CN209945906U

CN209945906U - 一种高压气瓶氢循环试验系统

Info

Publication number: CN209945906U
Application number: CN201920699419.9U
Authority: CN
Inventors: 袁奕雯; 浦哲; 杜彦楠
Original assignee: Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Institute
Current assignee: Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Institute
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2029-05-16

Abstract

本实用新型涉及一种高压气瓶氢循环试验系统，用以实现极限环境温度持久载荷试验和/或氢气循环使用寿命试验，包括依次连接的外部供气区、稳压区、增压区、试验区和回收区，所述的外部供气区用以提供氢气，所述的稳压区用以将外部供气区提供的氢气稳定在设定的压力区间内，所述的增压区用于将经过稳压区的氢气的压力提升至试验压力，所述的试验区用于放置测试气瓶，并通入试验用的氢气进行试验，所述的回收区与外部供气区连接，用以回收循环试验后的氢气。与现有技术相比，本实用新型具有模拟多种工况、全面检测、多余气体回收处理、加快试验进度的优点。

Description

一种高压气瓶氢循环试验系统

技术领域

本实用新型涉及高压气瓶检测技术领域，尤其是涉及一种高压气瓶氢循环试验系统。

背景技术

随着化石能源短缺和环境污染问题的日益凸显，高能效、低排放的天然气、氢气等气态能源在现在和未来的生活中扮演着越来越重要的角色，用于存储这些气体的容器为了获得较高的体积储存密度和质量储存密度，普遍采用存储压力高、强度高、质量轻的碳纤维复合材料容器。

高压容器在使用过程中，压力的波动引起容器的疲劳，同时，由于气体充入、放出的影响，温度均剧烈变化，从而引起容器的热应力，加剧了容器的疲劳，对于复合材料容器，由于容器壁传热性能差，该影响更为明显。传统的水压循环测试不能模拟容器在加注和使用过程中温度和压力同时大幅变化引起的应力变化情况，也不能模拟工作气体对容器壁面的渗透影响，因此需要利用工作气体为介质进行气体循环试验。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压气瓶氢循环试验系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高压气瓶氢循环试验系统，用以实现极限环境温度持久载荷试验和/或氢气循环使用寿命试验，包括依次连接的外部供气区、稳压区、增压区、试验区和回收区，所述的外部供气区用以提供氢气，所述的稳压区用以将外部供气区提供的氢气稳定在设定的压力区间内，所述的增压区用于将经过稳压区的氢气的压力提升至试验压力，所述的试验区用于放置测试气瓶，并通入试验用的氢气进行试验，所述的回收区与外部供气区连接，用以回收循环试验后的氢气。

所述的外部供气区包括卸料子系统和氢气压缩机，所述的卸料子系统通过高压管路与氢气压缩机相连，氢气压缩机用以对卸料子系统输出的氢气进行增压，所述的氢气压缩机通过止回阀与稳压区的入口连接。

所述的稳压区包括相互并联的主稳压储罐和备稳压储罐，两个稳压储罐的输入端分别通过输入高压管路与外部供气区连接，输出端分别通过输出高压管路与增压区连接，并且，在输入高压管路和输出高压管路上均依次设有止回阀和手动阀，两个稳压储罐上均设有安全阀和压力表。

所述的增压区包括相互并联的35MPa增压子系统和70MPa增压子系统，两个增压子系统均包括依次设置在增压管路上的第一手动阀、压缩机、第一止回阀、第二手动阀、减压阀和第二止回阀，并且在压缩机和第一止回阀之间还设有压力表。

所述的增压区与试验区之间还设有增温增湿区，所述的增温增湿区包括低温冷箱，该低温冷箱的气体输入端通过高压管道分别与35MPa增压子系统和70MPa增压子系统连接，气体输出端通过高压管道与试验区相连，冷媒输入端通过高压绝热管道与冷媒进口相连，冷媒输出端通过高压绝热管道与冷媒出口相连。

