CN114544216A - 一种用于两相膨胀机的性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两相膨胀机的性能测试系统，包括气源装置、预冷装置、测试冷箱以及控制装置，所述气源装置通过常温高压管路以及常温低压管路与所述预冷装置连接，所述预冷装置通过低温高压绝热管路、低温低压绝热管路、氢气绝热管路与所述测试冷箱连接，所述常温高压管路上设置有常温高压阀门，所述常温低压管路上设置有常温低压阀门，所述常温高压阀门和所述常温低压阀门均与所述控制装置连接，待测两相膨胀机设置于所述测试冷箱中；该系统在真空环境中对两相膨胀机进行性能测试，并且通过控制装置调节氢气流量，系统气压稳定性好。

Description

一种用于两相膨胀机的性能测试系统

技术领域

本发明涉及氢能应用技术领域，尤其涉及一种用于两相膨胀机的性能测试系统。

背景技术

液氢是发展航空航天，氢能源产业的重要战略资源。随着我国航天事业发展，探月探火计划的不断推进，对重载火箭的需求日益增长，作为重载火箭液氢-液氧发动机最佳能量来源的液氢需求量不断增加；另一方面，氢气液化后方便运输，液氢作为大规模氢运输的主要手段日益重要。而目前，制约液氢发展的主要原因是生产液氢的能耗很高，需要通过流程的优化降低氢液化过程的能耗。基于两相膨胀机的氢液化流程是目前较为先进的流程，其核心关键部件两相膨胀机的效率很大程度上会影响整机的能效。因此，在两相膨胀机投入工作前需要对其性能进行测试。

目前，已有对氢气制冷膨胀机的性能测试方案以及用于测试膨胀机性能的装置。例如，专利文献CN113865909A公开了一种制冷膨胀机性能测试装置，装置中主要包括液氮储罐、汽化器、待测试制冷膨胀机及排空管道，通过为制冷膨胀机提供温度和压力合适的氮气来使制冷膨胀机连续工作，从而测试制冷膨胀机的性能。

但是，上述制冷膨胀机性能测试装置只能用于测试以液氮作为制冷剂的制冷膨胀机的性能，不能用于对两相膨胀机的性能进行测试，并且该测试装置缺少自动化调节控制装置，系统高低压压力稳定性不足。

发明内容

本发明提供了一种用于两相膨胀机的性能测试系统，通过气源装置和预冷装置提供稳压的低温高压氢气，在真空环境中对两相膨胀机进行性能测试，并且通过控制装置调节氢气流量，系统气压稳定性好。

一种用于两相膨胀机的性能测试系统，包括气源装置、预冷装置、测试冷箱以及控制装置，所述气源装置通过常温高压管路以及常温低压管路与所述预冷装置连接，所述预冷装置通过低温高压绝热管路、低温低压绝热管路、氢气绝热管路与所述测试冷箱连接，所述常温高压管路上设置有常温高压阀门，所述常温低压管路上设置有常温低压阀门，所述常温高压阀门和所述常温低压阀门均与所述控制装置连接，待测两相膨胀机设置于所述测试冷箱中；

所述气源装置提供常温高压氢气经所述常温高压管路输送至所述预冷装置进行换热处理，生成低温高压氢气并通过低温高压绝热管路输送至所述测试冷箱，所述低温高压氢气经所述待测两相膨胀机作用转化为低温低压氢气和低温低压饱和氢气，并分别经所述低温低压绝热管路和氢气绝热管路输送至所述预冷装置进行热交换生成常温低压氢气，经过所述常温低压管路返回至所述气源装置。

进一步地，所述气源装置包括氢气压缩机、油分离装置、缓冲罐、高压氢气出口以及低压氢气吸入口，所述高压氢气出口与所述常温高压管路连接，所述低压氢气吸入口与所述常温低压管路连接，所述低压氢气吸入口还与所述氢气压缩机通过输入管路连接，所述氢气压缩机与所述油分离装置连接，所述油分离装置与所述缓冲罐连接，所述高压氢气出口与所述油分离装置通过输出管路连接，所述缓冲罐通过加载管路与所述输入管路连接，所述缓冲罐还通过卸载管路与所述输出管路连接，所述氢气压缩机将低压氢气吸入口吸入的常温低压氢气进行处理，产生的常温高压氢气经所述油分离装置进行除油除杂处理以及缓冲罐缓冲调节之后通过所述高压氢气出口排出。

进一步地，所述气源装置还包括高压卸载阀、低压加载阀以及旁通阀；所述高压卸载阀设置于所述卸载管路上，所述旁通阀的一端连接于所述输出管路上，另一端连接于所述加载管路上，所述低压加载阀设置于所述加载管路上并位于所述旁通阀在加载管路上的连接端与所述卸载管路在加载管路上的连接端之间；

