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申请/专利权人：西南交通大学

摘要：本发明公开了一种基于能耗控制的加氢站设备压力优化配置方法，具体为：构建加注系统的热力学模型，获得梯级储能加氢站对车载储氢瓶加注的氢气量；构建补气系统的热力学模型，获得从长管拖车加压氢气存储于储氢罐中所需能耗；构建梯级储能加氢站中各级压缩机间的中冷换热器的氢气温度迭代模型，推导各级压缩机的总压缩能耗模型；根据梯级储能加氢站供给氢气能耗最低目标，建立各压缩机的总压缩能耗模型，利用最小二乘法推导出压比优化配置模型，完成加氢站储氢系统优化配置。本发明解决单级加氢站加氢能力有限和压缩能耗大的问题，通过梯级加氢站内中冷换热器大幅降低压缩能耗，具备大规模加氢能力。

主权项：1.一种基于能耗控制的加氢站设备压力优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建加注系统中加氢机、预冷换热器、车载储氢瓶的热力学模型，获得梯级储能加氢站对车载储氢瓶加注的氢气量；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，Cd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，Ph,ob和Ph,ht分别为车载储氢瓶和储氢罐中的氢气压力，Zht为储氢罐中氢气的压缩系数，ρh,ht为储氢罐的氢气密度，κ为比热比，计算公式为κ＝Cp,h,htCv,h,ht，其中，Cp,h,ht和Cv,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换热器能耗Epc： 式中，Cv,h,ht为氢气的等容比热容，Th,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；Cv,h,pc为冷却后流出预冷换热器的氢气等容比热容，Tpc为预冷换热器设置温度，δmht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Th,ob： 式中，mh,ob为车载储氢瓶中氢气的初始质量,Ain,w,ob为车载储氢瓶的内壁表面积，Cv,h,ob为氢气的等容比热容，Th,ob和Tw,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Ph,ob： 式中，Zob为压缩系数，Vob、R和MH2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；步骤2：构建补气系统中长管拖车、压缩机、中冷换热器、储氢罐的热力学模型，根据加注过程中梯级储能加氢站所消耗的氢气量，获得从长管拖车加压氢气存储于储氢罐中所需能耗；1利用长管拖车温度模型计算出长管拖车中氢气温度Th,cg： 式中，mh,cg为长管拖车中氢气的初始质量,Ain,w,cg为长管拖车的内壁表面积，Cv,h,cg为氢气的等容比热容，Th,cg和Tw,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，Tcg为长管拖车设置温度；2利用长管拖车压力模型计算出长管拖车中氢气压力Ph,cg： 式中，Zcg为压缩系数，Vcg、R和MH2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 式中，为阀口流通面积；κ为氢气的比热比，计算公式为κ＝Cp,h,cCv,h,c，其中Cp,h,c和Cv,h,c分别为压缩机中氢气的等压比热容和等体积比热容；a为压缩机中音速，由式计算，ρh,c为压缩机中氢气的密度；Ph,c,in和Ph,c,out分别表示流入和流出压缩机的氢气压；为经过压缩后氢气质量流量；4利用中冷换热器能耗模型计算出中冷换热器能耗Wac： 式中，Cv,h,in为压缩后流入中冷换热器的氢气的等容比热容，Tin,c为压缩后流入中冷换热器的氢气温度，Cv,h,ht为氢气的等容比热容，Th,ht为中冷换热器设置温度，为制冷设备的性能系数；5利用储氢罐温度模型计算出储氢罐中氢气温度Th,ht： 式中，mh,ht为储氢罐中氢气的初始质量，Ain,w,ht为储氢罐的内壁表面积，Cv,h,ht为氢气的等容比热容，Th,ht和Tw,ht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；为流出储氢罐的氢气质量流量；6利用储氢罐压力模型计算出储氢罐中氢气压力Ph,ht： 式中，Zht为压缩系数，Vht为储氢罐的体积；步骤3：构建梯级储能加氢站中各级压缩机间的中冷换热器的氢气温度迭代模型，推导各级压缩机的总压缩能耗模型；构建梯级储能加氢站总体压缩能耗模型具体为：1利用每级压缩机能耗模型计算出各级压缩机的压缩能耗分别为Wc,1、Wc,2和Wc,3： 式中，Tin,0、Th,ht1和Th,ht2分别为各级压缩机的入口温度，和分别为各级压缩机的压比，σ为压缩机内经过压缩的氢气热容比，为气体常数；2利用加注氢气质量变化模型计算出加注完成后车载储氢瓶内氢气质量 式中，为加注氢气的过程中流入车载储氢瓶的氢气质量，为流出车载储氢瓶的氢气质量；3利用三级压缩机总压缩能耗模型计算出氢气总压缩能耗Wc,all： 式中，δmht1、δmht2和δmht3为各级压缩机流出氢气质量；推导各级压缩机的总压缩能耗模型具体为：1利用热力学第一定律对中冷换热器导热模型进行替换，得出以下模型： 式中，Cp,h,in1、Cp,h,in2和Cp,h,in3分别为各级压缩机内氢气等压比热容，Th,c1、Th,c2和Th,c3分别为各级压缩机工作后氢气温度，和分别为流入各级压缩机内的氢气质量流量，K1、K2和K3分别为各级中冷换热器的导热系数，A1、A2和A3分别为各级中冷换热器的导热面积，ΔTm1、ΔTm2和ΔTm3分别为各级中冷换热器的对数平均温度；2利用中冷换热器对数平均温度模型计算出中冷换热器对数平均温度ΔTm： 式中，Th,c为压缩机工作后氢气温度，Th,ht为储氢罐中氢气温度，Tl,in为流入中冷换热器冷却介质温度，Tl,out为流出中冷换热器冷却介质温度，F为尺寸系数；3利用中冷换热器输出氢气温度模型计算出各级中冷换热器输出氢气温度Th,ht1、Th,ht2和Th,ht3： 式中，ψ1、ψ2和ψ3分别为各级中冷换热器的热容比，由计算，为中冷换热器中氢气质量流量，为冷却介质的质量流量；系数μ1、μ2和μ3，由下式计算，μ＝1-ψBCp,l,inψql,ac，Cp,l,in为中冷换热器中冷却介质的等压比热容；ql,ac为单位排气量所需的冷却介质质量，B为中冷换热器的换热率，由B＝KAQcp计算，Qcp为压缩机的排量，A为热交换面积；步骤4：根据梯级储能加氢站供给氢气能耗最低目标，建立各压缩机的总压缩能耗模型，利用最小二乘法推导出压比优化配置模型，完成加氢站储氢系统优化配置；1各压缩机的总压缩能耗模型为： 其中ε为总压比，由该式ε＝ε1ε2ε3φ1φ2计算，φ1，φ2分别为压缩机级间压力损失；2利用最小二乘法推导模型： 将压缩机级间中冷换热器的换热率为常数且B1＝B2，利用最小二乘法求偏导为零，分别对变量x和y求偏导为零；3最小二乘法推导出压比优化配置模型：

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