CN101084046B - 用于限制危险材料储料仓失控火灾的极端后果的装置 - Google Patents
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Abstract
限制装置(10、11)包括：烟道管(46)；容纳液体(26)的封闭的箱(28)；防火屏(20)；以及用于控制所述箱中液体的高度的系统(80)。箱(28)包括通过所述烟道管(46)与储料仓(4)直接连通的至少一个内腔(54)，以及通过所述箱(28)的至少一个上部开口(36)与密封壳体(2)直接连通的至少一个外腔(52)。该限制装置用于限制设置于密封壳体(2)中的储料仓(4)中的失控大火的极端后果。
Description
技术领域
本发明涉及用于限制失火后果的装置的领域，该装置保证火势不蔓延。更具体地，本发明涉及这样一种装置，该装置在失火的情况下适合于以密封方式保存诸如核材料、化学或病毒性产品的危险材料的设备(installation)。
背景技术
与以密封方式保存危险材料的设备有关的重要结果之一在于，保证不存在使该危险材料转移给人类以及周围环境、居民的危险，且更具体地，转移给操作上述设备的人员的危险。
危险材料被包装并放置在密封单元(公知的储料仓)中。环境保护规范要求考虑到储料仓的密封性的任何潜在的故障。为使危险材料与自然环境隔离，习惯上应用两条附加的保护原则。
第一条原则是，插入大量固定挡板(barrier)，以便限制其中之一失效的后果。储料仓设置在其自身与外界隔离的密封壳体内。该密封壳体充当第二防护挡板的角色。储料仓和密封壳体通过设置密封隔板(bulkhead)和密封门而被密封。
第二条原则是，通过使用机械通风而创造动态密封系统，该机械通风产生从设备外界朝向储料仓的负压降，以便克服固定挡板的密封缺陷。密封壳体和储料仓的每一个都具有独立的通风系统，该通风系统包括用于吹动从外界吹入的空气的网络以及用于将空气抽向外界的网络。除了通过使处于危险中的单元保持为负压的密封之外，该通风系统通过适用于危险材料种类的净化过滤器而提供诸如换气(以每小时大约很少的体积)和净化的附加功能。这些功能有助于保持储料仓和密封壳体清洁，以便限制使危险材料转移至外界的危险。
因此保存危险材料要求使用完善的设备，而不限于一个单一防护挡板。如果认为上述两条保护原则在正常操作中是足够的，那么还需要考虑诸如地震和/或火灾的意外情况。这对于危险材料存储区域更是如此，对此，安全权威部门规定了严格的分析原理和建筑准则。
在有些情况下，起火原因分析引出了一些需要考虑的事项，即，将还未得到控制的大火现场封锁在火势分区单元中，换句话说，是具有隔板的单元，其中隔板的质量在其耐火性方面是合格的。这种情景的发展可能导致净化装置(诸如净化过滤器)的操作条件被超越(outstrip)。例如，在核力场，最有效的性能表现非常高的过滤器适用于200℃。因而必须通过防火风门来阻止并隔离通风，核力场中最有效的防火风门适用于2100Pa的压强。当起火时，储料仓的隔离造成压力增大，在缺乏专用辅助设置时，该压力增大可能冲破固定密封。这种爆炸会对周围环境造成无法接受的后果。
通过引发火灾所需的因素(公知的“燃烧三要素”)来确实地分析起火原因，给出了下面的结论：存在于储料仓中的危险材料和器材构成燃料；存在于储料仓中的气体以及通过储料仓通风系统的吹风网络而带入的气体形成氧化剂。在本方法中，仅缺少燃烧三要素中的用于在储料仓中引发初始燃烧的点燃能量。事实上，近来在与基本核设备有关的起火的法定途经上有了一些改变，其规定应该确定地假定是达到起火燃点的。因此，具有了所有的这些因素，可以考虑到大火在储料仓中引起和发展。
此外，在有些情况下，待被储存的危险性材料对消防员在储料仓中能够操作的条件以及使用远程灭火系统的可能性方面做出了一些限制。在这种背景下，无法保证火势迅速得到控制的这种情况迫使我们担心火势会蔓延到整个储料仓。
最后，从封闭(confined)空间中的失火所获得的认识使得可能确立火势发展中的三个连续阶段，如图1中的曲线所给出的，该曲线是以密封方式储存危险材料的储料仓中的未得到控制的大火的理论压力曲线，且在该曲线上，x坐标轴对应于时间(T)，而y坐标轴对应于压力(P)。
图1中，由标号200表示的第一阶段是火势发展阶段。该第一阶段200对应于氧化剂在期间是非限制性的阶段。在储料仓中缺少灭火系统的情况下，由压力和温度构成的热力学条件由火势如何变化而决定。从瞬间燃烧202开始，压力P从为负值的初始压力204上升到位于火势206能量高度的峰值超压。注意到，储料仓中温度和压力以大约几百度和几十千帕的情况明显且迅速的上升，使得可能对储料仓的固定密封的完整性、其与周围环境隔离的设置、尤其对它的防火风门和过滤器、它的火势分区装置、及更具体地对它的隔板和它的密封门产生怀疑。
上述极限条件导致危险材料向密封壳体和向周围环境散布的危险，以及火势向设备其余地方蔓延的危险。一经检测到失火，储料仓吹风网络就自动关闭，从而限制了储料仓中火势的发展，这是因为火势消耗掉了现存仅有的氧气。因而，火势受存在于储料仓中的氧化剂的限制，而不再受燃料限制。
图1中由标号208表示的第二阶段是熄灭阶段。该第二阶段208对应于火势在期间因缺乏氧化剂而被限制的时期。熄灭大火造成温度下降，且因此使压力以大约几千帕的情况明显下降至负值216。储料仓中的该明显负压也可能使得对已经因失火的极限条件而削弱的结构的完整性产生怀疑。在熄灭阶段208中，一旦储料仓中的压力变成负压，通过受损结构而进入的空气可能引起大火复燃的危险。