所述高压卸载阀、低压加载阀以及旁通阀与所述控制装置连接。

进一步地，所述高压氢气出口设置有第一压力传感器，所述低压氢气吸入口设置有第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器与所述控制装置连接；

所述控制装置接收所述第一压力传感器采集的高压氢气出口处的第一压力信号以及第二压力传感器采集的低压氢气吸入口处的第二压力信号，当高压氢气出口处的第一压力大于或等于第一压力阈值时，控制所述高压卸载阀开大，并关闭所述低压加载阀；当高压氢气出口处的第一压力小于所述第一压力阈值时，控制所述高压卸载阀关闭，并控制所述低压加载阀开大；当低压氢气吸入口处的第二压力大于或等于第二压力阈值时，控制所述旁通阀关小；当低压氢气吸入口处的第二压力小于第二压力阈值时，控制所述旁通阀开大。

进一步地，所述预冷装置包括箱体、法兰、第一换热模块、第二换热模块、液氮冷却入口、氮气排出口、液氮低温接插件、低温饱和氢接插件、低温高压氢接插件、低温氢气接插件以及透平膨胀机；

所述箱体为一端开口，另一端封闭的结构，所述法兰设置于所述箱体的开口端，所述第一换热模块、第二换热模块以及透平膨胀机设置于所述箱体内，所述低温饱和氢接插件、低温高压氢接插件、低温氢气接插件以及液氮低温接插件设置于所述法兰上；

所述第一换热模块与所述常温高压管路连接，所述常温高压管路输送的常温高压氢气经所述第一换热模块进行换热处理之后分为两路，其中一路气体进入第二换热模块进行降温形成低温高压氢气，另一路气体进入所述透平膨胀机形成低温低压氢气之后再进入所述第二换热模块进行复温形成常温低压氢气；

所述液氮冷却入口、氮气排出口通过管路与所述液氮低温接插件连接，经所述液氮冷却入口通入的液氮用于为所述第一换热模块进行冷却。

进一步地，所述第一换热模块包括第一换热器、第二换热器以及第三换热器，所述第二换热模块包括第四换热器以及第五换热器，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第五换热器依次通过管路连接；

所述预冷装置还包括低温饱和氢阀、低温高压氢阀、低温氢气阀、液氮低温阀、透平入口阀以及低温氢气旁通阀；

所述液氮低温阀设置于所述液氮冷却入口与氮气排出口连接的管路上，所述透平入口阀设置于所述透平膨胀机与所述第三换热器之间的管路上，所述低温氢气接插件通过管路与所述透平膨胀机以及第四换热器连接，所述低温氢气阀设置于所述低温氢气接插件与所述第四换热器之间的管路上，所述第五换热器的低温测与复温侧通过管路连接，所述低温氢气旁通阀设置于所述第五换热器的低温测与复温侧之间的管路上，所述低温高压氢接插件通过管路与所述第五换热器的低温侧连接，所述低温高压氢阀设置于所述低温高压氢接插件与所述第五换热器的低温侧之间的管路上，所述低温饱和氢接插件与所述第五换热器的复温侧通过管路连接，所述低温饱和氢阀设置于所述低温饱和氢接插件与所述第五换热器的复温侧之间的管路上；

所述低温高压氢接插件与所述低温高压绝热管路连接，所述低温氢气接插件与所述低温低压绝热管路连接，所述低温饱和氢接插件与所述氢气绝热管路连接；

所述低温饱和氢阀、低温高压氢阀、低温氢气阀、液氮低温阀、透平入口阀以及低温氢气旁通阀与所述控制装置连接；

初始时，所述控制装置控制所述低温氢气旁通阀开启，经所述第五换热器输出的低温高压氢气进入所述第五换热器的复温侧，与所述透平膨胀机输出的气体汇合，再经所述第四换热器、第三换热器、第二换热器以及第一换热器进行复温，形成常温低压氢气并经过所述常温低压管路返回至所述气源装置；

正常工作时，所述控制装置控制所述低温氢气旁通阀关闭，经所述第五换热器形成的低温高压氢气通过所述低温高压氢接插件输送至所述低温高压绝热管路，测试冷箱返回的低温低压氢气经所述低温氢气接插件之后与所述透平膨胀机的排气汇合，所述测试冷箱返回的低温低压饱和氢气经所述低温饱和氢接插件与流入所述第五换热器的复温侧。

