基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统的制作方法

专利名称：：基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统的制作方法
技术领域：
：本发明属于可再生、清洁环保的新能源领域，涉及一种基于温升与能耗控制的快速有效、安全可靠、高取气率的氢气优化加注方法及其优化运行系统。
背景技术：
：氢能以高能效、来源广、可再生、燃烧产物零污染等优点，被国际公认为未来的绿色能源。近年来，包括美、日、中、韩、欧盟在内的许多国家和地区都在大力开发氢能汽车，积极建造加氢站和相关氢能基础实施。以氢为动力已成为新能源领域的重要应用方向。目前，氢的储存方式主要包括高压气态储氢、液态储氢和金属储氢。由于高压气态储氢具有能耗低、放氢速度快和可靠等优点，现有的加氢站主要采用这一方式。要实现氢能在交通领域的商业化，必须保证加氢如同加油一样安全、快速、方便和可靠，同时还应尽可能地降低加氢站能耗。为此，必须严格控制高压氢气加注过程中车载储氢容器内的温升，合理地控制加注速率，尽可能缩短加注时间，同时以最小的能耗完成对所需数量车辆的加注。因此，需要研究一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其优化运行系统，既保证加注过程的安全、快速，又能使加氢站以最低能耗运作。近年来，我国在高压氢气加注技术及系统方面取得了一定进展。中国专利CN1887622针对加氢站提出了一种快速充装氢气的制氢加氢站系统及其方法，其在加注系统中使用40MPa的氢气储罐及75MPa的高压氢气储罐的对车辆进行顺序加气，来提高取气率和充装速度。该专利包括首台国内自主研制的加氢机，可对压力、温度、流量、流速实时计量，自动收费，同时对车载储氢容器的压力、温度、应力等运行参数进行监控，耐压范围在45-75MPa，安全保护装置齐备。其能提高取气率和充装速度，并对各种参数进行监控，但未涉及加注过程优化及系统能耗控制等。中国专利CN101418908A给出了一种可用于高压氢气加气站的加气系统，其包括控制系统、采样系统、加注系统、报警系统和氮气吹扫系统。具有加注计量的温度自动补偿、顺序取气、加注速率控制、氢泄漏报警、自动断电、加注过程防拉脱、静电自动释放及系统过压保护等功能。其能够提高取气率，并通过加注速率来控制温升，但其加注速率控制程序，必需测量车载储氢容器中温度，如温度超限，只能停止加注，等温度降回可行范围才能继续加注，而实际车载储氢容器自然冷却降温很慢，因而不仅实际加注时间较长，效率较低，而且该方法也没有进行能耗优化。中国专利CN101315545给出了一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其系统，其通过优化高压氢气多级加注过程中从各储氢罐的取气质量和取气次序，缩短加注时间，并保证较高的取气率。但没有对加注过程温升进行控制，且取气率比顺序取气略低。总之，目前尚无关于加氢站氢气加注过程中同时实现快速有效、安全可靠、高取气率和低能耗的优化加注方法及其系统报道。
发明内容本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时实现快速有效、安全可靠、高取气率和低能耗的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统。该方法及系统能有效地控制加注过程中车载储氢容器的温度，确保高取气率、高加气速率等同时，使系统以最低的能耗运行。为解决技术问题，本发明出了以下具体技术方案本发明提供了一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补气系统、控制系统和加注系统；补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；所述的三级储氢罐通过管路分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷却装置、车载储氢容器压力和温度的通讯接口。作为一种改进，所述冷却装置至加氢软管之间的管路上，还设置有质量流量计，可编程控制器通过信号线经流量变送器连接至质量流量计。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至显示屏。作为一种改进，所述可编程控制器还通过信号线连接至上位工控机。