專利名稱：：一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法及其系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種加氫優化控制方法及其系統，更具體的說，是涉及加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法及其系統。
背景技術：
：在燃料電池汽車推向市場的過程中，目前至少有3個主要的技術壁壘需要克服(1)小型、輕量、廉價和高效的燃料電池發動機的集成；(2)高儲存量車載儲氫罐的設計；(3)氫氣加注設施的開發和加氫站的建設。發展至今，后者更為關鍵。目前，氫加注系統建設主要有二大發展趨勢(1)加注氣態氫的高參數化，即將車載容器貯氫壓力增加到最高經濟壓力70MP"，以提高氫能汽車的續駛里程；(2)液氫加注方案，液氫燃料供應系統具有體積密度高、壓力低等優點。但液化儲氫存在二大難點一是液化能耗大；二是液氫的蒸發損失比較嚴重,存在安全隱患。因此，目前國內外的加氫站研究更為關注的是高壓氣態加氫，由此引出高取氣率序列取氣和快速加注控制策略研究。直接與加氫站控制有關的技術進展，目前主要是對加注系統組成及控制硬件進行的研究，如同濟大學在汽車用氫燃料加氫站系統配置的研究中，給出了加氫站中氫氣的壓縮系統、儲存系統和加注機等的控制系統設計方法；北京航天試驗技術研究所則給出了加氣機中使用的閥門、流量計、加氣槍、拉斷閥和接頭等控制硬件的性能要求。中國專利CN200610088913.9針對加氫站提出了一種快速充裝氫氣的制氫加氫站系統及其方法，其加注系統通過使用40M/^儲氫容器及75M尸a超高壓儲氫容器的二級加注，來提高氫氣的利用率和充裝速度。而且，采用此專利其已研制成功國內第一臺氫加注機，可對壓力、溫度、流量、流速實時計量，自動收費，同時對車載氣瓶的壓力、溫度、應力變化進行監控，可耐壓45-75MPa，安全保護裝置齊備。但此方法只包含對各種參數進行監控，并沒有加注過程的優化控制。中國專利CN200710098598.2則給出了一種車廂內設有依次連通的緊縮型水電解設備、低壓儲氫罐組、專用氫氣壓縮機、高壓儲氫罐組以及氫氣售氣機等組成的專用車載制氫加氫站。總之，目前國內尚無關于高壓加氫過程中同時實現高取氣率序列取氣和快速加注的優化控制優化方法的報道。
發明內容本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法，本發明更進一步的目的在于提供用于該加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法的氫氣加注系統。為了解決以上問題，本發明是通過如下技術方案實現。本發明提供了一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法，包括以下步驟(1)獲取低壓、中壓和高壓儲氫容器及車載氣瓶中的氫氣初始狀態參數，并設定F1:代表第i次加注前的低壓儲氫容器的容積；^:代表第i次加注前的中壓儲氫容器的容積；w、K:分別代表車載氣瓶額定充裝質量、容積；m。加注前車載氣瓶內的氫氣質量；X。^、分別代表第i次加注時低壓、中壓和高壓儲氫容器的取氣質量；W,、W2,、W3i:分別代表第i次加注前低壓、中壓和高壓儲氫容器中的氫氣質量；第Z'次加注時的取氣次序標志，對于三級加注來說共有6種加注次序，/7,=1，表示按低一中一高的次序取氣；A,=2，表示按低一高一中的次序取氣；/^=3,表示按中一低一高的次序取氣；/^=4，表示按中一高一低的次序取氣；&=5，表示按高一低一中的次序取氣；/z,=6，表示按高一中一低的次序取氣；:第i次加注過程下可充裝的車載氣瓶數量；"max:在一定加注時間約束下，可充裝的車載氣瓶數量的最大值；:加注到儲氫容器跟車載氣瓶壓力平衡時向車載氣瓶中充裝的質量；":約束時間，表示搜索過程中設定的時間最大值，用這個約束時間作為判斷標準，來判斷搜索到的加注方式所用的加注時間是否小于該約束時間，只有小于該約束時間的加注方式才可用；尸儲氫容器壓力，是計算流量系數時設定的一個壓力參數，不具體代表哪個儲氫容器，泛指儲氫容器的壓力，即一個儲氫容器壓力對應于一個流量系數；g、分別代表等熵流動狀態下的質量流量和實際摩擦流動狀態下的質量流量；Crf:流量系數，Q^^；&、？