一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，具体为：基于梯级加氢站对车载储氢瓶快速加注过程的热力学模型，长管拖车的详细建模补充了氢源模型不足；考虑梯级加氢站系统加氢量需求下节约资源和成本的目标以及氢气加注温度、压力、时间和质量状态的约束，运用粒子群优化

【技术实现步骤摘要】
一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法


[0001]本专利技术属于氢能
，尤其涉及一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法。

技术介绍

[0002]随着汽车工业的不断发展，能源安全和环境污染问题凸显。由于这些问题，全球汽车工业开始加速向绿色低碳转型。在过去的几年内，全球氢能产业建设进一步加速，氢燃料电池汽车和加氢站的数目大量增加。随着氢燃料电池汽车的发展，需要加氢站全面建设的覆盖落实满足氢气供应，如何建设成本低、效益高的加氢站成为了新的方向。
[0003]目前梯级加氢站因其节能、安全等特性得到了大力发展，通常储氢方式为高压储氢，合理的站内储氢系统配置可以有效提高氢气利用率，氢气在压缩状态下会产生剧烈温升，提供有效的氢气温度控制、相关策略制度保证加氢站运行过程节能、安全。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了建设节能、安全的加氢站，利用粒子群优化
‑
引力搜索混合优化算法对加氢站的梯级储氢系统进行配置，以及运行策略综合优化，得出常规状态下三级储氢罐压力和容积的配置参数，以及PSC、中冷温度和预冷温度运行参数优化结果。为此，本专利技术提供了一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法。
[0005]本专利技术的一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：构建加氢站梯级储氢系统对车载储氢瓶快速加注过程的热力学模型，获取加氢站工作一整天的加氢量所消耗的能量，及站内储氢罐中氢气压力、温度变化。
[0007]步骤2：根据加氢站每天加氢量要求，参照SAE
‑
J2601氢气加注协议，氢气加注过程中氢气质量流量不高于60g/s且最终加注时间不大于180s，提出加注过程中车载储氢瓶内变化压力与站内储氢罐变化压力的比值——压力切换系数，设计满足加氢站需求的压力切换系数。
[0008]步骤3：基于加氢站能耗控制和安全性考虑，压缩系统中产生的氢气温度不能高于150℃，梯级储氢系统中每级压缩机后配备了中冷换热器，设计压缩过程中冷换热器的设置温度。
[0009]步骤4：根据加氢温度安全和时间要求，参照SAE
‑
J2601氢气加注协议，满足对车载储氢瓶加注最终氢气温度不高于85℃，设计加氢机加注时预冷系统的设置温度。
[0010]步骤5：根据加氢站加氢量需求，针对加氢站梯级储氢系统的各级站内储氢罐的压力和容量进行配置优化，设计出满足性能要求和成本最低的配置方案。
[0011]步骤6：根据加氢站梯级储氢系统加氢量需求下总现值成本最低的目标和氢气加注温度、压力、时间和质量状态的约束，建立加氢站
‑
车载储氢瓶快速加注过程的配置和运行优化模型，并运用粒子群优化
‑
引力搜索的混合优化算法求解，完成加氢站梯级储氢系统的配置和运行优化。
[0012]进一步的，加氢站梯级储氢系统对车载储氢瓶快速加注过程的热力学模型包括加注系统模型和补气系统模型；构建加氢站的加氢系统中车载储氢瓶的氢气温度、压力和质量变化模型，以及加氢机的氢气质量流量变化模型，得到预冷换热器的能耗模型；构建加氢站的补气系统中长管拖车和储氢罐的氢气温度、压力和质量变化模型，以及压缩机的氢气质量流量模型，得到压缩机的能耗模型和中冷换热器的能耗模型。
[0013]构建梯级储氢加氢站总能耗模型得到加氢站一整天的总压缩能耗W
c,all
、预冷能耗W
pc
、中冷能耗W
ac
。
[0014]采用加氢站工作总能耗最低为优化目标：
