[发明专利]一种拖车供氢型加氢站压缩与储气系统优化配置方法

权利要求书

1.一种拖车供氢型加氢站压缩与储气系统优化配置方法，所述拖车供氢型加氢站包括拖车充放氢控制盘、压缩机、站内高压储罐组、优先充气控制盘、顺序取气控制盘、加氢机、预冷器以及为预冷器提供冷量的制冷循环系统，利用长管拖车充氢，并能对燃料电池汽车供氢，其特征在于，所述拖车供氢型加氢站压缩与储气系统优化配置方法具体步骤为：

步骤(1)：建立拖车供氢型加氢站为车辆供氢全过程的热力学模型，用于优化配置拖车供氢型加氢站压缩与储气系统；所述热力学模型具体如下所述：

长管拖车各级长管的压力和比内能的控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{du}}_{tube}}{dt}=\left(\frac{\∂u_{tube}}{V_{tube}\∂{\mathrm{\ρ}}_{tube}}\right)\frac{{\mathrm{dm}}_{tube}}{dt}\\ \frac{{\mathrm{dP}}_{tube}}{dt}=\left(\frac{\∂P_{tube}}{V_{tube}\∂{\mathrm{\ρ}}_{tube}}\right)\frac{{\mathrm{dm}}_{tube}}{dt}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，u_tube和P_tube分别表示长管的比内能和压力，m_tube、V_tube和ρ_tube分别表示长管中氢气的质量、体积和密度；

站内高压储罐组的高压储罐满足能量守恒方程，该能量守恒方程为：

$\frac{d\left(m_{cascade}{u}_{cascade}\right)}{dt}={\stackrel{\·}{m}}_{cascade}{h}_f---\left(2\right)$

式(2)中，u_cascade和分别表示储罐氢气的比内能和质量流量，h_f表示流入或流出储罐的氢气比焓；m_cascade表示储罐内氢气质量；

压缩机功率的表达式为：

${\stackrel{\·}{W}}_{cpr}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{is}}\·{\stackrel{\·}{m}}_{cpr}\·\underset{i=1}{\overset{n_{stage}}{\Σ}}({\left(h_{dis}\right)}_i-{\left(h_{suc}\right)}_i)---\left(3\right)$

式(3)中，为压缩机当前状态下的运行功率，为压缩机的质量流量，n_stage为估算能耗时假想的压缩机级数，(h_suc)_i和(h_dis)_i分别表示压缩机第i级的吸、排气比焓；η_is为等熵效率；

为计算各级的排气比焓，各级排气温度可按下式计算：

${\left(T_{dis}\right)}_i={\left(T_{suc}\right)}_i{({\left(P_{dis}\right)}_i/{\left(P_{suc}\right)}_i)}^{\frac{k_T}{k_T-1}};$

其中，k_T为温度等熵指数，随温度和压力变化较小；(T_dis)_i表示第i级压缩机的排气温度；(T_suc)_i表示第i级压缩机的吸气温度；(P_dis)_i表示第i级压缩机的排气压力；(P_suc)_i表示第i级压缩机的吸气压力；

制冷循环系统实际消耗的电功率为制冷量与制冷性能系数COP之比：

式(4)中，为制冷循环系统实际消耗的电功率，N_dis表示加氢机数量，表示质量流量，(h_mixer)_i表示第i个汇流排处的比焓，(h_n)_i为第i个加氢机上加气枪处的比焓；且在估算制冷循环系统消耗的电功率时，-40℃预冷取COP＝1.1；

热力学模型包括车载储氢系统充氢过程、长管拖车与站内高压储罐充放氢过程的热力学特性、压缩机流量特性、加气枪下游管线中的氢气流动特性、燃料电池汽车充装要求、热力学模型的求解方法，具体求解方式为：

(a)借助量纲分析得出热力学模型中氢气质量流量经验公式，降低数值求解的难度；加气枪下游加气管路较短，可近似忽略氢气与管壁的传热，将该段管路内的氢气流动描述为一维定常、有摩阻、管道截面恒定的绝热流动；当加气枪下游管路的背压与入口压力之比不超过某临界值时，管路中的流动为阻塞流，入口处的动、静压头之比仅与管路的压损系数有关；当加气枪下游管路的背压与入口压力之比大于临界值时，入口处的动、静压头之比由压比及压损系数共同决定；

根据SAE TIR J2601规定的加气枪下游管路最大许用压降，加气枪下游管路压损系数的最大值为：

${\mathrm{\ζ}}_{max}=\frac{{\left(a_m\right)}_0{C_{FCV}}^2+{\left(a_m\right)}_1{C}_{FCV}+{\left(a_m\right)}_2}{{C_{FCV}}^3+{\left(a_m\right)}_3{C_{FCV}}^2+{\left(a_m\right)}_4{C}_{FCV}+{\left(a_m\right)}_5}$

式中，ζ_max为加气枪下游管路的最大压损系数，C_FCV为车载储氢系统的额定储氢量，(a_m)_i为常系数；

临界压比的表达式如下：

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{{\left(b_m\right)}_0{\mathrm{\ζ}}^2+{\left(b_m\right)}_1\mathrm{\ζ}+{\left(b_m\right)}_2}{{\mathrm{\ζ}}^2+{\left(b_m\right)}_3\mathrm{\ζ}+{\left(b_m\right)}_4}$

