CN105527316A - 高压蒸气爆炸测试装置及系统 - Google Patents

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Abstract

一种高压蒸气爆炸测试装置及系统，其中，所述测试装置包括：承压容器，具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，用于为高压蒸气介质提供装载和实验的场所；承压容器的底部侧面设置有介质注入口，用于向承压容器的腔体注入实验介质；泄压装置，为中空结构，设置在承压容器顶部，与承压容器连接导通；泄压装置的空腔内设置有爆破片；加热装置，用于对承压容器内的实验介质进行加热；传感器，设置在承压容器的腔体内，用于采集承压容器的腔体内实验介质的物理参数。能够更好地模拟高压蒸气介质注入管，提高了高压蒸气爆炸测试装置模拟仿真度，为高压蒸气爆炸测试分析提供了更为可靠的技术参数支撑。

Description

高压蒸气爆炸测试装置及系统
技术领域
本发明涉及实验设备领域，具体涉及一种高压蒸气爆炸测试装置及系统。
背景技术
沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE，BoilingLiquidExpandingVaporExplosion)，是指大量过热液体瞬时泄放到大气环境中而形成的蒸气爆炸。CO2高压容器在过充、过压、机械打击、热应力、腐蚀等作用下材料性能降低甚至完整性遭到破坏时，完全有可能由于快速降压发生严重的CO2沸腾液体扩展蒸气爆炸事故，从而造成容器的进一步破裂和介质的完全泄放。驱油过程中，CO2注入管内压力可达30MPa，属于典型的高压设备，且长期处于井底的复杂环境中，具有很大的BLEVE危险性。为了确保CO2-EOR的安全生产，必须对驱油注入过程中CO2BLEVE发生的条件和机理进行深入研究。分析CO2快速相变发生BLEVE热动力学过程的基础上，从CO2-EOR工程应用的角度，设计适合于研究驱油注入管内CO2发生BLEVE的小尺寸实验装置，以对这种不可燃也基本无毒性流体的冷BLEVE现象进行实验研究。
根据国内外学者对可燃物质BLEVE过程的大量研究以及对CO2发生BLEVE过程的一些探索，CO2BLEVE的形成也多少都与“液体过热”和“突然降压”有直接联系，因此实验研究中实现压力容器的突然降压与过热核化，并采用有效的实验参数测试系统是研究CO2BLEVE发生机理中非常关键的环节。
现有技术中，也存在一些基于BLEVE爆炸的实验测试系统，但由于实验条件的限制，测试系统具有以下缺陷：实验设备通常与实际P110注入管的形状差距较大，无法对注入过程的BLEVE真实再现；测试系统中，通常注入的液体是水，单纯将水从泄放口倒入，而不能实现高压液化CO2的注入；一般实验系统采用的是底部加热，如果CO2的实验也采用这种加热方式，会使得CO2出现较为严重的热分层现象，对实验结果产生较大影响。
如何更真实地模拟演化高压蒸气爆炸过程成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于现有技术中高压蒸气爆炸测试装置模拟仿真度差。
为此，根据第一方面，本发明实施例提供一种高压蒸气爆炸测试装置，包括：
承压容器，具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，用于为高压蒸气介质提供装载和实验的场所；承压容器的底部侧面设置有介质注入口，用于向承压容器的腔体注入实验介质；泄压装置，为中空结构，设置在承压容器顶部，与承压容器连接导通；泄压装置的空腔内设置有爆破片；加热装置，用于对承压容器内的实验介质进行加热；传感器，设置在承压容器的腔体内，用于采集承压容器的腔体内实验介质的物理参数。
进一步，承压容器的侧壁上还设置有观察窗，用于观察承压容器的腔体实验介质。
