一种基于高压氢气瓶组集装设备

技术领域

本发明属于高压氢气瓶组集装技术领域，尤其涉及一种基于高压氢气瓶组集装设备。

背景技术

氢气(Hydrogen)是氢元素形成的一种单质，化学式H2，分子量为2.01588。常温常压下氢气是一种无色无味极易燃烧且难溶于水的气体。氢气的密度为0.089g/L(101.325kpa,0℃)，只有空气的1/14，是世界上已知的密度最小的气体。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充)。氢气与电负性大的非金属反应显示还原性，与活泼金属反应显示氧化性。多年来，氢气一直以压缩气体或低温液体的形式储存，并以气缸、管道和低温罐的形式运输，用于工业或作为空间计划的推进剂。对使用氢气在零排放车辆中进行车载能源存储的兴趣正在推动新存储方法的开发，以更适应这种新应用；然而，现有基于高压氢气瓶组集装设备对氢气浓度检测不准确；存在一定的滞后性；同时，不能对氢气的安全性进行量化计算并预测其爆炸危险性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有基于高压氢气瓶组集装设备对氢气浓度检测不准确；存在一定的滞后性。

(2)不能对氢气的安全性进行量化计算并预测其爆炸危险性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高压氢气瓶组集装设备。

本发明是这样实现的，所述基于高压氢气瓶组集装设备包括：

瓶压检测模块、瓶温检测模块、浓度检测模块、主控模块、注氢模块、瓶压控制模块、瓶温控制模块、评估模块、显示模块；

瓶压检测模块，用于检测氢气瓶内压力；

瓶温检测模块，用于检测氢气瓶温度；

浓度检测模块，用于检测氢气瓶内氢气浓度；

注氢模块，用于向氢气瓶注入氢气；

瓶压控制模块，用于对氢气瓶压力进行控制；

瓶温控制模块，用于对氢气瓶温度进行控制；

评估模块，用于对氢气瓶组集装设备爆炸危险等级进行评估；

显示模块，用于显示氢气瓶内压力、温度、氢气浓度、评估结果；

主控模块，与瓶压检测模块、瓶温检测模块、浓度检测模块、注氢模块、瓶压控制模块、瓶温控制模块、评估模块、显示模块连接，用于控制各个模块正常工作。

进一步，所述浓度检测模块检测方法如下：

S1：配置监测设备参数，通过监测设备判断通过信号变换器接收到的高压氢气瓶内氢气浓度值是否出现上升；若判断出所述高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升，则依据上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值进行预测，得到预测高压氢气瓶内氢气浓度值；

S2：判断所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值是否大于预设高压氢气瓶内氢气浓度阈值；若判断出所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值大于预设高压氢气瓶内氢气浓度阈值，则进行相应的故障处理；若判断出所述高压氢气瓶内氢气浓度值差值不大于零，则返回执行获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值的步骤。

进一步，所述通过监测设备判断通过信号变换器接收到的高压氢气瓶内氢气浓度值是否出现上升，包括：

通过所述信号变换器获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值；

判断所述当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值是否大于所述前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值；

若判断结果为是，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升；

若判断结果为否，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值未出现上升。

进一步，所述依据上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值进行预测，得到预测高压氢气瓶内氢气浓度值，包括：

判断上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值是否大于设定值；

若判断出上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值大于设定值，则利用上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的线性斜率，在间隔第一预设时段后得到所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值；

若判断出上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值不大于设定值，则利用上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的线性斜率，在间隔第二预设时段后得到所述预设高压氢气瓶内氢气浓度值。

进一步，所述第一预设时段大于等于所述第二预设时段。

进一步，所述评估模块评估方法如下：

S21：构建事故数据库，将收集的氢气瓶组集装设备爆炸事故数据存入事故数据库；收集氢气瓶组集装设备爆炸事故的系统数据、实验测试所得数据以及在实际系统中，利用检测装置监测系统的变化来收集的预混可燃气体的爆炸表现数据，并将以上数据作为底层数据；

S22：基于得到的底层数据，根据化学反应机理以及特征分析法，建立一个氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型；基于建立的氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型，利用支持向量机SVM算法对输入的系统参数进行爆炸危险等级评估；

S23：根据得到的爆炸危险等级评估结果，制定对应爆炸危险等级应对方案和技术解决措施，优化氢气瓶组集装设备安全性能，提高氢气瓶组集装设备安全整改效率。

进一步，所述得到的底层数据，根据化学反应机理以及特征分析法，建立一个氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型的实现方法为，

对于H

因此，可基于化学反应机理和特征分析法，建立爆炸危险等级分级模型：

其中，

利用该爆炸危险等级分级模型能够计算氢气瓶组集装设备爆炸极限。

进一步，所述基于建立的氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型，利用支持向量机SVM算法对输入的系统参数进行爆炸危险等级评估的实现方法为：

