CN107300566A - 一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储氢压力容器测试技术，旨在提供一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统。包括由圆形可浮动封头和圆筒状钢板‑混凝土组合结构组成的安全隔离装置，待测气瓶和火烧试验台均设于其内部；火烧试验台包括上层的承载框架和底层的管箱，承载框架和管箱之间铺设石英纤维布；管箱中装有两条带喷嘴的燃料供给管，并以石英纤维布作为气体燃料的扩散喷口，两条燃料供给管上喷嘴的燃烧区域分别对应着局部燃烧区域和整体燃烧区域。本发明能充分保障试验的安全性，并可进行局部火烧试验与整体火烧试验；实现燃烧器点火、火焰高度调节、熄灭、热电偶数据采集及视频监控传输等远程操作。

Description

一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统

技术领域

本发明涉及储氢压力容器测试技术，特别是涉及一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统，主要用于燃料电池电动汽车用高压储氢气瓶。

背景技术

氢能作为清洁高效的二次能源，是国家能源战略的重要组成部分，而氢燃料电池是氢能安全高效利用的重要方式之一。自2015年开始，丰田、本田等世界大型汽车公司相继推出了氢能燃料电池汽车产品，且均采用碳纤缠绕的复合材料高压气瓶来储存氢气作为能量来源。由于氢气易燃易爆、燃烧热值高、爆炸能量大，且高压储氢气瓶的储氢压力高达70MPa，储氢气瓶安全性能越来越受到广泛关注，并成为关系到燃料电池汽车产品安全性的关键零部件。

汽车发生意外事故后容易导致起火，对于氢燃料电池汽车，若因事故导致起火后，高压储氢气瓶不能及时泄放瓶内氢气将导致更大安全隐患，因此必须对车用气瓶的耐火性能提出要求。在我国部分省份中，就曾发生多起因汽车起火而气瓶未能及时泄放瓶内可燃气体而导致的CNG气瓶爆炸事故，严重影响车辆使用和社会公共安全。鉴于此，在世界各国标准中，如美国SAE J2579、美国ANSI HGV 2和联合国UN GTR 13等均要求高压储氢气瓶设有温度驱动的压力泄放装置(TPRD)，以使其在火烧情况下能及时泄放瓶内的高压氢气，避免气瓶发生爆炸。此外，各国标准还规定高压储氢气瓶必须进行火烧试验，如70MPa碳纤全缠绕铝内胆氢气瓶，必须进行局部火烧试验，以测试其耐火烧性能，并验证其在火烧情况下的安全性。

局部火烧试验方法的试验条件主要基于整车火烧的试验数据，并由两部分组成：前期局部火烧，后期整体火烧。在前期局部火烧阶段，位于气瓶局部火烧区域火源长度不小于250±50mm，火源宽度大于气瓶直径，要求局部火烧区域内温度为600～900℃，持续10分钟；之后进入后期整体火烧阶段，火源总长1650mm，要求整个火烧区域温度为800～1100℃。此外，气瓶需充装氢气或压缩空气至气瓶公称工作压力(一般为35-70MPa)，并要求其安放位置距火源约100mm。在试验监测方面，要求至少使用5个热电偶监测火烧区域温度，其中至少2个布置于局部火烧区域，其他沿气瓶轴向均匀布置于其他区域，但间距不得大于500mm；热电偶与气瓶表面距离为25±10mm，也可在TPRD附近或其他区域布置热电偶以监测温度变化。总之，与整体火烧试验相比，气瓶局部火烧试验对加热区域的精准控制、加热温度的控制、加热时间等都提出了更高的要求，因此对于局部火烧试验装置的要求也更高。目前，局部火烧试验装置鲜有相报道。