更进一步地，本发明还提供了一种基于前述加注系统的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法，主要包括温升与加注速率的优化控制程序，还包括顺序取气程序和顺序补气优化控制程序。作为一种改进，温升与加注速率的优化控制程序是以温升控制为控制条件，以加注用时为优化控制目标，具体实现步骤如下(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的温度控制在容器材质允许范围内，且加注用时最短；所述的优化选择方法为(a)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》中所述高压氢气快充温升数值模型，所不同之处在于加注前车载储氢容器的初始温度、环境温度、以及车载储氢容器入口温度分别设置，可取不同的值。(b)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》所述快充温升实验方法研究温升规律。由于35MPa下快充，采用树脂浇铸密封温度传感器引线的密封效果欠佳，所以温升实验时，应专门定做传感器引线密封接头，保证快充时引线的密封效果。其它与《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》相同。(c)采用(b)中所述实验方法得到的快充温升数据，对(a)中所述快充温升模型进行验证，并跟据实验数据调整快充温升模型中相关参数。(d)使用快充温升模型对不同加注条件下的加注过程进行计算，并拟合出如下形式的温升计算公式Tnse二口^！/‘目+…！；+七！^+…；-^吣，式中^！^…^为拟合公式中的拟合系数，根据快充温升数值模型的计算结果，通过拟合得出。为多级加注过程的温升，Vmass为多级加注过程中氢气的平均质量流量，T1为车载气瓶初始温度，Tam为环境温度，Tin为车载储氢容器入口处的氢气平均温度，P1为车载储氢容器加注前的初始压力。β为多级加注时考虑取气气源的切换以及车载储氢容器入口温度变化对温升结果的影响，所引入的安全系数。(e)采用以下公式对加注过程中的质量流量进行计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>上式中，qs为等熵条件下的质量流量，S0为加氢软管的流通面积，P0为加氢站固定储氢罐的压力，V0为加氢站固定储氢罐的比体积，Y。=1.4，a=1.9155X10_6K/Pa，R为气体常数，R=4124.3J/(kg.K)，q为实际质量流量，Cd为流量系数，主要与加氢站固定储氢罐的压力以及车载储氢容器与加氢站固定储氢罐之间的压力比有关，可通过在加氢站试运行过程中，记录每次加注过程的流量曲线、车载储氢容器压力变化曲线及加氢站固定储氢罐的压力，然后对记录的数据进行拟合得到Cd的计算公式。(f)将(e)中所述质量流量计算公式代入到李磊等在《加氢站高压氢系统工艺参数研究》中所述的一维氢气快充温升模型中，针对不同加注初始条件下的加注过程，计算平均质量流量及加注用时。将结果分别用BP神经网络训练，得到可快速计算加注过程平均质量流量的BP网络Iietvmass及计算加注用时的BP网络nettime。(g)采用以下优化模型对多级加注过程进行优化<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中ζ1、ζ11、ζΙΠ分别表示从低压级、中压级和高压级储氢罐取气时的针阀开度，IY表示规定的温度下限，用于防止过度充装Ju为规定的温度上限，用于保证储氢容器的装满率。IY与Tu根据实际要求给出。由于耐高压管件等的最低许可温度为-40°c，因此入口温度Tin应小于-40°C。Tfinal为加注结束时车载储氢容器内的温度。td为规定的加注用时上限，如对于小轿车可规定3分钟。y为优化模型的适应度函数，t为加注用时，λ为惩罚因子，应取较大值，如300或更大。如果优化后t>td，则执行Tin=Tin-ΔT，直至t≤td。最后将优化后的Tin、ζ1、ζ11和ζΠΙ对应其加注初始条件进行保存。(2)可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时的针阀开度值及是否需要降低车载储氢容器入口温度；如果需要降低，还将给出需要达到的降温后的入口温度值。