/,:分別代表等熵流動臨界狀態下的質量流量與摩擦流動臨界狀態下的質量流量；代表加注開始時的質量流量；9:代表加注過程中車載氣瓶與先取氣的儲氫容器的壓力比；^、9、分別代表先取氣的儲氫容器加注過程中達到等熵流動臨界狀態時及摩擦流動臨界狀態時車載氣瓶與儲氫容器的壓力比；m,、分別代表加注過程中達到等熵流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量、加注過程中達到摩擦流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量；f,:為先取氣的儲氫容器向車載氣瓶加注質量為x的氫氣所用的時間；為某時間下，先取氣的儲氫容器已經為車載氣瓶充入的氫氣質量；tmin:代表整個加注過程只充裝一個車載氣瓶時，所用的最短時間；tmax:代表不考慮加注時間約束時，氫氣利用率最高的加注過程中最慢一次加注所用時間；Nmax:代表不考慮加注時間約束時，所能充裝的最大車載氣瓶數；i:表示加注第i個車載氣瓶的標志；(2)將區間tmin至tn^之間按照等分的原則取r個值，確定r個約束時間^，對每一水約束時間^進行一次加注過程的優化，搜索獲取各個約束時間下的氫氣利用率最高的加注過程，即可充裝的車載氣瓶數最多的最優加注過程；(3)開始時/=1，此時低壓、中壓、高壓儲氫容器的狀態為第一次加注前的狀態，根據以下氫氣狀態方程得到初始質量W,、m21、m31:/7F=wir(l+"j5/r)(a=1.9155xl0—6，i=4124.3)對第一個車載氣瓶加注時，如果按低——中——高的取氣次序取氣，則低壓儲氫容器與車載氣瓶達到壓力平衡時充入的氣體質量Xl￥fft為、平衡='低壓儲氫容器的取氣質量范圍為A"O,min(x,平衡，此時將取氣質量區間分為若干等分，Xl的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；對于低壓儲氫容器的每一個取氣質量值，中壓儲氫容器進行加注時，達到壓力平衡時充入的氫氣質量為^=^^^，中壓儲氫容器的取氣質量范圍為Ae[O,min"平衡，w-xjj;此時將取氣質量區間分為若干等分，yi的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；當低壓、中壓儲氫容器的取氣質量均巳確定時，高壓儲氫容器的取氣質量為^二m-x,-力；對第l個車載氣瓶加注時，每一個xjQyi值對應于加注該車載氣瓶時的一種組合；(4)對每一種取氣質量組合，判斷六種取氣次序是否可能實現對第二步取氣的儲氫容器判斷其加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶的壓力，如果是，則此種取氣序列不能實現；否則，判斷最后取氣的儲氫容器加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶額度充裝壓力，如果是，則該取氣次序可能實現，否則，該取氣次序不能實現；(5)對于可能實現的取氣次序，計算各自的加注時間，其方法如下將加注軟管之前的管路假定為直徑逐漸減小的等熵噴管，將加注軟管假定為有摩擦的直管，實際管路系統中氫氣的流動狀態為摩擦流動；分別在等熵流動狀態下和摩擦流動狀態下計算儲氫容器壓力為lOMPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa時車載氣瓶壓力從0到儲氫容器壓力之間變化時的流量《和^，得到流量系數(^，然后對各儲氫容器壓力下的流量系數按最小二乘法原則擬合為四次曲線；實際某壓力下的流量系數的計算，舉以下例子說明儲氫容器壓力在O——lOMPa，其流量系數取lOMPa下的流量系數。其它壓力下的流量系數取法相同；0-70MPa之間，摩擦流動臨界狀態下的壓力比和車載氣瓶與儲氫容器壓力的比，兩者相差很小，可以統一取40MPa時臨界狀態下的壓比；計算某儲氫容器壓力下等熵流動狀態下的臨界壓力比步驟如下在0-70MPa之間，每隔5MPa取一個壓力值，計算出等熵流動臨界狀態時的壓力比，再作出尸一(Ps曲線，然后對曲線按最小二乘法進行二次擬合，最后，通過擬合得到的多項式計算等熵流動狀態下的質量流量；當壓力比9小于或等于實際管路系統的臨界壓比cPfc時，質量流量恒定，按摩擦流動方程計算；當壓力比cp大于摩擦流動臨界狀態時的壓力比9j寸，流量按如下公式計算&=C^;對于先取氣的儲氫容器來說，如果加注開始時9〈cpfs，充氣結束時9<cpfs，那么先求出該儲氫容器的初始壓力和加注結束后的壓力，然后求出初始質量流量^和加注結束時的質量流量&，t廣^^;如果加注開始時(p〈9f,，加注結束時(^〈cp〈A，那么分兩段求取時間。