低碳轨道交通系统液氢加氢站的能耗优化研究

Energy Consumption Optimization of Liquid Hydrogen Refueling Station in Low-Carbon Rail Transit System

摘要

在全球绿色低碳转型背景下，燃料电池轨道交通车辆作为一种高效、低碳排放的交通工具，得到了广泛关注。聚焦低碳轨道交通发展需求，基于Aspen Plus平台构建液氢加氢站动态模型，采用Peng-Robinson状态方程精准模拟低温高压物性。通过分离少量液氢(1.5%)进行预冷，实现加氢前氢气快速降温，并收集液氢蒸发释放的冷量，为站内其他冷能系统提供支持。与气氢加氢站相比，液氢加氢站压缩能耗显著降低，冷能利用率更高。研究表明，液氢泵熵效率每提升10%，系统能耗可降低10%~17%，且泵能耗随加注流量线性变化，加注流量每增加200 kg/d，液氢泵能耗相应增加约2 kW。该研究为液氢加氢站设计优化和低碳轨道交通发展提供了新方法，通过显著降低运营成本推动绿色智能交通基础设施建设。

Abstract

Against the global backdrop of green and low-carbon transition, fuel cell rail transit vehicles have gained widespread attention as an efficient and low-carbon transportation mode. Addressing the development needs of low-carbon rail systems, a dynamic model of a liquid hydrogen refueling station was developed based on the Aspen Plus platform, using the Peng-Robinson equation for accurate simulation of cryogenic high-pressure properties. By separating a small amount (1.5%) of liquid hydrogen for precooling, rapid hydrogen cooling before refueling was achieved, and the cold energy released from liquid hydrogen evaporation was recovered to support other cryogenic systems within the station. Compared to gaseous hydrogen stations, the liquid hydrogen refueling station significantly reduced compression energy consumption and improved cold energy utilization. The results indicate that for every 10% increase in the liquid hydrogen pump’s entropic efficiency, system energy consumption decreases by 10%~17%, with pump energy consumption varying linearly with refueling flow rate—each additional 200 kg/d increasing energy consumption by approximately 2 kW. This study offers a new approach for the design optimization of liquid hydrogen refueling stations and the development of low-carbon rail transportation, contributing to green smart transport infrastructure through notable operational cost reduction.

Graphical abstract

关键词

低碳轨道交通系统 / 加注流程分析 / 液氢加氢站优化 / 能效与冷能利用 / 能耗对比

Key words

Low-Carbon Rail Transit System / Hydrogen Refueling Process Analysis / Liquid Hydrogen Refueling Station Optimization / Energy Efficiency and Cryogenic Energy Utilization / Energy Consumption Comparison

0　引言

轨道交通作为一种高效、低碳的运输方式，正在寻求更加绿色和可持续的发展模式。加氢站是氢能源在交通领域应用的关键环节^[1-4]。氢燃料电池动力系统应用于轨道交通车辆，替代传统内燃机或弓网受流系统，摆脱了沿线接触网供电系统，显著降低建设投资，因此受到了广泛的关注。与汽车相比，轨道交通车辆载氢量更大，且需要更高的加注速度。相对于目前主流的高压氢气加氢站，低温液氢(LH₂)加氢站以其储氢压力低、储氢密度大、站内能效高、纯度高、经济性好等多重优势受到广泛关注^[5-6]。随着《氢能汽车用燃料 液氢》(GB/T 40045—2021)、《液氢储存和运输技术要求》(GB/T 40060—2021)和《液氢生产系统技术规范》(GB/T 40061—2021)^[7-9]等国家标准的颁布，低温液氢的发展显著加速。

针对加氢站的核心环节——氢气加注流程，研究人员已开展了广泛的优化研究。Olmos等^[10]通过解析方法分析了级联加注系统中各部分氢的状态，并通过数学模型预测了氢气温度、压力和摩尔体积的变化；Farzaneh-Gord等^[11]和Sadi等^[12]比较了缓冲源加注与三级级联加注系统的熵增，发现级联加注系统的能量损失较小，但加注时间较长；Talpacci等^[13]研究了环境温度对级联加注系统能耗的影响，并提出了预冷系统的能耗及节能措施；Rothuizen等^[14-15]评估并优化了级联加注系统的总体能耗；Liu等^[16]致力于厘清影响大容量车载液氢瓶热导率的关键因素，为优化其热管理性能提供了重要参考。然而，这些研究主要针对高压氢气加氢站，尽管高压氢气加氢站具有效率高的优点，但其压缩能耗和预冷需求较高，且占地面积较大，限制了其广泛普及。

