CN113028279A - 一种加氢站内储氢瓶组分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加氢站内储氢瓶组分配方法，对于配置有低、中、高压储氢瓶组的加氢站，在车辆加注时间维持恒定的前提下，加氢站每日总加注量则为nm kg；所述加氢站内储氢瓶组满足分配的条件为：各级储氢瓶组内氢气全部利用完全，即储氢瓶组内氢气压力最终降至可以充装的临界值。本发明的分配方法是通过容量选择进行配制，可以在保证加氢速度恒定的前提下，选择高中低压储氢瓶组的最佳配比，使储氢瓶组内氢气利用率最大化，充分利用好储氢瓶组的氢气，尽可以多地实现加注氢气量。

Description

一种加氢站内储氢瓶组分配方法
技术领域
本发明涉及加氢站集成设计的技术领域，尤其是一种加氢站内储氢瓶组分配方法。
背景技术
新能源汽车是目前汽车行业的发展方向。其中，氢燃料电池电动汽车具有氢燃料能源可再生、低能耗和零排放的环保特点，因此氢燃料电池电动汽车更具有大好发展前景。
目前，对于氢燃料电池电动汽车，需要在特定的加氢站进行加氢。这里以35MPa车辆加氢站实现氢燃料电池汽车加氢为例，如图1所示，具体流程为：首先加氢站的外购氢气经过氢气长管拖车运输至加氢站，压力为5～20MPa，长管拖车上的氢气通过氢气卸气柱及流量控制阀组输送至氢气压缩机增压至45MPa，经过增压后的氢气储存在加氢站的储氢瓶组中。当氢燃料电池汽车到站加氢时，开启储氢瓶组，并通过加氢机给汽车加氢，当汽车氢气压力到达35MPa时，停止加氢。
在上述加氢过程中，为了提高储氢瓶组利用率，减少压缩机启动次数，加氢站设计一般将储氢瓶组划分为三类：高压瓶组、中压瓶组和低压瓶组，三类瓶组储氢压力均为45MPa。因为车辆到站时，车辆的储氢压力一般为5-10MPa。因此先开启低压瓶组为车辆在较低氢气压力下充氢；到达一定压力后关闭低压瓶组，开启中压瓶组，在车辆氢气压力到达中压时充氢；最后当汽车氢气压力到达高压时，开启高压瓶组为车辆加氢。
目前关于高中低压的气瓶配置设计方案中，一般就是设计如何设计高中低压瓶组，对应瓶组设置有压强不同的几个储氢瓶，例如公开日为2020年12月18日，公开号为CN212178520U的实用新型专利，公开了一种加气压力稳定的固定储氢瓶组，包括总输入管和瓶组系统；所述瓶组系统包括输氢管、氢气输出管和储氢瓶，所述输氢管的一端与所述总输入管连通，所述输氢管的另一端设有针型阀，所述输氢管的另一端与所述储氢瓶接通；所述输氢管上设有第一阀门、储氢止回阀和第二阀门，所述储氢止回阀设于所述第一阀门和第二阀门之间，所述氢气输出管连通至所述输氢管，且所述氢气输出管的输入端位于所述储氢止回阀和所述第一阀门之间；所述瓶组系统至少设有三组，所述总输入管分别与三组所述瓶组系统连接。
但是目前都没有关于设计储氢瓶组的容量设计上，并没有明确的配比方法。因为没有对容量的优化设计，因为目前加氢站氢瓶组的设计，不能在加氢速度恒定的前提下，保证储氢瓶组内氢气利用率最大化。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种加氢站内储氢瓶组分配方法，该方法可适用于设置有低、中、高压氢气瓶组的加氢站，能最大化利用各储氢瓶组内的氢气用量。
本发明的技术方案如下：
一种加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于，对于配置有低压储氢瓶组、中压储氢瓶组和高压储氢瓶组的加氢站，在车辆加注时间维持恒定的前提下，对于全天总加氢车辆n辆车，每辆车平均加注m kg，每日加注量则为nm kg；所述加氢站内储氢瓶组满足分配的条件为：（1）z/z’=y/y’=x/x’；（2）x+y+z=nm；（3）加注过程中，氢气加注流量随压力温度的变化遵循伯努利方程；其中，对应加注用的各压强瓶组的氢气量分别为：总的低压瓶组充装氢气量x kg、总的中压瓶组充装氢气量y kg、总的高压瓶组充装氢气量z kg，对应各压强瓶组满足容量配置的最低容量分别为：低压储氢瓶组为x’kg、中压储氢瓶组为y’kg、高压储氢瓶组为z’kg。
所述总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn；其中：x1、x2、…、xn表示第一辆车到第n辆车分别用的低压瓶组氢气量，y1、y2、…、yn表示第一辆车到第n辆车分别用的中压瓶组氢气量，z1、z2、…、zn表示第一辆车到第n辆车分别用的高压瓶组氢气量。
进一步的，所述氢气加注流量为一恒定值w，w≤3.6kg/min。一般情况下，多选择为2 kg/min。
进一步的，所述加氢站内储氢瓶组分配方法满足加氢的具体过程为：
第一辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x1 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y1 kg, 高压瓶组消耗氢气为z1 kg；
第二辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x2 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y2 kg, 高压瓶组消耗氢气为z2 kg；