，qa+qb求出9=^時的質量流量9&及加注結束時的質量流量&，、=^_+^^;如果加注開始qa+qftqfs+qb時(p〈(Pfs，加注結束時(p^Ps,那么分四段求取充氣時間，其中，計算中所用的(Ps及W,為初始壓力A下求出的等熵流動狀態下的臨界壓力比；將后面的時間質量流量曲線按充氣質量等分的原則，處理為兩段直線，tl=~^+2(m,m&)+^1+^1，其中，^為等分點qa+qfsqfs+qsqs+qbqb+qcx^=m,+0.5(x-時的質量流量，《e為加注結束時的質量流量；如果加注開始時(pfs〈(p<(ps，加注結束時q^〈9〈化，、=-，&及qb分別為加注開始和加注結束時的質qa+qb量流量；如果加注開始時9fs〈cp〈9s，加注結束時(P〉化，那么分三段計算充氣時間，t嚴^^+^^+^^，^為等分點的質量流量，^為加注結束時的質量流量；如果，qa+qsqs+qbqb+qc加注開始時cp〉(Ps，那么t,"^，^為加注結束時的質量流量；qa+qb后取氣的兩個儲氫容器加注時間的計算方法與先取氣的儲氫容器相同，對此車載氣瓶總的加注時間為分別從三個儲氫容器中取氣的加注時間之和；(6)選擇加注時間最短的那種取氣次序判斷最短的加注時間是否小于或等于約束時間，即是否滿足《^^;如果滿足，則令加注標志w(/)=/，根據氫氣的狀態方程獲取各儲氫容器加注后的狀態參數作為加注第二個車載氣瓶時的初始狀態，計算出各組儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的運算；如果不滿足，則繼續第一次加注過程的循環搜索，搜索此加注過程中其他的取氣質量組合，作同樣的判斷；(7)根據第一次加注完畢獲得出的加注第二個車載氣瓶時的初始狀態以及各儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的搜索，其方法與第一次加注的搜索相同；(8)由前面的加注過程逐步向后搜索直到所有的循環搜索全部完成，對于第i個車載氣瓶加注過程中的某種組合如果能夠充滿車載氣瓶并滿足時間上的要求，那么就令加注標志"(/)=/，w(O的初始值為O;并記錄下該次及該次以前的加注過程中各組儲氫容器的取氣質量及取氣次序；最后求出數組"(O，中的最大值——即"，，z'=l:iVmax，并由程序控制器根據M皿對應的為各車載氣瓶加注時各儲氫容器的取氣質量及取氣次序向閥門控制裝置輸出控制信號。本發明還提供了一種用于前述加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法的氫氣加注系統，包括儲氫容器、充氣閥、壓力傳感器、氫氣分配器、流量計和單向閥，充氣閥、氫氣分配器、單向閥依次連接至車載儲氣瓶；所述儲氫容器是三級壓力的儲罐，包括低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器，分別通過各自的控制閥門cvl、cv2、cv3連接至充氣閥；還包括一個程序控制器，壓力傳感器連接氫氣分配器和程序控制器，流量計的測量點位于氫氣分配器和單向閥之間，并通過信號線連接至程序控制器，程序控制器通過信號線與低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器各自的控制閥門cvl、cv2、cv3連接。與現有技術相比，本發明的有益效果是針對氫加注系統的特點，提出了過程優化控制方法，這是在以前的加注系統設計及研究中所沒有的；利用本控制方法可對氫氣的利用率和加注時間同時進行優化，能確保高的氫氣利用率的同時，較大地縮短加注時間；可以根據不同的加注參數及要求，產生不同的優化加注方式；使加注過程簡單、直接并易于操作。圖1是加注系統優化控制方法流程圖；圖2是加氫站的加注系統流程示意圖。圖中附圖標記1儲氣罐、2充氣閥、3壓力傳感器、4氫氣分配器、5流量計、6單向閥、7車載儲氣瓶、8程序控制器、低壓儲氫容器控制閥門cvl、中壓儲氫容器控制閥門cv2、高壓儲氫容器控制閥門cv3。具體實施例方式結合附圖，下面通過具體實施例對本發明進行詳細說明。以下根據加氫站具體的加注參數，用本控制方法實現的實例，并對優化后的具體加注過程進行了詳細說明。本發明中的程序控制器8可選用西門子公司生產的PLC型號為S7-400的A口廣叩o實例1對加氫站進行三級加注優化計算，其中低壓儲氫容器容積^=0.6m3，壓力^:42M尸a;中壓儲氫容器容積F"2=0.4m3，壓力P2=45MP";高壓儲氫容器容積^=0.2w3,壓力P3=70Mi^;設定車載氣瓶容積7=0.15m3，充滿氣后的壓力尸=3571/尸"，每次充氣前的初始壓力P。=2MPa。根據