进一步地，所述控制装置还用于接收外部发送的置换请求控制信号，并根据所述置换请求控制信号关闭所述低温饱和氢阀、低温高压氢阀以及低温氢气阀。

进一步地，所述测试冷箱包括冷箱法兰、冷箱体、饱和氢接插件、低压氢接插件、高压氢接插件、气液分离器以及加热器；

所述冷箱法兰与冷箱体连接形成封闭空间，所述气液分离器、加热器以及待测两相膨胀机设置于所述冷箱体内，所述高压氢接插件与所述低温高压绝热管路连接，所述待测两相膨胀机的进气口与所述高压氢接插件连接，低温高压氢气经所述待测两相膨胀机进行膨胀分离后生成气液两相低温氢和低温低压氢气，其中气液两相低温氢进入所述气液分离器进行气液分离形成低温低压饱和氢气并经所述饱和氢接插件返回至所述预冷装置，所述低温低压氢气经所述低压氢接插件返回至所述预冷装置，所述加热器设置于所述气液分离器的底部。

进一步地，所述高压氢接插件的管路上设置有第三压力传感器、第一温度传感器以及第一流量计，所述低压氢接插件的管路上设置有第四压力传感器、第二温度计以及第二流量计，所述气液分离器内设置有第五压力传感器和液位计，所述加热器设置有电压计和电流计；

所述第三压力传感器、第一温度传感器、第一流量计、第四压力传感器、第二温度传感器、第二流量计、第五压力传感器、液位计、电压计以及电流计均与所述控制装置连接；

所述控制装置接收所述第三压力传感器采集的第三压力信号、第一温度传感器采集的第一温度信号、第一流量计采集的第一流量信号、第四压力传感器采集的第四压力信号、第二温度传感器采集的第二温度信号、第二流量计采集的第二流量信号、第五压力传感器采集的第五压力信号、液位计采集的液位信号、电压计采集的电压信号以及电流计采集的电流信号，并计算待测两相膨胀机的生成的两相氢流量的干度和/或产液率。

进一步地，所述待测两相膨胀机的生成的两相氢流量的干度和产液率通过以下公式进行计算：

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其中，F₁为经第一流量计采集的第一流量信号计算的第一流量值，F₂为经第二流量计采集的第二流量信号计算的第二流量值，F为待测两相膨胀机的生成的两相氢流量，P为所述加热器的功率，V为所述电压计采集的电压信号值，I为所述电流计采集的电信号值，Q为产液氢流量，α为液氢在气液分离器压力下的气化潜热，X为两相氢流量的干度，EFF为产液率。

本发明提供的用于两相膨胀机的性能测试系统，至少包括如下有益效果：

（1）在测试冷箱中设置气液分离器对待测试膨胀机的出气口产物进行气液分离，并将得到的低温低压饱和氢气与低温低压氢气一同输送回预冷装置实现循环，使得测试系统能够应用于两相膨胀机测试。

（2）通过控制装置采集系统各处压力信号作为反馈信息，以此对多个阀门状态进行调节，从而维持系统内气体压力稳定，系统自动化程度高，稳定性强。

（3）将待测试的两相膨胀机设置在单独的测试冷箱中，并通过阀门控制预冷装置与测试冷箱的通断，以实现更换后只需要单独对测试冷箱进行复温，而不必对整个系统进行复温，便于待测试两相膨胀机的更换。

（4）通过控制装置采集测试冷箱中的压力、流量以及温度等数据，用于对测量得到的数据进行互相验证，进一步确保测试和测量无误，使得性能测试系统测量结果更加准确。

附图说明

图1为本发明提供的用于两相膨胀机的性能测试系统一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的测试系统中气源装置一种实施例的结构示意图。

图3为本发明提供的测试系统中气源装置另一种实施例的结构示意图。

图4为本发明提供的测试系统中预冷装置一种实施例的结构示意图。

图5为本发明提供的测试系统中测试冷箱一种实施例的结构示意图。

附图标记：1-常温高压管路，2-常温低压管路，3-常温高压阀门，4-常温低压阀门，5-低温高压绝热管路，6-低温低压绝热管路，7-氢气绝热管路，100-气源装置，101-氢气压缩机，102-压缩模块，103-后散热器，111-油分离装置，112-旁通阀，113-低压加载阀，114-高压卸载阀，121-缓冲罐，122-修理孔，123-缓冲罐进出口阀，124-排污阀，131-高压氢气出口，132-低压氢气吸入口，141-输入管路，142-输出管路，143-加载管路，144-卸载管路，200-预冷装置，201-法兰，202-箱体，203-液氮冷却入口，204-氮气排出口，21-第一换热模块，211-第一换热器，212-第二换热器，213-第三换热器，22-第二换热模块，221-第四换热器，222-第五换热器，231-低温饱和氢接插件，232-低温高压氢接插件，233-低温氢气接插件，234-液氮低温接插件，241-低温饱和氢阀，242-低温高压氢阀，243-低温氢气阀，244-液氮低温阀，245-透平入口阀，246-低温氢气旁通阀，250-透平膨胀机，300-测试冷箱，301-冷箱法兰，302-冷箱体，311-饱和氢接插件，312-低压氢接插件，313-高压氢接插件，321-待测两相膨胀机，322-气液分离器，323-加热器，400-控制装置，P1-第一压力传感器，P2-第二压力传感器，P3-第三压力传感器，P4-第四压力传感器，P5-第五压力传感器，T1-第一温度传感器，T2-第二温度传感器，F1-第一流量计，F2-第二流量计，L-液位计，V-电压计，I-电流计。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

