CN105203596A - 一种低温瓦斯爆炸特性试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低温瓦斯爆炸特性试验系统，包括试验罐和分别与试验罐连接的配气系统、制冷系统、测量系统、点火系统和监控系统，本发明所述主要测试任意低温状态下，可燃气体的爆炸特性、填料的抑爆性能，以及安全装置泄爆的可靠性，即在低温状态下，装有规整填料和爆破片的压力容器(如精馏塔)如果发生爆炸，规整填料与爆破片是否可以有效抑爆、泄爆，保护精馏塔本体免遭破坏，以避免人员伤亡。

Description

一种低温瓦斯爆炸特性试验系统

技术领域

本发明属于安全领域，具体涉及一种低温瓦斯爆炸特性试验系统。

背景技术

目前，国内外尚没有关于特殊环境下可燃气体爆炸特性实验研究方面的标准，我国仅有中华人民共和国国家标准.GB/T12474－2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》，该标准规定了常温常压条件下可燃气体爆炸极限的测定方法。但是，对于超低温(0℃以下)环境可燃气体爆炸极限的测定还缺乏相应的技术手段。目前，我国部分科研院所虽有针对高温或高压环境下可燃气体爆炸特性研究的相关设备，但不能实现低温环境下瓦斯爆炸特性研究。

在煤层气利用过程中，其中深冷液化工艺是利用甲烷与氧气以及氮气的沸点不同，在超低温下对甲烷实施分离的技术。现有的低浓度煤层气深冷液化工业化试验装置在-182℃的低温和0.3MPa的低压下可把含氧煤层气的分离和液化同步进行。在深冷液化过程中，甲烷浓度穿越爆炸极限范围。在此过程中，存在较大的爆炸危险性，需对该工况条件下的甲烷爆炸极限进行测定，以便保障系统安全。因此急需一种低温瓦斯爆炸特性试验系统。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种低温瓦斯爆炸特性试验系统。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种低温瓦斯爆炸特性试验系统，包括试验罐和分别与试验罐连接的配气系统、制冷系统、测量系统、点火系统和监控系统，所述试验罐，用于作为瓦斯爆炸特性试验的容器；所述配气系统，用于向试验罐内充入甲烷、氧气和氮气，使试验罐内的温度、浓度和压力达到试验要求；所述制冷系统，用于对进入试验罐内的气体进行降温预处理以及对试验罐进行降温；所述测量系统，用于爆炸试验过程中瓦斯爆炸各特征参数数据以及环境参数数据的测试及采集；所述点火系统，用于对试验罐内的瓦斯混合气体进行点火；所述监控系统，用于对试验罐的实际情况进行监控，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并可在显示屏幕上监控到巷道内情况。

进一步，所述试验罐包括外胆1、内胆2、设置于内胆与外胆间的液氮夹层17、点火口4、夹层压力口6、内胆排气口7、爆破片8、法兰9、夹层排气口10、夹层温度测量口(11)、静态压力口12、瞬时压力口13、温度测量口14、配气进口15和夹层液氮进口16，所述内层围成一腔体，该腔体具有泄爆口；所述配气进口、温度测量口、瞬时压力口、静态压力口、内胆排气口分别与腔体连通；所述夹层排气口、夹层温度测量口、夹层压力口、夹层液氮进气口分别与夹层连通；所述点火口与内胆连通且点火通道伸入到内胆内，所述爆破片通过法兰设置于泄爆口处。

进一步，还包括设置于外胆外层的保温层3。

进一步，所述外胆外层与保温层间填充有珠光砂。

进一步，所述配气系统包括空压机18、液氮发生器19、氧气发生器20、甲烷发生器21，所述液氮发生器、氧气发生器、甲烷发生器合并到一根总管，该总管与配气进口连接。

进一步，所述制冷系统包括液氮预冷槽22，所述液氮预冷槽连接一液氮发生器，所述液氮预冷槽的进气口与总管连接，出气口与配气进口15连接；所述制冷系统还包括与夹层液氮进口16连接的液氮发生器。