所述的试验区包括相互并联的持久载荷温度环境仓和使用寿命温度环境仓，两个温度环境仓内分别放置待测气瓶，所述的持久载荷温度环境仓内的待测气瓶分别与35MPa增压子系统和低温冷箱的气体输出端连接，所述的使用寿命温度环境仓内的待测气瓶分别与35MPa增压子系统和低温冷箱的气体输出端连接。

每个温度环境仓内均设有固定式氢气检测报警仪。

所述的回收区包括回收储罐，所述的回收储罐的输入端通过高压管路与试验区连接，输出端通过高压管路与外部供气区相连，所述的回收储罐上设有压力表和安全阀。

所述的卸料子系统为长管拖车气瓶组，所述的氢气压缩机为隔膜式压缩机，氢气压缩机通过二次增压的方式对卸料子系统输出的氢气进行增压。

该系统还包括用以处理多余氢气的燃烧火炬，该燃烧火炬分别通过安全阀与主稳压储罐、备稳压储罐、卸料子系统、35MPa增压子系统、70MPa增压子系统、持久载荷温度环境仓、使用寿命温度环境仓以及回收储罐连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

一、模拟多种工况、全面检测：本实用新型不仅能够模拟在室温、极限环境高温以及极限环境低温条件下，对高压出氢瓶的充装使用寿命进行测定，并且能够模拟在极限环境温度和满负荷工况静态条件下，考察持久载荷应力对高压储氢瓶的密封性能的影响，不但能检测高压氢气对高压储氢瓶重复冲击损伤后储氢瓶密封性能，还能测定高压氢气对塑料内胆储氢瓶重复冲击损伤后防氢气散逸性能，能够模拟多种实际工况，全面考察氢气对高压储氢瓶渗透影响。

二、多余气体回收处理：本实用新型设置了用以处理多余氢气的燃烧火炬，在对高压储氢瓶完成测试后，剩余的氢气即可回收进行重复利用，进行下一轮的试验，在完成全部试验后，则通过放空燃烧处理掉多余的氢气，绿色环保、提高氢气利用率。

三、加快试验进度：在循环系统中的增压区内设置了两组增压子系统，可以同时进行两组压力等级35MPa/70MPa氢介质条件下极限环境温度持久载荷试验和测定氢气循环使用寿命试验，两者互不干扰，有效的加快了试验进度，并且配合两个温度环境仓能够同时进行不同的测试项目，提高测试效率。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图中标记说明：

A、外部供气区，B、稳压区，C、增压区，D、增温增湿区，E、试验区，F、回收区，1、卸料子系统，2、氢气压缩机，31、主稳压储罐，32、备稳压储罐，4、安全阀，5、压力表，6、第一手动阀，7、压缩机，8、第一止回阀，9、第二手动阀，10、减压阀，11、第二止回阀，12、压力表，13、低温冷箱，14、冷媒进口，15、冷媒出口，161、持久载荷温度环境仓，162、使用寿命温度环境仓，17、待测气瓶，18、回收储罐，19、燃烧火炬。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种高压气瓶氢循环试验系统，如图1所示，包括外部供气区A、稳压区B、增压区C、增温增湿区D、试验区E和回收区F，外部供气区A、稳压区B、增压区C、增温增湿区D、试验区E和回收区F依次连接，回收区F还与外部供气区A相连构成循环回路，外部供气区A用于向试验系统提供氢气；稳压区B用于将外部供气区提供的氢气稳定在设定的压力区间内；增压区C用于将经过稳压区的氢气的压力提升至试验压力；增温增湿区D用于将氢气调整至试验所需温度；试验区E用于放置测试气瓶，并将经过氢气通入测试气瓶进行试验；回收区F用于回收循环试验后的氢气，以供之后的循环测试时使用。

