CN110878905A - 用于测试压缩气体分配站的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于测试压缩气体分配站的测试装置和方法，其中使用背压调节器来模拟接收容器的填充，而不需要接收容器。质量流量传感器测量分配到测试装置的压缩气体的质量，并且控制器计算背压调节器的压力以模仿接收容器的填充。

Description

用于测试压缩气体分配站的设备和方法
背景技术
压缩气体分配站正在开发用于填充氢动力汽车和压缩天然气动力汽车。压缩气体分配站的设计可因制造商而异。
工业界希望测试氢气分配站和压缩天然气(CNG)调度站。
工业界希望在不同条件下测试压缩气体分配站。目前测试所需的一些条件可能不实用。例如，工业可能希望测试氢气或CNG分配站用于快速连续地将氢气或CNG分配到多个车辆的情况，但是大量车辆不可用。工业上可能希望在接收容器中测试氢气或CNG分配站的各种规定的初始压力，其中接收容器不具有规定的初始压力。工业可能希望针对各种接收容器体积测试氢气或CNG分配站，其中具有规定体积的接收容器不可用。
发明概述
本发明涉及一种用于压缩气体分配站的测试装置和方法。
如下概述的本发明有几个方面。在下文中，概述了本发明的具体方面。括号中设置的附图标记和表达是指下面参考附图进一步说明的示例实施例。然而，附图标记和表达仅是说明性的，并不将该方面限制于示例实施例的任何特定组件或特征。这些方面可以表述为权利要求，其中在括号中设置的附图标记和表达被省略或者在适当时由其他表示。
方面1.一种用于压缩气体分配站的测试装置，该测试装置包括：
用于提供与压缩气体分配站的分配喷嘴(135)密封连接的容器(205)；
流体传输线(255)，具有上游端和下游端，所述上游端连接到所述容器(205)；
所述流体传输线(255)中的背压调节器(220)，所述背压调节器(220)可操作地设置成控制所述背压调节器(220)上游的流体传输线(255)中的气体压力，所述背压调节器(220)可操作地配置成响应于来自控制器(201)的代表性填充压力的控制信号；
所述流体传输线(255)中的质量流量传感器(230)，所述质量流量传感器(230)可操作地设置成测量与所述流体传输线(255)中传输的气体量相关的值并响应于此提供信号；和
控制器(201)，所述控制器(201)可操作地连接到所述质量流量传感器(230)，所述控制器(201)配置成使用来自所述质量流量传感器(230)的信号计算代表性填充压力，所述控制器可操作地配置成提供对应于所述代表性填充压力的控制信号
方面2.根据方面1的测试装置，还包括：
温度传感器(210)，可操作地设置成测量与所述背压调节器(220)上游的流体传输线(255)中的气体温度相关的值，并响应于此提供信号；
其中所述控制器(201)可操作地连接到所述温度传感器(210)，并配置成也使用来自所述温度传感器(210)的信号计算所述代表性填充压力。
方面3.根据方面1或方面2的测试装置，还包括：
环境气体温度传感器(250)，可操作地设置成测量与当地气体温度相关的值并响应于此提供信号；
其中所述控制器(201)可操作地连接到所述环境气体温度传感器(250)，并配置成也使用来自所述环境气体温度传感器(250)的信号计算所述代表性填充压力。
方面4.根据方面1或方面2的测试装置，还包括：
用户输入设备(265)，用于输入供所述控制器(201)使用的参数值。
方面5.根据方面1至4中任一项的测试装置，还包括：
在所述流体传输线(255)中的前向压力调节器(225)，所述前向压力调节器(225)可操作地设置在所述背压调节器(220)的下游，所述前向压力调节器(225)可操作地设置成控制所述前向压力调节器(225)下游的流体传输线(255)中的气体压力。
方面6.根据方面1至5中任一项的测试装置，还包括：
为至少背压调节器(220)提供热量的加热装置(245)。
方面7.根据方面1至6中任一项的测试装置，还包括：
压力传感器(215)，可操作地设置成测量与所述背压调节器(220)上游的流体传输线(255)中的气体压力相关的值，并响应于此提供信号；
其中所述控制器(201)可操作地连接到所述压力传感器(215)。
方面8.根据方面1至7中任一项的测试装置，还包括：
一个或多个接收容器(240)，其中所述一个或多个接收容器(240)可操作地连接到所述流体传输线(255)的下游端。
方面9.根据方面1至8中任一项的测试装置，其中压缩气体是氢气。
方面10.一种用于测试压缩气体分配站的方法，该方法包括：
将压缩气体分配站的分配喷嘴(135)连接到测试装置的容器(205)，所述测试装置包括流体传输线(255)，具有可操作地设置在所述流体传输线(255)中的背压调节器(220)，所述背压调节器具有可调节的压力设定；
使一定量的压缩气体从所述分配喷嘴(135)通过所述流体传输线(255)；
测量与通过所述流体传输线(255)的压缩气体量的质量相关的值；
