CN114811416A - 一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，该方法包括：获取加氢站的充注过程中所有部件；根据各个部件的控制方程及各个部件内气体状态的变化规律，确定各个部件的部件数学模型；根据所有部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型；求解过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个部件进出口气体的状态参数，实现充注过程的动态仿真。该方案可实现对加氢站充注过程的动态仿真，并具有过程预测、能耗分析和热力特性分析的功能，同时为加氢站系统的优化以及充注策略的制定奠定了基础，有利于推动加氢站基础设施的建设。

Description

一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法
技术领域
本发明属于氢能技术领域，特别涉及一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法。
背景技术
氢能具有无污染、能量转化率和能量密度高、储存和制取方式多样等优点，被认为是最具发展潜力的可再生能源。氢燃料电池汽车作为氢能的重要利用方式之一，对于推动汽车产业能源结构的调整，助力“碳中和，碳达峰”目标的实现，具有重大的战略意义。燃料电池汽车的发展和商业化离不开加氢站基础设施的建设，然而加氢站的建设是现阶段制约我国氢能和燃料电池行业发展的重要瓶颈之一。
目前，我国加氢站有建设成本高、关键设备依赖进口、技术标准不统一等问题。
发明内容
本说明书实施例的目的是提供一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法。
为解决上述技术问题，本申请实施例通过以下方式实现的：
本申请提供一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，该方法包括：
获取加氢站的充注过程中所有部件；
根据各个部件的控制方程及各个部件内气体状态的变化规律，确定各个部件的部件数学模型；
根据所有部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型；
求解过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个部件进出口气体的状态参数，实现充注过程的动态仿真。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，该方案：通过建立加氢站和燃料电池汽车全系统的数学模型，实现对加注过程的动态仿真，对于预测充注过程，进行能耗分析和热力特性分析具有重要意义。同时可为加氢站系统的优化以及加注策略的制定奠定基础，有利于推动加氢站基础设施的建设。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的加氢站氢气充注过程的流程示意图；
图2为本申请提供的加氢站氢气充注过程的第一阶段加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图；
图3为本申请提供的加氢站氢气充注过程的第二阶段长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图；
图4为本申请提供的加氢站氢气充注过程的第三阶段长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图；
图5为本申请提供的加氢站氢气充注过程的动态仿真方法的流程示意图；
图6为本申请提供的加氢站氢气充注过程的第一阶段迭代计算的流程框图；
图7为本申请提供的加氢站氢气充注过程的第二阶段或第三阶段迭代计算的流程框图；
图8为本申请实施例中第一阶段得到的结果图；
图9为本申请实施例中第一阶段和第三阶段得到的结果图；
图10为本申请实施例中第一阶段、第二阶段和第三阶段得到的结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书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说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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，都应当属于本说明书保护的范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
