CN112763647A - 高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法 - Google Patents

高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压氢气设备分级报警保护系统，其包括：壳体，其罩设在高压氢气设备外部，壳体上设有换气装置；低浓度氢气检测器；高浓度氢气检测器；以及PLC控制器，其与换气装置、低浓度氢气检测器和高浓度氢气检测器通信连接。当低浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于第一阈值时，PLC控制器触发一级连锁报警动作；当高浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于第二阈值时，PLC控制器触发二级连锁报警动作。本发明还公开了一种高压氢气设备分级报警保护方法。本发明不仅可以对低浓度氢气泄漏和高浓度氢气泄漏分级执行不同的相关操作，还可以通过双重检测，避免漏报发生，提高检测和报警精度。

Description

高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法
技术领域
本发明涉及高压氢气设备安全保障领域，特别涉及一种高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法。
背景技术
化石能源(煤、石油、天然气)属于典型的一次能源，且不可再生。随着世界范围内环境保护意识的不断增强，煤和石油等使用过程中引发的环境污染受到日益严格的限制。作为二十一世纪的绿色能源，氢能具有众多优势，如生产方法多样化，如电解水、光解水、化工厂副产氢等；燃烧之后只产生水，无二次污染；储存方式较多，可以低温液氢储存，也可以高压气态储存；是一种可循环再生的能源。鉴于氢能的众多优势，世界范围内掀起了氢能研究、应用的热潮，加速氢能产业的快速发展及应用。
氢能在交通运输领域的巨大优势日益得到显现，以丰田生产的家用氢燃料电池汽车“Mirai”为代表的氢能汽车开始在日本、美国及欧洲公开发售，氢燃料电池汽车正在让交通领域零排放成为现实。与氢燃料电池汽车相配套的，则是加氢站的建设及布局。
氢能的民用过程中，其安全保障问题是核心影响因素之一。氢气具有密度小、无色无味、燃烧过程中火焰无色、扩散速度快等特点，发生泄漏时难以通过人体器官进行感知，须通过相关仪器进行分析检测，同时燃烧范围(4～75vol.％)和爆轰极限(18～59vol.％)宽，且存在氢脆等问题，也加剧了氢能使用过程中的安全风险。
然而，现有技术中缺乏高压氢气设备在运转过程中有效的氢气泄漏检测及安全防控措施，可能会导致氢气燃烧、爆炸、爆轰等多种安全隐患。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的之一在于，提供一种高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法，从而提高现有技术中高压氢气设备的泄漏检测精确度和效率。
本发明的另一目的在于，提供一种高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法，从而避免泄漏事故的漏报，确保高压氢气设备的安全。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种高压氢气设备分级报警保护系统，其包括：壳体，其罩设在高压氢气设备外部，高压氢气设备通过进出管线与外部环境相连通，壳体上设有换气装置；低浓度氢气检测器，其设置在壳体内部；高浓度氢气检测器，其设置在壳体内部；以及PLC控制器，其与换气装置、低浓度氢气检测器和高浓度氢气检测器通信连接，PLC控制器设有第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值。其中，当低浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于第一阈值时，PLC控制器触发一级连锁报警动作；当高浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于第二阈值时，PLC控制器触发二级连锁报警动作。
进一步，上述技术方案中，当低浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值小于第一阈值时，PLC控制器关闭换气装置或调节换气装置的换气速率至5～10次/小时。