图1中由标号212表示的第三阶段是火势恢复阶段，假定吸入了第二阶段208中所述的氧化剂，储料仓中可能发生火势恢复现象。因此，新的熄火和复燃循环在复燃214处的峰值超压与熄灭216处的峰值负压之间引发，其相应于压力和温度的增加并因此有可能释放到外界。但是，新火势循环的热力学条件不如在第一阶段200期间的那么极端，这是因为储料仓中存在的氧气(通过由前述阶段造成的损坏而产生)的量不如在第一阶段200期间的那么明显。
即使这是假设情景，假定在存储单元中没有火花源，下列类型的火灾后果也将是不允许的：危险材料向周围环境的潜在释放；火势向设备其余地方的潜在蔓延；对周围环境、居民、及更具体地对操作所述设备的人员的潜在污染。
因此，必须适当地提出一种装置，该装置限制以下风险，即通过对储料仓隔离装置所造成的损坏而引起的从该储料仓直接转移到设备外周围环境的风险，且该装置阻止火势从储料仓向设备其余地方或甚至周围环境的任何蔓延。
此外，适于这些功能的装置必须遵循一定数量的约束。
首先，该装置必须是无源的。确实，根据安全性的设计原则要求其操作不依赖于本身容易出现故障的设备(泵、压缩机、通风设备、制动器、控制器、和指令系统等)能源或传感器。
此外，必须保证其运行有效用性，这是因为当通常的结构和操作设置(预防、监视、检测、干涉)已经用完时，其用作最终的和“固有”的无源保护解决方案。
接着，该装置必须能够在火势阶段200、208和212期间提供其功能。
最后，在设备的正常操作中，该装置不能对储料仓的固定密封和动力密封带来失效风险。
该装置必须实现的第一目的在于，防止危险材料向设备外部的周围环境转移。为此，必须同时满足下列条件：
-保证密封壳体的固定密封的完整性，换句话说即压强；
-保证密封壳体通风系统的有效性，换句话说即保持该通风系统处于负压并保持净化过滤器的完整性；
-在储料仓发生火灾的情况下，保证储料仓的固定密封(尤其是密封组件)的完整性；
-限制悬浮微粒从储料仓向外界转移；以及
-保证密封壳体通风系统的有效性，换句话说即保持该通风系统处于负压，并保持净化过滤器的完整性。
该装置必须实现的第二目的在于，防止火灾从储料仓蔓延到密封壳体和/或设备的其余地方。为此，必须同时满足下列条件：
-通过允许气体排出和进入而将储料仓中产生的压力条件控制在几千帕，以确保诸如防火风门和/或防火门的储料仓火势分区装置的完整性。
-引导并控制在火势第一阶段期间产生的排出物，以及
-使排出物的温度降低为低于燃烧剩余物复燃温度的阈值。
必须实现这些目的，尤其对于高温、低压值(大约2000 Pa)，以及明显的气流速度。
一定数量的现有装置对在前公开的功能和约束提供了部分响应。所有这些装置包含水或液体，这使得在正常或意外操作形势下，下列操作成为可能：
-冷却气体；
-洗涤气体。
这些装置类似于喷水式饮水口，且通过扩展，可被看作气体洗涤器装置。它们依据气体在水中冒泡原理来洗涤气体，且对于最复杂的装置而言，还通过热交换降低它们的温度。形成于这些装置中的气泡的尺寸保持是该装置效率性的决定性因素，这是因为气体和液体之间的交换表面以该尺寸为条件。这些装置可以被分为三大类。
第一类气体洗涤器装置包括基础装置，其用于在一箱水中(如在美国专利5,395,408中公开的有源设备中)制造燃烧气体气泡。在这种情况下，气泡冷却气体并熄灭炽热的灰尘。该装置与火花抑制器有一定的类似之处。此外，这些装置证明对于本发明的包容情形(envelope scenario)的热动力条件是无效的。确实，由于水中气体气泡的尺寸不受控制，因此该装置必须具有不成比例的尺寸，以提供足够用于冷却气体的交换表面，并容纳非常大容量的水以补偿蒸发。
第二类气体洗涤器装置是第一类的改进版本。如同美国专利4,859,405中公开的无源装置一样，它用于通过浸在一箱水中的多孔滤床来冒气泡。多孔滤床的目的在于诱捕通过气体传播的颗粒，而且还限制形成在多孔滤床中的气泡的尺寸，以提高气体与水之间的热交换。如同第一类装置一样，该装置具有这样的缺点，即500℃以上需要大量水或液体，以补偿蒸发并提供有效的热交换。此外，使气体穿过通常由沙子或砂砾组成的多孔滤床，导致非常明显的压力损失。该装置证明无法令人满意，这是因为100,000Pa左右的触发压力比用于本专利申请指定的应用中的触发压力大2个数量级左右。
第三类气体洗涤器装置也是第一类气体洗涤器装置的改进版本。如专利GB 526,178中公开的，它用于通过使这些气体在排放到外界之前穿过两个连通的腔并通过冒气泡来洗涤气体。第一腔容纳诸如水的洗涤液，并且通道表面等于第一腔两倍的第二腔由浸在该液体中的小直径(通常为1mm)开口所接合的网栅组成。除了这些明显的压力损失和这些有限的热交换性能之外，该装置的缺点在于它的尺寸非常大，这是因为在以下火势的热动力条件下(即温度为大约1000℃并且用于在一个小时之内的大约一次处理的吞吐量是该单元的体积)，可能需要使用体积过大的设备来满足本专利申请中指定的应用上的约束。
在为本发明所构想的包容情形的情况中，这些专利中公开的气体洗涤器装置均无法满足之前陈列的用于储存危险材料的设备的功能和约束。
具体地，在检测到温度或压力增加之后才通过打开阀或开始向装置吸入气体来触发该系统的意义上，这些装置中没有一个是真正无源的。
此外，在所构想的包容情形的情况中，所有现有技术的气体洗涤器装置只能用于气体的排放。这些装置中没有一个设计为是可逆的，换句话说，这些装置中没有一个可通过相继进行以下步骤而用于所有的压力增加阶段200、负压阶段208，以及压力循环212：
-在火势发展的第一阶段200以及压力循环212期间，将气体从失火的储料仓中排向密封壳体；
-在熄火的第二阶段208和压力循环212期间，使新鲜空气从密封壳体进入储料仓；
