关于CNG快充站中燃料储库到天然气汽车气瓶气体输送的研究
作者：Mahdi Deymi-Dashtebayaz,
Mahmood Farzaneh Gord,
Hamid Reza Rahbari
摘要
当下，发生在天然气汽车（NGV）气瓶中的CNG快充过程的精确建模仍是一个令人费解的过程，亟待更深入的研究。在本文中，基于质量守恒定律和热力学定律的理论模型已经被开发用以研究由CNG储库到车辆（NGV）气缸的动态快充过程。由于甲烷占天然气占很大的比重（在70％到99％之间），为简化规模便与研究，假设甲烷是天然气中唯一的物质，且热力学性质表可以被应用在以甲烷为基础的实际气体模型。为了模拟热传递，将系统作为绝热系统处理。研究结果表明，存储库的初始压力对用于将NGV气缸提升至其目标压力（20MPa）所需的存储库体积大小具有很大的影响。将NGV气缸内气压提升到其最终（目标）压力（20MPa）在不同的初始存储压力下需要不同的储存库体积。例如在初始压力为20.8MPa（RPS = 1.04）、23MPa（RPS = 1.15）、25MPa（RPS= 1.25）的情况下，所对应的储气库的体积分别是NGV气缸容积22.6和4倍。（注：RPS是存储体压力（PS）与目标压力（PT）（在该研究中为20MPa）的比率）。结果还表明，环境温度对加气过程有很大的影响，特别是NGV气瓶和储气库的最终条件。
关键词：压缩天然气 NGV气瓶 储存库 快速灌装过程 热力分析 熵产生
绪论
天然气对于车辆来说是一种极具吸引力的燃料，因为与汽油相比，它是一种相对清洁的燃料（Eguacute;squiza等人，2009）。天然气作为燃料适用乘用车，重型卡车，垃圾车和公共汽车等不同的车辆。特别是对于城市车辆，天然气是一种环保的燃料（Tilagone等人，2006）。1930年中期，天然气车辆（NGV）的使用开始出现在意大利。1970年的能源危机之后，NGV更是在发达国家迅速发展起来。截至2010年底，伊朗的NGV的数量估计约为260万辆，而CNG快充站的数量约为1700个，并仍保持迅速增长的态势（数据源于NIOPC网站）。
天然气车辆（NGV）的充气过程通常是从加气站高压储存库中接收天然气。由于复杂的压缩和混合过程，在充气过程中NGV气缸经常会遇到缸内温度升高的现象。温度升高会降低气缸中气体的密度，导致出现相对未加满气的状态。如果这种升温过程在加气站分配器中没有得到补偿，汽车气缸仅出现短暂的过压，车辆可以行驶的里程将大大减少。
NGV气缸的温度补偿能力是这些替代燃料车辆能够广泛销售的关键环节。因为将CNG分配到NGV的过程少于5分钟内的时间内完成，故将其称之为快速填充过程。环境温度高于30°C时，NGV气瓶可能会出现填充不足。如果没有提高的加气站压力，也没有在加气操作期间对NGV气瓶进行的广泛的过压，那么将会出现大家所不愿看到的结果——车辆可行里程减少。由于压缩和其它的一些过程，充气过程是发生在NGV气缸中温度升高的结果。
NGV汽车在加气时提供一种系统与汽油分配器相适配，这种技术已经有了长足的进步。与大部分汽油动力汽车相比，小于5分钟的填充时间已经使过长的加气时间的问题得到解决。这种短时间的充气可以被称为快速填充或快速充电。
纵观充气过程建模领域的有限研究， Kountz（1997）是第一个基于热力学第一定律对NGV缸的快充过程建模的科学家。他开发了一个计算机程序来模拟单个储库快充过程。 Kountz et al （1998a，1998b，1998c）还开发了一种CNG分配器控制程序，以确保NGV气瓶在快充情况下的集成加气。研究人员还在对氢基燃料加注基础设施的快充过程进行建模，其中包括Liss和Richards（2002）的研究， Newhouse和Liss（1999）等人还研究了氢气缸的快充实验，以研究在该过程之前的气缸中的升温过程。
