CN110335438A - 一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法，包括氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块、自动灭火模块和监控台；通过氢气浓度实时监测、泄露预警、浓度控制、自动灭火功能和手动灭火能力，提高了氢燃料电池在船舶应用的安全性及可靠性，最大限度的减少氢燃料电池安全事故发生的可能性，确保船上人员和财产安全。本发明的分级连锁报警控制方法能够准确、及时、可靠的得到舱室连锁报警等级信息，超早期的舱室泄露信息警报可为切断氢气供应和采取通风措施节约宝贵的时间，有效做到了单个舱室报警，相邻各舱室预警，单个区域报警，相邻区域隔断，防止氢气泄漏扩散，避免引发全船连锁性泄露扩散和火灾爆炸事故的产生。

Description

一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法
技术领域
本发明属于氢燃料电池船舶安全保护技术领域，具体涉及一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法。
背景技术
随着环境污染和能源短缺问题的逐渐加剧，在交通运输领域，船舶的能源消耗很大，排放对环境污染也较严重，尤其是沿海和内河湖泊船舶，对排放的要求愈发严格。近年来，绿色船舶和新能源技术迅速发展，以氢气作为燃料的绿色船舶技术成为船舶行业发展的主要方向之一。氢燃料电池船舶作为氢能源技术和绿色船舶技术发展的联合产物，具有绿色环保、效率高、能量密度高、稳定性好、噪音低和不受环境因素影响等优点。氢燃料电池船舶是公认的可有效缓解危机减少温室气体排放的最佳解决方案，其中，氢燃料电池是实现船舶使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术路径，在未来推动航运无污染化和能源可持续化方面具有很大的发展潜力。
由于现今的燃料电池以及电池管理技术还不够成熟，而且氢燃料电池本身的安全性比传统柴油机作为船舶主机的安全性低。氢燃料电池组一般放置在燃料电池舱室内，可能会在工作过程中发生氢气泄露，氢气具有可燃性，达到一定浓度易引起火灾和爆炸。尤其是在船舶遭遇碰撞、沉船等突发事故时，燃料电池容易引发氢气泄漏、火灾和爆炸等安全事故。船舶的工作环境在水上，工况环境更加恶劣多变，引发燃料电池安全事故的因素较多，发送事故时相应的救援措施实施起来相对困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法，具有氢气浓度实时监测、泄露预警、浓度控制和自动灭火功能。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种氢燃料电池船舶安全保护系统，包括传感器、功能模块和监控台，传感器的信号输出端与功能模块的信号输入端连接，功能模块的信号收发端与监控台的信号收发端连接；传感器设置在船舶目标区域中，用于监测需要的物理量并将采集信息发送给功能模块；功能模块包括氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块；氢气泄漏监测报警模块设置在包括氢气瓶、氢气管路、氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于监测目标区域是否发生氢气泄露；氢气泄漏监测报警模块包括主控制器和报警器，主控制器的信号输出端与报警器的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警；紧急切断模块设置在船舶的氢气管路中，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制氢气管路的通断以保证氢燃料电池船舶的安全；紧急切断模块包括主控制器和电磁阀，主控制器的信号输出端与电磁阀的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给电磁阀；电磁阀设置在氢气管路中，用于接收主控制器发送的控制指令以控制氢气管路的通断和氢气的供给；通风模块设置在船舶舱室的侧壁上，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制船舶舱室的通风量以调节目标区域的可燃气体浓度，以及在船舶出现火情时控制火势；通风模块包括主控制器、通风口和强制排风扇，主控制器的信号输出端分别与通风口和强制排风扇的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给通风口和强制排风扇；通风口设置在船舶舱室的一侧壁面上，包括上部通风口和下部通风口，上部通风口为进风口，下部通风口为出风口，通风口用于根据收到的控制指令打开或关闭以调节船舶舱室的通风量；强制排风扇