-机械地并无源地控制装置中液体的高度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种限制装置，当用于危险材料的储料仓中大火没有得到控制的时候，该限制装置防止了危险材料转移至设备外界的周围环境的危险，这保证了火势不从储料仓蔓延到密封壳体，但无法防止现有技术装置的缺点，该现有技术装置是在能够排放明显流量的同时被低压触发，并且该现有技术装置是无源的、可逆的、且紧凑的，而且该现有技术装置保证储料仓在正常操作中的密封性。
该目的通过“液压灭火阀”型的限制装置来实现，该限制装置设置在壳体中并直接连接到储料仓。
根据本发明，用于限制储料仓(所述储料仓设置在密封壳体中)中失控大火的极端结果的装置包括容纳非易燃液体的封闭箱，所述箱包括：内腔，通过烟道管与所述储料仓直接连接；至少一个外腔，通过所述箱的至少一个上部开口与所述密封壳体直接连接；防火屏；以及液体高度控制系统。
为更清楚，该箱包括：
-顶壁、底壁、和侧壁，
-分隔件，通过上端固定(anchored)于所述顶壁的至少一个开口，且不接触该箱的所述底壁，所述分隔件限定通过所述烟道管与所述储料仓直接相连的内腔以及通过所述至少一个开口与所述密封壳体直接相连的至少一个外腔。
优选地，对于每个开口来说，分隔件为四个，且每个开口具有矩形轮廓。
分隔件设有由固定于分隔件下端的金属板形成的波破碎器(wave breaker device)装置，其定位朝向所述至少一个外腔的内侧。
限制装置附加地包括与每个外腔相关的气泡分散装置(bubblefractionation device)。
每个气泡分散装置由互相结合的金属线的叠置层组成，该层通过支撑网栅彼此分离。
气泡分散装置使用衬垫固定于波破碎器装置。
限制装置设置在密封壳体内、储料仓外，并固定于支撑隔板，该支撑隔板是形成储料仓的组成部分的密封隔板。
烟道管通过穿过支撑隔板而提供储料仓与内腔之间的连通。
限制装置包括防火屏。防火屏由石膏纤维板形成，设置在限制装置周围，并固定于该支撑隔板。
液体高度控制系统包括：
-第一控制隔间，其在液体的自由表面下方与箱连通，并且在液体的自由表面上方与储料仓连通，以便处于与储料仓相同的压力，
-第二控制隔间，其在液体的自由表面下方与箱连通，并且在液体的自由表面上方与密封壳体连通，以便处于与密封壳体相同的压力，
-第一浮阀，设置在第一控制隔间内并且在正常操作中是关闭的，以及
-第二浮阀，设置在第二控制隔间内并且在正常操作中是打开的，
而且当两个浮阀同时打开时，箱中被供以液体。
第一控制隔间包括直接连接于烟道管的通风孔，通过该通风孔(aeration orifice)，第一控制隔间处于与储料仓相同的压力。
第二控制隔间包括直接连接于密封壳体的排气孔，通过该排气孔，第二控制隔间处于与密封壳体相同的压力。
液体高度控制系统附加地包括安全阀，旨在用于对所述系统的手动控制。
每个控制隔间包括设有虹吸管的溢流管，溢流管使得液体能够向回收箱排放。
限制装置附加地包括液体储备装置，从储备装置为箱进行供应的进液管(filler pipe)，以及排液管(outlet pipe)。
优选地，所有组成部件由不锈钢制成，以防止腐蚀。
优选地，容纳在箱中的液体是水。
附图说明
参照附图，通过阅读下面对本发明实施例的描述可以更好地理解本发明，所提供的实施例仅出于说明目的而不是出于限制目的，在附图中：
-已经描述过的图1示出了包含危险材料的储料仓中的失控大火的理论压力曲线；
-图2是纵截面正视图，示出了在密封壳体中限制装置连接于储料仓的设置；
-图3是限制装置的透视图和截面视图；
-图4是限制装置的纵截面正视图；
-图5是限制装置沿图4中的线5-5截取的截面图；
-图6是限制装置的俯视图，其中省略了防火屏(fireproofshield)；
-图7示出了限制装置的外腔的正截面局部视图；
-图8示出了限制装置的横截面正视图，并示出了限制装置中的液体高度控制系统；
-图9和图10分别示出了在限制装置操作周期的平衡阶段期间的液体高度控制系统和限制装置；
-图11和图12分别示出了在限制装置操作周期的排气阶段期间的液体高度控制系统和限制装置；
-图13和图14分别示出了在限制装置操作周期的吸气阶段期间的液体高度控制系统和限制装置；以及
-图15是限制装置的横截面视图，示出了其中在壳体内构造有虹吸管的变型。
具体实施方式
首先参照图2，以图表的形式示出了根据本发明的限制装置10的设置，该限制装置用于诸如例如原子能工业废料的危险材料的存储设备。图2示出了该存储设备的纵截面正视图，该存储设备包括其中包含有储料仓4的密封壳体2。危险材料存储于储料仓4中。
密封壳体2的容积大约等于储料仓4的容积的5倍。该容积比与密封壳体2的通风速度相结合，使得可能从储料仓4向密封壳体2传送的任何气体被稀释。
密封壳体2包括底隔板22、顶隔板23，以及侧隔板24。储料仓4设置在密封壳体2内，位于密封壳体2的底隔板22上。储料仓4包括底隔板42，该底隔板与密封壳体2的底隔板22合并在一起。它还包括顶隔板43和侧隔板44。在如图所示的实施例中，密封壳体2和储料仓4具有两个共同的侧隔板。储料仓4的高度低于密封壳体2的高度。储料仓4的隔板42、43、44由混凝土制成。在储料仓4内，它们覆盖有由石膏和/或混凝土制成的火势分区(firesectoring)覆盖层。
密封壳体2的底隔板22由混凝土制成。密封壳体2的顶隔板23和侧隔板24由金属制成。由钢制成的5mm厚的金属外壳连续焊接在金属框架上。
所有的隔板22、23、24、42、43、44是不透液体且不透气的。
