CN103994448B - 快速处理大流量可燃气的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速处理大流量可燃气的系统，包括触发点火器、点火装置、安装装置、控制系统；所述安装装置用于将所述点火装置安装固定在可能产生大流量可燃气的氛围内；所述点火装置内部设置有含大量金属粒子的复合固体推进剂药柱，所述触发点火器与所述点火装置相连，所述点火装置上设置有喷口，用于喷射出高温的含能金属粒子；所述控制装置通过点火控制保护电路将点火指令安全可靠地传输给所述触发点火器。本发明还公开了一种快速处理大流量可燃气的方法，是通过在可燃气排放口的外围设置能够瞬间喷射出高温气体的点火装置，从而在可燃气云形成的初期，快速将其燃烧掉，从而避免可燃气的爆轰，具有安全、反应快的优点。

Description

快速处理大流量可燃气的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种处理可燃气的系统及方法，尤其涉及一种快速处理大流量可燃气的系统及方法。

背景技术

通常，低温型运载火箭，在火箭接收点火指令到火箭起飞有7～10秒时间。在接收到总控网点火指令后，液体火箭发动机将会向发射平台周围环境持续排放大量的低温氢气，直到火箭起飞。如果无法可靠快速地处理这些大量排放的氢气，其聚集的氢气团与空气混合，达到可燃气爆轰浓度区间，将有可能产生爆轰，成为火箭发射时的危险源。另外，在火箭发动机出现点火失效的故障模式和进行紧急关机程序时，火箭周围就会环绕着大量的氢气云团，此时，快速处理大流量氢气解决方案的重要性更为突出。

另外，工业生产过程中、日常生活过程中，都存在如天然气、煤气、乙烷、乙炔等燃料聚集造成安全隐患的场合，因此，以上情况都使得当前急需一种能快速地可靠处理可燃气的技术和方法，来解决工业用、民用可燃气在应用中的潜在危险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速并可靠处理大流量可燃气的系统，解决大流量可燃气聚集在工业和民用过程中造成的危险。

为达到上述目的，本发明一种快速处理大流量可燃气的系统，包括触发点火器、点火装置、安装装置、控制系统；

所述点火装置内部设置有燃烧室，所述燃烧室内有燃料，在所述燃烧室设置有复合固体推进剂药柱，所述复合固体推进剂药柱内含有大量金属粒子；所述点火装置上设置有喷口，用于喷射出高温高压的金属粒子；

所述触发点火器与所述点火装置相连，用于点燃所述燃烧室内燃料；

所述安装装置用于固定所述点火装置；

所述控制系统包括控制电路，用于通过控制电路为所述触发点火器提供强电流，使之点燃点火装置；

所述控制系统通过控制电路与所述触发点火器相连，所述触发点火器固定在所述点火装置一端，与所述燃烧室相连，所述点火装置通过所述安装装置固定在可能产生大流量可燃气的氛围内。

所述触发点火器固定在所述点火装置上，其一端伸入所述燃烧室，另一端通过点火电缆与所述控制系统相连；

所述触发点火器与所述点火电缆通过电连接器相连；

所述触发点火器接收所述控制系统的信号并将电能转化成热能，引燃所述燃烧室内的燃料。

所述点火装置为设置有一个喷口的容器，其上还设置有一个插孔，用于连接所述触发点火器，所述点火装置气密性良好；

所述点火装置从外至内分别包括壳体、内绝热层、燃烧室，所述燃烧室内有燃料和复合固体推进剂药柱；所述插孔贯穿所述壳体、内绝热层和燃烧室，所述触发点火器固定在所述插孔中，伸入所述燃烧室。