中国专利CA201410150729.7提供了一种气瓶火烧试验测试系统，但其主要针对整体火烧试验，不能满足局部火烧试验中对于局部气瓶精准可控加热的要求，同时由于其试验操作在室外进行，数据测量受到气温、风速等环境因素影响较大，数据可靠性较差。另外，现在国内常常在室外搭建简易钢架并设置简单隔离板来进行试验，易发生气瓶爆炸飞溅伤人的事故，存在较大的安全隐患。因此，亟待开发一套适用于车用高压储氢气瓶局部火烧试验的安全且能精准可控加热的测试系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统。该系统适用于气瓶局部火烧试验，能够在确保安全的情况下完成火烧试验。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统，包括通过管路相连的气源装置和火烧试验台，待测气瓶搁置在火烧试验台上；还包括由圆形可浮动封头和圆筒状钢板-混凝土组合结构组成的安全隔离装置，所述待测气瓶和火烧试验台均设于安全隔离装置的内部；所述火烧试验台包括上层的承载框架和底层的管箱，承载框架和管箱之间铺设石英纤维布；管箱中装有两条带喷嘴的燃料供给管，并以石英纤维布作为气体燃料的扩散喷口，两条燃料供给管上喷嘴的燃烧区域分别对应着局部燃烧区域和整体燃烧区域。

本发明中，所述待测气瓶的瓶口通过管路接至增压和安全泄放装置，该装置中包括一根连接至增压系统的管路，管路上设置有泄压管、流量限制阀、气体过滤器、气动梭阀和截止阀，其中气动梭阀并接一个电磁阀；泄压管靠近待测气瓶的瓶口，泄压管上设置温度驱动压力泄放装置及备用泄放口。

本发明中，该系统还包括远程监测装置；远程监测装置包括：位于安全隔离装置外部的计算机，设于钢板-混凝土组合结构上部的监控摄像头，设于待测气瓶入口管路上的压力传感器，设于待测气瓶瓶口易熔塞上用于检测内部温度的温度传感器，以及设于火烧试验台上的温度传感器和点火装置；计算机通过信号线接至远程监测装置中其余各设备或传感器。

本发明中所述计算机还通过信号线接至设于待测气瓶入口管路上的电磁阀。

本发明中，在可浮动封头上设有泄压阀和排气管，排气管上设单向阀；在钢板-混凝土组合结构的底部设排气管，该排气管上安装单向阀和真空泵。

本发明中，所述钢板-混凝土组合结构上还设有钢化玻璃的观察窗。

本发明中，所述气源装置包括若干个用于存储气体燃料的钢瓶，钢瓶通过管路连接至燃料供给管，管路上设置压力表、电磁阀、减压阀、球阀和止回阀。

本发明中，所述火烧试验台的承载框架上装有能沿框架滑动的气瓶固定夹具，承载框架两侧安装点火装置和温度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用安全隔离装置实现了火烧试验台与其他装置的隔离，充分保障了试验的安全性，并且可进行局部火烧试验与整体火烧试验，同时实现了远程操作，包括燃烧器点火、火焰高度调节、熄灭、热电偶数据采集及视频监控传输等。本发明采用石英纤维布来喷射燃料来达到温度要求，可实现气瓶表面受热均匀。

附图说明

图1是试验系统示意图；

图2是火烧试验台的示意图；

图3是安全泄放装置的示意图。

图中附图标记：P1安全隔离装置；P2气源装置；P3火烧试验台；P4增压和安全泄放装置；P5远程监测装置；1管路；2管路；3管路；4排气管；5排气管；10待测气瓶；11泄压阀；12单向阀；13真空泵；14单向阀；21钢瓶；22压力表；23电磁阀；24减压阀；25球阀；26止回阀；31燃料供给管；32管箱；33石英纤维布；34承载框架；41温度传感器；42流量限制阀；43气体过滤器；44气动梭阀；45(高压)电磁阀；46截止阀；47压力传感器；48气体过滤器；49温度驱动压力泄放装置；50备用泄放口；监控摄像头51；计算机52。

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统包括安全隔离装置P1、气源装置P2、火烧试验台P3、增压和安全泄放装置P4、远程监测装置P5。其中，气源装置P2和火烧试验台P3通过管路相连的，待测气瓶10搁置在火烧试验台P3上。

