CN103511829A

CN103511829A - 全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统

Info

Publication number: CN103511829A
Application number: CN201310419801.7A
Authority: CN
Inventors: 郑津洋; 周池楼; 赵永志; 徐平; 刘骁; 花争立; 李静媛; 顾超华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-15
Filing date: 2013-09-15
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-15
Also published as: CN103511829B

Abstract

本发明涉及吹洗置换充气系统，旨在提供一种全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统。该系统包括通过氢气工艺管路连接的气动氢增压泵和氢环境箱，氢环境箱与排空管路相接；还包括抽真空模块、惰性气体吹洗置换模块、超高压充氢模块、压缩空气供气模块和工控机。本发明具有更高的效率，氢气耗费量更少，提高试验的安全性；最后通过超高压充氢实现超高压气体环境下材料耐久性测试所需的超高压、高纯氢气以及实时在线检测系统氢气纯度和压力，并且上述整个过程能够实现无人值守的全自动控制。

Description

全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及超高压气体环境下材料耐久性测试所需的吹洗置换、充气系统，特别是适合于为材料在超高压氢气条件下力学性能测试提供超高压高纯氢气试验环境。

背景技术

氢能具有高效、清洁及用途多样化等优点，是新世纪重要的二次能源，已被发达国家列为优先发展的能源。经济、高效、安全、可靠的储氢技术是氢能利用走向产业化的关键。高压储氢由于设备结构简单、压缩能耗低、充放速度快，是目前占绝对主导地位的氢能储存方式。然而，在高压高纯氢气环境下长期工作，材料的耐久性会因氢脆而下降，可能导致结构突然失效，甚至引发爆炸事故。且随着储氢压力的升高，这一问题更加突出。为确保高压氢系统安全、稳定、可靠地运行，必须对材料在超高压氢气环境下的使用耐久性进行测试和评估。

超高压氢气环境下材料力学性能测试设备主要采用在现有试验机主机上对接超高压氢环境箱的形式，例如中国专利ZL201120328932.0测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机和中国专利ZL201120407095.0自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置。然而进行材料在超高压氢气环境下的耐久性测试，首先要提供一个跟实际工况相似的超高压高纯氢气环境，即需要对高压氢环境箱填充高压高纯氢气。但由于氢气属于易燃易爆气体，因此在充氢前须对环境箱里的空气进行吹洗置换以把空气（特别是氧气）排出，确保系统内的含氧量低于氢的爆炸极限。同时，为真实获取材料在高纯氢气下的性能，须保证氢环境箱内填充氢气的纯度（一般试验要求纯度是≥99.999%）。

目前超高压氢气环境下材料力学性能测试设备在国内处于开发的起步阶段，尚未见述与其对应的吹洗置换及充氢系统；国外现有的氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统主要通过单独使用氮气进行吹洗置换系统里空气，然后再单独使用氢气把系统里杂质气体吹洗置换出来，其缺点是系统里氢气纯度较低，置换气体使用量大，如要实现环境箱里氢气高纯度要求时需使用大量的氢气进行多次置换，氢气损耗量大，效率低，降低系统的安全性，另外不能分别对氢气增压管路和氢环境箱单独吹洗置换或泄压，降低操作的灵活性，增加了试验的危险性，同时为避免电磁阀与高压氢气直接接触易诱发事故而使用手动阀，系统缺乏自动化，降低了操作的方便性和安全性。

因此，设计一套既能满足安全要求，又能高效地满足试验气体高纯度要求的全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统，安全高效地自动实现高压氢环境材料力学性能测试所需氢气试验环境的压力和纯度。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换充氢的系统，包括通过氢气工艺管路连接的气动氢增压泵和氢环境箱，氢环境箱与排空管路相接；该系统还包括抽真空模块、惰性气体吹洗置换模块、超高压充氢模块、压缩空气供气模块和工控机；

