CN113494678A - 一种氢气加注控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢气加注控制方法及控制系统，方法包括实时检测所述待加氢储氢罐内的罐内温度和罐内压力；开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率保持为所述预设的平稳速率；当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。本发明能够在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上，有效提高加氢速率和缩短氢气加注时间，以达到快速、安全、低成本加氢的目的。

Description

一种氢气加注控制方法及系统
技术领域
本发明涉及高压储氢技术领域，尤其是涉及一种氢气加注控制方法及系统。
背景技术
氢能因其具有洁净环保、可规模储输等突出优点而被公认为是最具应用前景的二次能源之一。目前，加氢站大多采用进行高压氢的加氢和储存，氢气加注过程是储氢罐内温度和压力都急剧增加的过程，国际上普遍认可在氢气加注过程中的安全界限为罐内温度不可超过85℃和罐内压力不可超过87.5MPa，一旦超过这个安全界限将出现泄露或者爆炸，结果将不堪设想。
现有技术为了解决加氢过程中温度和压力的安全控制，主要通过延长加氢时间或降低进气温度，但时间的延长增加了驾驶员的等待焦虑感，而进气温度的控制将导致使用成本较高。
发明内容
本发明提供一种氢气加注控制方法及系统，以解决现有的通过延长加氢时间和降低进气温度导致时间延长和成本升高的技术问题，本发明能够在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上，有效缩短氢气加注时间，以达到快速、安全、低成本加氢的目的。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种氢气加注控制方法，至少包括以下步骤：
实时检测所述待加氢储氢罐内的罐内温度和罐内压力；
开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率保持为所述预设的平稳速率；
当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。
其中，所述罐内温度小于等于加氢温度安全阈值，所述罐内压力、所述目标充氢压力小于等于加氢压力安全阈值。
作为优选方案，所述方法还包括：
基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
作为优选方案，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0。
作为优选方案，在开启所述待加氢储氢罐的进气阀门之前；
所述待加氢储氢罐的罐内温度等于环境温度，所述待加氢储氢罐的罐内压力等于预设的初始压力。
作为优选方案，输入所述待加氢储氢罐内的氢气的进气温度为预设的预冷温度，其中，所述预设的预冷温度小于环境温度。
作为优选方案，所述预设的预冷温度为0℃。
作为优选方案，所述待加氢储氢罐由两个储氢罐并联组成。
本发明实施例还提供一种氢气加注控制系统，包括：
加氢速率检测装置，用于将检测到的加氢速率发送至加氢控制装置；
罐内温度检测装置，用于将实时检测的所述待加氢储氢罐内的罐内温度发送至加氢控制装置；
罐内压力检测装置，用于将实时检测到的所述待加氢储氢罐内的罐内压力发送至加氢控制装置；
所述加氢控制装置，用于：
开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率以所述预设的平稳速率继续加氢；
当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。
作为优选方案，所述加氢控制装置，还用于：
基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时之间的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
作为优选方案，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0。
作为优选方案，在开启所述待加氢储氢罐的进气阀门之前；
所述待加氢储氢罐的罐内温度等于环境温度，所述待加氢储氢罐的罐内压力等于预设的初始压力。
作为优选方案，输入所述待加氢储氢罐内的氢气的进气温度为预设的预冷温度，其中，所述预设的预冷温度小于环境温度。
作为优选方案，所述预设的预冷温度为0℃。
作为优选方案，所述待加氢储氢罐由两个储氢罐并联组成。
