ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ
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.