CN112728408B - 一种液氢储供故障诊断试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液氢储供技术领域，具体涉及一种液氢储供故障诊断试验系统及试验方法。一种液氢储供故障诊断试验系统包括液氢主供应管路、液氢储罐故障试验管路、空温式汽化器故障试验管路、水浴式复热器故障试验管路以及缓冲罐故障试验管路；本系统能够为研究液氢储供过程中的不同故障模式提供基础试验平台，从而得到正常工况和故障模式下的准确的参数变化和数据样本，以便于全面系统地记录各种故障模式。本发明还提供了一种应用上述试验系统的试验方法，具体步骤包括正常工况试验；液氢储罐故障试验；空温式汽化器故障试验；水浴式复热器故障试验及缓冲罐故障试验，从而具体化、便捷化和高效化的完成整套液氢储供故障诊断试验流程。

Description

一种液氢储供故障诊断试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及液氢储供技术领域，具体涉及一种液氢储供故障诊断试验系统及试验方法。

背景技术

近年来，氢能作为绿色高效、来源广泛的清洁能源得到广泛关注和大力发展。目前，氢能及其相关技术记录主要针对新能源汽车领域。氢作为燃料存储时主要分为高压气态储氢、液态储氢和金属氢化物储氢。其中，液态储氢方式具有储氢密度高、安全性较好的优点，但也存在制取成本高和漏热的问题。综合现阶段技术水平和发展前景来讲，液态储氢方式适合深入记录和规模化应用。

液氢储供系统指从存储单元至反应单元前的应用系统，系统中布置低温储罐、汽化器、缓冲罐、阀门、仪表及安全附件等，这使得通过管路连接各部件时会产生一定数量的活性接头，而接头最为容易发生泄漏。泄露发生在系统上游时，液氢未完全汽化，既要记录泄漏孔的位置对系统的影响，还应考虑泄漏孔大小对介质压力、流量等系统参数的影响，并同时还需考虑试验装置承受过冷介质的能力。传统记录泄漏孔大小时，需更换多个不同孔尺寸试件进行对比试验，在泄露位置较多的系统中这一方法十分繁琐。此外，系统中各部件主要作用不同，低温储罐用于储存和供应液氢，汽化器用于液氢汽化和提高氢气温度，缓冲罐用于减小氢气压力波动，而通常情况下液氢和低温气体流量又难以测量且成本很高，这在进行上述系统的故障诊断时，传统做法普遍具有故障模式记录不全面、不系统的问题。考虑到液态储氢故障特点和下游用氢安全，有必要提出一种液氢储供故障诊断试验系统及试验方法，全面系统地记录各种故障模式。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的液氢储供故障诊断试验系统，本系统能够为研究液氢储供过程中的不同故障模式提供基础试验平台，从而得到正常工况和故障模式下的准确的参数变化和数据样本，以便于全面系统地记录各种故障模式；本发明还提供了一种应用上述试验系统的试验方法，从而具体化、便捷化和高效化的完成整套液氢储供故障诊断试验流程。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：包括液氢主供应管路、液氢储罐故障试验管路、空温式汽化器故障试验管路、水浴式复热器故障试验管路以及缓冲罐故障试验管路，其中：

液氢主供应管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐、截止阀V1、第一空温式汽化器、水浴式复热器、截止阀V2、缓冲罐及截止阀V3，介质经由截止阀V3的出口流出后，再依序经由流量计FT及截止阀V4流出系统出口；在所述截止阀V1与第一空温式汽化器之间的一段管路上布置压力传送器PT1和温度传送器TT1，在所述第一空温式汽化器与水浴式复热器之间的一段管路上布置压力传送器PT2，在所述水浴式复热器与缓冲罐之间的一段管路上布置温度传送器TT2，缓冲罐上布置监控罐内压力的压力表P2；