设置在上部通风口处，用于根据收到的控制指令进行强制通风换气；自动灭火模块设置在包括供氢管道和船舱的船舶目标区域处，用于在船舶出现火情时自动灭火；自动灭火模块包括主控制器、报警器和灭火装置，主控制器的信号输出端分别与报警器和灭火装置的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器和灭火装置；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警；灭火装置设置在船舶目标区域处，用于根据收到的控制命令灭火；监控台设置在船舶的监控室内，监控台的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于接收和显示功能模块发送的采集数据，并向功能模块发送控制命令；监控台包括显示面板、数据存储模块和手动启停按钮；显示面板的信号输入端与功能模块的主控制器的信号输出端连接，用于显示传感器通过主控制器转发的采集数据；数据存储模块的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于存取传感器发送的采集数据；手动启停按钮的信号输出端与功能模块的主控制器的信号输入端连接，用于手动控制功能模块进行报警、通风、切断氢气供给和灭火操作。
按上述方案，传感器包括温度传感器、压力传感器、氢气传感器、烟雾传感器和火焰探测器；温度传感器设置在包括氢气瓶及氢气管路、舱顶储罐区、燃料电池舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集包括氢气瓶和舱室的船舶目标区域内的温度值；压力传感器设置在包括氢气瓶口、集格汇流排、供气总管和减压后的进气总管的船舶目标区域处，用于采集氢气瓶及氢气管路内的压力值；氢气传感器设置在包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中氢气的浓度值；烟雾传感器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的烟度值；火焰探测器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的可燃气体燃烧产生火焰的光照强度。
进一步的，自动灭火模块还包括灭火器，设置在船舶的各个位置用于人工应急灭火。
一种氢燃料电池船舶安全保护方法，包括以下步骤：
S1：传感器在船舶目标区域内采集数据并通过功能模块发送给监控台；
S2：监控台显示并向功能模块转发步骤S1收到的采集信息；
S3：氢气泄漏监测报警模块对步骤S2得到的数据进行分析，若采集数据满足预设值范围要求则不报警，从步骤S1循环；若采集数据超出预设值范围则报警，执行下一步；
S4：由操作人员根据监控台显示的数据进行判断并选择自动判定模式或人为判定模式，完成报警、通风、切断氢气供给和灭火操作。
进一步的，步骤S1中，具体步骤为：
S11：温度传感器采集氢气瓶及氢气管路内的温度值并发送给氢气泄漏监测报警模块，温度传感器采集舱室目标区域中的温度值并发送给自动灭火模块；
S12：压力传感器采集氢气瓶及氢气管路内的压力值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S13：氢气传感器采集船舶目标区域的氢气浓度值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S14：烟雾传感器采集船舶目标区域的烟度值并发送自动灭火模块；
S15：火焰探测器采集船舶目标区域的可燃气体火焰燃烧的光照强度值并发送给自动灭火模块；
S16：氢气泄漏监测报警模块和自动灭火模块分别将步骤S11至步骤S15得到的采集数据发送给监控台。
进一步的，步骤S2中，具体步骤为：
S21：监控台将步骤S1收到的采集信息实时显示在显示面板上；
S22：监控台将步骤S1收到的采集信息存储到数据存储模块；
S23：氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块分别通过数据存储模块读取采集信息。
进一步的，步骤S3中，具体步骤为：
S31：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对温度传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的温度值进行处理，取数据刷新后连续n次采样数据T采样1、T采样2、…、T采样n，去掉其中的最大值T最大和最小值T最小，计算有效温度值为：
若氢气瓶的有效温度值超出预设值范围，则氢气泄漏监测报警模块的主控制器通过监控台向紧急切断模块发送切断信号，使电磁阀切断氢气管路的供给，并将氢瓶温度值超出预设值范围的报警信号发给报警器；