在不背离本申请的范围或精神的情况下，可对本申请说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本申请的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。本申请中的“份”如无特别说明，均按质量份计。
相关技术中，加氢站建设成本高、关键设备依赖进口、技术标准不统一等，限制了我国加氢站基础设施的建设。
基于此，本申请提出一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，该方法可以根据加氢站的充注过程中的各个部件的控制方程及各个部件内部气体状态的变化规律，确定各个部件的部件数学模型，结合各个部件的部件数学模型，确定充注过程中的过程数学模型，然后求解过程数学模块，可以得到充注过程中任意时刻的各个部件内部气体的状态参数，从而实现加氢站氢气充注过程的动态仿真。通过该方法可以预测充注过程，并分析充注过程的能耗及热力特性；另外，根据该动态仿真可以指导建设加氢站，优化加氢站，降低加氢站建设成本等，从而推动我国加氢站基础设施的建设。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
参照图1-4，其示出了适用于本申请实施例提供的加氢站氢气充注过程的动态仿真方法的充注过程的流程示意图。
其中，如图1所示，氢气充注过程可以包括加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程、长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程、长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程。
如图2所示为加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图，可以称该充注过程为第一阶段。该第一阶段的充注过程中包含的部件有加氢站内储氢容器(包括图1和图2中的高压储氢罐和低压储氢罐，也可以统称为站内储氢罐)、减压阀、换热器、车载储氢容器(即图1、图2和图3中的车载储氢瓶)，特别的是将考虑压损的部件如管道、质量流量计、拉断阀、软管等封装为压损模块(如图1-图3中)，并且在流程中的三个不同位置考虑了压损，分别是站内储氢罐出口到减压阀前，减压阀后到加注机加氢枪，以及燃料电池汽车插座到车载储氢瓶。
如图3所示为长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图，可以称该充注过程为第二阶段。该第二阶段的充注过程中包含的部件有长管拖车中储氢容器(图1、图3、图4中以长管拖车示出)、压缩机、减压阀、车载储氢瓶、压损模块、增压系统中的压缩机进排气换热器、级间换热器、及加注以及预冷系统中的换热器。
如图4所示为长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程的流程示意图，可以称该充注过程为第三阶段。该阶段的充注过程中包含的部件有长管拖车中储氢容器、压缩机、增压系统中的压缩机进排气换热器、级间换热器、加氢站内储氢容器。
下述对上述3个阶段的充注过程进行动态仿真。
参照图5，其示出了适用于本申请实施例提供的加氢站氢气充注过程的动态仿真方法的流程示意图。
如图5所示，加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，可以包括：
S510、获取加氢站的充注过程中所有部件。
具体的，充注过程可以包括上述3个阶段的充注过程，每个充注过程中所包含的部件不同，因此，动态仿真不同的充注过程，获取对应充注过程中的部件。
可以理解的，可以先对整个加氢站工艺流程中的所有部件进行编号，该编号代表不同节点的编号，并将编号标注在所代表的节点的位置，如图1中，编号1代表加氢站内储氢容器、编号2代表减压阀，以此进行编号及标注。每个充注过程终点的储氢容器(可以为加氢站内储氢容器或车载储氢瓶)的编号表示其内部氢气的状态，而其余部件的编号均代表对应部件出口节点气体的状态。还可以理解的，在实际编程中可以用类或结构体方式将各节点气体的状态量封装成一个整体。其中，气体的状态量可以包括压力、温度、焓值、密度等。
还可以理解的，从面向系统建模到面向节点建模，关键之处在于保证数据接口一致，如下处理保证了各部件之间畅通的数据传输：对于部件间的节点，存储统一格式的气体状态量，包括压力、温度、焓值、密度，如此一来不管中间部件是对哪些状态量实施操作，部件入口节点的数据总能覆盖部件数学模型的入参，并得到数学模型的出参，即根据部件入口节点的数据求得出口节点的数据。
S520、根据各个部件的控制方程及各个部件内气体状态的变化规律，确定各个部件的部件数学模型。