第三辆、第四辆…直到第n辆车进站加注，都是相同的加注过程；
第n辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为xn kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为yn kg, 高压瓶组消耗氢气为zn kg；
当第n辆车加注完成后，所用的总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn。
根据上述，所述加氢站内储氢瓶组分配方法满足低压储氢瓶组、中压储氢瓶组、高压储氢瓶组的氢气压力均为45MPa的加氢站。那么，针对45MPa的加氢站，所述加氢站内储氢瓶组分配方法满足加氢的具体过程为：
第一辆车进站加注，先启动低压瓶组，当车内氢气压力与低压瓶组压力差小于2MPa，启动中压瓶组，此过程中低压瓶组消耗氢气为x1 kg；当车内氢气压力与中压瓶组压力差小于2Mpa，或加注流量小于2kg/min时，启动高压瓶组，直至车辆加注到35MPa，此过程中压瓶组消耗氢气为y1 kg, 高压瓶组消耗氢气为z1 kg；
第二辆车进站加注，先启动低压瓶组，当车内氢气压力与低压瓶组压力差小于2MPa，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x2 kg；当车内氢气压力与中压瓶组压力差小于2MPa，或加注流量小于2 kg/min时，启动高压瓶组，直至车辆加注到35 MPa，此过程中压瓶组消耗氢气为y2 kg, 高压瓶组消耗氢气为z2 kg；
第三辆、第四辆…第n辆车进站加注，都是相同的加注过程；
当第n辆车加注完成后，所用的总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn。
根据上述设计，本发明实现的技术效果如下：
本发明的分配方法是通过容量选择进行配制，可以在保证加氢速度恒定的前提下，选择高中低压储氢瓶组的最佳配比，使储氢瓶组内氢气利用率最大化，充分利用好储氢瓶组的氢气，尽可以多地实现加注氢气量。
附图说明
图1为现有加氢站实现氢燃料电池汽车加氢的流程图。
具体实施方式
本实施例中提供了一种加氢站内储氢瓶组分配方法，对于配置有低压储氢瓶组、中压储氢瓶组和高压储氢瓶组的加氢站，在车辆加注时间维持恒定的前提下，对于全天总加氢车辆n辆车，每辆车平均加注m kg，每日加注量则为nm kg；所述加氢站内储氢瓶组满足分配的条件为：（1）z/z’=y/y’=x/x’；（2）x+y+z=nm；（3）加注过程中，氢气加注流量随压力温度的变化遵循伯努利方程；其中，对应加注用的各压强瓶组的氢气量分别为：总的低压瓶组氢气量x kg、总的中压瓶组氢气量y kg、总的高压瓶组氢气量z kg，对应各压强瓶组满足容量配置的最低容量分别为：低压储氢瓶组为x’kg、中压储氢瓶组为y’kg、高压储氢瓶组为z’kg。
所述加氢站内储氢瓶组分配方法满足加氢的具体过程为：
第一辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x1 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y1 kg, 高压瓶组消耗氢气为z1 kg；
第二辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x2 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y2 kg, 高压瓶组消耗氢气为z2 kg；
第三辆、第四辆…直到第n辆车进站加注，都是相同的加注过程；
第n辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为xn kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为yn kg, 高压瓶组消耗氢气为zn kg；
当第n辆车加注完成后，所用的总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn。
根据上述分配方法，储氢瓶组最优配比实现过程为：
1、在保证车辆加注时间维持恒定的前提下，储氢瓶组率用率最大；假设车辆到站时氢气平均压力为5MPa，储氢瓶组的压力与车内氢气的压力差应大于或等于2MPa。
2、假设储氢瓶组率用率为最高（即利用完后储氢瓶组的最低压力为7Mpa，利用率为80.8%），在此前提下，求出高、中、低压储氢瓶组的配比，然后求整，即是最优配比。
本实施例中，将本发明所述分配方法用于一个500kg/d加注规模的加氢站，每天共有n辆车进行加氢，每辆车平均加注m kg，则每日加注nm kg（可根据实际情况调整），那么：设低压储氢瓶组中充装的氢气为x ’kg；中压储氢瓶组中充装的氢气为y’ kg；高压储氢瓶组中充装的氢气为z’kg；氢气加注流量为一恒定值2kg/min。
针对低压储氢瓶组、中压储氢瓶组、高压储氢瓶组的氢气压力均为45MPa的加氢站，该加氢站具体的加注过程为：