S32：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对压力传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的压力值进行处理，取数据刷新后连续n次采样数据P采样1、P采样2、…、P采样n，去掉其中的最大值P最大和最小值P最小，计算有效压力值为：
在区域内计算得到的有效压力值中取最小值作为区域压力的输出值，与压力的预设值比较，若压力值正常则不发送报警信号，从步骤S1循环；若任一处的有效压力值超出预设值范围时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发出报警信号，通过发送数据的传感器序号判断泄漏位置，并执行下一步；
S33：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对氢气传感器采集的包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域内的氢气浓度值进行处理，取数据刷新后连续n次的采样数据H采样1、H采样2、…、H采样n，去掉其中的最大值H最大和最小值H最小，计算有效氢气浓度值为：
在区域内计算得到的有效氢气浓度值中取最大值作为区域氢气浓度的输出值，与氢气浓度的预设值比较，若区域氢气浓度的输出值满足预设值要求则不发送报警指令，从步骤S1循环；若区域氢气浓度的输出值超出预设值范围时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发送报警指令，执行下一步。
进一步的，步骤S4中，具体步骤为：
S41：氢气泄漏监测报警模块的主控制器采用分级连锁报警控制方法将步骤S3得到的报警信号和位置信号发送给报警器和监控台；
S42：操作人员根据监控台收到的数据选择自动判定模式或人为判定模式；若选择自动判定模式，氢气泄漏监测报警模块的主控制器将切断信号通过监控台发送给紧急切断模块，控制相应位置的电磁阀切断氢气管路，若出现多处泄漏报警则直接关闭燃料主阀；若选择人为判定模式，则由操作人员进行事故判定和排查，并通过手动启停按钮向紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块发出相应的控制命令；若自动判定模式或人为判定模式失效，由操作人员直接前往泄漏地点手动关闭燃料主阀；
S43：自动灭火模块的主控制器对温度传感器、烟雾传感器和火焰探测器采集的信号进行判断，若结果正常则等待下一次数据刷新；若结果为明火则向报警器和监控台分别发送火灾报警信号并通过监控台向通风模块发送关闭信号，同时根据火情位置启动相应的灭火装置进行自动灭火；操作人员根据监控台收到的火情的火势大小和控制情况采取手动切断氢源、关闭燃料电池系统、发出求救信号和组织救生艇进行人员疏散等应急措施。
进一步的，步骤S41中，氢气泄漏监测报警模块的主控制器采用分级连锁报警控制方法将步骤S3得到的报警信号和位置信号发送给报警器和监控台，具体步骤为：
S411：单个舱室报警：每个舱室的报警器将报警信号发送到该舱室所属区域的氢气泄漏监测报警模块的主控制器；
S412：相邻舱室报警器预警：区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个舱室报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断给出报警动作信息，并启动相应的联动设施；
S413：区域控制器报警：中央氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个区域舱室的报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断，排除误报信息，最终做出正确的报警决策并发送到监控台。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种氢燃料电池船舶安全保护系统和保护方法通过氢气浓度实时监测、泄露预警、浓度控制和自动灭火功能，提高了氢燃料电池在船舶应用的安全性及可靠性，最大限度的减少氢燃料电池安全事故发生的可能性，确保船上人员和财产安全。
2.本发明具有事故预防功能和事故处理功能。
3.本发明的分级连锁报警控制方法能够准确、及时、可靠的得到舱室连锁报警等级信息，超早期的舱室泄露信息警报可为切断氢气供应和采取通风措施节约宝贵的时间，有效做到了单个舱室报警，相邻各舱室预警，单个区域报警，相邻区域隔断，防止氢气泄漏扩散，避免引发全船连锁性泄露扩散和火灾爆炸事故的产生。
4.本发明的各功能模块在控制上相互独立，具有较高的可靠性和冗余备份功能。
5.本发明具有自动和手动两种控制模式，自动控制系统失效时，手动控制模式作为备份控制方式保证系统正常发挥对燃料电池船舶的保护功能。
附图说明
图1是本发明实施例的功能框图。
图2是本发明实施例的氢气泄漏监测报警模块的功能框图。