从与通过所述流体传输线(255)的压缩气体量的质量相关的值计算代表性填充压力；和
响应于计算的代表性填充压力来调节所述流体传输线(255)中背压调节器(220)的压力设定。
方面11.根据方面10的方法，还包括：
测量与所述背压调节器(220)上游位置处通过所述流体传输线(255)的压缩气体量的压缩气体温度相关的值；
其中所述代表性填充压力也从与压缩气体温度相关的值计算。
方面12.根据方面10或方面11的方法，还包括：
测量与当地气体温度相关的值；
其中所述代表性填充压力也从与当地气体温度的相关的值计算。
方面13.根据方面10或方面11的方法，其中所述代表性填充压力使用一个或多个用户提供的一个或多个相应参数值计算，所述一个或多个参数选自当地气体温度、初始气体压力和代表性接收容器体积。
方面14.根据方面10至13中任一项的方法，其中所述压缩气体的量在所述流体传输线(255)中从所述背压调节器(220)传递到前向压力调节器(225)，以调节所述前向压力调节器(225)下游的压缩气体量的压力。
方面15.根据方面10至14中任一项的方法，其中背压调节器(220)被加热。
方面16.根据方面10至15中任一项的方法，其中所述压缩气体的量从所述流体传输线(255)传递到一个或多个接收容器(240)。
方面17.根据方面10至16中任一项的方法，其中压缩气体是氢气。
附图简述
图1示出了压缩气体分配站和用于压缩气体分配站的测试装置的示意图。
发明详述
随后的详细描述仅提供了优选的示例性实施例，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，随后对优选示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的优选示例性实施例的可行描述，应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
当应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施例中的任何特征时，这里使用的冠词“一”和“一个”表示一个或多个。除非特别说明这种限制，否则“一”和“一个”的使用不限制单个特征的含义。单数或复数名词或名词短语之前的冠词“该”表示特定的特定特征或特定的特定特征，并且取决于使用它的上下文可以具有单数或复数含义。
形容词“任何”意味着任意数量的一个、一些或全部。
在第一实体和第二实体之间放置的术语“和/或”包括(1)仅第一实体、(2)仅第二实体、以及(3)第一实体和第二实体的任何含义。在3个或更多个实体的列表的最后两个实体之间放置的术语“和/或”表示列表中的至少一个实体，包括该列表中的实体的任何特定组合。例如，“A、B和/或C”具有与“A和/或B和/或C”相同的含义，并且包括A、B和C的以下组合：(1)仅A，(2)仅B，(3)仅C，(4)A和B而不是C，(5)A和C而不是B，(6)B和C而不是A，和(7)A和B和C。
在特征或实体列表之前的短语“至少一个”表示实体列表中的一个或多个特征或实体，但不一定包括实体列表中明确列出的每个实体中的至少一个，不排除实体列表中实体的任何组合。例如，“A、B或C中的至少一个”(或等效地“A、B和C中的至少一个”或等效地“A、B和/或C中的至少一个”)与“A和/或B和/或C”具有相同的含义并包括以下A、B和C的组合：(1)仅A，(2)仅B，(3)仅C，(4)A和B而不是C，(5)A和C而不是B，(6)B和C而不是A，和(7)A和B和C。
“下游”和“上游”是指所转移的过程流体的预期流动方向。如果过程流体的预期流动方向是从第一装置到第二装置，则第二装置处于第一装置的下游流体流动连通。在循环流的情况下，下游和上游指的是过程流体的第一次通过。
本公开涉及用于压缩气体分配站的测试装置和方法，例如氢分配站。将参考示出分配站部件100和测试装置部件200的唯一图来描述测试装置和方法。
图中所示的分配站部件包括一个或多个用于向测试装置供应压缩气体的储存容器105、用于控制分配的压缩气体的压力增加的压力控制阀110、用于冷却分配的压缩气体的热交换器115、分流阀120、排放阀125、压力传感器130、分配喷嘴135和控制器101。分配站可包括压缩气体分配站的任何已知部件。分配站可以是固定站或移动站。
测试装置包括容器205。容器205适合于提供与压缩气体分配站的分配喷嘴135的密封连接。对于分配H2的情况，容器205具有与氢动力车辆的容器相同的结构。容器205是压缩气体分配站的分配喷嘴135的配对或配对配合装置。容器可包括IR发射器或类似装置，用于提供信息，例如从测试装置接收容器体积、温度和压力到压缩气体分配站。IR发射器或类似装置可以等同于用于将温度和压力信息从车辆传输到压缩气体分配站以进行所谓的“通信填充”的装置。
测试装置包括流体传输线255。流体传输线255具有上游端和下游端。流体传输线255的上游端附接到容器205。
