CN105928978A - 一种狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其包括点火装置、耐压密闭容器、可燃气体气罐、空气压缩机和PLC控制总成装置。通过障碍物设置、配气、点火、测量、采集、分析系统的集成，研究各类可燃气体在不同条件下的爆炸特性和反应过程机理，为管路布置、抑爆设计及安全评价提供技术参考。

Description

一种狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置

技术领域

本发明涉及安全科学与工程实验设备技术领域，尤其涉及一种狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置。

背景技术

在地面以下，城市暗渠和油气管道铺设错综复杂，难免出现交叉，在这些交叉点一旦发生泄漏，所挥发的油气与暗渠内的空气混合并在暗渠内相对封闭的狭长空间内积聚，遇明火就会快速爆燃，甚至发生爆轰，产生极其严重的破坏，使人身、财产安全受到极大损失。中石化“11·22”输油管道泄漏爆炸就是一起典型的狭长空间油气燃爆事故，造成了恶劣的社会影响。构建狭长受限空间典型燃爆测试装置，研究可燃气体燃爆特性及反应传播过程，为燃爆机理认识、事故调查、破坏效应分析及抑爆措施提出具有十分重要的意义。中国专利申请号201120399242.4提供“一种可燃气体和蒸汽在高温高压下爆炸性测试装置”，其为球形容器，结构简单，只能测定可燃气体的爆炸极限，并不能实际模拟管道中可燃气体的爆炸反应及传播过程。中国专利申请号201010278947.0的“可燃引爆混合气体自动配气及引爆测试装置”虽然提出了一种可燃混合气体配气引爆测试理念，但具体储气室构造，压力、温度测点分布及配气原理并无涉及。中国专利申请号201110370604.1提供“一种狭长受限空间的火灾实验模拟装置”，虽然构建了一种截面为方形的长方体装置来研究火灾轰燃，但装置耐压差，缺乏动态压力测量，无相应配气及泄压系统，并不适用于会产生压力波的气体爆炸研究。中国专利申请号200810246230.0提供“一种采用细水雾抑制气体及粉尘爆炸的实验装置”采用长方柱体进行火灾燃烧试验，器壁采用有机玻璃材质，难以承受超压，并且未考虑障碍物存在情况下的火焰传播规律。

发明内容

本发明就是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体爆炸特性和反应过程的实验装置，通过障碍物设置、配气、点火、测量、采集、分析系统的集成，研究各类可燃气体在不同条件下的爆炸特性和反应过程机理，为管路布置、抑爆设计及安全评价提供技术参考。

基于此，本发明提供一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其包括点火装置、耐压密闭容器、可燃气体气罐、空气压缩机和PLC控制总成装置。

其中，所述可燃气体气罐和空气压缩机均安装在耐压密闭容器的前端，通过管路与耐压密闭容器相连，在管路上安装有空气压缩机阀门和可燃气体气罐控制阀门，可实现耐压密闭容器中管道内部配气。

其中，所述耐压密闭容器由多节不锈钢圆管用螺栓和橡胶垫片固定密封构成。

其中，在所述耐压密闭容器的前后两端安装有内侧凹陷的法兰，凹陷区截面与耐压密闭容器截面一致。

其中，在组成所述耐压密闭容器的不锈钢圆管的首尾段装有循环管道，在循环管道上安装有循环阀门和循环泵，可加速气体均匀混合。

其中，在所述耐压密闭容器的管道尾部连接有安全阀、泄气阀和真空泵接口，可对管道内气体超压进行安全泄放和反应前后抽真空作业。

其中，在各节不锈钢圆管两侧对称开有防爆玻璃观察窗，观察窗前后两侧安有高速摄影系统和激光流场测量仪，可对试验过程中的火焰传播及流场分布进行记录分析。

其中，在所述耐压密闭容器内部各不锈钢圆管道之间以及首尾段可增设障碍物支撑杆固定板，由障碍物、支撑杆和固定板构成，可以根据需要设置不同长度的支撑杆，并在杆上安装不同类型和参数的障碍物。

本发明还提供了采用上述狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置进行可燃气体燃爆测试的方法，其包括：

第一步，连接好上述可燃气体燃爆测试装置各个仪器设备，检查管线、接口处的密封效果，调试并校正好点火装置、压力传感器、温度传感器及火焰离子传感器，将高速摄影系统和流场测量仪固定在管道观察窗两侧并进行校正调试；

第二步，关闭安全阀、泄气阀、可燃气罐气体控制阀门和空气压缩机阀门，打开真空泵阀门和循环阀门，启动真空泵进行抽真空作业，之后关闭真空泵阀门和真空泵；

第三步，根据道尔顿分压原理以及预定实验压力和可燃气体体积分数，确定安全阀泄放压力及可燃气体、空气的压力参数，打开可燃气罐阀门，向管道内充气，达到指定可燃气体分压且稳定后关闭气罐及阀门，打开空气压缩机阀门，启动空气压缩机将空气充入管道达到指定总压且稳定后关闭空气压缩机及阀门；

第四步，启动循环泵，对管道内混合器进行循环，一定时间后暂停循环泵，利用气体采样系统对管道内气体组分进行采样分析，达到预设参数后关闭循环泵及阀门，打开安全阀，启动点火装置进行点火，同时启动数据采集系统，打开高速摄像系统和流场测定仪进行记录，气体燃爆结束后，打开泄气阀门，将带压尾气排入回收装置，待压力恢复到大气压时，关闭泄气阀门，打开真空泵及阀门进行抽真空作业，将尾气排入回收装置，根据需要调整实验参数重复进行实验；

