加氫站需要解決液氫儲存、液氫增壓、蒸發(fā)氣處理、液氫冷能回收利用等問題，技術(shù)難度更大。

2、蒸發(fā)氣（boiling?off?gas，bog）是液氫儲存與運輸過程中因熱泄露、閃蒸等因素而產(chǎn)生的蒸發(fā)氫氣。蒸發(fā)氣會導(dǎo)致液氫儲罐超壓，若不及時解決，會為儲罐帶來安全隱患。目前，對于加氫站內(nèi)蒸發(fā)氣最常見的處理方式為直接排放或?qū)⒄舭l(fā)氣壓縮至45mpa進行加注。對于直接壓縮方案，蒸發(fā)氣由儲罐壓力0.1-0.2mpa，壓縮至45mpa，壓比大、耗能高，且蒸發(fā)氣量小而不穩(wěn)定，因此該方案在能耗與設(shè)備投資方面均不經(jīng)濟。

3、液氫在升溫氣化過程中釋放出大量冷能，這部分冷能的合理回收，對降低液氫加氫站運行能耗至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外已有多種針對液氫加氫站液氫冷能回收利用與蒸發(fā)氣處理問題的新型解決方案；例如：中國專利申請?zhí)朿n115013721a公開了一種高效液氫加氫站加氫系統(tǒng)及方法，采用將液氫與蒸發(fā)氣分別加壓后混合的方式實現(xiàn)了蒸發(fā)氣再冷凝，并將液氫冷能回收用于冷卻加注的高壓氣氫。中國專利申請cn108561749a公開了一種應(yīng)用于液氫加氫站的混合加注系統(tǒng)，采用壓縮機將蒸發(fā)氣壓縮，并用儲罐暫時儲存，利用液氫冷能降低蒸發(fā)氣壓縮溫度與加注高壓氣氫溫度；以上方案中，蒸發(fā)氣處理方案仍使用壓縮機壓縮蒸發(fā)氣，無法減少蒸發(fā)氣帶來的額外設(shè)備投資；中國專利申請cn117287628a公開了一種液氫增壓式加氫站及其運行方法，該方案采用固體冷箱儲冷的方式將液氫冷能儲存起來用于氣氫壓縮降溫以及冷卻加注的高壓氣氫；但此方案將液氫冷能均用于較高溫區(qū)，導(dǎo)致大量寶貴的低溫區(qū)冷能被低效利用；中國專利cn217875296u公開了一種級聯(lián)式液氫加氫站冷能回收系統(tǒng)，采用氮、二氧化碳、乙二醇溶液為工質(zhì)實現(xiàn)了液氫冷能的三級回收，但此方案系統(tǒng)復(fù)雜，且無法解決液氫冷能的分溫區(qū)應(yīng)用問題，也沒有提出更加合適的蒸發(fā)氣處理方案。

4、由此可見，現(xiàn)有液氫加氫站針對液氫蒸發(fā)氣的處理，多采用壓縮機壓縮蒸發(fā)氣的方式，需要增設(shè)額外動機械，導(dǎo)致整體系統(tǒng)的能耗高，造成了能源的巨大損耗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有液氫加氫站針對液氫蒸發(fā)氣的處理，多采用壓縮機壓縮蒸發(fā)氣的方式，需要增設(shè)額外動機械，導(dǎo)致整體系統(tǒng)的能耗高，造成了能源的巨大損耗的技術(shù)問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)內(nèi)容：

3、一種回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)，包括高壓氣氫加注系統(tǒng)、液氫加注及bog處理系統(tǒng)、循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)和氫液化系統(tǒng)；

4、所述高壓氣氫加注系統(tǒng)用于加壓氫液化系統(tǒng)輸出的液氫以實現(xiàn)高壓氣氫加注；

5、所述液氫加注及bog處理系統(tǒng)用于處理氫液化系統(tǒng)輸出的液氫蒸發(fā)氣并實現(xiàn)液氫加注；

6、所述循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)用于通過循環(huán)氣體與高壓氣氫加注系統(tǒng)中的低溫高壓液氫換熱，實現(xiàn)液氫冷能回收；

7、所述氫液化系統(tǒng)用于利用循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)回收的冷能對原料高純氫氣進行預(yù)冷，再完成原料高純氫氣的液化以輸出液氫；

8、其中，所述液氫加注及bog處理系統(tǒng)包括：相連的引射器和中壓液氫儲罐；

9、所述氫液化系統(tǒng)輸出的液氫蒸發(fā)氣作為所述引射器的被引射流體；所述氫液化系統(tǒng)通過低壓液氫泵與所述引射器的工作流體入口相連；

10、液氫蒸發(fā)氣與氫液化系統(tǒng)加壓后的低壓液氫經(jīng)所述引射器混合，液氫蒸發(fā)氣經(jīng)冷凝后進入中壓液氫儲罐；

11、所述中壓液氫儲罐中的液氫用于液氫加注或經(jīng)降壓后為所述氫液化系統(tǒng)提供液氫補充。

12、進一步地，所述氫液化系統(tǒng)包括低壓液氫儲罐、第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器、第五換熱器、第六換熱器、氦氣壓縮機組、級后冷卻器、第七換熱器、第八換熱器、第九換熱器、第一低溫氦氣膨脹機、第二低溫氦氣膨脹機和第三低溫氦氣膨脹機；