进一步，上述技术方案中，PLC控制器设有第三阈值，第三阈值大于第二阈值，当高浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于第三阈值时，PLC控制器触发三级连锁报警动作。
进一步，上述技术方案中，一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时；三级连锁报警动作包括关闭高压氢气设备的紧急切断阀。
进一步，上述技术方案中，第一阈值为0.4～0.5vol％；第二阈值为0.9～1.1vol％；第三阈值为1.5～1.6vol％。
进一步，上述技术方案中，第一阈值为0.4vol％；第二阈值为1.0vol％；第三阈值为1.6vol％。
进一步，上述技术方案中，低浓度氢气检测器的测量范围为0～2.0vol％，高浓度氢气检测器的测量范围为0～100vol％。
进一步，上述技术方案中，高压氢气设备为高压储氢罐和/或氢气压缩机。
进一步，上述技术方案中，壳体的边角和连接处均为圆弧过渡。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种高压氢气设备分级报警保护方法，该方法采用如上述技术方案中任意一项的高压氢气设备分级报警保护系统，该方法至少包括如下步骤：设置PLC控制器的运行参数，运行参数包括第一阈值、第二阈值、一级连锁报警动作和二级连锁报警动作；采集壳体内的氢气浓度值；比较氢气浓度值与第一阈值和第二阈值；以及根据比较结果触发一级连锁报警动作或二级连锁报警动作。
进一步，上述技术方案中，运行参数还包括第三阈值和三级连锁报警动作。
进一步，上述技术方案中，一级连锁报警动作和二级连锁报警动作包括发送声光信号至中控室，声光信号设有手动关闭模式和/或自动关闭模式；三级连锁报警动作包括关闭高压氢气设备的紧急切断阀。
进一步，上述技术方案中，一级连锁报警动作还包括调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作还包括调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时。
进一步，上述技术方案中，该方法还包括如下步骤：当氢气浓度值小于第一阈值时，停止一级连锁报警动作和二级连锁报警动作。
进一步，上述技术方案中，该方法还包括如下步骤：当氢气浓度值小于第一阈值时，手动打开紧急切断阀。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.通过设置高、低浓度氢气检测器，不仅可以对低浓度氢气泄漏和高浓度氢气泄漏分别执行不同的相关操作，还可以通过双重检测，避免漏报发生，提高检测和报警精度。
2.通过设置壳体形成密封空间，氢气泄漏的检测灵敏度大大提高，对高压氢气设备不同部位的泄漏形成全面保护。
3.配合设有连锁执行机构换气装置，一方面避免壳体内氢气浓度过高造成安全事故，另一方面通过换气装置对壳体内的气体形成扰动，使得壳体内的氢气浓度更加均匀，避免局部氢气集聚，造成检测结果失真。
4.通过设置不同阈值及相应的分级连锁保护，避免不必要的停机，影响生产效率。
上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明的一实施方式的高压氢气设备分级报警保护系统的示意图，其中高压氢气设备为高压储氢罐。
图2是根据本发明的另一实施方式的高压氢气设备分级报警保护系统的示意图，其中高压氢气设备为氢气压缩机。
主要附图标记说明：
10-高压储氢罐，11-氢气压缩机，20-壳体，21-低浓度氢气检测器，22-高浓度氢气检测器，23-换气装置。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
如图1至图2所示，根据本发明具体实施方式的高压氢气设备分级报警保护系统，其中示例性地，图1中的高压氢气设备为高压储氢罐10，图2中的高压氢气设备为氢气压缩机11。应了解的是，本发明并不以此为限，在其他实施例中，高压氢气设备还可以为卸气柱、氢气缓冲罐、高压氢气逻辑控制盘，也可以是多种设备的组合，例如，高压氢气设备为高压储氢罐和氢气压缩机。市售的经过相关检验检测合格的高压氢气设备是本发明的防控对象，本发明并未对这些设备进行任何工艺或技术上的修改，在此不做赘述。高压氢气设备分级报警保护系统包括罩设在高压氢气设备外部的壳体20，高压氢气设备通过进出管线(图中未示出)与外部环境相连通。在现有高压氢气设备的外部加装外壳20，形成密封腔，当高压氢气设备出现泄漏时，密封腔能够收集泄漏的氢气，避免氢气扩散速度快造成对氢气浓度的低估，报警不够及时；同时对壳体内的高压氢气设备整体进行全面监控，减少检测器的数量，降低保护成本。壳体20上设有换气装置23，例如，换气扇，示例性地，换气装置23设置在壳体20的顶部。