CN113567775B - 一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及故障诊断技术领域，具体涉及一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法。本方法包括以下步骤：确定引导词范围、系统状态范围和变量i、j、k，且i、j、k的初始值均为1；之后定性分析正常工况下，是否存在引导词描述的现象；随后列出所有可能的系统故障F，选取系统故障F_k，分析故障状态F_k下是否存在引导词描述的现象；如正常工况与故障状态下现象不同，保存引导词M_i、系统状态N_j和系统故障F_k。本发明能系统地进行液氢储供系统的故障诊断，有助于减少故障排查时间，能有效的优化故障控制策略，对指导故障模拟试验、优化设计流程、节省人力和时间、降低试验成本乃至提高试验过程安全性均能起到有利影响。

Description

一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，具体涉及一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法。

背景技术

近年来，氢能作为绿色高效、来源广泛的清洁能源得到广泛关注和大力发展。目前，氢能及其相关技术研究主要针对车用，常压下液氢储存温度可以达到-253℃，远低于外界环境温度。目前，主要储氢方式有高压气态储氢、低温液态储氢和金属氢化物储氢等。常压下液氢密度为70.85kg/m³，远高于氢气密度0.089kg/m³(1atm，0℃)。能量密度是衡量储氢方式优劣的重要指标，这一指标下液态储氢具有较大优势，因此具有广泛的应用前景。

液氢储供系统指从存储单元至反应单元也即燃料电池模块之前的一整套工艺系统。实际设计时，液氢储供系统中往往需布置低温储罐、汽化器、缓冲罐、阀门、仪表及安全附件等。相对于其他比较成熟的应用系统，液氢储供系统是一种形成时间晚、有待进一步研究的新工艺系统，该系统中部件较多，工艺过程复杂且存在故障状态下现象不明显，故障识别困难的问题；此外，也普遍具有缺少运行数据、工艺影响因素多的难点。目前，针对液氢储供的故障诊断方法仍然较少，且故障隔离性差，优化控制策略欠缺，考虑到液态储氢故障特点和用氢安全，液氢储供故障诊断方法和分析过程的研究亟待开展。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其通过确定不同的引导词和系统状态，并研究液氢储供系统中不同故障模式，从而能系统地进行液氢储供系统的故障诊断；本发明有助于减少故障排查时间，能有效的优化故障控制策略，对指导故障模拟试验、优化设计流程、节省人力和时间、降低试验成本乃至提高试验过程安全性均能起到有利影响。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，确定引导词范围M＝{M₁，M₂，……，M_m}，数量为m；确定系统状态范围N＝{N₁，N₂，……，N_n}，数量为n；确定变量i、j、k,且i、j、k的初始值均为1；

S2，选取引导词M_i；

S3，选取系统状态N_j；

S4，定性分析正常工况下，是否存在引导词M_i描述的现象；

S5，列出当前液氢储供系统所有可能的系统故障：

F＝{F₁，F₂，……，F_f}；

S6，选取系统故障F_k；

S7，分析当前液氢储供系统在系统故障F_k下，是否存在引导词M_i描述的现象；

S8，判断S4步骤与S7步骤所产生现象是否相同；

S9，如步骤S8中现象相同，舍弃当前故障状态，直接进入步骤S10；如现象不同，则记录当前故障状态，并保存引导词M_i、系统状态N_j和系统故障F_k，随后进入步骤S10；

