CN104697861B - 一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压储气容器试验系统，旨在提供一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统。该系统包括加注子系统、泄压回收子系统和自动控制子系统；其中，加注子系统包括气动增压机、升压控制装置、预冷装置，以及至少两个不同压力等级的气源储罐；泄压回收子系统包括流量控制装置、低压回收缓冲容器和气体压缩机；自动控制子系统包括工控机、自动阀门与传感器；工控机通过信号线分别连接自动阀门、传感器、升压控制装置、预冷装置、气体压缩机和气动增压机。本发明减少了氢气的使用量以及氢气的压缩能耗，降低了预冷装置的能耗。完全利用待测容器的高压气体对中压气源储罐和低压气源储罐进行增压，没有外界能量的补充，节省了能量。

Description

一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及高压储气容器的气体循环试验系统，特别适用于以燃料气体(天然气、氢气等)为存储对象的复合材料待测容器的气体循环测试。

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，用于储存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(20～70MPa)、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(压缩)、放出(膨胀)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。

由于气体压缩性大，加之测试压力高，气体循环测试系统的运行成本很高，这是气体循环测试的障碍之一。中国发明专利CN200810060100.8中提出的氢气循环测试系统解决了氢气的循环利用问题，但是并没有考虑系统运行过程中的能耗问题，其在加注系统设计中采用单级供气，在泄压回收系统设计中完全采用压缩机增压，造成了高压能量的浪费和预冷却能量的提升。同时该专利系统中的气体压缩机输出压力和排量很高，增加了压缩机的购置成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统。

为了解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统，该系统还包括加注子系统、泄压回收子系统和自动控制子系统；

所述加注子系统包括气动增压机、升压控制装置、预冷装置，以及至少两个不同压力等级的气源储罐；各气源储罐的出口管线均连接至升压控制装置，升压控制装置、预冷装置和待测容器通过管线依次相连；其中压力等级最低的气源储罐还通过管线接至气动增压机的进口，气动增压机的出口则通过管线接至压力等级更高的气源储罐；

所述泄压回收子系统包括流量控制装置、低压回收缓冲容器和气体压缩机；流量控制装置一端接至待测容器的入口管线，另一端通过管线分别接至低压回收缓冲容器和至少一个气源储罐；低压回收缓冲容器还通过管线依次连接气体压缩机与压力等级最低的气源储罐；

所述自动控制子系统包括工控机、设于各设备之间连接管线上的自动阀门与传感器，以及设于环境箱内的传感器；工控机通过信号线分别连接各自动阀门与传感器，工控机还通过信号线分别连接至升压控制装置、预冷装置、气体压缩机和气动增压机。

本发明中，所述自动阀门包括：分别设于各气源储罐的气体出入口管线上的气动电磁阀；设于预冷装置和待测容器之间的进气阀门；设于流量控制装置与气源储罐之间的反充阀门；以及，设于流量控制装置与低压回收缓冲容器之间的泄放阀门。

本发明中，所述传感器包括：设于各气源储罐出口管线上的压力传感器；设于待测容器入口处的压力传感器；设于待测容器内部的温度传感器；设于低压回收缓冲容器与气体压缩机之间管线上的压力传感器；以及，设于环境箱内的温度传感器和气体浓度传感器。

本发明中，各气源储罐的出入口管线上均设有单向阀。

本发明中，在各气源储罐的出口管线上、低压回收缓冲容器与气体压缩机之间管线上，分别设有安全阀。

本发明中，所述工控机设于隔离保护墙的一侧，系统中所有其它设备或管线均设于隔离保护墙的另一侧。

本发明的实现原理：

多级自增压高压容器气体循环试验系统分为加注子系统、泄压回收子系统、自动控制子系统等三部分。加注子系统包括低压、中压、高压三级气源储罐、气动增压机、升压控制装置、预冷装置等；泄压回收子系统包括流量控制装置、低压回收缓冲容器、气体压缩机等，上述部件通过高压管道和各类阀门相连接，管道上配置有压力传感器；自动控制系统通过采集压力传感器、温度传感器、气体浓度传感器等数据，按照系统设定，控制气动电磁阀、气体压缩机、气动增压机、预冷装置、升压控制装置、环境箱等部件的运行。在测试过程的升压阶段，控制系统依次利用低压、中压、高压气源给待测容器充气，当待测容器达到设定压力后，系统关闭进气阀门，进入泄压回收阶段，首先打开反充阀门，利用待测容器内的高压气体先后为中压气源和低压气源反充气体，实现这两级气源的自增压，然后打开泄放阀门，通过压缩机将泄放出的低压气体压缩后补充进入低压气源储罐，在整个泄压回收阶段，气动增压机从低压气源吸气，先后将高压气源和中压气源的压力补充至设定压力，实现气源的再增压，从而完成“高压储存-快速充装-泄压回收-自增压-再增压”的一次充放循环。