安全隔离装置P1由圆形可浮动封头和圆筒状钢板-混凝土组合结构组成，待测气瓶10和火烧试验台P3均设于安全隔离装置P1的内部。钢板-混凝土组合结构是指：在两块作为墙体的钢板之间焊接等长的钢筋作为连接件，向钢板之间采用一次性浇筑混凝土成型(在施工时，对钢板两侧支撑护模板)。在可浮动封头上设有泄压阀11和排气管5，排气管5上设单向阀14；在钢板-混凝土组合结构上设有钢化玻璃的观察窗，底部设排气管4，排气管4上安装单向阀12和真空泵13。

火烧试验台P3包括上层的承载框架34和底层的管箱32，承载框架34和管箱32之间铺设石英纤维布33；管箱34中装有两条带喷嘴的燃料供给管31，并以石英纤维布33作为气体燃料的扩散喷口，两条燃料供给管31上喷嘴的燃烧区域分别对应着局部燃烧区域和整体燃烧区域。承载框架34上装有能沿框架滑动的气瓶固定夹具，承载框架34两侧安装点火装置和温度传感器。

待测气瓶10的瓶口通过管路接至增压和安全泄放装置P4，该装置中包括一根连接至增压系统的管路3。增压系统用于试验前将气瓶充氢至公称工作压力，一般由气体增压器、过滤器、调压阀、调速阀、压力表、安全阀、自动停机控制开关等组成。管路3上设置有泄压管、流量限制阀42、气体过滤器43、气动梭阀44和截止阀46，其中气动梭阀44并接一个(高压)电磁阀45；泄压管靠近待测气瓶10的瓶口，泄压管上设置温度驱动压力泄放装置49及备用泄放口50。

远程监测装置P5包括：位于安全隔离装置P1外部的计算机52，设于钢板-混凝土组合结构上部的监控摄像头51，设于待测气瓶10入口管路上的压力传感器47，设于待测气瓶10瓶口易熔塞上用于检测内部温度的温度传感器41，以及设于火烧试验台P3上的温度传感器和点火装置；计算机52通过信号线接至远程监测装置中其余各设备或传感器。计算机52还通过信号线接至设于待测气瓶入口管路上的(高压)电磁阀45。

气源装置P2包括若干个用于存储气体燃料的钢瓶21，图1中钢瓶21分为两组，分别通过管路1、管路2连接至燃料供给管31，管路1、管路2上分别设置压力表22、电磁阀23、减压阀24、球阀25和止回阀26。

具体实施例：

气源装置P2和增压系统中的各管路可以快接头、法兰螺栓结构等连接方式，通过设于钢板-混凝土组合结构中的接管与火烧试验台P3、增压和安全泄放装置P4中的管路相连。接管也可用于接入信号线、排气管等。

安全隔离装置P1用来隔离火烧试验台P3及增压和安全泄放装置P4，避免试验过程中气瓶爆炸等事故造成次生破坏，从而降低试验风险、保障试验人员的安全。为防护气瓶爆炸冲击波对建筑物的破坏作用，采用钢板-混凝土组合结构作为主体结构，其内表面涂有阻燃的防火涂料；顶部采用可浮动封头，当发生爆炸产生冲击波作用时可与筒体结构分开，使内外空间连通，迅速排出高能量气体。观察窗采用钢化玻璃，用于试验人员观察记录试验现象，根据观察结果控制气源的开启和关闭；可浮动封头上装有泄压阀11，在超压时泄放安全隔离装置中的气体。所述排气管4和排气管5用于将燃烧后废气排出安全隔离装置P1。

本实施例中气源装置P2包括两组燃料钢瓶21、其中管路2与管箱32的整体燃烧区域中燃料供给管31相连。两条管路上都安装了止回阀26防止燃料倒流。进行局部火烧试验时，采用管路1为火烧试验台P3提供气体燃料；进行整体火烧时，关闭管路1，采用管路2为火烧试验台P3供提应气体燃料。每条燃料供给管31上设有15个喷嘴，便于气体燃料均匀喷出。石英纤维布33作为气体燃料的扩散喷口，其厚度为0.81mm，质量为807g/m²，持续的耐热温度为1000℃。燃料气体通过石英纤维布33的单根纤维之间的缝隙喷出后再燃烧，可为被测气瓶10的局部火烧及整体火烧提供均匀的热量，使被测气瓶10的火烧区域受热均匀，便于温度的测量与调控。