图3是本发明实施例的紧急切断模块的功能框图。
图4是本发明实施例的通风模块的功能框图。
图5是本发明实施例的自动灭火模块的功能框图。
图6是本发明实施例的三级氢气泄漏报警控制关系框图。
图7是本发明实施例的氢气泄漏监测报警模块连锁报警流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例包括传感器、功能模块和监控台，传感器的信号输出端与功能模块的信号输入端连接，功能模块的信号收发端与监控台的信号收发端连接。
传感器设置在船舶目标区域中，用于监测需要的物理量并将采集信息发送给功能模块；传感器包括温度传感器、压力传感器、氢气传感器、烟雾传感器和火焰探测器；温度传感器设置在包括氢气瓶及氢气管路、舱顶储罐区、燃料电池舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集包括氢气瓶和舱室的船舶目标区域内的温度值；压力传感器设置在包括氢气瓶口、集格汇流排、供气总管和减压后的进气总管的船舶目标区域处，用于采集氢气瓶及氢气管路内的压力值；氢气传感器根据燃料电池组和氢气管路的数量及排放方式设置在包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中氢气的浓度值；烟雾传感器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的烟度值；火焰探测器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的可燃气体燃烧产生火焰的光照强度。
功能模块包括氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块。
氢气使用安全分两个层面：一是由氢气管路、泄压球阀和排空管构成的被动安全系统，当管道内的氢气超过预设压力时，泄压球阀将自动打开，由排空管把氢气排放到空气中；另一个是由氢气管理单元(HMU)为主控制器构成的氢气泄漏监测报警模块，在本发明实施例中设置有至少两个氢气泄漏监测报警模块，保证一个模块出现故障时另一个模块能继续正常工作。氢气泄漏监测报警模块设置在包括氢气瓶、氢气管路、氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于监测目标区域是否发生氢气泄露；参见图2，氢气泄漏监测报警模块包括主控制器和报警器，主控制器的信号输出端与报警器的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警。
紧急切断模块设置在船舶的氢气管路中，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制氢气管路的通断以保证氢燃料电池船舶的安全；参见图3，紧急切断模块包括主控制器和电磁阀，主控制器的信号输出端与电磁阀的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给电磁阀；电磁阀设置在氢气管路中，用于接收主控制器发送的控制指令以控制氢气管路的通断和氢气的供给。
通风模块设置在船舶舱室的侧壁上，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制船舶舱室的通风量以调节目标区域的可燃气体浓度，以及在船舶出现火情时控制火势；参见图4，通风模块包括主控制器、通风口和强制排风扇，主控制器的信号输出端分别与通风口和强制排风扇的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给通风口和强制排风扇；通风口设置在船舶舱室的一侧壁面上，包括上部通风口和下部通风口，上部通风口为进风口，下部通风口为出风口，通风口用于根据收到的控制指令打开或关闭以调节船舶舱室的通风量；强制排风扇设置在上部通风口处，用于根据收到的控制指令进行强制通风换气。
自动灭火模块设置在包括供氢管道和船舱的船舶目标区域处，用于在船舶出现火情时自动灭火；参见图5，自动灭火模块包括主控制器、报警器和灭火装置，主控制器的信号输出端分别与报警器和灭火装置的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器和灭火装置；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警；灭火装置设置在船舶目标区域处，用于根据收到的控制命令灭火；灭火装置包括细水雾灭火装置、七氟丙烷灭火装置和干粉灭火器，其中细水雾灭火装置设置在舱顶储罐区用于降温灭火，七氟丙烷灭火装置设置在船舱内用于对燃料电池堆和控制柜等进行电气灭火；干粉灭火器设置在船舶的各个位置用于人工应急灭火。