所述控制系统包括开关量输出电路、保护电路、检测电路；

所述开关量输出电路用于控制所述触发点火器的电路通断，为点火器供电；

所述开关量输出电路包括两个PLC控制器，分别为第一PLC控制器和第二PLC控制器，所述第一PLC控制器和第二PLC控制器为冗余设计，所述第一PLC控制器与第二PLC控制器的相应I/O接口分别连接和控制单个或多个所述触发点火装置的控制开关；所述第一PLC控制器与第二PLC控制器的相应I/O接口分别连接所述检测电路和保护电路；

所述检测电路包括保护电阻，检测器；

所述检测电路中设置有至少三个检测点，分别设置在所述保护电阻两端以及点火器公共端；

所述保护电路包括PLC输入模块、继电器和光电耦合器，所述光电耦合器输出端与所述PLC控制器的相应I/O接口相连。

所述安装装置为固定支架。

所述点火装置的一端呈锥体形，另一端呈圆柱体形，所述插孔设置在圆柱体形一侧，所述喷口设置在椎体形一侧；

所述点火装置的壳体、内绝热层整体呈圆柱体形；

所述点火装置内部沿中心轴线设置有圆柱形的燃烧室。

所述点火装置通过所述安装支架固定在火箭发射台上的火箭箭体支承臂两侧；

所述安装支架用于调整所述点火装置的安装高度和俯仰角；

所述点火装置的喷口所指的方向朝向火箭排氢口并低于所述火箭排氢口；

所述点火装置的喷口呈锥形，使得喷射出的高温金属粒子有较大的喷射角度；所述点火电缆是一种耐瞬间高温烧蚀的电缆。

本发明一种快速处理大流量可燃气的系统还包括传感模块，所述传感模块与所述控制模块相连；

所述传感模块为传感器，为可燃气浓度传感器或光电传感器；

所述传感器设置在可燃气氛围中；

所述的传感器用于探测可燃气，并将信号传输给控制系统。

为了解决大流量可燃气聚集造成的潜在危险，保证生产、生活安全，本发明还提供了一种快速处理大流量可燃气的方法，包括以下步骤：

搭建上述一种快速处理大流量可燃气的系统；

所述控制系统接收到点火触发信号(火箭点火信号或传感模块的可燃气浓度报警信号)之后，按PLC控制时序通过点火电缆对所述触发点火器进行循环通电，供电电流为DC5A～10A；

所述触发点火器触发所述点火装置；

所述点火器引燃点火装置燃烧室内燃料，使得复合固体推进剂药柱燃烧，瞬间产生高温高压气体，将大量高温高压的金属粒子喷出；

大量高温高压的金属粒子与大流量氢气混合，并引燃氢气。

本发明提供的系统组成简单、响应快速、可靠性高，全自动远程控制，能保障易产生大流量可燃气的环境的安全性。本发明的技术应用范围广泛，可用于氢氧发动机的运载火箭系统中，包括载人登月和空间站用的大型低温型运载火箭。也可以通过在可燃气排放或泄漏口设置上述的传感模块，将报警信号作为全系统工作信号的输入指令，从而可以应用在存在可燃气聚集，造成安全隐患的工业工程或民用场所中，具有效率高、响应快、适用性强的优点。