定义气体基本性质；基于步骤一中的底层数据，设置不同压力、最大温度和最小温度，将不同压力下的温度作为H

设置系统中氢气和氧气的比值，以及惰性气体和氧气的比值作为H

基于爆炸危险等级分级模型，建立基于化学反应机理得到的氢氧混合气体的反应速率方程

利用该判据能够得到不同初始条件下的氢气瓶组集装设备爆炸极限值；

将不同压力下能够使氢气瓶组集装设备起爆的最小温度输出，并存放作为爆炸极限数据库；

调用支持向量机SVM算法,对计算得到的不同初始条件下的氢气爆炸极限值以及步骤一中得到的实际爆炸数据进行训练，通过训练能够预测出更多初始条件下的氢气瓶组集装设备爆炸极限，并将这些爆炸极限也存放进爆炸极限数据库中，并给出爆炸危险等级；

通过前端的高精度的激光、红外等检测手段采集真实现场数据，实时追踪并更新红外采集范围内固定时长的温度场、压强场、气体组分等信息，收集不同温度、压强、组分浓度下的预混可燃气体的爆炸表现，作为标准数据集，并作为预测算法的输入流

对输入流

进一步，所述氢氧混合气体的反应速率方程中，以H组分参与化学反应的反应速率作为系统发生爆炸的判据，即

其中，k1、k2分别是反应H·+O2→O·+OH·和H·+O2+M→HO2·+M的化学反应速率；

本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于高压氢气瓶组集装设备。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明通过浓度检测模块可以在高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升时，根据上升前后周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值进行预测，得到预测高压氢气瓶内氢气浓度值，最后根据预测高压氢气瓶内氢气浓度值和预设高压氢气瓶内氢气浓度阈值之间的大小关系，进行相应的故障处理，解决现有软件检测方式存在一定滞后性，故障处理存在一定的迟延，可靠性低的问题；同时，通过评估模块利用支持向量机SVM预测算法，结合先验信息建立、训练好的氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型，能够快速有效地分析氢气瓶组集装设备的危险等级，对优化氢气瓶组集装设备安全性能，提高氢气瓶组集装设备整改效率起到促进作用。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明有效解决了现有基于高压氢气瓶组集装设备对氢气浓度检测不准确，存在一定的滞后性；不能对氢气的安全性进行量化计算并预测其爆炸危险性的技术问题，氢气浓度检测准确，及时，能够快速有效地分析氢气瓶组集装设备的危险等级，对优化氢气瓶组集装设备安全性能，提高氢气瓶组集装设备整改效率起到促进作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于高压氢气瓶组集装设备结构框图；

图2是本发明实施例提供的浓度检测模块检测方法流程图；

图3是本发明实施例提供的评估模块评估方法流程图；

图1中：1、瓶压检测模块；2、瓶温检测模块；3、浓度检测模块；4、主控模块；5、注氢模块；6、瓶压控制模块；7、瓶温控制模块；8、评估模块；9、显示模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的基于高压氢气瓶组集装设备包括：瓶压检测模块1、瓶温检测模块2、浓度检测模块3、主控模块4、注氢模块5、瓶压控制模块6、瓶温控制模块7、评估模块8、显示模块9。

瓶压检测模块1，用于检测氢气瓶内压力；

瓶温检测模块2，用于检测氢气瓶温度；

浓度检测模块3，用于检测氢气瓶内氢气浓度；

注氢模块5，用于向氢气瓶注入氢气；

瓶压控制模块6，用于对氢气瓶压力进行控制；

瓶温控制模块7，用于对氢气瓶温度进行控制；

评估模块8，用于对氢气瓶组集装设备爆炸危险等级进行评估；

显示模块9，用于显示氢气瓶内压力、温度、氢气浓度、评估结果；

主控模块4，与瓶压检测模块1、瓶温检测模块2、浓度检测模块3、注氢模块5、瓶压控制模块6、瓶温控制模块7、评估模块8、显示模块9连接，用于控制各个模块正常工作。

如图2所示，本发明提供的浓度检测模块3检测方法如下：

S1：配置监测设备参数，通过监测设备判断通过信号变换器接收到的高压氢气瓶内氢气浓度值是否出现上升；若判断出所述高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升，则依据上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值进行预测，得到预测高压氢气瓶内氢气浓度值；

S2：判断所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值是否大于预设高压氢气瓶内氢气浓度阈值；若判断出所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值大于预设高压氢气瓶内氢气浓度阈值，则进行相应的故障处理；若判断出所述高压氢气瓶内氢气浓度值差值不大于零，则返回执行获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值的步骤。

本发明提供的判断通过信号变换器接收到是高压氢气瓶内氢气浓度值是否出现上升，包括：

通过所述信号变换器获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值；

判断所述当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值是否大于所述前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值；

若判断结果为是，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升；

若判断结果为否，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值未出现上升。

本发明提供的判断通过信号变换器接收到是高压氢气瓶内氢气浓度值是否出现上升，包括：

通过所述信号变换器获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值；

对所述当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和所述前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值进行作差，得到高压氢气瓶内氢气浓度值差值；