其中，各个部件内气体状态的变化规律，包括：
起点储氢容器涉及时间前后的状态转换；
终点储氢容器涉及时间前后的状态转换及前一部件的状态；
减压阀和压缩机涉及部件进出口的状态转换及与充注过程中某一部件的状态有关；
中间部件涉及部件进出口的状态转换。
具体的，各个部件的部件数学模型包括各个部件对应的控制方程和各个部件内气体状态变化规律的方程，例如，部件内气体的密度变化方程、压力变化方程等。
具体的，氢气充注过程中各个部件的部件数学模型，是基于质量守恒定律和开口系能量守恒定律的，控制方程为：
Figure BDA0003608525430000051
式中，m为质量，t为充注时间，下标in和out分别表示部件的进出口。
Figure BDA0003608525430000052
式中，Q为热量，Ecv为控制容积内的总能，h为比焓，cf为流速，g为重力加速度，z为控制容积进出口距离基准面的高度，
Figure BDA0003608525430000053
为单位时间内工质对外界做的功。
加氢站氢气加注过程中，无法将氢气视为理想气体，其实际气体状态方程为：
Pv＝Rg(T+αP) (3)
式中，P为压力，v为比体积，Rg为气体常数，T为温度，α为常系数。
从上述可知，氢气充注过程中可以包括储氢容器、减压阀、压缩机、中间部件，其中，中间部件包括换热器及管道、质量流量计、拉断阀、软管等考虑压损的压损部件。其中，储氢容器包括起点储氢容器和终点储氢容器，起点储氢容器可以为加氢站内储氢容器和长管拖车中储氢容器，终点储氢容器可以为车载储氢瓶和加氢站内储氢容器。
根据各个部件的控制方程及各个部件内气体状态的变化规律，各个部件的部件数学模型如下：
1)储氢容器，包括起点储氢容器和终点储氢容器。
在一个充注流程中，它们分别位于起点和终点的位置，对应的状态是有氢气流出和有氢气流入。其满足的开口系热力学第一定律可以简化为：
Figure BDA0003608525430000061
式中，U为储氢容器中氢气的内能。
焓的定义为H＝U+PV，所以式(4)可化为：
Figure BDA0003608525430000062
式中，hin和hout分别为流入和流出储氢容器氢气的比焓，V为储氢容器的容积。
储氢容器中的密度满足以下方程：
Figure BDA0003608525430000063
式中，ρ为储氢容器中氢气的密度。
将储氢容器内氢气与外界环境的传热视为一维非稳态导热问题，常物性、无内热源的一维导热微分方程及边界条件为：
Figure BDA0003608525430000064
式中，a为热扩散率，x为储氢容器的壁厚。
Figure BDA0003608525430000065
Figure BDA0003608525430000071
式(8)和式(9)是第三类边界条件，规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数以及周围流体的温度。式中，λ为导热系数，Tw为储氢容器壁面的温度，kg和ka分别为氢气侧和空气侧的表面传热系数，Tg和Ta分别为储氢容器内氢气和储氢容器外空气的温度，Tw|x＝0和Tw|L＝0分别为储氢容器内壁面和外壁面的温度。
可以理解的，式(5)和式(6)为储氢容器的部件数学模型。
2)减压阀，是站内储氢罐给车载储氢瓶充注时的关键部件。
在加注过程中，减压阀会根据加氢枪处的压力反馈来调节自己的开度，使得加氢枪处压力的变化满足APRR(Average Pressure Ramp Rate，平均压力梯度速率)标准，从而达到控制加注速率的目的。减压阀出口压力与加氢枪处压力之间的关系为：
Pout＝PAPRR+ΔP (11)
式(11)中，Pout为减压阀出口氢气的压力，PAPRR为加氢枪处氢气的压力，ΔP为减压阀进出口氢气的压差。
其中，氢气流经减压阀时不对外界做功，动能差和势能差可忽略不计，假设此过程为绝热节流，那么根据式(2)可得减压阀的控制方程：
hin＝hout (12)
减压阀进出口气体的压力与质量流量
Figure BDA0003608525430000072
减压阀系数cv、进口气体密度ρin之间的关系为：
Figure BDA0003608525430000073
可以理解的，式(11)和式(12)为减压阀的部件数学模型。
3)换热器
在加注过程中，由于需要严格控制车载储氢瓶中氢气的温度，所以需要在加注前对氢气进行预冷。同时为了降低压缩机进排气温度，同样需要换热器对压缩机进排气进行冷却。氢气流经换热器时，与外界有热量交换而无功的交换，且动能差和势能差可忽略不计，所以根据式(2)可得换热器的控制方程：
Figure BDA0003608525430000081
式中，Qex为换热器中氢气与外界交换的热量。
换热器的功耗Wex与热量Qex以及换热器制冷系数COP有关：
