基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统技术方案

本发明专利技术涉及可再生、清洁环保的新能源领域，旨在提供一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统。该方法包括：建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开度值对应关系；可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时的针阀开度值；根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操作。本发明专利技术能以较低的冷却装置能耗运行，并保证车载储氢容器的温度严格控制在要求的范围内，且显著地缩短加注时间；从而使整个系统能够快速有效、安全可靠地为车辆加注高压氢气，并具有高取气率和低能耗等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可再生、清洁环保的新能源领域，涉及一种基于温升与能耗控制的快 速有效、安全可靠、高取气率的氢气优化加注方法及其优化运行系统。
技术介绍
氢能以高能效、来源广、可再生、燃烧产物零污染等优点，被国际公认为未来的绿 色能源。近年来，包括美、日、中、韩、欧盟在内的许多国家和地区都在大力开发氢能汽车，积 极建造加氢站和相关氢能基础实施。以氢为动力已成为新能源领域的重要应用方向。目前，氢的储存方式主要包括高压气态储氢、液态储氢和金属储氢。由于高压气态 储氢具有能耗低、放氢速度快和可靠等优点，现有的加氢站主要采用这一方式。要实现氢能 在交通领域的商业化，必须保证加氢如同加油一样安全、快速、方便和可靠，同时还应尽可 能地降低加氢站能耗。为此，必须严格控制高压氢气加注过程中车载储氢容器内的温升，合 理地控制加注速率，尽可能缩短加注时间，同时以最小的能耗完成对所需数量车辆的加注。 因此，需要研究一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其优化运行系统， 既保证加注过程的安全、快速，又能使加氢站以最低能耗运作。近年来，我国在高压氢气加注技术及系统方面取得了一定进展。中国专利 CN1887622针对加氢站提出了一种快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，其在加注系 统中使用40MPa的氢气储罐及75MPa的高压氢气储罐的对车辆进行顺序加气，来提高取气 率和充装速度。该专利包括首台国内自主研制的加氢机，可对压力、温度、流量、流速实时 计量，自动收费，同时对车载储氢容器的压力、温度、应力等运行参数进行监控，耐压范围在 45-75MPa，安全保护装置齐备。其能提高取气率和充装速度，并对各种参数进行监控，但未 涉及加注过程优化及系统能耗控制等。中国专利CN101418908A给出了一种可用于高压氢 气加气站的加气系统，其包括控制系统、采样系统、加注系统、报警系统和氮气吹扫系统。具 有加注计量的温度自动补偿、顺序取气、加注速率控制、氢泄漏报警、自动断电、加注过程防 拉脱、静电自动释放及系统过压保护等功能。其能够提高取气率，并通过加注速率来控制温 升，但其加注速率控制程序，必需测量车载储氢容器中温度，如温度超限，只能停止加注，等 温度降回可行范围才能继续加注，而实际车载储氢容器自然冷却降温很慢，因而不仅实际 加注时间较长，效率较低，而且该方法也没有进行能耗优化。中国专利CN101315545给出了 一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其系统，其通过优化高压氢气多级加注过 程中从各储氢罐的取气质量和取气次序，缩短加注时间，并保证较高的取气率。但没有对加 注过程温升进行控制，且取气率比顺序取气略低。总之，目前尚无关于加氢站氢气加注过程 中同时实现快速有效、安全可靠、高取气率和低能耗的优化加注方法及其系统报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时实现快速有 效、安全可靠、高取气率和低能耗的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统。该方法及系统能有效地控制加注过程中车载储氢容器的温度，确保高取气率、高加气 速率等同时，使系统以最低的能耗运行。为解决技术问题，本专利技术出了以下具体技术方案本专利技术提供了一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补气系 统、控制系统和加注系统；补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，压 缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；所述的三级储氢罐通过管路分三 路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁 阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过信号 线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷却装 置、车载储氢容器压力和温度的通讯接口。作为一种改进，所述冷却装置至加氢软管之间的管路上，还设置有质量流量计，可 编程控制器通过信号线经流量变送器连接至质量流量计。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至显示屏。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至上位工控机。更进一步地，本专利技术还提供了一种基于前述加注系统的基于温升与能耗控制的加 氢站氢气优化加注方法，主要包括温升与加注速率的优化控制程序，还包括顺序取气程序 和顺序补气优化控制程序。作为一种改进，温升与加注速率的优化控制程序是以温升控制为控制条件，以加 注用时为优化控制目标，具体实现步骤如下(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开 度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储 氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的 温度控制在容器材质允许范围内，且加注用时最短；所述的优化选择方法为(a)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》中所述高压氢 气快充温升数值模型，所不同之处在于加注前车载储氢容器的初始温度、环境温度、以及车 载储氢容器入口温度分别设置，可取不同的值。(b)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》所述快充温升 实验方法研究温升规律。由于35MPa下快充，采用树脂浇铸密封温度传感器引线的密封效 果欠佳，所以温升实验时，应专门定做传感器引线密封接头，保证快充时引线的密封效果。 其它与《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》相同。(c)采用(b)中所述实验方法得到的快充温升数据，对(a)中所述快充温升模型进 行验证，并跟据实验数据调整快充温升模型中相关参数。(d)使用快充温升模型对不同加注条件下的加注过程进行计算，并拟合出如下形式的温升计算公式Tnse 二 口^！/‘目+…！；+七！^+…；-^吣，式中^！^…^为拟合公式中的拟合系数，根据快充温升数值模型的计算结果，通过拟合得出。为多级加注过程 的温升，Vmass为多级加注过程中氢气的平均质量流量，T1为车载气瓶初始温度，Tam为环境温 度，Tin为车载储氢容器入口处的氢气平均温度，P1为车载储氢容器加注前的初始压力。β为多级加注时考虑取气气源的切换以及车载储氢容器入口温度变化对温升结果的影响，所 引入的安全系数。(e)采用以下公式对加注过程中的质量流量进行计算<formula>formula see original document page 7</formula>上式中，qs为等熵条件下的质量流量，S0为加氢软管的流通面积，P0为加氢站固定 储氢罐的压力，V0为加氢站固定储氢罐的比体积，Y。= 1. 4，a = 1. 9155X10_6K/Pa，R为 气体常数，R = 4124. 3J/ (kg. K)，q为实际质量流量，Cd为流量系数，主要与加氢站固定储氢 罐的压力以及车载储氢容器与加氢站固定储氢罐之间的压力比有关，可通过在加氢站试运 行过程中，记录每次加注过程的流量曲线、车载储氢容器压力变化曲线及加氢站固定储氢 罐的压力，然后对记录的数据进行拟合得到Cd的计算公式。(f)将(e)中所述质量流量计算公式代入到李磊等在《加氢站高压氢系统工艺参 数研究》中所述的一维氢气快充温升模型中，针对不同加注初始条件下的加注过程，计算平 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补气系统、加注系统和控制系统；所述补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；其特征在于，所述的三级储氢罐通过管路分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷却装置、车载储氢容器与加氢站之间的通讯接口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健，郑津洋，赵磊，唐萍，徐平，叶建军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]