S10，进入内层故障循环步骤：

如果k＜f，则k+1后，再跳转到步骤S6选取下一个系统故障，随后依序执行后续步骤；否则进入步骤S11；

S11，进入中间层系统状态循环步骤：

如果j＜n，则j+1且k＝1后，跳转到步骤S3选取下一个系统状态，随后依序执行后续步骤；否则进入S12步骤；

S12，进入外层引导词循环步骤：

如果i＜m，则i+1且j＝k＝1后跳转到步骤S2选取下一个引导词，随后依序执行后续步骤；否则进入步骤S13；

S13，对排查出的故障状态进行验证。

优选的，步骤S13中，验证方法为通过仿真和/或试验方式进行。

优选的，所述故障状态为量化描述；步骤S13的验证结果用于修正步骤S7中故障状态的变化规律和量化值。

优选的，所述引导词为系统监测参数的变化。

优选的，所述系统状态为管路中所有阀门的工作状态。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明采用“洋葱结构”的循环过程，由内而外被分为内层故障循环、中间层系统状态循环及外层引导词循环，全部循环完毕后进一步再通过仿真和/或试验验证方法来进行进一步的有效性验证，以提升其判断准确度。采用本发明的分析过程，可以进一步得到液氢储供系统故障诊断方法，有助于系统故障诊断和故障隔离，优选故障控制策略。本发明也可以用于指导故障模拟试验、优化设计流程、节省人力和时间、降低试验成本以及提高试验过程的安全性，用途广泛。

2)、本发明通过将监测参数的变化作为引导词，凸显故障状态下的各类现象，并通过确定系统状态限定工况，解决系统工艺过程复杂问题，区别不同工艺过程并逐一分析，效果显著。

3)、本发明的分析过程可以运用于指导故障模拟试验的设计，通过试验进一步积累故障样本数据，明确系统故障多发部件；甚至哪怕在新工艺系统缺少运行数据的情况下，也仍然可以采用本发明进行故障诊断分析。显然的，本发明中的分析方法不仅适用于液氢储供系统，也适用于其它新的工艺系统。

4)、在故障诊断分析过程中，对正常工况和故障状态下现象是否相同进行判断，结合方法前述步骤中确定的监测参数和系统状态，这在一定程度上起到了故障隔离的作用，辅助确定系统中故障发生的位置，减少故障排查时间，以便进一步优化故障控制策略。

5)、通过试验和/或仿真的方式，来进一步的验证故障状态的有效性，以确保故障状态分析的精确度。而更进一步的，甚至可将试验和/或仿真的结果再反过来对系统故障所产生的现象进行量化修正，从而起到不断优化的功能。本发明也可以进一步的形成故障模拟样机，以便实现理论方法到工程应用迈进。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的具体实施例的工艺状态图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

a-液氢瓶b-汽化器c-缓冲罐d-水浴式复热器

具体实施方式

为便于理解，此处给出了图2所示的一种液氢储供系统的工艺状态图，以便结合实施例及图1所示工作流程，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

在图2中，该液氢储供系统通过安装有阀门和仪表的管路将液氢瓶a、空温式汽化器b、缓冲罐c、水浴式复热器d等部件进行连接。该系统中主要监测参数有：液氢瓶a液位和压力、缓冲罐c压力、供氢压力和供氢温度；该系统中阀门主要有：截止阀V1、截止阀V2、截止阀V3、供氢阀V4、排氢阀V5、增压阀V6、减压阀V7；此外，管路中还安装有安全阀和单向阀。

此处结合图2，以液氢瓶a的排空管处“安全阀不能正常开启”的系统故障为例，进行说明；

具体流程如下：

S1：根据系统监测参数可知，引导词为M₁：液氢瓶高压力；M₂：液氢瓶压力不正常上升；……；引导词范围M＝{M₁，M₂，……，M_m}。液氢储供系统状态主要考虑电磁阀的开关控制，系统状态主要有N₁：供氢阀关、排氢阀关、增压阀关；N₂：供氢阀关、排氢阀关、增压阀开；……；系统状态范围N＝{N₁，N₂，……，N_n}。确定变量i、j、k的初始值均为1。

S2：选取引导词M_i＝1，也即液氢瓶高压力。

S3：选取系统状态N_j＝1，也即供氢阀关、排氢阀关、增压阀关。

S4：正常工况下现象为：液氢瓶压力缓慢上升，通常数小时上升0.1MPa，这取决于低温液氢瓶保冷性能。当液氢瓶内压力大于安全阀起跳压力P_Svs时，安全阀正常开启，使压力降低至安全阀起跳压力P_Svs以下，不会出现引导词描述的压力过高现象。

