CN201218417Y

CN201218417Y - 一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制***

Info

Publication number: CN201218417Y
Application number: CNU2008201201328U
Authority: CN
Inventors: 郑津洋; 杨健; 赵磊; 唐萍; 徐平; 叶建军
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2018-06-27

Abstract

本实用新型涉及一种加氢优化控制***，旨在提供一种加氢站高效加氢的三级加注优化***，包括：储氢容器、充气阀、压力传感器、氢气分配器、流量计和单向阀，充气阀、氢气分配器、单向阀依次连接至车载储气瓶；其特征在于，所述储氢容器是三级压力的储罐，包括低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器，分别通过各自的控制阀门cv1、cv2、cv3连接至充气阀；还包括一个程序控制器，压力传感器连接氢气分配器和程序控制器，流量计的测量点位于氢气分配器和单向阀之间，并通过信号线连接至程序控制器，程序控制器通过信号线与低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器各自的控制阀门cv1、cv2、cv3连接。

Description

一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制***

技术领域

本实用新型涉及一种加氢优化控制***，更具体的说，是涉及加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其***。

背景技术

在燃料电池汽车推向市场的过程中，目前至少有3个主要的技术壁垒需要克服：(1)小型、轻量、廉价和高效的燃料电池发动机的集成；(2)高储存量车载储氢罐的设计；(3)氢气加注设施的开发和加氢站的建设。发展至今，后者更为关键。目前，氢加注***建设主要有二大发展趋势：(1)加注气态氢的高参数化，即将车载容器贮氢压力增加到最高经济压力70MPa，以提高氢能汽车的续驶里程；(2)液氢加注方案，液氢燃料供应***具有体积密度高、压力低等优点。但液化储氢存在二大难点：一是液化能耗大；二是液氢的蒸发损失比较严重，存在安全隐患。因此，目前国内外的加氢站研究更为关注的是高压气态加氢，由此引出高取气率序列取气和快速加注控制策略研究。

直接与加氢站控制有关的技术进展，目前主要是对加注***组成及控制硬件进行的研究，如同济大学在汽车用氢燃料加氢站***配置的研究中，给出了加氢站中氢气的压缩***、储存***和加注机等的控制***设计方法；北京航天试验技术研究所则给出了加气机中使用的阀门、流量计、加***、拉断阀和接头等控制硬件的性能要求。中国专利CN200610088913.9针对加氢站提出了一种快速充装氢气的制氢加氢站***及其方法，其加注***通过使用40MPa储氢容器及75MPa超高压储氢容器的二级加注，来提高氢气的利用率和充装速度。而且，采用此专利其已研制成功国内第一台氢加注机，可对压力、温度、流量、流速实时计量，自动收费，同时对车载气瓶的压力、温度、应力变化进行监控，可耐压45-75MPa，安全保护装置齐备。但此方法只包含对各种参数进行监控，并没有加注过程的优化控制。中国专利CN200710098598.2则给出了一种车厢内设有依次连通的紧缩型水电解设备、低压储氢罐组、专用氢气压缩机、高压储氢罐组以及氢气售气机等组成的专用车载制氢加氢站。总之，目前国内尚无关于高压加氢过程中同时实现高取气率序列取气和快速加注的优化控制***的报道。

实用新型內容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种加氢站高效加氢的三级加注优化***。

为了解决以上问题，本实用新型是通过如下技术方案实现。

本实用新型提供了一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制***，包括：储氢容器、充气阀、压力传感器、氢气分配器、流量计和单向阀，充气阀、氢气分配器、单向阀依次连接至车载储气瓶；其特征在于，所述储氢容器是三级压力的储罐，包括低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器，分别通过各自的控制阀门cv1、cv2、cv3连接至充气阀；还包括一个程序控制器，压力传感器连接氢气分配器和程序控制器，流量计的测量点位于氢气分配器和单向阀之间，并通过信号线连接至程序控制器，程序控制器通过信号线与低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器各自的控制阀门cv1、cv2、cv3连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

利用本控制***可对氢气的利用率和加注时间同时进行优化，能确保高的氢气利用率的同时，较大地缩短加注时间；可以根据不同的加注参数及要求，产生不同的优化加注方式；使加注过程简单、直接并易于操作。

附图说明

图1是加氢站的加注***流程示意图；

图2是加注***优化控制方法流程图。

图中附图标记：1储气罐、2充气阀、3压力传感器、4氢气分配器、5流量计、6单向阀、7车载储气瓶、8程序控制器、低压储氢容器控制阀门cv1、中压储氢容器控制阀门cv2、高压储氢容器控制阀门cv3。

具体实施方式

结合附图，下面通过具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型中的程序控制器8可选用西门子公司生产的PLC型号为S7-400的产品。在程序控制器8中内置有软件，该软件体现了一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法，包括以下步骤：