13、第一換熱器熱側(cè)入口連接原料高純氫氣源，所述第一換熱器熱側(cè)出口依次連接第二換熱器熱側(cè)入口、第三換熱器熱側(cè)入口、第四換熱器熱側(cè)入口、第五換熱器熱側(cè)入口、第六換熱器熱側(cè)入口、第一閥門以及引射器工作流體入口；

14、所述中壓液氫儲罐通過節(jié)流閥與所述低壓液氫儲罐相連；

15、所述低壓液氫儲罐的頂部與所述引射器相連；

16、所述低壓液氫儲罐通過第三閥門和低壓液氫泵與所述引射器的工作流體入口相連，同時與所述高壓氣氫加注系統(tǒng)相連；

17、所述氦氣壓縮機組的高壓氦氣出口連接級后冷卻器，級后冷卻器出口分別連接第七換熱器熱側(cè)入口、第八換熱器熱側(cè)入口、第九換熱器熱側(cè)入口；

18、第七換熱器熱側(cè)出口、第八換熱器熱側(cè)出口、第九換熱器熱側(cè)出口分別連接第一低溫氦氣膨脹機入口、第二低溫氦氣膨脹機入口、第三低溫氦氣膨脹機入口；

19、第一低溫氦氣膨脹機出口、第二低溫氦氣膨脹機出口、第三低溫氦氣膨脹機出口分別連接第四換熱器冷側(cè)入口、第五換熱器冷側(cè)入口、第六換熱器冷側(cè)入口；

20、第四換熱器冷側(cè)出口、第五換熱器冷側(cè)出口、第六換熱器冷側(cè)出口分別連接第七換熱器冷側(cè)入口、第八換熱器冷側(cè)入口、第九換熱器冷側(cè)入口；

21、第七換熱器冷側(cè)出口、第八換熱器冷側(cè)出口、第九換熱器冷側(cè)出口連接氦氣壓縮機組低壓入口。

22、進一步地，第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器、第五換熱器的熱流道中均填充有正仲轉(zhuǎn)化催化劑，采用連續(xù)轉(zhuǎn)化方式催化正氫向仲氫轉(zhuǎn)化。

23、進一步地，所述高壓氣氫加注系統(tǒng)包括與所述氫液化系統(tǒng)液氫輸出端分別相連的第一低溫液氫泵和第二低溫液氫泵；所述第一低溫液氫泵通過所述循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)依次連接第一液氫蒸發(fā)器、第一高壓儲氣瓶和加注冷卻系統(tǒng)；所述第二低溫液氫泵通過所述循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)依次連接第二液氫蒸發(fā)器、第二高壓儲氣瓶和加注冷卻器。

24、進一步地，其中，所述第一低溫液氫泵采用45mpa低溫液氫泵，所述第二低溫液氫泵采用90mpa低溫液氫泵；所述第一高壓儲氣瓶采用45mpa高壓儲氣瓶，所述第二高壓儲氣瓶采用90mpa高壓儲氣瓶；所述加注冷卻系統(tǒng)采用35mpa加注冷卻系統(tǒng)，所述加注冷卻器采用70mpa加注冷卻器。

25、進一步地，所述35mpa加注冷卻系統(tǒng)采用蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)。

26、進一步地，所述循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)包括循環(huán)氣體壓縮機、循環(huán)氣體冷卻器和冷能回收器；所述循環(huán)氣體壓縮機的循環(huán)氣體出口與循環(huán)氣體冷卻器入口相連，循環(huán)氣體冷卻器出口連接冷能回收器熱側(cè)入口，冷能回收器熱側(cè)出口分別連接第一液氫蒸發(fā)器熱側(cè)入口以及第二液氫蒸發(fā)器熱側(cè)入口；第一液氫蒸發(fā)器連接第一低溫液氫泵，第二液氫蒸發(fā)器連接第二低溫液氫泵；所述氫液化系統(tǒng)的第一換熱器冷側(cè)出口連接所述循環(huán)氣體壓縮機的循環(huán)氣體入口；第二換熱器冷側(cè)出口連接所述加注冷卻器冷側(cè)入口；所述加注冷卻器冷側(cè)出口連接循環(huán)氣體壓縮機的循環(huán)氣體入口；其中，循環(huán)氣體經(jīng)循環(huán)氣體壓縮機加壓后進入冷能回收器、第一液氫蒸發(fā)器、第二液氫蒸發(fā)器回收液氫蒸發(fā)冷能，隨后進入所述氫液化系統(tǒng)和所述加注冷卻器為氫液化預(yù)冷以及為高壓氫氣加注冷卻提供冷能。