附图说明

图1为本实施例的快速处理大流量可燃气的系统的示意图。

图2为本实施例的点火装置结构示意图。

图3为本实施例的点火装置的竖直方向布置图。

图4为本实施例的点火装置工作时，喷出高温高压金属粒子的模拟覆盖区域的俯视图。

图5为本实施例的控制电路的开关量输出电路示意图。

图6为本实施例的控制电路的保护电路与检测电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

参考图1所示，本实施例的快速处理大流量可燃气的系统包括控制系统1、触发点火器2、点火装置3、安装装置4和传感模块。

点火装置3内部设置有复合固体推进剂药柱，用于在受热情况下喷射出大量高温高压的金属粒子，以点燃大流量可燃气云。

触发点火器2与点火装置3相连，用于点燃点火装置2内的燃料。

安装装置4用于将点火装置3固定安装在可燃气氛围中。

控制系统1包括控制电路，用于通过控制电路为触发点火器2提供强电流，使之点燃点火装置3内的复合固体推进剂药柱；

控制系统1通过控制电路与触发点火器2相连，触发点火器2固定在点火装置3一端并与燃烧室相连，点火装置2通过安装装置4固定在可能产生大流量可燃气的氛围内。

本实施例中的传感装置，用于检测可燃气。

工作过程中，控制系统接收传感模块的信号或者可燃气排放信号等，并通过点火电缆为触发点火器提供强电流使之末端产生电火花，引燃点火装置内的复合固体推进剂药柱，其燃烧时会产生大量高温高压的气体，将大量金属粒子喷出，从而为外界可燃气云提供能量使之燃烧。

点火装置3为设置有一个喷口的容器，其气密性良好。

参考图2，本实施例中，点火装置3从外至内分别包括壳体32、内绝热层33、燃烧室34，燃烧室34内设置有复合固体推进剂药柱35。

在点火装置3上设置有一贯穿壳体32、内绝热层33和燃烧室34的插孔31。触发点火器2固定在插孔31中，其一端伸入燃烧室34，另一端通过点火电缆与控制系统1相连；触发点火器2与点火电缆通过电连接器相连。

点火装置3的一端呈锥体形，另一端呈圆柱体形，插孔31设置在圆柱体形一侧，喷口

36设置在椎体形一侧；

壳体32和内绝热层33分别呈圆柱体形；

燃烧室34沿点火装置3的中心轴线设置，呈圆柱形。

点火装置的喷口36有一定倾斜角度，呈锥形，使得点火装置内喷出的金属粒子有较大的喷射角度。

本实施例中，快速处理大流量可燃气的系统用于处理火箭发射平台上火箭发射前排放出的大流量氢气。火箭箭体固定在四个主支承臂上，8个点火装置分别通过安装支架两两水平固定在4个主支承臂两侧；如图3所示，点火装置3水平固定在箭体支承臂5两侧，安装支架用于调整点火装置3的安装高度和俯仰角；点火装置3的喷口所指的方向朝向火箭排氢口6，点火装置3的安装位置低于火箭排氢口6。

如图4所示，当点火装置3内的复合固体推进剂药柱被点燃，点火装置3的喷口36会快速喷射出大量温度高于900摄氏度的高温高压的金属粒子，其将引燃液体发动机的火箭排氢口6排放的大流量低温氢气。由于四个箭体支承臂5设置在两个火箭排氢口6周围，8个点火装置3两两布设在四个主支承臂两侧，喷口指向排氢口，因此，当4组点火装置的喷口同时喷射出大量高温高压的金属粒子时，高温金属粒子的范围可以包络整个氢气排放口周围。

实际工作中，用于连接触发点火器的点火电缆是一种耐瞬间高温烧蚀的电缆。

本实施例的控制电路分别包括开关量输出电路、保护电路和检测电路。如图5所示，本实施例的开关量输出电路11包括三组继电器和两个PLC控制器，两个PLC控制器分别为第一PLC控制器a1、第二PLC控制器a2，二者互为冗余设计，并由电源L1统一配电。第一PLC控制器a1的输出端口IO2、IO4、IO6控制继电器K1、继电器K3、继电器K5，第二PLC控制器a2的输出端口IO2、IO4、IO6分别控制继电器K2、继电器K4、继电器K6，每个继电器都与二极管和电阻组成的支路并联，继电器K1与继电器K2、继电器K3与继电器K4、继电器K5与继电器K6分别两两通过触点连接，构成三路串并联冗余结构，以实现可靠的通断控制电路。

实际工作中，继电器K1与继电器K2用于实现单个点火装置的控制电路的通断，继电器K3与继电器K4用于实现一组或多组点火装置3的点火控制电路配电母线的通断，继电器K5与继电器K6(属于检测电路)用于控制检测电路12的通断。所有继电器的动作过程，需要通过PLC控制器软件实现时序匹配控制。