Figure BDA0003608525430000082
换热器出口的压力和温度为：
Pout＝Pin-ΔP (16)
Tout＝Tcool (17)
式中，Tout为换热器出口氢气的温度，Tcool为预设的换热器出口气体的温度。
可以理解的，式(16)和式(17)为换热器的部件数学模型。
4)压缩机，是长管拖车中储氢容器中氢气给站内储氢罐和车载储氢瓶充注时的关键部件。
长管拖车中的氢气经压缩机增压后充注到储氢容器，压缩机排气压力与储氢容器中气体压力之间的关系为：
Pout＝Pstorage+ΔP (18)
式中，Pstorage为流程终点储氢容器中氢气的压力。
氢气流经压缩机时，压缩机对其做功，忽略动能差和势能差，根据式(2)可得压缩机绝热压缩时的控制方程：
Figure BDA0003608525430000083
式中，Wco,is为绝热压缩时压缩机的功耗，hout,is为绝热压缩时流出压缩机氢气的比焓。
由于压缩机实际压缩过程是相当复杂的，所以通常用等熵效率ηis来考虑绝热压缩过程和实际压缩过程功耗的差别：
Figure BDA0003608525430000084
式中，Wco为实际压缩时压缩机的功耗。
实际压缩过程中，压缩机排气焓值的计算公式为：
Figure BDA0003608525430000091
压缩机质量流量的计算公式为：
Figure BDA0003608525430000092
式中，ηV为容积效率，Vcyl为压缩机的行程容积。
可以理解的，式(18)和式(21)为压缩机的部件数学模型。
5)压损部件。氢气流经管道、质量流量计等部件时会产生压力损失，按照造成压损的原因可以分为沿程阻力损失和局部阻力损失。假设氢气流经考虑压损的部件时，均不与外界发生热交换，那么考虑压损的部件的控制方程同样为式(12)。
沿程阻力损失的计算公式为：
Figure BDA0003608525430000093
式中，L为管长，A为管道截面积，f为摩擦因子。其中摩擦因子是雷诺数Re、管道粗糙度r和管道内径d的函数：
Figure BDA0003608525430000094
Figure BDA0003608525430000095
式中，μ为动力粘度。
局部阻力损失的计算公式为：
Figure BDA0003608525430000096
式中，kp为局部阻力损失系数。
可以理解的，式(12)和式(23)或式(26)为压损部件的部件数学模型。
各个部件中气体状态的变化规律为：
上述充注过程的3个阶段中，流程的起点和终点均为储氢容器，流程起点的起点储氢容器，只有氢气流出，其内部氢气的状态(即指状态量：压力、温度、焓值、密度)与出口氢气的状态相同；而流程终点的终点储氢容器，只有氢气流入，但是除压力外，其内部氢气的状态与入口氢气的状态都不相同。
为了实现对加氢站氢气充注过程的动态仿真，需要求解任意时刻充注全流程中氢气的状态，也就是需要求解任意时刻每个部件进出口气体的状态。
根据上述给加氢站的工艺流程给各个部件进行编号，即整个求解过程为面向节点的。可以理解的，在编号时，可以先给站内储氢罐到车载储氢瓶这一流程(即第一阶段)中的部件进行编号，然后是长管拖车到压缩机这一流程，直至所有的部件均有编号，图中编号在各个部件的出口位置。流程终点储氢容器的编号表示其内部氢气的状态，而其余部件的编号均代表该部件出口节点气体的状态。
氢气在各个热力设备中发生不同的热力过程，实现能量转换。假设质量流量已知，那么对于流程起点的起点储氢容器，根据前一时刻氢气的状态可得下一时刻氢气的状态；对于流程终点的终点储氢容器，除前一时刻氢气的状态外，还需要已知入口氢气的状态才可得下一时刻氢气的状态；对于流程中减压阀和压缩机两个关键部件，除入口氢气的状态外，还需要某一个节点处氢气的状态才可得出口氢气的状态；其中，减压阀除入口氢气的状态外，还与加氢枪前面的节点处氢气的状态有关，压缩机除入口氢气的状态外，还与流程的终点储氢容器节点处氢气的状态有关；其余中间部件则是根据入口氢气的状态可得出口氢气的状态，具体的状态转换方程如下所示。值得注意的是，除储氢容器外，某一时刻各个部件氢气的状态都不涉及上一时刻氢气的状态。
起点储氢容器：
Figure BDA0003608525430000101
终点储氢容器：
Figure BDA0003608525430000102
减压阀和压缩机：
Figure BDA0003608525430000103
其余中间部件：
Figure BDA0003608525430000111
式中，status为氢气的状态量，statuspre为上一时刻氢气的状态量，statusin为部件进口处氢气的状态量，statusout为部件出口处氢气的状态量，statussome为流程中某个节点处氢气的状态量。