测试装置包括在流体传输线255中的背压调节器220。背压调节器220可操作地设置成控制背压调节器220上游的流体传输线255中的气体压力。背压调节器220可操作地配置成响应于来自控制器201的代表性填充压力Prepr的控制信号。背压调节器220可以是例如Tescom 26-1760-66背压调节器。
背压调节器220可以可操作地配置成通过电流到压力传感器260响应控制信号，例如Ronon X-55电流到压力传感器。
测试装置包括流体传输线255中的质量流量传感器230。如本文所用，术语“质量流量传感器”包括可用于确定流体传输线中的质量流率的任何装置，并且在其范围内包括“质量流量计”。质量流量传感器230可操作地设置成测量与流体传输线255中传输的气体量相关的值，并响应于此提供信号。质量流量传感器230可以是例如Rheonic RHM-04质量流量传感器。
“相关”一词意味着与......有直接关系、联系、对应或联系。
测试装置包括控制器201。控制器201可操作地连接到质量流量传感器230。控制器201配置成使用来自质量流量传感器230的信号计算代表性填充压力Prepr。控制器可操作地配置成提供对应于代表性填充压力Prepr的控制信号。
控制器201可以使用气体的状态方程式从已经通过质量流量传感器230的气体(例如，氢气)的累积质量计算代表性填充压力。优选地，使用非理想气体(实际气体)状态方程来计算代表性填充压力。可以使用任何合适的真实气体模型，例如，Redlich-Kwong模型、Virial模型或Peng-Robinson模型。或者，可以使用国家标准协会(NIST)值(cf.“RevisedStandardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel ConsumptionApplications,”J.of Res.Natl.Inst.Stand.Technol.,Vol.113,pp 341-350,2008)。
用于计算代表性填充压力的体积可以被设置为用于计算代表性填充压力的固定值，或者可以使用用户输入设备265输入值。可以通过容器205中的IR发送器将该相同的体积值发送到分配站。可以发送故意错误信号作为分配器测试的一部分，以查看分配器如何响应。
因此，该装置可以包括用户输入设备265，用于输入参数值以供控制器201使用。用户输入设备265可以是本领域已知的任何已知的用户输入设备，例如，鼠标、键盘、触摸板、触摸屏等等。
用于计算代表性填充压力的初始压力可以设置为固定值，或者可以使用用户输入设备265输入值。
引入流体传输线255的气体的温度Tin可以设置为固定值或使用温度传感器210测量。测试装置可以包括温度传感器210。如果存在，温度传感器210可操作地设置成测量与背压调节器220上游的流体传输线255中的气体温度相关的值，并响应于此提供信号。如果存在温度传感器210，则控制器201可操作地连接到温度传感器210，并且控制器201被配置为还使用来自温度传感器210的信号计算代表性填充压力。
计算出的代表性填充压力Prepr也可以取决于当地气体温度T本地。当地气体温度T本地可以对应于测试装置附近的环境气体温度。由于接收容器与其周围环境之间的热传递，当地气体温度会影响接收容器的温度。当地气体温度可以对应于测试装置附近的气体温度，并且可以使用温度传感器250测量。
因此，测试装置可以包括温度传感器250，其可操作地设置成测量与当地气体温度T本地相关的值，并提供响应于此的信号。如果存在温度传感器250，则控制器201可操作地连接到温度传感器250，并且控制器201配置成还使用来自温度传感器250的信号计算代表性填充压力。
或者，用于计算代表性填充压力的当地气体温度T本地可以是固定值，或者是使用用户输入设备265输入的值。
用于计算代表性填充压力Prepr的代表温度Trepr可以由控制器201使用经验方程或基于理论方程来计算。
一些出版物描述了基于热力学原理的代表性温度的计算，例如，Bourgeois等人“The temperature evolution in compressed gas filling processes:A review,”Int.J.of Hydrogen Energy,vol.43,pp.2268-2292,2018；Xiao等人“Charge-dischargecycle thermodynamics for compression hydrogen storage system,”Int.J.ofHydrogen Energy,vol.41,pp 5531-5539,2016；Xiao等人“Estimation of finalhydrogen temperature from refueling parameters,”Int.J.of Hydrogen Energy,vol.42,pp 7521-7528,2017；Simonovski等人“Thermal simulations of a hydrogenstorage tank during fast filling,”Int.J.of Hydrogen Energy,vol.40,pp.12560-12571,2015。