参考图1，在一些实施例中，提供一种用于两相膨胀机的性能测试系统，包括气源装置100、预冷装置200、测试冷箱300以及控制装置400，气源装置100通过常温高压管路1以及常温低压管路2与预冷装置200连接，预冷装置200通过低温高压绝热管路5、低温低压绝热管路6、氢气绝热管路7与测试冷箱300连接，常温高压管路1上设置有常温高压阀门3，常温低压管路2上设置有常温低压阀门4，常温高压阀门3和常温低压阀门4均与控制装置400连接，待测两相膨胀机321设置于测试冷箱300中。

气源装置100提供常温高压氢气经常温高压管路1输送至预冷装置200进行换热处理，生成低温高压氢气并通过低温高压绝热管路5输送至测试冷箱300，低温高压氢气经待测两相膨胀机321作用转化为低温低压氢气和低温低压饱和氢气，并分别经低温低压绝热管路6和氢气绝热管路7输送至预冷装置200进行热交换生成常温低压氢气，经过常温低压管路2返回至气源装置100。

参考图2，在一些实施例中，气源装置100包括氢气压缩机101、油分离装置111、缓冲罐121、高压氢气出口131以及低压氢气吸入口132，高压氢气出口131与常温高压管路1连接，低压氢气吸入口132与常温低压管路2连接，低压氢气吸入口132还与氢气压缩机101通过输入管路141连接，氢气压缩机101与油分离装置111连接，油分离装置111与缓冲罐121连接，高压氢气出口131与油分离装置111通过输出管路142连接，所述缓冲罐121通过加载管路143与所述输入管路141连接，所述油分离装置111通过卸载管路144与所述加载管路143连接，氢气压缩机101将低压氢气吸入口132吸入的常温低压氢气进行处理，产生的常温高压氢气经油分离装置111进行除油除杂处理以及缓冲罐121缓冲调节之后通过高压氢气出口131排出。

其中，氢气压缩机101包括依次连接的由电能驱动的压缩模块102和后散热器103，用于将低压常温的氢气压缩为高压常温的氢气，从而为整个装置提供循环的动力；油分离装置111用于将高压常温的氢气进行除油除杂处理，对氢气中来自氢气压缩机101的润滑油和冷却油进行分离和去除；缓冲罐121上设有缓冲罐进出口、排污口及修理孔122，气源装置100还包括缓冲罐进出口阀123和排污阀124，缓冲罐进出口阀123设于缓冲罐进出口的位置，缓冲罐进出口通过管路与油分离装置111连接，排污口连接有排污管路，并在排污管路上设置排污阀124。

参考图3，作为一种优选的实施方式，气源装置100还包括高压卸载阀114、低压加载阀113以及旁通阀112；高压卸载阀114设置于卸载管路144上，旁通阀112的一端连接于输出管路142上，另一端连接于加载管路143上；低压加载阀113设置于加载管路143上并位于旁通阀112在加载管路143上的连接端与卸载管路144在加载管路143上的连接端之间；高压卸载阀114、低压加载阀113以及旁通阀112与控制装置400连接。

高压氢气出口131还设置有第一压力传感器P1，低压氢气吸入口132设置有第二压力传感器P2，第一压力传感器P1与第二压力传感器P2与控制装置400连接；

氢气缓冲罐121具有合适的大小及初始压力，以确保气源装置100运行时氢气缓冲罐121中的压力时刻处于运行的高压压力和低压压力之间，从而起到对气源装置100压力的调节作用，与高压卸载阀114、低压加载阀113以及旁通阀112配合稳定气源装置100高低压压力。

工作时，控制装置400接收第一压力传感器P1采集的高压氢气出口131处的第一压力信号以及第二压力传感器P2采集的低压氢气吸入口132处的第二压力信号，当高压氢气出口131处的第一压力大于或等于第一压力阈值时，控制高压卸载阀114开大，并关闭低压加载阀113；当高压氢气出口131处的第一压力小于第一压力阈值时，控制高压卸载阀114关闭，并控制低压加载阀113开大；当低压氢气吸入口132处的第二压力大于或等于第二压力阈值时，控制旁通阀112关小；当低压氢气吸入口132处的第二压力小于第二压力阈值时，控制旁通阀112开大。