(3)根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操作；加注过程中，如果需要降低车载储氢容器入口温度，可编程控制器将实时根据测得的实际入口温度及需要达到的入口温度之间的差值，对冷却装置的温度调控部件进行反馈控制，以调整其冷却剂流量，使得实际入口温度降至与需要达到的入口温度接近的值。作为一种改进，所述步骤(2)中，如查询时显示需要降低车载储氢容器的入口氢气温度，则可编程控制器对冷却装置的温度调控部件进行反馈控制，将车载储氢容器的入口氢气温度控制在要求的范围内；在调整入口氢气温度后，显示此时对应的针阀开度值。作为一种改进，通过对加氢站的储氢罐进行压力分级，按照低压级储氢罐、中压级储氢罐和高压级储氢罐的顺序来取气，以提高系统的取气率；各储氢罐间的切换动作根据事先设定的氢气的加注速率或储氢罐与车载储氢容器之间的压力差进行。作为一种改进，为降低压缩机系统的能耗，根据加氢要求设置用于压缩机组启动的储氢罐压力设定值；如某个储氢罐的压力低至设定值，则启动压缩机组并打开相应补气管路的电磁阀对该储氢罐进行补气；如果各储氢罐的补气发生冲突，则根据压力级别关闭较低压力级别储氢罐补气管路中的电磁阀，对更高压力级别储氢罐进行补气。本发明的有益效果在于在综合考虑加注过程温升、加注用时、取气率、压缩机组能耗的基础上，提出了加注速率和温升等的优化控制程序、顺序取气程序和顺序补气优化控制程序及相应的补气系统、加注系统和控制系统。所提出的加注速率和温升等的优化控制程序，能以较低的冷却装置能耗运行，并保证车载储氢容器的温度严格控制在要求的范围内，且显著地缩短加注时间；顺序取气程序可以保证加氢站储氢系统具有高取气率；顺序补气优化控制程序可以在满足加氢要求同时，有效地降低加氢站系统的压缩机能耗。从而使整个系统能够快速有效、安全可靠地为车辆加注高压氢气，并具有高取气率和低能耗等优点。图1为加氢站氢气加注系统的流程示意图；图1中，1为压缩机组；24及1113为电磁阀；5为高压级储氢罐；6为中压级储氢罐；7为低压级储氢罐；810为压力传感器；14为冷却装置；15为过滤器；16为出口电磁阀；17为质量流量计；18流量变送器；19为针阀；20为拉脱阀；21为加氢软管；22为加氢枪；23为燃料电池汽车；24为温度传感器；25为车载储氢容器压力和温度的通讯接口；26为显示屏；27为可编程控制器。具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步的说明。本发明的系统由加注系统、控制系统和补气系统组成，优化加注方法包括加注速率和温升的优化控制程序、顺序取气程序及顺序补气优化控制程序。来自加氢站压缩机组1的氢气分三路经由电磁阀2、3和4进入加氢站高压级储氢罐5、中压级储氢罐6和低压级储氢罐7中，组成补气系统。通过开启或停止压缩机组1，打开或关闭各储氢罐取气管路中的电磁阀2、3和4，来实现对多级储氢罐进行补气。来自储氢罐5、6和7中的氢气则分三路分别经过电磁阀11、12和13，再并为一路，依次连接冷却装置14、过滤器15、出口电磁阀16、质量流量计17、针阀19、拉脱阀20、加氢软管21、加氢枪22，组成加注系统。控制系统包括一个可编程控制器27，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器810、流量变送器18、温度传感器24、冷却装置14、车载储氢容器压力和温度的通讯接口25。根据设定的控制程序，可编程控制器27分别向各电磁阀发出开启或关闭的指令，向冷却装置14发出调节冷却效果的指令，对其进行反馈控制，并将相关参数反馈给显示屏26。可编程控制器27亦可与上位工控机相接。可编程控制器27中，以软件的形式内置了本发明给出的优化加注方法，包括加注速率和温升的优化控制程序、顺序取气程序和顺序补气优化控制程序。其中，可编程控制器27用于根据传感器与检测仪发送的信号，调用加注速率和温升的优化控制程序、顺序取气程序和顺序补气优化控制程序、计价程序等，控制整个系统的运行；压力传感器用于测量加氢站固定储氢罐的压力，并将压力信号发送给控制器，根据压力值启动顺序补气优化控制程序及顺序取气程序；质量流量计用于测量累计质量流量，进行计价，可编程控制器27通过计算当前时刻与上一时刻累计质量流量的差值，判断是否切换取气气源；流量变送器18将质量流量计的信号转换并发送给可编程控制器27；温度传感器24用于测量环境温度；通讯接口25用于传送给可编程控制器27加注前车载储氢容器的压力和温度；显示屏26用于给出针阀应有的开度值及价格等数据信息。