外部供气区A包括卸料子系统1和氢气压缩机2，卸料子系统1通过高压管路与氢气压缩机2相连，氢气压缩机2通过二次增压的方式对卸料子系统1输出的氢气进行增压，氢气压缩机2通过一个止回阀与稳压区相连。

本实施方式中卸料子系统1采用长管拖车气瓶组。目前国内长管拖车气瓶组设计公称工作压力一般不超过20MPa(多为16.7MPa)，考虑到气体温升等因素，实际充装压力多为15MPa左右，因此，应选用氢气压缩机增压范围应满足15MPa增压到35MPa要求，此台氢气压缩机选用200kg氢气压缩机。结合氢气体在压缩过程中不受任何污染、气体在压缩过程中无泄漏、压缩比大、排气压力高的特点，本实施方式的氢气压缩机选用隔膜式压缩机。由于外部气源压力较低，而试验压力较高，为了降低成本，本实施方式采用在外部供气区进行增压一次，再在增压区进行一次增压的二次增压的方式满足试验要求。

稳压区B包括主稳压储罐31和备稳压储罐32，两个稳压储罐的输入端分别通过输入高压管路与外部供气区A的氢气压缩机2连接，输出端分别通过输出高压管路与增压区C相连，其中，输入高压管路上依次设置有止回阀和手动阀，输出高压管路上依次设置有手动阀和止回阀，两个稳压储罐均设置有安全阀4和压力表5，考虑到氢介质本身特性，充放氢时间较长，稳压区设置两个稳压储罐，以便一用一备，保证安全。

本实施方式采用的稳压储罐的容积为1000L，设计公称工作压力高于35MPa。鉴于试验用气瓶规格一般为35MPa/140L，70MPa/52L，根据计算结构采用35MPa/1000L储罐，较为经济。稳压储罐上的压力表量程选用60MPa/2.5级，安全阀起跳压力为标称压力的1.25倍，即41.75MPa。进气管与出气管阀门均选用手动阀与止回阀的组合阀，其可以避免气体回流。两个稳压罐采用并联方式，均可以实现单独向35MPa氢循环试验供气或单独向70MPa氢循环试验供气。

增压区C包括在高压管路上依次设置的第一手动阀6、压缩机7、第一止回阀8、第二手动阀9、减压阀10和第二止回阀11，压缩机7和第一止回阀8之间还设有压力表12。

本实施方式中的增压区中有两个增压子系统，包括35MPa增压子系统和70MPa增压子系统。其中，35MPa增压子系统的增压线路将储罐内压力从35MPa增压至“35MPa氢气循环使用寿命试验”需求最高试验压力45MPa(≥41.75MPa)，然后根据试验需要进行减压至1.25P和1.15P，即41.75MPa和40.25MPa，由于35MPa氢气循环使用寿命试验不需要对介质温度进行控制，因此，增压后无需通过增温增湿区，通过管路直接进入试验区进行试验即可；70MPa增压子系统的增压线路将储罐内压力从35MPa增压至“70MPa极限环境温度持久载荷试验”需求最高试验压力90MPa(≥87.5MPa)，然后根据试验需要进行减压至1.25P、1.15P、0.8P，即87.5MPa，80.5MPa，56MPa，进入增温增湿区调整至试验所需温度后，等待继续参与测试。

增温增湿区D内设有低温冷箱13和加湿器，低温冷箱13的气体输入端通过高压管道分别与增压区C的35MPa增压子系统和70MPa增压子系统相连，气体输出端通过高压管道与试验区E相连，冷媒输入端通过高压绝热管道与冷媒进口14相连，冷媒输出端通过高压绝热管道与冷媒出口15相连；气体输入端和增压区之间设有手动阀，气体输出端和试验区之间设有手动阀和止回阀，冷媒进口与冷媒输入端之间依次设置有气动调节阀和手动阀，冷媒出口与冷媒输出端之间设置有手动阀。

