CN113834675A - 评判加氢机的加注性能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加氢技术领域，具体涉及一种评判加氢机的加注性能的方法和装置，该方法包括：用加氢机向车载储氢瓶中加注氢气，并在加氢机完成加注时，计算加氢机的加注性能参数η，当η≥0.9时，评判加氢机的加注性能合格，当0＜η＜0.9时，评判加氢机的加注性能不合格。本发明根据加注性能参数，可实时监控加氢机加注安全性能检测；同时，本发明提供的评判加氢机的加注性能的装置，通过对氢气质量、储氢瓶温度值及压力值的检测及处理，实现了对加氢性能的实时监控，有利于保证加注过程的顺利进行。

Description

评判加氢机的加注性能的方法和装置
技术领域
本发明涉及加氢技术领域，具体涉及一种评判加氢机的加注性能的方法和装置。
背景技术
氢能因具有来源多样、洁净环保、可规模储输等突出优点而被认为是最具应用前景的二次能源之一。氢能燃料电池汽车是氢能的重要应用终端之一。目前，氢能燃料电池汽车普遍采用储氢瓶进行氢气的储存(储氢瓶的设计压力主要有35MPa和70MPa两种)，而加氢机向车载储氢瓶加氢的加注控制策略是目前国内外研究的重点之一。
在氢气加注过程中，因为外界对储氢瓶做工、焦耳-汤姆森的热效应和动能转化热，储氢瓶内氢气的温度会升高，而氢气温度的升高，会使氢气的密度降低，从而当压力达到设定压力值时，实际加注的氢气量达不到需要加注的量，同时氢气温度过高，还会影响储氢瓶的寿命和安全等，这就要求35MPa/70MPa加氢机具有安全可靠的加注控制策略，能够控制升压速率或者质量流率，而加氢机在使用前或使用过程中均需要对其进行安全性能检测。
因此，亟需一种评判加氢机的加注性能的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决如何确定加氢机进行车载储氢瓶氢气加注时，是否满足温度、压力以及加满度等加注性能的问题，提供一种评判加氢机的加注性能的方法和装置，该方法能够评价加氢机的加注性能，确定加氢机是否适合车载储氢瓶的氢气加注，满足氢气加注的安全等性能要求。
本发明的发明人在研究中发现：通过加氢机的加注性能参数η，一方面可有效判断加氢机的加注性能，即，在一定加注时间范围内，且不超温不超压的前提下，能够有效定量地比较不同加氢机的性能优劣，从而降低车载储氢瓶注氢的周期和频率；另一方面，在提高车载储氢瓶的氢气注入量，并确保了车载储氢瓶的安全性能。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种评判加氢机的加注性能的方法，该方法包括：用加氢机向车载储氢瓶中加注氢气，并在加氢机完成加注时，计算加氢机的加注性能参数η，当η≥0.9时，评判加氢机的加注性能合格，当0＜η＜0.9时，评判加氢机的加注性能不合格；
其中，所述加注性能参数
Figure BDA0002529565740000021
其中，
Figure BDA0002529565740000022
SOC为加满度，T为车载储氢瓶采样温度，T0为车载储氢瓶初始温度，t为加注时间，t0为理论加注时间。
优选地，所述SOC为0-100％，T-T0为35-125℃，3min≤t≤25min。
本发明第二方面提供一种评判加氢机的加注性能的装置，该装置包括：依次相连的受气嘴、气动阀、流量计、压力变送器、温度变送器、车载储氢瓶、安全阀、阻火器和数据采集控制模块，其中，
受气嘴，与加氢机相连，用于将加氢机中氢气注入所述车载储氢瓶；
数据采集控制模块，与压力变送器、温度变送器、流量计和车载储氢瓶相连，用于采集数据和计算加注性能参数η，评判所述加氢机的加注性能。
优选地，所述数据采集控制模块，还与所述气动阀相连，用于采集所述温度变送器的温度值和压力变送器的压力值，判断所述加氢机是否继续加注和是否安全泄放。
通过上述技术方案，本发明提供的评判加氢机的加注性能的方法，通过引入加注性能参数η，便于直观、简洁的进行加氢机的加注安全性能检测；同时，本发明提供的评判加氢机的加注性能的装置，通过对氢气质量、储氢瓶温度值及压力值的检测及处理，实现了对加氢性能的实时监控，有利于保证加注过程的顺利进行。
附图说明
图1是本发明提供的氢气加注的检测评价装置；
图2是实施例1模拟的加注性能曲线图；
图3是实施例2模拟的加注性能曲线图；
图4是实施例3模拟的加注性能曲线图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种评判加氢机的加注性能的方法，该方法包括：用加氢机向车载储氢瓶中加注氢气，并在加氢机完成加注时，计算加氢机的加注性能参数η，当η≥0.9时，评判加氢机的加注性能合格，当0＜η＜0.9时，评判加氢机的加注性能不合格；
