CN112329222A - 一种液氢监测预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氢监测预警方法及系统，该方法包括如下步骤：构建氢气温度与浓度的关联理论模型；获取不同测量位置点的氢气浓度；将获取的不同测量点的氢气浓度输入至关联理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警；本发明通过构建的温度与浓度的关联理论模型能够有效的对测试点进行分析，结合测试点测量的氢气浓度能够判断测试点的氢气浓度是否超过预设的安全阈值范围，并对超过安全阈值范围的测试点进行报警，本方法通过模型的构件解决了液氢泄漏监测困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及液氢监测技术领域，具体涉及一种液氢监测预警方法及系统。
背景技术
氢燃料电池汽车是氢能应用的主要发展方向，加氢站作为向氢燃料电池汽车提供氢气的基础设施，在氢能产业化与商业化中，是十分关键、不可或缺的。加氢站分为高压气氢加氢站和液氢加氢站两种。相比较高压气氢加氢站，液氢加氢站具有显著的优势，主要体现在储运效率高、长距离运输经济性佳、建设投资低、氢气纯度高、更好的兼容性等方面。泄漏监测是加氢站应急管理的关键环节，及时、准确的提供氢气浓度数据，对于液氢加氢站防灾减灾具有至关重要的作用。
对于液氢加氢站的安全监测来讲，现有的商用氢气传感器存在响应速度慢、工作温度难以达到、湿度超标、小型化困难等局限。如何实现对液氢监测预警是我们研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液氢监测预警方法及系统，以解决现有技术中导致的液氢泄漏监测困难的问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种液氢监测预警方法，包括如下步骤：
构建氢气温度与浓度的关联理论模型；
获取不同测量位置点的氢气浓度；
将获取的不同测量点的氢气浓度输入至关联理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
进一步地，所述获取理论模型包括如下步骤：
步骤A、构建氢气温度与浓度的初步关联理论模型；
步骤B、在-40℃以上温区在氮气环境下通过改变环境湿度或环境温度对初步关联理论模型进行修正；
步骤C、在-40℃以下温区将步骤B中的氮气环境替换成大气环境对步骤B获取的模型进行修正，获取氢气温度与浓度的关联理论模型。
进一步地，构建氢气温度与浓度的初步关联理论模型包括如下步骤：
取混合云团中任意一单元作为控制体，其中，所述混合云团是饱和液态氢与空气混合形成的；
建立能量守恒和质量守恒方程对控制体求解，获取温度浓度关联的理论模型。
进一步地，建立能量守恒和质量守恒方程具体包括如下步骤：
获取j时刻空气组分i的质量、T1温度下j时刻空气组分i的平均比热容、j时刻与初始时刻的温差的乘积A；
获取j时刻绝热系统的饱和低温蒸汽质量、T2温度下j时刻低温蒸汽的平均比热容、j时刻低温蒸汽的温度与其对应大气压力下饱和温度的差值的乘积B；
获取j时刻水蒸气冷凝或凝华的质量、j时刻水汽蒸汽冷凝或凝华的相变潜热的乘积C；
将A、B、C进行求和获取单元体的能量守恒方程；
获取j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的体积分数、单元体体积以及j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的密度；
根据体积分数、单元体体积和密度获取j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量和j时刻低温蒸汽的质量；
根据j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量、j时刻低温蒸汽的质量和j时刻空气组分i的质量获取单元体的质量守恒方程。
进一步地，在-40℃以上温区在氮气环境下通过改变环境湿度或环境温度对理论模型进行修正包括如下步骤：
步骤B1、构建具有高纯氮环境的密封腔室，并在所述密封腔室内设置多个温度和浓度测量点；
步骤B2、向所述密封腔室内通入低温氢气，并通过温度和浓度测量点获取浓度值的时间坐标，根据获取的浓度值的时间坐标对步骤A中的模型进行修正；
