用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统

技术领域

本发明涉及氢内燃机测试安全控制技术领域，特别是涉及一种用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统。

背景技术

近年来，全球汽车行业面临减污降碳的重大任务，氢内燃机是汽车行业实现绿色低碳转型的重要技术路线之一。目前，尚无适用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统方案。由于氢内燃机试验室危险物质及试验环境与传统内燃机试验室及氢燃料电池试验室相比，具有较大差别，所以其安全报警与应急处置控制系统要求及措施均不能简单套用以往方案。

与传统内燃机试验室相比，氢内燃机试验室新增了氢气这种易挥发、易扩散的危险气体，具有较高的火灾及爆炸危险性。在可燃气体探测方面，传统内燃机试验室内的可燃气体探头一般布置在试验室中下高度，主要探测碳氢类气体、CO等，但由于氢气密度极小，这种探测方法很难探测到氢气。在应急处置方面，传统内燃机试验室在发生燃料泄漏时，一般不要求强制换风。但对于爆炸极限范围超宽(4％-76％)的氢气，发生泄漏后需要强制换风以快速降低试验室氢浓度，降低燃烧爆炸风险。另外，氢内燃机试验室与传统内燃机试验室对电气设备的要求不同，氢内燃机试验室内电气设备需要满足防爆要求。

与涉氢燃料电池试验室相比，氢内燃机试验室的辅助控制设备及被测件的工作特性和温度具有较大差别。氢内燃机试验室内的氢内燃机涉及高温燃烧反应，排气管件等高温部件最高温度可达800℃以上。而燃料电池内仅涉及低温氧化反应，基本不存在200℃以上的高温部件。所以，两者针对氢气泄漏的报警策略及火灾探测方式均具有较大差别。

因此，为保障试验室人员及设备安全，迫切需要建立一套用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统，该控制系统整合了氢内燃机试验室的测控系统和辅助系统，解决了子系统间不能整体协同的问题，可实现对各子系统作安全管控。

一种用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统，包括PLC主控系统以及与所述PLC主控系统连接并通讯的供氢系统、排烟风机系统、、测功机系统、全室空调系统、消防灭火系统及报警系统；所述供氢系统用于向所述氢内燃机提供工作所需氢气，包括供氢系统自带氢浓度监测器、盘面供氢阀以及供氢区域总阀；所述排烟风机系统用于排出氢内燃机内燃机燃烧产生的尾气；所述测功机系统用于连接被测氢内燃机，通过自身传感器获得氢内燃机的试验数据；氢内燃机所述全室空调系统用于通过进排风来控制试验室内环境温度、湿度和压力，保证试验室的安全运行；所述消防灭火系统用于对试验室内火灾进行灭火处置；所述报警系统用于识别到异常情况时通过塔灯发出声光报警信号，提醒试验人员解决处理；

监测到氢泄漏时，安全报警与应急处置控制系统进行频闪声光报警和或使盘面供氢阀关闭，使强排风机以预设频次工作进行强制换风以及使全室空调系统的进排风机启动，将试验室内空气排出，直至氢气浓度降低至0；

监测到火灾时，安全报警与应急处置控制系统控制所述消防灭火系统启动，将氢内燃机试验室空间全部区域覆盖，隔绝助燃剂，进行灭火；

监测到所述氢内燃机内燃机运行异常时，所述测功机系统发送报警信号至PLC主控系统，由所述PLC主控系统控制所述盘面供氢阀关闭。

其中，当试验过程中，所述氢内燃机内燃机运行异常包括所述氢内燃机故障和或试验数据达到其报警阈值；所述氢内燃机运行异常时，所述测功机系统自动发送报警信号至PLC主控系统，PLC主控系统接到指令后，发送关闭指令至盘面供氢阀，盘面供氢阀关闭。

其中，所述氢内燃机故障包括氢内燃机起火和或断轴；所述试验数据包括氢内燃机的转速和或扭矩。

其中，在近供氢盘面的预定位置布置氢系统自带氢浓度监测器，在试验室地下空间、试验间屋顶以及强排风机入口位置布置试验室内氢浓度监测器。

其中，所述PLC主控系统处理氢气泄漏具体逻辑如下：

A.当氢气泄漏达到处于第一浓度区间的上限值以下时，试验间和控制间塔灯进行频闪光报警，等待试验人员确认处理；

B.当氢气泄漏处于第二浓度区间的下限值及上限值以下时，试验间和控制间塔灯进行频闪声光报警，同时PLC主控系统发送关闭指令至盘面供氢阀，盘面供氢阀关闭，使强排风机以预设第一频次工作进行强制换风以及使全室空调系统的进排风机启动至少一半功率能力，将试验室内空气排出，直至氢气浓度降低至0；

