车载储氢系统火灾模拟试验装置及试验安全距离确定方法与流程

本发明涉及新能源汽车载储能系统火灾模拟试验技术领域，特别是涉及车载储氢系统火灾模拟试验装置及试验安全距离确定方法。

背景技术：

以氢为动力的燃料电池汽车已成为新能源汽车领域的重要组成。随着燃料电池汽车的快速推广，其关键部件车载储氢系统的安全性成为市场关注的焦点。为验证车载储氢系统在汽车意外起火等火灾情况下的安全性能，《燃料电池汽车全球技术法规》、ISO/TS15869以及各国相关标准均要求根据实际运行中可能发生的火灾事故场景，对车载储氢系统进行火灾模拟试验。

规范标准要求，车载储氢系统进行火灾模拟试验时，应依据实际的火灾事故场景，使实际装车使用的车载储氢系统经历局部扩展至整体的火烧过程，并在火烧过程中控制试验温度和升温时间。在火灾模拟试验过程中，车载储氢系统内充装有高压氢气，并处于急剧燃烧的火源之中，若控制不当，极有可能发生爆炸，危及试验人员安全。既要满足规范标准规定的苛刻的试验要求，又必须确保试验安全，这对火灾模拟试验装置的设计开发提出了非常高的要求。

目前，国内仅有公开的发明专利一种气瓶火烧试验测试系统(申请号：201410150729.7)，其主要用于车用压缩天然气钢瓶、车用液化石油气钢瓶和车用压缩天然气缠绕瓶的火烧试验。尚缺乏以系统为试验对象，模拟实际火灾事故场景的车载储能系统火灾模拟试验装置及方法，更未见车载储氢系统火灾模拟试验装置及方法的相关专利。

因此，如何设计开发一种车载储氢系统火灾模拟试验装置及方法，特别是一种试验可控性更高的、以气体燃料为火源的车载储氢系统火灾模拟试验装置及方法，以满足规范标准规定的火灾模拟试验要求，从而验证车载储氢系统火灾事故中的安全性，就显得非常重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供车载储氢系统火灾模拟试验装置及试验安全距离确定方法，能够在确保安全的情况下完成规范标准规定的火灾模拟试验。

为解决上述技术问题，本发明至少采用如下技术方案之一实现。

车载储氢系统火灾模拟试验装置，其包括气体燃料源、火灾模拟试验台、安全保护系统和数据采集控制系统；所述气体燃料源通过管道与火灾模拟试验台的单向阀的输入端相连，所述单向阀的输出端与火灾模拟试验台相连；所述火灾模拟试验台上方设有用于放置车载储氢系统的支架；所述车载储氢系统的组合阀出气口与安全保护系统相连；所述数据采集控制系统通过数据传输线与气体燃料源、火灾模拟试验台、安全保护系统相连。

进一步地，所述气体燃料源包括液化石油气罐、局部火源燃料管道、整体火源燃料管道，局部火源燃料管道、整体火源燃料管道上均各自设有手动截止阀、压力表、减压阀和电控球阀；所述火灾模拟试验台包括第一单向阀、第二单向阀、气化箱、局部火源燃烧排、整体火源燃烧排、石英纤维布、固定框架、点火器、热电偶和第二压力传感器；局部火源燃烧排和整体火源燃烧排平放于气化箱内，气化箱上平铺编织型带有孔的所述石英纤维布，石英纤维布的四周由固定框架固定在气化箱上形成一体化结构；局部火源燃料管道与第二单向阀的输入端连接；整体火源燃料管道与第一单向阀的输入端连接；局部火源燃烧排的燃料输入端口与第二单向阀的输出端连接，接收燃料；整体火源燃烧排的燃料输入端口与第一单向阀的输出端连接，接收燃料；第二压力传感器用于远程实时监测车载储氢系统内部压力变化情况；所述热电偶设置于车载储氢系统表面。

进一步地，所述安全保护系统包括第一压力表、第一压力传感器、手动卸荷阀和高压电磁阀；所述高压电磁阀通过管道与车载储氢系统的组合阀出气口相连，高压电磁阀与车载储氢系统之间的管道上设有第一压力表、第一压力传感器、手动卸荷阀；所述手动卸荷阀设置在第一压力表和高压电磁阀之间。