步骤B3、改变高纯氮气环境的相对湿度，向密封腔室内通入低温氢气，在高湿环境下对步骤B2获取的模型进行修正；
步骤B4、在所述密封腔室中设置热源，对步骤B3获取的模型进行修正。
本发明还公开了一种液氢监测预警系统，包括：
模型构建模块：用于构建氢气温度与浓度的关联理论模型；
测量模块：用于获取不同测量位置点的氢气浓度；
判断报警模块：用于将获取的不同测量点的氢气浓度输入至理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
进一步地，所述判断报警模块还包括显示模块，所述显示模块用于显示测量点的位置信息、测量点的温度信息和测量点的浓度信息。
进一步地，所述判断报警模块上还连接有输入模块，所述输入模块用于设定安全阈值。
进一步地，所述测量模块为接触燃烧式传感器、电化学式传感器、电阻式传感器、功函数式传感器和光学传感器的一种或多种。
根据上述技术方案，本发明的实施例至少具有以下效果：
1、本发明通过构建的温度与浓度的关联理论模型能够有效的对测试点进行分析，结合测试点测量的氢气浓度能够判断测试点的氢气浓度是否超过预设的安全阈值范围，并对超过安全阈值范围的测试点进行报警，本方法通过模型的构件解决了液氢泄漏监测困难的问题；
2、本发明中的关联理论模型利用温度传感器代替浓度传感器保证模型获取结果的精准度，并通过－40℃以上温区和－40℃以下温区对模型进一步修正，保证了模型获取结果的精准。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的方法流程图；
图2为本发明具体实施方式中混合云团及控制体的示意图；
图3为本发明具体实施方式中开口混合系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图3所示，本发明公开了一种液氢监测预警方法，包括如下步骤：构建氢气温度与浓度的关联理论模型；获取不同测量位置点的氢气浓度；将获取的不同测量点的氢气浓度输入至关联理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
本发明通过构建的温度与浓度的关联理论模型能够有效的对测试点进行分析，结合测试点测量的氢气浓度能够判断测试点的氢气浓度是否超过预设的安全阈值范围，并对超过安全阈值范围的测试点进行报警，本方法通过模型的构件解决了液氢泄漏监测困难的问题。
在本发明中模型简化过程如下：液氢泄漏到地表后，液池吸收外界热量致使液氢蒸发为饱和态氢气。在局部湍流和自然风的作用下，饱和态氢气与周围空气混合，形成混合云团，混合云团进一步与周围空气混合，浓度进一步降低，此为扩散过程。取混合云团任意一无限小控制体单元为研究对象（如图2），即可将氢气扩散过程简化为一开口混合系统，见图3。一定量的低温氢气进入控制体，与原有空气组分混合，导致原有空气组分被冷却，低温氢气被加热，氢气浓度降低。
理论假设过程：由于气体分子运动速度极快，可认为如图3所示的混合过程在瞬间完成。于是，在忽略太阳辐射、地表换热以及外部热源的情况下，图3所示的开口混合系统可按照绝热混合系统对待。
模型构建过程为：忽略空气当中的稀有气体组分，仅考虑氧气、氮气、水蒸气。认为控制体温度的降低，是有一定量的饱和氢气进入，其携带的冷量将原有空气组分冷却导致的。则针对绝热开口混合系统，能量守恒主要体现在空气组分的焓值的降低和饱和氢气焓值的升高上，质量守恒主要体现在饱和态氢气质量的增加和水蒸气相变导致的质量减小上。据此，考虑水蒸气相变释热的影响，分别建立能量守恒和质量守恒方程，通过一系列推导，得到温度浓度关联的理论模型。根据该理论模型，可在已知温度的条件下，推算出氢气浓度。采用国外实验中有限的实验数据，对模型进行验证。
－40℃以上温区内温度浓度关联模型的实证如下：在该温度区间内，现有的商用传感器具备检测条件。从安全性角度着想，在封闭腔室内创造高纯氮气环境，消除实验过程中的不可控因素而导致的燃爆的可能性。封闭腔室内若干位置同时设置温度和浓度传感器测点，通入低温氢气开展实验。由于现有传感器响应时间并不能满足实时监测的要求，为最大限度降低对实验数据的影响，在尽可能选择高响应速度传感器的基础上，通过温度和浓度的对比分析，确定浓度值的时间坐标。将理论模型计算值与实测的浓度时间历程定量对比，验证理论模型的精度和可靠性。
进一步地，建立能量守恒和质量守恒方程具体如下：