可编程控制器27中内置软件的有关控制内容包括通过控制电磁阀24的开闭，来实现三个不同压力级别储氢罐的补气；通过电磁阀1113及16的开闭来实现对加注过程的控制。通过质量流量计17和流量变送器18每隔若干秒测量累计加注的氢气质量，并将测得的信号发送给可编程控制器27，可编程控制器27根据加注的氢气质量计算出所加氢气的价格及加注过程的总价，并通过显示屏26显示，实现加注过程的计价。可编程控制器27根据通讯接口25提供的气瓶型号、车载储氢容器加注前的温度和压力，以及温度传感器24测得的环境温度，调用加注速率和温升的优化控制程序，查询相关优化结果，给出从不同压力级别的储氢罐取气时的针阀开度值，同时根据通讯接口25传递给可编程控制器27的车载储氢容器入口处的氢气温度值及优化结果，反馈控制冷却装置14的制冷剂流量，调节预冷却效果，使车载储氢容器入口处的氢气温度满足优化结果中对车载储氢容器入口氢气温度的要求。加注系统中，电磁阀1113和16、针阀19、拉脱阀20、加氢软管21及加氢枪22以相应的耐高压连接管件连接。电磁阀1113分别用于打开或关闭来自高压级、中压级和低压级储氢罐的气源。出口电磁阀16配合顺序取气程序，控制加注过程的开始及停止，并配合电磁阀1113实现取气气源的切换。针阀19根据加注速率与温升的优化控制程序，由加注操作人员进行调节，以达到要求的加注速率，同时由可编程控制器27根据加注速率与温升的优化控制程序，决定冷却装置14是否需要启动，如果需要启动，还将根据通讯接口25给出的车载储氢容器入口温度与优化控制程序给出的入口温度之间的差值，对冷却装置14的温度调控部件进行反馈控制，将加注结束时车载储氢容器的温度以及加注用时控制在的范围内，并有效缩短加注用时。拉脱阀20能够有效地防止加注过程中由于车辆23意外启动，拉断加氢软管21所带来的危险。当拉脱阀所承受的拉力大于阀的设定值时，其连接加氢软管21的一端主动脱落，另一端则自动关闭，从而有效地避免了氢气的泄露。加氢枪22连接被加注车辆上的加氢接口，为车辆加注高压氢气。本发明中基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法，包括加注速率和温升的优化控制程序、顺序取气程序以及顺序补气优化控制程序。加注速率和温升的优化控制程序主要包括(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的温度控制在必须的范围内——即在容器器壁材料树脂的温度上限85°C基础上，进一步降低温度上限，如50°C，以提高实际加注的氢气量；同时规定温度下限，如0°C，以防止充装完毕后，车载储氢容器内温度恢复至环境温度时的过度超压；同时，该程序能够有效缩短加注用时，并且避免冷却装置的不必要使用，达到节能的目的。所述优化选择方法如下(a)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》中所述高压氢气快充温升数值模型，所不同之处在于加注前车载储氢容器的初始温度、环境温度、以及车载储氢容器入口温度分别设置，可取不同的值。(b)采用刘延雷等在《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》所述快充温升实验方法研究温升规律。由于35MPa下快充，采用树脂浇铸密封温度传感器引线的密封效果欠佳，所以温升实验时，应专门定做传感器引线密封接头，保证快充时引线的密封效果。其它与《高压氢气快充温升控制及泄漏扩散规律研究》。(c)采用(b)中所述实验方法得到的快充温升数据，对(a)中所述快充温升模型进行验证，并跟据实验数据调整快充温升模型中相关参数。(d)使用快充温升模型对不同加注条件下的加注过程进行计算，并拟合出如下形式的温升计算公式Tnse=p(a-bv-+c-T1+d-Tain+e-Tm-f-P1)’式中a、b、C、d、e、f为拟合公式中的拟合系数，根据快充温升数值模型的计算结果，通过拟合得出。为多级加注过程的温升，Vfflass为多级加注过程中氢气的平均质量流量，T1为车载储氢容器初始温度，Taffl为环境温度，Tin为车载储氢容器入口处的氢气平均温度，P1为车载储氢容器加注前的初始压力。β为多级加注时考虑取气气源的切换以及车载储氢容器入口温度变化对温升结果的影响，所引入的安全系数。