气体类型和模型对优化气体燃料站储气罐压力的影响外文翻译资料

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巴西化学工程学报

气体类型和模型对优化气体燃料站储气罐压力的影响

摘要 - 存在用于在CNG（压缩天然气）和CHG（压缩氢气）加燃料站存储气体燃料的类似算法和基础设施。在这些站中，燃料通常存储在级联存储系统中以更有效地利用站。级联储存系统通常分为三个储存器，通常称为低，中和高压储存器。这些储层内的压力对站的性能具有巨大的影响。在当前的研究中，基于热力学定律，质量守恒和实际/理想气体假设，已经建立了理论分析来研究气体类型和模型对站性能的影响。它旨在确定这些站的优化储层压力。结果表明，气体类型之间的优化压力不同。对于两个站（CNG和CHG）中的理想和实际气体模型，优化的无量纲低压储层压力为0.22。优化的无量纲中压储层压力对于站是相同的，等于0.58

关键词：压缩天然气; 压缩氢气; 快速灌装工艺; 级联储层;热力学分析; 真实气体模型; 理想气体模型; 熵生成。

引言

有很多天然气车辆（NGV）在使用，并且数量每年都在扩大。 已颁布了很多国家和国际标准，以确保安全和有效地使用NGV。 由于目前在道路上的氢燃料车辆（HGV）的数量相对较少; 这些车辆的规定有限。 HGV目前跟NGV使用类似的标准，规章，基础设施和加油站。

在这些站中，车辆通常在填充期间从高压储存器接收燃料。 这些加油站的第一个问题是加油时间。 NGV和HGV工业已经取得了很大的进步，以提供一种在与加油站相当的时间内加油NGV或HGV的系统。 该填充时间可以被称为快速填充或快速充电。

天然气和氢气车辆的车载存储容量是这些替代燃料车辆的广泛销售的另一个问题。机载存储缸的储存气体气缸温度在CNG（Kountz，1994）的40K或更高的范围内，以及在快速填充期间CHG（Dicken等人，2007）的70K或更多。对于两种燃料（CNG和CHG），这种温度升高降低了气缸中气体的密度，导致相对于其额定规格的未充满气缸。如果在加燃料站分配器中这种温度升高没有被补偿，则通过使储箱瞬时过压，车辆使用者将经历减小的行驶里程。虽然NGV和HGV车载气缸体积在车载存储容量中起主要作用，但加油站油箱的压力也对车载气缸的填充质量的量具有很大的影响。

来自分配管线的天然气使用大型多级压缩机压缩成“级联”存储系统。 另一方面，氢气也必须通过压缩系统压缩并储存在“级联”储存系统中（Baur等人，2004）。 压缩机所需的输入功是加油站的最后问题，因为用于压缩和存储天然气和氢气的所需工作然后通过填充过程而部分地浪费。为了使天然气和氢燃料加注站的利用更有效，这些燃料通常存储在级联存储系统中。 级联存储系统通常分为三个储存器，通常称为低（LPR），介质（MPR）和高压储存器（HPR）。 储存器内的压力对与填充过程和加油站相关的3个问题具有很大的影响，如下：

1. 灌装时间;
2. 加油后车载气缸的充气质量；
3. 压缩机输入功。

考虑到压缩气体加燃料站的上述三个问题，可以得出结论，通过减少填充时间，减少压缩机输入功和（或）增加车载气缸的填充质量，压缩气体加燃料站的性能得到改善。

存在使用当前天然气基础设施作为起点为氢车辆基础设施的一个很大的可能性。在这项研究中，对CNG加气站和CHG性能的重要参数的影响是研究。主要目的是要表明没有用于合成站的最佳算法是稍有不同

为了理解快速填充过程和学习低，中和高压储内的压力和温度对CNG的加油站和CHG性能的影响，一个理论分析已经被开发在这个课题上。快速充气方法，该方法假定是准静态过程，并推定为纯甲烷的天然气（如在理想和实际气体）。因此，氢被视为理想和真实气体。第二分析法已被用于在填充过程中，以计算熵世代的量。众所周知，较低的熵的产生与压缩机工作量少无关。

目前已在文献中灌装过程建模领域研究的限制。Kountz等人（1997）是第一批基于热力学第一定律对一个天然气储存筒的快速灌装过程建模。他们开发了一个计算机程序对单个油藏快速灌装过程建模。他们还开发了天然气分配器控制算法，确保在快速填充情况下完全填充NGV气瓶。还进行了研究，以模拟氢基燃料基础设施的快速填充。使用多个实验快速填充氢气瓶导致气瓶在该过程中的高温升高。在另一项研究中，报道了一种针对氢加油站的高利用率和快速填充速度优化的控制方法。本研究的结果表明，优化的控制方法可以显着提高利用率，并允许在可接受的时间内加油。