增温增湿区D可以实现两个功能：

一、对该区域进行高温增温，增温方式是电加热，增温范围是室温-90℃，同时可以实现增加湿度，湿度的范围是0％-98％；

二、对该区域进行低温增温，范围是常温～-60℃，增温方式通液氮降温。

根据70MPa极限环境温度持久载荷试验需求，介质温度要求分别为20±5，≤-35℃，≤-40℃，由于并非深冷温度，增温增湿区可以采用多种冷媒完成介质增温。比如液氮，液氮一般温度为-192℃，可将液氮充入低温冷箱进行增温调整；又比如无水乙醇，其可实现0～-78℃降温。相比而言，液氮使用较为简易，推荐首选，实现低温冷箱内温度可达到-45℃。

试验区E包括温度环境仓16，温度环境仓16内用于放置待测气瓶17，待测气瓶17的输入端通过高压绝热管道与增温增湿区D/增压区C相连，高压绝热管道上还设置有手动阀和止回阀；温度环境仓内装有固定式氢气检测报警仪。

本实施方式中的试验区E内设有两个温度环境仓，包括持久载荷温度环境仓161、使用寿命温度环境仓162，分别用于“35MPa氢气循环使用寿命试验”和“70MPa极限环境温度持久载荷试验”。根据“35MPa氢气循环使用寿命试验”要求，环境舱的可调节温度为55℃、50℃、20℃(常温)、-30℃，对湿度不做要求。根据“70MPa极限环境温度持久载荷试验”要求，环境舱的可调温度为55℃、50℃、15～25℃、-40℃，湿度要求实现舱内高温和静置环境湿度达到95％，低温环境湿度不作要求。在试验区进行试验时，应在环境舱内安装固定式氢气检测报警仪，报警仪精度应实现能够检出氢气体积浓度不得大于4.1％(氢气爆炸极限下限)。为了控制氢循环试验卸压速度，更加接近氢燃料电池车真实使用情况，在管路出气口电磁阀后加装手动阀。

回收区F包括回收储罐18，回收储罐18的输入端通过高压管路与试验区E相连，输出端通过高压管路与稳压区B相连，回收储罐18上设有压力表和安全阀。本实施方式中，在一次循环结束后，氢气进入回收储罐，回收储罐容积设为1000L，设定70MPa/200L储氢瓶在高温条件下(50℃)进行高压(87.5MPa)氢循环试验，根据气体状态方程公示计算，回收罐内气体压力可达到15.8MPa，设置安全系数1.5后，该回收罐公称工作压力设计为25MPa，设置压力表和安全阀，压力表量程选用40MPa/2.5级，安全阀起跳压力为标称压力的1.25倍，即31.25MPa。本实施方式通过设置回收区对试验介质采取循环使用，即第一次试验介质由外部充装提供，试验中充放介质经回收储罐回收再进入稳压储罐再次增压使用。

该系统还包括用以处理多余氢气的燃烧火炬19，该燃烧火炬19分别通过安全阀与主稳压储罐31、备稳压储罐32、卸料子系统1、35MPa增压子系统、70MPa增压子系统、持久载荷温度环境仓161、使用寿命温度环境仓162以及回收储罐18连接。

根据以上测试系统结构，本实用新型进行“35MPa氢气循环使用寿命试验”和“70MPa氢使用性能试验”的操作流程如下：

1、35MPa氢气循环使用寿命试验

试验步骤如下：

a)将被测样瓶安装到温度环境仓内，试验环境为常温环境，设定循环压力的上限为1.25P，下限为2MPa，设定循环次数500次；

b)完成步骤a)后，将环境温度升温至55℃，测试压力升压至1.15P，并将被测样瓶置于此环境中30h；

c)完成步骤b)后，将环境温度升至50℃，设定循环压力的下限为2MPa，上限为1.25P，设定循环次数250次；

d)完成步骤c)后，将环境温度降至-30℃，设定循环压力的下限为2MPa，上限为1.25P，设定循环次数250次；

f)观测试验过程中是否发生泄漏或破裂，如发生泄漏，记录下泄漏或破裂时实际压力循环次数和泄漏部位，并拍摄照片。

表1氢气循环试验流程

试验流程	压力循环次数/次	环境温度/℃	压力上限	压力下限(MPa)
					常温压力循环	500	常温	1.25P	2±1
高温静置30h	-	55	1.15P	-
					高温压力循环	250	50	1.25P	2±1
低温压力循环	250	-30	1.25P	2±1