所述抽真空模块包括通过抽真空管路依次连接的真空泵、真空度传感器和电磁阀Ⅳ，抽真空管路分别通过自动阀接至：氢气瓶与气动氢增压泵之间的氢气工艺管路、气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路、氢环境箱之后的排空管路；还有一个电磁阀Ⅲ接在抽真空管路上用于对外放空气体；气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路上设单向阀和过滤器；

所述惰性气体吹洗置换模块包括通过气源管路依次连接的氮气瓶、手动阀、减压阀、电磁阀V和电磁阀II，气源管路与吹洗管路相接，吹洗管路分别通过自动阀接至：氢气瓶与气动氢增压泵之间的氢气工艺管路、气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路、氢环境箱之后的排空管路；还有一个电磁阀I接在电磁阀V和电磁阀II之间的吹洗管路上，用于对外放空气体；

所述超高压充氢模块包括通过氢气工艺管路依次连接的氢气瓶、手动阀、安全阀、减压阀、两个自动阀、安全阀、过滤器和单向阀，单向阀通过氢气工艺管路接于气动氢增压泵；另有一个自动阀接于所述两个自动阀之间的氢气工艺管路上，用于对外放空气体；所述过滤器设旁路管线，过滤器之前及旁路管线上分别设有自动阀；

所述压缩空气供气模块包括通过压缩空气管路依次连接的空气压缩机、空气过滤器、空气流量调节阀、空气电磁阀；空气电磁阀通过压缩空气管路与气动氢增压泵的压缩缸相接；还有一个接至空气压缩机出口的减压阀，该减压阀与压缩空气输出接口相接；

所述气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路上设有温度传感器、单向阀、安全阀、压力传感器、过滤器和自动阀；所述氢环境箱之后的排空管路上设有压力传感器、安全阀、手动泄压阀；一个自动阀接于该排空管路，其另一端与氧气变送器相接；

所述氢环境箱设有旁路管线，该旁路管线上设有至少两个自动阀，以及通过自动阀与旁路管线连接的放空管线；氢环境箱上还设有温度传感器。

本发明中，所述工控机设于防爆墙之后，所述各自动阀、电磁阀、温度/压力传感器、氢气分析仪、氧气变送器分别通过信号线接于工控机。

本发明中，在气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路、以及氢环境箱的旁路管线上，还分别设有气体取样模块，其结构具体为：氢气分析仪、手动阀、取样气瓶、手动阀、安全阀、两个自动阀通过管路依次连接至氢气工艺管路或旁路管线，两个自动阀之间的管路上还接有一个自动阀，用于对外放空气体；所述氢气分析仪通过信号线接于工控机。

本发明中，所述自动阀由电磁阀门和气动阀门两部分组成；其中，电磁阀门的阀体位于气动阀门的气路上，用于根据信号打开或关闭供给气动阀门的压缩空气，进而实现气动阀门的启闭；而气动阀门的阀体则安装在氢气工艺管路上，或其它管路在接入氢气工艺管路之前的位置上。

本发明中，在所述氢气工艺管路、压缩空气管路、抽真空管路或氢环境箱的排空管路上，设有至少一个压力表和安全阀。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过循环使用抽真空和惰性气体吹洗置换使得系统的含氧量降低到指定安全水平（避免氢氧混合爆炸），相比单独使用抽真空或惰性气体吹洗置换，具有更高的效率，更节省惰性气体使用量；然后循环使用抽真空和低压氢气吹洗置换系统里杂质气体（主要是氮气）使得系统的氢气纯度达到指定要求，相比单独使用抽真空或低压氢气吹洗置换，具有更高的效率，氢气耗费量更少，提高试验的安全性；最后通过超高压充氢实现超高压气体环境下材料耐久性测试所需的超高压、高纯氢气以及实时在线检测系统氢气纯度和压力，并且上述整个过程能够实现无人值守的全自动控制。

