10.2.1. Цели и виды испытаний

При различных подходах к исследованию ЭХГ, вклю­чающих как большую степень детализации в изучении процессов переноса на макроскопическом уровне, так и исследования на микроуровне в современных условиях, преобладает технологический подход, т. е. в ходе разра­ботки ЭХГ изготовляют образцы, испытывают их в раз­личных условиях, составляют графики, рассчитывают обобщенные показатели и на основе их анализа совер­шенствуют конструкцию и технологию.

За последние годы появились публикации о результа­тах испытаний ЭХГ различных фирм.

В зависимости от назначения ЭХГ совокупность тре­бований, определяющих цели экспериментальных работ, варьируются, но общими объектами исследования явля­ются основные характеристики ЭХГ — зависимость на­пряжения от плотности тока или от мощности и мощно­сти от тока, изменение напряжения пли поляризации в зависимости от времени, температуры, давления газо­образных реагентов, концентрации электролита и других факторов. Выявляются и повышаются обобщенные по­казатели— удельная мощность (массовая и объемная), КПД, экономические показатели, ресурс. Отрабатывают­ся параметры вспомогательных систем, проверяются ха­рактеристики ЭХГ в различных специфических усло­виях— в космосе, под водой, при сложных графиках нагрузки, в условиях кратковременных и длительных перегрузок и короткого замыкания, при совместной ра­боте ЭХГ с аккумуляторной батареей. Исследуется влияние конструктивных и технологических особенностей на выходные и эксплуатационные характеристики ЭХГ. 402

г

Н Определяющие мотивы при проведении испытаний Н связаны с подтверждением соответствия всех парамет - Н ров и характеристик ЭХГ требованиям, вытекающим из ^ их назначения, а также с выявлением возможных путей усовершенствования и оптимальных условий и режимов их работы.

Модульность конструкции ЭХГ, повторяемость агре­гатов, узлов и деталей, в частности повторяемость ТЭ — носителя основных свойств ЭХГ, позволяют вести комби­нированные испытания, т. е. выполнять эксперименталь­ную отработку многих задач на отдельных батареях ТЭ, ТЭ и деталях, а на заключительных этапах испытывать ЭХГ в целом.

Возможность проведения комбинированных испыта­ний представляется ценной ввиду высокой стоимости разработок ЭХГ и готовых изделий, а также сложности процессов в ЭХГ, обусловливающей значительное число новых проблем, возникающих в ходе разработок.

Большой класс испытаний связан с выбором типа ТЭ и ЭХГ и включает исследования множества частных проблем, таких как выбор топлива и окислителя, выбор, оценка и улучшение свойств катализатора, разработка электродов и их исследование, выбор электролита, кон­струкции ячеек, ТЭ, модулей н ЭХГ, выбор оптимальной области рабочих параметров.

Из-за большого числа вариантов полный охват испытаний этого обширного класса недоступен отдельным фирмам. Предварительный выбор направления ведется на базе тщательного анализа публика­ций и широкого кооперирования с исследовательскими организа­циями.

На этой стадии разработок, когда цели испытаний связаны с выбором оптимальных вариантов, а набор факторов в каждом частном исследовании не очень велик и стоимость экспериментов не слишком высока, уместно применение статистических методов планирования экспериментов {10.1]. Технологические и экономиче­ские ограничения не исключают выполнения необходимого объема экспериментов для проведения регрессионного анализа и позволяют учесть все существенные факторы для получения математической модели, адекватной реальному многофакторному объекту или про­цессу, с последующей оптимизацией их. В ряде задач, например при выборе катализатора или концентрации электролита, могут быть применены методы полного и дробного факторного экспери­ментов с получением линейной и неполной квадратичной модели объектов. При большом числе действующих факторов (свыше 6—7) могут быть использованы перенасыщенные планы по методу слу­чайного баланса. При достаточно длительных испытаниях, связан­ных, например, с исследованием ресурсных изменений характери­стик, планирование многофакторного эксперимента следует осуще - етвлять с учетом неуправляемого временного дрейфа. В ряде ис­следований оптимизация может быть выполнена без предваритель­ного получения полной математической модели, а путем экспери­ментального поиска стационарной точки в факторном пространстве за счет локального изучения поверхности отклика по результатам ряда экспериментов, специально спланированных вблизи текущей точки, на основе одного из методов оптимизации (Гаусса — Зайде­ля, градиентного, симплексного и др.).