注意事项：

a)充氢速率不得大于60g/s,充氢过程中气瓶温度不得高于85℃；

b)放氢速率应大于或者等于实际使用时气瓶最大放氢速率，放氢过程气瓶温度不得低于-40℃。

2、70Mpa氢使用性能试验

本试验包括耐压试验、常温和极限温度气压循环试验、常温静压试验、剩余强度液压爆破试验，分为四个试验阶段。

1、耐压试验、温静压试验和剩余强度液压爆破试验(本例略)；

2、常温和极限温度氢循环试验步骤如下：

常温和极限温度气压循环试验共分两组共500次，每组250次，每组试验完成后应进行极限温度下气压泄漏/渗透试验，因此将常温和极限温度气压循环试验与极限温度下气压泄漏/渗透试验流程合并描述，流程如下：

a)将待测氢气瓶放入温度环境仓内连接完好，开始第一组循环试验；

b)将环境仓内温度设定为-40℃，相对湿度不设定，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

c)在环境温度-40℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统升温或降温至20℃，温度偏差应控制在±5℃范围内，设定压力循环上限为0.8倍公称工作压力(0.8p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为5次，按照设定程序完成试验；

d)在环境温度-40℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-35℃，设定压力循环上限为0.8倍公称工作压力(0.8p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为5次，按照设定程序完成试验；

e)在环境温度-40℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为0.8倍公称工作压力(0.8p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为15次，按照设定程序完成试验；

f)将环境箱内温度设定为50℃，相对湿度设定为95％，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

g)在环境温度50℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-35℃，设定压力循环上限为1.25倍公称工作压力(1.25p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为5次，按照设定程序完成试验；

h)在环境温度50℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为1.25倍公称工作压力(1.25p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为20次，按照设定程序完成试验；

i)将环境箱内温度设定为20℃，温度偏差应控制在±5℃范围内，相对湿度不设定，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

j)在环境温度20℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为1.25倍公称工作压力(1.25p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为200次，按照设定程序完成试验；

k)上述试验完成后，将气瓶安装在气瓶氢循环试验机上，用氢气将气瓶及其附件加压至1.15倍公称工作压力(1.15p)，保压30h，采用氢气检漏设备测量稳态时泄漏速率，泄漏率应小于46mL/(h·L)，如果泄漏率大于1.6NmL/min(0.005mg/s),则应进行局部泄漏试验，确保每个泄漏点的氢气泄漏速率应不超过1.6NmL/min(0.005mg/s)。局部泄漏试验方法应采用涂液气泡法，将截止阀等与气瓶相连接的零部件排气口用阀帽进行密封，采用氢气充装系统对其进行充装到公称工作压力，将气瓶放置到室外，将气瓶及其附件涂上检漏液，根据气泡尺寸和气泡形成速率评估氢气泄漏程度，局部泄漏速率不得大于0.005mg/s。当气泡直径为1.5mm时，允许的气泡生成速率为2030个/min；当气泡直径为6mm时，允许的气泡生成速率为32个/min，符合上述要求，则开始第二组压力循环试验，如不符合上述要求，则停止试验，判定为不合格；