附图说明

图1为全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换及充氢系统的结构示意图；

图2为自动阀的结构示意图。

图中各附图标记说明如下：氢环境箱1、自动阀2～5、安全阀6、出口取样气瓶7、氢气分析仪8、手动阀9、自动阀10、计量阀11、自动阀12、工控机13、防爆墙14、氢气分析仪15、入口取样气瓶16、手动阀17、安全阀18、自动阀19～22、空气压缩机23、减压阀24、压缩空气输出接口25、空气过滤器26、空气流量调节阀27、压力表28、空气电磁阀29、自动阀30～31、电磁阀V32、过滤器33、单向阀34、压力传感器35、自动阀36～37、安全阀38、压力表39、自动阀40～41、压力表42、减压阀I43、减压阀II44、自动阀45～47、压力表48、安全阀49、手动阀50、氢气瓶51、氩气瓶52、氮气瓶53、电磁阀I54、电磁阀II55、真空泵56、真空度传感器57、电磁阀Ⅲ58、电磁阀Ⅳ59、气动氢增压泵60、温度传感器61、单向阀62、安全阀63、压力传感器64、过滤器65、自动阀66～68、温度传感器69、压力表70、压力传感器71、安全阀72、手动泄压阀73、自动阀74、氧气变送器75、手动阀76、气动阀77、电磁阀78。

图中*A代表通过安全阀对外放空气体，*B代表通过自动阀、电磁阀或手动阀对外放空气体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述。

全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换充氢的系统，包括通过氢气工艺管路连接的气动氢增压泵60和氢环境箱1，氢环境箱1与排空管路相接；该系统还包括抽真空模块、惰性气体吹洗置换模块、超高压充氢模块、压缩空气供气模块和工控机13；

所述抽真空模块包括通过抽真空管路VL1、VL2和VL3依次连接的真空泵56、真空度传感器57和电磁阀Ⅳ59，抽真空管路VL1、VL2和VL3分别通过自动阀接至：氢气瓶与气动氢增压泵之间的氢气工艺管路GL1、LL1、气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路HL1、HL2、氢环境箱之后的排空管路HL3；抽真空管路VL2上设有两个支路*VA和*VB，分别连接到自动阀21和自动阀5上，用于对两个取样气瓶（7、16）抽真空；还有一个电磁阀Ⅲ58接在抽真空管路VL2上用于对外放空气体；气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路HL1上设单向阀62和过滤器65；

所述惰性气体吹洗置换模块包括通过气源管路GL3依次连接的氮气瓶53、手动阀76、减压阀44、电磁阀V32和电磁阀II55，气源管路GL3连接吹洗管路PL1、PL2、PL3，分别通过自动阀接至：氢气瓶与气动氢增压泵之间的氢气工艺管路、气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路、氢环境箱之后的放空管路（Exit Line）EL；还有一个电磁阀I54接在电磁阀V32和电磁阀II55之间的吹洗管路上，用于对外放空气体；

所述超高压充氢模块包括通过氢气工艺管路依次连接的氢气瓶51、手动阀50、安全阀49、减压阀43、两个自动阀31和40、安全阀38、过滤器33和单向阀34，单向阀34通过氢气工艺管路接于气动氢增压泵60；另有一个自动阀41接于所述两个自动阀31和40之间的氢气工艺管路上，用于对外放空气体；所述过滤器33设旁路管线，过滤器33之前及旁路管线上分别设有自动阀30、37、36；氢气工艺管路包括气源管路（Gas Line）GL1、低压管路（Low Line）LL1～LL2、高压管路（High Line）HL1～HL3；

所述压缩空气供气模块包括通过压缩空气管路（Air Line）AL依次连接的空气压缩机23、空气过滤器26、空气流量调节阀27、空气电磁阀29；空气电磁阀29通过压缩空气管路与气动氢增压泵60的压缩缸相接；还有一个接至空气压缩机23出口的减压阀24，该减压阀24与压缩空气输出接口25相接；