其中，所述加注性能参数
Figure BDA0002529565740000031
其中，
Figure BDA0002529565740000032
SOC为加满度，T为车载储氢瓶采样温度，T0为车载储氢瓶初始温度，t为加注时间，t0为理论加注时间。
在本发明中，没有特殊情况说明下，所述合格与不合格是基于SAE-J2001，即，SAE-J2001是指加氢机加注3-5min，所述车载储氢瓶的SOC≥90％。
在本发明中，当η≥0.9时，评判加氢机的加注性能合格，即：当η≥0.9时，加氢机加注性能优秀；当0＜η＜0.9时，评判加氢机的加注性能不合格，即，当0＜η＜0.9时，加氢机加注性能较劣。
在没有特殊情况说明下，本申请中所述SOC等同于车载储氢瓶中注氢质量与加满质量的比值，或者车载储氢瓶加注完成后氢气密度与15℃×35MPa或15℃×70MPa氢气密度比值(State of Charge，SOC)，其中，15℃×35MPa氢气密度为24g/m3，15℃×70MPa氢气密度为40g/m3。
根据本发明，优选地，所述SOC为0-100％，是指加氢机加注完成时，车载储氢瓶中氢气的质量含量，即：氢气的加注量/储氢瓶中最大氢气承载量；T-T0为35-125℃，是指车载储氢瓶采样温度与初始温度之差为35-125℃；3min≤t≤25min，是指加注时间不超过25min。
优选地，所述加注时间取决于所述车载储氢瓶的体积大小，当所述车载储氢瓶的体积≤250L时，t0为3-5min，例如3min、4min、5min，以及任意两者之间的中间值；和/或，当所述储氢瓶的体积＞417L时，t0为10-15min，例如10min、11min、12min、13min、14min、15min，以及任意两者之间的中间值。
在本发明中，对所述车载储氢瓶具有较宽的选择范围，优选地，所述车载储氢瓶为35MPa储氢瓶或70MPa储氢瓶。
在本发明中，没有特殊情况说明下，所述加注的条件是指所述车载储氢瓶在不超温、不超压和不过充的情况下进行氢气加注。
一种优选实施方式，当所述车载储氢瓶为35MPa储氢瓶，所述加注的条件包括：温度为-40℃至85℃，压力为0.5-43.5MPa，车载储氢瓶SOC为0-100％。
另一种优选实施方式，当所述车载储氢瓶为70MPa储氢瓶，所述加注的条件包括：温度为-40℃至85℃，压力为0.5-87.5MPa，车载储氢瓶SOC为0-100％。
在本发明中，为了提高加氢机加注的安全性能，优选地，所述储氢瓶的初始条件满足：温度为-40℃至50℃，压力为0.5-20MPa，35MPa储氢瓶的体积≥99L；或，温度为-40℃至50℃，压力为0.5-20MPa，70MPa储氢瓶的体积≥50L。
根据本发明的一种优选实施方式，评判加氢机的加注性能的方法：
(1)获得车载储氢瓶的初始温度值T0及压力值P0和初始体积V0，且35MPa储氢瓶的初始参数满足：-40℃≤T0≤50℃，0.5MPa≤P0≤20MPa，V0≥99L；或，
70MPa储氢瓶的初始参数满足：-40℃≤T0≤50℃，0.5MPa≤P0≤20MPa，V0≥50L；
(2)在加注条件下，加注时间为t，测得储氢瓶的温度值T及压力值P和储氢瓶质量m，得到加注性能参数η，根据加注性能参数η，判断加氢机的加注性能优劣；
其中，加注性能参数
Figure BDA0002529565740000051
其中，
Figure BDA0002529565740000052
M是指35MPa储氢瓶或70MPa储氢瓶的加满质量，其中，35MPa储氢瓶加氢注满时，ρ0＝24kg/m3；70MPa储氢瓶加氢注满时，ρ0＝40kg/m3。
当η≥0.9时，加氢机加注性能优秀；当0＜η＜0.9时，加氢机加注性能较劣。
本发明第二方面提供一种评判加氢机的加注性能的装置，该装置包括：依次相连的受气嘴、气动阀、流量计、压力变送器、温度变送器、车载储氢瓶、安全阀、阻火器和数据采集控制模块，其中，
受气嘴，与加氢机相连，用于将加氢机中氢气注入所述车载储氢瓶；
数据采集控制模块，与压力变送器、温度变送器、流量计和车载储氢瓶相连，用于采集数据和计算加注性能参数η，评判所述加氢机的加注性能。
根据本发明，优选地，所述气动阀，用于控制加注的开启与关闭；所述流量计，用于测试加注进来氢气的瞬时流量和累积流量；所述压力变送器，用于测定加注氢气的压力值；所述温度变送器，用于测试加注氢气的温度值；所述安全阀，用于保护储氢瓶安全；所述阻火器，用于排放氢气卸放安全。
一种优选实施方式，加注完成后，所述数据采集控制模块，从所述流量计、压力变速器、温度变送器获得氢气的累积流量值、温度值和压力值，计算加注性能参数η，根据加注性能参数η判断加注机加氢性能。