S5：可能存在的故障有F₁：安全阀不能正常开启；F₂：液氢瓶保冷性能退化；……；系统故障范围F＝{F₁，F₂，……，F_f}。

S6：选取系统故障F_k＝1，也即安全阀不能正常开启。

S7：系统故障F₁，也即安全阀不能正常开启状态下，现象为：液氢瓶压力超过安全阀起跳压力P_Svs后，瓶内压力未降低，且数小时后压力仍呈逐渐上升趋势。

S8：对比步骤S5和步骤S7，得知正常工况与故障状态下的现象不同；

S9：对引导词M₁、系统状态N₁和系统故障F₁进行保存。

S10：此时系统故障类型未循环完毕，对K+1，也即执行系统故障F₂：液氢瓶保冷性能退化，进入步骤S6，并依序执行步骤S7、S8、S9、S10，以此循环，当系统故障类型全部循环完毕后进入下一步骤。

S11：此时系统状态未循环完毕，执行系统状态N₂，也即供氢阀关、排氢阀关、增压阀开的系统状态，且此时系统故障中k＝1，进入步骤S3，并依序执行步骤S4至S11，以此循环，当系统状态全部循环完毕后进入下一步骤。

S12：此时引导词未循环完毕，进入引导词M₂，也即液氢瓶压力不正常上升的引导词，且此时系统状态和系统故障中j＝k＝1，进入步骤S2，并依序执行步骤S2至S12，以此循环，当引导词循环完毕后进入下一步骤。

S13：引导词和系统状态全部分析完毕，可进一步通过仿真和/或试验来验证故障状态乃至本发明的有效性，并对由引导词描述的故障现象进行量化修正。

经过上述分析后，可以得出安全阀起跳压力值P_Svs可以作为是否出现故障的判断标准，可将此值用于故障模拟样机中故障诊断方法。

当然，对于本领域技术人员而言，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。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (5)

1.一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，确定引导词范围M＝{M₁，M₂，……，M_m}，数量为m；确定系统状态范围N＝{N₁，N₂，……，N_n}，数量为n；确定变量i、j、k,且i、j、k的初始值均为1；

S2，选取引导词M_i；

S3，选取系统状态N_j；

S4，定性分析正常工况下，是否存在引导词M_i描述的现象；

S5，列出当前液氢储供系统所有可能的系统故障：

F＝{F₁，F₂，……，F_f}；

S6，选取系统故障F_k；

S7，分析当前液氢储供系统在系统故障F_k下，是否存在引导词M_i描述的现象；

S8，判断S4步骤与S7步骤所产生现象是否相同；

S9，如步骤S8中现象相同，舍弃当前故障状态，直接进入步骤S10；如现象不同，则记录当前故障状态，并保存引导词M_i、系统状态N_j和系统故障F_k，随后进入步骤S10；

S10，进入内层故障循环步骤：

如果k＜f，则k+1后，再跳转到步骤S6选取下一个系统故障，随后依序执行后续步骤；否则进入步骤S11；

S11，进入中间层系统状态循环步骤：

如果j＜n，则j+1且k＝1后，跳转到步骤S3选取下一个系统状态，随后依序执行后续步骤；否则进入S12步骤；

S12，进入外层引导词循环步骤：

如果i＜m，则i+1且j＝k＝1后跳转到步骤S2选取下一个引导词，随后依序执行后续步骤；否则进入步骤S13；

S13，对排查出的故障状态进行验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于：步骤S13中，验证方法为通过仿真和/或试验方式进行。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于：所述故障状态为量化描述；步骤S13的验证结果用于修正步骤S7中故障状态的变化规律和量化值。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于：所述引导词为系统监测参数的变化。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于引导词的液氢储供系统故障诊断分析方法，其特征在于：所述系统状态为管路中所有阀门的工作状态。