[0015]minW
total
＝min[W
c,all
+W
pc
+W
ac
][0016]优化过程的约束条件为：
[0017]氢气温度约束：T(x)≤358.15K；
[0018]氢气质量状态约束：SOC(x)≥85％；
[0019]加注时间约束：t(x)≤180s；
[0020]式中，T(x)为氢气工作温度，SOC(x)为加注最终氢气质量状态，t(x)为加氢时间。
[0021]进一步的，构建加氢站的加氢系统中车载储氢瓶的氢气温度、压力和质量变化模型，以及加氢机的氢气质量流量变化模型，得到预冷换热器的能耗模型，具体为：
[0022](1)利用加氢机氢气质量流量模型计算出加氢机的氢气质量流量
[0023][0024]式中，C
d
为加氢枪孔口流量系数，为加氢枪的孔口面积，γ为量纲因子且设置为1，P
h,ob
和P
h,ht
分别为车载储氢瓶和储氢罐中的氢气压力，Z
ht
为储氢罐中氢气的压缩系数，ρ
h,ht
为储氢罐的氢气密度，κ为比热比，计算公式为κ＝C
p,h,ht
/C
v,h,ht
，其中，C
p,h,ht
和C
v,h,ht
为储氢罐中氢气的等压比热容和等体积比热容。
[0025](2)利用预冷换热器能耗模型计算出预冷能耗W
pc
：
[0026][0027]式中，C
v,h,ht
为车载储氢瓶加注的储氢罐氢气的等容比热容，T
h,ht
为储氢罐流出的氢气温度，即流入预冷换热器的氢气温度；C
v,h,pc
为冷却后流出预冷换热器的氢气等容比热容，T
pc
为预冷换热器设置温度，δm
ht
为从各储氢罐流入车载储氢瓶的氢气质量。
[0028](3)利用车载储氢瓶温度模型计算出车载储氢瓶中氢气温度T
h,ob
：
[0029][0030]式中，m
h,ob
为车载储氢瓶中氢气的初始质量,A
in,w,ob
为车载储氢瓶的内壁表面积，C
v,h,ob
为氢气的等容比热容，T
h,ob
和T
w,ob
分别为氢气和缸壁的温度，为氢气与车载储氢瓶内壁之间的热交换系数。
[0031](4)利用车载储氢瓶压力模型计算出车载储氢瓶中氢气压力P
h,ob
：
[0032][0033]式中，Z
ob
为压缩系数，V
ob
、R和M
H2
分别为车载储氢瓶的体积、气体常数和氢的摩尔质量的常数。
[0034]进一步的，构建加氢站的补气系统中长管拖车和储氢罐的氢气温度、压力和质量变化模型，以及压缩机的氢气质量流量模型，得到压缩机的能耗模型和中冷换热器的能耗模型，具体为：
[0035](1)利用长管拖车温度模型计算出长管拖车中氢气温度T
h,cg
：
[0036][0037]式中，m
h,cg
为长管拖车中氢气的初始质量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建加氢站梯级储氢系统对车载储氢瓶快速加注过程的热力学模型，获取加氢站工作一整天的加氢量所消耗的能量，及站内储氢罐中氢气压力、温度变化；步骤2：根据加氢站每天加氢量要求，参照SAE
‑
J2601氢气加注协议，氢气加注过程中氢气质量流量不高于60g/s且最终加注时间不大于180s，提出加注过程中车载储氢瓶内变化压力与站内储氢罐变化压力的比值——压力切换系数，设计满足加氢站需求的压力切换系数；步骤3：基于加氢站能耗控制和安全性考虑，压缩系统中产生的氢气温度不能高于150℃，梯级储氢系统中每级压缩机后配备了中冷换热器，设计压缩过程中冷换热器的设置温度；步骤4：根据加氢温度安全和时间要求，参照SAE
‑
J2601氢气加注协议，满足对车载储氢瓶加注最终氢气温度不高于85℃，设计加氢机加注时预冷系统的设置温度；步骤5：根据加氢站加氢量需求，针对加氢站梯级储氢系统的各级站内储氢罐的压力和容量进行配置优化，设计出满足性能要求和成本最低的配置方案；步骤6：根据加氢站梯级储氢系统加氢量需求下总现值成本最低的目标和氢气加注温度、压力、时间和质量状态的约束，建立加氢站
‑
车载储氢瓶快速加注过程的配置和运行优化模型，并运用粒子群优化
‑