闸室6使操作人员在不破坏密封装置的情况下从外界8进入密封壳体2以及进入储料仓4。
密封壳体2和储料仓4都备有通风系统。这些通风系统的每一个包括用于将空气从外界8吹入的网络12、用于将空气抽到外界8的网络14，以及空气净化过滤器16。优选地，该通风系统具有2个体积/小时的更新速度，以确保密封壳体2和储料仓4中的空气更新和净化、以及动态密封。储料仓4的通风系统还包括安装在通风系统的吹风和抽风管道中的防火阀18，以便确保火势分区(firesectoring)的连续性。
限制装置10安装在密封壳体2的内部和储料仓4的外部。它固定于支撑隔板，该支撑隔板即是储料仓4的顶隔板43。
明显地，根据本发明的几个限制装置可以平行结合，以提高处理能力。
现在参照图3至图7来描述限制装置10。在下文中将要描述的限制装置10的不同组件优选地由不锈钢制成，以防腐蚀。
限制装置10包括箱28，该箱容纳非易燃液体26，例如取自自来水源的水。箱28由顶壁30、底壁32、和侧壁34组成，以这样的方式使其密封。该箱包括位于其顶壁上的开口36，该开口与密封壳体2直接相通，以便限制该限制装置10下游的压力损失。在所示实施例中，开口36为矩形，它们都具有相同的尺寸，并且它们被设置为关于顶壁的长和宽的中轴线基本对称且等距。
限制装置10包括烟道管46，该烟道管使得在储料仓4与限制装置10的箱28之间能够进行气体交换。烟道管46的一端连接于流入处48，该流入处通过穿过侧壁34之一而设置于箱28中。在所示实施例中，烟道管46的该端通过郁金香形状的扩口而连接于箱28，从而限制压力损失。烟道管46的另一端穿过支撑隔板而进入到储料仓4中。烟道管46通过计算来自储料仓4的流出量而设计，以便储料仓4中的压力不超出“安全压力”Ps，该安全压力对应于最易坏的密封组件(例如，防火阀18)的压强。通过以下途经来评估气体的热力学膨胀来确定用于处理的气体的最大吞吐量，即，根据火势的发展动力学(development kinetics)、用于评估火势的常用方法、以及燃烧产生的化学反应的平衡(换句话说，即通过燃烧生成的气体和消耗的氧气)。
箱28包括基本上表现为矩形板形式的分隔件50。分隔件50固定于箱28的顶壁30并且在正常操作中浸入液体26中，而不接触箱28的底壁32。顶壁30的每个开口36连接于成套的四个分隔件50，该分隔件两两平行并且沿所述矩形开口36的每个边缘而彼此焊接。因此，分隔件的长度略短于箱28的高度，分隔件50中的两个的宽度等于开口36的长度，而分隔件50中的另外两个的宽度等于开口36的宽度。
分隔件50在箱28中限定了四个外腔52，该外腔通过箱28中的开口36与密封壳体2直接连通。
分隔件50和侧壁34在箱28中限定了内腔54，该内腔通过烟道管46的流入处48而与储料仓4直接连通。
每个外腔52的表面积用“S1”表示。它也对应于每个开口36的表面积。外腔52的表面积总和用“S”表示。它也对应于所有开口36的表面积总和。开口36表面积的总和“S”与每个开口36的表面积“S1”及箱28中的开口36的数量N之间存在关系。该关系为：S1＝S/N。
外腔52的表面积总和以及开口36的表面积总和“S”通过以下方式来确定，即利用评估允许从储料仓4排放的最大流出量以及液体26中气泡平均上升速度。本领域技术人员通常所知的该上升速度的平均值在环境温度(室温，ambient temperature)下大约为30cm/秒。
内腔54的表面积用“s”表示。内腔54的表面积“s”与外腔52的表面积总和“S”的比率是调节限制装置10的决定性因子。实际上，与箱28中的液体26的高度参数相关，且与限制装置10的设计相关，该因子设置了用于限制装置10的触发压力。它必须满足下列关系：
其中，p_adm是用于将气体从密封壳体2吸入储料仓4中的触发压力，而p_ech是用于将气体从储料仓4排放到密封壳体2中的触发压力。
如图7所示(其示出箱28的外腔52的纵截面局部视图)，箱的每个分隔件50设有称为“波破碎器板”的小板56，其焊接在该分隔件的端部(在限制装置10的正常操作中，该端部浸入液体26中)。每个波破碎器板56沿基本垂直于所述分隔件50的方向且朝向由该分隔件限定的外腔52的内部而延伸。这些波破碎器板56的宽度足够小，以便不使外腔52的表面积“S1”减少太多。它们的宽度足够大，以限制外腔52中的波浪影响(换句话说，是造成外腔52与内腔54在液体26中不产生冒泡现象的情况下直接相连通的危险)。它们的存在确保了液体26沿分离板50存在。当在火势发展阶段200期间排放气体时，这促进了两相环境的产生并且避免了相在动力效应下的分离。
气泡的展开长度与外腔52的参数总和相对应。它通过以下关系确定：
其中：
-Lb表示气泡的长度；
-Dt表示待处理气体的吞吐量；
-Ev表示从内腔移动至外腔流过的气体管路(vein)的厚度；
-Vv表示管路中气体的速度。
因此，可以确定外腔52的数量，以便使气泡的长度足以限制压力损失，并最终限制用于最大气体吞吐量的操作压力。
如图4所示，限制装置10包括气泡分散装置58，其旨在将沿波破碎器板56形成的大气泡分散成小气泡，以便在火势发展阶段200期间尽可能地增加用于在气体和液体26之间进行交换的表面积。小气泡被限定为具有介于1与5mm之间的小直径的气泡，而且本领域技术人员通常知道气泡的尺寸与热交换的效率成反比。因此气泡分散装置58促进气体和液体26之间的热交换。它们还提供了压力损失限制与气泡非聚结、以及火花、炽热颗粒、气体污染物和烟灰的非蔓延之间的最佳可能折衷。
