利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2024101081141
申请人: 三峡大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-17
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种含LaNi5储氢合金的加氢站规划方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一、获取交通网络和电力网络中的基础数据;

步骤二、根据已知的交通网络数据,建立加氢站选址定位模型;

加氢站选址定位模型表达式如下:

(1);

(2);

(3);

(4);

(5);

(6);

式中, 和 分别表示HPV在起点和终点的电池状态; 和 分别表示道路 和道路b的长度; 表示HPV的续航里程; 和 为二进制变量,表示加氢站的建设状态,取1或0时分别表示建设或者不建设加氢站; 为路径k上起始道路集合; 为路径集合; 、分别为路径k上先前与后继道路集合; 为路径k上的道路集合; 为路径k上临近终点的道路集合; 和 分别表示HPV在路径k上道路a和道路b的电池状态;

步骤三、对于待建的加氢站,结合TNT当量法制定安全运行指标,用来评估加氢站的运行风险;

步骤四、为了降低安全运行风险,构建含LaNi5储氢合金的加氢站储氢系统,含LaNi5储氢合金的加氢站储氢系统包含气态储氢和固态储氢,其中气态储氢罐中存储的氢气需要满足下式:(11);

式中, 为电解槽生产的氢气质量; 表示储氢罐与储氢合金交换的氢气质量,其值为正时表示流入,为负时表示流出; 表示氢气的物质的量; 表示HPV的氢气需求,和 分别表示气态储氢罐中t+1时刻和t时刻存储的氢气;

固态储氢采用的是LaNi5储氢合金,其与氢气的反应方程为:(12);

式中, 为 吸收氢气后生成的金属氢化物; 为反应热,发生吸氢反应时,;发生放氢反应时, ;

金属氢化物的质量变化需要满足以下式子:(13);

式中, 表示与气体储氢罐交换的氢气,其值为正时表示从储氢罐吸收氢气,为负时表示释放氢气; 和 分别表示金属氢化物在t+1时刻和t时刻的质量, 表示金属氢化物的物质的量;

步骤五、结合储氢合金的动力学特性,建立加氢站储氢系统的约束条件;

步骤六、基于加氢站选址定位模型和加氢站储氢系统,建立含LaNi5储氢合金的加氢站规划模型,包括目标函数和约束条件;

步骤七、调用商业求解器来求解含LaNi5储氢合金的加氢站规划模型,得到加氢站的最佳规划位置以及加氢站内部设备的配置容量。

2.根据权利要求1所述的一种含LaNi5储氢合金的加氢站规划方法,其特征在于,所述步骤一中,交通网络基础数据包括交通网的节点个数、道路数量、道路长度、氢动力汽车HPV在不同时段的车流分布以及行驶路径,电力网络基础数据包括电网的节点个数、电网的基础负荷和输电线路基础参数。

3.根据权利要求1所述的一种含LaNi5储氢合金的加氢站规划方法,其特征在于,所述步骤三中,安全运行指标的表达式如下:(7);

式中, 表示气态储氢罐的爆炸能量; 为地面爆炸系数; 表示爆炸蒸汽云的TNT当量系数,取值为3%‑5%; 表示在t时刻储氢罐内的氢气质量; 为氢气的热值; 为TNT炸药爆炸时产生的爆炸热;

安全运行指标的上下限约束条件如下:

(8)

(9);

(10);

式中, 为二进制变量,取值为1表示储氢罐运行于警戒区间,取值为0表示储氢罐运行于非警戒区间; 为一个很大的数; 表示储氢罐运行于警戒区间的时长; 表示一天的时间, 和 分别表示爆炸能量警戒值和极限值。

4.根据权利要求1所述的一种含LaNi5储氢合金的加氢站规划方法,其特征在于,所述步骤五中,加氢站储氢系统的约束条件表达式如下:

1)气‑固交换的氢气质量平衡:

(14);

2)气态储氢和LaNi5储氢合金上下限约束:(15);