还有一些基于实验的研究，包括Thomas和Goulding（2002）和Shiply（2003）的研究，他认为环境温度变化可能对CNG快速填充过程有影响。他还得出结论，每次快充时，测试圆筒都未充满。
Farzaneh-Gord等人（2011）采用了理论分析来研究缓冲和串联储存库对CNG加气站性能的影响。研究发现在缓冲存储系统中将NGV车载气缸提升至其最终压力所需的填充时间比串联储存组减少约66％。，缓冲器组优于串联组的优点是串联组的充气质量只约为缓冲器组的80％。串联组比起缓冲器的最大优点是该配置的熵产生减少50％，这可能导致串联组所需压缩器的输入功要低很多。 Farzaneh-Gord等人（2012a，2012b）也研究了天然气的组成成分对缓冲器组和串联储存库的快充过程的影响。在这些研究中，存储库的条件被认为是恒定的。
熵是热力学性质的重要参数（Moiseacute;s等人，2010）。本研究利用热力学第二定律来计算理论上的熵产生量。熵产与热力学不可逆性相关，这在所有类型的热系统都是常见的。熵产的来源很多并且已经进行了大量研究。Bejan（1982,1996）专注研究应用热物理中熵产生的不同机制。熵产破坏了系统的可用功。因此，它赋予了热传递和流体流动过程的不可逆性良好的工程应用价值（Bejan，1972），并试图理解相关熵产机制的功能。从那时起，大量的研究计算了不同几何配置，流动情况和热边界条件下的熵产生和不可逆性分布。这里，熵产最小值已经被用作确定快充过程中的功耗散的工具。
本文旨在研究动态地改变存储库条件对快充时间的影响，并提出了基于质量守恒和热力学定律的理论模型。在这项研究中，首先，将研究初始储存库压力对将NGV气缸提升到其目标压力（20MPa）所需的体积的影响。另外也旨在确定充气过程中的储存库的瞬时质量流量，热力学性质和熵产。最后，也研究了初始环境温度对快充过程的影响。
命名
A =面积，
=孔排放系数，无量纲
=定压比热和定容比热，kJ /（kg﹒K）
g =重力加速度，m /
h =比焓，kJ / kg
m =质量流量，kg /s
M =分子量，kg / kmol
P =压力，（bar或Pa）
Q =热量，kW
T =温度 ，（K或℃）
u =内能，kJ / kg
h =焓，kJ / kg
s =熵，kJ / K
t =时间，s
V =体积，
W =功，kJ / kg
z =高度，m
Z =压缩系数，无量纲
RP =压力比，无量纲
RV =体积比，无量纲
希腊符号
upsilon; =比容积，/kg
gamma; =等熵指数，无量纲
rho; =空气密度，kg/
下标
C = NGV气缸
CV =控制量
S =存储库（气库）
I =初始或入口条件
e =出口条件
p =压力条件
S =填充过程的开始
a，infin;=环境
av =平均
gen =生成
tot =总的
天然气加气站
图1是典型的CNG加气站流程图。 来自分输干线的天然气通常处于小于0.4MPa的低压或者是1.6MPa的中压。这些天然气通过大型多级压缩机才能被压缩到储气中。 该系统中的压力比汽车储气瓶中的压力要高，使得气体在压差的作用下流向气瓶。通常，储气库的压力在20.5MPa至25MPa之间，而汽车气瓶的最大压力为20MPa。
图1. NGV加气站示意图
无量纲参数的定义
首先介绍影响充气过程的几个重要参数。在NGV灌装过程中，储存库的热力学性质对充气过程起着重要的作用。储气库的两个主要热力学参数是压力和温度。如图2所示。储气库有自己的温度（TS）和压力（PS），假设在充气过程中NGV气瓶内的压力和温度处于变化之中。通常，储气库（PS）中的压力在20.5MPa至25MPa的范围内，而汽车气瓶的压力为20MPa。换句话说，加气过程中的目标压力（PT）为20MPa。
