研究储存类型对CNG加气站性能的影响外文翻译资料

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研究储存类型对CNG加气站性能的影响

摘要：在CNG加气站，压缩天然气必须存放在存储系统中，以便站的利用更有效率。 有两种用于储存天然气的系统，即缓冲和级联存储系统。 在缓冲储存中，CNG储存在单个高压储层。 级联存储系统通常分为三个储层，一般称为低，中，高压储层。在目前的研究中，基于热力学第一和第二定律，质量和真实气体假设的对话，已经开发了一种理论分析，以研究预留类型对CNG加气站性能和填充过程的影响。 考虑到两台存储系统相同的最终天然气车辆气缸（NGV）的缸内压力，结果表明，每种存储类型都具有优势。 应通过平衡这些优点来选择最佳配置。

关键字：压缩天然气，CNG加油站，快速灌装工艺，缓冲和级联存储，热力学分析，熵产生

1. 介绍

压缩天然气（CNG）被用作汽油（汽油）和柴油等其他汽车燃料的清洁替代品。虽然天然气可用资源巨大，但尚未被广泛接受为汽油的替代燃料。大多数国家。天然气车辆（NGV）的主要明显原因是部分与天然气相关联燃气加油站技术和灌装工艺。天然气车辆（NGV）通常接收天然气灌装过程中加油站高压水库。 NGV加油站的第一个问题是用于加油NGV的时间。 NGV行业取得了良好的进步在行业中提供一种与汽油分配器相当的加油系统和NGV。的问题长时间的填充时间大部分已被补救，与填充汽油的填充时间（lt;5分钟）相当汽车。这个（lt;5分钟）的填充时间可以称为快速填充或快速充电。

天然气车辆的车载存储容量是这些替代燃料车辆广泛销售的另一个问题。 车载存储缸遇到存储气瓶温度升高（在40K以上的范围内）（Kountz，1994））由于复杂的压缩和混合过程，在快速填充期间。 这个温度升高会降低密度气瓶中的气体，相对于其额定规格，导致充满气瓶。 如果这个温度不升高在加油站分配器中进行补偿，通过对罐进行瞬时过压，车辆用户将经历减少驾驶范围。 虽然NGV车载气缸体积对车载存储容量起主要作用，但是加油站水库的压力也对车载气瓶的填充量的影响很大。

配送管道中的气体使用大型压缩机多级压缩机进入存储系统。 输入工作压缩机要求是加油站的最后一个问题。压缩和储存天然气所需的工作是然后通过填充过程部分浪费。

为了利用天然气加气站更有效率的天然气通常储存在存储系统中。在CNG站有两种储存燃料的方法。 这些方法包括：缓冲存储和级联存储系统。 在缓冲存储系统，只有单个压力储存器在车站储存天然气。

级联存储系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压水库。可以证明，存储类型对3有很大的影响与灌装加工相关的问题为打击：

1）灌装时间

2）车载缸后充电质量的数量加油。

3）压缩机输入工作。

考虑到上述3个加油站的问题，一个可以得出结论，减少灌装时间，减少压缩机输入工作和（或）增加填充质量车载气缸，加油站的性能可以要改进。

了解快速灌装过程，研究储存效果类型对NG加油站的性能，理论上的影响基于第一和第二定律制定了分析热力学，质量谈判和真实气体假设这项研究。 假设快速填充过程是准静态的过程和假定天然气纯粹是甲烷（如实际）加油站）。 第二定律分析已被用于计算填充过程中熵产生量。 很好已知的是，较少的熵产生与较少需要相关联由压缩机工作。

填充工艺领域的研究有限文学建模。 Kountz（1994）是第一个快速建模的人基于第一定律的天然气储罐的充填过程热力学。 他们开发一个计算机程序来快速建模用于实际气体的单个储存器的填充过程。 Kountz和Blazek（1997）和Kountz等人 （1998a，b，c），也发展了一种自然燃气分配器控制算法，确保NGV完全灌装在快速填充情况下的气瓶。 研究人员也在下建立氢基燃料基础设施快速灌装的方法包括Liss和Richards（2002）的工作，Liss et al。 （2003）和Newhouse和Liss研究了氢气瓶的快速填充使用实验数。 他们报道了高温在该过程中气缸的增加。