相比于现有技术，本发明实施例提供了一种氢气加注控制方法，有益效果在于：通过实时检测待加氢储氢罐的罐内压力和罐内温度，以实时监测待加氢储氢罐在加氢过程中的动态情况，避免罐内压力、罐内温度超过安全阈值，保证氢气加注过程的安全性。在氢气加注过程中，首先使加氢速率提升至预设的最高速率，然后降速至预设的平稳速率，最后以预设的平稳速率稳定加氢直至达到目标充氢压力，通过在加氢过程的前期先升速再降速，相比现有技术的稳定速率进行氢气加注，能够在保证加氢安全的基础上有效缩短加氢时间。因此，本发明能够在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上，有效提高加氢速率和缩短氢气加注时间，以达到快速、安全、低成本加氢的目的。
附图说明
图1是本发明实施例中的氢气加注控制方法的流程示意图；
图2是储氢罐的二维轴对称截面图；
图3是现有技术通过延长加氢时间进行氢气加注的储氢罐的内部温度分布图；
图4是现有技术通过延长加氢时间进行氢气加注的罐内平均温度与加氢时间的关系图；
图5是应用本发明实施例中的氢气加注控制方法的加氢速率与加氢时间的关系图；
图6是应用本发明实施例中的氢气加注控制方法的储氢罐的内部温度分布图；
图7是应用本发明实施例中的氢气加注控制方法的罐内平均温度与加氢时间的关系图；
图8是本发明实施例中的氢气加注控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明优选实施例提供了一种氢气加注控制方法，至少包括以下步骤：
S101、实时检测所述待加氢储氢罐内的罐内温度和罐内压力；其中，所述罐内温度小于等于加氢温度安全阈值，所述罐内压力小于等于加氢压力安全阈值。
在本实施例中，通过实时检测待加氢储氢罐的罐内压力和罐内温度，以实时监测待加氢储氢罐在加氢过程中的动态情况，避免罐内压力、罐内温度超过安全阈值，保证氢气加注过程的安全性。
在保证氢气加注安全性的基础上，为了缩短加氢时间，本实施例在氢气加注过程中，前期先使加氢速率提升至预设的最高速率，然后降速至预设的平稳速率，后期以预设的平稳速率稳定加氢直至达到目标充氢压力，具体方法步骤如下：
S102、开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
S103、当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
S104、当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率保持为所述预设的平稳速率；
S105、当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门，其中，所述目标充氢压力小于等于加氢压力安全阈值。
相比现有技术在开始加氢后以一固定加氢速率对储氢罐缓慢加注氢气，本实施例在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上保证加氢安全，通过在加氢过程的前期先升速再降速，后期以稳定速率将氢气充满，这样能够有效缩短加氢时间，达到快速、安全、低成本加氢的目的。
基于上述实施例，为了能使得氢气加注过程的前期的加氢速率能够合理的达到预设的最高速率和预设的平稳速率，且保证罐内压力和罐内温度在这个加速和减速过程中不会超过安全阈值，本发明的所述氢气加注控制方法还包括：
S201、基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
S202、根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
S203、以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
在本实施例中，应当说明的是，本发明实施例通过电磁阀控制所述进气阀门，通过调节所述进气阀门的开度大小以改变加氢速率，可以理解的是，在氢气加注前，控制所述进气阀门的开度为0，当开启所述进气阀门后直至所述加氢速率提升至所述预设的最高速率，这一过程控制所述进气阀门的开度从0到最大设定开度；然后将所述加氢速率降低至所述预设的平稳速率，这一过程控制所述进气阀门的开度从最大设定开度逐步变为与所述预设的平稳速率对应的平稳设定开度(开度不为0)；当以所述预设的平稳速率继续加氢时，则控制所述进气阀门的开度保持为平稳设定开度，直至达到目标充氢压力。
在本实施例中，为了使得电磁阀能够平稳的控制所述进气阀门的开度，避免在氢气加注开始时就将加氢速率突变为预设的最高速率，使得氢气加注过程可控、安全，在其中一种优选实施例中，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0，k的数值具体根据实际应用通过仿真软件进行标定。本实施例通过仿真软件进行大量数据模拟得到加氢速率曲线，从实际工况出发，符合热力学原理，并且对罐内情况进行实时监测，因此具有可行性，且能大幅缩短氢气加注时间，确保加注过程的安全性。