进一步，所述测量系统包括与配气进口15连接的温度显示器23、与静态压力口12连接的压力显示器24、与夹层温度测量口11连接的温度显示器、与瞬时压力口13连接的压力显示器、与温度测量口14连接的温度显示器、与夹层压力口6连接的压力显示器、甲烷传感器26和氧气传感器27，所述甲烷传感器和氧气传感器分别连接一个组分显示器25，所述甲烷传感器与氧气传感器连接到一根总管，该总管分别与内胆排气口7、瞬时压力口13连接。

进一步，所述点火系统包括点火头和与点火头连接的点火能量发生器28，所述点火头安装于试验罐体上并伸入到罐体轴向中心线附近。

进一步，所述监控系统包括摄像头29和与摄像头连接的视频显示器30。

进一步，甲烷发生器21与总管、氧气发生器20与总管、空压机18与总管间都连接有一个手动阀31，总管上设置有流量计32。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明主要测试任意低温状态下，可燃气体的爆炸特性、填料的抑爆性能，以及安全装置泄爆的可靠性，即在低温状态下，装有规整填料和爆破片的压力容器(如精馏塔)如果发生爆炸，规整填料与爆破片是否可以有效抑爆、泄爆，保护精馏塔本体免遭破坏，以避免人员伤亡。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一种低温瓦斯爆炸特性试验系统，包括试验罐和分别与试验罐连接的配气系统、制冷系统、测量系统、点火系统和监控系统；

所述试验罐，用于作为瓦斯爆炸特性试验的容器。

所述试验罐包括外胆1、内胆2、设置于内胆与外胆间的液氮夹层17、点火口4、夹层压力口6、内胆排气口7、爆破片8、法兰9、夹层排气口10、夹层温度测量口(11)、静态压力口12、瞬时压力口13、温度测量口14、配气进口15和夹层液氮进口16，所述内层围成一腔体，该腔体具有泄爆口；所述配气进口、温度测量口、瞬时压力口、静态压力口、内胆排气口分别与腔体连通；所述夹层排气口、夹层温度测量口、夹层压力口、夹层液氮进气口分别与夹层连通；所述点火口与内胆连通且点火通道伸入到内胆内，所述爆破片通过法兰设置于泄爆口处。还包括设置于外胆外层的保温层3。所述外胆外层与保温层间填充有珠光砂。还包括设置于外胆外层的保温层3，该保温层为不锈钢薄板，可用于防潮。所述外胆外层与保温层间填充有珠光砂，形成珠光砂层，用于保温。

为了保护设备及操作人员的安体，在所述点火口4、夹层压力口6、内胆排气口7、爆破片8、法兰9、夹层排气口10、夹层温度测量口11、静态压力口12、瞬时压力口13、温度测量口14、配气进口15、夹层液氮进口16与外部连接的管道上都设置有安全阀。

所述罐体的内径为Φ250mm，填料层高度为800mm，内胆高度为1000mm，压力为2.5MPa.G。

所述配气系统，用于向试验罐内充入甲烷、氧气和氮气，使试验罐内的温度、浓度和压力达到试验要求。所述制冷系统，用于对进入试验罐内的气体进行降温预处理以及对试验罐进行降温；所述测量系统，用于爆炸试验过程中瓦斯爆炸各特征参数数据以及环境参数数据的测试及采集；所述点火系统，用于对试验罐内的瓦斯混合气体进行点火；所述监控系统，用于对试验罐的实际情况进行监控，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并可在显示屏幕上监控到巷道内情况。

