CN110221640B - 一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统 - Google Patents

一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，包括气体增/减压循环系统、实验箱稳压系统、泄漏检测系统、控温系统及安全防护系统五个部分，辅助系统与实验箱通过管路连接，用于模拟高压储氢密封件所处服役环境。气体增/减压循环系统可为实验箱提供不同压力大小、不同氢循环频率的氢环境，低压充氢线路的存在可提高充氢效率；控温系统通过设定的测试温度和实际温度的差值进行反馈调节，反馈调节作用于流量调节阀，用于调节换热介质的流速，实现智能控温。

Description

一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统
技术领域
本发明属于高压气体技术领域，特别涉及一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统。
背景技术
氢能作为未来最具发展潜力的新能源之一，已成为各国为应对全球气候变暖、改革能源结构而重点发展的对象。氢能的广泛发展和安全应用离不开储氢技术的发展。目前，高压气态储氢是最常用的储氢方式。为实现更加安全、高效的储氢，提高储氢用密封件等关键零部件的安全性和可靠性至关重要。
然而，密封件在高压氢环境、宽温度范围内的密封性能及损伤机制尚不清楚，因此急需搭建符合储氢用密封件服役环境的性能测试平台，完善高压氢环境下密封材料力学性能和物化性能的实验数据，建立服役环境、材料性能与密封性能之间的联系，从而可针对不同服役环境、服役寿命对高压储氢用密封件的材料、结构进行优化设计。
根据高压储氢密封件所处实际服役环境，性能测试平台应保证可提供高压氢气环境、可实现氢气循环、可控制测试温度。然而，目前国内已有的测试平台还无法完全模拟上述环境。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，与实验箱通过管路连接，用于模拟高压储氢密封件所处服役环境，主要包括气体增/减压循环系统、实验箱稳压系统、控温系统及泄漏检测系统，其中：
所述气体增/减压循环系统包括为实验箱充入低压氢气的低压供氢系统、为实验箱充入高压氢气的高压供氢系统以及从实验箱回收氢气的氢回收系统；
所述实验箱稳压系统包括连接实验箱的卸压系统和稳压系统，用于平衡实验箱内压力波动；
所述控温系统包括对实验箱进行冷却的冷却系统和对实验箱进行加热的加热系统；
所述泄漏检测系统连接试验箱体检测泄漏量。
所述低压供氢系统包括低压氢气瓶一9，低压氢气瓶一9通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀一10、安全阀一11、压力表一12、流量调节阀一13和流量计一14；所述高压供氢系统包括低压氢气瓶二1，低压氢气瓶二1通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀二2、安全阀二3、压力表二4、气体增压泵5、流量调节阀二6、流量计二7和压力表三8；所述氢回收系统包括回收氢气瓶15，回收氢气瓶15通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀三16、压力表四17、回收泵18、流量调节阀三19和流量计三20。
所述高压供氢系统采用多级增压，通过气体增压泵5将氢气压力最高增至100MPa，并通过改变驱动气压控制气体增压泵5的输出气压，充氢时，首先由低压供氢系统充入低压氢气，然后由高压供氢系统充入高压氢气。
所述卸压系统包括连接试验箱的管路以及设置在管路上的单向阀一34和安全阀三35，所述稳压系统包括稳压氢气瓶40，稳压氢气瓶40通过管路连接试验箱且在管路上设置有手动阀四39、减压阀38、压力表五37和单向阀二36。
所述稳压氢气瓶40中的压力略大于100MPa，且体积远大于实验箱容积，通过减压阀38将稳压系统管路的入口压力设定为略大于测试压力的值，当实验箱压力大于测试压力时，通过安全阀三35卸压，释放的氢气回收至外部回收容器；当实验箱压力小于测试压力时，在压差作用下，稳压氢气瓶40中的气体自动补充至实验箱内。
所述冷却系统包括液氮罐21，液氮罐21通过管路连接试验箱箱壁且在管路上设置有手动阀五22、泵一23、流量调节阀一24和流量计四25，所述加热系统包括热水器26，热水器26通过管路连接试验箱箱壁且在管路上设置有手动阀六27、泵二28、流量调节阀二29和流量计五30。
当实验箱测试温度低于/高于室温时，通过液氮罐21/热水器26对实验箱进行冷却/加热，通过调节换热介质流速控制实验箱温度，并通过温度计32示数进行反馈控制。
所述温度通过设定的测试温度和实际温度的差值进行反馈调节，反馈调节作用于流量调节阀，调节换热介质的流速。
所述泄漏检测系统根据介质不同和泄漏量的大小采取不同检测手段：当泄漏量较大时，直接通过检测压差计算相应的泄漏量；当介质为氢气且泄漏量较小时，通过氢敏传感器进行检测；当密封介质为氦气且泄漏量较小时，通过氦质谱检漏仪进行检测。
优选地，本发明还可包括安全防护系统，所述安全防护系统保证实验台与电控设备隔离，电气设备采用防爆设计；实验环境保持良好的通风；实验环境各个角落以及氢气易泄漏部位安装氢敏报警器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可有效控温：采用液氮/热水换热介质对实验箱进行冷却/加热，避免电气设备与实验箱直接接触；通过温度反馈方法调节换热介质的流速，实现有效控温。
2、可有效稳压：设有稳压氢气瓶和安全阀，平衡箱内压力波动，保证箱内压力稳定，避免因箱内压力过高出现安全事故；调节减压阀、安全阀可控制稳压值大小。
