一种氢气预冷器测试系统及其方法与流程

1.本发明涉及氢气测试相关领域，具体为一种氢气预冷器测试系统及其方法。


背景技术：

2.氢能凭借其热值高、来源广、燃烧产物无污染等优势，成为21世纪的绿色能源。常见的氢能基础设施包括加氢站、液氢工厂、制氢工厂、氢气运输管道等，其中加氢站占比最高。
3.依据sae-j2601标准，70mpa氢气加注温度范围应为-40℃～-33℃。为此，在70mpa压力等级的加氢站中需额外配置氢气预冷器，为增压后的高压高温氢气进行降温，使其加注温度符合要求。若加注温度过高，轻则导致车载气瓶内储氢密度过低，减少氢燃料电池驾驶里程；重则导致车载储氢瓶失效，引发氢气泄漏。因此，氢气预冷器的性能尤为重要，迫切需要研发一套氢气预冷器测试系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氢气预冷器测试系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢气预冷器测试系统，包括液氢侧、冷媒测、待测换热器、气氢侧、储氢模块以及氮气模块；
6.所述液氢侧、所述冷媒测与所述气氢侧分别与所述待测换热器之间通过管道连接，从而使气体能够经过所述待测换热器，从而对其进行处理，所述液氢侧与所述储氢模块之间通过管道连接，从而使所述液氢侧内的气体能够进入到所述储氢模块内，所述氮气模块分别与所述液氢侧和所述气氢侧之间通过管道连接，从而使气体能够分别进入。
7.作为优选，所述液氢侧包括液氢入口、氮气置换单向阀、液氢侧置换开关阀、置换氮气入口、低温紧急切断阀、液氢侧流量计、第一泄放单向阀、第一液氢安全阀根阀、第一液氢安全阀、第二液氢安全阀根阀、液氢调节阀、第二泄放单向阀、第三液氢安全阀根阀、第二液氢安全阀、第四液氢安全阀根阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、液氢出口开关阀、复热器、第三温度传感器、泄放调节阀、泄放单向阀、氢气泄放管道、氢气泄放出口。
8.作为优选，所述第一液氢安全阀根阀、第一液氢安全阀以及所述第二液氢安全阀根阀在所述低温紧急切断阀和所述液氢调节阀之间，所述第三液氢安全阀根阀、第二液氢安全阀以及所述第四液氢安全阀根阀在所述液氢调节阀与所述第二温度传感器之间，从而当封闭段内液氢汽化时，超压氢气经所述第二液氢安全阀根阀、所述第一液氢安全阀以及所述第一泄放单向阀或经过所述第四液氢安全阀根阀、所述第二液氢安全阀以及所述第二泄放单向阀进入到所述氢气泄放管道内，最后从所述氢气泄放出口排出。
9.作为优选，所述液氢侧流量计设置在所述液氢侧主路，用以测量液氢流量；在所述待测换热器的前端和后端分别设置温度传感器，用以检测换热前后温度。
10.作为优选，所述储氢模块包括储氢进口阀、储氢压力传感器、储氢瓶组，当所述储氢瓶组压力达到设定值时，压力信号传送至所述泄放调节阀使其打开，关闭所述储氢进口阀，所述复热器出口常温氢气(0-10-℃)直接经所述泄放调节阀、泄放单向阀、氢气泄放管道、氢气泄放出口完成泄放。
11.作为优选，所述气氢侧包括气氢入口、第二氮气置换单向阀、气氢侧置换开关阀、第二置换氮气入口、气氢入口阀、气氢入口单向阀、气氢侧流量计、第五压力传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第六压力传感器、气氢出口阀、气氢出口、置换泄放阀，70mpa高温氢气自所述气氢入口流入后，依次经过所述气氢入口阀、气氢入口单向阀、气氢侧流量计进入所述待测换热器，经所述气氢出口阀、气氢出口流出；在所述待测换热器的前端和后端分别设置温度传感器，用以检测换热前后温度换热后，
12.作为优选，所述冷媒测包括第四温度传感器、第三压力传感器、冷媒流量计、冷媒进口球阀、冷却机组、冷媒出口球阀、第四压力传感器、第五温度传感器、冷媒旁通阀，所述冷媒旁通阀在所述冷媒进口球阀与所述冷媒出口球阀之间，从而能够调节进入所述待测换热器内的冷媒流量，所述冷媒流量计在冷媒侧主路，从而用以测量冷媒流量，当待测换热器为冷媒冷却模式时，冷媒自冷却机组流出后，依次经过冷媒进口球阀、冷媒流量计进入所述待测换热器，与70mpa高温氢气换热后，经冷媒出口球阀返回至冷却机组。
13.作为优选，所述氮气模块包括氮气瓶、入口球阀、减压阀、置换压力表、过滤器、第一置换开关阀、第二置换开关阀、第一置换氮气出口、第二置换氮气出口，氮气自所述氮气瓶流出，依次经过所述入口球阀、所述减压阀、所述过滤器后一分为二，其中一条依次经过所述第一置换开关阀、所述第一置换氮气出口、所述置换氮气入口、所述液氢侧置换开关阀、所述氮气置换单向阀进入液氢主管路，对液氢侧管路进行置换，另一条一次经过所述第二置换开关阀、所述第二置换氮气出口、所述第二置换氮气入口、所述气氢侧置换开关阀、所述第二氮气置换单向阀后进入高压氢气管路，对气氢侧管路进行置换。