液氢储罐故障试验管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐、截止阀V5、升压阀以及第二空温式汽化器，第二空温式汽化器出口布置分支管路，其中一条分支管路返回液氢储罐进口从而形成自增加回路，自增加回路上设置压力表P1、液位计LG，自增压回路通过截止阀V11连通系统出口，另一条分支管路经由截止阀V6连通至流量计FT进口；

空温式汽化器故障试验管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐、截止阀V1、截止阀V7、第三空温式汽化器以及截止阀V8，介质经由截止阀V8的出口流出后，再依序经由流量计FT及截止阀V4流出系统出口；

水浴式复热器故障试验管路：包括截止阀V9，截止阀V9的两端分别桥接于压力传送器PT2与水浴式复热器入口之间的一段管路上以及截止阀V8与流量计FT之间的一段管路上；

缓冲罐故障试验管路：包括截止阀V10，截止阀V10的一端连接所述缓冲罐罐腔，另一端连接在截止阀V9与流量计FT之间的一段管路上。

优选的，所述缓冲罐上、压力传送器PT2与截止阀V9之间的一段管路上、第三空温式汽化器出口与截止阀V8之间的一段管路上、截止阀V1的出口端处以及自增加回路上均相应布置有安全阀Svs。

优选的，所述液氢储罐为卧式，液氢储罐处绝热层为高真空多层绝热结构。

优选的，各空温式汽化器均为翅片式传热结构。

优选的，所述水浴式复热器为电加热。

优选的，基于所述的一种液氢储供故障诊断试验系统的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、试验前准备：读取液氢储罐液位，确认液氢量满足试验要求；观察液氢储罐处压力表P1读数，判断是否需要进行自增压；确认主机及水浴式复热器的仪表通电正常；检查各阀门开闭和系统连接正常；开启截止阀V4，其余阀门保持关闭；

2)、正常工况试验：开启截止阀V5，液氢经自增压回路后返回至液氢储罐内，当液氢储罐压力升高至设定压力后，关闭截止阀V5；之后，开启截止阀V2和截止阀V3，保证液氢主供应管路后端通畅，开启截止阀V1开始供应介质，通过改变试验工况，记录各试验工况下的试验数据；

3)、液氢储罐故障试验：开启截止阀V5，自增压回路开始工作，开启截止阀V6并调整截止阀V6的阀门开度，记录自增压回路泄漏故障模式下的试验数据；通过更换第二空温式汽化器上的保温工装，记录第二空温式汽化器汽化能力不足故障模式下的试验数据；通过改变液氢储罐的绝热层的真空度，记录液氢储罐保冷性能退化和失效故障模式下的试验数据；

4)、空温式汽化器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V7、V8并调整两阀门开度，记录第一空温式汽化器之前液氢未充分汽化时的管路泄漏故障模式下的试验数据；通过更换第一空温式汽化器上的保温工装，记录第一空温式汽化器汽化能力不足故障模式下的试验数据；

5)、水浴式复热器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V9并调整截止阀V9的阀门开度，记录水浴式复热器前管路泄漏故障模式下的试验数据；降低水浴式复热器的水浴温度或关闭电源，记录水浴式复热器换热性能退化或失效故障模式下的试验数据；

6)、缓冲罐故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V10，记录缓冲罐泄漏故障模式下的试验数据；调整截止阀V2及截止阀V10的阀门开度，记录缓冲罐压力不稳定故障模式下的试验数据；

7)、记录故障发生前后系统试验数据，关闭截止阀V1停止供应介质，检查确认液氢储罐液位和罐内压力正常；排出系统中残留介质，按顺序关闭相应阀门、水浴式复热器和各仪表。

优选的，所述步骤2)中，正常工况试验下，改变试验工况包括改变初始液氢储罐内压力、调节截止阀V1的阀门开度、调节截止阀V2的阀门开度、调节截止阀V3的阀门开度和调节水浴式复热器的水浴温度。

