一種拖車供氫型加氫站壓縮與儲氣系統(tǒng)優(yōu)化配置方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是關于新能源領域，特別涉及一種拖車供氫型加氫站壓縮與儲氣系統(tǒng)優(yōu)化 配置方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，氫能以其無污染、可再生、來源廣泛及用于燃料電池時能源轉化效率高等 優(yōu)點，成為世界范圍的研究熱點。作為氫能的主要應用途徑，氫燃料電池汽車在降低大氣污 染、調整能源結構及緩解能源危機等方面具有重要作用。隨著氫能與燃料電池技術的不斷 發(fā)展與日趨成熟，美、日、德等國家已將其上升為國家戰(zhàn)略；我國也將其列入中長期科學與 技術發(fā)展規(guī)劃綱要的重點基礎研究內容。
[0003] 加氫站作為燃料電池汽車的加注場所，其氫氣來源分為站內制氫和外供氫兩類。 相對于站內制氫而言，外供氫型加氫站的建設成本較低，更加適用于商用加氫站。外供氫主 要包括長管拖車供氫、液氫槽車供氫和管路供氫三種供氫方式。氫燃料電池汽車市場化早 期難以形成規(guī)模效應，適合采用長管拖車為加氫站供氫。
[0004] 針對拖車供氫型加氫站，Elgowainy等提出了拖車自增壓工藝，即將拖車中的長管 分為若干級（可獨立操作的儲氣單元），當多級高壓儲罐不需要充氣時，采用當前壓力較低 的長管通過壓縮機為當前壓力最高的長管增壓。拖車自增壓工藝可明顯地提高壓縮機利用 率，降低加氫站建設成本，極具應用前景。然而，拖車自增壓工藝目前僅限于概念的提出，尚 缺乏相應的壓縮與儲氣系統(tǒng)配置方法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供能實現(xiàn)拖車供氫型加氫站的 壓縮機、多級高壓儲罐、拖車充放氫控制盤及加氣管線總成本最低的配制方法。為解決上述 技術問題，本發(fā)明的解決方案是：
[0006] 提供一種拖車供氫型加氫站壓縮與儲氣系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，所述拖車供氫型加氫 站包括拖車充放氫控制盤、壓縮機（隔膜壓縮機）、站內高壓儲罐組、優(yōu)先充氣控制盤、順序 取氣控制盤、加氫機、預冷器以及為預冷器提供冷量的制冷循環(huán)系統(tǒng)，利用長管拖車充氫， 并能對燃料電池汽車供氫，所述拖車供氫型加氫站壓縮與儲氣系統(tǒng)優(yōu)化配置方法具體步驟 為：
[0007] 步驟（1):建立拖車供氫型加氫站為車輛供氫全過程的熱力學模型，用于優(yōu)化配 置拖車供氫型加氫站壓縮與儲氣系統(tǒng)；所述熱力學模型具體如下所述：
[0008] 長管拖車各級長管的壓力和比內能的控制方程為：
[0009]
(I)
[0010] 式⑴中，utubjP P tube分別表不長管的比內能和壓力，m tube、VtubjP P ^分別表不 長管中氫氣的質量、體積和密度；
[0011] 站內高壓儲罐組的高壓儲罐滿足能量守恒方程，該能量守恒方程為：
[0012]
[0013] 式⑵中，和分別表示儲罐氫氣的比內能和質量流量，hf表示流入 或流出儲罐的氫氣比焓；Hirasrade表示儲罐內氫氣質量；
[0014] 壓縮機功率的表達式為（本發(fā)明按照H2A中推薦的方法對壓縮機能耗進行計算， H2A中的處理方法如下：對于70MPa加氫站用壓縮機，假定其分為5級，壓縮過程中各級的 壓縮比相等，首先計算出等熵功率，再除以等熵效率作為實際功率的近似）：
[0015]
[0016] 式⑶中，#為壓縮機當前狀態(tài)下的運行功率，成為壓縮機的質量流量，ns_ 為估算能耗時假想的壓縮機級數(shù)（對于70MPa加氫站nst_= 5)，（h su。) jP (h dls) i分別表 示壓縮機第i級的吸、排氣比焓；n ls為等熵效率，且對于隔膜壓縮機n ls取80% ;