14.作为优选，根据所述第七温度传感器的数值可控制液氢调节阀、冷媒旁通阀的开度，以测试不同设定出口温度下所述待测换热器的换热性能，根据储氢压力传感器的数值可控制泄放单向阀的开闭，避免储氢瓶组超压。
15.一种氢气预冷器测试系统的其方法，包括以下步骤：
16.步骤1：液氢侧氮气置换，打开所述入口球阀、第一置换开关阀、液氢侧置换开关阀、液氢调节阀、液氢出口开关阀、储氢进口阀对液氢管路及储氢瓶组进行置换，置换完毕后关闭所述氮气置换开关阀、打开所述泄放调节阀进行泄放，重复5次后复原；
17.步骤2：气氢侧氮气置换，打开所述入口球阀、第二置换开关阀、气氢侧置换开关阀、气氢入口阀对气氢管路进行置换，置换完毕后关闭所述气氢侧置换开关阀、打开所述置换泄放阀进行泄放，重复5次后复原；
18.步骤3a(液氢预冷)：液氢侧打开所述液氢调节阀、液氢出口开关阀、储氢进口阀；气氢侧打开所述气氢入口阀、所述气氢出口阀，并将气氢侧出口温度设定为ta；
19.步骤3b(冷媒预冷)：液氢侧打开所述冷媒进口球阀、冷媒出口球阀；气氢侧打开所述气氢入口阀、气氢出口阀，并将气氢侧出口温度设定为tb；
20.步骤4：待系统稳定后，读取所述液氢侧流量计106(冷媒流量计203)、所述第一压力传感器(第三压力传感器)、所述第一温度传感器(第四温度传感器)、所述第二温度传感
器(第五温度传感器)、所述第二压力传感器(第四压力传感器)测点数值，分别记为m1、p1、t1、t2、p2，通过p1、t1、t2、 p2计算出液氢进出口焓值分别为h1、h2，计算液氢侧1换热量q1＝m1(h2-h1)；读取所述气氢侧流量计、第五压力传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第六压力传感器测点数值，分别记为m2、p3、t3、t4、p4，通过p3、t3、 t4、p4计算出液氢进出口焓值分别为h3、h4，计算气氢侧换热量q2＝ m2(h3-h4)，换热器漏热率φ＝100％*(q1-q2)/q1；通过对数平均温差法可求得换热器换热系数k；
21.步骤5：重新设定气氢侧出口温度,并重复步骤4。
22.综上所述，本发明有益效果是：
23.1、本发明通过包含液氢测试流程与冷媒测试流程，将两类氢气预冷器测试流程耦合在一套测试装置内，降低成本，提高装置功能性。
24.2、本发明通过将气化后的氢气进行回收储存，可用于加氢站的二次使用，节约氢气资源。
附图说明
25.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明一种氢气预冷器测试系统及其方法整体流程示意图。
27.附图中标记分述如下：1-液氢侧；101-液氢入口；102-第一氮气置换单向阀；103-液氢侧置换开关阀；104-第一置换氮气入口；105-低温紧急切断阀；106-液氢侧流量计；107-第一泄放单向阀；112-第二泄放单向阀；125
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第三泄放单向阀；108-第一液氢安全阀根阀；110-第二液氢安全阀根阀；113
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第三液氢安全阀根阀；115-第四液氢安全阀根阀；109-第一液氢安全阀；114
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第二液氢安全阀；111-液氢调节阀；116-第一压力传感器；117-第一温度传感器；118-第二温度传感器；119-第二压力传感器；120-液氢出口开关阀； 121-复热器；122-第三温度传感器；123-泄放调节阀；124-泄放单向阀；125
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氢气泄放管道；126-氢气泄放出口；2-冷媒侧；201-第四温度传感器；202
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第三压力传感器；203-冷媒流量计；204-冷媒进口球阀；205-冷却机组；206