本发明中，自动控制子系统根据各传感器或设备传递的运行参数，控制系统运行，并判断测试结果；加注子系统利用气源储罐和待测容器的压差，通过进气阀门(20)的启闭实现对待测容器的快速加注；泄压回收子系统通过反充自增压和压缩机再增压实现循环气体的再利用。

加注过程中，各级气源在自动控制子系统的控制下，依次为待测容器加注气体，在此过程中，升压控制装置控制待测容器的升压速率，预冷装置控制加注气体的温度。泄压过程中，首先利用待测容器24和气源储罐的压差实现对中压气源、低压气源的反充，实现这两级气源的自增压；然后利用气体压缩机对低压气源进行补气，在泄压的整个过程中，气动增压机从低压气源中吸入气体，先后将高压气源、中压气源补压至设定压力，实现气源的再增压。

本发明中，环境箱是一个能够调控温度的密闭容器，可以承受一定压力，在待测容器发生泄漏时，环境箱内的气体浓度传感器可以探测到泄漏气体，在待测容器发生爆炸时，环境箱可以抵挡部分冲击能量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明中的多个不同压力等级的气源设计方案，与单级设计方案相比，由于部分氢气压力的降低，减少了氢气的使用量以及氢气的压缩能耗；加注过程中，由于升压控制装置前后压差的减小，焦耳-汤姆逊效应导致的气体温度变化也将降低，进而降低了预冷装置的能耗。

2、泄压回收子系统在自增压回收中，完全利用待测容器的高压气体对中压气源储罐和低压气源储罐进行增压，没有外界能量的补充，节省了能量。

3、气动增压机的选用使得气体压缩机的最高输出压力不必达到高压气源的压力，只要达到低压气源的设计压力即可，大大降低了压缩机的购置成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中实线代表气体管路，虚线代表控制及信号线路。各附图标记：

1.气动增压机，2.单向阀，3、4、5、6、15、16、17.气动电磁阀，7.高压气源储罐，8.中压气源储罐，9.低压气源储罐，10.压力传感器，11.安全阀，12.压力传感器，13.压力传感器，14.手动截止阀，18.升压控制装置，19.预冷装置，20.进气阀门，21.压力传感器，22.温度传感器，23.环境箱，24.待测容器，25.温度传感器，26.气体浓度传感器，27.流量控制装置，28.气体压缩机，29.低压回收缓冲容器，30.反充阀门，31.泄放阀门，32.隔离保护墙，33.工控机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如附图所示，本发明所阐述的系统包括三个子系统，一个是加注子系统，由低压气源储罐9、中压气源储罐8、高压气源储罐7这三级不同压力等级的气源储罐，以及，升压控制装置18、预冷装置19、气动增压机1通过高压管线和阀门连接而成；一个是泄压回收子系统，由流量控制装置27、反充阀门30、泄放阀门31、低压回收缓冲容器29、气体压缩机28等通过管路组成；另外一个是自动控制子系统，通过工控机33从各传感器获取相关压力、温度、气体浓度等数据，控制整个系统中的自动阀门或设备的自动运行。

以70MPa，74L的碳纤维全缠绕铝内胆复合储氢容器为例，对本发明的工作流程进行说明。

1)准备阶段：对系统内所有管道和部件进行氢气置换，将低压气源储罐9、中压气源储罐8、高压气源储罐7分别增压至30MPa、60MPa、98MPa；

2)加注阶段：打开进气阀门20，然后打开气动电磁阀17，利用低压气源储罐9为待测容器24加注氢气；待压差小于设定值时，关闭气动电磁阀17，打开气动电磁阀16，切换至中压气源储罐8为待测容器24加注；待压差小于设定值时关闭气动电磁阀16，打开气动电磁阀15，切换至高压气源储罐7为待测容器24加注；直至待测容器24达到测试压力的上限值，关闭气动电磁阀15和进气阀门20。加注过程中，工控机根据三级压力传感器10、12、13以及用于测量待测容器24的压力传感器21、温度传感器22的数值，控制上述阀门的启闭以及升压控制装置18、预冷装置19的运行。

