加氫站PLC運行計算、模擬及預(yù)測

0 研究背景

氫能產(chǎn)業(yè)相比傳統(tǒng)能源行業(yè)，環(huán)保效果非常突出，這種優(yōu)異的社會效益是民生更需要的。20世紀90年代中期以來，多種因素的匯合增加了氫能經(jīng)濟的吸引力。這些因素包括持久的城市空氣污染、對較低或零廢氣排放的交通工具的需求、減少對外國石油進口的需要、CO

排放和全球氣候變化、儲存可再生電能供應(yīng)的需求等。城市公交是有害氣體排放最受關(guān)注的行業(yè)之一。以上海為例，根據(jù)相關(guān)研究及統(tǒng)計，上海市機動車總數(shù)約為430萬輛（含外地牌照車），以機動車為主的流動源仍是上海大氣污染的重要來源，目前其對上海市PM

污染貢獻達到29%，重污染期間的貢獻率最高可達39%。

燃料電池汽車在使用過程中實現(xiàn)了“零排放”和高效率，有效地減少了車輛使用帶來的環(huán)境污染，成為解決城市環(huán)境問題的一項重要手段。加快建設(shè)低碳城市交通，走低成本、低能耗、低污染、高效率的低碳之路，是汽車企業(yè)節(jié)約利用資源、保護生態(tài)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

當(dāng)然，如果您根據(jù)公式，計算出了胎兒的體重不符合標準，也不用太著急，胎兒的發(fā)育情況是否良好，還需要醫(yī)生綜合判斷。最好的辦法是在產(chǎn)檢的時候咨詢專業(yè)的醫(yī)生，醫(yī)生會給你一個最佳的解決方案。

從比較法視角來看，在英美法國家，小額訴訟程序是治安法院(庭)適用的非正式程序;在日本等大陸法國家，小額訴訟程序是普通程序、簡易程序之外獨立的第三種程序;在韓國，小額訴訟程序是普通程序之外的獨立程序。基于我國的國情和傳統(tǒng)，我國的小額訴訟程序可以借鑒大陸法國家(地區(qū))的日本和我國臺灣地區(qū)，將其定位于普通程序、簡易程序之外的第三種程序，具有獨立的程序構(gòu)造。正如我國著名法學(xué)家常怡教授所言:“小額訴訟程序在性質(zhì)上絕不是簡易程序的附屬程序，也不是簡易程序的分支程序，而是與簡易程序相互聯(lián)系，并且并列存在的一種獨立的第一審程序。”［13］

在加氫站快速建設(shè)的同時，提高加氫站的性能和技術(shù)水平對降低加氫成本，提高加氫效率有著重要作用。其中，加氫站儲氫瓶組的分級方法和加注過程的邏輯控制是影響加氫站性能的關(guān)鍵所在。

1 加氫站加注能力的綜合計算過程和結(jié)果

氫燃料電池物流車，按照35 MPa壓力，4個140 L車載氫氣瓶計算，每輛車加氫量約10 kg。按照12 h粗略計算，可滿足約60輛車的日加氫需求。

氫氣壓縮能力：配置1臺氫氣壓縮機，氫氣壓縮機在進氣壓力12.5 MPa、出口壓力45 MPa時排量為500 kg/12 h。

儲氫能力：配置9個水容積為1.0 m

瓶式容器組成的儲氫瓶組，儲氫壓力45 MPa，儲氫能力250 kg。配置2輛氫氣長管拖車固定使用，公稱壓力20 MPa，儲氫能力720 kg。合計：儲氫能力為970 kg。

C語言是一種面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，而循環(huán)結(jié)構(gòu)是三大基本結(jié)構(gòu)(順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu))中最重要、最復(fù)雜、最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。學(xué)好循環(huán)結(jié)構(gòu)是學(xué)好C語言課程的關(guān)鍵，它是學(xué)好數(shù)組、指針、函數(shù)等內(nèi)容的基礎(chǔ)和前提。在日常工作和生活中通過循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以很方便地解決許多問題。例如，求全班學(xué)生課程的總成績和平均成績；求任意兩個正整數(shù)的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)；九九乘法表的打印輸出等。本文將結(jié)合作者多年教授程序設(shè)計語言的教學(xué)實踐經(jīng)驗，從課程背景、教學(xué)對象與教學(xué)現(xiàn)狀分析、教學(xué)組織實施實踐等幾個方面來對循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)實踐進行探討。