进一步，观察窗至少为两个，分别设置在承压容器相对的侧壁上。
进一步，承压容器的顶端还设置有保温外壳，与承压容器可拆卸连接。
进一步，保温外壳为两块半开式，用于在承压容器的顶端相对方向相向扣合，以与承压容器可拆卸连接。
进一步，加热装置包括：多个加热管，分别沿承压容器的腔体内侧竖向布置；温度控制箱，用于向多个加热管提供热能。
进一步，传感器包括：多个压力传感器，分别布置在承压容器的腔体内侧壁上，用于采集承压容器的腔体内不同区域实验介质的压力；温度传感器，布置在承压容器的腔体内侧壁上，用于采集承压容器的腔体内不同区域实验介质的温度。
进一步，还包括：图像数据采集模块，用于采集承压容器的腔体内实验介质的图像数据；图像数据采集模块包括：摄影仪，设置在至少一个观察窗的一侧，用于透过该观察窗采集承压容器的腔体内实验介质的图像数据。
进一步，图像数据采集模块还包括：光源板，用于向承压容器的腔体内提供照明光源。
进一步，还包括：实验介质注入模块，与介质注入口连接，用于通过介质注入口向承压容器的腔体注入实验介质。
进一步，实验介质注入模块包括：气瓶，用于提供实验介质；制冷机组，与气瓶连接，用于对气瓶输出的实验介质进行冷却液化；高压泵，设置在制冷机组和介质注入口之间，高压泵用于在检测到承压容器的腔体内压力大于或等于气瓶内的压力时，开始加压，以将气瓶内的实验介质通过介质注入口注入承压容器的腔体内。
根据第二方面，本发明实施例提供一种高压蒸气爆炸测试系统，包括：
上述的高压蒸气爆炸测试装置；数据采集卡，信号连接至高压蒸气爆炸测试装置的传感器，用于接收传感器采集到的物理参数；或者，信号连接至高压蒸气爆炸测试装置的传感器和图像数据采集模块，用于接收传感器采集到的物理参数和图像数据采集模块采集到的图像数据；数据处理系统，用于接收数据采集卡采集到的数据并进行分析。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的高压蒸气爆炸测试装置及系统，由于承压容器具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，在为高压蒸气介质提供装载和实验的场所时，能够更好地模拟高压蒸气介质注入管，提高了高压蒸气爆炸测试装置模拟仿真度，为高压蒸气爆炸测试分析提供了更为可靠的技术参数支撑。
作为优选的技术方案，承压容器的底部侧面设置有介质注入口，实验介质通过实验介质注入模块从该介质注入口向承压容器的腔体注入，相对于单纯地将水从泄放口倒入，不仅提高了高压蒸气爆炸测试的自动化程度，也使得高压蒸气爆炸测试装置能够更好地仿真模拟高压蒸气介质注入管中注入高压蒸气的过程。
作为优选的技术方案，承压容器的顶端还设置有保温外壳，与承压容器可拆卸连接，从而实现了在保温外壳连接在承压容器的顶端时，对承压容器腔体内的实验介质进行保温，当保温外壳从承压容器的顶端拆卸时，能更好地对承压容器进行散热。
作为优选的技术方案，加热装置包括：多个加热管，分别沿承压容器的腔体内侧竖向布置，从而使得承压容器腔体内的实验介质受热均匀，利于减少严重的热分层现象，使得实验结果更为真实可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种高压蒸气爆炸测试系统示意图；
图2为本发明实施例中一种承压容器剖面示意图；
图3为本发明实施例中一种实验介质注入模块示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为提高高压蒸气爆炸测试装置模拟仿真度，本实施例公开一种高压蒸气爆炸测试装置，请参考图1，该高压蒸气爆炸测试装置包括：承压容器1、泄压装置4、加热装置(图1中未示出标记)和传感器，其中：