(1)获取低压、中压和高压储氢容器及车载气瓶中的氢气初始状态参数，并设定：

V₁：代表第i次加注前的低压储氢容器的容积；

V₂：代表第i次加注前的中压储氢容器的容积；

m、V：分别代表车载气瓶额定充装质量、容积；

m₀：加注前车载气瓶内的氢气质量；

x_i、y_i、z_i：分别代表第i次加注时低压、中压和高压储氢容器的取气质量；

m_1i、m_2i、m_3i：分别代表第i次加注前低压、中压和高压储氢容器中的氢气质量；

h_i：第i次加注时的取气次序标志，对于三级加注来说共有6种加注次序，h_i＝1，表示按低-中-高的次序取气；h_i＝2，表示按低-高-中的次序取气；h_i＝3，表示按中-低-高的次序取气；h_i＝4，表示按中-高-低的次序取气；h_i＝5，表示按高-低-中的次序取气；h_i＝6，表示按高-中-低的次序取气；

n(i)：第i次加注过程下可充装的车载气瓶数量；

n_max：在一定加注时间约束下，可充装的车载气瓶数量的最大值；

x_平衡：加注到储氢容器跟车载气瓶压力平衡时向车载气瓶中充装的质量；

t_k：约束时间，表示搜索过程中设定的时间最大值，用这个约束时间作为判断标准，来判断搜索到的加注方式所用的加注时间是否小于该约束时间，只有小于该约束时间的加注方式才可用；

P：储氢容器压力，是计算流量系数时设定的一个压力参数，不具体代表哪个储氢容器，泛指储氢容器的压力，即一个储氢容器压力对应于一个流量系数；

q、q_f：分别代表等熵流动状态下的质量流量和实际摩擦流动状态下的质量流量；

C_d：流量系数，C_d＝q_f/q；

q_s、q_fs：分别代表等熵流动临界状态下的质量流量与摩擦流动临界状态下的质量流量；

q_a：代表加注开始时的质量流量；

代表加注过程中车载气瓶与先取气的储氢容器的压力比；

分别代表先取气的储氢容器加注过程中达到等熵流动临界状态时及摩擦流动临界状态时车载气瓶与储氢容器的压力比；

m_s、m_fs：分别代表加注过程中达到等熵流动临界状态时先取气的储氢容器为车载气瓶充入的氢气质量、加注过程中达到摩擦流动临界状态时先取气的储氢容器为车载气瓶充入的氢气质量；

t₁：为先取气的储氢容器向车载气瓶加注质量为x的氢气所用的时间；

x_1充：为某时间下，先取气的储氢容器已经为车载气瓶充入的氢气质量；

t_min：代表整个加注过程只充装一个车载气瓶时，所用的最短时间；

t_max：代表不考虑加注时间约束时，氢气利用率最高的加注过程中最慢一次加注所用时间；

N_max：代表不考虑加注时间约束时，所能充装的最大车载气瓶数；

i：表示加注第i个车载气瓶的标志；

(2)将区间t_min至t_max之间按照等分的原则取r个值，确定r个约束时间t_k，对每一个约束时间t_k进行一次加注过程的优化，搜索获取各个约束时间下的氢气利用率最高的加注过程，即可充装的车载气瓶数最多的最优加注过程；

(3)开始时i＝1，此时低压、中压、高压储氢容器的状态为第一次加注前的状态，根据以下氢气状态方程得到初始质量m₁₁、m₂₁、m₃₁：

pV＝mRT(1+αp/T)(α＝1.9155×10^-6，R＝4124.3)

对第一个车载气瓶加注时，如果按低——中——高的取气次序取气，则低压储氢容器与车载气瓶达到压力平衡时充入的气体质量x_1平衡为：

低压储氢容器的取气质量范围为此时将取气质量区间分为若干等分，x₁的实际取值范围为各个等分点构成的集合；

对于低压储氢容器的每一个取气质量值，中压储氢容器进行加注时，达到压力平衡时充入的氢气质量为：

中压储氢容器的取气质量范围为

此时将取气质量区间分为若干等分，y₁的实际取值范围为各个等分点构成的集合；

当低压、中压储氢容器的取气质量均已确定时，高压储氢容器的取气质量为z₁＝m-x₁-y₁；对第1个车载气瓶加注时，每一个x₁和y₁值对应于加注该车载气瓶时的一种组合；

(4)对每一种取气质量组合，判断六种取气次序是否可能实现：

对第二步取气的储氢容器判断其加注完毕后压力是否高于车载气瓶的压力，如果是，则此种取气序列不能实现；否则，判断最后取气的储氢容器加注完毕后压力是否高于车载气瓶额度充装压力，如果是，则该取气次序可能实现，否则，该取气次序不能实现；