加注能力：配置雙計量35 MPa加氫機1臺，流量范圍為0~3.6 kg/min/臺。

計算過程和結(jié)果：考慮進出站調(diào)度、檢查、記錄、加氣等時間在內(nèi)。單輛氫燃料電池公交車的單車加注時間約為15-25 min，其中直接加氫時間約10-15 min。單輛氫燃料電池物流車的單車加注時間約為10-20 min，其中直接加氫時間約5-8 min。

技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)開始改變?nèi)祟悮v史幾千年的文明慣性和生活慣性，且這種改變將加速到來。人工智能的社會效應(yīng)，既可能極善，也可能極惡。前者是大同或天堂;后者是新奴隸社會或人類毀滅，且不可逆。如何對待這種不確定性?在找到預(yù)防和控制其負面效應(yīng)的手段之前，人類是否應(yīng)該輕易地發(fā)展人工智能?

氫燃料電池公交車，按照35 MPa壓力，8個140 L車載氫氣瓶計算，每輛車加氫量約20 kg。按照12 h粗略計算，可滿足約30輛車的日加氫需求。

在氫氣完美供應(yīng)的情況下，按照1臺氫氣壓縮機12 h運轉(zhuǎn)，每日壓縮氫氣量最大可達500 kg。高壓儲氫瓶組，儲氫能力可達250 kg。按照氫氣壓縮機每天12 h運轉(zhuǎn)計算，日氫氣壓縮量約500 kg。

1.5.3 PCR法特異性試驗 采用上述反應(yīng)體系和條件，以華支睪吸蟲囊蚴DNA為陽性對照，檢測并殖吸蟲囊蚴DNA、日本血吸蟲DNA、牛帶絳蟲DNA、豬帶絳蟲DNA、剛地弓形蟲DNA、隱孢子蟲DNA、藍氏賈第鞭毛蟲DNA、溶組織內(nèi)阿米巴DNA和蛔蟲DNA，以雙蒸水為模板做空白對照，進行PCR反應(yīng)觀察交叉反應(yīng)。

以500 kg加氫站為例，站內(nèi)配備500 kg/12 h(12.5 MPa氫源壓力)的45 MPa壓縮機撬1臺及配套冷水機組，35 MPa雙槍雙計量加氫機1臺及配套冷水機組（配套換熱器），45 MPa的9 m

儲氫瓶組1套，卸氣柱1臺，順序控制盤1臺，氮氣吹掃/儀表風(fēng)閥組1臺，放散系統(tǒng)1套，站控系統(tǒng)1套及其他配套加氫設(shè)施。

加氫速率：氫燃料電池車在加注過程中，由于氫氣的壓縮機性能隨著車載瓶壓力的升高，溫度會逐漸升高。為了安全起見，規(guī)范要求車載瓶在加注終了溫度不應(yīng)大于85℃。而通過加氫站儲氫瓶組串氫，其實主要限制流速的原因在于加注溫度。為了在保證安全的前提下進一步提高加注速度，在加氫機前配置了快速加注預(yù)冷系統(tǒng)。預(yù)冷系統(tǒng)出水溫度最低到-15℃，在加注速度2 kg/min時，燃料電池車加注完成溫度也較低，距離規(guī)范要求的上限還有很高的安全系數(shù)。最大加注速度在預(yù)冷前提下可以達到3.6 kg/min。圖1為實際運行中的加注速度曲線，如圖1所示即使在炎熱的夏天，平均速度可以維持在2 kg/min以上。

楊宇冠（1956-），男，江蘇東臺人，中國政法大學(xué)訴訟法學(xué)研究院二級教授，法學(xué)博士，博士生導(dǎo)師；通訊作者

2 站內(nèi)儲罐內(nèi)部質(zhì)量的實時計算及畫面檢測

儲氫瓶組內(nèi)氫氣剩余質(zhì)量是滿足加氫站高效運行和靈活調(diào)度的保證，高壓工況下，理想氣體方程便不再適用，需要通過壓縮因子求得不同壓力和溫度下氫氣的密度，計算結(jié)果可以通過上位機在中控室進行顯示，計算方案為：