(e)采用以下公式对加注过程中的质量流量进行计算IΓ(Wi2γηfηHoS0,P0(V0-CiR)1-上-2aR(p-p0)γFo-IIP0Jη__\_=_=_qs--；-C\ρ1γ°(v0-aR)—+aRΙΡοJq=Cdqs上式中，qs为等熵条件下的质量流量，S0为加氢软管的流通面积，P0为加氢站固定储氢罐的压力，P为加注过程中车载储氢容器内的压力，V0为加氢站固定储氢罐的比体积，Y0=1-4,a=1.9155X10_6K/Pa，R为气体常数，R=4124.3J/(kg.K)，q为实际质量流量，Cd为流量系数，主要与加氢站固定储氢罐的压力以及车载储氢容器与加氢站固定储氢罐之间的压力比有关，可通过在加氢站试运行过程中，记录每次加注过程的流量曲线、车载储氢容器压力变化曲线及加氢站固定储氢罐的压力，然后对记录的数据进行拟合得到Cd的计算公式。(f)将(e)中所述质量流量计算公式代入到李磊等在《加氢站高压氢系统工艺参数研究》中所述的一维氢气快充温升模型中，针对不同加注初始条件下的加注过程，计算平均质量流量及加注用时。将结果分别用BP神经网络训练，得到可快速计算加注过程平均质量流量的BP网络Iietvmass及计算加注用时的BP网络nettime。(g)采用以下优化模型对多级加注过程进行优化<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中ζ”ζπ、ζΙΠ分别表示从低压级、中压级和高压级储氢罐取气时的针阀开度，IY表示规定的温度下限，用于防止过度充装Ju为规定的温度上限，用于保证储氢容器的装满率。IY与Tu根据实际要求给出。由于耐高压管件等的最低许可温度为-40°c，因此入口温度Tin应小于-40°C。Tfinal为加注结束时车载储氢容器内的温度。td为规定的加注用时上限，如对于小轿车可规定3分钟。y为优化模型的适应度函数，t为加注用时，λ为惩罚因子，应取较大值，如300或更大。如果优化后t>td，则执行Tin=Tin-ΔT，直至t彡td。最后将优化后的Tin、ζ工、ζπ和ζΠΙ与对应其加注的初始条件进行保存。(2)可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时的针阀开度值及是否需要降低车载储氢容器入口温度；如果需要降低，还将给出需要达到的降温后的入口温度值。(3)根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操作；加注过程中，如果需要降低车载储氢容器入口温度，可编程控制器将实时根据测得的实际入口温度及需要达到的入口温度之间的差值，对冷却装置的冷却剂流量进行反馈控制，使得实际入口温度降至与需要达到的入口温度接近的值。以上优化加注方法，以温升和加注用时的计算为基础，通过数学优化模型，以车载储氢容器内温度和加注用时为约束条件，使多级加注过程用时最短。由于其温升计算公式根据快充温升数值模型的结果拟合得出，且温升快充数值模型通过实验结果验证，因此优化加注方法以温升为约束条件，可以将实际加注过程中车载储氢容器内的温度控制在规定的范围内。由于优化加注方法所调用的结果来源于数学优化模型，且数学优化模型以加注用时为优化目标并对其上限值进行规定，因此该优化加注方法可以有效地缩短加注用时，并使得实际加注过程在规定的时间内完成。同时，当优化得到的加注用时无法满足规定时，数学优化模型采用了每次优化中适当降低车载储氢容器入口温度的方式，直至优化后的加注用时满足规定，因此本专利所述的优化加注方法还能有效避免了冷却装置的不必要使用，有一定节能效果。顺序取气程序使加注系统按照低——中——高的取气顺序取气。当燃料电池汽车23进入加氢站后，顺序取气程序根据车辆的初始压力、温度和规定充装压力等信息，判断多级储氢罐能否将车辆加满。如果可以，当某个压力级别的储氢罐与车载储氢容器的压力差小于设定值或质量流量低于设定值，而车载储氢容器未达到规定的充装压力时，自动切换至更高压力级别的储氢罐进行取气，并依次类推；否则停止从多级储氢罐取气。由于温升与加注速率的优化控制程序已显著地缩短了加注时间，因此，顺序取气程序中取气切换时的压力差或质量流量可设较小的值，从而确保多级储氢罐系统具有高取气率。顺序取气程序通过对加氢站储氢罐进行压力分级，按照低——中——高的顺序取气以提高加氢站储氢系统的取气率。加氢站多级储氢系统中各储氢罐间的切换，根据当前时刻与上一时刻所加注氢气的质量差或固定储氢罐与车载储氢容器之间的压力差进行，切换时的加注速率或压力差预先设定。实际加注时，加注速率主要通过针阀进行调节，可以保证在规定的时间内完成加注操作，并在很大程度上节省加注用时；切换时的加注速率或压力差的取值对加注用时影响相对较小，因此，可以设置较低的加注速率或压力差作为切换条件，以进一步提高加氢站多级储氢罐的取气率。