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冷媒出口球阀；207-第四压力传感器；208-第五温度传感器；209-冷媒旁通阀；3-待测换热器；4-气氢侧；401-气氢入口；402-第二氮气置换单向阀；403
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气氢侧置换开关阀；404-第二置换氮气入口；405-气氢入口阀；406-气氢入口单向阀；407-气氢侧流量计；408-第五压力传感器；409-第六温度传感器； 410-第七温度传感器；411-第六压力传感器；412-气氢出口阀；413-气氢出口；414-置换泄放阀；5-储氢模块；501-储氢进口阀；502-储氢压力传感器； 503-储氢瓶组；6-氮气模块；601-氮气瓶；602-入口球阀；603-减压阀；604
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置换压力表；605-过滤器；606-第一置换开关阀；607-第二置换开关阀；608
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第一置换氮气出口；609-第二置换氮气出口。
具体实施方式
28.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
29.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
30.下面结合图1对本发明进行详细说明，其中，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1视图方向的前后左右上下的方向一致，图1为本发明装置的正视图，图1所示方向与本发明装置正视方向的前后左右上下方向一致。
31.请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种氢气预冷器测试系统，包括液氢侧1、冷媒测2、待测换热器3、气氢侧4、储氢模块5以及氮气模块6；
32.所述液氢侧1、所述冷媒测2与所述气氢侧4分别与所述待测换热器3之间通过管道连接，从而使气体能够经过所述待测换热器3，从而对其进行处理，所述液氢侧1与所述储氢模块5之间通过管道连接，从而使所述液氢侧1内的气体能够进入到所述储氢模块5内，所述氮气模块6分别与所述液氢侧1 和所述气氢侧4之间通过管道连接，从而使气体能够分别进入。
33.另外，在一个实施例中，所述液氢侧1包括液氢入口101、氮气置换单向阀102、液氢侧置换开关阀103、置换氮气入口104、低温紧急切断阀105、液氢侧流量计106、第一泄放单向阀107、第一液氢安全阀根阀108、第一液氢安全阀109、第二液氢安全阀根阀110、液氢调节阀111、第二泄放单向阀 112、第三液氢安全阀根阀113、第二液氢安全阀114、第四液氢安全阀根阀 115、第一压力传感器116、第一温度传感器117、第二温度传感器118、第二压力传感器119、液氢出口开关阀120、复热器121、第三温度传感器122、泄放调节阀123、泄放单向阀124、氢气泄放管道125、氢气泄放出口126。
34.另外，在一个实施例中，所述第一液氢安全阀根阀108、第一液氢安全阀 109以及所述第二液氢安全阀根阀110在所述低温紧急切断阀105和所述液氢调节阀111之间，所述第三液氢安全阀根阀113、第二液氢安全阀114以及所述第四液氢安全阀根阀115在所述液氢调节阀111与所述第二温度传感器118 之间，从而当封闭段内液氢汽化时，超压氢气经所述第二液氢安全阀根阀110、所述第一液氢安全阀109以及所述第一泄放单向阀107或经过所述第四液氢安全阀根阀115、所述第二液氢安全阀114以及所述第二泄放单向阀112进入到所述氢气泄放管道125内，最后从所述氢气泄放出口126排出。
35.另外，在一个实施例中，所述液氢侧流量计106设置在所述液氢侧1主路，用以测量液氢流量；在所述待测换热器3的前端和后端分别设置温度传感器，用以检测换热前后温度。
36.另外，在一个实施例中，所述储氢模块5包括储氢进口阀501、储氢压力传感器502、储氢瓶组503，当所述储氢瓶组503压力达到设定值时，压力信号传送至所述泄放调节阀123使其打开，关闭所述储氢进口阀501，所述复热器121出口常温氢气(0-10℃)直接经所述泄放调节阀123、泄放单向阀124、氢气泄放管道125、氢气泄放出口126完成泄放。