监控台设置在船舶的监控室内，监控台的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于接收和显示功能模块发送的采集数据，并向功能模块发送控制命令；监控台包括显示面板、数据存储模块和手动启停按钮；显示面板的信号输入端与功能模块的主控制器的信号输出端连接，用于显示传感器通过主控制器转发的采集数据；数据存储模块的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于存取传感器发送的采集数据；手动启停按钮的信号输出端与功能模块的主控制器的信号输入端连接，用于手动控制功能模块进行报警、通风、切断氢气供给和灭火操作。
一种氢燃料电池船舶安全保护方法，包括以下步骤：
S1：传感器在船舶目标区域内采集数据并通过功能模块发送给监控台：
S11：温度传感器采集氢气瓶及氢气管路内的温度值并发送给氢气泄漏监测报警模块，温度传感器采集舱室目标区域中的温度值并发送给自动灭火模块；
S12：压力传感器采集氢气瓶及氢气管路内的压力值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S13：氢气传感器采集船舶目标区域的氢气浓度值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S14：烟雾传感器采集船舶目标区域的烟度值并发送给自动灭火模块；
S15：火焰探测器采集船舶目标区域的可燃气体火焰燃烧的光照强度值并发送给自动灭火模块；
S16：氢气泄漏监测报警模块和自动灭火模块分别将步骤S11至步骤S15得到的采集数据发送给监控台。
S2：监控台显示并向功能模块转发步骤S1收到的采集信息：
S21：监控台将步骤S1收到的采集信息实时显示在显示面板上；
S22：监控台将步骤S1收到的采集信息存储到数据存储模块；
S23：氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块分别通过数据存储模块读取采集信息。
S3：氢气泄漏监测报警模块对步骤S2得到的数据进行分析，若采集数据满足预设值范围要求则不报警，从步骤S1循环；若采集数据超出预设值范围则报警，执行下一步：
S31：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对温度传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的温度值进行处理，主控制器每100ms刷新一次采集数据，取数据刷新后的连续6次采样数据T采样1、T采样2、…、T采样n，去掉其中的最大值T最大和最小值T最小，计算有效温度值为：
T有效＝T采样1+T采样2+T采样3+T采样4+T采样5+T采样6-T最大-T最小]/4，
若氢气瓶的有效温度值高于80℃或低于0℃，则氢气泄漏监测报警模块的主控制器通过监控台向紧急切断模块发送切断信号，使电磁阀切断氢气管路的供给，并将氢瓶温度值超出预设值范围的报警信号发给报警器；
S32：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对压力传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的压力值进行处理，主控制器每100ms刷新一次采集数据，取数据刷新后连续6次采样数据P采样1、P采样2、…、P采样n，去掉其中的最大值P最大和最小值P最小，计算有效压力值为：
P有效＝[P采样1+P采样2+P采样3+P采样4+P采样5+P采样6-P最大-P最小]/4，
在区域内计算得到的有效压力值中取最小值作为区域压力的输出值，与压力的预设值比较，若压力值正常则不发送报警信号，从步骤S1循环；若任一处的有效压力值超出预设值范围时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发出报警信号，通过发送数据的传感器序号判断泄漏位置，并执行下一步；
S33：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对氢气传感器采集的包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域内的氢气浓度值进行处理，主控制器每100ms刷新一次采集数据，取数据刷新后连续6次采样数据H采样1、H采样2、…、H采样n，去掉其中的最大值H最大和最小值H最小，计算有效氢气浓度值为：
H有效＝[H采样1+H采样2+H采样3+H采样4+H采样5+H采样6-H最大-H最小]/4，
在区域内计算得到的有效氢气浓度值中取最大值作为区域氢气浓度的输出值，与氢气浓度的预设值下限体积分数4％比较，当区域氢气浓度的输出值满足预设值要求时不发送报警指令，从步骤S1循环；若区域氢气浓度的输出值分别超出预设值下限的10％、30％和50％时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发送报警信号，执行下一步。
