带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台及实验方法

本发明涉及储氢安全技术领域，具体涉及一种带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台及实验方法。

背景技术：

随着传统化石能源的不断消耗及其带来的环境污染问题，氢能因具有来源广泛、燃烧热值高和燃烧产物无污染等优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。然而氢气在常温常压下体积能量密度很低。高压储氢是目前占绝对主导地位的储运方式，但高压储氢气瓶具有潜在的泄漏和爆炸风险，为验证其宏观强度、安全裕度、结构设计和合理性与可靠性，各国标准均要求对其进行耐压试验、爆破试验、常温压力循环试验、火烧试验等，以保证其服役性能。

现行气瓶火烧标准尚不完善。其中各标准均未明确火源燃料与火源布置，致使试验重复性差与可操作性不强。此外，各标准中也未明确压力释放装置(prd)金属挡板设计和布置要求，这导致prd被严重隔热，极大的增加了气瓶危险性。为解决整体火烧试验标准不统一和不完善的问题，各国积极开展了相关研究工作，但该问题目前仍未完全解决。日本汽车研究所、加拿大电力技术实验室等最新研究成果表明汽车起火时，高压储氢气瓶往往经历由局部火烧再逐渐扩展至整体火烧。在局部火烧阶段，prd极可能因受热不足而无法及时动作，但此时气瓶却可能因性能急剧劣化而发生爆炸。现行整体火烧试验方法并不能检验局部火烧情况高压储氢气瓶安全性能。因此，需研发一种新型的火烧试验装置，可同时检验局部与整体火烧下高压储氢气瓶安全性。

技术实现要素：

本发明提出的一种带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台及实验方法，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台，包括储氢瓶火烧实验平台、数据采集系统、监控系统、安全防护系统；其特征在于：

所述储氢瓶火烧实验平台包括储氢瓶、储氢瓶固定支架、导轨、燃烧油池车、卷扬机、刹车挡板、安全挡板、灭火板；

所述储氢瓶横放并固定在储氢瓶固定支架上部，储氢瓶固定支架可沿导轨移动，可通过固定支架调节储氢瓶距离燃料油池车表面的高度；

所述燃料油池车设置在储氢瓶下部；

所述导轨上部设置限位结构，以防燃料油池车脱轨；

所述卷扬机与所述刹车挡板、安全挡板共同控制燃料油池车的运行；

所述灭火板吊装在油池车上部，通过卷扬机控制升降；

实验主体部分在储氢瓶火烧实验平台上进行，数据采集系统采集温度、压力、图像，监控系统及安全防护系统通过远程监视试验过程，判断试验阶段，远程制动以保障试验人员人身安全。

进一步的，所述卷扬机的牵引线连接在燃料油池车底部，通过远程控制系统移动；导轨两端各布置一组挡板，安全挡板均布置在刹车挡板外侧，保证燃料油池车到达指定位置。

进一步的，所述限位结构为带有滚动钢球的滑块，利用远程驱动装置，定位燃烧盆移动的极限位置。

进一步的，所述数据采集系统包括热电偶、温度采集器、同步控制器、压力传感器、压力采集器、抗噪信号线、恒流源、示波器、计算机；

所述热电偶在气瓶外壁面附近区域进行布置，共设有19个布置于气瓶外壁面及瓶阀附近区域，其中热电偶#1～#9位于局部火烧区域，热电偶#10～#17位于整体火烧区域；热电偶#18与#19位于瓶阀附件区域；

所述压力传感器沿瓶头阀轴线方向设置；

所述温度采集器、压力采集器利用导线与热电偶、压力传感器连接传输信号至计算机。

进一步的，所述数据采集系统还包括普通摄像机和高速摄像机；

所述普通摄像机利用立柱进行固定，通过调节立柱底座和云台来改变拍摄高度和角度，气瓶另一侧设置同样的摄像机；

所述高速摄像机利用三脚架进行固定，通过压力传感器p2监测的压力作为触发信号，则立即触发，从而记录prd动作及以后的完整过程。

进一步的，所述监控系统是包括两路萤石c5t摄像头，在安全防护框架的两个对角上安装，从而进行实时监控，判断火焰试验进程，保证及时采取紧急措施。

进一步的，所述的安全防护系统包括安全掩体、安全室、灭火系统。

另一方面，本发明还公开一种带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验方法，为高压储氢瓶局部火烧试验方法，包括两个油池，即油池a和油池b并列设置，包括以下步骤：