低浓度氢气检测器21和高浓度氢气检测器22用于检测壳体20内的氢气浓度。本发明的高压氢气设备分级报警保护系统设有PLC控制器(图中未示出)，其与换气装置23、低浓度氢气检测器21和高浓度氢气检测器22通信连接。PLC控制器被配置为根据壳体20内的氢气浓度来触发连锁报警动作。根据壳体20形成的密封腔的体积、高压氢气设备的种类等，PLC控制器可以预设氢气浓度的第一阈值和第二阈值，第一阈值小于第二阈值。当低浓度氢气检测器21检测到的氢气浓度值大于或等于第一阈值时，PLC控制器触发一级连锁报警动作；当高浓度氢气检测器22检测到的氢气浓度值大于或等于第二阈值时，PLC控制器触发二级连锁报警动作。两个氢气浓度检测器不仅可以对高、低浓度氢气泄漏分别执行不同的连锁报警动作，还可以通过双重检测，避免漏报情况发生，从而提高了本发明高压氢气设备分级报警保护系统的可靠性。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，当低浓度氢气检测器21检测到的氢气浓度值小于第一阈值时，PLC控制器关闭换气装置23或调节换气装置23的换气速率至5～10次/小时。本发明中的换气装置23的换气速率在5～35次/小时之间可调，换气装置23也可以用于壳体20内密封空间的日常换气，优选地，换气速率为10次/小时。换气装置23能够扰动壳体20内密封空间的气流扰动，避免局部氢气集聚，影响检测器的检测结果。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，PLC控制器还可以预设氢气浓度的第三阈值，第三阈值大于第二阈值，当高浓度氢气检测器22检测到的氢气浓度值大于或等于第三阈值时，PLC控制器触发三级连锁报警动作。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置23的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置23的换气速率至不低于30次/小时；三级连锁报警动作包括关闭高压氢气设备的紧急切断阀(图中未示出)。氢气燃烧下限为4.0vol％，可以简记为100％LEL，示例性地，第一阈值可以为0.4vol％(10％LEL)；第二阈值可以为1.0vol％(25％LEL)；第三阈值可以为1.6vol％(40％LEL)。本发明的高压氢气设备分级报警保护系统旨在分级连锁报警，本领域技术人员可以根据实际情况选择具体的阈值，本发明并不以上述阈值的设定为限，各级连锁报警动作也可以根据实际需要选择，例如，上述换气速率仅为示例性的，并不作为本发明的限制。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，选择不同量程的氢气浓度检测器，确保检测的精确度。低浓度氢气检测器21的测量范围为0～2.0vol％，高浓度氢气检测器的测量范围为0～100vol％。
优选而非限制性地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，壳体20的边角和连接处均采用圆弧过渡设计，避免泄漏的氢气在上述位置积聚。示例性地，壳体20可以选用常见的碳钢、铝合金等材质，本发明并不以此为限。
根据本发明具体实施方式的高压氢气设备分级报警保护方法，该方法采用如上述技术方案中任意一项的高压氢气设备分级报警保护系统，该方法至少包括如下步骤：设置PLC控制器的运行参数，运行参数包括第一阈值、第二阈值、一级连锁报警动作和二级连锁报警动作；采集壳体内的氢气浓度值；比较氢气浓度值与第一阈值和第二阈值；以及根据比较结果触发一级连锁报警动作或二级连锁报警动作。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，运行参数还包括第三阈值和三级连锁报警动作。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，一级连锁报警动作和二级连锁报警动作包括发送声光信号至中控室，声光信号设有手动关闭模式和/或自动关闭模式；三级连锁报警动作包括关闭高压氢气设备的紧急切断阀。声光信号发送至中控室，以便工作人员及时发现并采取相应措施，工作人员在得知报警信号后或者在排除故障后，可以选择手动关闭声光报警。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，一级连锁报警动作还包括调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作还包括调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，高压氢气设备分级报警保护方法还包括如下步骤：当氢气浓度值小于第一阈值时，停止一级连锁报警动作和二级连锁报警动作。当氢气浓度值恢复正常，可以自动解除报警，确保工作效率。
