一種天然氣和氫氣的多功能混合加氣站和加注方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣體加注技術領域，具體來說，是涉及一種天然氣和氫氣的多功能混合加氣站和加注方法。
【背景技術】
[0002]在能源需求日益增加及排放法規日趨嚴格的當今，汽車能源結構的轉型刻不容緩。近年來，通過使用替代燃料來實現汽車行業節能減排的研究越來越多，天然氣作為一種替代燃料，具有儲量大、辛烷值高、排放低、價格便宜等優點，氫氣也有火焰傳播速率快，著火范圍寬，排氣污染較低(即只生成少量的NOx，不產生碳氫化合物、CO和溫室氣體CO2)的優勢。但是，天然氣存在著火范圍窄、火焰傳播速度慢、發動機熱效率低等缺點。與天然氣相比，氫氣不易儲存，體積熱值較低，燃氫發動機還有一些技術問題未得到解決，單純燃燒氫氣的條件尚未成熟。在天然氣中摻入氫氣綜合了氫氣和天然氣的優點，能夠提高燃燒速度，降低循環變動，實現稀燃(發動機在空燃比大于理論空燃比的情況下燃燒)和快速燃燒，有利于提高發動機的性能，經濟可行，是目前應對石油危機的有效途徑。目前國內關于HCNG的研究并未涉及產業化，基本停留在發動機研究、項目示范階段，現階段存在的HCNG加注站非常稀少且存在功能單一，能源效益差的問題。
[0003]如在《天然氣摻氫的混合工藝研究》(煤氣與熱力2009年08期，喬偉艷，張寧，解東來)、《HCNG加氣站的設計及實現》(中外能源2013年07期，趙文浩，陳剛)、生產、分流/使用和歐洲專利申請EP20070763143(公開號:EP1994266A4)等文獻中提到的HCNG站工藝流程采用先增壓，后混合，再儲存，最后加注的步驟，這種流程需要專用的混氣設備進行氫氣與天然氣的預混合，增加設備投資及占地面積；另外在大多數情況下，由于用于混合生成HCNG的氫氣氣源及天然氣氣源壓力等級不同，站內為了確保兩種氣體的混合會在混合前將氫氣及天然氣調低至同一個壓力等級后進行混合，混合后再進行增壓，這就造成整個加氣站的能效降低；最后，采用預混合工藝，往往需要HCNG混合氣的儲罐，而HCNG混合氣體在長期存放的過程中可能會出現氣體分層導致密度不均，加注到HCNG車輛后影響汽車的燃燒和排放特性。本專利對解決以上問題提供了一種新的解決方案的同時使得CNG和H2兩種能源的使用和推廣更加方便。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術的不足之處，提供一種可用于氫氣及天然氣的多功能混合加氣站系統，可以實現高精度的氫氣及天然氣實時的可調比例混合加注。
[0005]本發明的另一目的是提供一種采用上述加氣站系統的加注方法。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
[0007]—種天然氣和氫氣的高壓多功能加氣站系統，包括:天然氣供氣系統，氫氣供氣系統、至少一臺混氣加氣機、數據采集與監視控制(SCADA)系統。
[0008]所述天然氣供氣系統包括:至少一輛天然氣管束運氣車，通過管道連接至所述混氣加氣機，所述每輛天然氣管束運氣車的下游管道上設有一天然氣卸氣柱；至少一組高壓天然氣儲氣瓶組，通過管道連接至所述混氣加氣機；所述天然氣管束運氣車經對應的天然氣卸氣柱后通過管道和所述高壓天然氣儲氣瓶組連接；至少一臺天然氣壓縮機，連接對應的天然氣管束運氣車，用于將所述天然氣管束運氣車中的天然氣增壓輸送至所述混氣加氣機或所述高壓天然氣儲氣瓶組。
[0009]所述氫氣供氣系統包括:至少一輛氫氣管束運氣車，通過管道連接至所述混氣加氣機，所述每輛氫氣管束運氣車的下游管道上設有一氫氣卸氣柱；至少一組高壓氫氣儲氣瓶組，通過管道連接至所述混氣加氣機；所述氫氣管束運氣車經過對應的氫氣卸氣柱后通過管道和所述高壓氫氣儲氣瓶組連接；至少一臺氫氣壓縮機，連接對應的氫氣管束運氣車，用于將所述氫氣管束運氣車中的氫氣增壓輸送至所述混氣加氣機或所述高壓氫氣儲氣瓶組。
[0010]每臺所述混氣加氣機的管路部分包括:至少一路氫氣管路、至少一路天然氣管路和混合總管，所述每路氫氣管路上設有氫氣進口、氫氣過濾器、氫氣控制閥、氫氣質量流量計，所述每路天然氣管路上設有天然氣進口、天然氣過濾器、天然氣控制閥、天然氣質量流量計，所述混合總管下游連接高壓軟管和加氣槍，所述混合總管上設有壓力傳感器、壓力表和拉斷閥。
[0011]其中，所述SCADA系統包括:數據采集系統、安全監控系統、電氣電控系統，實時采集所有數據，自動計算及自動控制。
[0012]所述電氣電控系統包括:控制系統和人機交換界面，所述氫氣質量流量計、氫氣控制閥、天然氣質量流量計、天然氣控制閥、壓力傳感器的數據傳輸至所述控制系統，實現實時混合加注全設備一鍵式操作，并設有停止按鍵及急停按鈕，或通過人機交互界面手動點擊選擇不同加注模式進行手動加注。
