一種低能耗的多級自增壓高壓容器氣體循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域，涉及高壓儲氣容器的氣體循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，特別適用于以燃料氣體(天然氣、氫氣等)為存儲對象的復(fù)合材料待測容器的氣體循環(huán)測試。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源短缺和環(huán)境污染問題的日益凸顯，高能效、低排放的天然氣、氫氣等氣態(tài)能源在現(xiàn)在和未來的生活中扮演著越來越重要的角色，用于儲存這些氣體的容器為了獲得較高的體積儲存密度和質(zhì)量儲存密度，普遍采用存儲壓力高(20?70MPa)、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維復(fù)合材料容器。
[0003]高壓容器在使用過程中，壓力的波動引起容器的疲勞，同時，由于氣體充入(壓縮)、放出(膨脹)的影響，溫度均劇烈變化，從而引起容器的熱應(yīng)力，加劇了容器的疲勞，對于復(fù)合材料容器，由于容器壁傳熱性能差，該影響更為明顯。傳統(tǒng)的水壓循環(huán)測試不能模擬容器在加注和使用過程中溫度和壓力同時大幅變化引起的應(yīng)力變化情況，也不能模擬工作氣體對容器壁面的滲透影響，因此，需要利用工作氣體為介質(zhì)進(jìn)行氣體循環(huán)試驗(yàn)。
[0004]由于氣體壓縮性大，加之測試壓力高，氣體循環(huán)測試系統(tǒng)的運(yùn)行成本很高，這是氣體循環(huán)測試的障礙之一。中國發(fā)明專利CN200810060100.8中提出的氫氣循環(huán)測試系統(tǒng)解決了氫氣的循環(huán)利用問題，但是并沒有考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能耗問題，其在加注系統(tǒng)設(shè)計中采用單級供氣，在泄壓回收系統(tǒng)設(shè)計中完全采用壓縮機(jī)增壓，造成了高壓能量的浪費(fèi)和預(yù)冷卻能量的提升。同時該專利系統(tǒng)中的氣體壓縮機(jī)輸出壓力和排量很高，增加了壓縮機(jī)的購置成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低能耗的多級自增壓高壓容器氣體循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0006]為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供一種低能耗的多級自增壓高壓容器氣體循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括加注子系統(tǒng)、泄壓回收子系統(tǒng)和自動控制子系統(tǒng)；
[0008]所述加注子系統(tǒng)包括氣動增壓機(jī)、升壓控制裝置、預(yù)冷裝置，以及至少兩個不同壓力等級的氣源儲罐；各氣源儲罐的出口管線均連接至升壓控制裝置，升壓控制裝置、預(yù)冷裝置和待測容器通過管線依次相連；其中壓力等級最低的氣源儲罐還通過管線接至氣動增壓機(jī)的進(jìn)口，氣動增壓機(jī)的出口則通過管線接至壓力等級更高的氣源儲罐；
[0009]所述泄壓回收子系統(tǒng)包括流量控制裝置、低壓回收緩沖容器和氣體壓縮機(jī)；流量控制裝置一端接至待測容器的入口管線，另一端通過管線分別接至低壓回收緩沖容器和至少一個氣源儲罐；低壓回收緩沖容器還通過管線依次連接氣體壓縮機(jī)與壓力等級最低的氣源儲鍾;
[0010]所述自動控制子系統(tǒng)包括工控機(jī)、設(shè)于各設(shè)備之間連接管線上的自動閥門與傳感器，以及設(shè)于環(huán)境箱內(nèi)的傳感器；工控機(jī)通過信號線分別連接各自動閥門與傳感器，工控機(jī)還通過信號線分別連接至升壓控制裝置、預(yù)冷裝置、氣體壓縮機(jī)和氣動增壓機(jī)。
[0011]本發(fā)明中，所述自動閥門包括:分別設(shè)于各氣源儲罐的氣體出入口管線上的氣動電磁閥；設(shè)于預(yù)冷裝置和待測容器之間的進(jìn)氣閥門；設(shè)于流量控制裝置與氣源儲罐之間的反充閥門；以及，設(shè)于流量控制裝置與低壓回收緩沖容器之間的泄放閥門。
[0012]本發(fā)明中，所述傳感器包括:設(shè)于各氣源儲罐出口管線上的壓力傳感器；設(shè)于待測容器入口處的壓力傳感器；設(shè)于待測容器內(nèi)部的溫度傳感器；設(shè)于低壓回收緩沖容器與氣體壓縮機(jī)之間管線上的壓力傳感器；以及，設(shè)于環(huán)境箱內(nèi)的溫度傳感器和氣體濃度傳感器。