引力搜索的混合优化算法求解，完成加氢站梯级储氢系统的配置和运行优化。2.根据权利要求1所述的一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，其特征在于，所述加氢站梯级储氢系统对车载储氢瓶快速加注过程的热力学模型包括加注系统模型和补气系统模型；构建加氢站的加氢系统中车载储氢瓶的氢气温度、压力和质量变化模型，以及加氢机的氢气质量流量变化模型，得到预冷换热器的能耗模型；构建加氢站的补气系统中长管拖车和储氢罐的氢气温度、压力和质量变化模型，以及压缩机的氢气质量流量模型，得到压缩机的能耗模型和中冷换热器的能耗模型；构建梯级储氢加氢站总能耗模型得到加氢站一整天的总压缩能耗W
c,all
、预冷能耗W
pc
、中冷能耗W
ac
；采用加氢站工作总能耗最低为优化目标：minW
total
＝min[W
c,all
+W
pc
+W
ac
]优化过程的约束条件为：氢气温度约束：T(x)≤358.15K；氢气质量状态约束：SOC(x)≥85％；加注时间约束：t(x)≤180s；式中，T(x)为氢气工作温度，SOC(x)为加注最终氢气质量状态，t(x)为加氢时间。3.根据权利要求2所述的一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，其特征在于，所述构建加氢站的加氢系统中车载储氢瓶的氢气温度、压力和质量变化模型，以及加氢机的氢气质量流量变化模型，得到预冷换热器的能耗模型，具体为：(1)利用加氢机氢气质量流量模型计算出加氢机的氢气质量流量
式中，C
d
为加氢枪孔口流量系数，为加氢枪的孔口面积，γ为量纲因子且设置为1，P
h,ob
和P
h,ht
分别为车载储氢瓶和储氢罐中的氢气压力，Z
ht
为储氢罐中氢气的压缩系数，ρ
h,ht
为储氢罐的氢气密度，κ为比热比，计算公式为κ＝C
p,h,ht
/C
v,h,ht
，其中，C
p,h,ht
和C
v,h,ht
为储氢罐中氢气的等压比热容和等体积比热容；(2)利用预冷换热器能耗模型计算出预冷能耗W
pc
：式中，C
v,h,ht
为车载储氢瓶加注的储氢罐氢气的等容比热容，T
h,ht
为储氢罐流出的氢气温度，即流入预冷换热器的氢气温度；C
v,h,pc
为冷却后流出预冷换热器的氢气等容比热容，T
pc
为预冷换热器设置温度，δm
ht
为从各储氢罐流入车载储氢瓶的氢气质量；(3)利用车载储氢瓶温度模型计算出车载储氢瓶中氢气温度T
h,ob
：式中，m
h,ob
为车载储氢瓶中氢气的初始质量,A
in,w,ob
为车载储氢瓶的内壁表面积，C
v,h,ob
为氢气的等容比热容，T
h,ob
和T
w,ob
分别为氢气和缸壁的温度，为氢气与车载储氢瓶内壁之间的热交换系数；(4)利用车载储氢瓶压力模型计算出车载储氢瓶中氢气压力P
h,ob
：式中，Z
ob
为压缩系数，V
ob
、R和M
H2
分别为车载储氢瓶的体积、气体常数和氢的摩尔质量的常数。4.根据权利要求3所述的一种基于能耗控制的加氢站系统配置及运行优化方法，其特征在于，所述构建加氢站的补气系统中长管拖车和储氢罐的氢气温度、压力和质量变化模型，以及压缩机的氢气质量流量模型，得到压缩机的能耗模型和中冷换热器的能耗模型，具体为：(1)利用长管拖车温度模型计算出长管拖车中氢气温度T
h,cg
：
式中，m
h,cg
为长管拖车中氢气的初始质量,A
in,w,cg
为长管拖车的内壁表面积，C
v,h,cg
为氢气的等容比热容，T
h,cg
和T
w,cg
分别为氢气和缸壁的温度，为氢气与车载储氢瓶内壁之间的热交换系数；为流出长管拖车的氢气质量流量，T
cg
为长管拖车中氢气温度；(2)利用长管拖车压力模型计算出长管拖车中氢气压力P
h,cg
：式中，Z
cg
为压缩系数，V
cg
、R和M
H2
分别为长管拖车的体积、气体常数和氢的摩尔质量的常数；(3)利用压缩机质量流量模型计算出经过压缩机氢气质量流量(3)利用压缩机质量流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝乔，吴轩，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：