部分学者倾向于研究液氢加氢站，以探索更高能效、更高安全性和更高经济性的加氢模式。由于液氢需要低温储存且易挥发，液氢加氢站内的系统布局和控制策略与传统气体站存在显著差异。液氢通常储存在常压或低压(0.1~0.4 MPa)和深冷温度(约-253 ℃)的低温罐中^[17]。此外，由于环境热传递不可避免，液氢在加注路径上会发生汽化^[18-19]。Mayer等^[20]评估了不同加氢站架构的经济性，包括加氢的能源消耗、设备成本及运营成本；Bauer等^[21]针对液态和气态储存的加氢站之间的能量差异进行了评估，发现液氢加氢站的能耗远低于高压氢气加氢站；Shen等^[22] 针对液氢加注站的实际应用场景，探究了大规模液氢泄漏的扩散规律；Gong等^[23]提出了液氢加氢站的能源优化设计方案，重点关注降低运营成本和减轻潜在的环境影响，为加氢站的建设提供理论参考和实践指导。

利用流程模拟软件Aspen Plus建立并优化了液氢加氢站的整体加注模型，通过分离少量液氢进行预冷，实现加注前氢气快速降温，同时收集液氢蒸发释放的能量，为站内其他耗冷设备提供支持。研究为低碳轨道交通系统的规划和设计提供借鉴，助力轨道交通的绿色智能发展。

1　工艺流程建立

1.1　液氢加氢站的工艺流程

典型液氢加氢站工艺流程起始于液氢槽车将液氢输送至加氢站，并储存在站内液氢储罐中。随后，通过低温液氢泵增压至预定压力，并在蒸发器中将其转化为高压气态氢，然后存储于高压氢气储罐。在接收到氢气加注信号后，从储氢罐内取气，完成对用户燃料电池车辆的加注^[24]。

1.2　模型建立

Aspen Plus作为化工模拟中的常用软件，其提供了丰富的化工模型库，覆盖化学反应、传热、传质及设备等方面的模型，且整合了广泛的热力学和传热等方面基础数据，模拟结果被广泛验证，因此在化工领域得到了广泛应用。研究采用Aspen Plus进行建模，考虑到流程涉及低温和高压环境，选择Peng-Robinson(PR)真实气体状态预测流体热物性。

本次建模针对某加氢规模为600 kg/d的加氢站，传统液氢加注流程图如图1所示。流程中流体物性参数如表1所示。L1至L5分别表示前后2个不同设备间的流体，低温液氢(L1)经液氢泵加压(L2)后，随后通过蒸发器将其转化为高压氢气(L3)储存在站内氢气储罐。待加氢车辆进入站点后，储氢罐内的高压氢气经过减压阀减至35 MPa(L4)，再通过预冷系统后冷却至-40 ℃ (L5)加注到车载储罐中。

1.3　高压氢气加氢站和低温液氢加氢站能耗对比分析

为比较液氢加氢站与高压氢气加氢站在能耗方面的表现，对2种加氢站中最重要的能耗设备(液氢泵和压缩机)进行对比分析。高压氢气加氢站流程图如图2所示，氢气首先经长管拖车运至加氢站卸载至站内，随后通过压缩机压缩后，储存在高压氢气储罐内。在接收到氢气加注信号后，高压储氢罐中的氢气经过减压阀和预冷系统加注到车载储罐内，液氢加氢站流程图如图3所示。