引入气体状态方程式(3)后，气体的状态量只有两个是相互独立的，所以每个节点都有两个独立的未知数，根据各个部件的部件数学模型可知，式(27)-式(30)均包含两个独立的方程。
S530、根据所有部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型。
可选的，S530根据所有部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型可以包括：
根据充注过程的特点，确定充注过程的质量流量方程；
所有部件的部件数学模型与质量流量方程，构成充注过程的过程数学模型。
可选的，根据充注过程的特点，确定充注过程的质量流量方程，包括：
若充注过程为加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程时，根据减压阀的开度确定充注过程中的质量流量方程；
若充注过程为长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程或长管拖车中储氢容器向加氢站内储氢容器的充注过程时，根据压缩机的容积效率和行程容积确定充注过程中的质量流量方程。
具体的，不同的充注过程的充注特点不同，因此充注过程的过程数学模型也不同。对应的求解方法也不同。
如果流程中有n个部件，每个部件都可以列出两个独立的方程，共2n个方程。由前面的分析可知，n个部件有n个节点，每个节点都有两个独立的未知数，所以共2n个未知数。由于加注过程的质量流量未知，所以还需要一个计算质量流量的方程。第一阶段站内储氢罐给车载储氢瓶充注的过程，是通过调节减压阀来控制质量流量；第二阶段和第三阶段长管拖车中储氢容器中的氢气经压缩机增压后给储氢容器(包括车载储氢瓶或站内储氢罐)充注的过程，通过压缩机行程容积、进口气体密度和容积效率可求得质量流量。综上，整个充注过程搭建的过程数学模型中有2n+1个方程和2n+1个未知数，这样形成了封闭的方程组，该封闭的方程组即为充注过程的过程数学模型。
示例性的，第一阶段站内储氢罐给车载储氢瓶充注的过程，此过程的特点是通过调节减压阀的开度来控制流程中的质量流量，从而达到对充注速率的控制。
假设此过程中有x个部件，那么可用下列方程组来表示这一充注过程的过程数学模型：
Figure BDA0003608525430000121
方程组(31)中，下标1和x分别代表站内储氢罐和车载储氢瓶，下标j代表减压阀，下标i代表站内储氢罐和减压阀之间的第i个部件，下标k代表减压阀和车载储氢瓶之间的第k个部件。由于代表氢气的两个状态量，所以式(31)中表示的部件的方程，均由两个独立的方程组成，具体见各个部件的数学模型。
示例性的，第二阶段和第三阶段长管拖车中储氢容器中的氢气经压缩机增压后给储氢容器(包括车载储氢瓶或站内储氢罐)充注的过程，此过程通过压缩机的容积效率和行程容积来计算过程中的质量流量。
假设此流程中有y个部件，那么可用下列方程组来表示这一充注过程的过程数学模型：
Figure BDA0003608525430000131
方程组(32)中，下标1代表长管拖车中储氢容器，下标y代表车载储氢瓶或站内储氢罐，下标j代表压缩机，下标i代表长管拖车和压缩机之间的第i个部件，下标k代表压缩机和车载储氢瓶或压缩机和站内储氢罐之间的第k个部件。同理，式(32)中表示的部件的方程，均由两个独立的方程组成，具体见各个部件的数学模型。
S540、求解过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个部件进出口气体的状态参数，实现充注过程的动态仿真。
在一个实施例中，若充注过程为加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程时，求解过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个部件进出口气体的状态参数，包括：
根据预设质量流量，确定对应的减压阀系数；
根据各个部件的部件数学模型，求解各个部件内气体状态参数；
根据车载储氢容器的压力与车载储氢容器的前一个部件出口处氢气的压力的绝对差值与第一误差，调节减压阀系数，直至充注过程处于平衡状态，得到当前时刻每个部件进出口气体的状态参数及质量流量；
当不满足充注过程的终止条件时，将当前时刻的质量流量作为下一时刻的迭代初值，进行迭代计算，直至满足充注过程的终止条件。
可选的，当车载储氢容器的压力与车载储氢容器的前一个部件出口处氢气的压力的绝对差值小于第一误差时，判定为充注过程处于平衡状态。
可选的，充注过程的终止条件为：车载储氢容器内氢气的压力大于或等于预设压力，或者氢气的温度大于或等于预设温度，或者氢气的充注量SOC大于或等于预设充注量，或者减压阀前压力小于或等于减压阀后压力。