获取j时刻空气组分i的质量、T1温度下j时刻空气组分i的平均比热容、j时刻与初始时刻的温差的乘积A；获取j时刻绝热系统的饱和低温蒸汽质量、T2温度下j时刻低温蒸汽的平均比热容、j时刻低温蒸汽的温度与其对应大气压力下饱和温度的差值的乘积B；获取j时刻水蒸气冷凝或凝华的质量、j时刻水汽蒸汽冷凝或凝华的相变潜热的乘积C；将A、B、C进行求和获取单元体的能量守恒方程。
获取j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的体积分数、单元体体积以及j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的密度；根据体积分数、单元体体积和密度获取j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量和j时刻低温蒸汽的质量；根据j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量、j时刻低温蒸汽的质量和j时刻空气组分i的质量获取单元体的质量守恒方程。
进一步的，改变高纯氮气环境相对湿度，通入低温氢气，验证高湿环境下，理论模型的可靠性和精度。
进一步的，在封闭腔室内，人为设置热源，对比研究热源对理论模型计算值的影响，并开展修正。
－40℃以下温区内温度浓度关联模型的实证如下：在该温度区间内，现有的商用传感器不具备检测的能力。为进一步验证理论模型的计算精度，在该温区内采用数值模拟的方法开展研究。数值模型是否合理性决定了计算结果的精确程度，为保证计算结果精确度，首先采用－40℃以上温区内高湿氮气环境下的实验工况，建立数值模型，并利用实验结果对模型进行验证，以该数值模型为基础，将氮气环境改为真实的大气环境，开展数值模拟研究。对比研究该温区内理论模型的计算值与数值模型计算值的相对误差与绝对误差，必要时对模型进行修正。
本发明具有如下优点：
不受环境温湿度影响。以温度传感器替代浓度传感器，由温度值推算低温氢气浓度，解决了现有商用传感器在液氢泄漏的低温、高湿工况下不适用的问题。
浓度测量范围广。测量范围覆盖ppm级别至100%，解决了现有商用传感器高分辨率与高浓度不能兼得的问题，避免在高、低浓度区分设传感器而造成成本提高。
响应速度快。不同于现有商用传感器，本项目以温度信号为输入信号，可实现0.1s级别的高响应速度。
不但可实现浓度监测，预防或降低液氢加氢站发生燃爆事故的可能性，而且可基于温度监测，划定低温冻伤区域，降低泄漏的次生安全隐患。
本发明还公开了一种液氢监测预警系统，包括：模型构建模块：用于构建氢气温度与浓度的关联理论模型；测量模块：用于获取不同测量位置点的氢气浓度；判断报警模块：用于将获取的不同测量点的氢气浓度输入至理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
进一步地，所述判断报警模块还包括显示模块，所述显示模块用于显示测量点的位置信息、测量点的温度信息和测量点的浓度信息。
进一步地，所述判断报警模块上还连接有输入模块，所述输入模块用于设定安全阈值。
在本实施例中，测量模块可以为传感器。具体的为接触燃烧式传感器、电化学式传感器、电阻式传感器、功函数式传感器和光学传感器的一种或多种。
接触燃烧式传感器是通过测量涂了催化剂的铂线圈的温度上升所引起的电阻值的变化，来确定铂系催化剂表面的接触燃烧（氧化反应）所引起的温度变化。与传统的传感器相比，其浓度测量范围扩大至250 ppm，偏差为10% FS，工作温度降至100 ℃。
电化学式传感器是利用氢气的导热性，在电加热的发热体与氢气接触时，通过测量温度变化来确定其电阻变化。电化学传感器对很多组分表现出交叉敏感，包括一些碳氢化合物。通过选择可渗透膜，以提高选择性，防止电极对氢气以外的气体敏感。电阻式传感器在室温条件下可以测得的氢气浓度范围为0.2ppm 至1000ppm，并且其响应速度快，性能稳定。光学传感器通过溅射500nm的Pd膜，可在0.1%至4%的范围内检测氢气浓度，并将FBG氢气传感器响应时间由最初的大约10分钟缩短至6s。
在本实施例中，判断报警模块可以为电脑或具有输入显示装置的处理器等，模型构建模块构建的关联理论模型可输入至电脑或处理器中进行分析。或者构建的关联模型通过Python语言开发可视化软件平台。该软件平台具备的功能包括：平面和立体测点位置地图展示、测点温度显示、测点浓度显示、安全阈值设定、浓度超标报警（同时提示测点位置）等功能。
本监测预警系统技术指标：工作温度－253 ℃至常温，湿度0~100%RH，精度<±5FS，响应时间<0.1 s。