37.另外，在一个实施例中，所述气氢侧4包括气氢入口401、第二氮气置换单向阀402、气氢侧置换开关阀403、第二置换氮气入口404、气氢入口阀405、气氢入口单向阀406、气氢侧流量计407、第五压力传感器408、第六温度传感器409、第七温度传感器410、第六压力传感器411、气氢出口阀412、气氢出口413、置换泄放阀414，70mpa高温氢气自所述气氢入口401流入后，依次经过所述气氢入口阀405、气氢入口单向阀406、气氢侧流量计407进入所述
待测换热器3，在所述待测换热器3的前端和后端分别设置温度传感器，用以检测换热前后温度换热后，经所述气氢出口阀412、气氢出口413流出。
38.另外，在一个实施例中，所述冷媒测2包括第四温度传感器201、第三压力传感器202、冷媒流量计203、冷媒进口球阀204、冷却机组205、冷媒出口球阀206、第四压力传感器207、第五温度传感器208、冷媒旁通阀209，所述冷媒旁通阀209在所述冷媒进口球阀204与所述冷媒出口球阀206之间，从而能够调节进入所述待测换热器3内的冷媒流量，所述冷媒流量计203在冷媒侧主路，从而用以测量冷媒流量，当待测换热器3为冷媒冷却模式时，冷媒自冷却机组205流出后，依次经过冷媒进口球阀204、冷媒流量计203进入所述待测换热器3，与70mpa高温氢气换热后，经冷媒出口球阀206返回至冷却机组205。
39.另外，在一个实施例中，所述氮气模块6包括氮气瓶601、入口球阀602、减压阀603、置换压力表604、过滤器605、第一置换开关阀606、第二置换开关阀607、第一置换氮气出口608、第二置换氮气出口609，氮气自所述氮气瓶601流出，依次经过所述入口球阀602、所述减压阀603、所述过滤器605 后一分为二，其中一条依次经过所述第一置换开关阀606、所述第一置换氮气出口608、所述置换氮气入口104、所述液氢侧置换开关阀103、所述氮气置换单向阀102进入液氢主管路，对液氢侧1管路进行置换，另一条一次经过所述第二置换开关阀607、所述第二置换氮气出口609、所述第二置换氮气入口404、所述气氢侧置换开关阀403、所述第二氮气置换单向阀402后进入高压氢气管路，对气氢侧4管路进行置换。
40.另外，在一个实施例中，根据所述第七温度传感器410的数值可控制液氢调节阀111、冷媒旁通阀209的开度，以测试不同设定出口温度下所述待测换热器3的换热性能，根据储氢压力传感器502的数值可控制泄放单向阀124 的开闭，避免储氢瓶组503超压。
41.一种氢气预冷器测试系统的方法，包括以下步骤：
42.步骤1：液氢侧1氮气置换，打开所述入口球阀602、第一置换开关阀606、液氢侧置换开关阀103、液氢调节阀111、液氢出口开关阀120、储氢进口阀501对液氢管路及储氢瓶组进行置换，置换完毕后关闭所述氮气置换开关阀 103、打开所述泄放调节阀123进行泄放，重复5次后复原；
43.步骤2：气氢侧4氮气置换，打开所述入口球阀602、第二置换开关阀607、气氢侧置换开关阀403、气氢入口阀405对气氢管路进行置换，置换完毕后关闭所述气氢侧置换开关阀403、打开所述置换泄放阀414进行泄放，重复5次后复原；
44.步骤3a(液氢预冷)：液氢侧1打开所述液氢调节阀111、液氢出口开关阀120、储氢进口阀501；气氢侧4打开所述气氢入口阀405、所述气氢出口阀412，并将气氢侧4出口温度设定为ta；
45.步骤3b(冷媒预冷)：液氢侧1打开所述冷媒进口球阀204、冷媒出口球阀206；气氢侧4打开所述气氢入口阀405、气氢出口阀412，并将气氢侧 4出口温度设定为tb；
46.步骤4：待系统稳定后，读取所述液氢侧流量计106(冷媒流量计203)、所述第一压力传感器116(第三压力传感器202)、所述第一温度传感器117(第四温度传感器201)、所述第二温度传感器118(第五温度传感器208)、所述第二压力传感器119(第四压力传感器207)测点数值，分别记为m1、p1、 t1、t2、p2，通过p1、t1、t2、p2计算出液氢进出口焓值分别为h1、h2，计算液氢侧1换热量q1＝m1(h2-h1)；读取所述气氢侧流量计407、第五压力传感器408、第六温度传感器409、第七温度传感器410、第六压力传感器411 测点数值，分别记为m2、p3、
t3、t4、p4，通过p3、t3、t4、p4计算出液氢进出口焓值分别为h3、h4，计算气氢侧1换热量q2＝m2(h3-h4)，换热器漏热率φ＝100％*(q1-q2)/q1；通过对数平均温差法可求得换热器换热系数k；
47.步骤5：重新设定气氢侧4出口温度,并重复步骤4。
48.以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。