在一个实施例中，若充注过程为长管拖车中储氢容器向车载储氢容器的充注过程或长管拖车中储氢容器向加氢站内储氢容器的充注过程，求解过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个部件进出口气体的状态参数，包括：
根据上一时刻压缩机进口处的氢气的密度，确定当前时刻的质量流量；
根据质量流量，确定当前时刻长管拖车中储氢容器到压缩机之前所有部件的状态参数；
根据上一时刻车载储氢容器或加氢站内储氢容器的压力，确定当前时刻压缩机的状态参数，并依次求解当前时刻压缩机之后到车载储氢容器或加氢站内储氢容器之间所有部件的状态参数；直至满足收敛条件，得到当前时刻每个部件进出口气体的状态参数及质量流量；
当不满足充注过程的终止条件时，将当前时刻的压缩机进口处的氢气的密度作为下一时刻的迭代初值，进行迭代计算，直至满足充注过程的终止条件。
可选的，当在相邻的两个迭代步内，压缩机入口处密度的相对误差小于第二误差且车载储氢容器或加氢站内储氢容器的压力的相对误差小于第三误差时，判定为满足收敛条件。
可选的，充注过程的终止条件为：车载储氢容器或加氢站内储氢容器内氢气的压力大于或等于预设压力，或者氢气的温度大于或等于预设温度，或者氢气的充注量大于或等于预设充注量。
具体的，不同充注过程的过程数学模型，对应的求解方法也不同。
示例性的，方程组(31)相互耦合，需要消元或迭代求解。考虑到消元的困难性，选择迭代的方法进行求解，具体迭代思路如图6所示。
迭代计算的收敛判据是节点x-1与节点x压力的绝对误差小于允许的误差ε。在某一迭代步中，如果减压阀系数cv偏小，则充注过程中质量流量偏小，从而导致Px-1偏大，Px偏小，当出现Px-1-Px＞ε的情况时，需要增大减压阀系数再进行迭代计算，直至Px-1-Px＜ε；如果减压阀系数cv偏大，则流程中质量流量偏大，从而导致Px-1偏小，Px偏大，当出现Px-Px-1＞ε的情况时，需要减小减压阀系数再进行迭代计算，直至Px-Px-1＜ε。如此看来，节点x-1与节点x压力的绝对误差随变量单调变化，从而保证了迭代的收敛性。
同样采用迭代的方法求解方程组(32)，具体迭代思路如图7所示。
在求解过程中，使用上一时刻的值代替当前时刻的值，会产生截断误差，所以采用迭代的方法来消除截断误差。迭代收敛的判据是在相邻的两个迭代步内，节点j-1密度的相对误差以及节点y压力的相对误差均小于允许的误差ε。
示例性的，继续参照图2为第一阶段充注过程的流程示意图，此过程包含的部件有高低压储氢罐、减压阀、换热器、车载储氢瓶，特别的是将考虑压损的部件如管道、质量流量计、拉断阀、软管等封装为图2中显示的“压损模块”，并且在过程中的三个不同位置考虑了压损，分别是站内储氢罐出口到减压阀前，减压阀后到加注机加氢枪之间，以及燃料电池汽车插座到车载储氢瓶之间。
在第一阶段充注过程中，需要按照一定加注速率APRR进行充注，即通过调节减压阀的开度使得加氢枪处的压力按照APRR呈线性变化。在图2加注以及预冷系统中，压损模块出口节点氢气的状态参数，也就是加氢枪处氢气的状态参数，如果APRR一定，那么该节点的压力为已知值，即P5＝PAPRR。此过程的方程组为：
Figure BDA0003608525430000161
采用迭代的方法对该过程建立的数学模型进行求解，迭代求解的思路如图6所示。由于减压阀的开度是根据加氢枪处压力来反馈调节的，所以在任意充注时刻，用来表征减压阀开度的系数cv为一个未知数。在开始充注的第一个时间步长内，首先需要假设一个很小的质量流量，并根据减压阀前后初始的状态参数求减压阀系数cv，以此作为迭代初值。然后，按照各个部件的方程依次求解节点1到节点7氢气的状态参数。由前面的分析可知，P6与质量流量成反比，而P7与质量流量成正比，迭代收敛的判据是|P6-P7|＜ε。在某个时间步长的某一迭代步中，如果减压阀系数cv偏小，那么过程中质量流量偏小，从而导致P6偏大P7偏小，当出现P6-P7＞ε的情况时，需要增大减压阀系数，并以当前迭代步中减压阀前后状态量计算得到的质量流量作为下一迭代步的初值，如此循环，直至|P6-P7|＜ε；如果减压阀系数cv偏大，那么流程中质量流量偏大，从而导致P6偏小P7偏大，当出现P7-P6＞ε的情况时，需要减小减压阀系数，重新计算质量流量后再进行迭代计算，如此循环，直至|P6-P7|＜ε。当满足迭代收敛判据时，说明迭代过程收敛，并可以得到当前时刻充注过程中的质量流量、减压阀系数以及节点1到节点7氢气的状态参数。如果节点7即车载储氢瓶内氢气的压力小于给定的目标压力，或者氢气的温度小于温度限制358.15K，或者氢气的充注量SOC小于目标充注量，又或者减压阀前压力始终大于减压阀后压力，那么时间步长增加Δt，将当前时刻质量流量和减压阀系数作为下一时刻迭代的初值，重新进行迭代计算；反之，充注结束，求解过程终止。