發明內容中的控制方法，進行編程求解，獲得控制方法的非劣解。而后，根據過程優化的目的和實際要求從其中選出最優解，編制成具體的實際操作控制步驟。其中控制方法的非劣解如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>其中，f為本加注方式下，充滿一輛車所用的最長的時間。由上表可以根據不同的加注要求，來選擇不同的加注方式。為了同時達到高的氫氣利用率和快速充氣的目的，現以充氣時間為242s，充氣罐數為6罐的方式為最佳。其中，氫氣利用率可以通過以下公式計算//=，=55.12%。M式中m為車載氣瓶規定的充氣質量，n為實際可充裝的氣瓶數量，M為各儲氫容器的氫氣總質量。氫氣質量的計算方法附=PK;P為壓力，單位尸fl;r為容積，單位"？；i=4124.3.3，r=293.15《，a=1.9155x10-6。將以上結果對應的加注方式編入程序控制器，通過程控器來實現對加注過程中閥門的切換和優化控制。根據本控制方法得到的優化加注方式的具體操作步驟如下a)開始第一輛車的充氣，由程序控制器控制開啟閥門2，并打開cvl先利用低壓組的儲氣罐進行充氣，當流量計5的流量達到3.0750紐時，低壓組儲氣罐的閥門cvl關閉，中壓組儲氣罐cv2的閥門打開，此時當流量計5測試的流量達到0.2141&時，切斷中壓組儲氣罐cv2的閥門，此時車載儲氣瓶充滿。關閉閥門2完成第一輛車的充氣過程；b)開始第二輛車的充氣，由程序控制器控制開啟閥門2，并打開cvl先利用低壓組的儲氣罐進行充氣，當流量計5的流量達到2.4600紐時，低壓組儲氣罐的閥門cvl關閉，中壓組儲氣罐cv2的閥門打開，此時當流量計5測試的流量達到0.8291&時，切斷中壓組儲氣罐cv2的閥門，此時車載儲氣瓶充滿。關閉閥門2完成第二輛車的充氣過程；c)接下來的車輛按照此方法，根據程序控制器設定好的程序來進行充氣。實例2加氫站低壓組固定容器容積V,二0.6m3，壓力P!二42MPa，中壓組固定容器容積V2=0.4m3，壓力P2二70MPa，高壓組固定容器容積V3=0.2m3，壓力P3=70MPa，設定車載氣瓶容積V二0.15m3，充滿氣后的壓力P=35MPa，每次充氣前的初始壓力PG=2MPa。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>根據本控制方法，可以得到以上幾種加注方式。根據具體的加注要求可確定最佳方式，如當充氣為8個罐的時候，其氫氣利用率為;7=^^=65.47%，而當充氣為7個罐的時，氫氣利用率為77=^1=57.92%。為了同時具有較短的充氣時間和高取氣率，優先選用充氣時間為181s，利用率為57.92%的加注方式，其與平衡加注方式相比可節省充氣時間近50%。另外，在利用率均為57.92%的幾種加注方式中，可以明顯地觀察到，所用時間最短，即181s，那種加注方式中，存在加注罐順序的改變。如在此加注方式中，在充裝第6罐的時候不是采用低-中-高的加注順序，而是直接用中-高充氣，到第7罐又恢復到低-中-高的加注順序。可見，由于存在這種加注次序的自動切換，可以在相同利用率的情況下使其加注時間明顯縮短。由于現在給出的實例中，只是系統一輪次加注過程，實際中，通過壓縮機補氣，釆用的是多輪次加注。因而，當加注車輛更多時，采用本方法來改變加注次序并同時實現高利用率和縮短加注時間的效果將會更加突出。最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容中直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。權利要求1、一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法，包括以下步驟(1)獲取低壓、中壓和高壓儲氫容器及車載氣瓶中的氫氣初始狀態參數，并設定V1代表第i次加注前的低壓儲氫容器的容積；V2代表第i次加注前的中壓儲氫容器的容積；m、V分別代表車載氣瓶額定充裝質量、容積；m0加注前車載氣瓶內的氫氣質量；xi、yi、zi分別代表第i次加注時低壓、中壓和高壓儲氫容器的取氣質量；m1i、m2i、m3i分別代表第i次加注前低壓、中壓和高壓儲氫容器中的氫氣質量；hi第i次加注時的取氣次序標志，對于三級加注來說共有6種加注次序，hi＝1，表示按低-中-高的次序取氣；hi＝2，表示按低-高-中的次序取氣；hi＝3，表示按中-低-高的次序取氣；hi＝4，表示按中-高-低的次序取氣；hi＝5，表示按高-低-中的次序取氣；hi＝6，表示按高-中-低的次序取氣；n(i)第i次加注過程下可充裝的車載氣瓶數量；nmax在一定加注時間約束下，可充裝的車載氣瓶數量的最大值；x平衡加注到儲氫容器跟車載氣瓶壓力平衡時向車載氣瓶中充裝的質量；tk約束時間，表示搜索過程中設定的時間最大值，用這個約束時間作為判斷標準，來判斷搜索到的加注方式所用的加注時間是否小于該約束時間，只有小于該約束時間的加注方式才可用；P儲氫容器壓力，是計算流量系數時設定的一個壓力參數，不具體代表哪個儲氫容器，泛指儲氫容器的壓力，即一個儲氫容器壓力對應于一個流量系數；q、qf分別代表等熵流動狀態下的質量流量和實際摩擦流動狀態下的質量流量；Cd流量系數，Cd＝qf/q；qs、qfs分別代表等熵流動臨界狀態下的質量流量與摩擦流動臨界狀態下的質量流量；qa代表