一些研究课题组进行了一些实验研究，以研究天然气车载气瓶的快速填充。Shiply（2002）认为环境温度变化可能影响快速填充过程。他还得出结论，每次快速充气时，试验缸都充不足。对于氢快速加油过程，已经对IV型气瓶的氢气充填过程中的热特性进行了实验。在该研究中，还使用计算流体动力学（CFD）分析来模拟实验的条件。CFD结果与实验结果一致。 CFD和实验值之间的差异随着初始气体压力的增加而降低。

本研究的作者也对CNG快速灌装过程进行了模拟，他们开发了一种基于彭罗宾逊状态方程和单一储层加油站的甲烷特性的计算机程序。他们调查了环境温度和初始气缸压力对最终气缸状况的影响。在另一项研究中，他们（Farzaneh-Gord et al。2008）介绍了天然气车辆气缸的级联储层填充过程的热力学分析。结果表明，环境温度对填充过程和最终NGV气缸条件影响很大。Farzaneh-Gord等人采用理论分析来研究缓冲器和级联存储系统对CNG加油站性能的影响。发现将NGV车载气缸升至缓冲存储系统的最终压力所需的时间（充气时间）比级联存储系统小约66％。级联系统的充电质量约为缓冲系统的80％，这对于级联系统的缓冲系统有利。与缓冲系统相比，级联系统对缓冲系统的最大优点在于该配置的熵产生少了50％，这可能导致与缓冲系统相比，该配置所需的压缩器输入工作要低得多。Farzaneh-Gord等人（2012a，2012b）还研究了天然气成分对缓冲液和级联储存库快速灌装过程的影响。在这些研究中，储存库的条件被认为是不变的。Farzaneh-Gord et al。 （2012c）已经测试了两个用于压缩氢气站的存储系统。详细研究了填充时间，填充质量和压缩机输入工作等重要参数。结果表明，缓冲存储系统的灌装时间远远小于级联存储系统的灌装时间。然而，在相同条件下与缓冲系统相关的填充质量大体上等于级联系统的质量。此外，与级联存储系统相比，缓冲系统伴随着更高的熵产生，其直接反映在所需的压缩机输入工作量中。

如前所述，本研究中采用第二定律从理论上计算熵产生，熵产生与热力学不可逆性有关，这在所有类型的热系统中是常见的。在熵产生领域已经进行了大量调查。 研究人员专注于应用热工程中负责熵产生的不同机制，熵产生耗散工作转化为热能。因此，把重点放在热传递和流体流动过程的不可逆性上，具有良好的工程意义，并尝试了解相关熵产生机制的功能。从那时起，已经进行了许多研究，以计算不同几何构型，流动情况和热边界条件下的熵产生和不可逆曲线。这里，熵产生被用作确定填充期间工作破坏量的主要工具。

CNG和CHG填充站

图1展示了一个典型的CNG加气站。通过使用大型多级压缩机将分配管道中的气体通常在“4bar（0.4MPa）”或可能“中等”压力（1.6MPa）下的“低”压力压缩成“级联”存储系统。存储系统内的压力保持在比车载车载气缸高的值，使得气体在差压下传递到车辆。通常，级联存储将在20.5MPa至25MPa的范围内操作，而车辆的最大车载气缸压力为20MPa。为了更有效地使用压缩机和存储系统，CNG站通常使用三级“级联”存储系统进行操作。

在燃气加油站中，与CNG加油站类似的算法。可以使用各种方法提供氢，供氢常用的方法是使用电解槽。在这种方法中，可以通过电解水来产生氢。然后将氢气压缩至类似于CNG站的高压。在CHG站，级联存储的运行范围为35-44MPa（或70-80MPa），车辆最大车载气压为35MPa（或70MPa）（Zheng等，2010）。级联存储系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压储层（Thomas et al。，2002）。在快速填充期间，板载缸首先连接到低压储罐。 随着储层中的压力下降，车载气缸中的压力升高，气体流量下降。当流量下降到预设水平时，系统切换到中压储层，最后到高压储层完成填充。预期级联系统会产生比完全储存在一个压力下更加完整的“填充”，并以最大的效率利用压缩机和储存器。此外，当压缩机自动开启以重新填充储存器时，首先填充高压储存器，然后切换到介质和低储存器。 这确保了高压储存器（用于完成填充）始终保持在最大压力，确保车辆总是被提供最大量的可用气体。确保压缩机容量和级联存储容量的正确规定，以确保CNG和CHG站可以应付使用该设施的车辆的类型（乘用车，公共汽车或卡车）和频率（高峰期）。