1)选择无风天气进行实验，检查监控系统、灭火系统、运动部件即实验台各部分连接和运行正常，数据采集系统正常工作，且储氢瓶固定牢固；

2)燃料油池a放置于储氢瓶下部，确保储氢瓶底部250±50mm部分在火烧范围内；油池a添加煤油；

3)点燃油池a，开始前必须确保安全室外无人员；若局部火烧下，储氢瓶prd已动作泄气，则实验结束；

4)完成一次实验数据采集；

5)整个火烧试验过程中，热响应参数远程监控系统、压力采集和图像采集系统将实时记录数据。

6)当prd动作或出现故障和其他意外情况后，立即启动卷扬机将火源撤离，并启动灭火系统迅速熄灭火源。

第三方面，本发明还公开一种带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验方法，为高压储氢瓶整体火烧试验方法，包括两个油池，即油池a和油池b并列设置，且两头各设置一个卷扬机，即卷扬机一和卷扬机二，具体包括以下步骤：

1)选择无风天气进行实验，检查监控系统、灭火系统、运动部件即实验台各部分连接和运行正常，数据采集系统正常工作，且储氢瓶固定牢固；

2)燃料油池a放置于储氢瓶下部，确保储氢瓶底部250±50mm部分在火烧范围内；油池a和油池b中添加煤油；

3)点燃油池a，开始前必须确保安全室外无人员；若点火后10分钟，prd仍未启动，则调控远程控制系统启动卷扬机一，牵引油池b运行到指定位置，并带动油池a移动到设定位置，从而扩展为整体火源，碰到挡板卷扬机一停止；

4)油池a、b持续燃烧，直至prd动作；

5)启动卷扬机二牵引两个油池回到原始位置，启动卷扬机三放下灭火板进行灭火，必须保证油池温度降到接近常温，才能移开灭火板。

由上述技术方案可知，本发明的带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台，通过研究试验气瓶外壁面区域温度、气瓶内压力、平面燃烧器火焰演变过程及气瓶表面在火烧下变形过程，从而验证高压储氢瓶的宏观强度、安全裕度、结构设计的合理性与可靠性，以保证其服役性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明装置上局部火烧阶段试验完成后，利用远程驱动装置，使牵引线带动燃烧盆，远程控制其沿导轨移动至另一极限位置，实现对气瓶的整体火烧。通过开发可远程控制燃烧盆移动的液体燃料火源装置，既实现了局部火烧扩展至整体火烧的技术目标，又保持了液体燃料火源装置简便、易操作等特点，同时也有效避免了试验人员因操作火源装置而导致的危险。

2.本发明装置为了避免在气瓶在火烧试验中产生的爆炸飞片对高速相机造成伤害，对高速相机进行加装保护箱。为了拍摄目的(光线正常传递进相机内)，与镜头正对的箱体一侧采用防爆耐压的有机玻璃(pmma)。箱体其他部分采用6061铝材，同时箱体右侧预留接线口，且箱体有一侧可以完全打开便于调节相机。

3.本发明装置上建立的火烧试验安全保障措施主要包括：设置安全掩体，避免爆炸碎片袭击试验人员；调整试验气瓶瓶口朝向并在其周围设置安全掩体，避免喷射火危险，在引出压力管线上设置气控泄压阀，预防prd故障导致的危险；设置安全室，保证实验过程中人员的安全；设置灭火装置，在不需要油池火源时，能及时灭火。

附图说明

图1是本发明储氢瓶火烧实验平台布置示意图；

图2是本发明整体火源移动系统示意图；

图3是本发明灭火系统示意图；

图4是本发明气体热响应参数及压力远程监测示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台，包括储氢瓶火烧实验平台、数据采集系统、监控系统、安全防护系统；其中，本实验主体部分在储氢瓶火烧实验平台上进行，数据采集系统采集温度、压力、图像，监控系统及安全防护系统通过远程监视试验过程，判断试验阶段，远程制动以保障试验人员人身安全。

以下具体说明：

所述储氢瓶火烧实验平台包括：储氢瓶、储氢瓶固定支架、导轨、燃烧油池车、卷扬机、刹车挡板、安全挡板、灭火板；

所述储氢瓶横放并固定在储氢瓶固定支架上部，可通过固定支架调节储氢瓶距离燃料油池车表面的高度；

所述燃料油池车设置在储氢瓶下部；

所述导轨上部设置限位结构，限位结构为带有滚动钢球的滑块，利用远程驱动装置，定位燃烧盆移动的极限位置，以防燃料油池车脱轨；

所述卷扬机与所述刹车挡板、安全挡板共同控制燃料油池车的运行；卷扬机牵引线连接在燃料油池车底部，通过远程控制系统移动；导轨两端各布置一组挡板，安全挡板均布置在刹车挡板外侧，保证燃料油池车到达指定位置；