在本发明的优选实施例中，在步骤S102的开启所述待加氢储氢罐的进气阀门之前；
所述待加氢储氢罐的罐内温度等于环境温度，所述待加氢储氢罐的罐内压力等于预设的初始压力。
其中，输入所述待加氢储氢罐内的氢气的进气温度为预设的预冷温度，其中，所述预设的预冷温度小于环境温度。优选的，所述预设的预冷温度为0℃。
本实施例无需如现有技术通过降低进气温度以保证安全性但导致成本升高，在氢气加注过程的前期快速提升加氢速率以缩短加氢时间，然后降速至预设的平稳速率，后期以预设的平稳速率稳定加氢直至达到目标充氢压力，不仅能够保证安全，还有利于降低氢气加注的成本。
在其中一种优选实施例中，所述待加氢储氢罐由两个储氢罐并联组成。
基于上述公开的实施例，作为示例性的，本发明的其中一种可行方案如下进行说明：
(1)储氢罐设置：
将两个相同储氢罐并联，对两个并联储氢罐(52L，70MPa)进行加注，符合目前车载高压储氢罐布置方案，更具有实用价值；其中，单个储氢罐尺寸如图2所示，储氢罐为三型瓶。
(2)氢气加注数据采集：
在储氢罐内安装温度传感器、压力传感器，用于实时检测所述待加氢储氢罐内的罐内温度和罐内压力。
(3)进气温度设定：
氢气进气温度预冷为0℃。
(4)边界条件设定：
设定边界条件与实际使用状况一致：在氢气加注之前，储氢罐的整体温度与环境温度一致(20℃)，罐内初始压力2MPa。
(5)设定氢气质量流率与加氢时间、加氢速率之间的关系式：
运用comsol仿真软件进行模拟，由于单个储氢罐的加氢速率等于总速率的一半，则单个储氢罐加氢速率曲线的关系式为：
Figure BDA0002418129980000071
如图5所示，图5为根据上述关系式得到的单个储氢罐速率曲线，通过电磁阀进行控制所述进气阀门的开度，通过仿真软件进行大量数据模拟得到加氢速率曲线，本实施例从实际工况出发，符合热力学原理，并且对罐内情况进行实时监测，因此具有可行性，且能大幅缩短加注时间，并确保加注过程的安全性。
(6)加注结果：
如图6、图7所示，储氢罐的罐内温度及罐内压力均在安全阈值内，且加注时间为323s，大幅缩短加注时间。
(7)技术进步：
如图3和图4所示为通过延长加氢时间进行氢气加注的现有技术，其加注前的储氢罐整体温度也与环境温度一致(20℃)，罐内初始压力2MPa，从图4可见，为使加注过程罐内温度及压力不超过储氢罐阈值，使得加氢时间延长至505s，不仅增加了驾驶员的等待焦虑感，也降低了加氢站的工作效率。
如图5至图7所示，本方案应用本发明的氢气加注控制方法，在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上，在氢气加注过程中，前期先使加氢速率提升至预设的最高速率，然后降速至预设的平稳速率，后期以预设的平稳速率稳定加氢直至达到目标充氢压力，及时升速-降速的这一过程，罐内压力、罐内温度也是保持在安全阈值之下，并能够将加氢时间缩短至323s，这样大幅缩地短氢气加注时间和保证加注过程的安全性，既能够提高加氢速率，以达到快速、安全、低成本加氢的目的。
请参见图8，本发明实施例还提供一种氢气加注控制系统，应用上述的氢气加注控制方法，系统包括：
加氢速率检测装置4，用于将检测到的加氢速率发送至加氢控制装置1；其中，所述加氢速率检测装置4可以采用流体传感器，实时检测氢气加注管道内的流体流速变化；
罐内温度检测装置2，用于将实时检测的所述待加氢储氢罐内的罐内温度发送至加氢控制装置1；其中，所述罐内温度检测装置2可以是温度传感器，安装在储氢罐的罐内，并通过有线或无线连接方式与所述加氢控制装置1进行数据传输；
罐内压力检测装置3，用于将实时检测到的所述待加氢储氢罐内的罐内压力发送至加氢控制装置1；其中，所述罐内压力检测装置3可以是压力传感器，安装在储氢罐的罐内，并通过有线或无线连接方式与所述加氢控制装置1进行数据传输；
所述加氢控制装置1，用于：
开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率以所述预设的平稳速率继续加氢；
当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。
在其中一种优选实施例中，所述加氢控制装置1，还用于：
基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时之间的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