优选的，所述步骤3)和步骤4)中，保温工装安装在相应的空温式汽化器的换热翅片上。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明利用含截止阀的支路模拟系统泄漏，通过调整不同阀门的开度研究不同泄漏率故障模式，从而避免了研究不同泄露率需要更换试件的问题。

2)、试验模拟自增压回路泄漏时，泄漏支路设置在第二空温式汽化器出口。试验模拟第一空温式汽化器前管路泄漏时，泄漏支路中安装第三空温式汽化器。两种方法均考虑将泄漏的液氢汽化后再流动至系统出口，解决了流量计受液氢过冷影响的问题。

3)、本系统及方法综合考虑了各部件故障模式和参数变化，有针对性地设置仪表进行监测，既能全面系统地进行故障诊断试验研究，又提高了效率，降低了成本。此外，系统中布置有安全阀，保证了试验过程的安全性。在必要时，系统中还可增加爆破及相应的报警设备等，以提升其安全性。

附图说明

图1为本发明的管路布置示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-液氢储罐

21-第一空温式汽化器 22-第二空温式汽化器

23-第三空温式汽化器

30-水浴式复热器 40-缓冲罐

具体实施方式

为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体管路布置如图1所示，主要由液氢主供应管路、液氢储罐故障试验管路、空温式汽化器故障试验管路、水浴式复热器故障试验管路以及缓冲罐故障试验管路四大部分组成，其中：

液氢主供应管路包括沿介质流动方向依次布置的液氢储罐10、第一空温式汽化器21、水浴式复热器30和缓冲罐40。液氢储罐10与第一空温式汽化器21之间，依次布置截止阀V1、安全阀Svs、压力传送器PT1和温度传送器TT1。第一空温式汽化器21与水浴式复热器30之间则依次布置压力传送器PT2和安全阀Svs。水浴式复热器30与缓冲罐40之间，依次布置温度传送器TT2和截止阀V2。缓冲罐40与系统出口处的截止阀V4之间依次布置截止阀V3和流量计FT。

液氢储罐故障试验管路包括第二空温式汽化器22、液氢储罐10以及位于两者之间的沿介质流动方向依次布置的截止阀V5和升压阀V12。第二空温式汽化器22经放空管连接液氢储罐10，形成自增压回路。安装有截止阀V6的支路一端连接第二空温式汽化器22出口，另一端连接流量计FT。放空管安装有压力表P1、液位计LG、安全阀Svs和截止阀V11，截止阀V11构成连通系统出口的放空阀。

空温式汽化器故障试验管路包括包括第三空温式汽化器23。图1中，第三空温式汽化器23的左端经截止阀V7连接在截止阀V1与压力传送器PT1之间的一段管路上，第三空温式汽化器23的右端经安全阀Svs和截止阀V8连接流量计FT。

水浴式复热器故障试验管路包括截止阀V9。安装有截止阀V9的支路一端连接在水浴式复热器30入口前，另一端连接流量计FT。

缓冲罐故障试验管路包括截止阀V10。安装有截止阀V10的支路一端连接缓冲罐40，另一端连接流量计FT。

压力传送器PT1、压力传送器PT2、温度传送器TT1、温度传送器TT2和流量计FT用于实时监测试验系统压力、温度和流量，构成整套系统的数据测量仪器，并可将试验数据自动保存在主机上。

本发明的所衍生出的一种液氢储供故障诊断试验方法则包括以下步骤：

1)、试验前准备：读取液氢储罐10液位，确认液氢量满足试验要求；观察液氢储罐10压力表读数，判断是否需要进行自增压；确认主机、水浴式复热器30地仪表通电正常；检查各阀门开闭和系统连接正常；开启截止阀V4，其余阀门保持关闭；液氢试验场所应保证通风良好，并配备氢浓度报警仪等辅助仪器。