Применение математических методов планирования эксперимен­тов на этом этапе позволяет в ряде случаев выполнить оптимиза­цию объектов и процессов с меньшими объемами эксперименталь­ных и вычислительных работ.

На более поздних этапах, когда ведутся комплексные испыта­ния отдельных блоков или ЭХ Г в целом, а выбор узлов, агентов и процессов, определяющих тип ЭХГ, в основном завершен, примене­ние статистических методов планирования экспериментов не всегда эффективно, главным образом из-за экономических ограничений, но может найти применение в испытаниях, не связанных с большой продолжительностью, например при выборе режимов продувок, тем­пературных режимов и оптимизации других эксплуатационных па­раметров.

Условия работы ЭХГ не всегда могут быть смоделированы при испытаниях отдельных ТЭ, конденсаторов, агрегатов автоматики и других компонентов генератора. Например, при наличии в блок'' ЭХГ общего электролита условия его конвекции при отсутствии принудительной циркуляции, определяющие, например, поле кон­центрации, массоперенос, температурные поля, зависят от взаимно­го геометрического расположения ТЭ и конденсаторов, размещения и размеров коммуникаций, способа распределения газообразных реагентов по элементам и конденсаторам, схемы удаления продук­тов реакции и теплоты и ряда других факторов, проявляющихся в блоке ЭХГ иным образом, чем в отдельных ТЭ, модулях или сборках ТЭ. Поэтому испытания ЭХГ или его блоков играют зна­чительную роль в выявлении его характеристик, оптимизации ре­жимов работы и в подтверждении соответствия ЭХГ требованиям, вытекающим из его назначения.

ЭХГ подвергается ряду контрольных проверок и испытаниям различных видов: механическим (на ударо- и вибростойкость для ЭХГ транспортного применения), климатическим, тепловым, па по - жаро - и взрывобезопасность и ресурсным испытаниям в соответст­вии с заданным графиком нагрузки и выбранными режимами по давлениям и температурам.

В ходе ресурсных испытаний периодически или непрерывно фиксируют параметры, позволяющие определить электрические и эксплуатационные характеристики ЭХГ, наблюдают за ходом изме­нения этих параметров во времени и по результатам судят о ре- сурсоспособпости, надежности, экономичности, мощности, энергоем­кости и других качествах ЭХГ.

В качестве примера рассмотрим методы определения вольт-ам - перной характеристики (ВАХ) ЭХГ, являющейся одной из важней­ших характеристик, она содержит исходные данные для получения ряда других характеристик и показателей и представляет собой функцию (/(/), зависящую от ряда параметров — времени работы ЭХГ, температуры Г концентрации электролита С, давлений реагентов р, параметров окружающей среды, а также от предысто­

рии, последовательности изменения сопротивления нагрузки в ходе снятия ВАХ и ряда других факторов.

При постоянном режиме работы ВАХ снимают периодически через 100—200 ч при фиксированных значениях Т, р и С путем непосредственного измерения U при нескольких дискретных значе­ннях /, охватывающих весь рабочий диапазон нагрузок. В резуль­тате получают семейство ВАХ, позволяющих судить о работоспо­собности ЭХГ в течение всего ресурса. При определении оптималь­ных режимов работы ВАХ снимают, варьируя значения Т, р и С.

С повышением нагрузки температура в зоне реакции, опреде­ляющая ее скорость, повышается, несмотря на постоянную темпе­ратуру теплоносителя, отводящего избыточную теплоту. Это вносит некоторую погрешность в ВАХ, зависящую от системы теплоотвода и способа снятия ВАХ. Если ВАХ нужна как показатель поведе­ния ЭХГ на различных нагрузочных режимах, то при снятии ее необходима некоторая выдержка на каждом нагрузочном режиме для создания установившегося теплового режима. Если же с по­мощью ВАХ требуется определить внутреннее сопротивление ЭХГ, то для исключения влияния неустановившейся температуры целесо­образно снимать ВАХ кратковременными импульсами, выдерживая в интервалах постоянный режим с фиксированной, например номи­нальной, нагрузкой.