在其中一种优选实施例中，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0。
在其中一种优选实施例中，在开启所述待加氢储氢罐的进气阀门之前；
所述待加氢储氢罐的罐内温度等于环境温度，所述待加氢储氢罐的罐内压力等于预设的初始压力。
在其中一种优选实施例中，输入所述待加氢储氢罐内的氢气的进气温度为预设的预冷温度，其中，所述预设的预冷温度小于环境温度。
优选的，所述预设的预冷温度为0℃。
所述待加氢储氢罐由两个储氢罐并联组成。
基于上述条件，所述关系式可以设为：
f(t)＝-0.0125t2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，且0＜t≤76。
当然，所述关系式的参数k可以根据实际的环境温度、氢气进气温度等进行调整。
综上，本发明提供了一种氢气加注控制方法，有益效果在于：通过实时检测待加氢储氢罐的罐内压力和罐内温度，以实时监测待加氢储氢罐在加氢过程中的动态情况，避免罐内压力、罐内温度超过安全阈值，保证氢气加注过程的安全性。在氢气加注过程中，首先使加氢速率提升至预设的最高速率，然后降速至预设的平稳速率，最后以预设的平稳速率稳定加氢直至达到目标充氢压力，通过在加氢过程的前期先升速再降速，相比现有技术的稳定速率进行氢气加注，能够在保证加氢安全的基础上有效缩短加氢时间。因此，本发明能够在确保加氢过程的储氢罐压力和温度不超过安全阈值的基础上，有效提高加氢速率和缩短氢气加注时间，能够达到快速、安全、低成本加氢的目的。
需说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢气加注控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
实时检测所述待加氢储氢罐内的罐内温度和罐内压力；
开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率保持为所述预设的平稳速率；
当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。
2.如权利要求1所述的氢气加注控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
3.如权利要求2所述的氢气加注控制方法，其特征在于，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0。
4.如权利要求1所述的氢气加注控制方法，其特征在于，在开启所述待加氢储氢罐的进气阀门之前；
所述待加氢储氢罐的罐内温度等于环境温度，所述待加氢储氢罐的罐内压力等于预设的初始压力。
5.如权利要求1所述的氢气加注控制方法，其特征在于，输入所述待加氢储氢罐内的氢气的进气温度为预设的预冷温度，其中，所述预设的预冷温度小于环境温度。
6.如权利要求5所述的氢气加注控制方法，其特征在于，所述预设的预冷温度为0℃。
7.如权利要求1所述的氢气加注控制方法，其特征在于，所述待加氢储氢罐由两个储氢罐并联组成。
8.一种氢气加注控制系统，其特征在于，包括：
加氢速率检测装置，用于将检测到的加氢速率发送至加氢控制装置；
罐内温度检测装置，用于将实时检测的所述待加氢储氢罐内的罐内温度发送至加氢控制装置；
罐内压力检测装置，用于将实时检测到的所述待加氢储氢罐内的罐内压力发送至加氢控制装置；
所述加氢控制装置，用于：
开启所述待加氢储氢罐的进气阀门，并控制氢气输入所述待加氢储氢罐内的加氢速率提升至预设的最高速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的最高速率时，控制所述加氢速率降低至预设的平稳速率；
当检测到所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时，控制所述加氢速率以所述预设的平稳速率继续加氢；
当所述罐内压力达到目标充氢压力时，关闭所述进气阀门。
9.如权利要求8所述的氢气加注控制系统，其特征在于，所述加氢控制装置，还用于：
基于所述预设的最高速率、所述预设的平稳速率，建立加氢速率与加氢时间的关系式；
根据所述关系式计算变速加氢时间段内的实时速率，其中，所述变速加氢时间段为所述进气阀门开启至所述加氢速率达到所述预设的平稳速率时之间的时间段，所述实时速率为所述变速加氢时间段内任一时刻的速率；
以根据所述实时速率生成的阀门控制指令控制所述进气阀门的开度。
10.如权利要求9所述的氢气加注控制系统，其特征在于，所述关系式为：
f(t)＝-kt2+t
其中，f(t)为实时速率，t为所述变速加氢时间段内任一时刻，k为系数，且k>0。
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