S4：由操作人员根据监控台显示的数据进行判断并选择自动判定模式或人为判定模式，完成报警、通风、切断氢气供给和灭火操作：
S41：参见图4和图5，氢气泄漏监测报警模块的主控制器采用分级连锁报警控制方法将步骤S3得到的报警信号和位置信号发送给报警器和监控台：
S411：单个舱室报警：区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器周期巡检采集各个舱室不同类别传感器的报警信号，每个舱室的报警器将报警信号发送到该舱室所属区域的氢气泄漏监测报警模块的主控制器；
S412：相邻舱室报警器预警：区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器收到任意一个舱室的报警信号时，区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器采集与该舱邻近的多个舱室传感器获取氢气泄露信息，并综合判断这些舱室的氢气泄漏报警等级信息，根据不同舱室的报警等级信号，区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器及时预警或启动相应的联动设施进行切断或者通风处理；区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个舱室报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断给出报警动作信息，并启动相应的联动设施；
S413：区域控制器报警：中央氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个区域舱室的报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断，排除误报信息，最终做出正确的报警决策并发送到监控台；
S42：操作人员根据监控台收到的数据选择自动判定模式或人为判定模式；若选择自动判定模式，氢气泄漏监测报警模块的主控制器综合泄漏强度、泄漏位置、泄漏后果以及切断后果进行处理和判定，在保障船舶基本设备运行的前提下将切断信号通过监控台发送给紧急切断模块，控制相应位置的电磁阀切断氢气管路，若出现多处泄漏报警则直接关闭燃料主阀；若选择人为判定模式，则由操作人员进行事故判定和排查，并通过手动启停按钮向紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块发出相应的控制命令；若自动判定模式或人为判定模式失效，由操作人员直接前往泄漏地点手动关闭燃料主阀；若报警器报警后，操作人员经排查后发现无氢气泄露等异常事故发生，则通过手动断开开关切断启动机构的电路，防止系统误启动；
S43：自动灭火模块的主控制器对温度传感器、烟雾传感器和火焰探测器采集的信号进行判断，若结果正常则等待下一次数据刷新；若结果为明火则向报警器和监控台分别发送火灾报警信号并通过监控台向通风模块发送关闭信号，同时根据火情位置启动相应的灭火装置进行自动灭火；操作人员根据监控台收到的火情的火势大小和控制情况采取手动切断氢源、关闭燃料电池系统、发出求救信号和组织救生艇进行人员疏散等应急措施。
本发明与静电接地、电气防爆、检测、维护、防撞避碰以及船员培训和安全管理等措施共同作用，能更好地保障船舶安全。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池船舶安全保护系统，其特征在于：包括传感器、功能模块和监控台，传感器的信号输出端与功能模块的信号输入端连接，功能模块的信号收发端与监控台的信号收发端连接；传感器设置在船舶目标区域中，用于监测需要的物理量并将采集信息发送给功能模块；功能模块包括氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块；氢气泄漏监测报警模块设置在包括氢气瓶、氢气管路、氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于监测目标区域是否发生氢气泄露；氢气泄漏监测报警模块包括主控制器和报警器，主控制器的信号输出端与报警器的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警；紧急切断模块设置在船舶的氢气管路中，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制氢气管路的通断以保证氢燃料电池船舶的安全；紧急切断模块包括主控制器和电磁阀，主控制器的信号输出端与电磁阀的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给电磁阀；电磁阀设置在氢气管路中，用于接收主控制器发送的控制指令以控制氢气管路的通断和氢气的供给；通