[發明專利]一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法及其系統

有效

• 申請號: 200810063584.1
• 申請日: 2008-06-27
• 公開（公告）號: CN101315545A
• 公開（公告）日: 2008-12-03
• 發明（設計）人: 鄭津洋;楊健;趙磊;唐萍;徐平;葉建軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;F17C5/04
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司
• 代理人: 唐銀益

1.一種加氫站高效加氫的三級氫氣加注系統，包括：儲氫容器、充氣閥、壓力傳感器、氫氣分配器、流量計和單向閥，充氣閥、氫氣分配器、單向閥依次連接至車載儲氣瓶；其特征在于，所述儲氫容器是三級壓力的儲罐，包括低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器，分別通過各自的控制閥門(cv1、cv2、cv3)連接至充氣閥；還包括一個程序控制器，壓力傳感器連接氫氣分配器和程序控制器，流量計的測量點位于氫氣分配器和單向閥之間，并通過信號線連接至程序控制器，程序控制器通過信號線與低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器各自的控制閥門(cv1、cv2、cv3)連接；

所述三級氫氣加注系統，其優化的氫氣加注控制通過以下方法實現：

(1)獲取低壓、中壓和高壓儲氫容器及車載氣瓶中的氫氣初始狀態參數，并設定：

V₁：代表第i次加注前的低壓儲氫容器的容積；

V₂：代表第i次加注前的中壓儲氫容器的容積；

m、V：分別代表車載氣瓶額定充裝質量、容積；

m₀：加注前車載氣瓶內的氫氣質量；

x_i、y_i、z_i：分別代表第i次加注時低壓、中壓和高壓儲氫容器的取氣質量；

m_1i、m_2i、m_3i：分別代表第i次加注前低壓、中壓和高壓儲氫容器中的氫氣質量；

h_i：第i次加注時的取氣次序標志，對于三級加注來說共有6種取氣次序，h_i＝1，表示按低-中-高的次序取氣；h_i＝2，表示按低-高-中的次序取氣；h_i＝3，表示按中-低-高的次序取氣；h_i＝4，表示按中-高-低的次序取氣；h_i＝5，表示按高-低-中的次序取氣；h_i＝6，表示按高-中-低的次序取氣；

n(i)：第i次加注過程下可充裝的車載氣瓶數量；

n_max：在一定加注時間約束下，可充裝的車載氣瓶數量的最大值；

x_平衡：加注到儲氫容器跟車載氣瓶壓力平衡時向車載氣瓶中充裝的質量；

t_k：約束時間，表示搜索過程中設定的時間最大值，用這個約束時間作為判斷標準，來判斷搜索到的加注方式所用的加注時間是否小于該約束時間，只有小于該約束時間的加注方式才可用；

P：儲氫容器壓力，是計算流量系數時設定的一個壓力參數，不具體代表哪個儲氫容器，泛指儲氫容器的壓力，即一個儲氫容器壓力對應于一個流量系數；

q、q_f：分別代表等熵流動狀態下的質量流量和實際摩擦流動狀態下的質量流量；

C_d：流量系數，C_d＝q_f/q；

q_s、q_fs：分別代表等熵流動臨界狀態下的質量流量與摩擦流動臨界狀態下的質量流量；

q_a：代表加注開始時的質量流量：

代表加注過程中車載氣瓶與先取氣的儲氫容器的壓力比；

分別代表先取氣的儲氫容器加注過程中達到等熵流動臨界狀態時及摩擦流動臨界狀態時車載氣瓶與儲氫容器的壓力比；

m_s、m_fs：分別代表加注過程中達到等熵流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量、加注過程中達到摩擦流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量；

t₁：為先取氣的儲氫容器向車載氣瓶加注質量為x的氫氣所用的時間；

x_1充：為某時間下，先取氣的儲氫容器已經為車載氣瓶充入的氫氣質量；

t_min：代表整個加注過程只充裝一個車載氣瓶時，所用的最短時間；

t_max：代表不考慮加注時間約束時，氫氣利用率最高的加注過程中最慢一次加注所用時間；

N_max：代表不考慮加注時間約束時，所能充裝的最大車載氣瓶數；

i：表示加注第i個車載氣瓶的標志；

(2)將區間t_min至t_max之間按照等分的原則取r個值，確定r個約束時間t_k，對每一個約束時間t_k進行一次加注過程的優化，搜索獲取各個約束時間下的氫氣利用率最高的加注過程，即可充裝的車載氣瓶數最多的最優加注過程；

(3)開始時i＝1，此時低壓、中壓、高壓儲氫容器的狀態為第一次加注前的狀態，根據以下氫氣狀態方程得到初始質量m₁₁、m₂₁、m₃₁：

pV＝mRT(1+αp/T)，其中α＝1.9155×10^-6，R＝4124.3，T＝293.15K

對第一個車載氣瓶加注時，如果按低——中——高的取氣次序取氣，則低壓儲氫容器與車載氣瓶達到壓力平衡時充入的氣體質量x_1平衡為：

低壓儲氫容器的取氣質量范圍為此時將取氣質量區間分為若干等分，x₁的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；