如图6所示，本实施例的控制系统还包括检测电路12和保护电路13。保护电路13的输

出端连接开关量控制电路11的输入端。保护电路13包括PLC输入模块14，PLC输入模块14包括第三PLC控制器、第四PLC控制器(在图中未示出)，以及火工品的保护电阻R、检测点、光电耦合器15、继电器K5与继电器K6等。第三PLC控制器与第四PLC控制器互为冗余。检测电路12中设置有三个检测点，分别设置在保护电阻R前、保护电阻R后以及触发点火器公共端。在设备自检阶段，通过火工品专用测试设备，从检测点位置对电路阻值进行测试，从而确定通路阻值状态，通过合理的设计光电耦合器回路，使得光电耦合器15的动作电流远低于点火器的安全电流。在通路导通检测时，在确保继电器K3、继电器K4开路的情况下，接通继电器K5、继电器K6，如果点火回路中有通路，则光电耦合器15导通，第三PLC控制器与第四PLC控制器将检测到通路导通状态，给出报警信息。保护电路13主要通过保护电阻R实现大电流状态下的回路保护。保护电路13还包括多个接触器。本发明的原理为：控制系统1接收到点火触发信号(可以是火箭点火信号、传感模块5信号以及其它信号)之后，按PLC控制时序，开始对触发点火器2进行循环通电，供电电流为DC5～10A。触发点火器2受到直流电流的激发，引燃复合固体推进剂药柱，产生大量的高温燃气，将复合固体推进剂药柱中金属粒子喷出，成千上万的含有一定热能的粒子到达预定的覆盖区域，作为点燃低温氢气的必要条件，将达到燃烧条件的氢气将燃烧消耗殆尽。氢气处理系统从接收到点火指令到处于稳定工作状态，响应时间小于100毫秒。液体发动机排出的最外层的低温氢气会与空气中氧气不断地发生换热和掺混，达到可燃气的燃烧浓度条件，遇到高温热能的星体，就会被引燃。

本实施例的控制方法，包括以下步骤：

搭建本发明一种快速处理大流量可燃气的系统；

控制系统1接收到点火触发信号(火箭点火信号或传感模块5的可燃气浓度报警信号)之后，按PLC控制时序通过点火电缆对触发点火器2进行循环通电，供电电流为DC5A～10A；

触发点火器2触发点火装置3；

触发点火器2引燃点火装置3的燃烧室34内的燃料，使得复合固体推进剂药柱燃烧，瞬间产生高温高压气体，将大量高温高压的金属粒子喷出；

大量高温高压的金属粒子与大流量氢气混合，并引燃氢气。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，包括控制系统(1)、触发点火器(2)、点火装置(3)、安装装置(4)；

所述点火装置(3)内部设置有燃烧室(34)，所述燃烧室(34)内有燃料，在所述燃烧室(34)内设置有复合固体推进剂药柱(35)，所述复合固体推进剂药柱(35)内含有大量金属粒子；所述点火装置(3)上设置有喷口(36)，用于喷射出高温高压的金属粒子；

所述触发点火器(2)与所述点火装置(3)相连，用于点燃所述燃烧室内燃料；

所述安装装置(4)用于固定所述点火装置(3)；

所述控制系统(1)包括控制电路，用于通过控制电路为所述触发点火器(2)提供强电流，使之点燃点火装置(3)；

所述控制系统(1)通过控制电路与所述触发点火器(2)相连，所述触发点火器(2)固定在所述点火装置(3)一端，与所述燃烧室(34)相连，所述点火装置(2)通过所述安装装置(4)固定在可能产生大流量可燃气的氛围内。

2.根据权利要求1所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述触发点火器(2)固定在所述点火装置(3)上，其一端伸入所述燃烧室(34)，另一端通过点火电缆与所述控制系统(1)相连；