判断所述高压氢气瓶内氢气浓度值差值是否大于零；

若判断结果为是，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值出现上升；

若判断结果为否，则判定所述高压氢气瓶内氢气浓度值未出现上升。

本发明提供的在判断所述高压氢气瓶内氢气浓度值差值是否大于零之后，若判断出所述高压氢气瓶内氢气浓度值差值不大于零，还包括：

返回执行获取当前周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值和前一周期对应的高压氢气瓶内氢气浓度值的步骤。

本发明提供的依据上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值进行预测，得到间隔预设时段后的预测高压氢气瓶内氢气浓度值，包括：

判断上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值是否大于设定值；

若判断出上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值大于设定值，则利用上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的线性斜率，在间隔第一预设时段后得到所述预测高压氢气瓶内氢气浓度值；

若判断出上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的差值不大于设定值，则利用上升前后周期对应的所述高压氢气瓶内氢气浓度值的线性斜率，在间隔第二预设时段后得到所述预设高压氢气瓶内氢气浓度值。

本发明提供的第一预设时段大于等于所述第二预设时段。

如图3所示，本发明提供的评估模块8评估方法如下：

S21：构建事故数据库，将收集的氢气瓶组集装设备爆炸事故数据存入事故数据库；收集氢气瓶组集装设备爆炸事故的系统数据、实验测试所得数据以及在实际系统中，利用检测装置监测系统的变化来收集的预混可燃气体的爆炸表现数据，并将以上数据作为底层数据；

S22：基于得到的底层数据，根据化学反应机理以及特征分析法，建立一个氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型；基于建立的氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型，利用支持向量机SVM算法对输入的系统参数进行爆炸危险等级评估；

S23：根据得到的爆炸危险等级评估结果，制定对应爆炸危险等级应对方案和技术解决措施，优化氢气瓶组集装设备安全性能，提高氢气瓶组集装设备安全整改效率。

本发明提供的得到的底层数据，根据化学反应机理以及特征分析法，建立一个氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型的实现方法为，

对于H2-O2混合气体的化学反应机理，判定在其反应过程中存在八个组分，即反应物H2、O2，中间产物H、O、OH、HO2、H2O2和生成物H2O，建立氢气瓶组集装设备的多步化学反应方程组，利用Arrhenius公式得到各个化学反应在不同温度下的反应速率，建立反应速率方程；进而利用特征分析法，得出不同温度、浓度、压力下的氢气瓶组集装设备爆炸极限；

因此，可基于化学反应机理和特征分析法，建立爆炸危险等级分级模型：

其中，

利用该爆炸危险等级分级模型能够计算氢气瓶组集装设备爆炸极限。

本发明提供的基于建立的氢气瓶组集装设备爆炸危险等级分级模型，利用支持向量机SVM算法对输入的系统参数进行爆炸危险等级评估的实现方法为，

定义气体基本性质；基于步骤一中的底层数据，设置不同压力、最大温度和最小温度，将不同压力下的温度作为H2-O2系统的初始条件；

设置系统中氢气和氧气的比值，以及惰性气体和氧气的比值作为H2-O2系统的初始条件；

基于步骤二的爆炸危险等级分级模型，建立基于化学反应机理得到的氢氧混合气体的反应速率方程

其中，k1、k2分别是反应H·+O2→O·+OH·和H·+O2+M→HO2·+M的化学反应速率；

利用该判据能够得到不同初始条件下的氢气瓶组集装设备爆炸极限值；

将不同压力下能够使氢气瓶组集装设备起爆的最小温度输出，并存放作为爆炸极限数据库；

调用支持向量机SVM算法,对计算得到的不同初始条件下的氢气爆炸极限值以及步骤一中得到的实际爆炸数据进行训练，通过训练能够预测出更多初始条件下的氢气瓶组集装设备爆炸极限，并将这些爆炸极限也存放进爆炸极限数据库中，并给出爆炸危险等级；

通过前端的高精度的激光、红外等检测手段采集真实现场数据，实时追踪并更新红外采集范围内固定时长的温度场、压强场、气体组分等信息，收集不同温度、压强、组分浓度下的预混可燃气体的爆炸表现，作为标准数据集，并作为预测算法的输入流

对输入流

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明将一种基于高压氢气瓶组集装设备应用于一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于高压氢气瓶组集装设备。

本发明的工作原理：

本发明工作时，首先，通过瓶压检测模块1检测氢气瓶内压力；通过瓶温检测模块2检测氢气瓶温度；通过浓度检测模块3检测氢气瓶内氢气浓度；其次，主控模块4通过注氢模块5向氢气瓶注入氢气；通过瓶压控制模块6对氢气瓶压力进行控制；通过瓶温控制模块7对氢气瓶温度进行控制；然后，通过评估模块8对氢气瓶组集装设备爆炸危险等级进行评估；最后，通过显示模块9显示氢气瓶内压力、温度、氢气浓度、评估结果。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。