还进行了一些实验研究，以快速研究填充天然气缸，包括Thomas等人的工作（2002年）和Shipley（2002）。 Shipley（2002）得出结论温度变化可以对快速填充过程产生影响。 他还得出结论，试验缸每次都处于充满状态被迅速充电。

Farzaneh-Gord et al。 （2007）和Farzaneh-Gord（2008）也有建模快速填充过程。 他们开发了一个电脑程序基于PengeRobinson状态方程和甲烷单水库属性表。 他们调查了影响最终气缸的环境温度和初始气缸压力条件。 在另一项研究中，Farzaneh-Gord等 （2008）介绍级联储层填充过程的热力学分析天然气汽车油缸。 这项研究的结果表明环境温度对灌装过程和最终的影响很大NGV气缸条件。

如上所述，第二定律已经被用于此研究，理论上计算熵产生量。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。各种来源对熵产生负责。那里已经在熵产生领域进行了大量研究。Bejan（1982年，1996年）侧重于不同的机制负责应用热工程中的熵产生。熵的产生破坏了现有的工作一个系统。因此，重点放在工程意义上不可逆转（参见Bejan（1982,1996,1979））的热传递和流体流动过程并尝试了解相关的功能熵产生机制。此后，进行了大量调查已经进行了计算熵产生和不同几何配置的不可逆曲线，流情况和热边界条件。这里，熵产生最小化被用作主要工具确定灌装过程中的工作破坏量。

2. CNG加油站

图1显示了典型的CNG加气站。 气体从配送管道，通常在lt;4 bar（0.4 MPa）或可能“中”压力（16巴），使用大的压缩多级压缩机进入存储系统。 存储系统由多个可以使用的大型气缸组成通常从50升内部容量到超过100升。 这个系统的压力保持在高于车辆的压力车载存储，使得气体流向车辆。 在CNG站，两个存储系统可以用作缓冲器和级联存储系统。

图1 NGV加油站示意图

3.CNG加油站各种储存系统

3.1． 缓冲存储系统

缓冲存储器的工作范围为20.5e25 MPa，而车辆的最大车载气缸压力为20MPa。 在这个存储系统，所有的加油站油缸都是连接的并在所有时间内保持相同的压力。 图2显示了典型的缓冲存储系统。

在这项研究中，储层的温度和压力假定为300K和20.5MPa，不管其他情况提及。

图2 缓冲存储的原理图。

3.2． 级联存储系统

级联存储系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压水库。这些水库中的每一个由几个大气缸组成。 在这个储存系统，加油站储油罐放入上升顺序。 图3示出了示意图级联存储系统。在快速灌装期间，首先连接NGV车载气缸到低压储层。随着水库的压力下降并且在车载气缸中升高，气体流量减少。当流量下降到系统的预设水平时切换到中压储层，然后最后到高压水库完成填充。预计的级联系统会比整体更完整的“填充”缓冲存储器保持在一个压力并利用压缩机和存储，效率最高。此外，当压缩机自动打开以补充水库首先填满高压水库，然后切换到中，低水库。这确保高压储存器（用于完成填充物）保持在始终保持最大的压力，确保车辆始终如一提供最大量的可用气体。正确压缩机容量和级联体积的规格储存是必要的，以确保CNG站可以应付类型（轻型货车，公共汽车或卡车）和频率（高峰期）使用该设施的车辆。

图3 级联存储的示意图

4. 热力学分析

4.1 第一定律分析

在这项研究中，对快速灌装过程进行模拟和开发考虑了NGV车载气缸的数学方法作为通过准系统的热力学开放系统处理。

开展理论分析，连续性和第一定律热力学已经应用于气缸以找到2个热力学属性。 考虑到车载NGV气缸为一个控制体积知道它只有一个入口，连续性（质量守恒）方程可以写成如下：