进一步，上述技术方案中，该方法还包括如下步骤：当氢气浓度值小于第一阈值时，手动打开紧急切断阀。紧急切断阀可以为自动控制或者手动控制，工作人员可以在确认故障已经排除后，手动打开紧急切断阀，恢复设备正常工作。
本发明的高压氢气设备分级报警保护系统和报警保护方法可以适用于高压储氢罐、氢气压缩机等，也可以用于多种高压氢气设备的组合。下面以实施例更具体地说明本发明的内容，应了解的是，本发明并不以此为限。
实施例1
参考图1所示，本实施例的高压氢气设备分级报警保护系统中，高压储氢罐10的水容积为1.5m3，压力42MPa，壳体20容积为4m3，正常工作工况下，换气装置23的换气速率为10次/小时。本实施例的保护系统中设置高、低浓度氢气检测器。PLC控制器预设第一阈值为0.4vol％，第二阈值为1.0vol％，第三阈值为1.6vol％。一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时；三级连锁报警动作包括关闭高压储氢罐的紧急切断阀。本实施例通过设置高、低浓度氢气检测器，不仅可以对低浓度氢气泄漏和高浓度氢气泄漏分别执行不同的相关操作，还可以通过双重检测，避免漏报发生，检测和报警精度提高。
实施例2
参考图2所示，本实施例的高压氢气设备分级报警保护系统中，两台氢气压缩机11的体积为3m3，排气压力45MPa，壳体20容积为6.5m3，正常工作工况下，换气装置23的换气速率为8次/小时。本实施例的保护系统中设置高、低浓度氢气检测器。PLC控制器预设第一阈值为0.4vol％，第二阈值为1.0vol％，第三阈值为1.6vol％。一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时；三级连锁报警动作包括关闭氢气压缩机11的紧急切断阀。本实施例的高压氢气设备为两台氢气压缩机，其检测和报警效果与实施例1相同。
实施例3
本实施例的高压氢气设备分级报警保护系统的壳体罩设在一个高压储氢罐和一台氢气压缩机外部，高压储氢罐的水容积为1.5m3，压力42MPa，氢气压缩机的体积为1.4m3，排气压力45MPa，壳体容积为7m3，正常工作工况下，换气装置的换气速率为10次/小时。本实施例的保护系统中设置高、低浓度氢气检测器。PLC控制器预设第一阈值为0.4vol％，第二阈值为1.0vol％，第三阈值为1.6vol％。一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时；三级连锁报警动作包括关闭高压储氢罐和氢气压缩机的紧急切断阀。本实施例的高压氢气设备为一个高压储氢罐和一台氢气压缩机，其检测和报警效果与实施例1相同。
实施例4
本实施例的高压氢气设备分级报警保护系统中，高压储氢罐10的水容积为1m3，压力42MPa，壳体20容积为3.5m3，正常工作工况下，换气装置23的换气速率为10次/小时。本实施例的保护系统中设置高、低浓度氢气检测器。PLC控制器预设第一阈值为0.4vol％，第二阈值为1.0vol％。一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于30次/小时。本实施例中设置两级连锁报警动作，由于没有设置关闭紧急切断阀的动作，当收到声光信号时，操作人员需要尽快采取措施，以避免氢气浓度继续升高造成安全事故。
实施例5
本实施例的高压氢气设备分级报警保护系统中，高压储氢罐10的水容积为1.6m3，压力42MPa，壳体20容积为5m3，正常工作工况下，换气装置23的换气速率为10次/小时。本实施例的保护系统中设置高、低浓度氢气检测器。PLC控制器预设第一阈值为1.0vol％，第二阈值为1.6vol％。一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节换气装置的换气速率至不低于20次/小时；二级连锁报警动作包括发送声光信号和关闭高压储氢罐的紧急切断阀。本实施例仅设置两级连锁报警动作，两个阈值的差值较实施例1大，报警精度比实施例1稍低，但是仍能满足本场景中使用需求，本领域技术人员可以根据需求选择分级报警的级数。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，包括：
壳体，其罩设在高压氢气设备外部，所述高压氢气设备通过进出管线与外部环境相连通，所述壳体上设有换气装置；
低浓度氢气检测器，其设置在所述壳体内部；
高浓度氢气检测器，其设置在所述壳体内部；以及