3、可提高充气效率：充气时先低压充气，然后高压充气，可提高充气速率。通过调节流量调节阀可控制氢气流速，改变氢气循环频率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为温度反馈的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实例(以氢气充放为例说明)对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于这一种。
如图1所示，一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，与实验箱通过管路连接，用于模拟高压储氢密封件所处服役环境，主要包括气体增/减压循环系统、实验箱稳压系统、控温系统及泄漏检测系统，其中：
气体增/减压循环系统包括为实验箱充入低压氢气的低压供氢系统、为实验箱充入高压氢气的高压供氢系统以及从实验箱回收氢气的氢回收系统；低压供氢系统包括低压氢气瓶一9，低压氢气瓶一9通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀一10、安全阀一11、压力表一12、流量调节阀一13和流量计一14，即图1中的线路1；高压供氢系统包括低压氢气瓶二1，低压氢气瓶二1通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀二2、安全阀二3、压力表二4、气体增压泵5、流量调节阀二6、流量计二7和压力表三8，即图1中的线路2；氢回收系统包括回收氢气瓶15，回收氢气瓶15通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀三16、压力表四17、回收泵18、流量调节阀三19和流量计三20。线路2采用多级增压技术，通过气体增压泵5可将氢气压力最高增至100MPa，并可通过改变驱动气压控制气体增压泵5的输出气压，充氢时，首先由线路1为实验箱充入低压氢气，然后由线路2充入高压氢气，以缩短充氢时间，提高实验效率。放氢时，氢气在压差及回收泵作用下由回收氢气瓶回收。流量计7/14/20可监测充氢、放氢时的气体流量，并通过流量调节阀6/13/19进行调节，用于控制充放氢循环频率。安全阀3/11用于压力过高时的安全泄放。
实验箱稳压系统包括连接实验箱的卸压系统和稳压系统，用于平衡环境温度变化等引起的实验箱内压力波动；卸压系统包括连接试验箱的管路以及设置在管路上的单向阀一34和安全阀三35，即图1中的线路4；稳压系统包括稳压氢气瓶40，稳压氢气瓶40通过管路连接试验箱且在管路上设置有手动阀四39、减压阀38、压力表五37和单向阀二36，即图1中的线路3。稳压氢气瓶40中的压力略大于100MPa，且体积远大于实验箱容积，通过减压阀38将线路3管路的入口压力设定为略大于测试压力的值，当实验箱压力大于测试压力时，通过安全阀三35卸压，释放的氢气回收至外部回收容器(线路4)；当实验箱压力小于测试压力时，在压差作用下，稳压氢气瓶40中的气体自动补充至实验箱内。
控温系统包括对实验箱进行冷却的冷却系统和对实验箱进行加热的加热系统；冷却系统包括液氮罐21(-196℃)，液氮罐21通过管路连接试验箱箱壁且在管路上设置有手动阀五22、泵一23、流量调节阀一24和流量计四25，即图1中的线路5；加热系统包括热水器26(100℃)，热水器26通过管路连接试验箱箱壁且在管路上设置有手动阀六27、泵二28、流量调节阀二29和流量计五30，即图1中的线路6。当实验箱测试温度低于/高于室温时，通过液氮罐21/热水器26对实验箱进行冷却/加热，通过调节换热介质流速控制实验箱温度，并通过温度计32示数进行反馈控制。具体地，温度通过设定的测试温度和实际温度的差值进行反馈调节，反馈调节作用于流量调节阀，调节换热介质的流速。
泄漏检测系统连接试验箱体检测泄漏量。泄漏检测系统可根据介质不同和泄漏量的大小采取不同检测手段：当泄漏量较大时，可直接通过检测压差计算相应的泄漏量；当介质为氢气且泄漏量较小时，可通过氢敏传感器进行检测；当密封介质为氦气且泄漏量较小时，可通过氦质谱检漏仪进行检测。
优选地，本发明还可包括安全防护系统，安全防护系统保证实验台与电控设备隔离，电气设备需采用防爆设计；实验室应保持良好的通风环境；实验室内各个角落以及氢气易泄漏部位应安装氢敏报警器，能够及时发现安全隐患，及时探测出氢气泄漏位置。
本发明辅助系统与实验箱连接简单，因此实用性强，可用于不同尺寸、功能的实验箱。对应实验箱只需在箱体壁面开设6个螺纹孔，其中2个分别用于气体增/减压系统中低/高压供气系统和氢回收系统的管路连接，2个分别用于稳压系统中卸压系统和稳压系统的管路连接，另外两个用于连接温度、压力传感器。控温系统与实验箱对应的控温装置连接；泄漏检测系统与实验箱对应的泄漏检测口连接。
本发明的具体应用步骤如下：
实验箱准备完毕后，确保辅助系统与实验箱连接完好。设置测试温度，通过温度反馈自动调节加热/冷却介质流速，使实验箱温度达到测试温度。为保证实验箱内的氢气纯度，在测试前通过惰性气体对实验箱和管路进行吹洗，减少氧含量。
打开手动阀一10，为实验箱充入低压氢气，待箱内压力稳定后，关闭手动阀一10。打开手动阀二2，为实验箱充入高压氢气，待压力达到测试压力后，关闭手动阀二2。根据测试压力，调节减压阀38和安全阀三35的阈值，打开手动阀四39，使稳压系统工作。高压测试结束后，关闭手动阀四39。打开手动阀三16，在压差作用下回收氢气；待压力平衡后，使回收泵18工作，保证实验箱内氢气压力达到所需低压测试压力，进行低压测试。重复上述循环，进行氢气循环下的密封性能测试。其中，可通过调节流量调节阀6/13/19调节充放氢速率。实验结束后，将设备恢复原样。
本发明中，涉及电气控制的设备，如泵、温度反馈调节装置等，应采取防爆、保护措施；温度、压力、流量等示数可通过计算机显示。