(5)对于可能实现的取气次序，计算各自的加注时间，其方法如下：

将加注软管之前的管路假定为直径逐渐减小的等熵喷管，将加注软管假定为有摩擦的直管，实际管路***中氢气的流动状态为摩擦流动；

分别在等熵流动状态下和摩擦流动状态下计算储氢容器压力为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa时车载气瓶压力从0到储氢容器压力之间变化时的流量q和q_f，得到流量系数C_d，然后对各储氢容器压力下的流量系数按最小二乘法原则拟合为四次曲线；实际某压力下的流量系数的计算，举以下例子说明：储氢容器压力在0-10MPa，其流量系数取10MPa下的流量系数。其它压力下的流量系数取法相同；

0-70MPa之间，摩擦流动临界状态下的压力比和车载气瓶与储氢容器压力的比，两者相差很小，可以统一取40MPa时临界状态下的压比；计算某储氢容器压力下等熵流动状态下的临界压力比步骤如下：在0-70MPa之间，每隔5MPa取一个压力值，计算出等熵流动临界状态时的压力比，再作出

曲线，然后对曲线按最小二乘法进行二次拟合，最后，通过拟合得到的多项式计算等熵流动状态下的质量流量；

当压力比小于或等于实际管路***的临界压比

时，质量流量恒定，按摩擦流动方程计算；当压力比

大于摩擦流动临界状态时的压力比

时，流量按如下公式计算：q_f＝C_dq；

对于先取气的储氢容器来说，如果加注开始时充气结束时

那么先求出该储氢容器的初始压力和加注结束后的压力，然后求出初始质量流量q_a和加注结束时的质量流量q_b，

t_{1} = \frac{2 x}{q_{a} + q_{b}};

如果加注开始时

加注结束时那么分两段求取时间t₁，求出

时的质量流量q_fs及加注结束时的质量流量q_b，

t_{1} = \frac{2 m_{fs}}{q_{a} + q_{fs}} + \frac{2 (x - m_{fs})}{q_{fs} + q_{b}};

如果加注开始时加注结束时那么分四段求取充气时间，其中，计算中所用的及m_s为初始压力p_i下求出的等熵流动状态下的临界压力比；将后面的时间质量流量曲线按充气质量等分的原则，处理为两段直线，

t_{1} = \frac{2 m_{fs}}{q_{a} + q_{fs}} + \frac{2 (m_{s} - m_{fs})}{q_{fs} + q_{s}} + \frac{(x - m_{s})}{q_{s} + q_{b}} + \frac{(x - m_{s})}{q_{b} + q_{c}},

其中，q_b为等分点x_1充＝m_s+0.5(x-m_s)时的质量流量，q_c为加注结束时的质量流量；如果加注开始时

加注结束时

t_{1} = \frac{2 x}{q_{a} + q_{b}},

q_a及q_b分别为加注开始和加注结束时的质量流量；如果加注开始时

加注结束时

那么分三段计算充气时间，

t_{1} = \frac{2 m_{s}}{q_{a} + q_{s}} + \frac{(x - m_{s})}{q_{s} + q_{b}} + \frac{(x - m_{s})}{q_{b} + q_{c}},

q_b为等分点的质量流量，q_c为加注结束时的质量流量；如果，加注开始时

那么

t_{1} = \frac{2 x}{q_{a} + q_{b}},

q_b为加注结束时的质量流量；

后取气的两个储氢容器加注时间的计算方法与先取气的储氢容器相同，对此车载气瓶总的加注时间为分别从三个储氢容器中取气的加注时间之和；

(6)选择加注时间最短的那种取气次序：

判断最短的加注时间是否小于或等于约束时间，即是否满足t_i≤t_k；如果满足，则令加注标志n(i)＝i，根据氢气的状态方程获取各储氢容器加注后的状态参数作为加注第二个车载气瓶时的初始状态，计算出各组储氢容器取气质量的取值范围，进行第二次加注的运算；如果不满足，则继续第一次加注过程的循环搜索，搜索此加注过程中其他的取气质量组合，作同样的判断；

(7)根据第一次加注完毕获得出的加注第二个车载气瓶时的初始状态以及各储氢容器取气质量的取值范围，进行第二次加注的搜索，其方法与第一次加注的搜索相同；

(8)由前面的加注过程逐步向后搜索直到所有的循环搜索全部完成，对于第i个车载气瓶加注过程中的某种组合如果能够充满车载气瓶并满足时间上的要求，那么就令加注标志n(i)＝i，n(i)的初始值为0；并记录下该次及该次以前的加注过程中各组储氢容器的取气质量及取气次序；最后求出数组n(i)，中的最大值——即n_max，i＝1:N_max，并由程序控制器根据n_max对应的为各车载气瓶加注时各储氢容器的取气质量及取气次序向阀门控制装置输出控制信号。