每个气泡分散装置58由互相结合的金属线所构成的一叠层60组成，每个层60介于两个支撑网栅62之间。在所示实施例中，层60的数量为两个。优选地，每个气泡分散装置58设置在外腔52的下部并阻隔该外腔。它置于所述外腔52的波破碎器板56上。在正常操作中，气泡分散装置58浸入限制装置10的外腔52的液体26中。
如图4所示，限制装置10还包括防溅装置64，其旨在当从储料仓4排放气体时，限制液体26通过开口36的飞溅。
每个防溅装置64由互相结合的金属线所构成的层60组成，所述层60介于两个支撑网栅62之间，栅格66置于上部支撑网格62上。每个防溅装置64设置在外腔52的上部分并阻隔与该外腔相关的开口36。通过使用诸如例如螺钉的适当紧固装置70，栅格66被固定于箱28的顶壁32的外表面上。
此外，衬垫68设置成抵靠每个外腔52的分隔件50的内表面上。这些衬垫68介于气泡分散装置58的上部支撑网栅62与防溅装置64的下部支撑网栅62之间。它们确保气泡分散装置58保持在适当位置并且用作防溅装置64的支撑物。
限制装置10附加地包括液体高度控制系统80，该系统使以下成为可能：
-在正常操作中，通过确保箱完全防漏而保持箱28中的液体26的高度，以及
-当在火势发展阶段200期间排放气体时，使箱28装满液体26，以便补偿液体26由于蒸发而造成的消耗，从而确保气体与液体26之间的热交换的连续性，从而使燃烧气体冷却至温度低于复燃温度阈值。
液体高度控制系统80为机械系统，图8中以图解形式示出了该系统。
液体高度控制系统80包括第一控制隔间82和第二控制隔间84，这两个控制隔间82、84为封闭的。
在图示实例中，两个控制隔间82、84设置为接近箱28并且位于在限制装置10的不同操作阶段(换句话说，即排气和吸气阶段)期间不受气泡影响的区域。
它们通过隔间公共壁83而分离并且通过隔间连通口85而彼此连通，该连通口在该隔间的下部分穿过所述公共壁83，以便在限制装置10的所有操作阶段期间保持浸没。
在图示实例中，两个控制隔间82、84和箱28被包括在同一外壳38中。两个控制隔间82、84通过公共壁340而与箱28分离，该公共壁是箱28的侧壁34，烟道管46设置于该侧壁上。因此，烟道管46穿过以箱公共壁83而对称的两个控制隔间82、84。外壳38使用诸如紧固锁板的紧固装置40在密封壳体2的底面上固定于支撑隔板42。
在图示实例中，限制装置10的外壳38具有基本上为矩形且为平行六面体的形状。
第一控制隔间82通过直接连接于烟道管46的通风孔86而处于储料仓4的压力下，并且它通过位于公共壁340下部分的第一连通孔90而连接于箱28。
第二控制隔间84通过直接连接于密封壳体2的排出孔88而处于密封壳体2的压力下，并且它通过位于公共壁340下部分的第二连通孔92而连接于箱28。排放孔88是例如由不锈钢制成的管。
液体高度控制系统80还包括回收箱94，当在限制装置10中导致过多液体的失效发生时，液体26朝向该回收箱排放。
液体高度控制系统80还包括液体26的储备装置96，其相对于限制装置10位于较高处。在限制装置10中的液体26的高度下降时，储备装置96可以向外壳38输送液体26。储备装置的容积由火势能量函数来确定。
液体高度控制系统80还包括供应和排放回路，其包括：
-导管102，用于向外壳38供应液体26；
-供应管102的第一支管104，通过第一控制隔间82直接对外壳38进行供应，并且其上串联地设有第一进液阀130和第二进液阀132；
一供应管102的第二支管106，其上设有虹吸管阀134；
-第一虹吸管108和第二虹吸管110，其由第二支管106供给，设置在虹吸管阀134之后；
-第一溢流管112和第二溢流管114，分别在给定水平上设置于第一控制隔间82和第二控制隔间84，且分别连接于两个虹吸管108、110中的每个；
-导管116，用于排放外壳38中的过剩液体26，两个虹吸管108、110排放液体于导管中，且该导管设置在回收箱94中，并且其上在两个虹吸管108、110汇合点下游设有隔离阀136；
-导管118，用于向外壳38注入液体26，该导管118上设有注入阀138；进液管118通过分别安装在第一控制隔间82和第二控制隔间84中的第一浮阀140和第二浮阀142而对第一控制隔间82进行供应，两个浮阀140、142串联设置在所述进液管118上；
-连接导管120，其上设有安全阀144，其连接于两个进液阀130、132之间的进液管102的第一支管104，并且其连接于注入阀138与两个浮阀140、142之间的进液管118，以便通过使浮阀140、142短路而经由第一控制隔间82对外壳38进行供应；
-输出管122，其上设有隔离阀146，其使得液体26能够被排放以维护限制装置10。
下面将详细描述液体高度控制系统80的不同部件的作用。
第一浮阀140(其在正常操作中是处于关闭状态的)位于连接至内腔54的第一控制隔间82中；第一控制隔间82中的该第一浮阀140的定位限定了存在于限制容器10中的液体26的量。
第二浮阀142(其在正常操作中是处于打开状态的)位于连接至外腔52的第二控制隔间84中。第二控制隔间84中的第二浮阀142的定位由限制装置10的触发压力所限定。
当两个浮阀140和142同时打开时，换句话说，当两个控制隔间82和84的每一个中的液体26高度同时下降时，限制装置10被供应液体26。
液体储备装置96具有大小由火势能量函数确定的容积。通过手动打开进液管102的第一支管104上的两个进液阀130、132而对该液体储备装置进行操作。这使得在下列两种情形之一中，能够通过重力作用并经由第一控制隔间82向外壳38提供液体26：