进一步地，所述数据采集控制系统包括控制器、计算机、红外测温仪、高清摄像机和风速仪；红外测温仪、高清摄像机、风速仪分别通过数据传输线与计算机相连；所述控制器一端与所述热电偶、第一压力传感器、第二压力传感器相连，实时采集记录热电偶温度和车载储氢系统内的压力变化数据，此外，还与所述电控球阀、点火器、高压电磁阀相连，控制气体燃料源、火灾模拟试验台和安全保护系统；控制器另一端与计算机相连，所述计算机实时接收、显示、保存控制器传送的数据，以及向控制器发送指令，操控电控球阀、点火器、高压电磁阀；所述红外测温仪，用于实时监测火灾模拟试验过程的火场温度分布及变化情况；所述高清摄像机，用于实时记录火灾模拟试验过程，保证试验可追溯性和可重复性；所述风速仪，用于实时监测试验时的环境风速。

上述车载储氢系统火灾模拟试验装置的安全距离确定方法，包括：

车载储氢系统在试验中发生爆炸，其危险主要包括压力波、爆炸火球和碎片；

对于压力波，首先由式(1)计算得到车载储氢系统的爆炸能量E：

式中，Pb为车载储氢系统爆炸时的最高压力，P0为试验场地的大气压力，V1为车载储氢系统内部水容积，γ1为在爆炸条件下系统内高压氢气的定压比热容与定容比热容的比值；

在获得车载储氢系统的爆炸能量E后，则可由式(2)计算得到相应的比例距离

式中，r为以车载储氢系统为原点的半球体半径；

在确定车载储氢系统爆炸的比例距离后，即可根据其与比例超压的关系曲线，确定对应的比例超压进而可由式(3)计算得到与车载储氢系统距离为r处的压力峰值Ps：

当压力峰值Ps低于10.1kPa时，压力波对健康人体几乎没有损害，进而可确定压力波的安全距离；

对于爆炸火球，由式(4)和式(5)分别计算确定火球直径Df和火球持续时间tf，进而确定爆炸火球的安全距离：

式中，Wf为系统内氢气质量，可由式(6)计算得到：

式中，P为车载储氢系统试验前的初始压力，T为系统内的氢气温度，

R＝8.314J/(mol·K))，n＝1.9155×10^-6K/Pa；

在确定车载储氢系统爆炸产生的压力波、爆炸火球的安全距离后，综合取较大值，即为火灾模拟试验装置的安全距离。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1.火灾模拟试验台的局部火源燃烧排和整体火源燃烧排，可先后通过点火和引燃，形成局部扩展至整体的火烧过程，准确模拟火灾情况下车载储氢系统的火烧环境，满足规范标准的要求；

2.火灾模拟试验台采用了燃烧排、气化箱与石英纤维布结合的设计，克服了直接使用燃烧排导致的火焰不均匀问题，可实现局部火源燃烧排点火3分钟内，车载储氢系统局部火烧区域的温度均达到600℃；整体火源燃烧排引燃后2分钟内，车载储氢系统周围温度均达到800℃，满足规范标准的要求；

3.气体燃料供给、点火、火焰大小调节、安全泄压等，均实现了完全远程控制，有效保障试验人员安全；

4.安全保护系统具有远程控制泄压和手动泄压的双重保护功能，可实时控制车载储氢系统泄放内部高压氢气，有效防止车载储氢系统发生爆炸；

5.应用范围广，适用于不同几何尺寸的车载储氢系统进行火灾模拟试验，也可用于试验评估车载压缩天然气储存系统、车载液化天然气储存系统、车载液化石油气储存系统、动力电池等车载储能系统的火灾安全性。

附图说明

图1是本发明一种以气体燃料为火源的车载储氢系统火灾模拟试验装置的示意图。

图2为实例中的气化箱结构示意图。

图3为实例中的局部火源燃烧排和整体火源燃烧排结构示意图。

图中：气化箱1、石英纤维布2、固定框架3、高压电磁阀4、手动卸荷阀5、第一压力传感器6、第一压力表7、第二压力传感器8、车载储氢系统9、热电偶10、第一单向阀11、钢丝圈12、车载储氢系统支架13、第二单向阀14、局部火源燃料管道15、第二压力表16、第三压力表17、整体火源燃料管道18、第一电控球阀19、第二电控球阀20、红外测温仪21、高清摄像机22、风速仪23、控制器24、计算机25、第四压力表26、第一手动截止阀27、燃料总管道28、第二手动截止阀29、减压阀30、液化石油气罐31、局部火源燃烧排32、整体火源燃烧排33、点火器34。