以下根据加氢站具体的加注参数，用本控制方法实现的实例，并对优化后的具体加注过程进行了详细说明：

实例1

对加氢站进行三级加注优化计算，其中低压储氢容器容积V₁＝0.6m³，压力P₁＝42MPa；中压储氢容器容积V₂＝0.4m³，压力P₂＝45MPa；高压储氢容器容积V₃＝0.2m³，压力P₃＝70MPa；设定车载气瓶容积V＝0.15m³，充满气后的压力P＝35MPa，每次充气前的初始压力P₀＝2MPa。

根据上述控制方法，进行编程求解，获得控制方法的非劣解。而后，根据过程优化的目的和实际要求从其中选出最优解，编制成具体的实际操作控制步骤。

其中控制方法的非劣解如表1所示。

其中，t为本加注方式下，充满一辆车所用的最长的时间。

由上表可以根据不同的加注要求，来选择不同的加注方式。为了同时达到高的氢气利用率和快速充气的目的，现以充气时间为242s，充气罐数为6罐的方式为最佳。

其中，氢气利用率可以通过以下公式计算：

η = \frac{mn}{M} = 55.12 % .

式中m为车载气瓶规定的充气质量，n为实际可充装的气瓶数量，M为各储氢容器的氢气总质量。氢气质量的计算方法：

m = \frac{PV}{R (T + αP)};

P为压力，单位Pa；V为容积，单位m³；R＝4124.3.3，T＝293.15K，α＝1.9155×10^-6。

将以上结果对应的加注方式编入程序控制器，通过程控器来实现对加注过程中阀门的切换和优化控制。

根据本控制方法得到的优化加注方式的具体操作步骤如下：

a)开始第一辆车的充气，由程序控制器控制开启阀门2，并打开cv1先利用低压组的储气罐进行充气，当流量计5的流量达到3.0750kg时，低压组储气罐的阀门cv1关闭，中压组储气罐cv2的阀门打开，此时当流量计5测试的流量达到0.2141kg时，切断中压组储气罐cv2的阀门，此时车载储气瓶充满。关闭阀门2完成第一辆车的充气过程；

b)开始第二辆车的充气，由程序控制器控制开启阀门2，并打开cv1先利用低压组的储气罐进行充气，当流量计5的流量达到2.4600kg时，低压组储气罐的阀门cv1关闭，中压组储气罐cv2的阀门打开，此时当流量计5测试的流量达到0.8291kg时，切断中压组储气罐cv2的阀门，此时车载储气瓶充满。关闭阀门2完成第二辆车的充气过程；

c)接下来的车辆按照此方法，根据程序控制器设定好的程序来进行充气。

实例2

加氢站低压组固定容器容积V₁＝0.6m³，压力P₁＝42MPa，中压组固定容器容积V₂＝0.4m³，压力P₂＝70MPa，高压组固定容器容积V₃＝0.2m³，压力P₃＝70MPa，设定车载气瓶容积V＝0.15m³，充满气后的压力P＝35MPa，每次充气前的初始压力P₀＝2MPa。

根据本控制方法，可以得到以上几种加注方式。根据具体的加注要求可确定最佳方式，如当充气为8个罐的时候，其氢气利用率为

η = \frac{m \times n}{M} = 65.47 %,

而当充气为7个罐的时，氢气利用率为

η = \frac{m \times n}{M} = 57.92 % .

为了同时具有较短的充气时间和高取气率，优先选用充气时间为181s，利用率为57.92％的加注方式，其与平衡加注方式相比可节省充气时间近50％。另外，在利用率均为57.92％的几种加注方式中，可以明显地观察到，所用时间最短，即181s，那种加注方式中，存在加注罐顺序的改变。如在此加注方式中，在充装第6罐的时候不是采用低-中-高的加注顺序，而是直接用中-高充气，到第7罐又恢复到低-中-高的加注顺序。可见，由于存在这种加注次序的自动切换，可以在相同利用率的情况下使其加注时间明显缩短。由于现在给出的实例中，只是***一轮次加注过程，实际中，通过压缩机补气，采用的是多轮次加注。因而，当加注车辆更多时，采用本方法来改变加注次序并同时实现高利用率和缩短加注时间的效果将会更加突出。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims

1、一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制***，包括：储氢容器、充气阀、压力传感器、氢气分配器、流量计和单向阀，充气阀、氢气分配器、单向阀依次连接至车载储气瓶；其特征在于，所述储氢容器是三级压力的储罐，包括低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器，分别通过各自的控制阀门(cv1)、(cv2)、(cv3)连接至充气阀；还包括一个程序控制器，压力传感器连接氢气分配器和程序控制器，流量计的测量点位于氢气分配器和单向阀之间，并通过信号线连接至程序控制器，程序控制器通过信号线与低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器各自的控制阀门(cv1)、(cv2)、(cv3)连接。