承载框架34上的气瓶固定夹具可沿承载框架34滑动，能够调节气瓶的位置，适用于不同长度和直径的被测气瓶10。点火装置位于承载框架34两侧，每侧各设置两个。温度传感器为K型热电偶，具有抗氧化性强、灵敏度高和可靠性好等特点，在进行试验时直接与被测气瓶10的瓶体接触。热电偶的导线使用陶瓷套管进行保护，采用内圈衬有防火布的卡箍结构将其固定在承载框架34上，通过承载框架34上圆孔伸到被测气瓶10下表面。所述承载框架34两侧圆孔间距不同，可适应不同标准对热电偶间距的要求。

增压和安全泄放装置P4如图3所示，其高压电磁阀45通过高压管路与气动梭阀44相连，与流量限制阀42配合控制氢气的充装与排出。管路3上的压力传感器47实时监测气瓶瓶体压力，当瓶体压力过高时通过计算机远程控制(高压)电磁阀45启闭，实现被测气瓶10中的介质通过管路3泄放。所述泄放口50为备用，以保证(高压)电磁阀45出现故障时，能够排出瓶内气体，保证气瓶的安全使用。

被测气瓶10的瓶口处装有温度驱动的压力泄放装置TPRD即易熔塞，对易熔塞处合金温度的准确测量是保障试验成功的关键，在易熔塞处安装温度传感器41，监控火烧的情况，如果发现温度没有达到规定温度，可及时通过增加燃烧气体的压力来增大火焰，从而使合金熔化，安全泄放瓶内气体。

用于远程监测的计算机52可以通过网络命令实现对监控摄像头51的参数设置和调节控制，能够远程调节其焦距和控制旋转与移动。

Claims (8)

1.一种带安全隔离装置的气瓶局部火烧试验系统，包括通过管路相连的气源装置和火烧试验台，待测气瓶搁置在火烧试验台上；其特征在于，还包括由圆形可浮动封头和圆筒状钢板-混凝土组合结构组成的安全隔离装置，所述待测气瓶和火烧试验台均设于安全隔离装置的内部；所述火烧试验台包括上层的承载框架和底层的管箱，承载框架和管箱之间铺设石英纤维布；管箱中装有两条带喷嘴的燃料供给管，并以石英纤维布作为气体燃料的扩散喷口，两条燃料供给管上喷嘴的燃烧区域分别对应着局部燃烧区域和整体燃烧区域。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测气瓶的瓶口通过管路接至增压和安全泄放装置，该装置中包括一根连接至增压系统的管路，管路上设置有泄压管、流量限制阀、气体过滤器、气动梭阀和截止阀，其中气动梭阀并接一个电磁阀；泄压管靠近待测气瓶的瓶口，泄压管上设置温度驱动压力泄放装置及备用泄放口。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括远程监测装置；远程监测装置包括：位于安全隔离装置外部的计算机，设于钢板-混凝土组合结构上部的监控摄像头，设于待测气瓶入口管路上的压力传感器，设于待测气瓶瓶口易熔塞上用于检测内部温度的温度传感器，以及设于火烧试验台上的温度传感器和点火装置；计算机通过信号线接至远程监测装置中其余各设备或传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述计算机还通过信号线接至设于待测气瓶入口管路上的电磁阀。

5.根据权利要求1至4任意一项中所述的系统，其特征在于，在可浮动封头上设有泄压阀和排气管，排气管上设单向阀；在钢板-混凝土组合结构的底部设排气管，该排气管上安装单向阀和真空泵。

6.根据权利要求1至4任意一项中所述的系统，其特征在于，所述钢板-混凝土组合结构上还设有钢化玻璃的观察窗。

7.根据权利要求1至4任意一项中所述的系统，其特征在于，所述气源装置包括若干个用于存储气体燃料的钢瓶，钢瓶通过管路连接至燃料供给管，管路上设置压力表、电磁阀、减压阀、球阀和止回阀。

8.根据权利要求1至4任意一项中所述的系统，其特征在于，所述火烧试验台的承载框架上装有能沿框架滑动的气瓶固定夹具，承载框架两侧安装点火装置和温度传感器。