一种优选实施方式，所述数据采集控制模块，还与所述气动阀相连，用于采集所述温度变送器的温度值和压力变送器的压力值，判断所述加氢机是否继续加注和是否安全泄放。当所述温度值和压力值不在加注条件的范围内，控制所述气动阀关闭加注，并对所述储氢瓶中的氢气进行泄放。
根据本发明，优选地，所述装置还包括：过滤器，所述过滤器与所述气动阀相连，用于过滤加注氢气的杂质。
根据本发明的一种优选实施方式，所述氢气加注的检测评价装置如图1所示：该装置包括依次相连的受气嘴、气动阀、过滤器、流量计、压力变送器、温度变送器、储氢瓶、安全阀、阻火器和数据采集控制模块，其中，受气嘴，与加氢机相连，用于将加氢机中氢气注入所述储氢瓶；数据采集控制模块，与所述压力变送器、温度变送器、流量计和储氢瓶相连，用于采集数据参数和计算加注性能参数η，评价所述加氢机加注性能；其中，所述气动阀，用于控制加注的开启与关闭；所述过滤器，用于过滤加注氢气的杂质；所述流量计，用于测试加注进来氢气的瞬时流量和累积流量；所述压力变送器，用于测定加注氢气的压力值；所述温度变送器，用于测试加注氢气的温度值；所述安全阀，用于保护储氢瓶安全；所述阻火器，用于排放氢气卸放安全。
优选地，所述数据采集控制模块，还与所述气动阀相连，用于采集所述温度变送器的温度值和压力变送器的压力值，判断所述加氢机是否继续加注和是否安全泄放。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，加注性能参数
Figure BDA0002529565740000071
其中，
Figure BDA0002529565740000072
SOC为加满度，T为车载储氢瓶采样温度，T0为车载储氢瓶初始温度，t为加注时间，t0为理论加注时间。
实施例1-3的车载储氢瓶初始状态参数和加注终态参数均列于表1。
实施例1
35MPa加氢机主要参数包括：加注流量为0.18-7.2kg/min，额定工作压力为35MPa，最大工作压力为43.8MPa，最大设计压力为48.3MPa，加注压力为0.5-20MPa，加注温度为-40℃至50℃。
采用本发明提供的氢气加注检测评价方法对35MPa加氢机进行模拟储氢评价，
(1)获得储氢瓶的初始温度值T0及压力值P0和初始体积V0，且储氢瓶的初始参数满足：-40℃≤T0≤50℃，0.5MPa≤P0≤20MPa，V0≥99L；
(2)在加氢加注条件下，加注时间为4.9min，测得储氢瓶的温度值T及压力值P和氢气累积质量m，得到加注性能参数η；
(3)根据公式，计算得到
Figure BDA0002529565740000073
其中，
Figure BDA0002529565740000074
Figure BDA0002529565740000075
此加氢机加注性能优秀。
其中，实施例1模拟的加氢加注曲线如图2所示，其中，直线为15℃×35MPa的标准加氢加注线，且标准加氢加注线的方程为：P＝12RT，其中R为气体常量。
根据图2可知，实施例1的加氢加注过程在不超温不超压的前提下，加氢机的加注性能优秀，且加注过程安全。
实施例2
70MPa加氢机主要参数包括：加注流量为0.18-3.6kg/min，额定工作压力为70MPa，最大工作压力为87.5MPa，最大设计压力为96.6MPa，加注压力为0.5-20MPa，加注温度为-40至50℃。
采用本发明提供的氢气加注检测评价方法对70MPa加氢机进行模拟储氢评价，
(1)获得储氢瓶的初始温度值T0及压力值P0和初始体积V0，且储氢瓶的初始参数满足：-40℃≤T0≤50℃，0.5MPa≤P0≤20MPa，V0≥50L；
(2)在加氢加注条件下，加注4.6min后，测得储氢瓶的温度值T及压力值P和氢气累积质量m，得到加注性能参数η；
(3)根据公式，计算得到
Figure BDA0002529565740000081
则判断此加氢机加注性能优秀且加注过程安全，其中，
Figure BDA0002529565740000082
其中，实施例2模拟的加氢加注曲线如图3所示，其中，直线为15℃×35MPa的标准加氢加注线，且标准加氢加注线的方程为：P＝20RT，其中R为气体常量。
根据图3可知，实施例2的加氢加注过程在不超温不超压的前提下，加氢机的加注过程安全且性能优秀。
实施例3
35MPa加氢机主要参数包括：加注流量为0.18-7.2kg/min，额定工作压力为35MPa，最大工作压力为43.8MPa，最大设计压力为48.3MPa，加注压力为0.5-20MPa，加注温度为-40℃至50℃。
采用本发明提供的氢气加注检测评价方法对35MPa加氢机进行模拟储氢评价，
(1)获得储氢瓶的初始温度值T0及压力值P0和初始体积V0，且储氢瓶的初始参数满足：-40℃≤T0≤50℃，0.5MPa≤P0≤20MPa，V0≥99L；
(2)在加氢加注条件下，加注时间为2.7min，测得储氢瓶的温度值T及压力值P和氢气累积质量m，得到加注性能参数η；