所述配气系统包括空压机18、液氮发生器19、氧气发生器20、甲烷发生器21，所述液氮发生器、氧气发生器、甲烷发生器合并到一根总管，该总管与配气进口连接。所述制冷系统包括液氮预冷槽22，所述液氮预冷槽连接一液氮发生器，所述液氮预冷槽的进气口与总管连接，出气口与配气进口15连接；所述制冷系统还包括与夹层液氮进口16连接的液氮发生器。所述测量系统包括与配气进口15连接的温度显示器23、与静态压力口12连接的压力显示器24、与夹层温度测量口11连接的温度显示器、与瞬时压力口13连接的压力显示器、与温度测量口14连接的温度显示器、与夹层压力口6连接的压力显示器、甲烷传感器26和氧气传感器27，所述甲烷传感器和氧气传感器分别连接一个组分显示器25，所述甲烷传感器与氧气传感器连接到一根总管，该总管分别与内胆排气口7、瞬时压力口13连接。所述点火系统包括点火头和与点火头连接的点火能量发生器28，所述点火头安装于试验罐体上并伸入到罐体轴向中心线附近。所述监控系统包括摄像头29和与摄像头连接的视频显示器30。甲烷发生器21与总管、氧气发生器20与总管、空压机18与总管间都连接有一个手动阀31，总管上设置有流量计32。

配气系统用于向试验罐内充入甲烷、氧气和氮气，使试验罐内的温度、浓度和压力达到试验要求。配气时通过控制电磁阀V2和手动阀向试验罐充气。配气完成后关闭电磁阀，关闭设置在巷道外的手动阀，并将甲烷气瓶、氧气瓶和空压机连接管路拆下，以确保安全。

配气过程分为低温液氮配气和常温氧、甲烷配气两个阶段。在低温液氮配气阶段，为了更快的降低试验罐内胆温度，通过电磁阀V2先向内胆配入低温液氮，此液氮既作为试验介质的一部分，也起到降低试验罐温度的辅助作用。当温度降低到设定值时，进行常温的配气，按事先计算充气量与试验罐内压力变化的关系，通过手动阀按照氧气-甲烷的顺序通过液氮浴预冷后向试验罐内充气，通过甲烷流量计和压力值确定充气量。向试验罐充气过程中，试验罐不向外排气，试验罐内的压力随着充气过程上升。

在配气过程中，很可能由于操作不精确，压力测量误差以及实际气体和理想气体的差别，导致最终的甲烷浓度不符合要求。所以在配气过程中，根据甲烷浓度传感器和氧气浓度传感器判断是否向试验罐中补充甲烷或者氧气，通过V5阀可以对试验罐进行泄压或者排气，通过补充配气使试验罐内的甲烷浓度和压力维持在试验要求值。

在配气过程中，试验罐内压力严禁超过爆破片的泄爆压力，若压力接近该值，则通过排气阀向外排气，压力降低后根据实际浓度进行补充配气。为了配气的方便和浓度测量的准确，尽可能通过夹层液氮的量控制内胆温度，使其维持在目标配气温度下。

本发明的制冷由两大部分组成，一是液氮浴预冷、二是夹层液氮制冷。

(1)液氮浴预冷

对进入罐内的气体进行液氮预冷处理，减小夹层降温的负荷和降低试验罐内混合气体的压力。在配入气体时，使用液氮预冷装置对气体进行预冷，使气体通过液氮预冷装置以低温状态进入试验罐。为了使试验罐内气体状态达到指定的温度与压力，需要控制各气体预冷后的温度。只有各气体预冷后的温度达到指定条件后，各定量气体混合后的温度才能达到较低值，从而减小夹层预冷的制冷负荷。

(2)夹层液氮制冷

为使进入罐内混合气体达到温度-164.3℃、压力0.23MPa.G的状态，夹层充入液氮对试验罐降温，当试验罐降到一定温度后，通过夹层液氮以导热方式降低充入氧气和甲烷的温度，以使其达到规定的点火状态。

通过进口阀向夹层内充入液氮，让液氮在夹层内气化吸热，降低内胆的温度，同时夹层的压力会上升，当压力接近设定压力时，开启出口阀门V3，维持夹层的压力平衡。由于需大量的液氮，所以使用3瓶液氮连续给试验罐降温。

