一種低能耗的多級(jí)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(chǔ)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(chǔ)對(duì)象的復(fù)合材料待測(cè)容器的氣體循環(huán)測(cè)試。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)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(lái)的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，用于儲(chǔ)存這些氣體的容器為了獲得較高的體積儲(chǔ)存密度和質(zhì)量?jī)?chǔ)存密度，普遍采用存儲(chǔ)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(guò)程中，壓力的波動(dòng)引起容器的疲勞，同時(shí)，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(duì)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(cè)試不能模擬容器在加注和使用過(guò)程中溫度和壓力同時(shí)大幅變化引起的應(yīng)力變化情況，也不能模擬工作氣體對(duì)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(cè)試壓力高，氣體循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行成本很高，這是氣體循環(huán)測(cè)試的障礙之一。中國(guó)發(fā)明專利CN200810060100.8中提出的氫氣循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)解決了氫氣的循環(huán)利用問(wèn)題，但是并沒(méi)有考慮系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗問(wèn)題，其在加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用單級(jí)供氣，在泄壓回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(gòu)置成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低能耗的多級(jí)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(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供一種低能耗的多級(jí)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(dòng)控制子系統(tǒng)；
[0008]所述加注子系統(tǒng)包括氣動(dòng)增壓機(jī)、升壓控制裝置、預(yù)冷裝置，以及至少兩個(gè)不同壓力等級(jí)的氣源儲(chǔ)罐；各氣源儲(chǔ)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(cè)容器通過(guò)管線依次相連；其中壓力等級(jí)最低的氣源儲(chǔ)罐還通過(guò)管線接至氣動(dòng)增壓機(jī)的進(jìn)口，氣動(dòng)增壓機(jī)的出口則通過(guò)管線接至壓力等級(jí)更高的氣源儲(chǔ)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(cè)容器的入口管線，另一端通過(guò)管線分別接至低壓回收緩沖容器和至少一個(gè)氣源儲(chǔ)罐；低壓回收緩沖容器還通過(guò)管線依次連接氣體壓縮機(jī)與壓力等級(jí)最低的氣源儲(chǔ)鍾;
[0010]所述自動(dòng)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(dòng)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(guò)信號(hào)線分別連接各自動(dòng)閥門與傳感器，工控機(jī)還通過(guò)信號(hào)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(dòng)增壓機(jī)。
[0011]本發(fā)明中，所述自動(dòng)閥門包括:分別設(shè)于各氣源儲(chǔ)罐的氣體出入口管線上的氣動(dòng)電磁閥；設(shè)于預(yù)冷裝置和待測(cè)容器之間的進(jìn)氣閥門；設(shè)于流量控制裝置與氣源儲(chǔ)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(chǔ)罐出口管線上的壓力傳感器；設(shè)于待測(cè)容器入口處的壓力傳感器；設(shè)于待測(cè)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(chǔ)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(chǔ)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(jí)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(dòng)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(jí)氣源儲(chǔ)罐、氣動(dòng)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(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)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(dòng)電磁閥、氣體壓縮機(jī)、氣動(dòng)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(cè)試過(guò)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(cè)容器充氣，當(dāng)待測(cè)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(cè)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(jí)氣源的自增壓，然后打開泄放閥門，通過(guò)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(chǔ)罐，在整個(gè)泄壓回收階段，氣動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(cè)試結(jié)果；加注子系統(tǒng)利用氣源儲(chǔ)罐和待測(cè)容器的壓差，通過(guò)進(jìn)氣閥門(20)的啟閉實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)容器的快速加注；泄壓回收子系統(tǒng)通過(guò)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(guò)程中，各級(jí)氣源在自動(dòng)控制子系統(tǒng)的控制下，依次為待測(cè)容器加注氣體，在此過(guò)程中，升壓控制裝置控制待測(cè)容器的升壓速率，預(yù)冷裝置控制加注氣體的溫度。泄壓過(guò)程中，首先利用待測(cè)容器24和氣源儲(chǔ)罐的壓差實(shí)現(xiàn)對(duì)中壓氣源、低壓氣源的反充，實(shí)現(xiàn)這兩級(jí)氣源的自增壓；然后利用氣體壓縮機(jī)對(duì)低壓氣源進(jìn)行補(bǔ)氣，在泄壓的整個(gè)過(guò)程中，氣動(dòng)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(gè)能夠調(diào)控溫度的密閉容器，可以承受一定壓力，在待測(cè)容器發(fā)生泄漏時(shí)，環(huán)境箱內(nèi)的氣體濃度傳感器可以探測(cè)到泄漏氣體，在待測(cè)容器發(fā)生爆炸時(shí)，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(gè)不同壓力等級(jí)的氣源設(shè)計(jì)方案，與單級(jí)設(shè)計(jì)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(guò)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(cè)容器的高壓氣體對(duì)中壓氣源儲(chǔ)罐和低壓氣源儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓，沒(méi)有外界能量的補(bǔ)充，節(jié)省了能量。
[0024]3、氣動(dòng)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(jì)壓力即可，大大降低了壓縮機(jī)的購(gòu)置成本。