优选的，当旁通阀112在工作时开度较大时，可以对氢气压缩机101进行降频，以降低能耗。

参考图4，在一些实施例中，预冷装置200包括箱体202、法兰201、第一换热模块21、第二换热模块22、液氮冷却入口203、氮气排出口204、液氮低温接插件234、低温饱和氢接插件231、低温高压氢接插件232、低温氢气接插件233以及透平膨胀机250。

箱体202为一端开口，另一端封闭的结构，法兰201设置于箱体202的开口端，箱体202与法兰201形成密闭真空空间，第一换热模块21、第二换热模块22以及透平膨胀机250设置于箱体202的真空空间内，低温饱和氢接插件231、低温高压氢接插件232、低温氢气接插件233以及液氮低温接插件234设置在法兰201上，液氮冷却入口203、氮气排出口204通过管路与液氮低温接插件234连接，经液氮冷却入口203通入的液氮用于为第一换热模块21进行冷却，辅助第一换热模块21进行降温，以解决热不平衡的问题。

第一换热模块21与常温高压管路1连接，常温高压管路1输送的常温高压氢气经第一换热模块21进行换热处理之后分为两路，其中一路气体进入第二换热模块22进行降温形成低温高压氢气，另一路气体进入透平膨胀机250形成低温低压氢气之后再进入第二换热模块22进行复温形成常温低压氢气。

作为一种较优的实施方式，第一换热模块21包括第一换热器211、第二换热器212以及第三换热器213，第二换热模块22包括第四换热器221以及第五换热器222，第一换热器211、第二换热器212、第三换热器213、第四换热器221以及第五换热器222依次通过管路连接。

预冷装置200还包括低温饱和氢阀241、低温高压氢阀242、低温氢气阀243、液氮低温阀244、透平入口阀245以及低温氢气旁通阀246。液氮低温阀244设置于液氮冷却入口203与氮气排出口204连接的管路上，透平入口阀245设置于透平膨胀机250与第三换热器213之间的管路上，低温氢气接插件233通过管路与透平膨胀机250以及第四换热器221连接，低温氢气阀243设置于低温氢气接插件233与第四换热器221之间的管路上，第五换热器222的低温测与复温侧通过管路连接，低温氢气旁通阀246设置于第五换热器222的低温测与复温侧之间的管路上，低温高压氢接插件232通过管路与第五换热器222的低温侧连接，低温高压氢阀242设置于低温高压氢接插件232与第五换热器222的低温侧之间的管路上，低温饱和氢接插件231与第五换热器222的复温侧通过管路连接，低温饱和氢阀241设置于低温饱和氢接插件231与第五换热器222的复温侧之间的管路上；低温高压氢接插件232与低温高压绝热管路5连接，低温氢气接插件233与低温低压绝热管路6连接，低温饱和氢接插件231与氢气绝热管路7连接；低温饱和氢阀241、低温高压氢阀242、低温氢气阀243、液氮低温阀244、透平入口阀245以及低温氢气旁通阀246与控制装置400连接。

初始时，控制装置400控制低温氢气旁通阀246开启，经第五换热器222输出的低温高压氢气进入第五换热器222的复温侧，与透平膨胀机250输出的气体汇合，再经第四换热器221、第三换热器213、第二换热器212以及第一换热器211进行复温，形成常温低压氢气并经过常温低压管路2返回至气源装置100。

正常工作时，控制装置400控制低温氢气旁通阀246关闭，经第五换热器222形成的低温高压氢气通过低温高压氢接插件232输送至低温高压绝热管路5，测试冷箱300返回的低温低压氢气经低温氢气接插件233之后与透平膨胀机250的排气汇合，测试冷箱300返回的低温低压饱和氢气经低温饱和氢接插件231与流入第五换热器222的复温侧。

作为一种较优的实施方式，控制装置400还用于接收外部发送的置换请求控制信号，并根据置换请求控制信号关闭低温饱和氢阀241、低温高压氢阀242以及低温氢气阀243。当需要更换测试膨胀机时，关闭低温饱和氢阀241、低温高压氢阀242、低温氢气阀243，以使预冷装置200与测试冷箱300完全隔断，从而可以在保证预冷装置200处于低温状态时，能够独立对测试冷箱300进行复温。测试冷箱300强制快速复温后，可以利用设置在冷箱法兰301上的接插件快速插拔低温传输管路，进而可以将测试冷箱300上的冷箱法兰301打开，对待测两相膨胀机321进行更换。完成更换后，将低温传输管路复位，再对测试冷箱300进行氢气置换就可以进行下一次实验，节约了时间，提高了测试效率。否则，需要对整个装置进行复温，由于预冷装置200内的换热器有巨大的热容，对换热器进行复温再降温以及置换氢气都需要很长的时间。