或者，从分配氢气到许多接收容器获得的历史数据可用于开发经验方程式，例如：
Figure BDA0002190994640000081
其中Tambient是当地气体温度(℃)；
C1、C2、C3、C4和C5是经验导出的常数；
Prepr是t＝n-1时的代表性填充压力；
Pstart是模拟填充开始时的压力；
Tfill是温度传感器210测得的气体温度，单位为℃；
Pramp-rate是模拟填充时的压力上升速率(MPa/min)；
Trepr是计算的罐温，单位为℃。
代表性填充压力Prepr和代表性温度Trepr可以按时间步长计算。可以使用前一时间步的代表温度来计算代表性填充压力，或者可以使用前一时间步的代表性温度来计算代表性填充压力。
在“通信填充”的情况下，由控制器201计算的代表性填充压力和可选的代表性温度可以被传输到压缩气体燃料站的控制器。压力和可选温度的数据可以使用用于将压缩气体分配到车辆的相同协议(即SAE J2799传输协议)传输，即通过包括容器205的压缩气体燃料联接器中的IR发射器传输。压缩气体分配站可以通过包括分配喷嘴135的压缩气体燃料联接器中的IR接收器接收数据。
测试装置可包括位于背压调节器220下游的流体传输线255中的前向压力调节器225。前向压力调节器225可操作地设置成控制前向压力调节器225的下游的流体传输线255中的气体压力。前向压力调节器225的设定点压力可以手动设定或通过控制器201设定。
质量流量传感器230可以位于可选的前向压力调节器225的下游，以降低质量流量传感器230的压力等级要求。
从氢气分配站分配的氢气通常由于氢气在接收容器中膨胀时的加热而冷却到远低于环境温度(例如至-40℃)的温度，以避免接收容器过热。
由于通过背压调节器220的非常冷的氢可能影响背压调节器220的操作，因此该装置可包括加热装置245以向背压调节器220提供热量。加热装置可以是电阻加热器、换热器或可以为背压调节器220提供加热的任何其他合适的装置。
如果存在的话，加热装置还可以加热前向压力调节器225。
该装置可包括压力传感器215，其可操作地设置成测量与背压调节器220上游的流体传输线255中的气体压力相关的值，并提供响应于此的信号。如果存在压力传感器215，则控制器201可操作地连接到压力传感器215。压力传感器215可用于通过提供反馈信号来改善背压调节器220的控制。
测试装置可包括一个或多个接收容器240，以捕获从压缩气体分配站分配的压缩气体。一个或多个接收容器240可以可操作地连接到流体传输线255的下游端。一个或多个接收容器240可以是管拖车上的容器。一个或多个减压阀235可以安装在流体传输线255中。
或者，流体传输线255的下游端可以连接到通气管线(未示出)或火炬(未示出)。
本公开还涉及一种用于测试压缩气体分配站的方法。
该方法包括将压缩气体分配站的分配喷嘴135连接到测试装置的容器205。测试装置包括流体传输线255，其具有可操作地设置在流体传输线255中的背压调节器220。背压调节器具有可调节的压力设定。
该方法包括使一定量的压缩气体从分配喷嘴135通过流体传输线255。
该方法包括测量与通过流体传输线255的压缩气体量的质量相关的值。可以从质量流量传感器230确定与通过流体传输线255的压缩气体量的质量相关的值，其中质量流量传感器响应于测量值而提供信号。
该方法包括从与可通过流体传输线255的压缩气体量的质量相关的值计算代表性填充压力。代表性填充压力可由控制器201计算。控制器201可配置为使用来自质量流量传感器230的信号计算代表性填充压力。
代表性填充压力是代表性接收容器容积的函数，该值与通过流体传输线255的压缩气体量的质量、初始气体压力和进入压缩气体温度相关。可以使用用户输入设备265手动测量或输入进入的压缩气体温度。
该方法包括响应于计算的代表性填充压力调节流体传输线255中的背压调节器220的压力设定。控制器201可以可操作地配置成提供与计算的代表性填充压力相对应的控制信号。背压调节器220可以可操作地配置为响应控制信号。由于通过流体传输线255的压缩气体可以在传递到流体传输线255之前被冷却，因此可以加热背压调节器。
该方法可以包括测量与在背压调节器220上游的位置处通过流体传输线255的压缩气体量的压缩气体温度相关的值。在测量与压缩气体量的压缩气体温度相关的值的情况下，也从与压缩气体温度相关的值计算代表性填充压力。
代表性填充压力也可以是当地气体温度的函数，其可以在使用用户输入设备265手动输入时测量。
该方法可以包括测量与当地气体温度相关的值。在测量与当地气体温度相关的值的情况下，也从与当地气体温度相关的值计算代表性填充压力。
该方法可包括将来自背压调节器220的压缩气体量传递到前向压力调节器225，以调节前向压力调节器225下游的压缩气体量的压力。前向压力调节器225可位于质量流量传感器230的上游，以降低质量流量传感器230的压力等级要求。