加注開始時的質量流量；id="icf0001"file="A2008100635840002C1.tif"wi="4"he="4"top="224"left="27"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>代表加注過程中車載氣瓶與先取氣的儲氫容器的壓力比；id="icf0002"file="A2008100635840002C2.tif"wi="14"he="4"top="232"left="27"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>分別代表先取氣的儲氫容器加注過程中達到等熵流動臨界狀態時及摩擦流動臨界狀態時車載氣瓶與儲氫容器的壓力比；ms、mfs分別代表加注過程中達到等熵流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量、加注過程中達到摩擦流動臨界狀態時先取氣的儲氫容器為車載氣瓶充入的氫氣質量；t1為先取氣的儲氫容器向車載氣瓶加注質量為x的氫氣所用的時間；x1充為某時間下，先取氣的儲氫容器已經為車載氣瓶充入的氫氣質量；tmin代表整個加注過程只充裝一個車載氣瓶時，所用的最短時間；tmax代表不考慮加注時間約束時，氫氣利用率最高的加注過程中最慢一次加注所用時間；Nmax代表不考慮加注時間約束時，所能充裝的最大車載氣瓶數；i表示加注第i個車載氣瓶的標志；(2)將區間tmin至tmax之間按照等分的原則取r個值，確定r個約束時間tk，對每一個約束時間tk進行一次加注過程的優化，搜索獲取各個約束時間下的氫氣利用率最高的加注過程，即可充裝的車載氣瓶數最多的最優加注過程；(3)開始時i＝1，此時低壓、中壓、高壓儲氫容器的狀態為第一次加注前的狀態，根據以下氫氣狀態方程得到初始質量m11、m21、m31pV＝mRT(1+αp/T)(α＝1.9155×10-6，R＝4124.3)對第一個車載氣瓶加注時，如果按低——中——高的取氣次序取氣，則低壓儲氫容器與車載氣瓶達到壓力平衡時充入的氣體質量x1平衡為id="icf0003"file="A2008100635840003C1.tif"wi="34"he="10"top="149"left="27"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>低壓儲氫容器的取氣質量范圍為id="icf0004"file="A2008100635840003C2.tif"wi="40"he="6"top="150"left="124"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>此時將取氣質量區間分為若干等分，x1的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；對于低壓儲氫容器的每一個取氣質量值，中壓儲氫容器進行加注時，達到壓力平衡時充入的氫氣質量為id="icf0005"file="A2008100635840003C3.tif"wi="45"he="10"top="182"left="63"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>中壓儲氫容器的取氣質量范圍為id="icf0006"file="A2008100635840003C4.tif"wi="48"he="6"top="198"left="19"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>此時將取氣質量區間分為若干等分，y1的實際取值范圍為各個等分點構成的集合；當低壓、中壓儲氫容器的取氣質量均已確定時，高壓儲氫容器的取氣質量為z1＝m-x1-y1；對第1個車載氣瓶加注時，每一個x1和y1值對應于加注該車載氣瓶時的一種組合；(4)對每一種取氣質量組合，判斷六種取氣次序是否可能實現對第二步取氣的儲氫容器判斷其加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶的壓力，如果是，則此種取氣序列不能實現；否則，判斷最后取氣的儲氫容器加注完畢后壓力是否高于車載氣瓶額度充裝壓力，如果是，則該取氣次序可能實現，否則，該取氣次序不能實現；(5)對于可能實現的取氣次序，計算各自的加注時間，其方法如下將加注軟管之前的管路假定為直徑逐漸減小的等熵噴管，將加注軟管假定為有摩擦的直管，實際管路系統中氫氣的流動狀態為摩擦流動；分別在等熵流動狀態下和摩擦流動狀態下計算儲氫容器壓力為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa時車載氣瓶壓力從0到儲氫容器壓力之間變化時的流量q和qf，得到流量系數Cd，然后對各儲氫容器壓力下的流量系數按最小二乘法原則擬合為四次曲線；0-70MPa之間，摩擦流動臨界狀態下的壓力比和車載氣瓶與儲氫容器壓力的比，兩者相差很小，可以統一取40MPa時臨界狀態下的壓比；計算某儲氫容器壓力下等熵流動狀態下的臨界壓力比步驟如下在0-70MPa之間，每隔5MPa取一個壓力值，計算出等熵流動臨界狀態時的壓力比，再作出P-id="icf0007"file="A2008100635840004C1.tif"wi="3"he="3"top="103"left="66"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>曲線，然后對曲線按最小二乘法進行二次擬合，最后，通過擬合得到的多項式計算等熵流動狀態下的質量流量；當壓力比id="icf0008"file="A2008100635840004C2.tif"wi="2"he="3"top="119"left="44"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>小于或等于實際管路系統的臨界壓比id="icf0009"file="A2008100635840004C3.tif"wi="4"he="3"top="119"left="117"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>時，質量流量恒定，按摩擦流動方程計算；當壓力比id="icf0010"file="A2008100635840004C4.tif"wi="2"he="3"top="127"left="48"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>大于摩擦流動臨界狀態時的壓力比id="icf0011"file="A2008100635840004C5.tif"wi="3"he="3"top="127"left="116"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>時，流量按如下公式計算qf＝Cdq；對于先取氣的儲氫容器來說，如果加注開始時id="icf0012"file="A2008100635840004C6.tif"wi="14"he="4"top="134"left="112"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>充氣結束時id="icf0013"file="A2008100635840004C7.tif"wi="14"he="4"top="134"left="152"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>那么先求出該儲氫容器的初始壓力和加注結束后的壓力，然后求出初始質量流量qa和加注結束時的質量流量qb，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0014"file="A2008100635840004C8.tif"wi="18"he="10"top="156"left="35"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>如果加注開始時id="icf0015"file="A2008100635840004C9.tif"wi="13"he="4"top="159"left="87"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>加注結束時id="icf0016"file="A2008100635840004C10.tif"wi="20"he="4"top="159"left="124"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>那么分兩段求取時間t1，求出id="icf0017"file="A2008100635840004C11.tif"wi="9"he="3"top="177"left="27"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>時的質量流量qfs及加注結束時的質量流量qb，<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow><mi>fs</mi></msub><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>fs</