这样就可以求得在该充注过程中，任意时刻各个节点氢气的状态参数，从而实现对该充注过程的动态仿真。
示例性的，继续参照图3为第二阶段充注过程的流程示意图，第二阶段是长管拖车中储氢容器中的氢气经压缩机增压后给车载储氢瓶充注的过程，此过程包含的部件包括长管拖车中储氢容器、压缩机、减压阀、车载储氢瓶、压损模块、增压系统中的压缩机进排气换热器、级间换热器、加注以及预冷系统中的换热器。
这一过程的特点是，开启压缩机给车载储氢瓶直充，充注过程的质量流量很小，无需减压阀来控制加注速率，所以在此过程中把减压阀看作普通的阀门。当增压系统中采用单级压缩时，压缩机进气换热器出口为节点9，压缩机出口为节点12，如图3所示。此过程的方程组为：
Figure BDA0003608525430000181
同样采用迭代的方法对该过程建立的数学模型进行求解，迭代求解的思路如图7所示。首先根据上一时刻节点9的密度计算当前时刻的质量流量，其次根据所求质量流量依次求解当前时刻节点8到节点9氢气的状态参数，再次根据上一时刻节点7的压力求得当前时刻节点12的状态参数，最后依次求解当前时刻节点13和节点2到节点7氢气的状态参数。由于使用上一时刻的值代替当前时刻的值进行求解，会产生截断误差，所以采用迭代的方式消除截断误差。迭代收敛的判据是在相邻的两个迭代步内，节点9密度的相对误差以及节点7压力的相对误差均小于允许的误差ε。如果不满足迭代收敛的判据时，将当前迭代步计算得到的当前时刻节点9的密度以及节点7的压力分别赋给上一时刻节点9的密度以及节点7的压力，并重新进行迭代计算，直至迭代收敛。当满足迭代收敛判据时，说明迭代过程收敛，并可以得到当前时刻流程中的质量流量以及节点8、9、12、13、2、3、4、5、6、7氢气的状态参数。如果节点7即车载储氢瓶内氢气的压力小于给定的目标压力，或者氢气的温度小于温度限制358.15K，或者氢气的充注量SOC小于目标充注量，那么时间步长增加Δt，继续进行下一时刻的迭代计算；反之，充注结束，求解过程终止。
特殊地，如果增压系统中采用两级压缩时，需要在式(34)中增加以下方程：
Figure BDA0003608525430000191
且将式(34)中节点12的方程更改为：
Figure BDA0003608525430000192
这样就可以求得在该加注过程中，任意时刻各个节点氢气的状态参数，从而实现对该加注过程的动态仿真。
第三阶段是长管拖车中储氢容器中的氢气经压缩机增压后给站内储氢罐充注的过程，求解方法与第二阶段似，甚至要更简单，在此不做赘述。
如图8所示为本申请实施例中第一阶段站内储氢罐给车载储氢瓶充注过程得到的结果图，其中图8包括图8(a)-图8(d)，依次对应压力、温度、质量流量、车载储氢瓶氢气质量和功耗随加注时间的变化趋势。
如图9所示为本申请实施例中第一阶段和第三阶段即站内储氢罐给车载储氢瓶充注后长管拖车中储氢容器给站内储氢罐充注使得站内储氢罐回复原始状态的充注过程得到的结果图，其中图9包括图9(a)-图9(d)，依次对应压力、温度、质量流量、车载储氢瓶氢气质量和功耗随加注时间的变化趋势。
如图10所示为本申请实施例中第一阶段、第二阶段和第三阶段即站内储氢罐给车载储氢瓶充注时站内储氢罐氢气不足时，长管拖车中储氢容器给车载储氢瓶充注，及长管拖车中储氢容器给站内储氢罐充注使得站内储氢罐回复原始状态的充注过程得到的结果图，其中图10包括图10(a)-图10(d)，依次对应压力、温度、质量流量、车载储氢瓶氢气质量和功耗随加注时间的变化趋势。
相比于现有技术案子流程依次写出物理方程的建模方法，对于不同的工艺流程的加氢站，难以保证数学模型的复用性，本申请提供的加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，对于不同工艺流程，仅需要修改部件对应的节点顺序即可实现模型复用。
基于本申请提供的加氢站氢气充注过程的动态仿真方法可实现对加氢站充注过程的动态仿真，并具有过程预测、能耗分析和热力特性分析的功能，同时为加氢站系统的优化以及充注策略的制定奠定了基础，有利于推动加氢站基础设施的建设。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种加氢站氢气充注过程的动态仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
获取加氢站的充注过程中所有部件；
根据各个所述部件的控制方程及各个所述部件内气体状态的变化规律，确定各个所述部件的部件数学模型；
根据所有所述部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型；