加注流量是加压设备能耗的重要影响因素。研究分析了加注流量分别为600 kg/d，800 kg/d，1 000 kg/d，1 200 kg/d和1 400 kg/d 5种加注流量下压缩机与液氢泵的能耗的变化规律，压缩机和液氢泵能耗对比如图4所示。结果显示，35 MPa和70 MPa的加氢站均是压缩机能耗更多，能耗几乎是液氢泵能耗的3倍。压缩机通过压缩气体将其体积减小以增加气体压力，这一过程需要较多的能量。此外，压缩机在将气体压缩过程中会产生大量热量，造成能量转化的损失。相比之下，液氢泵压缩液态氢时能量损失相对较少。随着加注流量的增大，液氢泵与压缩机能耗的差距逐渐扩大。流程中不同流体的主要参数如表2所示。

2　结果与分析

2.1　预冷所需液氢量以及能耗分析

尽管已有研究表明分离部分加注液氢可降低预冷能耗，但预冷所需液氢的精确占比尚未明晰，研究首次通过系统性流程优化量化该关键参数。优化后液氢加注流程图如图5所示，创新设计的液氢加注流程集成三大技术环节：①微量液氢定向分离至预冷系统，使加注前氢气温度降至-40 ℃；②液氢储罐蒸发气冷能通过高效蓄冷装置回收，转化为站区系统的稳定冷源；③加注管路配置动态压力平衡单元，实现多车辆同步加注时的流量自适应调控。

不同用于预冷的液氢占比下预冷后的温度如图6所示，图6展示了不同预冷液氢占比下，液氢经预冷后的温度变化及其比热随温度的变化关系。结果表明，分离1.5%的液氢即可满足氢气预冷需求。随着预冷液氢占比的增加，预冷结束时的温度随之降低，其原因在于占比的增加直接导致了用于换热的液氢量增多。比热随温度变化如图7所示，图7中的物性计算数据来源于NIST数据库。

预冷温度可以影响氢气加注结束后的氢气温度和加注时间，较低的加注温度可以使氢气在更加困难的条件下加注，然而会增加预冷系统的能耗。本次研究中将氢气加注流量设置为1 000 kg/d，分析了此加注情况下将氢气分别预冷至-40 ℃，-30 ℃，-20 ℃和-10 ℃时预冷系统的能耗。

预冷能耗随预冷温度的降低而增加，且其增长呈非线性特征，即温度每降低10 ℃所带来的能耗增量并不相同。不同预冷温度下预冷能耗如图8所示。当预冷温度从-30 ℃降低到-40 ℃时，能耗的增加量为9.2 kW，能耗增加了20.17%；当预冷温度从-10 ℃降低到-20 ℃时，能耗的增加量为9.14 kW，能耗增加了33.47%，并且随着预冷温度逐渐上升，能耗的增加量逐渐减少。这是由于随着氢气预冷温度的升高，氢气比热的温度逐渐增大，然而随着氢气温度的升高，比热的增加速度逐渐减慢，因此出口比热和出口温度之积与进口比热和进口温度之积两者之间的差值逐渐减小，从而导致系统能耗的增加程度减小。

氢气加注过程中，另一主要能耗来源于氢气加注前的预冷，由于氢气加注过程时的温度通常保持在环境温度以上，而液氢加注时的温度主要维持在-40 ℃左右，因此相较于气态氢，液氢加注过程所需的预冷能量相对较少。不同加注流量下的预冷能耗如图9所示。

图9显示了液氢加氢站和高压氢气加氢站加注过程中预冷所需能耗的对比。结果表明，在2种加注流量条件下，高压氢气加注的预冷能耗均高于液氢加注。虽然加氢站内氢气储罐的氢气温度和压力条件相同，但2种加注流量下预冷能耗差距较小。这主要是由于在70 MPa加注条件下，减压阀需将储罐内90 MPa的氢气减压至70 MPa，导致氢气温升约7 ℃；而在35 MPa加注条件下，减压阀需将储罐内45 MPa的氢气减压至35 MPa，氢气温升约4 ℃。因此，这些差异导致2种加注流量下的预冷能耗差距较小。

2.2　液氢加氢站系统流程优化

本研究在液氢加氢站模型的基础上将用于液氢蒸发的冷量通过20 ℃的水作为蓄冷介质，液氢蒸发后均为-40 ℃为冷源条件，研究了蒸发器中可用于站内如空调等其他冷能系统的冷量。不同用于预冷的液氢占比下蒸发器供冷量如图10所示。图10表明，随着预冷液氢占比的提高，蒸发器中有更多冷量被释放，因此可供站内其他系统利用的冷量呈线性增长。由于冷源侧的液氢温度变化过程完全相同，加注过程只取决于液氢的量，因此蒸发器的供冷量随着用于预冷的液氢占比的增加呈线性增加。

