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储存方式对CNG加气站站性能影响的研究
摘要；在压缩天然气填充站，压缩天然气必须储存在储存系统中，以便更有效地利用该站。 有两种存储天然气的系统，即缓冲和级联存储系统。在缓冲存储中，CNG储存在单个高压储存器中。 级联储存系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压储层。 在目前的研究中，基于热力学第一定律和第二定律以及大量和实际气体假设的对话，已经开发了一种理论分析来研究预留类型对CNG填充站和填充过程性能的影响。 考虑到两个存储系统的最终天然气汽车汽缸（NGV）车载缸内压力，结果显示每种存储类型都具有自己的优势。 应该通过平衡这些优势来选择最佳配置。
关键词；CNG储气站；储气方式；性能
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。尽管天然气有大量的可用资源，但它并没有被大多数国家广泛接受为汽油的替代燃料。主要明显的原因是天然气汽车（NGV）的行驶里程较低，这与天然气加气站技术和填充过程有关。天然气汽车（NGV）通常在填充过程中从填充站的高压储层接收天然气。NGV加油站的第一个问题是加油NGV的时间。 NGV行业已经在行业中取得了出色的进步，提供了一个与汽油加油机相媲美的加油和NGV系统。填充时间长的问题已经得到弥补，大部分时间与用于填充汽油动力汽车的填充时间（小于5分钟）相当。这个（lt;5分钟）填充时间可以被称为快速填充或快速填充。
天然气车辆的车载存储能力是这些替代燃料车辆广泛推广的另一个问题。由于复杂的压缩和混合过程，车载储存钢瓶在储罐期间遇到储罐气温升高（在40 K或更高的范围内（Kountz，1994））。这种温度升高会降低气缸内气体的密度，导致相对于其额定规格的低压气缸。如果在加油站分配器中这种温升不能得到补偿，则通过暂时过度加压油箱，车辆使用者将经历减小的行驶里程。尽管NGV车载油缸容积对车载储存能力起着主要作用，但填充车站油箱的压力也对车载油缸的填充质量有很大影响。来自分配管道的气体使用大型多级压缩机压缩到存储系统中。压缩机所需的输入工作是填充站的最终问题。然后通过部分填充工艺浪费天然气压缩和储存所需的工作。
为了使天然气填充站的利用效率更高，天然气通常储存在储存系统中。在CNG站中储存燃料有两种方法。这些方法包括：缓冲存储和级联存储系统。在缓冲存储系统中，站内只有一个用于存储天然气的压力存储器。级联储存系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压储层。 以证明，存储类型对与填充过程和填充站有关的3个问题有很大影响：
- 填充时间；
- 加油后车载油缸的装载质量；
- 压缩机输入工作。
考虑到填充站的上述三个问题，人们可以得出结论，通过减少填充时间，减少压缩机输入功和（或）增加车载油缸的填充质量，可以改善填充站的性能。
为了理解快速填充过程和研究储存类型对NG填充站性能的影响，根据热力学的第一和第二定律以及本研究中的质量和实际气体假设，开发了理论分析 快速填充过程假定为准静态过程，假定天然气为纯甲烷（如真实气体）。第二定律分析已被用来计算填充过程中的熵产量。众所周知，较少的熵产生与压缩机所需的较少工作相关联。
文献中对填充过程建模领域的研究有限。Kountz（1994）首先模拟了基于热力学第一定律的天然气储罐的快速填充过程。他们开发了一个计算机程序来模拟真实天然气单一储层的快速填充过程。Kountz和Blazek（1997）和Kountz等人 （1998a，b，c）也开发了一种天然气分配器控制算法，以确保在快速填充情况下完成NGV气瓶的填充。研究人员正在模拟快速填充氢基燃料基础设施，包括Liss和Richards（2002），Liss等人的工作。（2003）以及纽豪斯和利斯已经用多次实验研究了氢气瓶的快速填充。他们报告说在这个过程中气缸温度会升高。还进行了一些实验研究，以便快速研究 天然气气瓶的填充包括Thomas等人的工作。（2002年）和Shipley（2002年）。 Shipley（2002）认为，环境温度变化会对快速填充过程产生影响。他还得出结论：每次快速充电后，测试圆筒都会被充满。