该方法可以包括将一定量的压缩气体从流体传输线255传递到一个或多个接收容器240。

Claims (15)

1.一种用于压缩气体分配站的测试装置，该测试装置包括：
用于提供与压缩气体分配站的分配喷嘴密封连接的容器；
流体传输线，具有上游端和下游端，所述上游端连接到所述容器；
所述流体传输线中的背压调节器，所述背压调节器可操作地设置成控制所述背压调节器上游的流体传输线中的气体压力，所述背压调节器可操作地配置成响应于来自控制器的代表性填充压力的控制信号；
所述流体传输线中的质量流量传感器，所述质量流量传感器可操作地设置成测量与所述流体传输线中传输的气体量相关的值并响应于此提供信号；和
控制器，所述控制器可操作地连接到所述质量流量传感器，所述控制器配置成使用来自所述质量流量传感器的信号计算代表性填充压力，所述控制器可操作地配置成提供对应于所述代表性填充压力的控制信号。
2.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
温度传感器，可操作地设置成测量与所述背压调节器上游的流体传输线中的气体温度相关的值，并响应于此提供信号；
其中所述控制器可操作地连接到所述温度传感器，并配置成也使用来自所述温度传感器的信号计算所述代表性填充压力。
3.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
环境气体温度传感器，可操作地设置成测量与当地气体温度相关的值并响应于此提供信号；
其中所述控制器可操作地连接到所述环境气体温度传感器，并配置成也使用来自所述环境气体温度传感器的信号计算所述代表性填充压力。
4.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
用户输入设备，用于输入供所述控制器使用的参数值。
5.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
在所述流体传输线中的前向压力调节器，所述前向压力调节器可操作地设置在所述背压调节器的下游，所述前向压力调节器可操作地设置成控制所述前向压力调节器下游的流体传输线中的气体压力。
6.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
为至少背压调节器提供热量的加热装置。
7.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
压力传感器，可操作地设置成测量与所述背压调节器上游的流体传输线中的气体压力相关的值，并响应于此提供信号；
其中所述控制器可操作地连接到所述压力传感器。
8.根据权利要求1所述的测试装置，还包括：
一个或多个接收容器，其中所述一个或多个接收容器可操作地连接到所述流体传输线的下游端。
9.一种用于测试压缩气体分配站的方法，该方法包括：
将压缩气体分配站的分配喷嘴连接到测试装置的容器，所述测试装置包括流体传输线，具有可操作地设置在所述流体传输线中的背压调节器，所述背压调节器具有可调节的压力设定；
使一定量的压缩气体从所述分配喷嘴通过所述流体传输线；
测量与通过所述流体传输线的压缩气体量的质量相关的值；
从与通过所述流体传输线的压缩气体量的质量相关的值计算代表性填充压力；和
响应于计算的代表性填充压力来调节所述流体传输线中背压调节器的压力设定。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
测量与所述背压调节器上游位置处通过所述流体传输线的压缩气体量的压缩气体温度相关的值；
其中所述代表性填充压力也从与压缩气体温度相关的值计算。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
测量与当地气体温度相关的值；
其中所述代表性填充压力也从与当地气体温度的相关的值计算。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述代表性填充压力使用一个或多个用户提供的一个或多个相应参数值计算，所述一个或多个参数选自当地气体温度、初始气体压力和代表性接收容器体积。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述压缩气体的量在所述流体传输线中从所述背压调节器传递到前向压力调节器，以调节所述前向压力调节器下游的压缩气体量的压力。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述背压调节器被加热。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述压缩气体的量从所述流体传输线传递到一个或多个接收容器。
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