为了保持NGV气缸内的最终压力足够高，初始加气过程中储存库内的压力（PS）可以在20.8MPa至25MPa之间。
本研究中引入的第一个和第二个无量纲数值分别为NGV气瓶压力（PC）和存储压力（PS）与目标压力（PT）的比值（本研究为20MPa），分别为定义如下：
RPC= PC /PT (1)
RPS = PS/PT (2)
应该注意的是，在NGV充气过程结束时，这个比值应该达到1，这意味着NGV的最终压力气缸应等于目标压力。
本节介绍的下一个无量纲值RV，它是储气库容积（VS）与NGV气瓶体积（VC）的比率，定义如下：
RV= PS/PT (3)
注意，充气过程中储气库的状态在发生变化，使用储气库容积比而达到加气目标条件的气瓶体积是必要的。
热力学模型
平衡能量模型
为了模拟快速充气过程并使用相应的数学建模方法，假设NGV气瓶与储气库是准静态过程的热力学开放系统。
图2. 热力学系统的原理图。
为了建立热力学理论模型，将质量守恒和热力学第一定律应用于控制体（储气库或NGV气瓶），来找出2个热力学特性。 考虑到NGV气瓶或储气库作为控制体，质量守恒（连续性）方程可以写成如下：
（4）
在等式（4）中，mi是NGV气瓶中的入口质量流量，me是储气库的出口质量流量。 重要的是，NGV气瓶的入口质量流量等于储气库库出口质量流量，如下所示：
（5）
考虑到通过孔口的等熵膨胀可以获得结果。应用气体动力学规律：
（6）
（7）
等式 （6）和（7）是孔口的排放系数。一般控制量的热力学第一定律可以写成如下：
（8）
充气过程中的工作周期为零，潜在的变化和动能的变化可以忽略不计。 NGV气瓶及储气的方程可以简化如下：
（9）
当及时有
（10）
在等式 （10）中，正负标志分别用用来表示气瓶及储气库。而从NGV气及储气库散发到环境中的热量损失可以计算为：
（11）
U，A，T及分别是NGV气瓶及储气库控制体积的总传热系数，表面积，缸内温度和环境温度。 通过组合方程 （4），（10）和（11），得到以下等式：
（12）
或者是以下这种形式：
（13）
上述方程式整合成以下形式：
（14）
上述等式按照填充时间可整合为：
（15）
单个储气库的加气站的上述等式的整合：
（16）
mp与mo表示充气当前与开始的充气质量，Delta;是气瓶和环境之间的平均温差，其表达式为：
（17）
NGV气瓶或储气库的热力学第一定律最后可以表示成：
（18）
可以使用等式（6），（7）和（18）来随时获得气瓶及储气库天然气的两种热力学参数。 对于绝热系统，方程 （18）可以更简化为：
（19）
请注意，在等式（19）中，控制量可用于NGV气瓶或储气库。 NGV气瓶或储气库也分别使用正负号表示。
通过了解两个独立的热力学参数（这里是具体的内部能量和比容），可以推导出另一个储气瓶及储气库的热力学性质。
熵生成模型
利用热力学的第二定律可以研究CNG加气站储存库中系统特征节点的熵产生率Sgen。
NGV气瓶和储存库充气过程的热力学第二定律可以表示为：
（20）
在这里，假设所有不可逆性都发生在入口到气瓶的位置。使得从储气库到入口位置是等熵膨胀，这意味着。
考虑到这个假设及的假设，并结合方程式 （4）（11）（20），可以得到以下等式：
（21）
总熵产可以当做NGV气瓶 SgenC和存储库SgenS 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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