C.当氢气泄漏达到第二浓度区间的上限值以上时,试验间和控制间塔灯进行频闪声光报警，同时PLC主控系统发送关闭指令至供氢区域总阀，供氢总阀关闭，停止整个试验区域内的供氢作业，测功机系统的测功机以及氢内燃机急停，同时使强排风机以预设高于第一频次的第二频次工作进行强制换风以及使全室空调系统的进排风机启动全功率能力，将试验室内空气排出，直至氢气浓度降低至0。

其中，需要灭火作业时，消防灭火系统会发送信号至PLC主控系统，PLC主控系统发送指令，关闭试验室内进排风系统及强排风系统，同时进行灭火作业；灭火作业时，采用惰性气体在预设时间内将氢内燃机试验室空间全部区域覆盖，隔绝助燃剂，进行灭火。

其中，所述消防灭火系统启动前，若监测到试验室内无试验人员，则所述消防灭火系统自动切换至自动模式，基于烟感、温感、火焰探测器传感器获取预设灭火启动控制参数，根据触发条件进行自动灭火控制。

其中，所述排烟风机系统设置有排烟风机监测传感器，用于监测排烟风机运行是否符合预设运行参数值，所述排烟风机监测传感器连接至PLC主控系统，当监测到排烟风机工作异常时，发送信号到PLC主控系统，所述PLC主控系统会发送指令，使试验室及控制间塔灯发出频闪声光报警，提醒试验人员处理解决。

其中，集成有氢内燃机漏液报警系统，其漏液传感器布置在积液盘最低点，用于在试验运行过程中，当氢内燃机的防冻液和或机油泄漏时发出声光报警。

其中，集成有中冷器温控气路漏液报警系统，用于通过监测传感器监测到中冷器温控气路在试验前后发生冷却液泄漏积聚时发出声光报警。

本发明整合传统内燃机试验室的测控系统和辅助子系统，集成应用在氢内燃机试验室安全报警与应急处置控制系统，技术通用性强；在报警安全控制方面对辅助子系统进行技术改造，创新性提出对危险因子智能化感知、监测及预警、联锁处置等安全报警保障控制逻辑，通过氢气泄漏监测、火灾探测、安全报警、分级应急响应功能，可有效管控氢内燃机试验室的各类危险因素，保障试验室安全运行。

本发明的控制系统通过设置有测功机系统、供氢系统、全室空调系统、排烟风机系统、消防灭火系统及报警系统等独立子系统，可实现在氢内燃机运行出现异常情况下，通过系统集成，及时采取相应措施，有效避免试验室发生异常时由于人为判断不准确、反应不及时导致的严重后果，将试验异常造成的危险程度降至最低。

本发明采用多种类型传感器联合监控、PLC主控系统集成控制多个子系统、优化控制逻辑，能够在试验运行前后监控危险因素、分级报警和响应，PLC主控系统与试验室辅助设备相连锁，在试验过程中，如氢气泄漏、火灾报警、设备运行异常停机等问题发生时，PLC主控系统报警逻辑明确、清晰，处理措施合理，可解决各子系统分别处理报警故障的繁琐问题，有效保障试验安全。

附图说明

图1是本发明的用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统构成示意图。

图2是本发明的用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统的控制逻辑示意图。

图3所示为本发明的用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统的现场布置示意图。

附图标记说明：

1为供氢系统，其中11为氢气罐，12为供氢区域总阀，13为第一调压阀，14为盘面供氢阀，15为第二调压阀，16为氢气流量计，17为供氢系统自带氢氢浓度监测器；

2为排烟风机系统；

3为全室空调系统；

4为消防灭火系统；

5为测功机系统；

6为氢内燃机；

7为试验间，其中71为试验室地下空间；

8为控制间；

9为塔灯声光报警器；

10为试验室内氢浓度监测器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于氢内燃机试验室既要具备氢燃料电池试验室的氢安全监测功能，同时也需要具备类似传统内燃机试验室等处置高温部件可能引发的火灾及爆炸等应急响应功能。另外，还需要将氢安全监测报警、火灾报警等与氢气切断阀、测功机、排烟风机、空调等设备集成联动。综上，氢内燃机试验室内的危险因素种类及应急响应系统的联动设备复杂性均远高于传统内燃机试验室及涉氢燃料电池试验室。因此，申请人创新性地提出本发明的用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统以解决对应问题。