-注入阀138打开，安全阀144关闭，来自储备装置96的液体26通过穿过两个浮阀140、142流入第一控制隔间82而向外壳38供应；或者
-注入阀138打开，安全阀144和第二进液阀132手动打开，来自储备装置96的液体26通过流入第一控制隔间82而向外壳38供应，从而使两个浮阀140、142短路。
当在限制装置10中导致过剩液体26的故障发生时，溢流管112、114和虹吸管108、110使得液体26能够被排放至回收箱94。
注入阀138通常打开。当限制装置10被强制供以液体26时，它被手动关闭，以确保限制装置10正确操作。
安全阀144用于设备的手动控制。用于手动控制限制装置10的控制台安装在密封壳体2的外部。该控制台具有显示限制装置10中的液体26的高度的视觉指示器。它使得能够以作为高度指示的函数的方式对与限制装置10相关的所有手动阀138、144、130和132进行遥控处理(remote handling)。
向限制装置10提供液体26可概括为以下表格：
| 源 | 安全阀144 | 第二进液阀132 | 注入阀138 | 第一进液阀130 | |
| 通过浮阀140和142控制 | 储备装置96 | 关闭 | 关闭 | 打开 | 关闭 |
| 进液管102 | 打开 | 关闭 | 关闭 | 打开 | |
| 强制供应 | 储备装置96 | 打开 | 打开 | 打开 | 关闭 |
| 进液管102 | 关闭 | 打开 | 关闭 | 打开 |
限制装置10还包括保留箱98(见图4和图6)，其位于外壳38下方，并且其容积等于限制装置10中的液体26的体积。
如图2和图4所示，限制装置10包括防火屏20，其由石膏纤维板壳体组成，设置在外壳38周围并固定于支撑隔板。该防火屏20设有开口202，该开口202布置成与箱28的开口36相对并与其垂直。该防火屏为储料仓4提供了直到开口36的火势分区连续性，这使得气体被释放到密封壳体2中。该防火屏设有防火门挡块(未示出)，使得能够为了维修的目的而接近箱38。该防火屏还具有壁供应通道(feed through)204，为第二控制隔间84的排放孔88提供通道。
下面参照图9和图10、图11以及图12、图13及图14描述限制装置10的操作，这些图分别示出处于正常操作、第一火势阶段和第二火势阶段中的情形的两个控制隔间82和84的横截面正视图，以及外腔52和内腔54的纵截面视图。
在正常操作(图9和图10)中，限制装置10确保储料仓4的密封。实际上，限定外腔52和内腔54的分隔件50上方的液体26的存在使得储料仓4在限制装置10的高度上被密封。
当发生失火时，前述的限制装置10以下面的方式自动操作。
在火势第一阶段200(图11和图12)期间，与储料仓4中失控大火的发展相应，压力和温度明显上升。箱28的内腔54通过烟道管46与失火的储料仓4相连通，因此其中的压力非常明显地上升。内腔54的液体26的高度下降到位于分隔件50的端部的波破碎器56的高度。当内腔54中的压力达到阈值触发压力p_ech时，热燃烧气体经过波破碎器板56的下方(箭头310)，并形成大气泡。在大气泡上升至外腔52的表面期间，它们通过气泡分散装置58而被分散成非常小的气泡300。小气泡300上升至自由表面，并且包含在这些小气泡300中的气体向密封壳体2(箭头320)逃逸。对内腔54进行控制的第一控制隔间82中的液体26的高度下降，且因此第一浮阀140打开。当液体26的高度在外腔52中上升之后，第二浮阀142关闭。第二浮阀142仅在对外腔52进行控制的第二控制隔间84中的液体26的高度下降时才打开，所述的下降是因为蒸发而消耗液体26造成的。因此，将液体高度控制系统80设置在运行状态，且为限制装置10提供液体26。安全阀144和第二进液阀132可从一距离处手动打开，以在检查手动控制台中的显示液体26的高度的指示器之后，向箱28提供液体26。
将限制装置10自动触发为阈值压力p_ech(低于储料仓4的密封组件的“安全压力”Ps)。这个压力阈值由作为腔表面积参数“S”和“s”的函数的构造来确定，并且它可通过箱28中注入的液体26的高度来调整。燃烧气体通过外腔52中的冒泡而被冷却至低于阈值复燃温度的温度，从而防止火势向密封壳体2蔓延。相对于待从限制装置10排出的气体的体积来说，密封壳体2中的高速率的通风更新稀释了气体。密封壳体2的通风系统12、14、16、18保持动态密封，并通过在气体排放入外界环境8之前具体地设置一个终端过滤栅16而处理密封壳体2中的气体。
在火势的第二阶段208(图13和图14)期间，与火势熄灭阶段相应，温度和压力下降非常明显，压力达到非常高的负值。当储料仓4一处于负压，与储料仓4相连通的内腔54以及控制该内腔54的第一控制隔间82也就处于负压。内腔54中的负压一旦达到阈值p_adm，限制装置10就以完全可逆的方式操作。来自密封壳体2的新鲜空气(箭头410)经过外腔52的波破碎器板56下方(箭头420)，且形成空气泡400，该空气泡上升至内腔54的液体26的表面，以便被引入到储料仓4，从而将储料仓4中的负压限制到低于安全负压-Ps的负压。内腔54和与该内腔54相连通的第一控制隔间82中的液体26的高度上升，第一浮阀140关闭，且因此，液体供应系统80不被触发。接着，新鲜空气的输入可产生复燃，在与复燃有关的方面，限制装置10保持可用和有效。
两个虹吸管108、110的意外排泄代表最不利于限制装置10的失效模式，这是因为它导致在两个控制隔间82、84之间以及由此在内腔54和外腔52之间存在压差损失。
图15示出了虹吸管设置的实施例变型，其克服了这种类型的意外排出。