参考图5，在一些实施例中，测试冷箱300包括冷箱法兰301、冷箱体302、饱和氢接插件311、低压氢接插件312、高压氢接插件313、气液分离器322以及加热器323。冷箱法兰301与冷箱体302连接形成真空封闭空间，气液分离器322、加热器323以及待测两相膨胀机321设置于冷箱体302内，高压氢接插件313与低温高压绝热管路5连接，待测两相膨胀机321的进气口与高压氢接插件313连接，低温高压氢气经待测两相膨胀机321进行膨胀分离后生成气液两相低温氢和低温低压氢气，其中气液两相低温氢进入气液分离器322进行气液分离形成低温低压饱和氢气并经饱和氢接插件311返回至预冷装置200，低温低压氢气经低压氢接插件312返回至预冷装置200，加热器323设置于气液分离器322的底部。

高压氢接插件313的管路上设置有第三压力传感器P3、第一温度传感器T1以及第一流量计F1，低压氢接插件312的管路上设置有第四压力传感器P4、第二温度计T2以及第二流量计F2，气液分离器322内设置有第五压力传感器P5和液位计L，加热器323设置有电压计V和电流计I。实验过程中，调节加热器323的电压或电流，获得合适的加热功率，保持液位计L稳定。第三压力传感器P3、第一温度传感器T1、第一流量计F1、第四压力传感器P4、第二温度传感器T2、第二流量计F2、第五压力传感器P5、液位计L、电压计V以及电流计I均与控制装置400连接。

控制装置400接收第三压力传感器P3采集的第三压力信号、第一温度传感器T1采集的第一温度信号、第一流量计F1采集的第一流量信号、第四压力传感器P4采集的第四压力信号、第二温度传感器T2采集的第二温度信号、第二流量计F2采集的第二流量信号、第五压力传感器P5采集的第五压力信号、液位计L采集的液位信号、电压计V采集的电压信号以及电流计I采集的电流信号，并计算待测两相膨胀机321的生成的两相氢流量的干度和/或产液率。

其中，待测两相膨胀机321的生成的两相氢流量的干度和产液率通过以下公式进行计算：

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其中，F₁为经第一流量计采集的第一流量信号计算的第一流量值，F₂为经第二流量计采集的第二流量信号计算的第二流量值，F为待测两相膨胀机的生成的两相氢流量，P为加热器的功率，V为电压计采集的电压信号值，I为电流计采集的电信号值，Q为产液氢流量，α为液氢在气液分离器压力下的气化潜热，X为两相氢流量的干度，EFF为产液率。

控制装置接收第三压力传感器采集的第三压力信号、第一温度传感器采集的第一温度信号、第一流量计采集的第一流量信号、第四压力传感器采集的第四压力信号、第二温度传感器采集的第二温度信号、第二流量计采集的第二流量信号、第五压力传感器采集的第五压力信号，还用于对测量数据进行相互验证，验证过程通过以下公式表示：

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其中，P₃为经第三压力传感器采集的第三压力信号计算的第三压力值，T₁为经第一温度传感器采集的第一温度信号计算的第一温度值，P₄为经第四压力传感器采集的第四压力信号计算的第四压力值，T₂为经第二温度传感器采集的第二温度信号计算的第二温度值，P₅为经第五压力传感器采集的第五压力信号计算的第五压力值，T_B为氢气的气液平衡温度，F₁为经第一流量计采集的第一流量信号计算的第一流量值，F₂为经第二流量计采集的第二流量信号计算的第二流量值，F为待测两相膨胀机的生成的两相氢流量，Q为产液氢流量，h（P₃,T₁）为在压力P₃和温度T₁条件下流体的比焓值，h（P₄,T₂）为在压力P₄和温度T₂条件下流体的比焓值，h_L（P₅,T_B）为在压力P₅以及温度为该气液平衡温度条件下饱和液的比焓值，h_G（P₅,T_B）为在压力P₅以及温度为该气液平衡温度条件下饱和气的比焓值，比焓值的单位为kJ/kg。

流体处于气液两相平衡状态时，在压力一定的前提下，温度是恒定的。流体中液态部分的比焓值和气态部分的比焓值是不一样的，气液两相时的比焓值等于液态部分的比焓值乘以液态部分所占的比例加上气态部分的比焓值乘以气态部分所占的比例。因此，上述温度传感器采集到的温度数据及压力传感器采集到的压力数据等还可以用于互相验证，进一步确保测试和测量无误，使得性能测试系统测量结果更加准确。