如图1及图2所示，本发明实施例的用于氢内燃机试验室的安全报警与应急处置控制系统，包括PLC主控系统，以及与所述PLC主控系统连接并通讯的布置于试验室外的供氢系统1与排烟风机系统2，布置有于试验室内的全室空调系统3、消防灭火系统4、测功机系统5以及报警系统等子系统，同时该安全报警与应急处置控制系统具有拓展性，可拓展集成其它系统并布置于试验室内。

一个实施例中，所述报警系统采用塔灯声光报警器9，包括以光报警以及声光报警的形式进行报警，所述供氢系统包括氢气罐11，试验间外供氢系统自带氢浓度监测器17(主要分布在供氢管路的沿途，如供氢区域总阀附近、盘面供氢阀附)、盘面供氢阀14以及供氢区域总阀12，供氢管路上的第一调压阀13，第二调压阀15，氢气流量计16，所述全室空调系统包括进排风机。

一个实施例下，所述测功机系统5连接被测氢内燃机6，布置于试验间7内，通过自身的传感器获得测试数据，当试验过程产生严重的数据异常，影响安全的情况下，测功机系统程序设计自动发送信号至PLC主控系统，PLC主控系统接到指令后，会发送关闭指令至盘面供氢阀，盘面供氢阀关闭。

一个实施例下，所述测功机系统5具备手动和自动双模式，与PLC主控系统相联锁。若正常试验过程中发生异常，如氢内燃机起火、断轴等，需要测功机紧急停机时，测功机系统会联动PLC主控系统，同时将盘面供氢阀关闭。若正常试验过程中，测量数据触发了测功机系统的监测限值，如转速、扭矩等，威胁试验安全时，测功机系统会自动开启停机保护措施，测功机系统会联动PLC主控系统，同时将盘面供氢阀关闭。

一个实施例下，在供氢盘面附近布置试验间外供氢系统自带氢浓度监测器17，在试验室地下空间71、试验间屋顶、强排风机入口等重点或是关键涉氢区域布置试验室内氢浓度监测器10，并与PLC主控系统相连，设置氢气浓度危险等级阈值(阈值可编辑)，当氢浓度监测器检测到氢气浓度达到预定阈值后，按预设规则采取相应处理措施，在试验间7的一侧布置有控制间8，在控制间8以及试验间7布置塔灯声光报警器9。

一个实施例中，所述PLC主控系统处理泄漏具体逻辑如下：

A.当氢气泄漏达到处于第一浓度区间(如0-20ppm)的上限值以下时，试验间和控制间塔灯会进行频闪光报警，等待试验人员前来确认处理；

B.当氢气泄漏处于第二浓度区间(如20-500ppm)的下限值及上限值以下时，试验间和控制间塔灯会进行频闪声光报警，同时PLC发送关闭指令至盘面供氢阀，盘面供氢阀关闭，同时给强排风机以一定频次(如30次/h)工作强制换风及全室空调进排风机50％功率能力，将试验室内空气排出，直至氢气浓度降低至0，此项功能系统自动完成，可手动恢复；

C.当氢气泄漏达到更大浓度时,如氢气浓度达到≥500ppm时，试验间和控制间塔灯会进行频闪声光报警，同时PLC主控系统发送关闭指令至供氢区域总阀，供氢总阀关闭，暂停整个试验区域内的供氢作业，测功机急停，同时给强排风机以更高的频率工作(如200次/h)进行强制换风及全室空调进排风机100％功率能力将试验室内空气排出，直至氢气浓度降低至0，此项功能系统自动完成，可手动恢复。

一个实施例下，所述全室空调系统，在正常工作时用于控制试验室内环境温度、湿度和压力等参数，当PLC主控系统接收到来自试验室屋顶以及排风机入口的氢浓度监测器泄漏报警时，会发送指令至全室空调系统，使其执行如前面所述的相应的动作，保障试验室安全运行。当PLC主控系统接收到来自试验室屋顶及排风机入口的氢浓度监测器泄漏报警时，会发送指令至全室空调系统，使其执行相应动作，也可人为手动调整排风能力大小，保证试验室的安全运行。