第二组压力循环试验：

l)将环境箱内温度设定为50℃，相对湿度设定为95％，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

m)在环境温度50℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为1.25倍公称工作压力(1.25p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为25次，按照设定程序完成试验；

n)将环境箱内温度设定为-40℃，相对湿度不设定，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

o)在环境温度-40℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为0.8倍公称工作压力(0.8p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为25次，按照设定程序完成试验；

p)将环境箱内温度设定为20℃，温度偏差应控制在±5℃范围内，相对湿度不设定，保持气瓶在此环境条件下静置24小时；

q)在环境温度20℃条件下，充装氢气，氢气充装前应经温度控制系统降温至-40℃，设定压力循环上限为1.25倍公称工作压力(1.25p)，压力循环下限为2MPa，循环次数为200次，按照设定程序完成试验；

r)上述试验完成后，将气瓶安装在气瓶氢循环试验机上，用氢气将气瓶及其附件加压至1.15倍公称工作压力(1.15p)，保压30h，采用氢气检漏设备测量稳态时泄漏速率，泄漏率应小于46mL/(h·L)，如果泄漏率大于1.6NmL/min(0.005mg/s),则应进行局部泄漏试验，确保每个泄漏点的氢气泄漏速率应不超过1.6NmL/min(0.005mg/s)。局部泄漏试验方法采用涂液气泡法，将截止阀等与气瓶相连接的零部件排气口用阀帽进行密封，采用氢气充装系统对其进行充装到公称工作压力，将气瓶放置到室外，将气瓶及其附件涂上专用检漏液，根据气泡尺寸和气泡形成速率评估氢气泄漏程度。局部泄漏速率不得大于0.005mg/s。当气泡直径为1.5mm时,允许的气泡生成速率为2030个/min；当气泡直径为6mm时，允许的气泡生成速率为32个/min，符合上述要求，则可进入下一阶段试验，如不符合上述要求，则停止试验，判定为不合格。

表2常温和极端温度下气压循环试验与极限温度下气压泄漏/渗透试验流程

注意事项：

a)充装氢气，应在3min内匀速将气瓶充装至规定的压力,但充氢速率不得大于60g/s

b)当被测气瓶内的温度高于85℃,则应适当降低充氢速率；

c)放氢速率应大于或者等于实际使用时气瓶最大放氢速率。

为满足上述试验要求，若采用高压储氢罐进行直接加压，内部降压后至少有需至少进行一次循环所需要的氢气。本试验装置主要完成两种规格气瓶35MPa/140L以及70MPa/52L测试，为保证试验顺利进行，需要保证试验顺利进行需要充分计算高、低压储氢罐的容积。

高压状态下的氢气，使用理想气体状态方程误差较大，因此，需要采用带有压缩因子的真实气体状态方程进行计算，如公式1.1所示。

PV＝ZmRT (1.1)

其中：P—储气压力，Pa；V—储气容积，m³；Z—压缩因子；m—储气质量，kg；R—气体常数，氢气为4214J/(kg·K)；T—储气温度，K。

氢气的压缩因子是压力P和温度T函数，选取氢气常用温度压力范围内数据拟合，如公式1.2所示。

Z＝1+1.8922×10^-6P/T (1.2)

联立公式1.1和1.2得到充装气体质量公式，如公式1.3所示。

将试验工况代入公式1.3中，比较不同工作条件下,单次充满测试气瓶所需氢气质量如表3所示。

表3不同工况下，单次充满测试气瓶所需氢气质量

假定本测试系统当量充气管道长度为300m(包括弯头、阀门、流量计等)，若选用DN25管子，满足70MPa气瓶试验管道压力不低于131.25MPa，此时内径为8mm，内部体积为0.015m³。假定管道内温度-40℃，压力为87.5MPa，代入公式1.3，计算氢气质量为0.78kg。假定管道内温度-30℃，压力为41.75MPa，代入公式1.3，计算氢气质量为0.48kg。

从表1.1中可知，试验项目中，单次消耗氢最大量为4.46kg，若保证完成单次试验，并且管道内充满氢气，至少需要消耗氢气4.94kg。为计算所需最小体积，将公式1.3变形，得到公式1.4。