本实施例提供的用于两相膨胀机的性能测试系统，在测试冷箱中设置气液分离器对待测试膨胀机的出气口产物进行气液分离，并将得到的低温低压饱和氢气与低温低压氢气一同输送回预冷装置实现循环，使得测试系统能够应用于两相膨胀机测试；通过控制装置采集系统各处压力信号作为反馈信息，以此对多个阀门状态进行调节，从而维持系统内气体压力稳定，系统自动化程度高，稳定性强；将待测试的两相膨胀机设置在单独的测试冷箱中，并通过阀门控制预冷装置与测试冷箱的通断，以实现更换后只需要单独对测试冷箱进行复温，而不必对整个系统进行复温，便于待测试两相膨胀机的更换；通过控制装置采集测试冷箱中的压力、流量以及温度等数据，用于对测量得到的数据进行互相验证，进一步确保测试和测量无误，使得性能测试系统测量结果更加准确。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于两相膨胀机的性能测试系统，其特征在于，包括气源装置、预冷装置、测试冷箱以及控制装置，所述气源装置通过常温高压管路以及常温低压管路与所述预冷装置连接，所述预冷装置通过低温高压绝热管路、低温低压绝热管路、氢气绝热管路与所述测试冷箱连接，所述常温高压管路上设置有常温高压阀门，所述常温低压管路上设置有常温低压阀门，所述常温高压阀门和所述常温低压阀门均与所述控制装置连接，待测两相膨胀机设置于所述测试冷箱中；

所述气源装置提供常温高压氢气经所述常温高压管路输送至所述预冷装置进行换热处理，生成低温高压氢气并通过低温高压绝热管路输送至所述测试冷箱，所述低温高压氢气经所述待测两相膨胀机作用转化为低温低压氢气和低温低压饱和氢气，并分别经所述低温低压绝热管路和氢气绝热管路输送至所述预冷装置进行热交换生成常温低压氢气，经过所述常温低压管路返回至所述气源装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气源装置包括氢气压缩机、油分离装置、缓冲罐、高压氢气出口以及低压氢气吸入口，所述高压氢气出口与所述常温高压管路连接，所述低压氢气吸入口与所述常温低压管路连接，所述低压氢气吸入口还与所述氢气压缩机通过输入管路连接，所述氢气压缩机与所述油分离装置连接，所述油分离装置与所述缓冲罐连接，所述高压氢气出口与所述油分离装置通过输出管路连接，所述缓冲罐通过加载管路与所述输入管路连接，所述油分离装置通过卸载管路与所述加载管路连接，所述氢气压缩机将低压氢气吸入口吸入的常温低压氢气进行处理，产生的常温高压氢气经所述油分离装置进行除油除杂处理以及缓冲罐缓冲调节之后通过所述高压氢气出口排出。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气源装置还包括高压卸载阀、低压加载阀以及旁通阀；所述高压卸载阀设置于所述卸载管路上，所述旁通阀的一端连接于所述输出管路上，另一端连接于所述加载管路上，所述低压加载阀设置于所述加载管路上并位于所述旁通阀在加载管路上的连接端与卸载管路在加载管路上的连接端之间；

所述高压卸载阀、低压加载阀以及旁通阀与所述控制装置连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高压氢气出口设置有第一压力传感器，所述低压氢气吸入口设置有第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器与所述控制装置连接；

所述控制装置接收所述第一压力传感器采集的高压氢气出口处的第一压力信号以及第二压力传感器采集的低压氢气吸入口处的第二压力信号，当高压氢气出口处的第一压力大于或等于第一压力阈值时，控制所述高压卸载阀开大，并关闭所述低压加载阀；当高压氢气出口处的第一压力小于所述第一压力阈值时，控制所述高压卸载阀关闭，并控制所述低压加载阀开大；当低压氢气吸入口处的第二压力大于或等于第二压力阈值时，控制所述旁通阀关小；当低压氢气吸入口处的第二压力小于第二压力阈值时，控制所述旁通阀开大。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预冷装置包括箱体、法兰、第一换热模块、第二换热模块、液氮冷却入口、氮气排出口、液氮低温接插件、低温饱和氢接插件、低温高压氢接插件、低温氢气接插件以及透平膨胀机；

所述箱体为一端开口，另一端封闭的结构，所述法兰设置于所述箱体的开口端，所述第一换热模块、第二换热模块以及透平膨胀机设置于所述箱体内，所述低温饱和氢接插件、低温高压氢接插件、低温氢气接插件以及液氮低温接插件设置在所述法兰上；

所述第一换热模块与所述常温高压管路连接，所述常温高压管路输送的常温高压氢气经所述第一换热模块进行换热处理之后分为两路，其中一路气体进入第二换热模块进行降温形成低温高压氢气，另一路气体进入所述透平膨胀机形成低温低压氢气之后再进入所述第二换热模块进行复温形成常温低压氢气；

所述液氮冷却入口、氮气排出口通过管路与所述液氮低温接插件连接，经所述液氮冷却入口通入的液氮用于为所述第一换热模块进行冷却。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一换热模块包括第一换热器、第二换热器以及第三换热器，所述第二换热模块包括第四换热器以及第五换热器，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第五换热器依次通过管路连接；

所述预冷装置还包括低温饱和氢阀、低温高压氢阀、低温氢气阀、液氮低温阀、透平入口阀以及低温氢气旁通阀；

所述液氮低温阀设置于所述液氮冷却入口与氮气排出口连接的管路上，所述透平入口阀设置于所述透平膨胀机与所述第三换热器之间的管路上，所述低温氢气接插件通过管路与所述透平膨胀机以及第四换热器连接，所述低温氢气阀设置于所述低温氢气接插件与所述第四换热器之间的管路上，所述第五换热器的低温测与复温侧通过管路连接，所述低温氢气旁通阀设置于所述第五换热器的低温测与复温侧之间的管路上，所述低温高压氢接插件通过管路与所述第五换热器的低温侧连接，所述低温高压氢阀设置于所述低温高压氢接插件与所述第五换热器的低温侧之间的管路上，所述低温饱和氢接插件与所述第五换热器的复温侧通过管路连接，所述低温饱和氢阀设置于所述低温饱和氢接插件与所述第五换热器的复温侧之间的管路上；

所述低温高压氢接插件与所述低温高压绝热管路连接，所述低温氢气接插件与所述低温低压绝热管路连接，所述低温饱和氢接插件与所述氢气绝热管路连接；

所述低温饱和氢阀、低温高压氢阀、低温氢气阀、液氮低温阀、透平入口阀以及低温氢气旁通阀与所述控制装置连接；

初始时，所述控制装置控制所述低温氢气旁通阀开启，经所述第五换热器输出的低温高压氢气进入所述第五换热器的复温侧，与所述透平膨胀机输出的气体汇合，再经所述第四换热器、第三换热器、第二换热器以及第一换热器进行复温，形成常温低压氢气并经过所述常温低压管路返回至所述气源装置；

正常工作时，所述控制装置控制所述低温氢气旁通阀关闭，经所述第五换热器形成的低温高压氢气通过所述低温高压氢接插件输送至所述低温高压绝热管路，测试冷箱返回的低温低压氢气经所述低温氢气接插件之后与所述透平膨胀机的排气汇合，所述测试冷箱返回的低温低压饱和氢气经所述低温饱和氢接插件与流入所述第五换热器的复温侧。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制装置还用于接收外部发送的置换请求控制信号，并根据所述置换请求控制信号关闭所述低温饱和氢阀、低温高压氢阀以及低温氢气阀。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试冷箱包括冷箱法兰、冷箱体、饱和氢接插件、低压氢接插件、高压氢接插件、气液分离器以及加热器；

所述冷箱法兰与冷箱体连接形成封闭空间，所述气液分离器、加热器以及待测两相膨胀机设置于所述冷箱体内，所述高压氢接插件与所述低温高压绝热管路连接，所述待测两相膨胀机的进气口与所述高压氢接插件连接，低温高压氢气经所述待测两相膨胀机进行膨胀分离后生成气液两相低温氢和低温低压氢气，其中气液两相低温氢进入所述气液分离器进行气液分离形成低温低压饱和氢气并经所述饱和氢接插件返回至所述预冷装置，所述低温低压氢气经所述低压氢接插件返回至所述预冷装置，所述加热器设置于所述气液分离器的底部。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述高压氢接插件的管路上设置有第三压力传感器、第一温度传感器以及第一流量计，所述低压氢接插件的管路上设置有第四压力传感器、第二温度计以及第二流量计，所述气液分离器内设置有第五压力传感器和液位计，所述加热器设置有电压计和电流计；

所述第三压力传感器、第一温度传感器、第一流量计、第四压力传感器、第二温度传感器、第二流量计、第五压力传感器、液位计、电压计以及电流计均与所述控制装置连接；

所述控制装置接收所述第三压力传感器采集的第三压力信号、第一温度传感器采集的第一温度信号、第一流量计采集的第一流量信号、第四压力传感器采集的第四压力信号、第二温度传感器采集的第二温度信号、第二流量计采集的第二流量信号、第五压力传感器采集的第五压力信号、液位计采集的液位信号、电压计采集的电压信号以及电流计采集的电流信号，并计算待测两相膨胀机的生成的两相氢流量的干度和/或产液率。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述待测两相膨胀机的生成的两相氢流量的干度和产液率通过以下公式进行计算：

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其中，F₁为经第一流量计采集的第一流量信号计算的第一流量值，F₂为经第二流量计采集的第二流量信号计算的第二流量值，F为待测两相膨胀机的生成的两相氢流量，P为所述加热器的功率，V为所述电压计采集的电压信号值，I为所述电流计采集的电信号值，Q为产液氢流量，α为液氢在气液分离器压力下的气化潜热，X为两相氢流量的干度，EFF为产液率。

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