一个实施例下，所述排烟风机系统，在正常工作时用于排出氢内燃机燃烧后产生的尾气，具有过载过流等报警功能：当排烟风机处于过载状态或过流状态时(非正常工作状态)，排烟风机会通过相应的监测传感器将信号传输至PLC主控系统，从而进行报警，提醒试验人员处理解决；由于氢内燃机燃烧后的尾气会残余极少量的未燃氢气，监测排烟风机的正常运行至关重要，监测排烟风机的监测传感器接至PLC主控系统，当发生排烟风机工作异常时，PLC主控系统会发送指令，使塔灯发出频闪声光报警，提醒试验人员处理解决。其中，所述监测传感器包括有压差传感器，实时将信号传输至PLC主控系统，当出现异常停机，或通过压差传感器监测到排烟风机的排风能力明显减弱触发既定压差传感器限值时，同时会触发PLC主控系统报警，提醒试验人员处理解决。

一个实施例下，所述消防灭火系统，作为控制试验室火灾的最后屏障，其在工作时需隔绝助燃剂，当需要灭火作业时，消防灭火系统会发送信号至PLC主控系统，PLC主控系统发送指令至全室空调系统和强排风机，关闭试验室内进排风系统，同时进行灭火作业。另外，所述消防灭火系统在试验室发生火灾且火势无法控制时，可以由试验人员手动启动灭火系统。

需要进行消防灭火时，消防灭火系统会发送报警信号至PLC主控系统，PLC主控系统发送关闭指令至盘面供氢阀和供氢区域总阀，关闭试验室强排风系统，关闭排烟风机系统，关闭全室空调系统，采用惰性气体在30s内将氢内燃机试验室空间全部区域覆盖，隔绝助燃剂，达到灭火效果。另外，若试验人员离开，可将消防灭火系统切换至自动模式，完全由PLC主控系统自主判定，基于烟感、温感、火焰探测器等传感器获取参数，根据触发条件采取自动灭火；自动模式下，消防灭火系统灭火连锁安全报警逻辑同上。

一个实施例下，PLC主控系统拓展集成其它系统，如氢内燃机漏液报警系统和氢内燃机试验用中冷器温控气路漏液报警系统，氢内燃机漏液报警系统的传感器布置在积液盘最低点，在试验运行过程中，如有防冻液、机油等液体泄漏时，传感器会及时感应并将信号传输至报警系统，报警系统通过控制间内塔灯进行声光报警，提醒试验人员解决处理。另外，传感器本身位于试验间内，达到报警限值时传感器自身也会进行报警，同时也会将信号传输至报警系统，以解决或避免试验间传感器自身报警不易被控制间内试验人员察觉的问题。

所述氢内燃机试验用中冷器温控气路在试验前后，如发生冷却液泄漏积聚，传感器会及时感应并发出声光报警，同时将信号传输至报警系统，报警系统通过试验间内塔灯进行声光报警，提醒试验人员解决处理，更能保证氢内燃机在试验时不发生重大损害。

需要说明的是，本发明实施例中，在试验开始前，整个系统会对排烟风机、强排风机、全室空调系统进行自检查，确认状态正常后，方能进行试验。监控控制过程中产生的所有报警信息及设备状态会在设置的显示屏的主屏显示，并显示和记录报警信息，报警后系统需经过试验人员确认、复位后方可正常进行试验；盘面供氢阀关闭后，需系统复位后手动开启。

本发明实施例的控制系统通过整合分项子系统、设计控制逻辑等手段使生产设备和生产系统本身更具安全性，即便在操作失误或发生故障时也不致造成严重事故，具体包括人为判读故障、反应不及时或人员短暂不在岗时不会导致事故发生，系统自动操作切断危险源，并启动必要的安全措施；试验时设备发生故障自动转变安全状态。系统会根据不同的报警级别分级分类作出管控措施，并将报警信息显示记录在系统显示屏，方便查看，从而实现本质安全。

综上所述，本发明的控制系统，采用整合氢内燃机试验室子系统、多种传感器联合监控、PLC集成控制多个子系统的使用，通过优化控制逻辑，能够在试验运行前后，监控危险因素，并分级作出报警及响应，PLC主控系统与氢内燃机试验室辅助设备相连锁，从而解决氢内燃机试验室人为原因及试验特性导致作业安全隐患，提升本质安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。