其中，M：氫分子摩爾質(zhì)量；p：氫氣壓力（MPa）；Z：壓縮因子；R：氣體常數(shù)（8.314）；T：氫氣溫度（K）；ρ：氫氣密度（kg/m

）；vij：常數(shù)見表1；v：儲氫瓶組水容積（m

）。

計算公式為m=ρv（m為氫氣質(zhì)量，ρ為氫氣密度，v為瓶組容積）

通過上述計算方案可知，根據(jù)溫度和壓力可以實時檢測儲氫瓶組剩余氫氣質(zhì)量。在上位機顯示如圖2。

3 儲氫裝置循環(huán)周期的累積及折算方案

本方案中儲氫瓶組壽命及儲氣狀態(tài)的安全監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控儲氫瓶組內(nèi)的壓力，并通過對比，計算儲氫瓶組內(nèi)壓力波動幅度超過設(shè)定值的次數(shù)，以此來預(yù)期瓶組的使用壽命。當(dāng)瓶組內(nèi)的壓力上下波動次數(shù)超出范圍后，上位機發(fā)出預(yù)警，提醒站內(nèi)人員及時進行檢驗。

試驗中記載作物各生育期，并觀察記載生育期性狀長勢及變化情況。收獲中期測定不同處理果樹生長性狀，分析增產(chǎn)原因，進行數(shù)理統(tǒng)計分析。

具體方法如下：

圖3中P1為儲氫瓶內(nèi)的初始壓力，P

為循環(huán)判斷中參考的低點值，P

為循環(huán)判斷中參考的高點值，P

為波動的最大范圍，當(dāng)壓力儲氫瓶內(nèi)的壓力上升或者下降波動范圍時，儲氫瓶波動次數(shù)加1，當(dāng)波動次數(shù)接近瓶組檢測周期所要求的循環(huán)次數(shù)時，提示瓶組壽命預(yù)警，需要檢查或保養(yǎng)。

4 燃料電池車載儲氫瓶內(nèi)溫度模擬

為了保證燃料電池車在整個加注過程中的安全性，需要嚴格控制燃料電池車載瓶內(nèi)的壓力和溫度，規(guī)范對于加注壓力和加注溫度有嚴格的規(guī)定?？梢岳脷怏w的特性，通過壓力變送器時刻檢測車載瓶的壓力，但是在加注過程中燃料電池車處于停車狀態(tài)，且35 MPa加注不具備紅外通信功能，不能時刻檢測車載瓶的壓力溫度，需要通過一定的算法和模型在上位機時刻顯示車載瓶的溫度。計算方案為：

1）車輛加注前通過掃碼槍將車載瓶容積v記錄在系統(tǒng)中；

2）讀取加氫槍連接車載瓶時壓力值（初始壓力），疊加環(huán)境溫度（加氫機內(nèi)）利用第3節(jié)的算法，計算車載瓶初始質(zhì)量m

；

3）加注到一定壓力P

(實際加注過程中取每5 MPa計算反饋一次車載瓶溫度)時讀取流量計的加注質(zhì)量m

，根據(jù)車載瓶容積v計算此時車載瓶內(nèi)氫氣密度ρx；

通過換算溫度T

=f（Z，R，p

），可以實時模擬計算加注過程中車載瓶內(nèi)溫度。在溫度達到設(shè)定值時報警，減慢加注速度，達到閾值時聯(lián)鎖停止加注，從根本上保證加注過程的安全（見圖4）。

5 結(jié)論

綜上所述，為了提高加氫站加注過程中安全性、調(diào)度的便捷性，本文主要對高壓儲氫瓶組剩余氫氣質(zhì)量、循環(huán)周期及燃料電池加注溫度進行了分析，將模擬得到的數(shù)值結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬在實際氫氣加注過程中的有效性，研究結(jié)果可以為加氫站氫氣加注和安全策略的制定提供一定的理論基礎(chǔ)。

［1］于宏源.初析全球清潔能源治理的趨勢［J］.聯(lián)合國研究，2014.

［2］孟翔宇.中國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展前景［J］.科技導(dǎo)報，2020.

［3］周鑫.車載儲氫罐加注過程的模擬與性能預(yù)測［D］.武漢理工大學(xué)，2020.

［4］郭進興.高壓氫循環(huán)試驗系統(tǒng)溫度控制與能耗優(yōu)化設(shè)計方法研究［D］.浙江大學(xué)，2015.

［5］王旭.高壓儲氫罐充放氣過程的熱效應(yīng)模擬與性能預(yù)測［D］.武漢理工大學(xué)，2018.