一种液氢容器内氢质量的计量方法
阅读说明：本技术 一种液氢容器内氢质量的计量方法 (Method for measuring hydrogen mass in liquid hydrogen container ) 是由 倪中华 严岩 李仕豪 韩锋 于 2021-01-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液氢容器内氢质量的计量方法,包括建立液氢容器内液态氢质量计量模型和气态氢质量计量模型的过程。包括4个步骤：S1：读取液氢容器内液位计的参数、读取液氢容器气相区的压力参数、确定有效容积；S2：建立液态氢质量计量模型,并将步骤S1获得的参数代入到式(1)中,计算出P小于氢临界压力时的液态氢质量；S3：通过式(2)建立气态氢质量计量模型；S4：通过式(3)计算出液氢容器内的氢质量。本发明能够对液氢容器内氢的质量进行有效的计量。(The invention discloses a method for measuring the mass of hydrogen in a liquid hydrogen container, which comprises the process of establishing a liquid hydrogen mass measurement model and a gaseous hydrogen mass measurement model in the liquid hydrogen container. The method comprises 4 steps: s1: reading parameters of a liquid level meter in the liquid hydrogen container, reading pressure parameters of a gas phase area of the liquid hydrogen container, and determining an effective volume; s2: establishing a liquid hydrogen mass metering model, substituting the parameters obtained in the step S1 into the formula (1), and calculating the mass of the liquid hydrogen when P is smaller than the critical pressure of the hydrogen; s3: establishing a gaseous hydrogen mass metering model by the formula (2); s4: the mass of hydrogen in the liquid hydrogen container was calculated by equation (3). The invention can effectively measure the mass of hydrogen in the liquid hydrogen container.)
技术领域
本发明涉及液氢储存技术领域，尤其涉及一种液氢容器内氢质量的计量方法。
背景技术
氢可广泛应用于燃料电池发电、核聚变产能、直接燃烧产热等领域。目前，氢能应用的技术瓶颈主要在于氢的储存和运输，尤其是实现氢能的高效、安全、长期储存。
传统的储氢方式主要有高压气态储存、低温液态储存和金属化合物储氢三种。高压气态储氢能量密度低；低温液态储氢成本高，无损存储时间有限，小规模使用性价比低，多用于大型液氢工厂；化合物储氢因其吸放氢条件严苛、存储质量储氢密度过低等因素难以满足实际应用而难以推广。
随着液氢容器制造技术的进步，作为优化氢储存手段，人们将高压气态储氢和低温液态储氢技术相结合，开发出了低温高压储氢容器，液氢储运容器的耐压能力快速上升，已经达到甚至超过氢的临界压力(1.298MPa)，液氢容器内的液态氢、气态氢质量计量一直是储氢技术领域的难题。
