[发明专利]一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其系统

权利要求书

1.一种加氢站高效加氢的三级氢气加注系统，包括：储氢容器、充气阀、压力传感器、氢气分配器、流量计和单向阀，充气阀、氢气分配器、单向阀依次连接至车载储气瓶；其特征在于，所述储氢容器是三级压力的储罐，包括低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器，分别通过各自的控制阀门(cv1、cv2、cv3)连接至充气阀；还包括一个程序控制器，压力传感器连接氢气分配器和程序控制器，流量计的测量点位于氢气分配器和单向阀之间，并通过信号线连接至程序控制器，程序控制器通过信号线与低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器各自的控制阀门(cv1、cv2、cv3)连接；

所述三级氢气加注系统，其优化的氢气加注控制通过以下方法实现：

(1)获取低压、中压和高压储氢容器及车载气瓶中的氢气初始状态参数，并设定：

V₁：代表第i次加注前的低压储氢容器的容积；

V₂：代表第i次加注前的中压储氢容器的容积；

m、V：分别代表车载气瓶额定充装质量、容积；

m₀：加注前车载气瓶内的氢气质量；

x_i、y_i、z_i：分别代表第i次加注时低压、中压和高压储氢容器的取气质量；

m_1i、m_2i、m_3i：分别代表第i次加注前低压、中压和高压储氢容器中的氢气质量；

h_i：第i次加注时的取气次序标志，对于三级加注来说共有6种取气次序，h_i＝1，表示按低-中-高的次序取气；h_i＝2，表示按低-高-中的次序取气；h_i＝3，表示按中-低-高的次序取气；h_i＝4，表示按中-高-低的次序取气；h_i＝5，表示按高-低-中的次序取气；h_i＝6，表示按高-中-低的次序取气；

n(i)：第i次加注过程下可充装的车载气瓶数量；

n_max：在一定加注时间约束下，可充装的车载气瓶数量的最大值；

x_平衡：加注到储氢容器跟车载气瓶压力平衡时向车载气瓶中充装的质量；

t_k：约束时间，表示搜索过程中设定的时间最大值，用这个约束时间作为判断标准，来判断搜索到的加注方式所用的加注时间是否小于该约束时间，只有小于该约束时间的加注方式才可用；

P：储氢容器压力，是计算流量系数时设定的一个压力参数，不具体代表哪个储氢容器，泛指储氢容器的压力，即一个储氢容器压力对应于一个流量系数；

q、q_f：分别代表等熵流动状态下的质量流量和实际摩擦流动状态下的质量流量；

C_d：流量系数，C_d＝q_f/q；

q_s、q_fs：分别代表等熵流动临界状态下的质量流量与摩擦流动临界状态下的质量流量；

q_a：代表加注开始时的质量流量：

代表加注过程中车载气瓶与先取气的储氢容器的压力比；

分别代表先取气的储氢容器加注过程中达到等熵流动临界状态时及摩擦流动临界状态时车载气瓶与储氢容器的压力比；

m_s、m_fs：分别代表加注过程中达到等熵流动临界状态时先取气的储氢容器为车载气瓶充入的氢气质量、加注过程中达到摩擦流动临界状态时先取气的储氢容器为车载气瓶充入的氢气质量；

t₁：为先取气的储氢容器向车载气瓶加注质量为x的氢气所用的时间；

x_1充：为某时间下，先取气的储氢容器已经为车载气瓶充入的氢气质量；

t_min：代表整个加注过程只充装一个车载气瓶时，所用的最短时间；

t_max：代表不考虑加注时间约束时，氢气利用率最高的加注过程中最慢一次加注所用时间；

N_max：代表不考虑加注时间约束时，所能充装的最大车载气瓶数；

i：表示加注第i个车载气瓶的标志；

(2)将区间t_min至t_max之间按照等分的原则取r个值，确定r个约束时间t_k，对每一个约束时间t_k进行一次加注过程的优化，搜索获取各个约束时间下的氢气利用率最高的加注过程，即可充装的车载气瓶数最多的最优加注过程；

(3)开始时i＝1，此时低压、中压、高压储氢容器的状态为第一次加注前的状态，根据以下氢气状态方程得到初始质量m₁₁、m₂₁、m₃₁：

pV＝mRT(1+αp/T)，其中α＝1.9155×10^-6，R＝4124.3，T＝293.15K

对第一个车载气瓶加注时，如果按低——中——高的取气次序取气，则低压储氢容器与车载气瓶达到压力平衡时充入的气体质量x_1平衡为：

低压储氢容器的取气质量范围为此时将取气质量区间分为若干等分，x₁的实际取值范围为各个等分点构成的集合；

对于低压储氢容器的每一个取气质量值，中压储氢容器进行加注时，达到压力平衡时充入的氢气质量为：中压储氢容器的取气质量范围为此时将取气质量区间分为若干等分，y₁的实际取值范围为各个等分点构成的集合；