所述气动氢增压泵60与氢环境箱1之间的氢气工艺管路上设有温度传感器61、单向阀62、安全阀63、压力传感器64、过滤器65和自动阀68；所述氢环境箱1之后的排空管路上设有压力传感器71、安全阀72、手动泄压阀73；一个自动阀74接于该排空管路，其另一端与氧气变送器75相接；

所述氢环境箱1设有旁路管线HL2，该旁路管线HL2上设有至少两个自动阀，以及通过自动阀与旁路管线连接的放空管线；氢环境箱上还设有温度传感器69。

本发明中，各管线或管路均由耐压耐氢脆不锈钢钢管和管接头等部件组成。

工控机13设于防爆墙14之后，所述各自动阀、电磁阀、温度/压力传感器、氧气变送器分别通过信号线接于工控机13。

在气动氢增压泵60与氢环境箱1之间的氢气工艺管路、以及氢环境箱的旁路管线上，还分别设有气体取样模块，其结构具体为：氢气分析仪（15、8）、手动阀、取样气瓶（16、7）、手动阀（17、9）、安全阀（18、6）、两个自动阀（20和22、4和2）通过气体取样管路（Sample Line）SL1、SL2依次连接至氢气工艺管路或旁路管线，两个自动阀之间（20和22、4和2）的管路上还接有一个自动阀（21、5），用于对外放空气体；所述氢气分析仪（15、8）通过信号线接于工控机13。

本发明中，所有的自动阀均由电磁阀门和气动阀门两部分组成；其中，电磁阀门的阀体位于气动阀门的气路上，用于根据信号打开或关闭供给气动阀门的压缩空气，进而实现气动阀门的启闭；而气动阀门的阀体则安装在氢气工艺管路上，或其它管路在接入氢气工艺管路之前的位置上。

本发明中，在氢气工艺管路、压缩空气管路、抽真空管路或氢环境箱的排空管路上，设有至少一个压力表和安全阀。

本发明的具体应用步骤如下：

试验开始前系统所有阀门处于关闭状态，开启空气压缩机23，打开手动阀50、手动阀76、手动阀9和手动阀17，以下步骤通过工控机13自动执行。

①打开电磁阀59、自动阀3～5、自动阀19～21、自动阀30、自动阀40、自动阀47、自动阀66～67、自动阀74，启动真空泵56对整个对外封闭的系统进行首次抽真空；

②关闭真空泵56、电磁阀59，开启电磁阀32、电磁阀55，使得整个对外封闭的管路系统以及氢环境箱1和气动氢增压泵60充满氮气，当压力传感器71显示压力达到额定值（低压）时关闭电磁阀32，开启电磁阀54对外排空气体使得系统泄压，然后关闭电磁阀54，开启电磁阀59和真空泵56再次对系统抽真空，此步骤目的是使用氮气对系统进行吹洗，把系统内的空气置换排出，降低系统内含氧量，配合抽真空模块以提高吹洗置换效率，减少氮气使用量；

③重复步骤②直到氧气变送器75测试的系统含氧量降到指定要求，然后关闭真空泵56、电磁阀59、自动阀74，关闭自动阀47和自动阀67，从而关闭惰性气体吹洗置换模块；

④开启自动阀31、自动阀2和自动阀22，使得整个对外封闭的管路系统（包括取样管路）以及氢环境箱1和气动氢增压泵60充满氢气，当压力传感器71显示压力达到额定值（低压）时关闭自动阀31，开启自动阀41放空气体对系统泄压，然后关闭自动阀41、自动阀2和自动阀22，开启电磁阀59和真空泵56抽真空，此步骤目的是使用氢气对系统进行吹洗，把系统内的氮气置换排出，降低系统内其他气体含量，提高氢气含量，配合抽真空模块以提高氢气纯度及吹洗置换效率，减少氢气使用量；