本试验拟采用采用35MPa储氢罐作为供气源，在加压过程中，还需要考虑压缩机工作所需的最低压力，本试验选用压缩机最低进气口压力为5MPa,高压储罐内最低压力要超过5MPa。假定高压储氢罐工作温度为20℃，充气前后温度不变，代入公式1.3，联立方程得：

所需要最小氢气质量为5.76kg，将其代入到公式1.4中，可得高压储氢罐的最小容积为0.249m³，换算单位，即249L。

为了回收试验过程中的氢气，提升试验的经济性，需要设置低压循环储罐，低压循环储罐需要确保被测气瓶可放气到2MPa，放气速率范围1～3g/s，同时还要保证压缩机最低工作压力，当高压储罐压力达到35MPa时，低压储罐的最小工作压力不低于压缩机最低工作压力。低压储氢罐分两级加压一级加压到35MPa，最小工作压力不超过1MPa，保证被测气瓶氢气可以完全被放空。

选用被测气瓶内氢气质量最大的工况，压力P1为41.75MPa，容积V1为0.14m³，温度T1为-30℃，对应低压储气罐压力P2为1MPa，温度T2为20℃，假定其容积为V₂。确定放气流量f0为1g/s，压缩机流量fc为4.8g/s，放气t1时间后开始压缩，经过t₂时间后，压缩和放气同时结束，气瓶恢复初始状态，压力P3为1MPa，温度T₃为-30℃。低压储罐恢复至初始状态，压力P4为1MPa，温度T4为20℃。

因此，经过t1+t2时间后，流入低压罐氢气质量等于被测气瓶放气前后氢气的质量之差。将两个状态的参数代入公式1.3中，联立方程：

低压储罐初始状态和最终状态一致，流入氢气质量与流出氢气的质量

(t₁+t₂)f₀＝t₂f_c (1.7)

联立方程1.6和1.7，求得t₁为3424.6s，t₂为901.2s。

t₁时间后，被测气体氢气的质量、温度和压力分别为m_t1、T_t1和P_t1，分别为：

m_t1＝4.46-t₁f₀＝4.46kg-3424.6×1g/s＝1.04kg (1.9)

放气过程满足真空绝热放气关系计算：

其中，k为绝热系数，氢气取值为1.4。

联立方程1.8、1.9和1.10，计算得：

T_t1为135.7K，P_t1为4.33MPa。

根据放气流量的要求并通过类似高压储罐容积计算过程中关于压差计算方法计算得到当满足1g/s的放气流量需要0.0005MPa的压差，满足3g/s的放气流量需要0.0046MPa的压差。鉴于所需压差较小，忽略被测气瓶与低压储罐间的压差需求，则经过t₁时间后被测气瓶氢气压力P_t1与低压储罐P_2t1的氢气压力相等，即所述低压储罐在t₁时氢气压力P_t1＝P_2t1＝4.33MPa；

此时，低压储罐的氢气质量m_2t1为：

m_2t1＝mass(P₂、V₂、T₂)+t₁f₀ (1.11)

相应的低压储罐的容积为：

V₂＝Volume(M_2t1、P_2t1、T_2t1) (1.12)

Volume(*)为已知氢气质量、压力、温度时求解氢气容积的函数，T_lt1为经过t1时间后所述低压储罐中氢气的温度，T_2t1取最高环境温度40℃；

联立式(1.11)、(1.12)得到低压储罐容积＝2.32m³，换算单位，即2320L。

过程中主要涉及参量计算结果汇总如表4所示。

表4主要参量

考虑到安全裕量，稳压罐取4倍安全系数，4*0.249＝0.996，向上圆整为1m³,即1000L；

回收储罐考虑两组试验设备同时工作情况，2*2.32＝4.640m³，向上圆整6m³,即6000L。

本实用新型通过稳压区为不同试验要求的氢气进行稳压，通过增压区调整不同试验要求的氢气压力，通过增温增湿区对试验用的氢气进行温度控制，然后再将试验用气体通入试验区进行试验，经过调整后的氢气能够模拟工作时氢气对高压气瓶壁面的渗透影响。

