CN115264381B - 一种固态储氢装置的安全监测系统及监测方法 - Google Patents

一种固态储氢装置的安全监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固态储氢装置的安全监测系统，包括位于储存站内的储氢容器，储氢容器和储存站之间的换热介质腔被换热介质填充，换热介质通过储存站外密封的介质箱循环流动换热；介质箱上设置有测量介质箱内液面上方的氢气体积浓度的氢气浓度测量系统。本发明在储存站内设置换热介质腔对储氢容器实时换热，由于固态储氢合金在吸放氢的过程中会存在放热与吸热，换热介质可保证储氢容器的温度维持在合适的范围内，由于介质箱上设置有氢气浓度测量系统，通过间接测量介质箱内液面上方的氢气体积浓度，即可通过计算得出储氢容器的氢气泄漏速率以及储存站换热介质腔内的氢气体积浓度，在氢气发生泄漏时可立即启动应急措施，防止意外事故的发生。

Description

一种固态储氢装置的安全监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及氢能源监测领域，具体是一种固态储氢装置的安全监测系统及监测方法。
背景技术
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采，几乎完全依靠化石燃料。氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。
利用固态储氢材料储氢并结合高压容器在放氢时形成高压供氢，是一种新型的可用于加氢站的储供氢方式，高压氢气具有易漏、易燃、易爆、以及损伤临氢材料等特性，一旦发生危险即可能带来重大的生命财产损伤，特别是存储有大量氢的加氢站，更需要保证其处于安全的工作状态；此外，固态储氢材料在吸放氢时存在放热吸收现象，需要容器配备热管理系统，如在储氢容器外侧安装水冷夹层，导致常规的氢气泄漏监测方法、容器探伤方法难以见效。因此亟需一种高效率的安全监测系统对储氢装置进行实时在线监测，确保储氢装置工作时的安全性。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种固态储氢装置的安全监测系统。本发明实现了对储氢装置的高效率在线监测；本发明还提供了一种固态储氢装置的安全监测系统的监测方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种固态储氢装置的安全监测系统，包括位于储存站内的储氢容器，储氢容器和储存站之间的换热介质腔被换热介质填充，换热介质通过储存站外密封的介质箱循环流动换热；介质箱上设置有测量介质箱内液面上方的氢气体积浓度的氢气浓度测量系统；储氢容器的氢气泄漏速率以及储存站换热介质腔内的氢气体积浓度根据下式可得：
其中，L为储氢容器的氢气泄漏速率；
V1为储存站内的换热介质体积；
V2为介质箱内液面上方的气体体积；
C1(t)为储存站换热介质腔内的氢气体积浓度；
C2(t)为介质箱内液面上方的氢气体积浓度；
q为换热介质的循环流量；
t为监测时间；
e为自然常数。
作为本发明进一步的方案：沿气体流动方向，介质箱与强制冷却器、排水过滤器、流量监测器以及氢气探测器依次相连以形成闭环连接的氢气浓度测量系统。
作为本发明再进一步的方案：所述排水过滤器上设置有直接与介质箱连通的排放管路。
作为本发明再进一步的方案：所述储存站与监控系统连接，监控系统上设置有报警模块，当储氢容器的氢气泄漏速率和/或储存站换热介质腔内的氢气体积浓度超标后，报警模块报警。
作为本发明再进一步的方案：所述监控系统还包括对储氢容器外壁超声探伤的探伤模块，探伤模块为压电超声导波，压电超声导波以换热介质为耦合剂。
作为本发明再进一步的方案：所述介质箱上的排风管路与监控系统连通。
作为本发明再进一步的方案：所述监控系统通过监测管路与储氢容器连通，监测管路上设置有应变传感器以及温度传感器。
作为本发明再进一步的方案：所述储氢容器内腔设置有固态储氢合金，储存站外的输氢管路与储氢容器内腔连通。
作为本发明再进一步的方案：所述储存站以及介质箱内设置有用于测算换热介质体积的液位计。
一种固态储氢装置的安全监测系统的监测方法，包括如下步骤：
S1、搭建并启动安全监测系统，实时测算储氢容器的氢气泄漏速率以及储存站换热介质腔内的氢气体积浓度；
S2、设置三级报警系统以应对氢气泄漏；
S21、当储存站换热介质腔内的氢气体积浓度达到0.4％时，介质箱上的排风管路开始对介质箱排风作业，报警模块报警；
S22、当储存站换热介质腔内的氢气体积浓度达到0.8％时，储氢容器停止充氢或输氢，关闭上下游控制阀门；
S23、当储存站换热介质腔内的氢气体积浓度达到1.6％时，主动泄放储氢容器内的高压氢气；
S3、工作时实时通过探伤模块采集导波信号并分析判断储氢容器是否存在缺陷，并通过应变传感器以及温度传感器判断储氢容器是否处于正常工作状态，