顺序补气优化控制程序是基于对补气过程的数学优化模型首先，在加氢站的设计阶段，根据实际加氢能力要求，对压缩机的型号和数量、各储氢罐的工作压力和体积以及各储氢罐开始补气的压力设定值进行系统优化，以加氢要求作为约束条件——如包括平均每天加注的氢气量、高峰时段的加氢量和时间段等，以加注单位质量氢气的平均压缩机能耗为优化目标，对按照高——中——低优先级进行补气的补气过程进行优化，并保存相应的优化结果。然后，在此之上，顺序补气优化控制程序根据优化结果中各储氢罐开始补气的压力设定值，判断各储氢罐压力是否以达到设定值。当某个压力级别的储氢罐压力低至设定值时，则启动压缩机组对该储氢罐进行补气；若各储氢罐补气时间产生冲突，按照高——中——低的优先顺序补气。顺序补气控制程序通过按照事先优化好的补气压力设定值，对储氢罐按高——中——低的优先顺序进行补气，从而有效地降低系统的压缩能耗。顺序补气控制程序判断压力传感器810测得的高压级、中压级、低压级储氢罐57的压力值是否达到优化得到的压力设定值。如某个储氢罐的压力达到设定值，则启动压缩机组1，并打开相应补气管路的电磁阀24对该储氢罐进行补气，如果各储罐补气时发生冲突，则根据压力级别关闭较低压力级别储氢罐补气管路中的电磁阀。实施例1温升与加注速率的优化控制为燃料电池汽车23加注高压氢气时，可编程控制器27接收到通讯接口25传递的车载储氢容器型号信息、初始温度和压力信号、温度传感器24所测得的环境温度以及压力传感器810所测得的加氢站固定储氢罐压力，在预先存储于可编程控制器27的优化结果中查询，分别得到从低、中、高压级储氢罐57取气时针阀19的开度值，以及冷却装置14的相应操作。由于优化控制基于温升的计算公式、加注用时的计算及高压氢气多级加注的数学优化模型，以加注过程中车载储氢容器内的最高温度值为约束条件，考虑到氢气加注时的预冷却处理，对车辆的加注用时进行优化，因此，可以确保以较低的冷却装置能耗将车载储氢容器内的温度控制在要求的范围内，并显著地缩短加注时间。为具体说明对温升与加注速率进行优化控制的效果，若加注过程中加氢站储氢罐温度、环境温度和车载储氢容器的初始温度相同，采用本发明方法对以下多级加注过程进行优化加氢站高、中、低储氢罐的体积和初始压力分别为77MPa、2.5m3，47MPa、5m3和42MPa、5m3，车载储氢容器为35MPa、150L的纤维全缠绕高压储氢气瓶，加注时车载储氢容器的初始压力为5MPa，初始温度依次为13°C、15°C、20°C、25°C和31°C，加氢站储氢罐为车辆加氢，直至其剩余压力不足以再将车载储氢容器加至规定充装压力为止。规定的温度上限Tu为85°C，温度下限IY未做规定，规定的加注用时为5分钟，加注过程不启动冷却装置。对温升与加注速率进行优化控制的效果可从表1中看出。初始温度为13°C、15°C、20°C、25°C和31°C下，进行优化控制后，平均每个车载储氢容器的加注时间分别从未进行优化控制时的127.4s、154.5s,235.4s,314.8s和390.6s缩短至79.6s,83.7s、118.5s、160.Os和210.5s，分别缩短了47.8s,70.8s、116.9s、154.8s和180.Is。其中，初始温度为31°C的情况下，优化控制效果最为明显，其将平均加注时间缩短了近3分钟。从表1中还可以看出，对温升与加注速率进行优化控制后，取气率基本不变。对于不进行优化控制的多级加注过程，由于针阀在加注过程中始终采用相同的开度，为控制温升，必须取较小的开度值；随着所加注车辆数的增加，储氢罐压力不断降低，力口注速率和温升都将不断下降，一开始采用的开度值显得过于保守，无法有效地提高加注速率。而进行优化控制的多级加注过程，由于针对不同的加注条件——加氢站固定储氢罐压力、车载储氢容器初始压力和温度等，对多级加注过程进行数学优化，得到了不同加注条件下从不同压力级别的储氢罐取气时最合理的针阀开度值，因而不仅能将温升控制在要求的范围内，还能够显著地缩短加注时间。以上是不启动冷却装置的优化结果，如果按
