[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

摘要

本发明涉及一种加氢优化控制方法及其系统，旨在提供一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法，即加氢站中储气罐分为高中低三组；为了同时实现高取气率和快速加注的目标，提出了多目标优化算法，采用约束法将多目标问题转化为若干个单目标优化问题；每个单目标规划问题属于动态规划范筹，采用由前向后的顺序搜索方法；根据优化结果设计出具体的程序控制流程，为加氢站的加注系统设计出最佳的加注方式。本发明还提供了一种用于前述加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法的氢气加注系统，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；储氢容器包括低压储氢容器、中压储氢容器和高压储氢容器；还包括一个程序控制器。

主权项

1、一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法，包括以下步骤：(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；xi、yi、zi：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；m1i、m2i、m3i：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；hi：第i次加注时的取气次序标志，对于三级加注来说共有6种加注次序，hi＝1，表示按低-中-高的次序取气；hi＝2，表示按低-高-中的次序取气；hi＝3，表示按中-低-高的次序取气；hi＝4，表示按中-高-低的次序取气；hi＝5，表示按高-低-中的次序取气；hi＝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；nmax：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；tk：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、qf：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；Cd：流量系数，Cd＝qf/q；qs、qfs：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；qa：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；ms、mfs：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；x1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；tmin：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；tmax：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；Nmax：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tmin至tmax之间按照等分的原则取r个值，确定r个约束时间tk，对每一个约束时间tk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)(α＝1.9155×10-6，R＝4124.3)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x1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qf，得到流量系数Cd，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：qf＝Cdq；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qa和加注结束时的质量流量qb，$t_1=\frac{2x}{q_a+q_b};如果加注开始时加注结束时那么分两段求取时间t1，求出时的质量流量qfs及加注结束时的质量流量qb，$ t_1=\frac{{2m}_{\mathrm{fs}}}{q_a+q_{\mathrm{fs}}}+\frac{2(x-m_{\mathrm{fs}})}{q_{\mathrm{fs}}+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ms为初始压力pi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，$ t_1=\frac{{2m}_{\mathrm{fs}}}{q_a+q_{\mathrm{fs}}}+\frac{2(m_s-m_{\mathrm{fs}})}{q_{\mathrm{fs}}+q_s}+\frac{(x-m_s)}{q_s+q_b}+\frac{(x-m_s)}{q_b+q_c},其中，qb为等分点x1充＝ms+0.5(x-ms)时的质量流量，qc为加注结束时的质量流量；如果加注开始时加注结束时$ t_1=\frac{2x}{q_a+q_b},qa及qb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，$ t_1=\frac{{2m}_s}{q_a+q_s}+\frac{(x-m_s)}{q_s+q_b}+\frac{(x-m_s)}{q_b+q_c},qb为等分点的质量流量，qc为加注结束时的质量流量；如果，加注开始时那么$ t_1=\frac{2x}{q_a+q_b},qb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ti\le tk；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nmax，i＝1：Nmax，并由程序控制器根据nmax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。$$$$$$