[0013]本發(fā)明中，各氣源儲罐的出入口管線上均設(shè)有單向閥。
[0014]本發(fā)明中，在各氣源儲罐的出口管線上、低壓回收緩沖容器與氣體壓縮機(jī)之間管線上，分別設(shè)有安全閥。
[0015]本發(fā)明中，所述工控機(jī)設(shè)于隔離保護(hù)墻的一側(cè)，系統(tǒng)中所有其它設(shè)備或管線均設(shè)于隔離保護(hù)墻的另一側(cè)。
[0016]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理:
[0017]多級自增壓高壓容器氣體循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)分為加注子系統(tǒng)、泄壓回收子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)等三部分。加注子系統(tǒng)包括低壓、中壓、高壓三級氣源儲罐、氣動增壓機(jī)、升壓控制裝置、預(yù)冷裝置等；泄壓回收子系統(tǒng)包括流量控制裝置、低壓回收緩沖容器、氣體壓縮機(jī)等，上述部件通過高壓管道和各類閥門相連接，管道上配置有壓力傳感器；自動控制系統(tǒng)通過采集壓力傳感器、溫度傳感器、氣體濃度傳感器等數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)設(shè)定，控制氣動電磁閥、氣體壓縮機(jī)、氣動增壓機(jī)、預(yù)冷裝置、升壓控制裝置、環(huán)境箱等部件的運(yùn)行。在測試過程的升壓階段，控制系統(tǒng)依次利用低壓、中壓、高壓氣源給待測容器充氣，當(dāng)待測容器達(dá)到設(shè)定壓力后，系統(tǒng)關(guān)閉進(jìn)氣閥門，進(jìn)入泄壓回收階段，首先打開反充閥門，利用待測容器內(nèi)的高壓氣體先后為中壓氣源和低壓氣源反充氣體，實(shí)現(xiàn)這兩級氣源的自增壓，然后打開泄放閥門，通過壓縮機(jī)將泄放出的低壓氣體壓縮后補(bǔ)充進(jìn)入低壓氣源儲罐，在整個泄壓回收階段，氣動增壓機(jī)從低壓氣源吸氣，先后將高壓氣源和中壓氣源的壓力補(bǔ)充至設(shè)定壓力，實(shí)現(xiàn)氣源的再增壓，從而完成“高壓儲存-快速充裝-泄壓回收-自增壓-再增壓”的一次充放循環(huán)。
[0018]本發(fā)明中，自動控制子系統(tǒng)根據(jù)各傳感器或設(shè)備傳遞的運(yùn)行參數(shù)，控制系統(tǒng)運(yùn)行，并判斷測試結(jié)果；加注子系統(tǒng)利用氣源儲罐和待測容器的壓差，通過進(jìn)氣閥門(20)的啟閉實(shí)現(xiàn)對待測容器的快速加注；泄壓回收子系統(tǒng)通過反充自增壓和壓縮機(jī)再增壓實(shí)現(xiàn)循環(huán)氣體的再利用。
[0019]加注過程中，各級氣源在自動控制子系統(tǒng)的控制下，依次為待測容器加注氣體，在此過程中，升壓控制裝置控制待測容器的升壓速率，預(yù)冷裝置控制加注氣體的溫度。泄壓過程中，首先利用待測容器24和氣源儲罐的壓差實(shí)現(xiàn)對中壓氣源、低壓氣源的反充，實(shí)現(xiàn)這兩級氣源的自增壓；然后利用氣體壓縮機(jī)對低壓氣源進(jìn)行補(bǔ)氣，在泄壓的整個過程中，氣動增壓機(jī)從低壓氣源中吸入氣體，先后將高壓氣源、中壓氣源補(bǔ)壓至設(shè)定壓力，實(shí)現(xiàn)氣源的再增壓。
[0020]本發(fā)明中，環(huán)境箱是一個能夠調(diào)控溫度的密閉容器，可以承受一定壓力，在待測容器發(fā)生泄漏時，環(huán)境箱內(nèi)的氣體濃度傳感器可以探測到泄漏氣體，在待測容器發(fā)生爆炸時，環(huán)境箱可以抵擋部分沖擊能量。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0022]1、本發(fā)明中的多個不同壓力等級的氣源設(shè)計方案，與單級設(shè)計方案相比，由于部分氫氣壓力的降低，減少了氫氣的使用量以及氫氣的壓縮能耗；加注過程中，由于升壓控制裝置前后壓差的減小，焦耳-湯姆遜效應(yīng)導(dǎo)致的氣體溫度變化也將降低，進(jìn)而降低了預(yù)冷裝置的能耗。
[0023]2、泄壓回收子系統(tǒng)在自增壓回收中，完全利用待測容器的高壓氣體對中壓氣源儲罐和低壓氣源儲罐進(jìn)行增壓，沒有外界能量的補(bǔ)充，節(jié)省了能量。
[0024]3、氣動增壓機(jī)的選用使得氣體壓縮機(jī)的最高輸出壓力不必達(dá)到高壓氣源的壓力，只要達(dá)到低壓氣源的設(shè)計壓力即可，大大降低了壓縮機(jī)的購置成本。