发明内容中所述的温升与加注速率的优化控制方法，在加注过程中配合使用冷却装置，加注速率将进一步提高，且温升的控制也更加灵活，如可将加注后车载储氢容器内的最高温度控制在0°c50°C之间，从而提高实际加注的氢气质量，提高氢能车辆的行驶距离，同时避免了将车载储氢容器内的温度控制得过低，所导致的温度恢复至环境温度后的过度超压。表1初始温度可充装至额定压。e力的气瓶数量取气率7；平均加注用时，S_^^__N___三级平衡加注10760.5%127.4-13---优化后的三级加注10960.1%79.6三级平衡加注10560.7%154.5-15---优化后的三级加注10859.9%83.7三级平衡加注2010260.8%235.4<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>实施例2顺序取气控制当加注过程以加注速率作为切换条件时，可编程控制器27优先发出控制信号，打开电磁阀13，从低压级储氢罐7取气，加注过程中根据通讯接口25处的压力信号，判断车载储氢容器是否达到规定的充装压力，与此同时，判断质量流量计17、流量变送器18发送给可编程控制器27的当前时刻与上一时刻累计质量流量的差值是否达到设定值，当测得车载储氢容器的压力达到规定的充装压力，而当前时刻与上一时刻所加注氢气的质量差尚未达到设定值时，则停止加注操作。若车载储氢容器的压力尚未达到规定充装压力，而当前时刻与上一时刻所加注氢气质量的差值以降至设定值，则可编程控制器27发出信号关闭电磁阀13，并打开电磁阀12，开始从中压级储氢罐6进行取气，依次类推。在确保快速有效、安全可靠取气同时，储氢罐系统具有高取气率。实施例3顺序补气控制可编程控制器27根据压力传感器810测得的高、中、低压级储氢容器57的压力，判断其是否降至优化结果中开始补气的压力值设定值，当达到设定的补气压力时，则启动压缩机组1，并按照高——中——低的优先顺序，对电磁阀24执行相应的打开或关闭操作，完成对加氢站固定储氢罐系统的顺序补气。在确保快速有效、安全可靠取气，并具有最高的储氢罐取气率的同时，整个压缩机组1始终以最低能耗运行。最后，需要注意的是，以上对实施例的描述是为便于该
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的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本
技术领域：
的人员显然可对上述实施例进行各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中。本发明不局限于以上给出的实施例，技术人员根据本发明的揭示，对于本发明作出的改进和修改都在本发明的保护范围之内。权利要求一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注系统，包括补气系统、加注系统和控制系统；所述补气系统包括高压级储氢罐、中压级储氢罐和低压级储氢罐，压缩机组通过管路分三路经由电磁阀连接至三级储氢罐；其特征在于，所述的三级储氢罐通过管路分三路经由三个电磁阀后再并为一路，然后依次连接至加注系统的冷却装置、过滤器、出口电磁阀、针阀、拉脱阀、加氢软管和加氢枪；所述控制系统包括一个可编程控制器，分别通过信号线连接至前述各电磁阀、三级储氢罐上的压力传感器、测量环境温度的温度传感器、冷却装置、车载储氢容器与加氢站之间的通讯接口。2.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述冷却装置与加氢软管之间的管路上，还设有质量流量计，可编程控制器通过信号线经流量变送器连接至质量流量计。3.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述可编程控制器还通过信号线连接至显示屏。4.根据权利要求1所述的加注系统，其特征在于，所述可编程控制器还通过信号线连接至上位工控机。5.一种基于权利要求1至4任意一项中所述加注系统的基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法，是以温升控制为约束条件，以加注时间为优化目标，具体包括下述步骤(1)建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开度值对应关系；所述加注初始条件为车载储氢容器的初始温度与压力、环境温度、三级储氢罐的实际压力，优化选择从不同压力级别储氢罐取气所需针阀开度，使车载储氢容器的温度控制在容器材质允许范围内，且加注用时最短；所述优化选择的方法为(a)采用高压氢气快充温升数值模型，对加注前车载储氢容器的初始温度、环境温度、以及车载储氢容器入口温度分别设置；通过快充温升实验得到的数据对快充温升数值模型进行验证，并跟据实验数据调整相关参数；(b)使用快充温升数值模型对不同加注条件下的加注过程进行计算，并拟合出如