求解所述过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个所述部件进出口气体的状态参数，实现所述充注过程的动态仿真。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件包括起点储氢容器、终点储氢容器、减压阀、压缩机、中间部件；所述中间部件包括换热器、压损部件；
所述各个所述部件内气体状态的变化规律，包括：
所述起点储氢容器涉及时间前后的状态转换；
所述终点储氢容器涉及时间前后的状态转换及前一部件的状态；
所述减压阀和所述压缩机涉及部件进出口的状态转换及与充注过程中某一部件的状态有关；
所述中间部件涉及部件进出口的状态转换。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所有所述部件的部件数学模型及充注过程的特点，确定充注过程的过程数学模型，包括：
根据充注过程的特点，确定充注过程的质量流量方程；
所有所述部件的部件数学模型与所述质量流量方程，构成所述充注过程的过程数学模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据充注过程的特点，确定充注过程的质量流量方程，包括：
若充注过程为加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程时，根据所述减压阀的开度确定充注过程中的质量流量方程；
若充注过程为长管拖车中储氢容器向所述车载储氢容器的充注过程或所述长管拖车中储氢容器向所述加氢站内储氢容器的充注过程时，根据所述压缩机的容积效率和行程容积确定充注过程中的质量流量方程。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若充注过程为加氢站内储氢容器向车载储氢容器的充注过程时，所述求解所述过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个所述部件进出口气体的状态参数，包括：
根据预设质量流量，确定对应的减压阀系数；
根据各个所述部件的部件数学模型，求解各个所述部件内气体状态参数；
根据所述车载储氢容器的压力与所述车载储氢容器的前一个部件出口处氢气的压力的绝对差值与第一误差，调节所述减压阀系数，直至充注过程处于平衡状态，得到当前时刻每个所述部件进出口气体的状态参数及质量流量；
当不满足充注过程的终止条件时，将所述当前时刻的质量流量作为下一时刻的迭代初值，进行迭代计算，直至满足充注过程的所述终止条件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述车载储氢容器的压力与所述车载储氢容器的前一个部件出口处氢气的压力的绝对差值小于所述第一误差时，判定为充注过程处于平衡状态。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，充注过程的终止条件为：所述车载储氢容器内氢气的压力大于或等于预设压力，或者氢气的温度大于或等于预设温度，或者氢气的充注量SOC大于或等于预设充注量，或者减压阀前压力小于或等于减压阀后压力。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若充注过程为长管拖车中储氢容器向所述车载储氢容器的充注过程或所述长管拖车中储氢容器向所述加氢站内储氢容器的充注过程，所述求解所述过程数学模型，得到充注过程中任意时刻每个所述部件进出口气体的状态参数，包括：
根据上一时刻所述压缩机进口处的氢气的密度，确定当前时刻的质量流量；
根据所述质量流量，确定当前时刻所述长管拖车中储氢容器到所述压缩机之前所有部件的状态参数；
根据上一时刻所述车载储氢容器或所述加氢站内储氢容器的压力，确定当前时刻所述压缩机的状态参数，并依次求解当前时刻所述压缩机之后到所述车载储氢容器或所述加氢站内储氢容器之间所有部件的状态参数；直至满足收敛条件，得到当前时刻每个所述部件进出口气体的状态参数及质量流量；
当不满足充注过程的终止条件时，将所述当前时刻的压缩机进口处的氢气的密度作为下一时刻的迭代初值，进行迭代计算，直至满足充注过程的所述终止条件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当在相邻的两个迭代步内，所述压缩机入口处密度的相对误差小于第二误差且所述车载储氢容器或所述加氢站内储氢容器的压力的相对误差小于第三误差时，判定为满足收敛条件。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，充注过程的终止条件为：所述车载储氢容器或所述加氢站内储氢容器内氢气的压力大于或等于预设压力，或者氢气的温度大于或等于预设温度，或者氢气的充注量大于或等于预设充注量。
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