27、進一步地，所述循環(huán)氣體壓縮機的循環(huán)氣體采用惰性氣體，所述惰性氣體為氮氣或氬氣。

28、一種回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)的工作方法，基于上述回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)，包括：

29、氫液化系統(tǒng)利用循環(huán)氣體回收的冷能對原料高純氫氣進行預(yù)冷，再完成原料高純氫氣的液化以輸出液氫；

30、高壓氣氫加注系統(tǒng)對氫液化系統(tǒng)輸出的液氫進行加壓以實現(xiàn)高壓氣氫加注；

31、液氫加注及bog處理系統(tǒng)對氫液化系統(tǒng)輸出的液氫蒸發(fā)氣進行處理并實現(xiàn)液氫加注；

32、循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)通過循環(huán)氣體與高壓氣氫加注系統(tǒng)中的低溫高壓液氫換熱，實現(xiàn)液氫冷能回收；

33、低壓液氫泵對氫液化系統(tǒng)中的低壓液氫進行加壓；

34、氫液化系統(tǒng)輸出的液氫蒸發(fā)氣與氫液化系統(tǒng)加壓后的低壓液氫經(jīng)引射器混合，液氫蒸發(fā)氣經(jīng)冷凝后進入中壓液氫儲罐；

35、利用中壓液氫儲罐中的液氫進行液氫加注，或者對液氫進行降壓以為氫液化系統(tǒng)補充液氫。

36、進一步地，高純氫氣進入氫液化系統(tǒng)后，先后經(jīng)過六級換熱器冷卻，氫液化系統(tǒng)熱側(cè)出口低溫高壓液氫作為工作流體進入引射器，在引射器中實現(xiàn)蒸發(fā)氣再冷凝后進入中壓液氫儲罐中儲存。

37、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

38、本發(fā)明提供了一種回收液氫冷能的高壓氣氫液氫聯(lián)合加注系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括高壓氣氫加注系統(tǒng)、液氫加注及bog處理系統(tǒng)、循環(huán)氣體載冷的液氫冷能回收系統(tǒng)和氫液化系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)置不同液氫增壓壓力實現(xiàn)了高壓氣氫液氫聯(lián)合加注；利用循環(huán)氣體與液氫換熱實現(xiàn)液氫冷能回收；通過將回收的液氫冷能用于氫液化預(yù)冷，降低了氫液化能耗成本，實現(xiàn)了加氫站液氫自補充；通過將液氫冷能用于高壓氣氫冷卻，降低了高壓氣氫加注冷卻能耗；通過將高壓液氫與蒸發(fā)氣引入引射器，實現(xiàn)蒸發(fā)氣再冷凝。本系統(tǒng)通過綜合利用液氫冷能，可實現(xiàn)加氫站內(nèi)低能耗液氫自補充，在不外加動機械的條件下兼具液氫加氫站蒸發(fā)氣處理功能，為液氫加氫站液氫冷能利用、蒸發(fā)氣處理問題提供了新的解決方案，采用本系統(tǒng)無需增設(shè)額外動機械，降低了整體系統(tǒng)的能耗。

39、優(yōu)選地，本發(fā)明中，利用循環(huán)氣體載冷，實現(xiàn)了液氫加氫站液氫冷量的高效低成本回收，將回收所得冷能應(yīng)用于氫液化的預(yù)冷與70mpa高壓氫氣加注冷卻，實現(xiàn)了在較大溫區(qū)內(nèi)液氫冷能的綜合合理利用。

40、優(yōu)選地，本發(fā)明中，將液氫加氫站液氫冷能回收利用于氫液化預(yù)冷階段，利用氦氣壓縮機組、級后冷卻器等組成氦逆布雷頓低溫制冷系統(tǒng)，將高壓氦氣膨脹所得低溫冷量用于氫液化深冷階段，實現(xiàn)了液氫加氫站液氫的低能耗自補充，可為以管道運輸為主要氫源的液氫加氫站能量綜合利用提供高效合理的新方案。

41、優(yōu)選地，本發(fā)明中，以引射器作為bog升壓和再冷凝的關(guān)鍵部件，以氫液化系統(tǒng)中高壓液氫作為工作流體、液氫蒸發(fā)氣作為被引射流體，實現(xiàn)了蒸發(fā)氣再冷凝，以低能耗、低投資的方式完成液氫加氫站蒸發(fā)氣處理

42、優(yōu)選地，本發(fā)明中，提出了解決液氫加氫站液氫冷能高效回收利用、蒸發(fā)氣再冷凝的高壓氣氫和液氫的高效聯(lián)合加注方案，具有液氫冷能高效回收、液氫低能耗自補充、蒸發(fā)氣再冷凝、35mpa和70mpa高壓氣氫冷卻與加注、液氫加注等功能。