[0013]所述安全監控系統，包括:可燃氣體泄漏報警器，在有氣體泄漏的情況下，上傳報警信號至電氣控制系統，自動停機切斷氣源并報警；防爆控制系統，保護電氣部分在爆炸性氣體危險環境下安全運行。
[0014]通過實時采集并保存系統的日常運行參數，如管束氫氣壓力、管束天然氣壓力、高壓天然氣儲罐壓力、壓縮機運行參數狀態、混氣機運行參數狀態、每次加注的氣量及混合百分比等，實現對系統信息的全局掌握和狀態分析；同時對系統內的可燃氣體濃度、氣體超溫、超壓狀態等進行日常監控，保障系統的安全運行。
[0015]其中，所述每路氫氣管路上設有氫氣放空閥，所述每路天然氣管路上設有天然氣放空閥；所述氫氣放空閥的出口和天然氣放空閥的出口均匯入一放空總管，所述放空總管上接有阻火器。
[0016]一種采用如上所述加氣站系統的加注方法，包括以下步驟:
[0017](I)通過所述混氣加氣機的自動控制，先把來自較低分壓氣體管束運氣車中的氣體通過卸氣柱向車載氣瓶中進行平衡加注，如滿足較低分壓氣體加注量的要求，則進行步驟(3)，否則進行步驟(2);
[0018](2)如不滿足較低分壓氣體加注量的要求，通過較低分壓氣體的高壓儲氣瓶組再對車載氣瓶進行加壓加注，或通過壓縮機將較低分壓氣體管束運氣車中的氣體加壓加注至車載氣瓶；
[0019](3)通過所述混氣加氣機的自動控制，按照天然氣和氫氣的混合比例的要求向車載氣瓶加注需要量的較高分壓氣體，先把來自較高分壓氣體管束運氣車的氣體通過卸氣柱向車載氣瓶中進行平衡加注，如達到目標加注量則結束加注，否則進行步驟(4);
[0020](4)如不滿足較高分壓氣體加注量的要求，通過較高分壓氣體的高壓儲氣瓶組再對車載氣瓶進行加壓加注，或通過壓縮機將較高分壓氣體管束運氣車中的氣體加壓加注至車載氣瓶，加注至目標加注量后結束加注。
[0021]所述較低分壓氣體加注體積與目標混合氣體體積的體積比為0-50% ;所述較高分壓氣體加注體積與目標混合氣體體積的體積比為50-100 %。當低分壓氣體加注體積與目標混合氣體體積的體積比為0，較高分壓氣體加注體積與目標混合氣體體積的體積比為100 %時，本發明方法是作為單氣源加注機使用。
[0022]本發明可以滿足任何比例的氫氣和天然氣混合加注方法，但是由于現有的被加注的設備氫氣和天然氣的混合比例控制要求，目前的市場運用需求和安全中，一般是控制氫氣加注體積與混合氣體體積的體積比小于30%，本發明方法中所述較低分壓氣體為氫氣，氫氣加注的體積與混合氣體體積的體積比小于30%。采用壓力比例相對較小的氫氣優先加注后再進行高比例壓力的天然氣加注，在車載氣瓶內實時混合。在錯層使用的同時考慮加注比例需求，能滿足經濟效益最大化。
[0023]當氫氣為較低分壓氣體時，所述加注方法包括以下步驟:
[0024](I)氫氣加注:通過所述混氣加氣機的自動控制，先把來自所述氫氣管束運氣車的氫氣，通過所述氫氣卸氣柱向車載氣瓶中進行平衡加注，如不滿足加注量的要求，再通過所述高壓氫氣儲氣瓶組進行加注，如仍然不滿足加注量要求，以所述氫氣管束運氣車作為氣源，通過所述氫氣壓縮機直接增壓加注車載儲氣瓶中至需要的氫氣量；
[0025](2)天然氣加注:通過所述混氣加氣機的自動控制，按照天然氣和氫氣的混合比例的要求向車載氣瓶加注需要量的天然氣，先把來自所述天然氣管束運氣車的天然氣，經過所述天然氣卸氣柱向車載氣瓶中進行平衡加注，如不滿足加注量的要求，再通過所述高壓天然氣儲氣瓶組進行加注，如仍然不滿足加注量的要求，把所述天然氣管束運氣車作為氣源，通過所述天然氣壓縮機直接增壓加注車載儲氣瓶直至需要的天然氣量。
[0026]本發明由于采用了上述技術方案，與現有技術相比具有以下有益效果:本發明天然氣和氫氣的高壓多功能加氣站系統可以調整天然氣供氣系統和氫氣供氣系統的數量，例如天然氣管束運氣車、氫氣管束運氣車、高壓天然氣儲氣瓶組、高壓氫氣儲氣瓶組都可以根據需要增加或減少，以滿足加注量的不同需求和加氣站的不同規模；其中的混氣加氣機集成了混氣與加氣功能，在混氣的同時實時進行加注，不僅能根據客戶的加注比例進行混合加注，而且在此過程中避免了先混氣儲存后加注的流程中可能會發生的混氣分層的可能性；并且其混合加注工藝可以不使用氫氣和天然氣先調整至相同壓力后再進行混合的方案，而使用低壓氫氣優先加注后再加注高壓天然氣的方法，使用控制系統調節氫氣與天然氣加注比例，有效的避免了能源浪費。
【附圖說明】
[0027]通過以下本發明的實施例并結合附圖的描述，示出本發明的其它優點和特征，該實施例以實例的形式給出，但并不限于此，其中:
[0028]圖1為本發明一種天然氣和氫氣的高壓多功能加氣站系統的一個較優實施例的結構示意圖。
[0029]圖2為圖1所示實施例中混氣加氣機的結構示意圖。
[0030]圖3為本發明一種氫氣及天然氣實時混合加注方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0031]如圖所示的天然氣和氫氣高壓混合加氣站系統，包括:天然氣管束運氣車1、氫氣管