[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

说明书

技术领域

本发明是关于新能源领域，特别涉及一种拖车供氢型加氢站压缩与储气系统优化配置方法。

背景技术

近年来，氢能以其无污染、可再生、来源广泛及用于燃料电池时能源转化效率高等优点，成为世界范围的研究热点。作为氢能的主要应用途径，氢燃料电池汽车在降低大气污染、调整能源结构及缓解能源危机等方面具有重要作用。随着氢能与燃料电池技术的不断发展与日趋成熟，美、日、德等国家已将其上升为国家战略；我国也将其列入中长期科学与技术发展规划纲要的重点基础研究内容。

加氢站作为燃料电池汽车的加注场所，其氢气来源分为站内制氢和外供氢两类。相对于站内制氢而言，外供氢型加氢站的建设成本较低，更加适用于商用加氢站。外供氢主要包括长管拖车供氢、液氢槽车供氢和管路供氢三种供氢方式。氢燃料电池汽车市场化早期难以形成规模效应，适合采用长管拖车为加氢站供氢。

针对拖车供氢型加氢站，Elgowainy等提出了拖车自增压工艺，即将拖车中的长管分为若干级(可独立操作的储气单元)，当多级高压储罐不需要充气时，采用当前压力较低的长管通过压缩机为当前压力最高的长管增压。拖车自增压工艺可明显地提高压缩机利用率，降低加氢站建设成本，极具应用前景。然而，拖车自增压工艺目前仅限于概念的提出，尚缺乏相应的压缩与储气系统配置方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供能实现拖车供氢型加氢站的压缩机、多级高压储罐、拖车充放氢控制盘及加气管线总成本最低的配制方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供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(隔膜压缩机)、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，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：

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：

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(本发明按照H2A中推荐的方法对压缩机能耗进行计算，H2A中的处理方法如下：对于70MPa加氢站用压缩机，假定其分为5级，压缩过程中各级的压缩比相等，首先计算出等熵功率，再除以等熵效率作为实际功率的近似)：

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(对于70MPa加氢站n_stage＝5)，(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，且当压缩机为隔膜压缩机时，η_is取80％；

为计算各级的排气比焓，各级排气温度可按下式计算：

其中，k_T为温度等熵指数，随温度和压力变化较小(k_T≈1.405)；(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：