В зависимости от назначения ЭХГ или из других эксплуата­ционных соображений в ходе ресурсных испытаний выдерживают постоянными мощность, ток нагрузки, сопротивление нагрузки либо напряжение. Нередко на весь период ресурсных испытаний задают график нагрузки, а также определяют последовательность, перио­дичность и объем кратковременных испытаний н измерений, выпол­няемых в ходе ресурсных испытаний.

Более полное представление о деталях испытаний и некоторых их особенностях дает приводимый ниже обзор некоторых резуль­татов испытаний ЭХГ, проведенных в различных странах.

10.1. ОБЬЕМ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИИ.

СТРУКТУРА И СОСТАВ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ

Электрохимические генераторы представляют собой функционально сложную систему, состоящую из отдель­ных узлов, агрегатов и т. д., с большим числом комму­тационных соединений (по реагентам, продуктам реак­ции, электрическому току и т. д.). Кроме испытаний II исследований этих отдельных звеньев требуется деталь­ная экспериментальная проверка работоспособности ЭХГ в целом. Этот этап является обязательным и опре - - деляющим.

Сложность системы, а также специфика и широта областей использования ЭХГ предопределяют, как пра­вило, большой и многоплановый объем испытаний. Однако независимо от конкретного варианта схемы ЭХГ и его назначения объем экспериментальной отработки может быть в общем случае разделен на три основные стадии.

I стадия. Экспериментальная проверка правильности выбора принципиальных н схемных конструктивных ре­шений.

На этой стадии проводятся испытания отдельных функциональных узлов, подсистем, лабораторного маке­та ЭХГ.

Основные задачи этих экспериментов: проверка основных расчетных характеристик ЭХГ; функциональная проверка образца в стационарных и динамических режимах работы, выявление функцио­нально слабых звеньев схемы;

исследование процессов тепло - и массообмена в диа­пазоне заданных эксплуатационных режимов;

предварительная оценка правильности компоновоч­ных принципов;

предварительная оценка работоспособности ЭХГ в условиях, определяемых его назначением;

проверка правильности выбора отдельных логических элементов, контроля и защиты ЭХГ;

выбор методов испытаний и эксплуатации, определе­ние состава испытательного и поверочного оборудования. 398

Ґ

Эта стадия требует сбора, обработки и ан&лиза мак­симального количества информации. Поэтому макеты узлов, систем и ЭХГ в целом оснащаются избыточными по сравнению со штатными условиями эксплуатации средствами контроля и измерений.

С целью выявления ожидаемого ресурса и последова­тельности возникновения отказов испытания проводятся до полного выхода макетов из строя.

II стадия. Предварительные испытания ЭХГ, изготов­ленного с учетом экспериментальных результатов пер­вой стадии. На ней повторяются все испытания первой стадии и проводятся специальные виды испытаний, бо­лее полно подтверждающих заданные характеристики образца:

проверка работоспособности при предельных значе­ниях условий окружающей среды (давление, температу­ра, влажность и т. д.);

работоспособность в заданном диапазоне механиче­ских перегрузок (вибрация, удар и т. д.);

проверка пожаро - и взрывобезопасности образца; определение расхода реагентов;

определение расхода реагентов на продувку и анализ газовыделений в окружающую среду; работа ЭХГ совместно с другими ЭУ; устойчивость работы с заданными потребителями; проверка эксплуатационной устойчивости в режимах автоматического управления, контроля и защиты ЭХГ;

проверка работы в нерасчетных и аварийных режи­мах ЭХГ и его систем;

проверка выбранных методов подготовки и эксплуа­тации ЭХГ (проверка герметичности ЭХГ, определение гидравлических сопротивлений, заправка реагентами, запуск и останов ЭХГ, определение электрического со­противления изоляции токоведущих элементов ЭХГ, ме­тодов управления, контроля и защиты в ручном и авто­матическом режимах работы и т. д.);

проверка режимов консервации и хранения ЭХГ; определение удобства обслуживания, объема ремонт­ных и регламентных работ;

определение требований к составу и качеству реаген­тов;

определение требований к системам объекта, обеспе­чивающим работу ЭХГ (система заправки, системы

управлений и защиты, система приготовления И подачи реагентов, система термостатнрования ЭХГ и др.).