Farzaneh-Gord等人（2007）和Farzaneh-Gord（2008）也模拟了快速填充过程。他们根据PengeRobinson状态方程和单个储层的甲烷性质表开发了一个计算机程序。他们研究了环境温度和初始气缸压力对最终气缸条件的影响。在另一项研究中，Farzaneh-Gord等人 （2008）提出 天然气汽车汽油机梯级储油过程的热力学分析。这项研究的结果表明，环境温度对填充过程和最终的NGV气瓶条件有很大的影响。
如上所述，本研究采用第二定律来理论计算熵产量。熵产生与热力学不可分性有关，这在所有类型的热力系统中都是常见的。各种来源对熵产生负责。在熵产领域已有许多研究。 Bejan（1982,1996）专注于应用热工程中负责熵产生的不同机制。熵的生成破坏了系统的可用工作。因此，关注传热和流体流动的不可逆性（参见Bejan（1982,1996,1979）），并尝试理解相关熵产生机制的功能，具有良好的工程意义。自那时起，已经进行了大量的调查，以计算不同几何配置，流量情况和热边界条件下的熵产生和不可逆性配置文件。在这里，熵产生最小化已被用作确定填充过程中工作破坏量的主要工具。
2 CNG加气站
图1显示了一个典型的CNG填充站。来自分配管道的气体，压力通常在0.4MPa左右。使用大型多级压缩机压缩到存储系统中。存储系统由多个大型气瓶组成，这些大型气瓶有多种尺寸可供选择，通常从50升内部容量到100升以上。该系统的压力维持在高于车载存储器的压力，以使气体流向车辆。在CNG站中，可以采用两个存储系统作为缓冲和级联存储系统。
图1典型CNG加气站
3 CNG加气站的储存系统
3.1 缓冲存储系统
缓冲存储将在20.5~25 MPa的范围内运行，而车辆的最大车载气缸压力为20 MPa。 在这个储存系统中，所有的充满液体的储气罐都连接并始终保持相同的压力。图2显示了一个典型的缓冲存储系统。在这项研究中，油藏温度和压力假定为300K和20.5MPa，并且不管是否另有提及。
图2 典型的缓冲存储系统
3.2 级联存储系统
级联储存系统通常分为三个储层，通常称为低，中，高压储层。这些水库中的每一个都由几个大缸组成。在这个储存系统中，填充站储罐的气瓶按照上升的顺序排列。图3显示了级联存储系统的示意图。在快速填充期间，NGV车载油缸首先连接到低压油箱。随着油藏内压力的下降以及在油缸内的压力升高，气体流量减小。当流量下降到预设水平时，系统切换到中压储存器，然后切换到高压储存器以完成填充。预计级联系统会比整个缓冲存储器保持一个压力并以最大效率利用压缩机和存储器的结果更为完整。另外，当压缩机自动打开以重新装满油箱时，首先将油箱注满高压油箱，然后切换到中低油箱。这确保了高压储罐（用于完成填充）始终保持最大压力，确保车辆始终能够获得最大量的可用气体。校正压缩机容量和级联储存量是必要的，以确保CNG站能够应对使用该设施的车辆类型（轻型货车，公共汽车或卡车）和频率（高峰期）。
图3 级联存储系统
4 热力学分析
4.1热力学第一定律分析
在这项研究中，为快速填充过程建立模型并开发数学方法，NGV车载气缸被认为是经过准稳态过程的热力学开放系统。为了开展理论分析，热力学的连续性和第一定律已经应用于圆柱体以找到2个其他动力学性质。考虑到车载NGV气瓶作为控制体积，假定它只有1个入口。值得一提的是，根据作者的知识，目前分析方法研究真正的气体快速填充过程并没有在其他地方提出过。
4.2热力学第二定律分析
本研究中采用的CNG填充站的两个存储系统中发生的热力学过程和流动过程的特性使它可以基于第二热力学定律，熵生成率用于系统的特征节点。值得一提的是熵产生在系统中表现出不可逆性。 最小化熵产生意味着减少系统中的工作破坏。 由于系统所需的所有工作都由站压缩机提供，因此可以得出结论，最小熵产生指示压缩机输入功最少。
5 结果与讨论
在这项研究中，NGV气缸被认为是绝热的，因此，气缸的特性不会影响气缸的最终温度状态。整个研究过程中，直径和车载NGV汽缸体积分别被认为是1毫米和67升。这里介绍了常用的缓冲和级联存储系统的结果。
图4显示了缓冲和级联系统填充过程中NGV气瓶的动态压力分布。从图中可以看出，缓冲存储系统达到最终压力（20 MPa）所需的时间比级联存储系统所需时间少66％。还应该指出的是，通过适当调整管道设备的尺寸（例如直径）也可以缩短填充时间。
图4 在缓冲和级联存储系统的填充过程中，NGV车载缸内压力变化
图5显示了在初始（环境）温度保持恒定在300 K时，缓冲和级联系统在填充过程中的质量流量比率。根据图5，级联系统中的质量流量分布被分为三个独立的类似部分。缓冲系统的配置文件类似于级联配置文件的一部分。在配置文件的早期阶段，由于办公室内部的窒息，质量流量率不变。可以认识到，缓冲系统的质量流量比串级系统高得多。这使得缓冲系统的填充时间低于级联系统。
