英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
多线储气系统CNG加气站储气罐容积比的优选
a.伊朗沙鲁德技术大学机械工程学院
b.Esfarayen科技大学，伊朗，北Khorasan, Esfarayen
c.伊朗Birjand Birjand大学机械工程学院
文章信息
文章历史：2016年4月25日收到
2016年9月26日收到修订后的表格
2016年10月12日录入
2016年11月15日上线
关键词：体积比 天然气充气站 利用率 填充时间
摘要
提高CNG加气站性能的主要目标有三个:加注时间、加注质量和储气罐利用率。国内外对天然气加气站热力建模的研究较多，但对储气罐的最优容积比研究较少。本文首先对快速填充过程进行了热力学建模。1、利用AGA8状态方程计算了CNG所需的热力学性质。其次，采用填充时间最小化、填充质量最大化和利用率最大化作为优化问题的目标函数。最后，确定了储层储罐的最优容积比作为本研究的主要目标。计算结果与已有的数值计算结果进行了比较，并与实验数据进行了验证。与以前的工作相比，快速填充建模结果有了明显的改进。给出了优化问题的最终结果，得到了0.45 lt; NLPRlt; 0.52和NMPR/HPR的最优利用率.2、通过实例对储罐容积比的选择进行了研究，使计算结果更加清晰。
介绍
天然气是最环保的运输燃料。压缩天然气(CNG)是世界上增长最快的汽车燃料市场。储存在汽车上的高压缸中(190e250bar)。在加油时，天然气车(NGVs)通过一个分配器连接到高压储气罐上。天然气加气站有单线和多线两种天然气储存系统。研究发现，采用三种压力等级(低压、中压和高压)的储层，无论在性能上还是在成本上，都是多线储集系统的最佳选择。一辆NGV将首先从低压储罐中被装满，这将导致一个不完整的装满，可能达到200巴。中型和高压储罐将使车辆的油箱接近200巴。这一过程发生在分配器(见图1)。
图1 -快速填充过程示意图
利用Kountz[1]建立了一个简单的热力模型来模拟单个储罐的快速充装过程。该模型简单，只考虑了车载NGV气瓶。Kountz等[2-5]也开发了一种配药控制算法。Farzaneh-Gord等[6,7]提出了CNG加气站单线存储系统的快速加注过程。研究了初始储罐压力和环境条件对最终车载NGV气瓶温度、压力和充装时间的影响。他们模拟了快速充注过程，而储液罐的压力在充注过程中保持恒定。Farzaneh-Gord等人对具有多线存储系统的天然气加气站进行了类似于以往模型的理论分析。[8]研究结果表明，初始条件和环境温度对最终车载NGV气瓶工况有很大影响。Farzaneh-Gord等人[9,10]还开发了基于实际气体假设的热力学分析来比较两个存储系统。结果表明，多线存储系统的熵产比单线存储系统的熵产低50%。他们提出单线存储系统的填充时间比多线存储系统少66%左右。他们的模型建立在不考虑管道的两个圆柱体上，与之前的研究相似。Farzaneh-Gord等人重复了他们对氢的分析，提出多线存储系统的充氢时间最长，但熵产最小。Farzaneh-Gord等[12,13]基于热力学分析对快速充填过程进行了优化。分析是基于热力学第一定律和理想气体第二定律的假设。结果表明，优化后的无量纲中低储层储罐压力分别为0.24和0.58。Farzaneh-Gord等人[14]对绝热系统进行了理论分析，以研究天然气成分对加气站性能的影响。他们提出，天然气的成分对最终的缸内条件有巨大的影响，在最后的快速灌装过程。同时，甲烷含量较低的气体更适合快速充装。也有类似的研究，只考虑了车载压缩氢气瓶(CHG) [15-21]。郑等人[22]提出了一种高利用率、快速加油速度的CHG加气站优化控制方法。他们的模型基于两个气瓶(车载NGV气瓶和储罐)，没有考虑管道。通过两个实例验证了算法的有效性。提出了一种自适应切换机制来改善填充过程。Deymi-Dashtebayaz等人用[10]研究了充液动态储罐条件对NGV气瓶条件的影响。研究结果表明，将NGV油缸提升至200bar时，储罐初始压力对储罐容积的影响是巨大的。结果表明，未能正确预测质量流量。其原因是缺乏连接管道的建模。有两项研究考虑了舰载NGV的油缸、储罐和连接管道。在第一个研究中，Khadem等人[23]提出了一种新的考虑连接管的CNG质量流量的数学模型。在本文中，储层储罐模型与理想气体模型相似，均为定常性质储层。将连接管内的天然气流动模拟为范诺流动。在本研究中，通过试错法计算了气体的质量流量。他们还得出结论，理想气体模型的使用是造成实际情况的最终温度与模型值之间差异的最重要因素。在第二项研究中，Saadat-Targhi等人[24]对CNG加气站进行了热力学分析。在分析中计算了考虑连接管的压缩天然气质量流量。与以往的研究不同的是，他们的工作中考虑了CNG加气站的往复式压缩机。实验结果与模拟结果吻合较好。他们的工作结果比以前的工作更准确。值得注意的是，在之前的两项[23,24]研究中，程序不同部分的热力学性质是由理想气体状态方程计算出来的。