Claims

1.一种高压气瓶氢循环试验系统，用以实现氢介质条件下极限环境温度持久载荷试验和/或完成氢气循环使用寿命测定，其特征在于，包括依次连接的外部供气区(A)、稳压区(B)、增压区(C)、试验区(E)和回收区(F)，所述的外部供气区(A)用以提供氢气，所述的稳压区(B)用以将外部供气区(A)提供的氢气稳定在设定的压力区间内，所述的增压区(C)用于将经过稳压区(B)的氢气的压力提升至试验压力，所述的试验区(E)用于放置测试气瓶，并通入试验用的氢气进行试验，所述的回收区(F)与外部供气区(A)连接，用以回收循环试验后的氢气。

2.根据权利要求1所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的外部供气区(A)包括卸料子系统(1)和氢气压缩机(2)，所述的卸料子系统(1)通过高压管路与氢气压缩机(2)相连，氢气压缩机(2)用以对卸料子系统(1)输出的氢气进行增压，所述的氢气压缩机(2)通过止回阀与稳压区(B)的入口连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的稳压区(B)包括相互并联的主稳压储罐(31)和备稳压储罐(32)，两个稳压储罐的输入端分别通过输入高压管路与外部供气区(A)连接，输出端分别通过输出高压管路与增压区(C)连接，并且，在输入高压管路和输出高压管路上均依次设有止回阀和手动阀，两个稳压储罐上均设有安全阀(4)和压力表(5)。

4.根据权利要求1所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的增压区(C)包括相互并联的35MPa增压子系统和70MPa增压子系统，两个增压子系统均包括依次设置在增压管路上的第一手动阀(6)、压缩机(7)、第一止回阀(8)、第二手动阀(9)、减压阀(10)和第二止回阀(11)，并且在压缩机和第一止回阀之间还设有压力表(12)。

5.根据权利要求4所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的增压区(C)与试验区(E)之间还设有增温增湿区(D)，所述的增温增湿区(D)包括低温冷箱(13)和加湿器，该低温冷箱(13)的气体输入端通过高压管道分别与35MPa增压子系统和70MPa增压子系统连接，气体输出端通过高压管道与试验区(E)相连，冷媒输入端通过高压绝热管道与冷媒进口(14)相连，冷媒输出端通过高压绝热管道与冷媒出口(15)相连。

6.根据权利要求5所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的试验区(E)包括相互并联的持久载荷温度环境仓(161)和使用寿命温度环境仓(162)，两个温度环境仓内分别放置待测气瓶，所述的持久载荷温度环境仓内的待测气瓶分别与35MPa增压子系统和低温冷箱(13)的气体输出端连接，所述的使用寿命温度环境仓内的待测气瓶分别与35MPa增压子系统和低温冷箱(13)的气体输出端连接。

7.根据权利要求6所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，每个温度环境仓内均设有固定式氢气检测报警仪。

8.根据权利要求1所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的回收区(F)包括回收储罐(18)，所述的回收储罐(18)的输入端通过高压管路与试验区(E)连接，输出端通过高压管路与外部供气区(A)相连，所述的回收储罐(18)上设有压力表和安全阀。

9.根据权利要求2所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，所述的卸料子系统(1)为长管拖车气瓶组，所述的氢气压缩机(2)为隔膜式压缩机，氢气压缩机(2)通过二次增压的方式对卸料子系统(1)输出的氢气进行增压。

10.根据权利要求1所述的一种高压气瓶氢循环试验系统，其特征在于，该系统还包括用以处理多余氢气的燃烧火炬(19)。