式中，θ_c为临界压比，ζ为加气枪下游管路的压损系数，(b_m)_i为常系数；

得出热力学模型中的氢气质量流量经验公式如下：

$\stackrel{\·}{m}=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\sqrt{2{\mathrm{\ψP}}_n{\mathrm{\ρ}}_n}$

式中，为氢气质量流量，d为加气枪下游管径，P_n与ρ_n分别表示加气枪处的压力与密度；θ为压比，

C₀＝((c_m)₀ζ²+(c_m)₁ζ+(c_m)₂)γ²+((c_m)₃ζ²+(c_m)₄ζ+(c_m)₅)γ，

C₁＝ζ³+(d_m)₀γ³+(d_m)₁ζ²γ²+(d_m)₂ζ²γ+(d_m)₃ζγ²+

(d_m)₄ζ²+(d_m)₅γ²+(d_m)₆ζγ+(d_m)₇ζ+(d_m)₈γ+(d_m)₉，γ＝(1-θ)/(1-θ_c)；

其中，c_m、d_m表示常系数；

(b)考虑到车载储氢系统充装过程中内部氢气温度分布较为均匀，采用集总系数法描述热力学模型中车载储氢瓶内氢气；车载储氢瓶外壁面处的传热模式为大空间中的自然对流，其对流传热系数取4.5W/m.K；车载储氢瓶内壁面处的传热模式为强制对流，考虑充装速率和气瓶几何尺寸等参数的影响，采用以下公式计算气瓶内壁面处的对流传热系数：

$\stackrel{\‾}{h_i}=22\left(\frac{\mathrm{\λ}}{D_i}\right){\left(\frac{4\stackrel{\·}{m}\mathrm{Pr}}{\mathrm{\π}\mathrm{\μ}L}\right)}^{n_h}$

式中，表示车载储氢瓶内壁面处的平均对流传热系数，λ、μ和Pr分别为氢气的热导率、动力粘度和普朗特数，D_i和L分别为车载储氢瓶的内径和长度，n_h为常数；为氢气质量流量；

(c)各级高压储罐相对长管而言容积较小，能在较短的时间内产生明显的压降，为反映取气过程中储罐温度降低所导致的额外压降，近似将站内高压储罐的充放氢过程视为绝热过程；

(d)由于各级长管的容积较大、充放氢用时较长，使得长管与环境间的换热较为充分，充放氢过程中内部温度的变化相对较小；因此，将长管拖车的充放氢过程视为等温过程；

(e)所涉及的氢气物性参数均采用NIST推荐的方法进行计算；

(f)采用SAE TIR J2601充装协议时，加气枪处的压力近似按线性增长，温度控制在规定的范围内，氢气质量流量受上游高压储罐的影响较小，可近似认为各次加气过程中车载储氢系统内的氢气质量、压力、温度及内能随时间的变化规律相同；

(g)对于有车辆加气和无车辆加气的时刻采用不同的时间步长进行数值求解；有车辆加气时，采用1s作为时间步长；无车辆加气时，时间步长根据压缩机在最大吸气压力下的排气量、多级高压储罐中单级储气量的最小值以及设定的高压储罐充装精度确定，具体计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{{\mathrm{\δC}}_{cascade}{x}_{\min }}{{\left(C_{cpr}\right)}_{max}/24/3600}$

式中，Δt为无车辆加气时的时间步长，δ为高压储罐充装精度，C_cascade为所需储气量与一天内所需加注的最大氢气量之比，x_min为多级高压储罐中单级储气量与总储气量之比的最小值，(C_cpr)_max为压缩机在最大吸气压力下一天中的排气总量与一天内所需加注的最大氢气量之比；

采用以上时间步长设置方法，能在有效保证计算精度的前提下，明显增大无车辆加气时的时间步长，提高热力学模型的求解效率；

步骤(2)：基于所建立的热力学模型，优化配置压缩机排量下所需储气量：

首先对高压储罐所需储气量进行无量纲处理：无量纲储气量＝储气量/一天内所需加注的最大氢气量；

利用所建立热力学模型，设定无量纲储气量的取值区间，通过设置不同压缩机排量参数值，模拟求解所对应的无量纲储气量，并选取最小的无量纲储气量；求解时在对数坐标系上采用二分法，即将储气量的上下限值相乘并开根号，以提高所需储气量的求解效率；

步骤(3)：基于所建立的热力学模型与所需储气量求取方法，对压缩机排量与储气量进行优化匹配：

对压缩机排量进行无量纲处理：无量纲压缩机排量＝吸气压力为长管拖车额定工作压力时的压缩机排量/(一天内所需加注的最大氢气量/24小时)；

设定无量纲压缩机排量的取值范围和取值间隔，利用所建立的热力学模型模拟求出不同无量纲压缩机排量下的压缩机与高压储罐成本，通过比较不同无量纲压缩机排量下的压缩机与高压储罐总成本，确定压缩机排量与储气量的最佳匹配点；

步骤(4)：基于以上步骤，以压缩机、高压储罐、拖车充放氢控制盘及加气管线总成本最低为优化目标，对拖车取气策略、拖车分级数量、高压储罐分级方式、所需储气量以及压缩机排量等参数进行优化。