第一辆车进站加注，先启动低压瓶组，当车内氢气压力与低压瓶组压力差小于2MPa，或加注流量小于2kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x1 kg；当车内氢气压力与中压瓶组压力差小于2Mpa，或加注流量小于2kg/min时，启动高压瓶组，直至车辆加注到35MPa，此过程中压瓶组消耗氢气为y1 kg, 高压瓶组消耗氢气为z1 kg；
第二辆车进站加注，先启动低压瓶组，当车内氢气压力与低压瓶组压力差小于2MPa，或加注流量小于2kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x2 kg；当车内氢气压力与中压瓶组压力差小于2MPa，或加注流量小于2kg/min时，启动高压瓶组，直至车辆加注到35 MPa，此过程中压瓶组消耗氢气为y2 kg, 高压瓶组消耗氢气为z2 kg,；
第三辆…；
第四辆…；
当第n辆车进站，亦按此逻辑加注。
当第n辆车加注完成后，所用的总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn，因此可得该加氢站的最终实现条件：
1. z/z’=y/y’=x/x’=80.8%，即利用完后储氢瓶组的最低压力为7MPa；
2. x+y+z=nm
3. 加注过程氢气流量随压力温度的变化遵循伯努利方程。
根据上述实施例，可以看出本发明的优化分配方法，可适用于多种压力和规模的加氢站。

Claims (7)

1.一种加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：对于配置有低压储氢瓶组、中压储氢瓶组和高压储氢瓶组的加氢站，在车辆加注时间维持恒定的前提下，对于全天总加氢车辆n辆车，每辆车平均加注m kg，每日加注量则为nm kg；所述加氢站内储氢瓶组满足分配的条件为：（1）z/z’=y/y’=x/x’；（2）x+y+z=nm；（3）加注过程中，氢气加注流量随压力温度的变化遵循伯努利方程；其中，对应加注用的各压强瓶组的氢气量分别为：总的低压瓶组充装氢气量x kg、总的中压瓶组充装氢气量y kg、总的高压瓶组充装氢气量z kg，对应各压强瓶组满足容量配置的最低容量分别为：低压储氢瓶组为x’kg、中压储氢瓶组为y’kg、高压储氢瓶组为z’kg。
2.如权利要求1所述的加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：所述总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn；其中：x1、x2、…、xn表示第一辆车到第n辆车分别用的低压瓶组氢气量，y1、y2、…、yn表示第一辆车到第n辆车分别用的中压瓶组氢气量，z1、z2、…、zn表示第一辆车到第n辆车分别用的高压瓶组氢气量。
3.如权利要求2加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：所述氢气加注流量为一恒定值w，w≤3.6kg/min。
4.如权利要求3加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：所述加氢站内储氢瓶组分配方法满足加氢的具体过程为：
第一辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x1 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y1 kg, 高压瓶组消耗氢气为z1 kg；
第二辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为x2 kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为y2 kg, 高压瓶组消耗氢气为z2 kg；
第三辆、第四辆……；
第n辆车进站加注，先启动低压瓶组，当加注流量小于w kg/min时，启动中压瓶组，此过程低压瓶组消耗氢气为xn kg；当加注流量小于w kg/min时，启动高压瓶组，直至中压瓶组消耗氢气为yn kg, 高压瓶组消耗氢气为zn kg；
当第n辆车加注完成后，所用的总的低压瓶组氢气为x=x1+x2+…+xn，所用的总的中压瓶组氢气为y=y1+y2+…+yn，所用的总的高压瓶组氢气为z=z1+z2+…+zn。
5.如权利要求3所述的加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：所述加氢站内储氢瓶组分配方法适用于低压储氢瓶组、中压储氢瓶组、高压储氢瓶组的氢气压力均为45MPa的加氢站。
6.如权利要求5所述的加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：当加氢站为低压储氢瓶组、中压储氢瓶组、高压储氢瓶组的氢气压力均为45MPa的加氢站时，z/z’=y/y’=x/x’=80.8%。
7.如权利要求6所述的加氢站内储氢瓶组分配方法，其特征在于：当z/z’=y/y’=x/x’=80.8%时，利用完的低压储氢瓶组、中压储氢瓶组、高压储氢瓶组的氢气压力最低压力为7MPa。
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