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

如图1所示，一种车载储氢系统火灾模拟试验装置包括气体燃料源、火灾模拟试验台、安全保护系统和数据采集控制系统。

作为实例，气体燃料源由燃料输送管道、第二压力表16、第三压力表17、整体火源燃料管道18、第一电控球阀19、第二电控球阀20、第四压力表26、第一手动截止阀27、燃料总管道28、第二手动截止阀29、减压阀30、液化石油气罐31组成，燃料输送管道包括局部火源燃料管道15和整体火源燃料管道18，通过局部火源燃料管道15与第二单向阀14的输入端连接，向火灾模拟试验台的局部火源燃烧排32供应燃料；通过整体火源燃料管道18与第一单向阀11的输入端连接，向火灾模拟试验台的整体火源燃烧排33供应燃料。所述局部火源燃烧排和整体火源燃烧排，由带有多个小孔的管子焊接而成，如图3所示。

第一电控球阀19和第二电控球阀20开启的先后顺序，可根据试验需要，通过数据采集控制系统进行控制，从而有效实现规范标准规定的局部扩展至整体的火烧过程。通过调节第一电控球阀19和第二电控球阀20的开度大小，则可有效调节火灾模拟试验时火焰规模的大小，从而解决试验温度和升温时间的实时调节问题，并确保火焰能够包裹整个车载储氢系统，满足规范标准的要求。此外，试验前时，可根据车载储氢装置的大小和数量，灵活控制液化石油气罐的数量，确保燃料供给充足的同时，节约试验成本。

火灾模拟试验台由气化箱1、石英纤维布2、固定框架3、第二压力传感器8、热电偶10、第一单向阀11、钢丝圈12、车载储氢系统支架13、第二单向阀14、局部火源燃烧排32、整体火源燃烧排33、点火器34组成。局部火源燃烧排32的燃料输入端口A与第二单向阀14的输出端连接，接收燃料；整体火源燃烧排33的燃料输入端口B与第一单向阀11的输入端连接，接收燃料。第一单向阀11、第二单向阀14可有效防止燃料管道发生回火，保障试验安全。

局部火源燃烧排32和整体火源燃烧排33平放于气化箱1内，气化箱1上平铺编织型带有细小孔的石英纤维布2，石英纤维布2的四周由固定框架3固定在气化箱1上，形成一体化结构，如图2。通过采用一体化结构设计，燃烧排喷出的燃料可在气化箱1内充分气化并混合均匀，再通过石英纤维布2均匀溢出进行燃烧，形成类似池火的燃烧火焰，而且火焰规模可控，克服了直接使用燃烧排导致的火焰分布不均匀的问题，可实现局部火源燃烧排点火3分钟内，车载储氢系统局部火烧区域的温度均达到600℃；整体火源燃烧排引燃后2分钟内，车载储氢系统周围温度均达到800℃，完全满足规范标准的要求。

局部火源燃烧排32的几何尺寸为350mm(长)×500mm(宽)，整体火源燃烧排33的几何尺寸为1300mm(长)×500mm(宽)，均由带有燃料孔(直径6mm)的管道构成，燃料孔间距为35mm，等间距布置。进行试验时，可根据车载储氢系统的几何尺寸大小，封堵部分燃料孔，实现火源长度和宽度的灵活控制，解决多种样式和规格车载储氢系统的火灾模拟试验问题，并达到节能之目的。

第二压力传感器8用于远程实时监测车载储氢系统内部压力变化情况。热电偶10固定在可调节大小和形状的钢丝圈12上，钢丝圈12套于车载储氢系统9上，从而实现热电偶10有效固定于车载储氢系统9表面，远程实时监测车载储氢系统9周围环境温度变化情况。