压缩天然气和氢气缸

天然气和氢气缸基于所使用的建筑材料具有各种设计类型。设计类型包括全金属类型1，类型2，其具有金属衬垫和环箍复合增强件，类型3，其具有金属衬垫和全封闭复合增强件，以及类型4，其具有 非金属衬里和全包裹复合材料。金属容器和衬里通常是钢或铝。 复合增强材料通常是环氧树脂基体中的碳或玻璃纤维。这些气缸设计用于指定温度下的特定标称使用压力，基本上指定的密度（kg / m3）燃料。这将导致储存在燃料容器（气瓶）中的给定质量的天然气或氢气。 燃料容器中的实际压力将随着气缸中的燃料温度的变化而随标称使用压力而变化。在高于30°C的环境温度下快速充气充电操作期间，加油站可能会发生车载气瓶的欠充。 由此导致的车辆行驶范围的减小是天然气工业正在努力克服的严重障碍，而无需重新分选到不必要的加油站压力，或者在填充操作期间通过对气缸施加广泛的过度加压。 不足的气瓶是CHG和CNG储存罐中发生的升高的温度的结果

天然气化学成分

天然气组成（混合物）因地点，气候等因素而异。 气体在流入管道之前被精炼。 甲烷是天然气比例非常高的组分。 因此，为了简单起见，假定甲烷是天然气中唯一的物质。

级联库参数

对于级联存储系统，有一些影响填充的重要参数。 本节介绍了这些参数。

图2示出了级联储层系统的示意图。 级联储层的热力学性质在填充过程中起重要作用。 两个主要特性是压力和温度。 如图2所示，每个储存器都有自己的温度（TR）和压力（PR）。 这些被认为是不变的，而在装载时，车载NGV和HGV气缸的压力和温度变化。

为了将车载气缸内的最终压力保持在其额定值，在本研究中，HPR内的压力假定为恒定（CNG为20.5MPa，CHG为37MPa）。 通过引入两个无量纲参数，研究了中，低储层压力对加油站性能的影响。 中低压储层与高压储层的比例定00义如下，是这两个参数：

最后的无量纲数是“填充比”。 气缸“填充比”定义为加油后的带电气体质量除以气缸在额定条件下（300K，CNG为20MPa，CHG为35Kg）的质量。 该参数与NGV和HGV的驱动范围直接相关，定义如下：

还应注意，在本研究中，NGV和HGV的气瓶体积（c V）分别被认为是67和150升（Zheng et al。，2010）。

热力学分析

第一定律分析

在这项研究中，为了模拟快速填充过程并开发数学方法，车载圆柱体被认为是一个开放的热力学系统，经历了准稳态过程。

为了开发理论分析，连续性和热力学的第一定律已经应用于气缸以找到2个热力学性质。 考虑到车载气缸作为基于图3的控制体积，并且知道其仅具有1个入口，则连续性（质量守恒）方程可以写成如下：

图3：热力学系统的示意图。

在式（3）中， mi是入口质量流量，并且可以通过考虑通过孔的等熵膨胀来计算。 应用气体动力学规律：

在等式（4） - （5）中，Cd是孔口的排放系数。
一般形式的热力学第一定律可写为：

填充过程中的工作期为零，潜在和动能的变化可以忽略不计。 然后可以简化方程如下：

由于上述方程可以进一步简化为：

从车载气缸到环境的热量可以计算为

结合（3），（8）和（9），可以将上述等式写成：

或以下列形式：

上述等式可以重新排列成以下形式：

上述方程可以从填充的“开始”到“当前”时间集成为：

对于单个储层加油站，上述方程的整合导致：

其中c m，cs m是填充过程“电流”和“起始”处带电气体的质量，av TDelta;是气缸和环境之间的平均温差，其定义为：

车载气瓶的热力学第一定律最终可以写成：

可以使用公式（3），（4）和（16）来计算缸内天然气和氢气在任何时候的两种热力学性质。 通过了解两个热力学性质（这里是特定的内部能量和比容），可以发现其他缸内属性。

绝热系统

对于绝热系统，等式（16）可以进一步简化为：

如果cs m0 =，则以下关系在任何时间都是有效的：

绝热系统的理想气体模型

对于理想的气体行为，控制方程可以大大简化。 考虑以下理想气体假设：

并且知道气缸的体积，比热和储层温度是恒定的，那么等式（8）可以简化如下：

通过从等式（4）和（5）中替换入口质量流量，可以得到以下简单方程：

第二定律分析

本研究中采用的加气站“级联”储存系统中的热力学第二定律和流程过程使得可以评估系统特征节点的熵产生率S。

车载气瓶灌装过程的热力学第二定律可以表示为：

在这里，假定所有不可逆性都发生在缸内位置的入口处。 从储层到入口位置有一个等熵膨胀，这意味着si = sr。 考虑到这个假设并结合方程（3），（9）和（2

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