所述灭火板吊装在油池车上部，通过卷扬机三控制升降。

其中，所述的数据采集系统是由热电偶、温度采集器、同步控制器、压力传感器、压力采集器、抗噪信号线、恒流源、示波器、普通摄像机、高速摄像机、计算机所组成的。

所述热电偶主要在气瓶外壁面附近区域进行布置，共设有19个布置于气瓶外壁面及瓶阀附近区域，其中热电偶#1～#9位于局部火烧区域，热电偶#10～#17位于整体火烧区域；热电偶#18与#19位于瓶阀附件区域；

所述压力传感器沿瓶头阀轴线方向设置；

所述温度采集器、压力采集器利用导线与热电偶、压力传感器连接传输信号至计算机；

所述普通摄像机利用立柱进行固定，通过调节立柱底座和云台来改变拍摄高度和角度，以保证拍摄到完整气瓶状态变化，气瓶另一侧设置同样的摄像机，从而记录实验进行期间的完整过程；

所述高速摄像机利用三脚架进行固定，通过压力传感器p2监测的压力作为触发信号，则立即触发，从而记录prd动作及以后的完整过程。

所述的监控系统是由两路萤石c5t摄像头所组成的，在安全防护框架的两个对角上安装，从而进行实时监控，判断火焰试验进程，保证及时采取紧急措施。

所述的安全防护系统是由安全掩体、安全室、灭火系统所组成的。

以下是采用本发明的实验平台所做的具体实验：

实施例1

高压储氢瓶局部火烧试验，包括两个油池，即油池a和油池b并列设置，具体步骤如下：

1.选择无风天气进行实验，检查监控系统、灭火系统、运动部件等实验台各部分连接和运行正常，数据采集系统正常工作，且储氢瓶固定牢固；

2.燃料油池a放置于储氢瓶下部，确保储氢瓶底部250±50mm部分在火烧范围内；油池a添加煤油；

3.点燃油池a，此时开始必须确保安全室外无人员；若局部火烧下，气瓶prd已动作泄气，则实验结束；

4.完成一次实验数据采集；

5.整个火烧试验过程中，热响应参数远程监控系统、压力采集和图像采集系统将实时记录数据。

6.当prd动作或出现故障和其他意外情况后，立即启动卷扬机将火源撤离，并启动灭火系统迅速熄灭火源。

实施例2

高压储氢瓶整体火烧试验，包括两个油池，即油池a和油池b并列设置，且两头各设置一个卷扬机，即卷扬机一和卷扬机二，具体包括以下步骤：

1.选择无风天气进行实验，检查监控系统、灭火系统、运动部件等实验台各部分连接和运行正常，数据采集系统正常工作，且储氢瓶固定牢固；

2.燃料油池a放置于储氢瓶下部，确保储氢瓶底部250±50mm部分在火烧范围内；油池a和油池b中添加煤油；

3.点燃油池a，开始前必须确保安全室外无人员；若点火后10分钟，prd仍未启动，则启动卷扬机一按钮，牵引油池b运行到指定位置，并带动油池a移动到设定位置，从而扩展为整体火源，碰到挡板卷扬机一停止；

4.油池a、b持续燃烧，直至prd动作；

5.启动卷扬机二牵引两个油池回到原始位置，启动卷扬机三放下灭火板进行灭火，必须保证油池温度降到接近常温，才能移开灭火板；

重复步骤4-5。

由上可知，本发明的带有液体燃料火源装置的储氢瓶火烧实验平台，通过研究试验气瓶外壁面区域温度、气瓶内压力、平面燃烧器火焰演变过程及气瓶表面在火烧下变形过程，从而验证高压储氢瓶的宏观强度、安全裕度、结构设计的合理性与可靠性，以保证其服役性能。

本发明实施例装置上局部火烧阶段试验完成后，利用远程驱动装置，使牵引线带动燃烧盆，远程控制其沿导轨移动至另一极限位置，实现对气瓶的整体火烧。通过开发可远程控制燃烧盆移动的液体燃料火源装置，既实现了局部火烧扩展至整体火烧的技术目标，又保持了液体燃料火源装置简便、易操作等特点，同时也有效避免了试验人员因操作火源装置而导致的危险。

本发明实施例装置为了避免在气瓶在火烧试验中产生的爆炸飞片对高速相机造成伤害，对高速相机进行加装保护箱。为了拍摄目的(光线正常传递进相机内)，与镜头正对的箱体一侧采用防爆耐压的有机玻璃(pmma)。箱体其他部分采用6061铝材，同时箱体右侧预留接线口，且箱体有一侧可以完全打开便于调节相机。

本发明实施例装置上建立的火烧试验安全保障措施主要包括：设置安全掩体，避免爆炸碎片袭击试验人员；调整试验气瓶瓶口朝向并在其周围设置安全掩体，避免喷射火危险，在引出压力管线上设置气控泄压阀，预防prd故障导致的危险；设置安全室，保证实验过程中人员的安全；设置灭火装置，在不需要油池火源时，能及时灭火。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。