式中, 和 分别为规划的气态储氢罐容量和储氢合金质量; 、 分别为气态储氢罐的容量上限和储氢合金的质量上限;

3)LaNi5储氢合金吸氢与放氢极限约束:(16);

式中, 为二进制变量,表示反应状态,取1或者0时表示储氢合金处于吸氢或者放氢状态; 和 分别表示t时刻吸收的氢气上限和释放氢气的上限;M是一个极大的数;

吸收的氢气上限和释放的氢气上限通过储氢合金的动力学特性得到,描述如下:吸收氢气:

(17);

释放氢气:

(18);

式中,in和out分别表示吸氢反应和放氢反应; 、 分别表示储氢合金吸收氢气和释放氢气时的反应平衡压强; 、 分别表示t时刻储氢合金吸收氢气和释放氢气的反应速率; 和 别表示t+1时刻储氢合金吸收氢气和释放氢气的反应速率; 、 分别表示储氢合金吸收和释放的氢气上限; 、 分别表示吸氢反应和放氢反应的反应熵;g为理想气体常数; 、 分别表示吸氢反应和放氢反应的反应温度; 、 分别表示吸氢反应和放氢反应的化学反应常数; 、 分别表示吸氢反应和放氢反应的反应环境压强;

表示单位压强,为1bar;CR为化学反应计量数; 表示金属氢化物在t时刻的质量;

为时间间隔; 表示金属氢化物的物质的量; 、 分别表示吸氢反应和放氢反应的反应活化能;

4)气‑固转换次数限制:

(19);

式中, 、 为二进制变量,用来记录储氢合金的状态转换; 表示一天内的最大转换次数。

5.根据权利要求1所述的一种含LaNi5储氢合金的加氢站规划方法,其特征在于,所述步骤六中,含LaNi5储氢合金的加氢站规划模型的目标函数的表达式如下:(20);

其中,年度投资成本 表示为:

(21);

(22);

运行成本 包括向电网的购电成本和加氢站运行于警戒区间的惩罚成本,表达式如下:(23);

式中,表示加氢机建设的数量; 为规划的电解槽容量; 、分别为加氢站和加氢机的投资成本; 、和 分别为电解槽、气态储氢罐和储氢合金的单位容量投资成本; 为加氢站的资本回收系数; 和 分别为折现率和设备规划周期; 表示加氢站危险运行单位时间惩罚成本; 表示购电功率; 表示建设加氢站前与主网的交换功率; 表示分时电价; 表示交通网络中的节点个数, 表示一天的时间, 表示储氢罐运行于警戒区间的时长;

含LaNi5储氢合金的加氢站规划模型的其他约束条件表达式如下:

1)其他设备约束

(24);

式中, 表示电解槽的耗电功率; 为电解槽的能源效率; 为电解槽生产的氢气质量, 表示电解槽容量上限;式(24)给出了电解槽消耗功率与制氢能力的关系,并确定了电解槽的规划容量上限;

(25);

式中, 表示HPV的氢气需求, 表示加氢机平均加氢质量; 表示HPV一次加注的氢气质量;表示加氢站能安装的最大加氢机数量; 表示t时刻在道路a上的HPV流量;

2)配电网约束

(26);

(27);

(28);

(29);

(30);

式中,m,n为配电网节点的索引; 表示末端节点为i的线路对应的首端节点集合;

表示首端节点为i的线路对应的末端节点集合; 、 分别表示线路mi和线路in在t时刻流过的有功功率; 、 分别表示线路mi和线路in在t时刻流过的无功功率; 、 分别表示线路mi的电阻和电抗; 为节点i在t时刻的电压; 为节点m在t时刻的电压; 、分别表示节点i在t时刻的等效有功负荷和等效无功负荷, 为参考节点的电压; 、分别为节点i的电压上、下限; 为线路mi的原始潮流;

3)电网与交通网络耦合约束

(31);

(32);

式中, 表示与配电网节点i相关联的道路集合; 表示配电网中节点i处加氢站消耗的电功率; 、 分别表示节点i处的基础有功、无功负荷。