承压容器1具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，用于为高压蒸气介质提供装载和实验的场所；承压容器的底部侧面设置有介质注入口11，用于向承压容器的腔体注入实验介质。本实施例中，高压蒸气介质例如是CO2。所称高压蒸气介质注入管为实际管道设备中的CO2驱油注入管，以CO2驱油注入管为例，承压容器1具有圆柱形腔体，内径为φ62mm，与CO2驱油注入管内径一致，承压容器1的净高度300mm，装置最大工作压力20MPa，可满足液态甚至超临界态CO2BLEVE过程的压力要求，工作温度从室温到180℃。
为实现对承压容器1内的流体进行观察，在优选的实施例中，承压容器1的侧壁上还设置有观察窗5，用于观察承压容器1的腔体实验介质。优选地，观察窗5至少为两个，分别设置在承压容器1相对的侧壁上，例如观察窗5设置在承压容器前后两侧，采用两块2×100mm高强度玻璃嵌套密封在承压容器1前后壁的开槽处。通过在承压容器1上设计视窗观察机构，可以随时观察和检测承压容器1内部流体的变化情况。
在优选的实施例中，承压容器1的顶端还设置有保温外壳2，与承压容器1可拆卸连接。在优选的实施例中，请参考图2，保温外壳2为两块半开式，用于在承压容器1的顶端相对方向相向扣合，以与承压容器1可拆卸连接，具体地，可以通过四组锁扣扣紧两块保温外壳2。
泄压装置4为中空结构，设置在承压容器1顶部，与承压容器1连接导通；泄压装置4的空腔内设置有爆破片。具体地，可以在承压容器1的顶端开设泄压口3，在泄压口3通过一段钢管嵌入承压容器1，泄压装置4通过螺纹连接密封固定在钢管上，泄压装置4的空腔内设置的LP型爆破片可以通过夹持器装在泄压装置4内。在优选的实施例中，泄压装置4可以包括爆破阀、LP型爆破片和中空螺柱，其中，爆破阀和中空螺柱构成夹持器，具体地，爆破阀为中空螺母结构，其与中空螺柱能够螺纹配合连接。具体地，LP型爆破片通过中空螺柱顶在泄压口3处，中空螺柱通过螺纹固定在泄压口3处，而后爆破阀通过螺纹连接至中空螺柱，从而形成更贴近事故模式的爆破片超压破裂的泄压方式。在优选的实施例中，还可以在承压容器和爆破阀之间增加电动阀装置，从而可以采用一体式角行程电动执行器进行开关量调节。通过电动阀装置，可以实现多种泄压方式：(1)爆破阀+电动阀+直角形连接管。(2)爆破阀+直角形连接管，此时，电动阀全程呈开启状态。(3)爆破阀+竖直连接管，此时，动态压力传感器可以分别安装于承压容器底部和顶部连接管，垂直于容器侧壁，即传感器敏感元件与流体运动方向平行。
加热装置用于对承压容器1内的实验介质进行加热。在具体实施例中，请参考图2，加热装置包括：多个加热管28和温度控制箱(图中未示出)，其中，多个加热管28分别沿承压容器1的腔体内侧竖向布置；温度控制箱用于向多个加热管提供热能。在具体实施例中，电加热管28共有六套，可快速的给承压容器1内的流体加热，在温度控制箱的加热控制下，使得承压容器1内流体加热的温度控制准确。
传感器设置在承压容器的腔体内，用于采集承压容器的腔体内实验介质的物理参数。本实施例中，实验介质的物理参数包括温度和压力，当然，在优选的实施例中，实验介质的物理参数还可以包括影音数据。在具体实施例中，请参考图1和图2，传感器包括：多个压力传感器6和温度传感器9，其中，多个压力传感器6分别布置在承压容器1的腔体内侧壁上，用于采集承压容器1的腔体内不同区域实验介质的压力，当然，在优选的实施例中，也可以在承压容器1的设置压力传感器6；温度传感器9布置在承压容器1的腔体内侧壁上，用于采集承压容器1的腔体内不同区域实验介质的温度。
为实现对高压蒸气爆炸过程进行可视化演化，在优选的实施例中，该高压蒸气爆炸测试装置还包括：图像数据采集模块，用于采集承压容器1的腔体内实验介质的图像数据，具体地，图像数据采集模块包括：摄影仪14，设置在至少一个观察窗的一侧，用于透过该观察窗采集承压容器1的腔体内实验介质的图像数据。在优选的实施例中，图像数据采集模块还可以包括：光源板13，用于向承压容器1的腔体内提供照明光源，光源板13优选设置在与摄影仪14相对一侧的观察窗处，以透过该观察窗向承压容器1的腔体内提供照明光源。