⑤重复步骤④直到氢气分析仪8测得的系统中氢气纯度达到指定高纯度要求，然后关闭真空泵56、电磁阀59、自动阀5、自动阀66、自动阀21，从而关闭抽真空模块，关闭自动阀3、自动阀19，从而关闭泄压管路EL的入口；

⑥开启自动阀31、自动阀68，开启空气电磁阀29，压缩空气随之驱动气动氢增压泵60工作对进入其的低压氢气增压，增压后的氢气进入氢环境箱1，当压力传感器71测试的压力达到指定值时关闭空气电磁阀29，电磁阀29控制气动氢增压泵60随之停止增压，此时增压模块关闭；

⑦关闭自动阀68，使得氢环境箱1的气体进出口均关闭，关闭自动阀31，打开自动阀41对低压气源管路GL1泄压，打开自动阀19、自动阀10、流量控制阀11和自动阀12使得氢环境箱1以外的设备和管路里的氢气按指定流量速率放空泄压，避免泄压过快影响系统安全；此时氢环境箱1里填充满超高压高纯氢气而其他管路或设备已单独泄压，从而降低了试验时系统具有的潜在爆炸能量；

⑧当材料在超高压氢环境下力学性能测试完毕后，打开自动阀3，对氢环境箱1进行泄压，重复步骤①和②使用氮气吹洗置换系统内的氢气，使得试验结束后系统内氢含量降低到指定安全水平。

在上述步骤中，只需把氢气源相关的阀门换成氩气源对应的阀门，即可使得氢环境箱1填充满超高压高纯氩气，从而可进行超高压氩气环境下的力学性能测试。

为了在系统调试或故障排除时能紧急泄压，特设置了手动泄压阀73；为避免系统故障时氢环境箱1超压，特在其上设置安全阀72自动泄压；为确保控制员的安全，特设置了防爆墙14进行隔离；系统的自动阀由电磁阀和气动阀组合成，避免电磁阀直接与超高压氢气接触以提高系统安全性，在氢环境箱1前后分别设置气体成分取样管路，可在线检测系统氢气纯度。

以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。

例如，本发明并不限定气源为氢气，同样适用于高压天然气、超高压氢气和天然气混合气体等环境下材料耐久性试验所需的吹洗置换及充气系统。

但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims

1.全自动超高压氢环境材料试验机吹洗置换充氢的系统，包括通过氢气工艺管路连接的气动氢增压泵和氢环境箱，氢环境箱与排空管路相接；其特征在于，该系统还包括抽真空模块、惰性气体吹洗置换模块、超高压充氢模块、压缩空气供气模块和工控机；

所述气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路上设有温度传感器、单向阀、安全阀、压力传感器、过滤器和自动阀；所述氢环境箱之后的排空管路上设有压力传感器、安全阀、手动泄压阀、手动阀；一个自动阀接于该排空管路，其另一端与氧气变送器相接；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工控机设于防爆墙之后，所述各自动阀、电磁阀、传感器、氧气变送器分别通过信号线接于工控机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在气动氢增压泵与氢环境箱之间的氢气工艺管路、以及氢环境箱的旁路管线上，还分别设有气体取样模块，其结构具体为：氢气分析仪、手动阀、取样气瓶、手动阀、安全阀、两个自动阀通过管路依次连接至氢气工艺管路或旁路管线，两个自动阀之间的管路上还接有一个自动阀，用于对外放空气体；所述氢气分析仪通过信号线接于工控机。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的系统，其特征在于，所述自动阀由电磁阀门和气动阀门两部分组成；其中，电磁阀门的阀体位于气动阀门的气路上，用于根据信号打开或关闭供给气动阀门的压缩空气，进而实现气动阀门的启闭；而气动阀门的阀体则安装在氢气工艺管路上，或其它管路在接入氢气工艺管路之前的位置上。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的系统，在所述氢气工艺管路、压缩空气管路、抽真空管路或氢环境箱的排空管路上，设有至少一个压力表和一个安全阀。