2.3　液氢加注流程

2.3.1　等熵效率的影响

高效的液氢泵能够显著减少电能消耗，有效降低加氢站运营成本，从而提升其竞争力。本研究探讨了液氢泵效率对系统能耗和液氢泵出口温升的影响，并评估了其在加氢站性能优化中的关键作用。不同等熵效率下消耗电能的变化如图11所示。

图11展示了不同等熵效率下电能消耗和液氢泵温升的关系。随着等熵效率的提升，电能消耗和加压后的液氢温度均逐渐降低。此外，随着等熵效率的增加，电能消耗的降低幅度逐渐减小。等熵效率每提高10%，电能消耗降低10%~17%，相应的每千克氢气的电能消耗量减少0.01 (kW·h)/kg，加压结束后的液氢温度降低4~10 ℃。在效率较低时，小幅度的效率提升可带来显著的节能效果；由于高效率意味着系统已接近理论极限，因此其进一步的能效提升空间及节能潜力均会显著降低。此外，高效的液泵更有效地将能量转化为氢气内部的压力能，减少能量和热量损失，从而实现更低的加压后液氢温度。

2.3.2　液氢流量的影响

大规模加氢站的建设与运营能够有效满足不断增长的氢能需求，并在技术、经济和政策层面上取得更为显著的效益。因此研究加氢站规模对能耗的影响，并对比了5种加注流量下加注过程中的能耗。此外，为说明消耗的电能与氢气可提供热量的关系，同液氢流量下各设备的电能消耗如图12所示。

氢气的可释放能量公式计算如下。

Q_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}=L_{\mathrm{H}\mathrm{H}\mathrm{V}}\times n_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}(1)

式中：L_HHV表示高热值，氢气的高热值为283.85 kJ/mol^[25]；n_H2表示产生的氢气的摩尔流量。

结果显示，随着液氢流量的增加，液氢泵的能耗和氢气的可释放能量均呈线性增长。液氢流量每增加200 kg/d，液氢泵的能耗会增加约2 kW，氢气的可释放能量增加约328 kW。此外，液氢泵的能耗相较于氢气所能释放的总能量，占比仅为1%左右。

2.3.3　环境温度的影响

预先分离的低温液氢会通过管道与环境进行热量交换，本次模拟中，液氢的管道长度设置为10 m，传热系数设置为10 W/(m²·K)，不同环境温度液氢分离比和管道换热量如图13所示。

结果显示，随着环境温度的升高，预冷能耗所需的液氢量逐渐增多，同时与外界的换热量也增加。环境温度每上升10 ℃，所需的液氢比例增加0.2%，液氢与外界的换热量增加0.1 kW。这是由于环境温度的升高，增大了液氢与空气之间的温差，促进了对流换热；另外，由于换热量的增大，液氢经过管道后的损失增加，因此需要更多的液氢来实现对氢气的有效预冷。

3　结束语

研究建立液氢加氢站的整体加注模型，对比气氢和液氢加氢站在系统能耗上的差异，分析加注参数的影响，并提出优化的整体加注流程，形成如下结论。①液氢加氢站的压缩能耗仅为气氢站的1/3，且通过分离少量液氢(1.5%)即可实现预冷，同时可为站内空调等系统提供800 kW以上的冷能。管道分析表明，氢气换热量与预冷温差成正比，压降与流段长度呈线性关系。②液氢泵等熵效率每提高10%，电能消耗减少10%~17%，氢气温度降低4~10 ℃。液氢流量每增加200 kg/d，泵能耗增加约2 kW，蒸发器能耗上升17%~33%。③液氢泵能耗与氢气可释放能量均随流量线性增长，在当前研究范围内，流量每增加200 kg/d，泵能耗约增加2 kW。④随着环境温度的升高，预冷能耗所需的液氢量逐渐增多，同时与外界的换热量也增加。环境温度每上升10 ℃，所需的液氢比例增加0.2%，液氢与外界的换热量增加0.1 kW。

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