2)、正常工况试验：开启截止阀V5，液氢经自增压回路后返回至罐内，当液氢储罐10压力升高至设定压力后，关闭截止阀V5。开启截止阀V2和截止阀V3，保证液氢主供应管路后端通畅。开启截止阀V1开始供应介质，通过改变初始液氢储罐10罐内压力、上述各阀门开度、水浴式复热器30水浴温度等，得到不同试验工况下系统参数变化，并记录正常工况试验数据。液氢主供应管路上安装安全阀Svs，用于故障或紧急情况下超压排放。

3)、液氢储罐故障试验：液氢储罐10自增压过程时，开启截止阀V6并调整阀门开度，记录自增压回路泄漏故障模式下的试验数据。在第二空温式汽化器22的换热翅片上安装便携式保温棉，更换多组不同保温效果工装，记录第二空温式汽化器22汽化能力不足故障模式下的试验数据。通过改变液氢储罐10绝热层真空度，记录液氢储罐10保冷性能退化和失效故障模式下的试验数据。通过压力表P1、液位计LG和流量计FT读数变化，记录各故障表现形式。放空管上安装有安全阀Svs和截止阀V11，用于储罐超压排放。

4)、空温式汽化器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V7、截止阀V8并调整两阀门开度，记录第一空温式汽化器21前液氢未充分汽化时管路泄漏故障模式下的试验数据，第三空温式汽化器23将泄漏液氢汽化，避免流量计FT过冷。在第一空温式汽化器21的换热翅片上安装便携式保温棉，更换多组不同保温效果工装，记录第一空温式汽化器21汽化能力不足故障模式下的试验数据。

5)、水浴式复热器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V9并调整阀门开度，记录水浴式复热器30前管路泄漏故障模式下的试验数据。降低水浴温度或关闭电源，记录水浴式复热器30换热性能退化或失效故障模式下的试验数据。通过温度传送器TT2、压力表P2和流量计FT读数变化，记录各故障表现形式。

6)、缓冲罐故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V10，记录缓冲罐40泄漏故障模式下的试验数据。调整截止阀V2、截止阀V10开度，记录缓冲罐40压力不稳定故障模式下的试验数据。通过压力表P2和流量计FT读数变化，记录各故障表现形式。缓冲罐40上安装安全阀Svs，用于缓冲罐40超压排放。

7)、记录故障发生前后系统试验数据，关闭截止阀V1停止供应介质，检查确认液氢储罐10液位和罐内压力正常。排出系统中残留介质，按顺序关闭相应阀门、水浴式复热器和仪表，即完成全部试验流程。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：包括液氢主供应管路、液氢储罐故障试验管路、空温式汽化器故障试验管路、水浴式复热器故障试验管路以及缓冲罐故障试验管路，其中：

液氢主供应管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐(10)、截止阀V1、第一空温式汽化器(21)、水浴式复热器(30)、截止阀V2、缓冲罐(40)及截止阀V3，介质经由截止阀V3的出口流出后，再依序经由流量计FT及截止阀V4流出系统出口；在所述截止阀V1与第一空温式汽化器(21)之间的一段管路上布置压力传送器PT1和温度传送器TT1，在所述第一空温式汽化器(21)与水浴式复热器(30)之间的一段管路上布置压力传送器PT2，在所述水浴式复热器(30)与缓冲罐(40)之间的一段管路上布置温度传送器TT2，缓冲罐(40)上布置监控罐内压力的压力表P2；

液氢储罐故障试验管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐(10)、截止阀V5、升压阀V12以及第二空温式汽化器(22)，第二空温式汽化器(22)出口布置分支管路，其中一条分支管路返回液氢储罐(10)进口从而形成自增压 回路，自增压 回路上设置压力表P1、液位计LG，自增压回路通过截止阀V11连通系统出口，另一条分支管路经由截止阀V6连通至流量计FT进口；

空温式汽化器故障试验管路：包括沿介质流向依序布置的液氢储罐(10)、截止阀V1、截止阀V7、第三空温式汽化器(23)以及截止阀V8，介质经由截止阀V8的出口流出后，再依序经由流量计FT及截止阀V4流出系统出口；