[0017] 為計算各級的排氣比焓，各級排氣溫度可按下式計算：
[0018]
[0019] 其中，卜為溫度等熵指數(shù)，隨溫度和壓力變化較?。╧產(chǎn)1. 405) ; (T dls) i表示第i 級壓縮機的排氣溫度；(TsJ i表示第i級壓縮機的吸氣溫度；(P dls) i表示第i級壓縮機的排 氣壓力；(PsJ1表示第i級壓縮機的吸氣壓力；
[0020] 制冷循環(huán)系統(tǒng)實際消耗的電功率為制冷量與制冷性能系數(shù)COP之比為：
[0021]
式（4)
[0022] 式⑷中，為制冷循環(huán)系統(tǒng)實際消耗的電功率，Ndls表示加氫機數(shù)量，_??: 表示質量流量，Oibuxct) i表示第i個匯流排處的比焓，（h n) i為第i個加氫機上加氣槍（一臺 加氫機上可以裝1個或2個加氣槍，用于加氣的裝置，跟加油槍類似）處的比焓；且在估算 制冷循環(huán)系統(tǒng)消耗的電功率時，_40°C預冷取COP= I. 1 ;(其中匯流排管徑明顯大于與其連 接的管路，可對來源不同的氣體起到一定的混合左右，并減小管路中的壓力波動；混合過程 滿足質量守恒方程和能量守恒方程；）
[0023] 熱力學模型包括車載儲氫系統(tǒng)充氫過程、長管拖車與站內高壓儲罐充放氫過程的 熱力學特性、壓縮機流量特性、加氣槍下游管線中的氫氣流動特性、燃料電池汽車充裝要 求、熱力學模型的求解方法，具體求解方式為：
[0024] (a)借助量綱分析得出熱力學模型中氫氣質量流量經(jīng)驗公式，降低數(shù)值求解的難 度；加氣槍下游加氣管路較短，可近似忽略氫氣與管壁的傳熱，將該段管路內的氫氣流動描 述為一維定常、有摩阻、管道截面恒定的絕熱流動；當加氣槍下游管路的背壓與入口壓力之 比（壓比）不超過某臨界值時，管路中的流動為阻塞流，入口處的動、靜壓頭之比僅與管路 的壓損系數(shù)有關；當壓比大于臨界值時，入口處的動、靜壓頭之比由壓比及壓損系數(shù)共同決 定；
[0025] 根據(jù)SAE TIR J2601規(guī)定的加氣槍下游管路最大許用壓降，加氣槍下游管路壓損 系數(shù)的最大值為：
[0026]
[0027] 式中，ζ_為加氣槍下游管路的最大壓損系數(shù)，Cfct為車載儲氫系統(tǒng)的額定儲氫 量，（a丄為常系數(shù)；
[0028] 臨界壓比的表達式如下：
[0029]
[0030] 式中，Θ。為臨界壓比，ζ為加氣槍下游管路的壓損系數(shù)，（b丄為常系數(shù)；
[0031] 得出熱力學模型中的氫氣質量流量經(jīng)驗公式如下：
[0032]
[0033] 式中，感為氫氣質量流量，d為加氣槍下游管徑，P# P "分別表示加氣槍處的壓 〇>〇r 力與密度；供={ . 、 θ為壓比，
[0034] C0= ((c J。ζ 2+ (cm) 1 ζ + (cm) 2) γ2+ ((cm) 3 ζ 2+ (cm) 4 ζ + (cm) 5) γ，
[0035] C1= ζ 3+ (dn) 0 γ3+ (dn)! ζ 2 γ2+ (dn) 2 ζ 2 γ + (dn) 3 ζ γ2+ (dn) 4 ζ 2+ (dn) 5 γ2+ (dn) 6 ζ γ+ (dm)7 ζ+(dm)8 γ+ (dm)9, γ = (1-θ )/(1-9C)；
[0036] 其中，(Vdni表示常系數(shù)；
[0037] (b)考慮到車載儲氫系統(tǒng)充裝過程中內部氫氣溫度分布較為均勻，采用集總系數(shù) 法描述熱力學模型中車載儲氫氣瓶內氫氣；車載儲氫瓶外壁面處的傳熱模式為大空間中的 自然對流，其對流傳熱系數(shù)取4. 5W/m. K ;車載儲氫瓶內壁面處的傳熱模式為強制對流，考 慮充裝速率和氣瓶幾何尺寸等參數(shù)的影響，采用以下公式計算氣瓶內壁面處的對流傳熱系 數(shù)：
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