[发明专利]一种加氢站加氢能力的评估方法及其应用

权利要求书

1.一种加氢站加氢能力的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

S₁:确定加注级数N，N为大于等于2的整数，加注等级i由1至N，任意一级加注为第i级加注；每个待加注的车载氢瓶均从第1级加注开始依次至第N级加注；

确定待加注的车载氢瓶的初始信息：车载氢瓶的有效容积V_0瓶、车载氢瓶内氢气的初始压力P_0瓶、车载氢瓶内胆及其中氢气的初始温度T_0瓶、车载氢瓶内胆的质量m_空瓶；

设定车载氢瓶的目标加注压力P_目标；

设定计算时一次加注质量微元Δm，0.005kg≤Δm≤0.05kg；

设定由前一级加注切换至后一级加注的加注切换阈值ΔP，0.5MPa≤ΔP≤5MPa；

设定环境温度T；

S₂:联立方程式一和方程式二计算车载氢瓶内氢气的初始密度；所述的方程式一、二根据彭-罗宾逊状态方程建立；

方程式一：

V_0m瓶³+(b-RT_0瓶/P_0瓶)V_0m瓶²+(aα/P_0瓶-2bRT_0瓶/P_0瓶-3b²)V_0m瓶

+(b²+bRT_0瓶/P_0瓶-aα/P_0瓶)b＝0；

方程式二：

ρ_0瓶＝max(V_0m瓶)/M；

式中，ρ_0瓶为车载氢瓶中氢气的初始密度；V_0m瓶为车载氢瓶中氢气的初始摩尔体积；T_0瓶为车载氢瓶内胆及其中氢气的初始温度，P_0瓶为车载氢瓶中氢气的初始压力；M为氢气的摩尔质量，α、a、b为彭-罗宾逊状态方程常数，α为0.9176304，a为26478968kPa·(cm³/mol)²，b为16.32658(cm³/mol)，R为气体常数，值为8.314460J/(mol·K)；

S₃:加注等级i，i从1开始；

确定第i级加注的初始信息：氢罐的有效容积V_0罐i、氢罐中氢气的初始压力P_0罐i、氢罐与其中氢气的初始温度T_0罐i、氢罐的空罐质量m_空罐i；

S₄:联立方程式三和方程式四，计算加注一个质量微元Δm前第i级加注的氢罐内的氢气密度，所述的方程式三、四根据彭-罗宾逊状态方程建立；

方程式三：

V_m罐i³+(b-RT_罐i/P_罐i)V_m罐i²+(aα/P_罐i-2bRT_罐i/P_罐i-3b²)V_m罐i+(b²+bRT_罐i/P_罐i-aα/P_罐i)b＝0；

方程式四：ρ_罐i＝max(V_m罐i)/M；

式中，V_m罐i为加注一个质量微元Δm前第i级加注的氢罐中氢的摩尔体积，M为氢气的摩尔质量；T_罐i为加注一个质量微元Δm前第i级加注的氢罐与其中氢的温度；P_罐i为加注一个质量微元Δm前第i级加注的氢罐中氢的压力；M为氢气的摩尔质量，α、a、b为彭-罗宾逊状态方程常数，α为0.9176304，a为26478968kPa·(cm³/mol)²，b为16.32658cm³/ml，R为气体常数，值为8.314460J/(mol·K)；

S₅:联立方程式五和方程式六，计算加注一个质量微元Δm过程中，车载氢瓶中气体压缩所做的功，方程式五、六通过理想气体的绝热压缩做功方程建立；

方程式五：

W_瓶＝-βP_瓶V_瓶^γ[V_瓶′^(1-γ)-V_瓶^(1-γ)]/(1-γ)；

方程式六：

V_瓶′＝V_瓶-Δm/ρ_瓶；

式中，β为修正系数，0.8≥β≥0.7，W_瓶为车载氢瓶中加注一个质量微元Δm时气体压缩过程所做的功；

V_瓶′为在不考虑气体扩散的前提下，加注一个质量微元Δm后，车载氢瓶中原有氢气所占的体积；γ为氢气的比热比；

S₆:计算加注的质量微元Δm氢气后氢罐及其内氢气的温度以及车载氢瓶及其内氢气的温度；

氢罐的有效容积相对车载氢瓶的有效容积极大，气体做功对氢罐及其内部氢气的温度影响忽略不计，因此将氢罐的温度视为恒定的与环境温度相同；

T_i罐′＝T_i罐＝T；

T_罐i′为加注质量微元Δm氢气后氢罐与其内氢气的温度，T_i罐为加注质量微元Δm氢气前氢罐与其内氢气的温度；

质量微元Δm的氢气经过换热器降温至T_ex再被注入至车载氢瓶，加注一个质量微元Δm后车载氢瓶及其内氢气的温度计量模型如下方程式七、八、九；

方程式七：T₁＝(T_exΔm+T_瓶m_瓶)/(m_瓶+Δm)