为实现图像数据采集模块对爆炸过程自动采集，在优选的实施例中，该高压蒸气爆炸测试装置还包括：同步触发器15，同步触发器15与安装在泄压装置4附近的触发线及图像数据采集模块的触发线连接，当同步触发器15检测到爆炸事件时，触发图像数据采集模块开始采集爆炸过程的图像数据。
在优选的实施例中，该高压蒸气爆炸测试装置还包括：实验介质注入模块，实验介质注入模块与介质注入口11连接，用于通过介质注入口11向承压容器的腔体注入实验介质。具体地，请参考图3，该实验介质注入模块包括：气瓶31、制冷机组32和高压泵33，其中，气瓶31用于提供实验介质；制冷机组32与气瓶连接，用于对气瓶输出的实验介质进行冷却液化；高压泵33设置在制冷机组和介质注入口11之间，高压泵用于在检测到承压容器的腔体内压力大于或等于气瓶内的压力时，开始加压，以将气瓶内的实验介质通过介质注入口11注入承压容器的腔体内。
为便于本领域技术人员理解，以实验介质为CO2，气瓶31为CO2储气瓶为例进行说明：CO2储气瓶释放出的气态二氧化碳通过制冷机组32冷却液化，制冷机组32中的冷箱和冷循环泵共同作用使整个通路内的CO2均处于低温液态。通过高压管线与承压容器1的介质注入口11相连，在介质注入口11的注入阀打开后，液态二氧化碳注入承压容器1中，当承压容器1内压力与CO2储气瓶气体压力相等后，高压泵33的高压柱塞泵开始工作，液态CO2密度逐渐增大最终变为超临界态。通过加热装置加热，使得承压容器1内的液态CO2爆破泄压装置4的空腔内设置的爆破片，从而开始泄压。
本实施例还公开了一种高压蒸气爆炸测试系统，请参考图1，该高压蒸气爆炸测试系统包括：
上述高压蒸气爆炸测试装置。
数据采集卡17，数据采集卡17信号连接至高压蒸气爆炸测试装置的传感器，用于接收传感器采集到的物理参数；或者，信号连接至高压蒸气爆炸测试装置的传感器和图像数据采集模块，用于接收传感器采集到的物理参数和图像数据采集模块采集到的图像数据。需要说明的是，传感器输出的信号可能会比较弱，因此，在优选的实施例中，在数据采集卡17和传感器之间还可以进一步包括电荷放大器16，以对传感器输出的信号进行放大。
数据处理系统，用于接收数据采集卡采集到的数据并进行分析。在具体实施例中，数据处理系统可以通过LabVIEW、VC、VB等开发软件搭建高压蒸气爆炸测试系统的仿真上位机平台。
本实施例公开的高压蒸气爆炸测试装置及系统，由于承压容器具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，在为高压蒸气介质提供装载和实验的场所时，能够更好地模拟高压蒸气介质注入管，提高了高压蒸气爆炸测试装置模拟仿真度，为高压蒸气爆炸测试分析提供了更为可靠的技术参数支撑。
在优选的实施例中，承压容器的底部侧面设置有介质注入口，实验介质通过实验介质注入模块从该介质注入口向承压容器的腔体注入，相对于单纯地将水从泄放口倒入，不仅提高了高压蒸气爆炸测试的自动化程度，也使得高压蒸气爆炸测试装置能够更好地仿真模拟高压蒸气介质注入管中注入高压蒸气的过程。
在优选的实施例中，承压容器的顶端还设置有保温外壳，与承压容器可拆卸连接，从而实现了在保温外壳连接在承压容器的顶端时，对承压容器腔体内的实验介质进行保温，当保温外壳从承压容器的顶端拆卸时，能更好地对承压容器进行散热。
在优选的实施例中，加热装置包括：多个加热管，分别沿承压容器的腔体内侧竖向布置，从而使得承压容器腔体内的实验介质受热均匀，利于减少严重的热分层现象，使得实验结果更为真实可靠。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，包括：
承压容器，具有与高压蒸气介质注入管内径一致的腔体，用于为所述高压蒸气介质提供装载和实验的场所；所述承压容器的底部侧面设置有介质注入口，用于向所述承压容器的腔体注入实验介质；
泄压装置，为中空结构，设置在所述承压容器顶部，与所述承压容器连接导通；所述泄压装置的空腔内设置有爆破片；