根据该实施例变型，第一和第二虹吸管182、184分别设置在控制隔间82、84内，代替虹吸管108、110的溢流管112、114以及虹吸管108、110的进液管106。它们以一体化的方式确保控制隔间82、84中的每一个的溢流作用。一体化虹吸管使得可以保证它们不排液。
第一虹吸管182的端部186之一在第一控制隔间82中的液体26的标称高度194下方开口。第一虹吸管182的另一端188连接于朝向回收箱94的排液管198。第二虹吸管184的一个端部190在第二控制隔间84中的液体26的标称高度196下方开口。第二虹吸管184的另一端192连接于排液管198。汽水共腾防止管(anti-priming)170通过连接于两个虹管182、184的相应的上部分而连接该两个虹吸管。
这两个虹吸管182、184被箱28中存在的液体26充满，通过浮阀140、142的操作、并通过两个虹吸管182、184的自由端186、190分别位于控制隔间82、84的标称高度194、196下方且位于冒泡高度172上方的事实，自行保证了所述充满行为。汽水共腾防止管170的存在使得可以阻止虹吸管182、184分别倒空至它们的自由端186、190。
在图15中还示出了液体在溢流入虹吸管182、184(也具有溢流作用)之前的最大高度174，以及控制隔间82、84中的液体26的高度176，其中，第一控制隔间82处于吸入阶段，而第二控制隔间84处于排出阶段。
实施例示例
限制装置10的不同组件通常根据储料仓4中失控大火的最大热动力条件的包容评定(envelope evaluation)而设计。初步研究确定限制装置10的触发压力阈值p_ech和p_adm并且确定限制装置10必须排放的排放量，以保持储料仓4的压力低于密封组件(换句话说即防火阀、闸室、隔板的“安全压力”Ps)的“安全压力”。
下面，在考虑具有非常缓慢的动力学条件的大火的情况下，提供设计实例，其可以是封装在金属桶中的废料的情况。
-密封组件的安全压力Ps：2,100Pa
-密封壳体2的容积：15,000m3
-储料仓4的容积：3,100m3
-通风更新速度：2体积/hr
-火势发展第一阶段200期间的限制装置10、11的触发压力：1,800Pa
-在吸入阶段期间的限制装置10、11的触发压力：-1,800Pa
-从储料仓4中排放的气体的理论排出量：2,000m3/h
-从储料仓4中排放的气体的理论温度：550℃
-外壳38(或箱28)的高度：1.2m
-外壳38(或箱28)的宽度：0.9m
-外壳38的长度：1.65m
-限制装置10、11中的液体的体积：0.6m3
-烟道管的直径：400mm
-外腔52的表面积总和：0.6m2
-分隔件50的宽度：等于开口36的边界的宽度
-每个外腔的内部尺寸：300mm×500mm
-分隔件的厚度：5mm
-分隔件的高度：900mm
-分隔件50的端部浸入液体26中的距离：内腔54与外腔52之间的压力相等(等于1800Pa的触发压力)时为90mm
-用于气泡分散装置58以及用于防溅装置64的互相结合的金属线的层的厚度：48mm/台装置
-用于气泡分散装置58以及用于防溅装置64的互相结合的金属线的直径：0.1mm
-用于气泡分散装置58的支撑网格的网眼尺寸：边长介于1cm与3cm之间的方形网眼
-用于防溅装置64的支撑网格的网眼尺寸：25mm×25mm的方形网眼
-波破碎器板56的厚度：5mm
-波破碎器板56的宽度：30mm
-衬垫68的宽度：1至2cm
-控制隔间82、84的高度：1200mm
-控制隔间82、84的宽度：450mm
-控制隔间的长度：200mm
-每个溢流管112、114的直径：30mm
-每个虹吸管108、110的长度：大于300mm
-第一通风孔86的尺寸：10mm
-第一连通孔90的直径：50mm
-第二通风孔86的尺寸：10mm
-第二连通孔90的直径：50mm
-保留箱98的容积：0.6m3
-附加层156的厚度：2cm
-由附加层156的存在而保证的防火墙的持续时间：2小时
Claims (20)
1.用于限制储料仓(4)中失控大火的极端结果的装置(10、11)，所述储料仓(4)设置在密封壳体(2)中，其特征在于，所述装置包括容纳非易燃液体(26)的封闭箱(28)，所述封闭箱(28)包括：内腔(54)，其通过烟道管(46)与所述储料仓(4)直接连通；至少一个外腔(52)，其通过所述封闭箱(28)的至少一个上部开口(36)与所述密封壳体(2)直接连通；防火屏(20)，其设置在所述限制装置(10)周围；以及液体高度控制系统(80)，用于控制所述封闭箱(28)中所述非易燃液体(26)的高度，
其中，所述液体高度控制系统(80)包括：
-第一控制隔间(82)，在所述液体(26)的自由表面下方与所述箱(28)连通，并且在所述液体(26)的自由表面上方与所述储料仓(4)连通，以便处于与所述储料仓(4)相同的压力下，
-第二控制隔间(84)，在所述液体(26)的自由表面下方与所述箱(28)连通，并且在所述液体(26)的自由表面上方与所述密封壳体(2)连通，以便处于与所述密封壳体(2)相同的压力下，
-第一浮阀(140)，设置在所述第一控制隔间(82)内并且在正常操作中是关闭的，以及
-第二浮阀(142)，设置在所述第二控制隔间(84)内并且在正常操作中是打开的，
而且当所述两个浮阀(140、142)同时打开时，所述箱(28)中被提供液体。
2.根据权利要求1所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述封闭箱(28)包括：
-顶壁(30)、底壁(32)、和侧壁(34)，