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在储存站内设置换热介质腔对储氢容器实时换热，由于固态储氢合金在吸放氢的过程中会存在放热与吸热，换热介质可保证储氢容器的温度维持在合适的范围内，由于介质箱上设置有氢气浓度测量系统，通过间接测量介质箱内液面上方的氢气体积浓度，即可通过计算得出储氢容器的氢气泄漏速率以及储存站换热介质腔内的氢气体积浓度，在氢气发生泄漏时可立即启动应急措施，防止意外事故的发生。
2、本发明考虑到介质箱内液面上方腔体存在湿热情况，湿热空气首先经过强制冷却器以及排水过滤器，强制冷却器应对检测环境的高低温变化，使气体保持在一定温度范围内，随后气体通过排水过滤器除去气体中的水分，水分通过排放管路回流至介质箱内；排除水分的气体通过流量监测器检测气体流量后，通过氢气探测器测得其中的氢气浓度，最后气体重新返回介质箱内，形成循环。氢气浓度检测结果传回监控系统中分析计算及安全联控。
3、本发明设置三级报警系统应对氢气泄漏，当检测到任意环境中(例如换热介质腔或介质箱内液面上方空间)氢气体积浓度达到0.4％时，排风管路对介质箱排风作业，报警模块的声光报警器报警；当检测到任意环境中氢气体积浓度达到0.8％时，储氢容器停止充氢或输氢，关闭上下游控制阀门；当检测到任意环境中氢气体积浓度达到1.6％时，主动泄放储氢容器内的高压氢气，多级式的氢气体积浓度检测，进一步提高了工作时的安全性。
4、本发明采用压电超声导波对储氢容器内外表面缺陷进行检测，以换热介质水作为耦合剂，具有传播距离远、检测灵敏度高等特点，可实现容器内外壁的长期健康监测，针对可能发生的储氢容器开裂问题，结合超声导波实时监测与超声探伤定期检测方案来确定容器内外壁裂纹产生情况，保障储氢容器长期服役安全；监测管路上应变传感器以及温度传感器的设置，实时监测防止超压超温现象的发生，从根本上断绝导致氢气泄漏的所有问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为介质箱上氢气浓度测量系统的结构示意图。
图中：
1、储存站；11、换热介质；12、储氢容器；
13、固态储氢合金；14、输氢管路；
2、监控系统；21、排风管路；22、报警模块；
23、探伤模块；24、应变传感器；25、温度传感器；
3、介质箱；31、输送泵；32、强制冷却器；
33、排水过滤器；331、排放管路；34、流量监测器；35、氢气探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种固态储氢装置的安全监测系统，包括储氢站1，储氢容器12设置在储氢站1的内部空腔内，储氢容器12内设置有固态储氢合金13，储氢容器12和储存站1的内腔外的空间为换热介质腔，换热介质腔11被换热介质11所填充，换热介质11通常为水。
储存站1外设置有密封的介质箱3，介质箱3内储存有换热介质11，介质箱3上的输送泵31持续输送换热介质11至换热介质腔内，换热介质腔内的换热介质11在通过另一条管路回流至介质箱3内，从而循环流动换热。
由于氢气不溶于水，如果发生氢气泄漏，氢气通常会存在于储存站1内的顶部，或氢气气泡随换热介质11被输送至介质箱3内。
介质箱3上设置有测量介质箱3内换热介质11液面上方腔体依次与强制冷却器32、排水过滤器33、流量监测器34以及氢气探测器35连接，氢气探测器35的出口最终接入介质箱3内，从而形成闭环连接的氢气浓度探测系统。探测时由于介质箱3内液面上方腔体存在湿热情况，湿热空气首先经过强制冷却器32以及排水过滤器33，强制冷却器32应对检测环境的高低温变化，使气体保持在一定温度范围内，随后气体通过排水过滤器33除去气体中的水分，水分通过排放管路331回流至介质箱3内。排除水分的气体通过流量监测器34检测气体流量后，通过氢气探测器35测得其中的氢气浓度，最后气体重新返回介质箱3内，形成循环。氢气浓度检测结果传回监控系统2中分析计算及安全联控。
气体通过流量监测器34以及氢气探测器35可得出介质箱3内液面上方的氢气体积浓度，则储氢容器12的氢气泄漏速率以及储存站1换热介质腔内的氢气体积浓度通过下式可得：
其中，L为储氢容器12的氢气泄漏速率；
V1为储存站1内的换热介质11体积；
V2为介质箱3内液面上方的气体体积；
C1(t)为储存站1换热介质腔内的氢气体积浓度；
C2(t)为介质箱3内液面上方的氢气体积浓度；
q为换热介质11的循环流量。
储存站1以及介质箱3内均设置有测算换热介质11体积的液位计，通过液位计可计算得出介质箱3内液面上方的气体体积以及储存站1内上方的气体体积。
储氢站1外接有通入储氢容器12内的输氢管路14，输氢管路14与监控系统2连通，且输氢管路14上设置有压力及温度传感器。
当储氢容器12的氢气泄漏速率或储存站1换热介质腔内的氢气体积浓度超标后，监控系统2上的报警模块22报警。
储氢容器12外还可安装与报警模块22的报警器连接的氢气泄漏探测器，氢气泄漏探测器与储氢站1的距离在0.5～2米之间。
监测时通常设置三级报警系统应对氢气泄漏；当检测到任意环境中(例如换热介质腔或介质箱3内液面上方空间)氢气体积浓度达到0.4％时，排风管路21对介质箱3排风作业，报警模块22的声光报警器报警。
当检测到任意环境中氢气体积浓度达到0.8％时，储氢容器12停止充氢或输氢，关闭上下游控制阀门；