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>fs</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>fs</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0018"file="A2008100635840004C12.tif"wi="35"he="10"top="173"left="127"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>如果加注開始時id="icf0019"file="A2008100635840004C13.tif"wi="12"he="4"top="190"left="23"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>加注結束時id="icf0020"file="A2008100635840004C14.tif"wi="12"he="3"top="190"left="61"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>那么分四段求取充氣時間，其中，計算中所用的id="icf0021"file="A2008100635840004C15.tif"wi="3"he="3"top="191"left="167"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>及ms為初始壓力pi下求出的等熵流動狀態下的臨界壓力比；將后面的時間質量流量曲線按充氣質量等分的原則，處理為兩段直線，<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow><mi>fs</mi></msub><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>fs</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>fs</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>fs</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0022"file="A2008100635840004C16.tif"wi="71"he="10"top="212"left="78"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中，qb為等分點x1充＝ms+0.5(x-ms)時的質量流量，qc為加注結束時的質量流量；如果加注開始時id="icf0023"file="A2008100635840004C17.tif"wi="19"he="4"top="242"left="19"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>加注結束時id="icf0024"file="A2008100635840004C18.tif"wi="20"he="4"top="242"left="64"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/><mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0025"file="A2008100635840004C19.tif"wi="19"he="10"top="240"left="90"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>qa及qb分別為加注開始和加注結束時的質量流量；如果加注開始時id="icf0026"file="A2008100635840004C20.tif"wi="23"he="4"top="256"left="70"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>加注結束時id="icf0027"file="A2008100635840004C21.tif"wi="12"he="4"top="256"left="120"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>那么分三段計算充氣時間，<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow><mi>s</mi></msub><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>m</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0028"file="A2008100635840004C22.tif"wi="49"he="10"top="267"left="20"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>qb為等分點的質量流量，qc為加注結束時的質量流量；如果，加注開始時id="icf0029"file="A2008100635840005C1.tif"wi="11"he="4"top="32"left="40"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>那么<mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0030"file="A2008100635840005C2.tif"wi="19"he="10"top="29"left="64"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>qb為加注結束時的質量流量；后取氣的兩個儲氫容器加注時間的計算方法與先取氣的儲氫容器相同，對此車載氣瓶總的加注時間為分別從三個儲氫容器中取氣的加注時間之和；(6)選擇加注時間最短的那種取氣次序判斷最短的加注時間是否小于或等于約束時間，即是否滿足ti≤tk；如果滿足，則令加注標志n(i)＝i，根據氫氣的狀態方程獲取各儲氫容器加注后的狀態參數作為加注第二個車載氣瓶時的初始狀態，計算出各組儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的運算；如果不滿足，則繼續第一次加注過程的循環搜索，搜索此加注過程中其他的取氣質量組合，作同樣的判斷；(7)根據第一次加注完畢獲得出的加注第二個車載氣瓶時的初始狀態以及各儲氫容器取氣質量的取值范圍，進行第二次加注的搜索，其方法與第一次加注的搜索相同；(8)由前面的加注過程逐步向后搜索直到所有的循環搜索全部完成，對于第i個車載氣瓶加注過程中的某種組合如果能夠充滿車載氣瓶并滿足時間上的要求，那么就令加注標志n(i)＝i，n(i)的初始值為0；并記錄下該次及該次以前的加注過程中各組儲氫容器的取氣質量及取氣次序；最后求出數組n(i)，中的最大值——即nmax，i＝1Nmax，并由程序控制器根據nmax對應的為各車載氣瓶加注時各儲氫容器的取氣質量及取氣次序向閥門控制裝置輸出控制信號。2、一種用于權利要求1所述加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法的氫氣加注系統，包括儲氫容器、充氣闊、壓力傳感器、氫氣分配器、流量計和單向閥，充氣閥、氫氣分配器、單向閥依次連接至車載儲氣瓶；其特征在于，所述儲氫容器是三級壓力的儲罐，包括低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器，分別通過各自的控制閥門(cvl)、(cv2)、(cv3)連接至充氣閥；還包括一個程序控制器，壓力傳感器連接氫氣分配器和程序控制器，流量計的測量點位于氫氣分配器和單向閥之間，并通過信號線連接至程序控制器，程序控制器通過信號線與低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器各自的控制閥門(cvl)、(cv2)、(cv3)連接。全文摘要本發明涉及一種加氫優化控制方法及其系統，旨在提供一種加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法，即加氫站中儲氣罐分為高中低三組；為了同時實現高取氣率和快速加注的目標，提出了多目標優化算法，采用約束法將多目標問題轉化為若干個單目標優化問題；每個單目標規劃問題屬于動態規劃范籌，采用由前向后的順序搜索方法；根據優化結果設計出具體的程序控制流程，為加氫站的加注系統設計出最佳的加注方式。本發明還提供了一種用于前述加氫站高效加氫的三級加注優化控制方法的氫氣加注系統，包括儲氫容器、充氣閥、壓力傳感器、氫氣分配器、流量計和單向閥；儲氫容器包括低壓儲氫容器、中壓儲氫容器和高壓儲氫容器；還包括一個程序控制器。文檔編號G05B13/02GK101315545SQ20081006358公開日2008年12月3日申請日期2008年6月27日優先權日2008年6月27日發明者葉建軍,萍唐,平徐,健楊,磊趙,鄭津洋申請人:浙江大學