泄漏预警系统可有效的降低液氢加氢站的燃爆风险，减少不必要的人员伤亡和设备/设施损失，具有显著的社会和经济效益。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种液氢监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建氢气温度与浓度的关联理论模型；
获取不同测量位置点的氢气浓度；
将获取的不同测量点的氢气浓度输入至关联理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
2.根据权利要求1所述的液氢监测预警方法，其特征在于，所述获取理论模型包括如下步骤：
步骤A、构建氢气温度与浓度的初步关联理论模型；
步骤B、在-40℃以上温区在氮气环境下通过改变环境湿度或环境温度对初步关联理论模型进行修正；
步骤C、在-40℃以下温区将步骤B中的氮气环境替换成大气环境对步骤B获取的模型进行修正，获取氢气温度与浓度的关联理论模型。
3.根据权利要求2所述的液氢监测预警方法，其特征在于，构建氢气温度与浓度的初步关联理论模型包括如下步骤：
取混合云团中任意一单元作为控制体，其中，所述混合云团是饱和液态氢与空气混合形成的；
建立能量守恒和质量守恒方程对控制体求解，获取温度浓度关联的理论模型。
4.根据权利要求2所述的液氢监测预警方法，其特征在于，建立能量守恒和质量守恒方程具体包括如下步骤：
获取j时刻空气组分i的质量、T1温度下j时刻空气组分i的平均比热容、j时刻与初始时刻的温差的乘积A；
获取j时刻绝热系统的饱和低温蒸汽质量、T2温度下j时刻低温蒸汽的平均比热容、j时刻低温蒸汽的温度与其对应大气压力下饱和温度的差值的乘积B；
获取j时刻水蒸气冷凝或凝华的质量、j时刻水汽蒸汽冷凝或凝华的相变潜热的乘积C；
将A、B、C进行求和获取单元体的能量守恒方程；
获取j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的体积分数、单元体体积以及j时刻氧气、氮气、低温蒸汽的密度；
根据体积分数、单元体体积和密度获取j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量和j时刻低温蒸汽的质量；
根据j时刻氧气的质量、j时刻氮气的质量、j时刻低温蒸汽的质量和j时刻空气组分i的质量获取单元体的质量守恒方程。
5.根据权利要求2所述的液氢监测预警方法，其特征在于，在-40℃以上温区在氮气环境下通过改变环境湿度或环境温度对理论模型进行修正包括如下步骤：
步骤B1、构建具有高纯氮环境的密封腔室，并在所述密封腔室内设置多个温度和浓度测量点；
步骤B2、向所述密封腔室内通入低温氢气，并通过温度和浓度测量点获取浓度值的时间坐标，根据获取的浓度值的时间坐标对步骤A中的模型进行修正；
步骤B3、改变高纯氮气环境的相对湿度，向密封腔室内通入低温氢气，在高湿环境下对步骤B2获取的模型进行修正；
步骤B4、在所述密封腔室中设置热源，对步骤B3获取的模型进行修正。
6.一种液氢监测预警系统，其特征在于，包括：
模型构建模块：用于构建氢气温度与浓度的关联理论模型；
测量模块：用于获取不同测量位置点的氢气浓度；
判断报警模块：用于将获取的不同测量点的氢气浓度输入至理论模型中，获取超过安全阈值范围的测量点的位置信息，并对超过安全阈值范围的测量点进行报警。
7.根据权利要求6所述的液氢监测预警系统，其特征在于，所述判断报警模块还包括显示模块，所述显示模块用于显示测量点的位置信息、测量点的温度信息和测量点的浓度信息。
8.根据权利要求6所述的液氢监测预警系统，其特征在于，所述判断报警模块上还连接有输入模块，所述输入模块用于设定安全阈值。
9.根据权利要求6所述的液氢监测预警系统，其特征在于，所述测量模块为接触燃烧式传感器、电化学式传感器、电阻式传感器、功函数式传感器和光学传感器的一种或多种。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113128755A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-16 | 东南大学 | 液氢泄露扩散范围的预测方法及系统 |
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2020
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