所述触发点火器(2)与所述点火电缆通过电连接器相连；

所述触发点火器(2)接收所述控制系统(1)的信号并将电能转化成热能，引燃所述燃烧室(34)内的燃料。

3.根据权利要求2所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述点火装置(3)为设置有一个喷口(36)的容器，其上还设置有一个插孔(31)，用于连接所述触发点火器(2)，所述点火装置(3)气密性良好；

所述点火装置(3)从外至内分别包括壳体(32)、内绝热层(33)、燃烧室(34)，所述燃烧室内有燃料和复合固体推进剂药柱(35)；

所述插孔(31)贯穿所述壳体(32)、内绝热层(33)和燃烧室(34)，所述触发点火器(2)固定在所述插孔(31)中，伸入所述燃烧室(34)。

4.根据权利要求3所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述控制系统(1)包括开关量输出电路(11)、保护电路(13)、检测电路(12)；

所述开关量输出电路(11)用于控制所述触发点火器(2)的电路通断并为其供电；

所述开关量输出电路(11)包括两个PLC控制器，分别为第一PLC控制器(a1)和第二PLC控制器(a2)，所述第一PLC控制器(a1)和第二PLC控制器(a2)为冗余设计，所述第一PLC控制器(a1)与第二PLC控制器(a2)的相应I/O接口分别连接和控制单个或多个所述触发点火器(2)的控制开关；所述第一PLC控制器(a1)与第二PLC控制器(a2)的相应I/O接口分别连接所述检测电路(12)和保护电路(13)；

所述检测电路(12)包括保护电阻R，检测器；

所述检测电路中设置有至少三个检测点，分别设置在所述保护电阻R两端以及点火器公共端；

所述保护电路(13)包括PLC输入模块(14)、继电器和光电耦合器(15)，所述光电耦合器(15)的输出端与所述PLC输入模块(14)的相应I/O接口相连。

5.根据权利要求3所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述安装装置(4)为固定支架。

6.根据权利要求5所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述点火装置(3)的一端呈锥体形，另一端呈圆柱体形，所述插孔(31)设置在圆柱体形一侧，所述喷口(36)设置在锥体形一侧；

所述点火装置(3)的壳体(32)、内绝热层(33)分别呈圆柱体形；

所述点火装置(3)内部沿中心轴线设置有圆柱形的燃烧室(34)。

7.根据权利要求6所述的快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

所述点火装置(3)通过所述安装支架固定在火箭发射台上的火箭箭体支承臂(5)两侧；

所述安装支架用于调整所述点火装置(3)的安装高度和俯仰角；

所述点火装置(3)的喷口(36)所指的方向指向火箭排氢口(6)并低于所述火箭排氢口(6)；

所述点火装置(3)的喷口(36)呈锥形，使得喷射出的高温金属粒子有较大的喷射角度；所述点火电缆是一种耐瞬间高温烧蚀的电缆。

8.根据权利要求7所述快速处理大流量可燃气的系统，其特征在于，

还包括传感模块，所述传感模块与所述控制系统(1)相连；

所述传感模块为传感器，为可燃气浓度传感器或光电传感器；

所述传感器设置在可燃气氛围中；

所述的传感器用于探测可燃气，并将信号传输给所述控制系统(1)。

9.一种快速处理大流量可燃气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建权利要求7所述的快速处理大流量可燃气的系统；

所述控制系统(1)接收到点火触发信号之后，点火触发信号为火箭点火信号或传感模块的可燃气浓度报警信号，按PLC控制时序通过点火电缆对所述触发点火器(2)进行循环通电，供电电流为DC5A～10A；点火触发信号为火箭点火信号或传感模块的可燃气浓度报警信号；

所述触发点火器(2)触发所述点火装置(3)；

所述点火器(2)引燃点火装置燃烧室(34)内的燃料，使得复合固体推进剂药柱燃烧，瞬间产生高温高压气体，将大量高温高压的金属粒子喷出；

大量高温高压的金属粒子与大流量氢气混合，并引燃氢气。