当检测到任意环境中氢气体积浓度达到1.6％时，主动泄放储氢容器12内的高压氢气。
监控系统2还与探伤模块23相连，探伤模块23为压电超声导波，压电超声导波以水为耦合剂对储氢容器12超声探伤，定期检测来确定储氢容器12内外壁裂纹产生情况，保障储氢容器12长期服役安全。
储氢容器12还外接有监测管路与监控系统2连通，监测管路上设置有应变传感器24以及温度传感器25，应变传感器24通常为应变片，通过压力和温度检测，确保工作时的安全性。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，包括位于储存站(1)内的储氢容器(12)，储氢容器(12)和储存站(1)之间的换热介质腔被换热介质(11)填充，换热介质(11)通过储存站(1)外密封的介质箱(3)循环流动换热；介质箱(3)上设置有测量介质箱(3)内液面上方的氢气体积浓度的氢气浓度测量系统；储氢容器(12)的氢气泄漏速率以及储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度根据下式可得：
其中，L为储氢容器(12)的氢气泄漏速率；
V1为储存站(1)内的换热介质(11)体积；
V2为介质箱(3)内液面上方的气体体积；
C1(t)为储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度；
C2(t)为介质箱(3)内液面上方的氢气体积浓度；
q为换热介质(11)的循环流量；
t为监测时间；
e为自然常数；
所述储存站(1)与监控系统(2)连接，监控系统(2)上设置有报警模块(22)，当储氢容器(12)的氢气泄漏速率和/或储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度超标后，报警模块(22)报警。
2.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，沿气体流动方向，介质箱(3)与强制冷却器(32)、排水过滤器(33)、流量监测器(34)以及氢气探测器(35)依次相连以形成闭环连接的氢气浓度测量系统。
3.根据权利要求2所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述排水过滤器(33)上设置有直接与介质箱(3)连通的排放管路(331)。
4.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述监控系统(2)还包括对储氢容器(12)外壁超声探伤的探伤模块(23)，探伤模块(23)为压电超声导波，压电超声导波以换热介质(11)为耦合剂。
5.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述介质箱(3)上的排风管路(21)与监控系统(2)连通。
6.根据权利要求1所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述监控系统(2)通过监测管路与储氢容器(12)连通，监测管路上设置有应变传感器(24)以及温度传感器(25)。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述储氢容器(12)内腔设置有固态储氢合金(13)，储存站(1)外的输氢管路(14)与储氢容器(12)内腔连通。
8.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种固态储氢装置的安全监测系统，其特征在于，所述储存站(1)以及介质箱(3)内设置有用于测算换热介质(11)体积的液位计。
9.一种如权利要求1～3中任意一项所述的一种固态储氢装置的安全监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、搭建并启动安全监测系统，实时测算储氢容器(12)的氢气泄漏速率以及储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度；
S2、设置三级报警系统以应对氢气泄漏；
S21、当储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度达到0.4％时，介质箱(3)上的排风管路(21)开始对介质箱(3)排风作业，报警模块(22)报警；
S22、当储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度达到0.8％时，储氢容器(12)停止充氢或输氢，关闭上下游控制阀门；
S23、当储存站(1)换热介质腔内的氢气体积浓度达到1.6％时，主动泄放储氢容器(12)内的高压氢气；
S3、工作时实时通过探伤模块(23)采集导波信号并分析判断储氢容器(12)是否存在缺陷，并通过应变传感器(24)以及温度传感器(25)判断储氢容器(12)是否处于正常工作状态。
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