随着加氢站的规划建设，研究者对加氢站的关键技术问题——多级充装、节流温升、充装温升、汽车储氢瓶技术参数展开研究，取得许多研究成果［1-4］。氢气充装和放散过程是加氢站主要的工艺过程。氢气充装分压缩机组充装和储罐充装。GB50516—2010《加氢站技术规范》第6.2.4条规定：“氢气压缩系统采用高增压方式直接向车载储氢罐充装氢气时，应对输送至储氢罐的氢气进行冷却。”高增压方式也称为压缩机组充装方式。针对压缩机组充装方式，对冷却氢气的作用的定量分析是必要的。随后，可以借鉴压缩机组充装的研究成果，对储罐充装过程做多元化的分析。研究内容有：在充装过程中，储氢罐、汽车储氢瓶氢气压力、温度随时间的变化，冷却器理论热流量随时间的变化；氢气在通过安全阀放散的过程中产生的温升。本文中的压力均指绝对压力。

　　压缩机组充装过程见图1，包括冷却过程和充入过程。本文中的压缩机组包括压缩机、中间冷却器、后冷却器等。压缩机抽吸储氢罐中的氢气，加压、冷却后，出压缩机组，此时氢气温度一般35℃左右。经过冷却器进一步冷却，使氢气温度由压缩机组出口温度降至充入温度（一般-40℃及以上，在充装过程中保持不变），充入氢能汽车储氢瓶。

　　①由于充装过程时间相对来说比较短，忽略汽车储氢瓶与周围环境的传热。忽略氢气的动能、位能变化。

　　②认为汽车储氢瓶内氢气是均匀的，具有相同的物性参数，如压力、温度、密度、比热力学能等。

　　⑤充装过程中，充入的氢气的质量流量恒定，温度恒定，即图1中节点2的温度恒定。

　　站内储罐同时均匀充装2辆氢能汽车，各辆氢能汽车储氢瓶的容积、初始压力和初始温度均相同。

　　汽车储氢瓶容积为0.122m3，公称工作所承受的压力70MPa，工作时候的温度下限-40℃，工作时候的温度上限85℃。充装氢气的质量流量为0.03kg/s。汽车储氢瓶氢气的初始压力为8MPa，初始温度为20℃。使用压缩机组进行充装，氢气压缩机组出口温度为35℃。

　　为了分析充装过程，暂不考虑汽车储氢瓶工作时候的温度上限的限制，充装结束条件设定为：汽车储氢瓶氢气压力达到70MPa。

　　时间步长取0.1s，氢气充入温度分别取-40℃、-15℃、10℃、35℃，根据式（1）~（3）进行计算。不同氢气充入温度下，汽车储氢瓶氢气压力、温度随时间的变化见图2、3。当氢气充入温度为-40℃时，冷却器理论热流量随时间的变化见图4。

　　由图2、3能够准确的看出，在充装结束条件仅为汽车储氢瓶氢气压力达到70MPa的情况下，随着氢气充入温度的升高，汽车储氢瓶氢气压力、温度的上升速率均增大；充装时间（从充装开始到达到充装结束条件的时间间隔）从118.6s降低至97.7s，变化幅度不大，仅20.9s；充装结束时汽车储氢瓶氢气温度从69.62℃升高到149.93℃，变化幅度很大，达到80.31℃。

　　在实际充装过程中，既要考虑汽车储氢瓶工作所承受的压力的限制，又要考虑工作时候的温度的限制。当汽车储氢瓶氢气温度达到工作时候的温度上限时，充装结束。不同氢气充入温度下充装结束时充装参数见表1。

　　从表1能够准确的看出，氢气充入温度对氢气充装质量影响很大，氢气充入温度为10℃时，氢气充装质量仅为氢气充入温度为-40℃时的27%。当氢气充入温度比较高时，汽车储氢瓶氢气压力远低于汽车储氢瓶公称工作所承受的压力时，氢气温度就达到了汽车储氢瓶工作时候的温度上限，充装过程结束。因此，设置冷却器，降低氢气充入温度，很有必要。同理，在储罐充装过程中，也应当对氢气进行冷却。

　　从图4能够准确的看出，冷却器理论热流量与时间近似成抛物线关系，随时间增大而增大，但幅度不大，仅为4%。

　　储罐充装过程见图5。站内储氢罐分为低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐。氢气从站内储氢罐导出，经过冷却器，降至合适的温度，经过质量流量控制阀（设在加氢机内），压力降低且温度上升后，温度达到充入温度（一般-40℃及以上，在充装过程中保持恒定），充入汽车储氢瓶。先使用低压储氢罐对汽车储氢瓶进行充装，当低压储氢罐与汽车储氢瓶的压差小于充装额定压差时，切换到中压储氢罐充装。当中压储氢罐与汽车储氢瓶的压差小于充装额定压差时，切换到高压储氢罐充装，直至充装结束。

　　储罐充装过程包括：站内储氢罐的导出过程、冷却和节流过程、汽车储氢瓶的充入过程。汽车储氢瓶（控制体A）的充入过程（包括充入过程的关系和计算流程）与压缩机组充装完全相同。