加热装置，用于对所述承压容器内的实验介质进行加热；
传感器，设置在所述承压容器的腔体内，用于采集所述承压容器的腔体内实验介质的物理参数。
2.如权利要求1所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述承压容器的侧壁上还设置有观察窗，用于观察所述承压容器的腔体实验介质。
3.如权利要求2所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述观察窗至少为两个，分别设置在所述承压容器相对的侧壁上。
4.如权利要求1-3任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述承压容器的顶端还设置有保温外壳，与所述承压容器可拆卸连接。
5.如权利要求4所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述保温外壳为两块半开式，用于在所述承压容器的顶端相对方向相向扣合，以与所述承压容器可拆卸连接。
6.如权利要求1-5任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述加热装置包括：
多个加热管，分别沿所述承压容器的腔体内侧竖向布置；
温度控制箱，用于向所述多个加热管提供热能。
7.如权利要求1-6任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述传感器包括：
多个压力传感器，分别布置在所述承压容器的腔体内侧壁上，用于采集所述承压容器的腔体内不同区域实验介质的压力；
温度传感器，布置在所述承压容器的腔体内侧壁上，用于采集所述承压容器的腔体内不同区域实验介质的温度。
8.如权利要求2-7任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，还包括：图像数据采集模块，用于采集所述承压容器的腔体内实验介质的图像数据；所述图像数据采集模块包括：
摄影仪，设置在至少一个所述观察窗的一侧，用于透过该观察窗采集所述承压容器的腔体内实验介质的图像数据。
9.如权利要求8所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述图像数据采集模块还包括：
光源板，用于向所述承压容器的腔体内提供照明光源。
10.如权利要求1-9任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，还包括：
实验介质注入模块，与所述介质注入口(11)连接，用于通过所述介质注入口(11)向所述承压容器的腔体注入实验介质。
11.如权利要求10所述的高压蒸气爆炸测试装置，其特征在于，所述实验介质注入模块包括：
气瓶，用于提供实验介质；
制冷机组，与所述气瓶连接，用于对所述气瓶输出的实验介质进行冷却液化；
高压泵，设置在所述制冷机组和所述介质注入口(11)之间，所述高压泵用于在检测到所述承压容器的腔体内压力大于或等于所述气瓶内的压力时，开始加压，以将所述气瓶内的实验介质通过所述介质注入口(11)注入所述承压容器的腔体内。
12.一种高压蒸气爆炸测试系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-11任意一项所述的高压蒸气爆炸测试装置；
数据采集卡，信号连接至所述高压蒸气爆炸测试装置的传感器，用于接收所述传感器采集到的所述物理参数；或者，信号连接至所述高压蒸气爆炸测试装置的传感器和所述图像数据采集模块，用于接收所述传感器采集到的所述物理参数和所述图像数据采集模块采集到的所述图像数据；
数据处理系统，用于接收所述数据采集卡采集到的数据并进行分析。
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