为确保人员安全，本实施例中，人员在地面操作电磁阀来完成试验罐的进气和排气，电磁阀均选用FC(断电时关闭)型阀，安装于巷道内靠近试验罐处。

对于需要调节液氮液位的阀门(1-A、1-B、1-C，V2、V9)，采用电动调节阀。

监控系统由摄像机和数据处理设备组成。摄像机位于巷道内，可监控试验罐泄爆端的实际情况，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并可在显示屏幕上监控到巷道内情况。监控系统所需设备为高清防爆摄像机、供电电源及图像处理设备。摄像系统的安装位置应避免安装在试验罐泄爆口，且采用高强度壳体进行保护。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：包括试验罐和分别与试验罐连接的配气系统、制冷系统、测量系统、点火系统和监控系统，

所述试验罐，用于作为瓦斯爆炸特性试验的容器；

所述配气系统，用于向试验罐内充入甲烷、氧气和氮气，使试验罐内的温度、浓度和压力达到试验要求；

所述制冷系统，用于对进入试验罐内的气体进行降温预处理以及对试验罐进行降温；

所述测量系统，用于爆炸试验过程中瓦斯爆炸各特征参数数据以及环境参数数据的测试及采集；

所述点火系统，用于对试验罐内的瓦斯混合气体进行点火；

所述监控系统，用于对试验罐的实际情况进行监控，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并可在显示屏幕上监控到巷道内情况。

2.根据权利要求1所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述试验罐包括外胆(1)、内胆(2)、设置于内胆与外胆间的液氮夹层(17)、点火口(4)、夹层压力口(6)、内胆排气口(7)、爆破片(8)、法兰(9)、夹层排气口(10)、夹层温度测量口(11)、静态压力口(12)、瞬时压力口(13)、温度测量口(14)、配气进口(15)和夹层液氮进口(16)，所述内层围成一腔体，该腔体具有泄爆口；所述配气进口、温度测量口、瞬时压力口、静态压力口、内胆排气口分别与腔体连通；所述夹层排气口、夹层温度测量口、夹层压力口、夹层液氮进气口分别与夹层连通；所述点火口与内胆连通且点火通道伸入到内胆内，所述爆破片通过法兰设置于泄爆口处。

3.根据权利要求2所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：还包括设置于外胆外层的保温层(3)。

4.根据权利要求3所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述外胆外层与保温层间填充有珠光砂。

5.根据权利要求2所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述配气系统包括空压机(18)、液氮发生器(19)、氧气发生器(20)、甲烷发生器(21)，所述液氮发生器、氧气发生器、甲烷发生器合并到一根总管，该总管与配气进口连接。

6.根据权利要求5所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述制冷系统包括液氮预冷槽(22)，所述液氮预冷槽连接一液氮发生器，所述液氮预冷槽的进气口与总管连接，出气口与配气进口(15)连接；所述制冷系统还包括与夹层液氮进口(16)连接的液氮发生器。

7.根据权利要求6所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述测量系统包括与配气进口(15)连接的温度显示器(23)、与静态压力口(12)连接的压力显示器(24)、与夹层温度测量口(11)连接的温度显示器、与瞬时压力口(13)连接的压力显示器、与温度测量口(14)连接的温度显示器、与夹层压力口(6)连接的压力显示器、甲烷传感器(26)和氧气传感器(27)，所述甲烷传感器和氧气传感器分别连接一个组分显示器(25)，所述甲烷传感器与氧气传感器连接到一根总管，该总管分别与内胆排气口(7)、瞬时压力口(13)连接。

8.根据权利要求7所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述点火系统包括点火头和与点火头连接的点火能量发生器(28)，所述点火头安装于试验罐体上并伸入到罐体轴向中心线附近。

9.根据权利要求8所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：所述监控系统包括摄像头(29)和与摄像头连接的视频显示器(30)。

10.根据权利要求6所述的低温瓦斯爆炸特性试验系统，其特征在于：甲烷发生器(21)与总管、氧气发生器(20)与总管、空压机(18)与总管间都连接有一个手动阀(31)，总管上设置有流量计(32)。