水浴式复热器故障试验管路：包括截止阀V9，截止阀V9的两端分别桥接于压力传送器PT2与水浴式复热器(30)入口之间的一段管路上以及截止阀V8与流量计FT之间的一段管路上；

缓冲罐故障试验管路：包括截止阀V10，截止阀V10的一端连接所述缓冲罐(40)罐腔，另一端连接在截止阀V9与流量计FT之间的一段管路上。

2.根据权利要求1所述的一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：所述缓冲罐(40)上、压力传送器PT2与截止阀V9之间的一段管路上、第三空温式汽化器(23)出口与截止阀V8之间的一段管路上、截止阀V1的出口端处以及自增压 回路上均相应布置有安全阀Svs。

3.根据权利要求1所述的一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：所述液氢储罐(10)为卧式，液氢储罐(10)处绝热层为高真空多层绝热结构。

4.根据权利要求1所述的一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：各空温式汽化器均为翅片式传热结构。

5.根据权利要求1所述的一种液氢储供故障诊断试验系统，其特征在于：所述水浴式复热器(30)为电加热。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种液氢储供故障诊断试验系统的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、试验前准备：读取液氢储罐(10)液位，确认液氢量满足试验要求；观察液氢储罐(10)处压力表P1读数，判断是否需要进行自增压；确认主机及水浴式复热器(30)的仪表通电正常；检查各阀门开闭和系统连接正常；开启截止阀V4，其余阀门保持关闭；

2)、正常工况试验：开启截止阀V5，液氢经自增压回路后返回至液氢储罐(10)内，当液氢储罐(10)压力升高至设定压力后，关闭截止阀V5；之后，开启截止阀V2和截止阀V3，保证液氢主供应管路后端通畅，开启截止阀V1开始供应介质，通过改变试验工况，记录各试验工况下的试验数据；

3)、液氢储罐故障试验：开启截止阀V5，自增压回路开始工作，开启截止阀V6并调整截止阀V6的阀门开度，记录自增压回路泄漏故障模式下的试验数据；通过更换第二空温式汽化器(22)上的保温工装，记录第二空温式汽化器(22)汽化能力不足故障模式下的试验数据；通过改变液氢储罐(10)的绝热层的真空度，记录液氢储罐(10)保冷性能退化和失效故障模式下的试验数据；

4)、空温式汽化器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V7、V8并调整两阀门开度，记录第一空温式汽化器(21)之前液氢未充分汽化时的管路泄漏故障模式下的试验数据；通过更换第一空温式汽化器(21)上的保温工装，记录第一空温式汽化器(21)汽化能力不足故障模式下的试验数据；

5)、水浴式复热器故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V9并调整截止阀V9的阀门开度，记录水浴式复热器(30)前管路泄漏故障模式下的试验数据；降低水浴式复热器(30)的水浴温度或关闭电源，记录水浴式复热器(30)换热性能退化或失效故障模式下的试验数据；

6)、缓冲罐故障试验：在正常工况试验下，开启截止阀V10，记录缓冲罐(40)泄漏故障模式下的试验数据；调整截止阀V2及截止阀V10的阀门开度，记录缓冲罐(40)压力不稳定故障模式下的试验数据；

7)、记录故障发生前后系统试验数据，关闭截止阀V1停止供应介质，检查确认液氢储罐(10)液位和罐内压力正常；排出系统中残留介质，按顺序关闭相应阀门、水浴式复热器(30)和各仪表。

7.根据权利要求6所述的一种液氢储供故障诊断试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤2)中，正常工况试验下，改变试验工况包括改变初始液氢储罐(10)内压力、调节截止阀V1的阀门开度、调节截止阀V2的阀门开度、调节截止阀V3的阀门开度和调节水浴式复热器(30)的水浴温度。

8.根据权利要求6所述的一种液氢储供故障诊断试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤3)和步骤4)中，保温工装安装在相应的空温式汽化器的换热翅片上。

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