车载储氢系统除组合阀外，往往设有其他火烧保护装置，在充装高压氢气后，具有一定的重量。因此，本发明设计了横跨气化箱1的车载储氢系统支架13，其支腿直接支撑于地面，与车载储氢系统9接触部分采用环形的鞍座式结构，确保车载储氢系统9牢靠固定于支架上。车载储氢系统支架13采用高强钢制作，以控制体积和重量，可支撑重量约100kg的车载储氢系统。

点火器34在数据采集控制系统的控制下，可实现远程点火，确保试验安全。

安全保护系统由高压电磁阀4、手动卸荷阀5、第一压力传感器6、第一压力表7组成，通过管道与车载储氢系统9的组合阀出气口相连。

在火灾模拟试验过程中，最危险的情况为车载储氢系统的组合阀失效，无法开启泄放车载储氢系统内的高压氢气，导致系统发生爆炸，这将对试验人员的人身安全构成重大威胁。当车载储氢系统处于整体火烧过程，超过规范标准规定的火烧时间(20分钟)，组合阀仍未开启泄放高压氢气时，试验人员可通过数据采集控制系统，远程控制高压电磁阀4开启，泄放车载储氢系统内的高压氢气。若高压电磁阀4也发生了失效，此时可开启手动卸荷阀5，也可泄放车载储氢系统内的高压氢气。安全保护系统具有的远程控制泄压和手动泄压的双重保护功能，可有效防止车载储氢系统发生爆炸，保障试验安全。

数据采集控制系统由红外测温仪21、高清摄像机22、风速仪23、控制器24、计算机25组成。红外测温仪21、高清摄像机22、风速仪23，分别通过数据传输线与计算机25相连，将监测数据实时传入计算机25的火灾模拟试验控制软件。红外测温仪21，将实时监测火灾模拟试验过程的火场温度分布及变化情况；若通过红外测温仪21监测发现车载储氢系统9周围温度分布不均，即可调节第一电控球阀19和第二电控球阀20的开度，优化燃料供应流量，使车载储氢系统9周围温度分布迅速趋于均匀。

控制器(可用PLC控制器)24与第一压力传感器6、第二压力传感器8、热电偶10相连，实时接收监测数据信号，对监测数据信号进行转换后，实时传入计算机25的火灾模拟试验控制软件。控制器24还与高压电磁阀4、第一电控球阀19、第二电控球阀20、点火器34相连，在接收计算机25的火灾模拟试验控制软件的控制指令后，控制高压电磁阀4、第一电控球阀19、第二电控球阀20、点火器34的动作。

为确保试验人员在火灾模拟试验过程中的人身安全，除火灾模拟试验装置设有安全保护系统外，本发明进一步提出了火灾模拟试验的安全距离确定方法。车载储氢系统在试验中发生爆炸，其危险主要包括压力波、爆炸火球和碎片。

对于压力波，可首先由式(1)计算得到车载储氢系统的爆炸能量E：

式中，Pb为车载储氢系统爆炸时的最高压力，P0为试验场地的大气压力，V1为车载储氢系统内部水容积，γ1为在爆炸条件下系统内高压氢气的定压比热容与定容比热容的比值。

在获得车载储氢系统的爆炸能量E后，则可由式(2)计算得到相应的比例距离

式中，r为以车载储氢系统为原点的半球体半径。

在确定车载储氢系统爆炸的比例距离后，即可根据其与比例超压的关系曲线，确定对应的比例超压进而可由式(3)计算得到与车载储氢系统距离为r处的压力峰值Ps(表压)：

研究表明，当压力峰值Ps低于10.1kPa时，压力波对健康人体几乎没有损害，进而可确定压力波的安全距离。

对于爆炸火球，可由式(4)和式(5)分别计算确定火球直径Df和火球持续时间tf，进而确定爆炸火球的安全距离。

式中，Wf为系统内氢气质量，可由式(6)计算得到：

式中，P为车载储氢系统试验前的初始压力，T为系统内的氢气温度(可简化取值为试验环境温度)，R为气体常数(R＝8.314J/(mol·K))，n为常数(n＝1.9155×10^-6K/Pa)。

在确定车载储氢系统爆炸产生的压力波、爆炸火球的安全距离后，综合取较大值，即为火灾模拟试验的安全距离。在确定安全距离的基础上，可通过构筑掩体，进一步削弱压力波和爆炸火球的危害影响，同时对爆炸碎片进行防护。