当低压、中压储氢容器的取气质量均已确定时，高压储氢容器的取气质量为z₁＝m-x₁-y₁；对第1个车载气瓶加注时，每一个x₁和y₁值对应于加注该车载气瓶时的一种组合；

(4)对每一种取气质量组合，判断六种取气次序是否可能实现：

对第二步取气的储氢容器判断其加注完毕后压力是否高于车载气瓶的压力，如果是，则此种取气序列不能实现；否则，判断最后取气的储氢容器加注完毕后压力是否高于车载气瓶额度充装压力，如果是，则该取气次序可能实现，否则，该取气次序不能实现；

(5)对于可能实现的取气次序，计算各自的加注时间，其方法如下：

将加注软管之前的管路假定为直径逐渐减小的等熵喷管，将加注软管假定为有摩擦的直管，实际管路系统中氢气的流动状态为摩擦流动；

分别在等熵流动状态下和摩擦流动状态下计算储氢容器压力为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa时车载气瓶压力从0到储氢容器压力之间变化时的流量q和q_f，得到流量系数C_d，然后对各储氢容器压力下的流量系数按最小二乘法原则拟合为四次曲线；

0-70MPa之间，摩擦流动临界状态下的压力比和车载气瓶与储氢容器压力的比，两者相差很小，可以统一取40MPa时临界状态下的压比；计算某储氢容器压力下等熵流动状态下的临界压力比步骤如下：在0-70MPa之间，每隔5MPa取一个压力值，计算出等熵流动临界状态时的压力比，再作出P-曲线，然后对曲线按最小二乘法进行二次拟合，最后，通过拟合得到的多项式计算等熵流动状态下的质量流量；

当压力比小于或等于实际管路系统的临界压比时，质量流量恒定，按摩擦流动方程计算；当压力比大于摩擦流动临界状态时的压力比时，流量按如下公式计算：q_f＝C_dq；

对于先取气的储氢容器来说，如果加注开始时充气结束时那么先求出该储氢容器的初始压力和加注结束后的压力，然后求出初始质量流量q_a和加注结束时的质量流量q_b，如果加注开始时加注结束时那么分两段求取时间t₁，求出时的质量流量q_fs及加注结束时的质量流量q_b，如果加注开始时加注结束时那么分四段求取充气时间，其中，计算中所用的及m_s为初始压力p_i下求出的等熵流动状态下的临界压力比；将后面的时间质量流量曲线按充气质量等分的原则，处理为两段直线，其中，q_b为等分点x_1充＝m_s+0.5(x-m_s)时的质量流量，q_c为加注结束时的质量流量；如果加注开始时加注结束时q_a及q_b分别为加注开始和加注结束时的质量流量；如果加注开始时加注结束时那么分三段计算充气时间，q_b为等分点的质量流量，q_c为加注结束时的质量流量；如果，加注开始时那么q_b为加注结束时的质量流量；

后取气的两个储氢容器加注时间的计算方法与先取气的储氢容器相同，对此车载气瓶总的加注时间为分别从三个储氢容器中取气的加注时间之和；

(6)选择加注时间最短的那种取气次序：

判断最短的加注时间是否小于或等于约束时间，即是否满足t_i≤t_k；如果满足，则令加注标志n(i)＝i，根据氢气的状态方程获取各储氢容器加注后的状态参数作为加注第二个车载气瓶时的初始状态，计算出各组储氢容器取气质量的取值范围，进行第二次加注的运算；如果不满足，则继续第一次加注过程的循环搜索，搜索此加注过程中其他的取气质量组合，作同样的判断；

(7)根据第一次加注完毕获得出的加注第二个车载气瓶时的初始状态以及各储氢容器取气质量的取值范围，进行第二次加注的搜索，其方法与第一次加注的搜索相同；

(8)由前面的加注过程逐步向后搜索直到所有的循环搜索全部完成，对于第i个车载气瓶加注过程中的某种组合如果能够充满车载气瓶并满足时间上的要求，那么就令加注标志n(i)＝i，n(i)的初始值为0；并记录下该次及该次以前的加注过程中各组储氢容器的取气质量及取气次序；最后求出数组n(i)中的最大值——即n_max，i＝1∶N_max，并由程序控制器根据n_max对应的为各车载气瓶加注时各储氢容器的取气质量及取气次序向阀门控制装置输出控制信号。