提高CNG加气站性能的主要目标有三个:加注时间、加注质量和储气罐利用率。由于公众接受的原因，灌装时间和灌装质量很重要。提高水库库容利用率是降低电站运行成本的另一个主要目标。为了提高压缩机不启动连续充液的能力，应提高储罐的利用率。应该指出的是，在以前的大多数研究中，水库储罐的容积比都是假定相等的。例如，如果水库储罐的总库容为6000 L，则分别假设高、中、低压水库储罐的库容为2000 L。
根据上述文献综述，已有许多研究集中在CNG加气站的热力建模上，而没有涉及到储气罐的最优容积比。没有任何研究给出了最优储罐容积比和最优容积比的利用率。因此，优化储罐容积比至关重要。
本文通过热力学分析，定量确定了储罐的充装时间、充装质量和利用率。本文以充装时间最小化、充装质量最大化和利用率最大化为目标函数，选择了具有多线存储系统的CNG加气站的最优储罐容积比。快速加注过程是CNG加气站的主要组成部分。本文从热力学角度分析了车载NGV气瓶、储罐和连接管道的快速充装过程。利用AGA8(美国气体协会第8号报告)状态方程计算了CNG所需的热力学性质。将车载NGV气瓶与储罐之间的CNG流动模拟为一维等温流动。
快速填充过程的建模
多线存储系统快速灌装过程原理图如图1所示。它可以分为储罐，连接管道，分配器和车载NGV缸。如前所述，多线存储系统中的储罐分为低压、中压和高压(低压、中压和高压)。一辆NGV将首先从低压储罐中被装满，这将导致一个不完整的装满，可能达到200巴。中型和高压储罐将使车辆的油箱接近200巴。这一过程发生在分配器。下一节将描述用于快速填充过程建模的方法。
状态方程
天然气主要由甲烷和其他碳氢化合物组成，如丁烷、丙烷和乙烷。典型天然气组分(Khangiran Refinery)的实验分析如表1所示。
|
Table 1 天然气成分的实验分析 (Khangiran Refinery). |
|
Component Experimental analysis (mole fraction %) |
|
CH4 98.640 C2H6 0.593 C3H8 0.065 isoC4H10 0.015 nC4H10 0.034 isoC5H12 0.026 Cthorn;6 0.125 N2 0.428 CO2 0.055 |
高压下的天然气不能被认为是理想气体。利用AGA8状态方程确定了天然气的热力学性质。AGA8 EOS的一般形式表示为[25]:
(1)
其中P、Z、、R、T分别为压力、可压缩性因子、摩尔密度、通用气体常数、温度。基于AGA8 EOS模型，利用下面的公式[25]计算压缩因子
(2)
其中B,,和是第二个维里系数，约化密度系数和温度组成的函数。上式中定义如下：
(3)
其中K为混合尺寸参数. 计算公式如下:
(4)
其中下标i和j表示气体混合物中的第i和第j个分量。因此，分别为组分i的尺寸参数和组分i的摩尔分数。为尺寸的二元相互作用参数。N是气体混合物中组分的数量。由下式给出的第二维里系数(B) [25]:
(5)
其中是状态方程，
(6)
(7)
其中为状态参数方程，为表征参数，为表征参数。是对应的二元相互作用参数[25]:
（8）
其中and分别为对应的表征参数和对应的二元交互参数。式(2)由下式[25]定义：
（9）
其中G、F、Q、U为混合参数，由下式[25]定义:
（10）
（11）
（12）
（13）
其中为混合能量的二元相互作用参数。方程(2)由下式[25]定义:
(14)
该方程的系数见ISO-122132:2006 [25]
填充时间和填充质量
填充时间(FT)和填充质量(FM)分别定义为NGV加油时间和NGV的目标填充质量。通过对快速充填过程的建模，计算了充填时间和充填质量。这些参数与快速填充过程中天然气体的质量流率有关。因此，天然气的质量流量无疑是快速充注过程中最重要的参数之一。
为了模拟快速充装过程，将车载NGV气瓶视为一个简单的热力学控制体。它有均匀的压强和温度。将质量守恒原理应用于控制体积:
(15)
式中进口质量流量，在下一节中描述。开放系统热力学第一定律的一般形式为:
(16)
动能和势能的变化以及功的项可以忽略。上式可简化为:
(17)
通过替换储罐的焓值，可以进一步简化上述方程:
(18)
为了简化，车载NGV气缸对环境的传热可以忽略不计。最后，对于车载NGV气缸，可以写出热力学第一定律:
(19)
与车载NGV气瓶相似，将质量守恒方程应用于储罐产量:
出口质量流量，在下一节中描述。储罐产率热力学第一定律的一般形式(式(2)):
(21)
为了简化，储罐对环境的传热可以忽略不计。最后，对于储罐，可以写出热力学第一定律:
(22)
瞬态过程是准稳态过程。将储罐与车载NGV气瓶之间的CNG流动模拟为一维等温流动。为了计算气体通过连接管的质量流量，必须求解管道的连续性、动量和状态方程。
管流的控制方程(连续性、动量和状态方程)如下，[26]:
（23）
（24）
（25）
其中，Z、r、V、P、f、D、r、M、T分别为压缩性系数、密度、速度、压力、风扇摩擦系数、管径、气体常数、分子量、温度。根据Saadat-Targhi等人[24]的研究方法，对式(23)-(25)进行求解。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237720]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