风模块设置在船舶舱室的侧壁上，通过监控台获取传感器的采集数据，根据采集数据控制船舶舱室的通风量以调节目标区域的可燃气体浓度，以及在船舶出现火情时控制火势；通风模块包括主控制器、通风口和强制排风扇，主控制器的信号输出端分别与通风口和强制排风扇的信号输入端连接；主控制器用于接收监控台发送的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给通风口和强制排风扇；通风口设置在船舶舱室的一侧壁面上，包括上部通风口和下部通风口，上部通风口为进风口，下部通风口为出风口，通风口用于根据收到的控制指令打开或关闭以调节船舶舱室的通风量；强制排风扇设置在上部通风口处，用于根据收到的控制指令进行强制通风换气；自动灭火模块设置在包括供氢管道和船舱的船舶目标区域处，用于在船舶出现火情时自动灭火；自动灭火模块包括主控制器、报警器和灭火装置，主控制器的信号输出端分别与报警器和灭火装置的信号输入端连接；主控制器用于接收传感器发送的信息并实时转发到监控台，同时接收监控台反馈的信息，主控制器判断和处理收到的信息并将控制指令发送给报警器和灭火装置；报警器设置在包括驾驶舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于接收主控制器发送的控制指令进行声光报警；灭火装置设置在船舶目标区域处，用于根据收到的控制命令灭火；监控台设置在船舶的监控室内，监控台的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于接收和显示功能模块发送的采集数据，并向功能模块发送控制命令；监控台包括显示面板、数据存储模块和手动启停按钮；显示面板的信号输入端与功能模块的主控制器的信号输出端连接，用于显示传感器通过主控制器转发的采集数据；数据存储模块的信号收发端与功能模块的主控制器的信号收发端连接，用于存取传感器发送的采集数据；手动启停按钮的信号输出端与功能模块的主控制器的信号输入端连接，用于手动控制功能模块进行报警、通风、切断氢气供给和灭火操作。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池船舶安全保护系统，其特征在于：传感器包括温度传感器、压力传感器、氢气传感器、烟雾传感器和火焰探测器；温度传感器设置在包括氢气瓶及氢气管路、舱顶储罐区、燃料电池舱、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集包括氢气瓶和舱室的船舶目标区域内的温度值；压力传感器设置在包括氢气瓶口、集格汇流排、供气总管和减压后的进气总管的船舶目标区域处，用于采集氢气瓶及氢气管路内的压力值；氢气传感器设置在包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中氢气的浓度值；烟雾传感器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的烟度值；火焰探测器设置在包括舱顶储罐区、燃料电池舱和控制舱的船舶目标区域处，用于采集船舶目标区域中的可燃气体燃烧产生火焰的光照强度。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池船舶安全保护系统，其特征在于：所述的自动灭火模块还包括灭火器，设置在船舶的各个位置用于人工应急灭火。
4.基于权利要求1所述的一种氢燃料电池船舶安全保护系统的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：传感器在船舶目标区域内采集数据并通过功能模块发送给监控台；
S2：监控台显示并向功能模块转发步骤S1收到的采集信息；
S3：氢气泄漏监测报警模块对步骤S2得到的数据进行分析，若采集数据满足预设值范围要求则不报警，从步骤S1循环；若采集数据超出预设值范围则报警，执行下一步；
S4：由操作人员根据监控台显示的数据进行判断并选择自动判定模式或人为判定模式，完成报警、通风、切断氢气供给和灭火操作。
5.根据权利要求4所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：温度传感器采集氢气瓶及氢气管路内的温度值并发送给氢气泄漏监测报警模块，温度传感器采集舱室目标区域中的温度值并发送给自动灭火模块；
S12：压力传感器采集氢气瓶及氢气管路内的压力值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S13：氢气传感器采集船舶目标区域的氢气浓度值并发送给氢气泄漏监测报警模块；
S14：烟雾传感器采集船舶目标区域的烟度值并发送给自动灭火模块；
S15：火焰探测器采集船舶目标区域的可燃气体火焰燃烧的光照强度值并发送给自动灭火模块；
S16：氢气泄漏监测报警模块和自动灭火模块分别将步骤S11至步骤S15得到的采集数据发送给监控台。