IIIстадия. Комплексные испытания ЭХГ в условиях, максимально приближенных к натурным.

На этой стадии подтверждаются соответствие образ­ца всем техническим требованиям, правильность и пол­нота методов эксплуатации, достаточность и качество эксплуатационной документации.

Объем и сложность испытательного стендового обо­рудования существенно зависят от вида и назначения ЭХГ. Для переносных ЭХГ малой мощности, в которых, как правило, используются твердофазные реагенты, спе­циальное оборудование требуется только для проведения механических и климатических испытаний. Остальные виды испытаний проводятся, как правило, с использова­нием штатных систем самого ЭХГ.

Экспериментальная отработка более мощных ЭХГ, в том числе предназначенных для работы в составе ка­кого-либо объекта, требует создания сложного, а иногда уникального испытательного оборудования.

Сложная функциональная схема ЭХГ, управление, контроль и защита его, большой объем поступающей информации требуют использования при испытаниях ЭВМ.

В общем случае для отработки и испытаний высокоавтомати­зированного ЭХГ необходим комплексный испытательный стенд, со­держащий системы управления и контроля, приготовления и пода­чи реагентов, термостатнрования, нагрузочные устройства, вспомо­гательные системы измерений, газового анализа, отбора и утилиза­ции продуктов реакций и др. На рис. 10.1 приведена структурная схема универсального испытательного стенда. Система подготовки (приготовления), очистки н подачи реагентов 3 обеспечивает снаб­жение ЭХГ топливом и окислителем заданной чистоты при давле­ниях, температурах и расходах, определенных техническим за­данием.

Система термостатирования 4 обеспечивает поддержание за­данных температурных режимов в контурах ЭХГ. Нагрузочное устройство 5 позволяет воспроизводить реальный режим потребле­ния электроэнергии в широком диапазоне значений мощности, за­щиту ЭХГ от перегрузок.

ГТульт управления, контроля н защиты б обеспечивает реали­зацию алгоритма управления, сбор й запоминание информации о состоянии ЭХГ, предупреждение возникновения аварийных ситуа­ций, а при случайном возникновении — необходимую защиту, исключающую реализацию критических ситуаций. Это обеспечивает­ся специальной системой аварийных связен ЭХГ —объект (ЭХГ — стенд), позволяющей вести испытания в режимах полностью авто­матического управления. Система измерений обеспечивает контроль

численность испытательного

Логика управления, параметры, объем контроля и защиты опре­деляются спецификой ЭХГ и конкретными требованиями к ним. Как правило, в штатных эксплуатационных условиях стремятся к мини­муму параметров контроля, управления и защиты, обеспечивающе­му надежную работу ЭХГ.

Одиако иа стадии отработки ЭХГ объем контроля должен быть максимальным. В общем случае контролируют: общее напряжение ЭХГ; напряжение отдельных модулей ТЭ; ток нагрузки;

температуру теплоносителя в контурах ЭХГ; сигнализацию состояния запорно-регулирующей арматуры; сигнализацию об уровне электролита в батарее ЭХГ; сигнализацию о выходе за пределы давлений реагентов иа вхо­де я в контурах ЭХГ;

сигнализацию о снижении напряжения на любом ТЭ ниже до­пустимого предела;

сигнализацию о прохождении продувок реагентов.

Следует особенно подчеркнуть, что испытания таких сложных систем со многими параметрами, какими являются ЭХГ большой мощности, требуют высокой степени автоматизации управления контроля и защиты. , ,

Заметим при этом, что наряду со сравнительно медленно про­текающими процессами тепло - и маосообмена в батарее ЭХГ могут возникать и быстропротекающие процессы, такие, например, как резкое снижение напряжения на ТЭ, падение (заброс) давления реагентов в контурах и др., которые могут привести к нерасчетному режиму или необратимо вывести из строя весь ЭХГ.

Для предотвращения этих ситуаций нельзя полагаться на бди­тельность оператора, быстроту и правильность его реакции.

Правильный выбор объема испытаний, их достаточность и пред­ставительность являются одним из основных факторов, обеспечи­вающих высокое качество отработки ЭХГ, их надежности.