Claims (9)

1.一种可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，与实验箱通过管路连接，用于模拟高压储氢密封件所处服役环境，其特征在于，主要包括气体增/减压循环系统、实验箱稳压系统、控温系统及泄漏检测系统，其中：
所述气体增/减压循环系统包括为实验箱充入低压氢气的低压供氢系统、为实验箱充入高压氢气的高压供氢系统以及从实验箱回收氢气的氢回收系统，所述低压供氢系统包括低压氢气瓶一(9)，低压氢气瓶一(9)通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀一(10)、安全阀一(11)、压力表一(12)、流量调节阀一(13)和流量计一(14)；所述高压供氢系统包括低压氢气瓶二(1)，低压氢气瓶二(1)通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀二(2)、安全阀二(3)、压力表二(4)、气体增压泵(5)、流量调节阀二(6)、流量计二(7)和压力表三(8)；
所述实验箱稳压系统包括连接实验箱的卸压系统和稳压系统，用于平衡实验箱内压力波动；
所述控温系统包括对实验箱进行冷却的冷却系统和对实验箱进行加热的加热系统，所述冷却系统包括液氮罐(21)，液氮罐(21)通过管路连接实验箱箱壁且在 管路上设置有手动阀五(22)、泵一(23)、流量调节阀一(24)和流量计四(25)，所述加热系统包括热水器(26)，热水器(26)通过管路连接实验箱箱壁且在 管路上设置有手动阀六(27)、泵二(28)、流量调节阀二(29)和流量计五(30)；
所述泄漏检测系统连接实验箱 体检测泄漏量。
2.根据权利要求1所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述氢回收系统包括回收氢气瓶(15)，回收氢气瓶(15)通过管路连接实验箱且在管路上设置有手动阀三(16)、压力表四(17)、回收泵(18)、流量调节阀三(19)和流量计三(20)。
3.根据权利要求2所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述高压供氢系统采用多级增压，通过气体增压泵(5)将氢气压力最高增至100MPa，并通过改变驱动气压控制气体增压泵(5)的输出气压，充氢时，首先由低压供氢系统充入低压氢气，然后由高压供氢系统充入高压氢气。
4.根据权利要求1所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述卸压系统包括连接实验箱 的管路以及设置在管路上的单向阀一(34)和安全阀三(35)，所述稳压系统包括稳压氢气瓶(40)，稳压氢气瓶(40)通过管路连接实验箱 且在管路上设置有手动阀四(39)、减压阀(38)、压力表五(37)和单向阀二(36)。
5.根据权利要求4所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述稳压氢气瓶(40)中的压力略大于100MPa，且体积远大于实验箱容积，通过减压阀(38)将稳压系统管路的入口压力设定为略大于测试压力的值，当实验箱压力大于测试压力时，通过安全阀三(35)卸压，释放的氢气回收至外部回收容器；当实验箱压力小于测试压力时，在压差作用下，稳压氢气瓶(40)中的气体自动补充至实验箱内。
6.根据权利要求1所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，当实验箱测试温度低于/高于室温时，通过液氮罐(21)/热水器(26)对实验箱进行冷却/加热，通过调节换热介质流速控制实验箱温度，并通过温度计(32)示数进行反馈控制。
7.根据权利要求6所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述温度通过设定的测试温度和实际温度的差值进行反馈调节，反馈调节作用于流量调节阀，调节换热介质的流速。
8.根据权利要求1所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，所述泄漏检测系统根据介质不同和泄漏量的大小采取不同检测手段：当泄漏量较大时，直接通过检测压差计算相应的泄漏量；当介质为氢气且泄漏量较小时，通过氢敏传感器进行检测；当密封介质为氦气且泄漏量较小时，通过氦质谱检漏仪进行检测。
9.根据权利要求1所述可控温控压气体密封测试平台用辅助系统，其特征在于，还包括安全防护系统，所述安全防护系统保证实验台与电控设备隔离，电气设备采用防爆设计；实验环境保持良好的通风；实验环境各个角落以及氢气易泄漏部位安装氢敏报警器。
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