方程式八：

T_瓶′＝T_瓶+[(T₁-T_瓶)c_v×(m_瓶+Δm)+W_瓶]/[(m_空瓶c_空瓶+(m_瓶+Δm)c_v]；

方程式九：

m_瓶＝ρ_瓶V_瓶；

式中，T₁为降温至T_ex的一个质量微元Δm加注至车载氢瓶中充分混合后，车载氢瓶内氢气的温度；T_瓶′为加注一个质量微元Δm后车载氢瓶与其中氢气的温度；m_瓶为加注一个质量微元Δm前车载氢瓶内氢气的质量；T_瓶为加注一个质量微元Δm前车载氢瓶与其中氢气的温度；c_v为氢气的等压比热容，c_空瓶为车载氢瓶内胆材料的比热容；

S₇:计算加注一个质量微元Δm后第i级加注的氢罐内的压力以及车载氢瓶内的压力；

第i级加注的氢罐中的压力计量模型如下，氢罐中的压力计量模型通过彭-罗宾逊状态方程建立，

ρ_罐i′＝(ρ_罐V_罐i-Δm)/V_罐i，

V_m罐i′＝M/ρ_罐i′，

P_i罐′＝RT_罐i′/(V_m罐i′²-b)-aα/(V_m罐i′²+2bV_m罐i′-b)；

式中，ρ_罐i′为减少一个质量微元Δm后第i级加注的氢罐中的氢气的密度；V_m罐i′为减少一个质量微元Δm后，第i级加注的氢罐中的氢气的摩尔体积；α、a、b为彭-罗宾逊状态方程常数，α为0.9176304，a为26478968kPa·(cm³/mol)²，b为16.32658cm³/ml，R为气体常数，值为8.314460J/(mol·K)；

P_罐i′为减少一个质量微元Δm后第i级加注的氢罐中的压力；

车载氢瓶的压力计量模型如下，车载氢瓶中的压力计量模型通过彭-罗宾逊状态方程建立，

ρ_瓶′＝(ρ_瓶V_瓶+Δm)/V_瓶，

V_m瓶′＝M/ρ_瓶′，

P_瓶′＝RT_瓶′/(V_m瓶′²-b)-aα/(V_m瓶′²+2bV_m瓶′-b)；

式中，ρ_瓶′为加注一个质量微元Δm后车载氢瓶中的氢的密度，V_m瓶′为加注质量微元Δm后车载氢瓶中的氢的摩尔体积，P_瓶′为加注质量微元Δm后车载氢瓶中的压力；α为0.9176304，a为26478968kPa·(cm³/mol)²，

b为16.32658cm³/ml，R为气体常数，值为8.314460J/(mol·K)；

S₈:i＜N，当P_罐i′-P_瓶′的值大于等于ΔP，重复S₅～S₈，进行下一个质量微元Δm加注的计算，前一个质量微元Δm加注计算得到的温度、压力、密度为下一个质量微元Δm加注前对应的温度、压力、密度；当P_罐′-P_瓶′的值小于ΔP，则i＝i+1重复S₃～S₈；i＝N时，当P_罐i′-P_瓶′的值大于等于ΔP、且P_瓶′＜P_目标，重复S₅～S₈，进行下一个质量微元Δm加注的计算，前一个质量微元Δm加注计算得到的温度、压力、密度为下一个质量微元Δm加注前对应的温度、压力、密度，i＝N时，当P_瓶′≥P_目标，则完成1次充装，可充装的车载氢瓶的数量n_累计＝n_已充装+1，n_已充装为完成一个车载氢瓶充装前已经完成充装的车载氢瓶的数量，完成第一次充装时n_已充装＝0，N_累计为完成车载氢瓶充装的总数量；步骤跳转至S₁进行下一个车载氢瓶的加注。