6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：监控台将步骤S1收到的采集信息实时显示在显示面板上；
S22：监控台将步骤S1收到的采集信息存储到数据存储模块；
S23：氢气泄漏监测报警模块、紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块分别通过数据存储模块读取采集信息。
7.根据权利要求6所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对温度传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的温度值进行处理，取数据刷新后连续n次采样数据T采样1、T采样2、…、T采样n，去掉其中的最大值T最大和最小值T最小，计算有效温度值为：
若氢气瓶的有效温度值超出预设值范围，则氢气泄漏监测报警模块的主控制器通过监控台向紧急切断模块发送切断信号，使电磁阀切断氢气管路的供给，并将氢瓶温度值超出预设值范围的报警信号发给报警器；
S32：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对压力传感器采集的氢气瓶及氢气管路内的压力值进行处理，取数据刷新后连续n次采样数据P采样1、P采样2、…、P采样n，去掉其中的最大值P最大和最小值P最小，计算有效压力值为：
在区域内计算得到的有效压力值中取最小值作为区域压力的输出值，与压力的预设值比较，若压力值正常则不发送报警信号，从步骤S1循环；若任一处的有效压力值超出预设值范围时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发出报警信号，通过发送数据的传感器序号判断泄漏位置，并执行下一步；
S33：氢气泄漏监测报警模块的主控制器对氢气传感器采集的包括船顶氢气储罐区、燃料电池舱室、控制舱和乘客舱的船舶目标区域内的氢气浓度值进行处理，取数据刷新后连续n次的采样数据H采样1、H采样2、…、H采样n，去掉其中的最大值H最大和最小值H最小，计算有效氢气浓度值为：
在区域内计算得到的有效氢气浓度值中取最大值作为区域氢气浓度的输出值，与氢气浓度的预设值比较，若区域氢气浓度的输出值满足预设值要求则不发送报警指令，从步骤S1循环；若区域氢气浓度的输出值超出预设值范围时，氢气泄漏监测报警模块的主控制器向报警器发送报警指令，执行下一步。
8.根据权利要求7所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：氢气泄漏监测报警模块的主控制器采用分级连锁报警控制方法将步骤S3得到的报警信号和位置信号发送给报警器和监控台；
S42：操作人员根据监控台收到的数据选择自动判定模式或人为判定模式；若选择自动判定模式，氢气泄漏监测报警模块的主控制器将切断信号通过监控台发送给紧急切断模块，控制相应位置的电磁阀切断氢气管路，若出现多处泄漏报警则直接关闭燃料主阀；若选择人为判定模式，则由操作人员进行事故判定和排查，并通过手动启停按钮向紧急切断模块、通风模块和自动灭火模块发出相应的控制命令；若自动判定模式或人为判定模式失效，由操作人员直接前往泄漏地点手动关闭燃料主阀；
S43：自动灭火模块的主控制器对温度传感器、烟雾传感器和火焰探测器采集的信号进行判断，若结果正常则等待下一次数据刷新；若结果为明火则向报警器和监控台分别发送火灾报警信号并通过监控台向通风模块发送关闭信号，同时根据火情位置启动相应的灭火装置进行自动灭火；操作人员根据监控台收到的火情的火势大小和控制情况采取手动切断氢源、关闭燃料电池系统、发出求救信号和组织救生艇进行人员疏散等应急措施。
9.根据权利要求8所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S41中，氢气泄漏监测报警模块的主控制器采用分级连锁报警控制方法将步骤S3得到的报警信号和位置信号发送给报警器和监控台，具体步骤为：
S411：单个舱室报警：每个舱室的报警器将报警信号发送到该舱室所属区域的氢气泄漏监测报警模块的主控制器；
S412：相邻舱室报警器预警：区域氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个舱室报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断给出报警动作信息，并启动相应的联动设施；
S413：区域控制器报警：中央氢气泄漏监测报警模块的主控制器接收到多个区域舱室的报警器发送的报警信号后，将这些不同类别的报警信号及不同舱室的特征信息经融合处理和智能判断，排除误报信息，最终做出正确的报警决策并发送到监控台。
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