-分隔件(50)，通过其上端固定于所述顶壁(30)的所述至少一个开口(36)，并且不到达所述封闭箱(28)的所述底壁(32)，所述分隔件(50)限定内腔(54)和至少一个外腔(52)，所述内腔通过所述烟道管(46)与所述储料仓(4)直接连通，所述至少一个外腔通过所述至少一个开口(36)与所述密封壳体(2)直接连通。
3.根据权利要求1所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置被设计为满足以下关系：
其中：
-s是所述内腔(54)的表面积，
-S是所述外腔(52)和所述开口(36)的表面积总和，
-p_adm是用于通过所述限制装置(10、11)将气体从所述密封壳体(2)吸入所述储料仓(4)中的触发压力，以及
-p_ech是用于通过所述限制装置(10、11)将气体从所述储料仓(4)排放到所述密封壳体(2)的触发压力。
4.根据权利要求2所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置被设计为满足以下关系：
其中：
-s是所述内腔(54)的表面积，
-S是所述外腔(52)和所述开口(36)的表面积总和，
-p_adm是用于通过所述限制装置(10、11)将气体从所述密封壳体(2)吸入所述储料仓(4)中的触发压力，以及
-p_ech是用于通过所述限制装置(10、11)将气体从所述储料仓(4)排放到所述密封壳体(2)的触发压力。
5.根据权利要求2或4所述的限制装置(10、11)，其特征在于，对于每个所述开口(36)来说，所述分隔件(50)为四个，且每个所述开口(36)具有矩形轮廓。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置包括四个外腔(52)。
7.根据权利要求2或4所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述分隔件(50)设有波破碎器装置(56)，所述波破碎器装置由固定于所述分隔件(50)的下端的金属板构成，并且定位成朝向所述至少一个外腔(52)的内部。
8.根据权利要求7所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置附加地包括每个所述外腔(52)相关的气泡分散装置(58)。
9.根据权利要求8所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述至少一个气泡分散装置(58)由互相结合的金属线的叠置层(60)组成，所述层(60)通过支撑网栅(60)而彼此分离。
10.根据权利要求8所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述气泡分散装置(58)通过衬垫(68)固定于所述波破碎器装置(56)。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置设置在所述密封壳体(2)内、所述储料仓(4)外，并且固定于支撑隔板(43)，所述支撑隔板是形成所述储料仓(4)的组成部分的密封隔板。
12.根据权利要求11所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述烟道管(46)通过穿过所述支撑隔板(43)而在所述储料仓(4)与所述内腔(54)之间提供连通。
13.根据权利要求11所述的限制装置(10)，其特征在于，所述防火屏(20)由石膏纤维板形成，设置在所述限制装置(10)周围，并固定于所述支撑隔板(43)。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述第一控制隔间(82)包括直接连接于所述烟道管(46)的通风孔(86)，通过所述通风孔，所述第一控制隔间(82)处于与所述储料仓(4)相同的压力下。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述第二控制隔间(84)包括直接连接于所述密封壳体(2)的排放孔(88)，通过所述排放孔，所述第二控制隔间(84)处于与所述密封壳体(2)相同的压力下。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述液体高度控制系统(80)附加地包括安全阀(144)，所述安全阀旨在用于所述系统的手动操作。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，每个所述控制隔间(82、84)包括设有虹吸管(108、110)的溢流管(112、114)，使得所述液体(26)向回收箱(94)排放。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置附加地包括液体的储备装置(96)、从所述储备装置(96)为所述箱(28)进行供应的注液管(118)，以及排液管(122)。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，所述限制装置的所有组件由不锈钢制成。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的限制装置(10、11)，其特征在于，容纳在所述箱(28)中的所述液体(26)是水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20111228 Termination date: 20191215 |