對于低壓儲氫容器的每一個取氣質量值，中壓儲氫容器進行加注時，達到壓力平衡時充入的氫氣質量為：中壓儲氫容器的取氣質量范圍為此時將取氣質量區間分為若干等分，y₁的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；

當低壓、中壓儲氫容器的取氣質量均已確定時，高壓儲氫容器的取氣質量為z₁＝m-x₁-y₁；對第1個車載氣瓶加注時，每一個x₁和y₁值對應于加注該車載氣瓶時的一種組合；

(4)對每一種取氣質量組合，判斷六種取氣次序是否可能實現：

對第二步取氣的儲氫容器判斷其加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶的壓力，如果是，則此種取氣序列不能實現；否則，判斷最后取氣的儲氫容器加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶額度充裝壓力，如果是，則該取氣次序可能實現，否則，該取氣次序不能實現；

(5)對于可能實現的取氣次序，計算各自的加注時間，其方法如下：

將加注軟管之前的管路假定為直徑逐漸減小的等熵噴管，將加注軟管假定為有摩擦的直管，實際管路系統中氫氣的流動狀態為摩擦流動；

分別在等熵流動狀態下和摩擦流動狀態下計算儲氫容器壓力為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa時車載氣瓶壓力從0到儲氫容器壓力之間變化時的流量q和q_f，得到流量系數C_d，然后對各儲氫容器壓力下的流量系數按最小二乘法原則擬合為四次曲線；

0-70MPa之間，摩擦流動臨界狀態下的壓力比和車載氣瓶與儲氫容器壓力的比，兩者相差很小，可以統一取40MPa時臨界狀態下的壓比；計算某儲氫容器壓力下等熵流動狀態下的臨界壓力比步驟如下：在0-70MPa之間，每隔5MPa取一個壓力值，計算出等熵流動臨界狀態時的壓力比，再作出P-曲線，然后對曲線按最小二乘法進行二次擬合，最后，通過擬合得到的多項式計算等熵流動狀態下的質量流量；

當壓力比小于或等于實際管路系統的臨界壓比時，質量流量恒定，按摩擦流動方程計算；當壓力比大于摩擦流動臨界狀態時的壓力比時，流量按如下公式計算：q_f＝C_dq；

對于先取氣的儲氫容器來說，如果加注開始時充氣結束時那么先求出該儲氫容器的初始壓力和加注結束后的壓力，然后求出初始質量流量q_a和加注結束時的質量流量q_b，如果加注開始時加注結束時那么分兩段求取時間t₁，求出時的質量流量q_fs及加注結束時的質量流量q_b，如果加注開始時加注結束時那么分四段求取充氣時間，其中，計算中所用的及m_s為初始壓力p_i下求出的等熵流動狀態下的臨界壓力比；將后面的時間質量流量曲線按充氣質量等分的原則，處理為兩段直線，其中，q_b為等分點x_1充＝m_s+0.5(x-m_s)時的質量流量，q_c為加注結束時的質量流量；如果加注開始時加注結束時q_a及q_b分別為加注開始和加注結束時的質量流量；如果加注開始時加注結束時那么分三段計算充氣時間，q_b為等分點的質量流量，q_c為加注結束時的質量流量；如果，加注開始時那么q_b為加注結束時的質量流量；

后取氣的兩個儲氫容器加注時間的計算方法與先取氣的儲氫容器相同，對此車載氣瓶總的加注時間為分別從三個儲氫容器中取氣的加注時間之和；

(6)選擇加注時間最短的那種取氣次序：

判斷最短的加注時間是否小于或等于約束時間，即是否滿足t_i≤t_k；如果滿足，則令加注標志n(i)＝i，根據氫氣的狀態方程獲取各儲氫容器加注后的狀態參數作為加注第二個車載氣瓶時的初始狀態，計算出各組儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的運算；如果不滿足，則繼續第一次加注過程的循環搜索，搜索此加注過程中其他的取氣質量組合，作同樣的判斷；

(7)根據第一次加注完畢獲得出的加注第二個車載氣瓶時的初始狀態以及各儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的搜索，其方法與第一次加注的搜索相同；

(8)由前面的加注過程逐步向后搜索直到所有的循環搜索全部完成，對于第i個車載氣瓶加注過程中的某種組合如果能夠充滿車載氣瓶并滿足時間上的要求，那么就令加注標志n(i)＝i，n(i)的初始值為0；并記錄下該次及該次以前的加注過程中各組儲氫容器的取氣質量及取氣次序；最后求出數組n(i)中的最大值——即n_max，i＝1∶N_max，并由程序控制器根據n_max對應的為各車載氣瓶加注時各儲氫容器的取氣質量及取氣次序向閥門控制裝置輸出控制信號。