　　①由于充装过程时间相对来说比较短，忽略储氢罐、汽车储氢瓶与周围环境的传热。忽略氢气的动能、位能变化。

　　②认为储氢罐、汽车储氢瓶内氢气是均匀的，具有相同的物性参数，如压力、温度、密度、比热力学能等。

　　⑤导出氢气的质量流量、充入氢气的质量流量均等于充装氢气的质量流量，并且恒定。氢气充入温度即图5中节点3的温度恒定。

　　将站内储氢罐看成控制体B。在导出氢气过程中，具有一定比焓的氢气连续地流出控制体B，使得控制体B内氢气的比热力学能减小，氢气的压力、温度均下降。氢气流过冷却器的过程是等压冷却过程，比焓降低，温度降低。氢气流过质量流量控制阀的过程是一个节流过程，压力降低，温度有一定幅度的升高，质量流量控制阀前氢气的比焓与阀后氢气的比焓相等。将汽车储氢瓶看成一个控制体，记为控制体A。在充入氢气过程中，具有一定比焓的氢气连续地流入控制体A，使得控制体A内氢气的比热力学能、压力、温度均发生变化。

　　将充装时段分成若干个微元时段，将第k个微元时段的开始时刻记为k时刻，结束时刻记为k+1时刻。在每个微元时段内，导出过程存在关系：

　　站内储罐同时均匀充装2辆氢能汽车，各辆氢能汽车储氢瓶的容积、初始压力和初始温度均相同。汽车储氢瓶容积为0.122m3，公称工作所承受的压力70MPa，工作时候的温度下限-40℃，工作时候的温度上限85℃。充装氢气的质量流量为0.03kg/s。汽车储氢瓶初始压力为8MPa，初始温度为20℃。站内低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐的容积均为1m3，初始压力分别为30、60、90MPa，初始温度均为20℃。当汽车储氢瓶氢气压力达到70MPa时或氢气温度达到工作时候的温度上限时，充装结束。充入温度取-40℃。

　　根据式（5）、（6）、（9）进行计算，储罐充装过程中储氢罐、汽车储氢瓶氢气压力随时间的变化见图6，储氢罐、节点2、汽车储氢瓶氢气温度随时间的变化见图7，冷却器理论热流量随时间的变化见图8。

　　由图6能够准确的看出，随着氢气的导出，储氢罐氢气压力逐渐下降，压力曲线次阶跃是由低压储氢罐切换为中压储氢罐、中压储氢罐切换为高压储氢罐所致。汽车储氢瓶氢气压力逐渐上升，与图2中压缩机组充装充入温度为-40℃工况相同。

　　由图7能够准确的看出，随着氢气的导出，储氢罐氢气温度逐渐下降，温度曲线次阶跃是由低压储氢罐切换为中压储氢罐、中压储氢罐切换为高压储氢罐所致。随着充装的进行，节点2温度逐渐上升，中间出现的2次阶跃由储氢罐切换所致。从节点2到节点3是一个节流过程，由于控制节点3温度稳定在充入温度，因此随着节点2与节点3的压差的减小，节点2温度逐渐上升。汽车储氢瓶氢气温度逐渐上升，与图3中压缩机组充装充入温度为-40℃工况相同。

　　从图8能够准确的看出，冷却器理论热流量与时间近似成线性关系，随时间增大而减小，幅度达到26%~38%。理论热流量曲线次阶跃是由储氢罐切换所致。

　　当储氢罐超压时，氢气通过安全阀放散。放散过程是一个节流过程，安全阀前（以下简称阀前）氢气的比焓与安全阀后（以下简称阀后）氢气的比焓相等。在忽略放散管阻力的情况下，阀后氢气的压力等于大气压力（取101.325kPa），温度有某些特定的程度的升高，温度上升的幅度称为温升。在不同阀前温度条件下，氢气温升随阀前压力的变化见图9。

　　可见，在某一阀前温度下，氢气温升随阀前压力增大而增大，接近线性关系。在某一阀前压力下，氢气温升随着阀前温度的增大而增大。

　　结合实例，分析压缩机组充装工况不同氢气充入温度下汽车储氢瓶氢气压力和温度随时间的变化，某一氢气充入温度下冷却器理论热流量随时间的变化。分析储罐充装工况某一氢气充入温度下，储氢罐、汽车储氢瓶氢气压力和温度、冷却器理论热流量随时间的变化。分析氢气在通过安全阀放散的过程中产生的温升（简称氢气温升）。研究发现：

　　①氢气充入温度对充装质量影响很大，例如当汽车储氢瓶公称工作所承受的压力为70MPa时，氢气充入温度为10℃时氢气充装质量仅为氢气充入温度为-40℃时的27%。对充入汽车储氢瓶的氢气进行冷却使氢气充入温度处于较低水平，很有必要。

　　②在压缩机组充装工况下，冷却器理论热流量与时间近似成抛物线关系，随时间增大而增大，但幅度不大，仅为4%。在储罐充装工况下，冷却器理论热流量与时间近似成线性关系，随时间增大而减小，幅度达到26%~38%。

　　③在某一阀前温度下，氢气温升随阀前压力增大而增大，接近线性关系。在某一阀前压力下，氢气温升随着阀前温度的增大而增大。（来源：煤气与热力杂志）

　　［1］李磊.加氢站高压氢系统工艺参数研究（硕士学位论文）［D］.杭州：浙江大学，2007：23-24.

　　［2］朱旺.高压低温氢气流动特性研究（硕士学位论文）［D］.北京：中国运载火箭技术研究院，2019：38-42.

　　［3］王莹.70MPa车载储氢气瓶供氢系统及快充过程研究（硕士学位论文）［D］.大连大连理工大学，2019：39-41.

　　［4］李前.车用高压储氢气瓶法规标准研究［J］.石油和化工设备，2018（8）：46-48.

　　［5］李建勋.标准氢基本状态方程和热物性参数计算［J］.煤气与热力，2020，40（4）：B18-B20.