（1）

在式（1）中，是入口质量流量，可以计算通过考虑通过孔口的等熵膨胀。应用气体动力学规律：

如果 （2）

如果 （3）

在等式（2）和（3）中，是孔口的排放系数。一般控制量的热力学第一定律表格可以写成如下：

填充过程中的工作期为零，变更为潜能和动能可以忽略不计。 那么方程可以简化如下：

（5）

上述方程进一步可以简化如：

（6）

从车载NGV气缸到环境的热量都可以计算为：

（7）

结合（1），（6）和（7）可以得到以下公式：

（8）

或以下列形式：

（9）

上述方程式可以按以下形式重新排列：

（10）

上述方程可以从填充的“开始”到“当前”时间为：

（11）

将上述方程整合为单个储层加油车站造成：

（12）

当，是在“当前”和“开始”的带电气体的质量填充过程，是平均温差气缸和环境定义为：

（13）

车载NGV气缸的热力学第一定律最后可以写成：

（14）

可以使用等式（1），（2）和（14）来计算如果缸内天然气有任何两个热力学性质时间。 通过知道两个热力学性质（这里是具体的内部能量和比体积），其他缸内属性可以找到。

4.1.1 绝热系统

方程（14）可以更为简化绝热系统：

（15）

如果，以下关系在任何时候都是有效的：

（16）

值得一提的是，按作者知识，现在实际气体快速填充过程的分析方法尚未在别处提出。

4.2 第二定律分析

发生热力学和流程的第二定律在CNG加油站的两个存储系统中采用在这项研究中，有可能在此基础上进行评估热力学第二定律，熵产生率，用于系统的特征节点。

热力学第二定律在船上填充过程NGV气瓶可以表示为：

（17）

在这里，所有的不可逆性都假定是从入口到气瓶发生的位置。 这使得水库的等熵扩张到入口位置，这意味着si=sR。 考虑到这一点假设和组合方程（1），（7）和（17），可以得到以下公式：

（18）

或者是下面的公式：

（19）

上述方程可以从填充的“开始”到“当前”时间如下：

（20）

对于具有单个储存器的加油站，其中sR保留整个灌装过程不变，整合上述方程式得到一个简单的方程：

（21）

4.2.1 绝热系统

对于绝热系统，等式（21）可以更为简化如：

（22）

并且如果在开始灌装过程中缸体为空（）可以得到以下关系：

（23）

值得一提的是，熵生成表达不可逆转在系统中。 最小化熵产生手段减少系统中的工作破坏。 正如所有需要的工作该系统由站压缩机提供，可以得出结论该最小熵产生表示最少的输入工作压缩机。

5. 结果与讨论

在这项研究中，NGV气瓶被认为是绝热的，因此孔口的特性不会影响结束气瓶内的温度状态。 孔口直径和船上NGV气瓶体积被认为是1毫米和67升分别在本研究中。 结果已经提出这里是常用的缓冲和级联存储系统。

图4显示了NGV气缸的动态压力曲线缓冲器和级联系统的灌装过程。 从图中可以看出，达到缓冲器中最终压力（20MPa）所需的时间存储系统比级联所需的时间少约66％存储系统 还应注意的是填充时间可以也可以通过适当调整管道设备的尺寸来减少（例如，孔直径）。

图5显示了填充过程中的质量流量曲线缓冲和级联系统，而初始（环境）温度保持恒定在300K。 图5，质量流量曲线在级联系统中分为三个独立的相似部分。缓冲系统的配置文件类似于级联配置文件的一部分。

图4 NGV板载缸内压力曲线在灌装过程中为缓冲液和级联存储系统

图5 灌装过程中缓冲液和级联储存时的质量流量曲线系统。

在剖面的早期部分，由于窒息，质量流量是恒定的在孔中。 可以看出缓冲器的质量流量系统远远高于级联系统。 这使填充时间缓冲系统低于级联系统。

在图 6中，灌装期间NGV车载缸内质量初始化时显示缓冲和级联系统的过程温度保持恒定在300K。从图中可以看出，最终缓冲系统的缸内质量（带电质量）约为比级联系统多1.5公斤。 在级联系统中30％，25％和45％的带电质量由低，中和低供应高压水库。

对于初始温度保持的情况，图7示出恒定在300 K，动态NGV板载缸内温度两种情况的档案。 附图说明 7，缸内气体缓冲系统中的温度在早期阶段下降在升级到最终值之前，为了级联系统，温度曲线没有下降。 浸入的原因温度剖面，在早期的一部分填充几乎是空的

气缸是JouleeThompson冷却效果的结果，气体在通过孔口的等焓膨胀中经历，从20.5MPa供应压力到最初低0.1MPa气

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