3)泄压回收阶段：首先打开反充阀门30，然后打开气动电磁阀5，利用待测容器24与中压气源储罐8的压差为中压气源储罐8反充氢气；待两者压差小于设定值时，关闭气动电磁阀5，打开气动电磁阀6为低压气源储罐9反充氢气；直至两者压差小于设定值，关闭气动电磁阀6和反充阀门30；打开泄放阀门31，待测容器24内的气体经流量控制装置27、泄放阀门31、低压回收缓冲容器29和气体压缩机28后加注至低压气源储罐9，直至待测容器24降低至测试压力的下限值。泄压回收过程中，气动增压机1从低压气源储罐9吸入氢气，先后将高压气源储罐7、中压气源储罐8补压至设定压力，即98MPa和60MPa。

4)进入下一个循环。

按照上述流程，在每一个测试循环后，高压气源储罐7、中压气源储罐8的压力恢复至循环开始时的状态，从而确保每个循环都能将待测容器24加压至设定压力。在测试过程中，工控机根据各级气源压力传感器、待测容器24压力传感器、温度传感器等参数控制系统的运行，当监测到气体浓度传感器的异常信号时，将采取紧急措施停止系统运行，并给出报警提示。

本发明能够在顺利完成国际标准规定的容器气体循环测试的同时，有效减小预冷能耗、压缩能耗，降低测试成本。

Claims (4)

1.一种低能耗的多级自增压高压容器气体循环试验系统，包括内部放置了待测容器的环境箱；其特征在于，该系统还包括加注子系统、泄压回收子系统和自动控制子系统；

所述加注子系统包括气动增压机、升压控制装置、预冷装置，以及三个不同压力等级的气源储罐；各气源储罐的出口管线均连接至升压控制装置，升压控制装置、预冷装置和待测容器通过管线依次相连；其中压力等级最低的气源储罐还通过管线接至气动增压机的进口，气动增压机的出口则通过管线接至压力等级更高的气源储罐；

所述泄压回收子系统包括流量控制装置、低压回收缓冲容器和气体压缩机；流量控制装置一端接至待测容器的入口管线，另一端通过管线分别接至低压回收缓冲容器和至少一个气源储罐；低压回收缓冲容器还通过管线依次连接气体压缩机与压力等级最低的气源储罐；

所述自动控制子系统包括工控机、设于各设备之间连接管线上的自动阀门与传感器，以及设于环境箱内的传感器；工控机通过信号线分别连接各自动阀门与传感器，工控机还通过信号线分别连接至升压控制装置、预冷装置、气体压缩机和气动增压机；

所述自动阀门包括：分别设于各气源储罐的气体出入口管线上的气动电磁阀；设于预冷装置和待测容器之间的进气阀门；设于流量控制装置与气源储罐之间的反充阀门；以及，设于流量控制装置与低压回收缓冲容器之间的泄放阀门；

所述自动控制子系统根据各传感器或设备传递的运行参数，控制系统运行，并判断测试结果；加注子系统利用气源储罐和待测容器的压差，通过进气阀门的启闭实现对待测容器的快速加注；泄压回收子系统通过反充自增压和压缩机再增压实现循环气体的再利用；加注过程中，各级气源在自动控制子系统的控制下，依次为待测容器加注气体，在此过程中，升压控制装置控制待测容器的升压速率，预冷装置控制加注气体的温度；泄压过程中，首先利用待测容器和气源储罐的压差实现对中压气源、低压气源的反充，实现这两级气源的自增压；然后利用气体压缩机对低压气源进行补气，在泄压的整个过程中，气动增压机从低压气源中吸入气体，先后将高压气源、中压气源补压至设定压力，实现气源的再增压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括：设于各气源储罐出口管线上的压力传感器；设于待测容器入口处的压力传感器；设于待测容器内部的温度传感器；设于低压回收缓冲容器与气体压缩机之间管线上的压力传感器；以及，设于环境箱内的温度传感器和气体浓度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，各气源储罐的出入口管线上均设有单向阀。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在各气源储罐的出口管线上、低压回收缓冲容器与气体压缩机之间管线上，分别设有安全阀。