对于一般的低压液氢容器来说，目前技术通常采用液氢液位计测量液氢的液面高度，通过容器形状换算成体积，再结合20.2K(标准大气压下的氢气液化温度)温度下的液氢密度(70.9kg/m3)计算出液氢的质量，而容器内的气态氢的质量通常都是忽略不计的。这种计量方式在面对低压液氢容器时能够获得较为准确的氢质量，然而在采用新型低温高压的液氢储运容器时，容器内已经达到甚至超过氢的临界压力(1.298MPa)，如果仍然沿用传统液位计进行计量，将会造成巨大误差，原因在于：1)随着储氢压力的上升，氢的饱和温度也在上升，意味着液氢的温度会随着压力的上升而上升，以0.1MPa上述至1.25MPa为例，液氢饱和温度将从20.3K上升到32.9K，相应的液氢密度会从70.9kg/m3下降到仅有39.9kg/m3，但此时容器内仍然保留着气液两相特征，如果采用20.2K温度下的液氢密度结合液位计参数计算质量，将会使液态氢的计量产生巨大偏差；2)随着储氢压力的上升，气态氢的密度也会增加，以0.1MPa到1.25MPa为例，气态氢的密度将从1.3kg/m3增加到22.9kg/m3，相同气相空间存储的气态氢质量大幅增加，不再能够按照传统方法进行忽略，需要纳入储氢容器的整体计量范围。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种一种液氢容器内氢质量的计量方法，能够对液氢容器内氢的质量进行有效的计量。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种液氢容器内氢质量的计量方法，其特征在于：包括建立液氢容器内液态氢质量计量模型的过程和气态氢质量计量模型的过程，具体步骤如下：
S1：确定以下参数：液氢容器内液态氢的液面高度H、液氢容器有效容积Vtank、液氢容器气相区的压力参数P0；
S2：通过式[1]建立液态氢质量计量模型，并将所述步骤S1获得的参数代入到式[1]中，从而计算出液氢容器内液态氢的质量：
Mliquid＝Vliquid(H)*Dliquid(P0) [1]
式[1]中，Mliquid为液态氢的质量，Vliquid(H)为液态氢体积关于液面高度H的函数，Dliquid(P0)为液态氢密度关于气相区压力参数P0的函数；
S3：通过式[2]建立气态氢质量计量模型，并将所述步骤S1获得的参数代入到式[2]中，从而计算出液氢容器内气态氢的质量：
Mvapor＝(Vtank-Vliquid(H))*Dvapor(P0) [2]
式[2]中，Mvapor为气态氢质量，Dvapor(P0)为气态氢密度关于气相区压力参数P0的函数；
S4：通过式[3]计算出液氢容器内氢的总质量：
Mhydrogen＝Mliquid+Mvapor [3]
式[3]中，Mhydrogen为容器内氢的总质量。
进一步的，所述步骤S2中，液态氢密度Dliquid(P0)通过式[4]和[5]计算得到：
Dliquid(P0)＝refpropm(‘D’，‘T’，Tsat-liquid，‘P’，P0，‘hydrogen’) [4]
Tsat-liquid＝refpropm(‘T’，‘P’，P0，‘Q’，0，‘hydrogen’) [5]
式[4]、[5]中的refpropm函数为美国标准数据库软件NIST里的函数；Tsat-liquid为P0压力工况下的液态氢饱和温度。
进一步的，所述步骤S3中，气态氢密度Dvapor(P0)通过式[6]和[7]计算得到：
Dvapor(P0)＝refpropm(‘D’，‘T’，Tsat-vapor，‘P’，P0，‘hydrogen’) [6]
Tsat-vapor＝refpropm(‘T’，‘P’，P0，‘Q’，1，′hydrogen’) [7]
式[6]、[7]中Tsat-capor为气相区压力参数为P0的工况下的气态氢饱和温度。
进一步的，所述步骤S2和S3中，液态氢体积的函数Vliquid(H)与容器形状相关，采用不同形状的容器时，函数Vliquid(H)的表达式各不相同。
进一步的，所述步骤S1中，液氢容器内液态氢的液面高度H通过设置在液氢容器内的液位计测量获得。
进一步的，所述步骤S1中，液氢容器气相区的压力参数P0通过设置在液氢容器内的压力传感器测量获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明基于气液两相氢在不同压力下的物性变化规律，能够分别计算液态氢和气态氢在不同压力和工况下的质量，构建计算模型，从而准确获得液氢容器内氢的总质量，帮助运行人员从经济性和安全性角度更好地使用液氢容器。2、通过结合设置在容器内的液氢液位计和压力传感器获得的相关参数，可以实时带入质量计算模型中，可以实时获知液氢容器内氢质量的变化情况。