PLC控制器，其与所述换气装置、所述低浓度氢气检测器和所述高浓度氢气检测器通信连接，所述PLC控制器设有第一阈值和第二阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，
其中，当所述低浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于所述第一阈值时，所述PLC控制器触发一级连锁报警动作；当所述高浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于所述第二阈值时，所述PLC控制器触发二级连锁报警动作。
2.根据权利要求1所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，当所述低浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值小于所述第一阈值时，所述PLC控制器关闭所述换气装置或调节所述换气装置的换气速率至5～10次/小时。
3.根据权利要求1所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述PLC控制器设有第三阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值，当所述高浓度氢气检测器检测到的氢气浓度值大于或等于所述第三阈值时，所述PLC控制器触发三级连锁报警动作。
4.根据权利要求3所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述一级连锁报警动作包括发送声光信号和调节所述换气装置的换气速率至不低于20次/小时；所述二级连锁报警动作包括发送声光信号和调节所述换气装置的换气速率至不低于30次/小时；所述三级连锁报警动作包括关闭所述高压氢气设备的紧急切断阀。
5.根据权利要求3所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述第一阈值为0.4～0.5vol％；所述第二阈值为0.9～1.1vol％；所述第三阈值为1.5～1.6vol％。
6.根据权利要求5所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述低浓度氢气检测器的测量范围为0～2.0vol％，所述高浓度氢气检测器的测量范围为0～100vol％。
7.根据权利要求1所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述高压氢气设备为高压储氢罐和/或氢气压缩机。
8.根据权利要求1所述的高压氢气设备分级报警保护系统，其特征在于，所述壳体的边角和连接处均为圆弧过渡。
9.一种高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，该方法采用如权利要求1～8中任意一项所述的高压氢气设备分级报警保护系统，该方法至少包括如下步骤：
设置PLC控制器的运行参数，所述运行参数包括第一阈值、第二阈值、一级连锁报警动作和二级连锁报警动作；
采集所述壳体内的氢气浓度值；
比较氢气浓度值与所述第一阈值和所述第二阈值；以及
根据比较结果触发所述一级连锁报警动作或所述二级连锁报警动作。
10.根据权利要求9所述的高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，所述运行参数还包括第三阈值和三级连锁报警动作。
11.根据权利要求10所述的高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，所述一级连锁报警动作和所述二级连锁报警动作包括发送声光信号至中控室，所述声光信号设有手动关闭模式和/或自动关闭模式；所述三级连锁报警动作包括关闭所述高压氢气设备的紧急切断阀。
12.根据权利要求11所述的高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，所述一级连锁报警动作还包括调节所述换气装置的换气速率至不低于20次/小时；所述二级连锁报警动作还包括调节所述换气装置的换气速率至不低于30次/小时。
13.根据权利要求12所述的高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，还包括如下步骤：
当所述氢气浓度值小于所述第一阈值时，停止所述一级连锁报警动作和所述二级连锁报警动作。
14.根据权利要求12所述的高压氢气设备分级报警保护方法，其特征在于，还包括如下步骤：
当所述氢气浓度值小于所述第一阈值时，手动打开所述紧急切断阀。
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