下温升计算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中a、c、b、d、e、f为根据快充温升数值模型的计算结果拟合得出的拟合系数；Vmass为多级加注过程中氢气的平均质量流量，为车载储氢容器初始温度，Taffl为环境温度，Tin为车载储氢容器入口处的氢气平均温度，Pi为车载储氢容器加注前的初始压力；0为多级加注时所引入的安全系数，根据取气气源的切换以及车载储氢容器入口温度变化对温升结果的影响来确定；(c)采用以下公式对加注过程中的质量流量进行计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>上式中，qs为等熵条件下的质量流量，s0为加氢软管的流通面积，Po为加氢站固定储氢罐的压力，vQ为加氢站固定储氢罐的比体积，Y^=1.4，a=1.9155X10_6K/Pa，R为气体常数，R=4124.3J/(kg.K)，q为实际质量流量；Cd为流量系数，与加氢站固定储氢罐的压力以及车载储氢容器与加氢站固定储氢罐之间的压力比有关，可通过在加氢站试运行过程中记录每次加注过程的流量曲线、车载储氢容器压力变化曲线及加氢站固定储氢罐的压力，然后对记录的数据进行拟合得到Cd的计算公式；(d)将(c)中所述质量流量计算公式代入一维快充温升模型中，针对不同加注初始条件下的加注过程，计算平均质量流量及加注用时；将结果分别用BP神经网络训练，得到可快速计算加注过程平均质量流量的BP网络netVmass及计算加注用时的BP网络nettime；(e)采用以下优化模型对多级加注过程进行优化<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中q、(n、分别表示从低压级、中压级和高压级储氢罐取气时的针阀开度，IY表示规定的温度下限，用于防止过度充装Ju为规定的温度上限，用于保证储氢容器中实际充装的氢气质量；入口温度Tin应小于-40°C，Tfinal为加注结束时车载储氢容器内的温度，td为规定的加注用时上限；y为优化模型的适应度函数，t为加注用时，A为惩罚因子；如果优化后t>td，则执行Tin=Tin-AT，直至t彡td；最后将优化后的Tin、4工、4n禾P4In对应其加注初始条件保存至可编程控制器中的数据库；(2)可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时的针阀开度值；(3)根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操作。6.根据权利要求5所述的优化加注方法，其特征在于，所述步骤(2)中，如查询时显示需要降低车载储氢容器的入口氢气温度，则可编程控制器对冷却装置的温度调控部件进行反馈控制，将车载储氢容器的入口氢气温度控制在要求的范围内；在调整入口氢气温度后，显示此时对应的针阀开度值。7.根据权利要求5所述的优化加注方法，其特征在于，通过对加氢站的储氢罐进行压力分级，按照低压级储氢罐、中压级储氢罐和高压级储氢罐的顺序来取气，以提高系统的取气率；各储氢罐间的切换动作根据事先设定的氢气的加注速率或储氢罐与车载储氢容器之间的压力差进行。8.根据权利要求5所述的优化加注方法，其特征在于，为降低压缩机系统的能耗，根据加氢要求设置用于压缩机组启动的储氢罐压力设定值；如某个储氢罐的压力低至设定值，则启动压缩机组并打开相应补气管路的电磁阀对该储氢罐进行补气；如果各储氢罐的补气发生冲突，则根据压力级别关闭较低压力级别的储氢罐补气管路中的电磁阀，优先对更高压力级别的储氢罐进行补气。全文摘要本发明涉及可再生、清洁环保的新能源领域，旨在提供一种基于温升与能耗控制的加氢站氢气优化加注方法及其系统。该方法包括建立内置于可编程控制器中的数据库，用于记录相应加注初始条件及针阀开度值对应关系；可编程控制器根据加注的初始条件，查询得到从不同压力级别储氢罐取气时的针阀开度值；根据可编程控制器查询到的数据，将针阀设置为相应标定位置，进行加注操作。本发明能以较低的冷却装置能耗运行，并保证车载储氢容器的温度严格控制在要求的范围内，且显著地缩短加注时间；从而使整个系统能够快速有效、安全可靠地为车辆加注高压氢气，并具有高取气率和低能耗等优点。文档编号F17C5/04GK101832467SQ201010190460公开日2010年9月15日申请日期2010年6月3日优先权日2010年6月3日发明者叶建军,唐萍,徐平,杨健,赵磊,郑津洋申请人:浙江大学