附图说明
图1为本发明液氢容器内氢质量计量方法示意图；
图2为液氢容器内液态氢密度随工作压力的变化曲线示意图；
图3为液氢容器内气态氢密度随工作压力的变化曲线示意图。
其中：1-液氢容器；2-液位计；3-压力传感器。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
一种液氢容器内氢质量的计量方法，包括建立液氢容器内液态氢质量计量模型的过程和气态氢质量计量模型的过程，具体步骤如下：
S1：确定以下参数：液氢容器1内液态氢的液面高度H、液氢容器1的有效容积Vtank、液氢容器1的气相区压力参数P0；
S2：通过式[1]建立液态氢质量计量模型，并将步骤S1获得的参数代入到式[1]中，从而计算出液氢容器内液态氢的质量：
Mliquid＝Vliquid(H)*Dliquid(P0) [1]
式[1]中，Mliquid为液态氢的质量，Vliquid(H)为液态氢体积关于液面高度H的函数，Dliquid(P0)为液态氢密度关于气相区压力参数P0的函数；
S3：通过式[2]建立气态氢质量计量模型，并将步骤S1获得的参数代入到式[2]中，从而计算出液氢容器内气态氢的质量：
Mvapor＝(Vtank-Vliquid(H))*Dvapor(P0) [2]
式[2]中，Mvapor为气态氢质量，Dvapor(P0)为气态氢密度关于气相区压力参数P0的函数；
S4：通过式[3]计算出液氢容器内氢的总质量：
Mhydrogen＝Mliquid+Mvapor [3]
式[3]中，Mhydrogen为容器内氢的总质量。
优选的，步骤S2中，液态氢密度Dliquid(P0)通过式[4]和[5]计算得到：
Dliquid(P0)＝refpropm(‘D’，‘T’，Tsat-liquid，‘P’，P0，‘hydrogen’) [4]
Tsat-liquid＝refpropm(‘T’，‘P’，P0，‘Q’，0，‘hydrogen’) [5]
步骤S3中，气态氢密度Dvapor(P0)通过式[6]和[7]计算得到：
Dvapor(P0)＝refpropm(‘D’，‘T’，Tsat-vapor，‘P’，P0，‘hydrogen’) [6]
Tsat-vapor＝refpropm(‘T’，‘P’，P0，‘Q’，1，‘hydrogen’) [7]
式[4]～[7]中的refpropm函数为美国标准数据库软件NIST里的函数，Tsat-liquid为气相区压力参数为P0工况下的液态氢饱和温度、Tsat-capor为气相区压力参数为P0的工况下的气态氢饱和温度。
步骤S2和S3中，液态氢体积的函数Vliquid(H)与容器形状相关，采用不同形状的容器时，函数Vliquid(H)的表达式各不相同。
步骤S1中，液氢容器1内液态氢的液面高度H通过设置在容器内的液位计2测量获得，液氢容器1气相区的压力参数P0通过设置在容器内的压力传感器3测量获得。
下面列出一具体计算过程加以说明：
该液氢容器采用半径R＝1m、长L＝10m的筒形结构，筒体两端采用半球形封头，容器内液态氢液面高度H＝0.8m，气相区压强P0＝0.75MPa。
液态氢的体积Vliuquid计算如下：
Vliquid＝V封头+V筒身＝33.839m3
液态氢的质量Mliquid为：
Mliquid＝Vliquid(H)*refpropm(‘D’，‘T’，Tsat-liquid，‘P’，P0，‘hydrogen’)＝33.839*55.702＝1884.9kg
气态氢的质量Mvapor为：
Mvapor＝(Vtank-Vliquid(H))*refprop(‘D’，‘T’，Tsat-vapor，‘P’，P0，‘hydrogen’)＝1.748*9.5791＝16.74kg
氢的总之质量Mhydrogen为：
Mhydrogen＝Mliquid+Mvapor＝1901.64kg
如果采用传统方法计算容器内液氢质量，则结果为：
Mliquid＝Vliquid*Dliquid＝33.839*70.899＝2399.15kg
误差高达26.16％。
由此可见本发明的有益效果十分显著。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种实现智能化控制的气瓶阀门