图5 缓冲和级联存储系统的填充过程中的质量流率
在图6中，缓冲和级联系统示出了填充过程中的NGV车载缸内质量，同时初始温度保持恒定在300K。注意，从图中可以看出，最终的缸内质量（带电质量）缓冲系统是关于
比级联系统多1.5公斤。在级联系统中，约30％，25％和45％的荷电质量分别由低，中和高压储器供应。
图7显示，对于初始温度保持恒定在300 K的情况，两种情况下的动态NGV车载缸内温度曲线。从图7中可以看出，缓冲系统中的气缸内气体温度在充电早期阶段下降，然后上升到最终值，而对于级联系统，温度曲线没有下降。入侵的原因
温度曲线在几乎为空的圆柱体的填充初期是JouleeThompson冷却效应的结果，气体在通过孔径的等焓膨胀中经历了从20.5MPa的供给压力到最初低0.1MPa的气缸压力。这种冷气体与原来在储罐中的气体混合并压缩，结果是混合气体的温度开始降低。当压缩和收敛 -
供给焓能量对汽缸内部能量的影响超过了JouleeThompson冷却效应，随着汽缸压力增加，冷却效应变小，汽缸内的混合气体温度开始升高。对于级联存储系统，JouleeThompson冷却效果在填充过程的早期阶段不够高，并且无法克服供给焓能量转换为缸内能量。当供应系统切换到较高压力的储罐时，借助低温进口气体的较高JouleeThompson冷却效应，会导致温度曲线小幅下降。通过比较最终的缸内温度，可以认识到级联系统的最终缸内温度比缓冲存储系统高大约40K。
图6 在缓冲和级联存储系统的填充过程中，NGV车载缸内质量
图7 在缓冲和级联存储系统的填充过程中，NGV气瓶的温度曲线
先前的研究（Farzaneh-Gord等人，2007,2008; Farzaneh-Gord，2008）显示，初始缸内和储罐温度（代表环境温度）对最终NGV车载缸内性质具有很大影响。图8显示了环境温度对最终NGV车载缸内温度的影响。如图8所示，与缓冲器相比，级联系统的最终缸内温度更高。重要的一点是，随着环境温度的升高，缓冲和级联系统的最终缸内温度不同会降低。
图9显示了初始温度对一个空的NGV机载气缸的充气质量的影响。如前所述，带电量直接影响NGV的行驶距离，也是NGV行业最重要的问题之一。如图所示，随着环境温度的升高，带电量下降。随着环境温度的升高，缓冲和级联存储系统的带电质量差减小。随着温度下降，带电质量急剧增加，所以人们可以得出结论，储层内的气体温度下降将对带电质量产生很大影响。如前所述，熵产生与热力学不可逆性有关。不可逆性破坏填充站的可用工作。由于压缩机提供了可用的工作，所以人们可以得出结论：随着熵产生减少，可用的工作破坏也减少。
图8 初始（环境）温度对缓冲和级联存储系统的最终温度的影响
图9 初始（环境）温度对缓冲和级联存储系统带电质量的影响
图10显示了缓冲和级联存储系统的熵产生。如图10所示，缓冲系统的熵产生大约是级联系统的两倍。这意味着缓冲系统所需的压缩机工作可能要比级联系统高得多。
图11显示了NGV行业重要参数之间的无量纲比较。这个图中的无量纲参数是通过将参数除以较高值来计算的。考虑到与填充过程和加油站相关的3个问题（填充时间，填充质量和压缩机输入功）和图11，可以得出结论：与级联系统相比，缓冲系统的填充质量更高且填充时间更低。这些给级联系统上的缓冲系统带来两个好处。级联系统超过缓冲系统的最大优势是这种配置的熵产生较低，这可能导致这种配置下的压缩机输入工作量降低。由于管道设备的适当尺寸（例如管道直径）也可以减少填充时间，因此可以通过平衡剩下的两个参数来选择存储系统的最佳配置，例如带电量和压缩机输入功。
应该指出的是，在大多数的NG填充站中，如果压缩机有空闲时间，低压和中压油藏压力会带来最高可能压力（甚至达到高压油藏压力）。在这种情况下，填充站的行为比缓存系统更接近缓冲系统。
图 10缓冲和级联存储系统的熵生成
图 11缓冲和级联存储系统CNG站重要参数间的无量纲比较
6 结论
热力学的第一和第二定律已被用作理论工具，以便比较缓冲和级联存储系统对天然气填充站性能的影响。已经建立了理论分析来研究缓冲和级联存储系统对与填充过程和填充站有关的三个问题的影响：填充时间，填充质量和压缩机输入功。由于熵产生与压缩机输入功相关联，因此假定，随着熵产生减少，压缩机输入也减小。发现在缓冲存储系统中将NGV车载油缸提升到其最终压力（20 MPa）所需的时间（填充时间）比级联存储系统少
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