(3)根据公式，计算得到
Figure BDA0002529565740000091
其中，
Figure BDA0002529565740000092
Figure BDA0002529565740000093
此加氢机加注性能不符合相关要求。
其中，实施例3模拟的加氢加注曲线如图4所示，其中，直线为15℃×35MPa的标准加氢加注线，且标准加氢加注线的方程为：P＝12RT，其中R为气体常量。
根据图4可知，实施例3的加氢加注过程在不超温不超压的前提下，加氢机虽然加注过程安全，但加注性能不符合相关要求。
表1
T<sub>0</sub>/℃ P<sub>0</sub>/MPa V<sub>0</sub>/L t<sub>0</sub>/min T/℃ P/MPa m/kg t/min
实施例1 22.4 3.9 140 5 60.4 34.1 3.02 4.9
实施例2 4.1 1.7 128.3 5 65.8 81.6 5.08 4.6
实施例3 33.7 0.8 120 5 66.6 27.4 2.16 7.3
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种评判加氢机的加注性能的方法，其特征在于，该方法包括：用加氢机向车载储氢瓶中加注氢气，并在加氢机完成加注时，计算加氢机的加注性能参数η，当η≥0.9时，评判加氢机的加注性能合格，当0＜η＜0.9时，评判加氢机的加注性能不合格；
其中，所述加注性能参数
Figure FDA0002529565730000011
其中，
Figure FDA0002529565730000012
SOC为加满度，T为车载储氢瓶采样温度，T0为车载储氢瓶初始温度，t为加注时间，t0为理论加注时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述SOC为0-100％，T-T0为35-125℃，3min≤t≤25min。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述车载储氢瓶的体积≤250L时，t0为3-5min；和/或，
所述车载储氢瓶的体积＞417L时，t0为10-15min。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述车载储氢瓶为35MPa储氢瓶或70MPa储氢瓶。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，当所述车载储氢瓶为35MPa储氢瓶，所述加注的条件包括：温度为-40℃至85℃，压力为0.5-43.5MPa，车载储氢瓶SOC为0-100％；
当所述车载储氢瓶为70MPa储氢瓶，所述加注的条件包括：温度为-40℃至85℃，压力为0.5-87.5MPa，车载储氢瓶SOC为0-100％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述车载储氢瓶的初始条件满足：温度为-40℃至50℃，压力为0.5-20MPa，35MPa储氢瓶的体积≥99L；或
温度为-40℃至50℃，压力为0.5-20MPa，70MPa储氢瓶的体积≥50L。
7.一种评判加氢机的加注性能的装置，其特征在于，该装置包括：依次相连的受气嘴、气动阀、流量计、压力变送器、温度变送器、车载储氢瓶、安全阀、阻火器和数据采集控制模块，其中，
受气嘴，与加氢机相连，用于将加氢机中氢气注入所述车载储氢瓶；
数据采集控制模块，与压力变送器、温度变送器、流量计和车载储氢瓶相连，用于采集数据和计算加注性能参数η，评判所述加氢机的加注性能。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述气动阀，用于控制加注的开启与关闭；
所述流量计，用于测试加注氢气的瞬时流量和累积流量；
所述压力变送器，用于测定加注氢气的压力值；
所述温度变送器，用于测试加注氢气的温度值；
所述安全阀，用于保护储氢瓶安全；
所述阻火器，用于排放氢气卸放安全。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述数据采集控制模块，还与所述气动阀相连，用于采集所述温度变送器的温度值和压力变送器的压力值，判断所述加氢机是否继续加注和是否安全泄放。
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的装置，其中，所述装置还包括：过滤器，所述过滤器与所述气动阀相连，用于过滤加注氢气的杂质。
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