第五步，实验结束后，调取火焰在管道内的高速摄像图片和流场测定结果进行分析，研究可燃气体在密闭空间内的爆炸特性及反应过程。

本发明的有益效果：

本发明提供一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体爆炸特性和反应过程的实验装置，通过障碍物设置、配气、点火、测量、采集、分析系统的集成，研究各类可燃气体在不同条件下的爆炸特性和反应过程机理，为管路布置、抑爆设计及安全评价提供技术参考。

附图说明

图1是可燃气体燃爆测试装置的侧视图；

图2是可燃气体燃爆测试装置的俯视图；

图3是障碍物支撑杆固定板及障碍物截面示意图；

图4是障碍物类型结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其包括点火装置、耐压密闭容器、可燃气体气罐、空气压缩机和PLC控制总成装置。

所述可燃气体气罐和空气压缩机均安装在耐压密闭容器的前端，通过管路与耐压密闭容器相连，在管路上安装有空气压缩机阀门和可燃气体气罐控制阀门，可实现耐压密闭容器中管道内部配气。

所述耐压密闭容器由多节不锈钢圆管用螺栓和橡胶垫片固定密封构成。

所述不锈钢圆管的数量可以根据需要增减数量。

在所述耐压密闭容器的前后两端安装有特制法兰盘，法兰盘内侧凹陷一定的深度。凹陷的目的是为了给障碍物支撑杆的端点空出足量空间用来固定，如果不采用凹陷结构，支撑杆的端点将与法兰直接接触，没办反留出一部分支撑杆并在上面安装垫片和螺母，固定在固定板上。

在组成所述耐压密闭容器的不锈钢圆管的首尾段装有循环管道，在循环管道上安装有循环阀门和循环泵，可加速气体均匀混合。

所述循环阀门优选为2个，分别位于段首和段尾。

在所述耐压密闭容器的管道尾部连接有安全阀、泄气阀和真空泵接口，可对管道内气体超压进行安全泄放和反应前后抽真空作业。

在各节不锈钢圆管两侧对称开有防爆玻璃观察窗，观察窗前后两侧安有高速摄影系统和激光流场测量仪，可对试验过程中的火焰传播及流场分布进行记录分析。

在各节管道上部根据测试需要可以安装多排动压、动温、火焰离子传感接口，连接压力传感器、温度传感器和火焰离子传感器，用于记录爆炸过程中各测点位置的压力、温度、火焰速度等。

所述管道上部还开设有气体采样接口，与气体采样仪直连，可对混合后的气体的组分进行实时采样分析，确保组分混合均匀。

所述气体采样接口通过气体分析系统，可采集实时气样组分至PCL控制总成系统。在所述耐压密闭容器内部各不锈钢圆管道之间以及首尾段可增设障碍物支撑杆固定板，由障碍物、支撑杆和固定板构成，可以根据需要设置不同长度的支撑杆，并在杆上安装不同类型和参数的障碍物，障碍物起到对火焰加速传播的作用。

气体分析系统主要是进行氧气含量在线监测，分析氧气在气体中的体积浓度，通过氧含量浓度反推可燃气体体积浓度。

所述支撑杆采用丝杠结构，全身布满单向螺纹，利用不锈钢垫圈和螺母对障碍物进行前后固定，支撑杆也通过不锈钢垫圈和螺母固定在固定板上。

障碍物数量、间距和截面参数可根据实际需要在支撑杆上增减。

障碍物的结构优选为栅栏状障碍物、网状障碍物或环状障碍物，进一步优选为铁质或者不锈钢制造的网格型、栅栏型、中空型的实心障碍物。

本发明还提供了采用上述狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置进行可燃气体燃爆测试的方法，其包括：

第一步，连接好上述可燃气体燃爆测试装置各个仪器设备，检查管线、接口处的密封效果，调试并校正好点火装置、压力传感器、温度传感器及火焰离子传感器，将高速摄影系统和流场测量仪固定在管道观察窗两侧并进行校正调试；

第二步，关闭安全阀、泄气阀、可燃气罐气体控制阀门和空气压缩机阀门，打开真空泵阀门和循环阀门，启动真空泵进行抽真空作业，之后关闭真空泵阀门和真空泵；

第三步，根据道尔顿分压原理以及预定实验压力和可燃气体体积分数，确定安全阀泄放压力及可燃气体、空气的压力参数，打开气罐阀门，向管道内充气，达到指定可燃气体分压且稳定后关闭气罐及阀门，打开空气压缩机阀门，启动空气压缩机将空气充入管道达到指定总压且稳定后关闭空气压缩机及阀门；

第四步，启动循环泵，对管道内混合器进行循环，一定时间后暂停循环泵，利用气体采样系统对管道内气体组分进行采样分析，达到预设参数后关闭循环泵及阀门，打开安全阀，启动点火装置进行点火，同时启动数据采集系统，打开高速摄像系统和流场测定仪进行记录，气体燃爆结束后，打开泄气阀门，将带压尾气排入回收装置，待压力恢复到大气压时，关闭泄气阀门，打开真空泵及阀门进行抽真空作业，将尾气排入回收装置，根据需要调整实验参数重复进行实验；

第五步，实验结束后，调取火焰在管道内的高速摄像图片和流场测定结果进行分析，研究可燃气体在密闭空间内的爆炸特性及反应过程。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明提供一种用于测试多因素条件下可燃气体爆炸特性和反应过程的实验装置，如图1所示，包括：由多节(可以根据需要增减数量)不锈钢圆管用螺栓和橡胶垫片固定密封组成的耐压密闭的容器19，不锈钢管道前后安装有特制法兰盘5，内侧凹陷一定深度；在管道前端连接可燃气体气罐1、空气压缩机2及相应阀门3和4；位于管道首节前端的脉冲点火装置6，位于管道尾端特制法兰的压力表14、泄气阀15、安全阀16、真空泵18及真空泵阀门17；在各节短管道以及管道与首尾法兰之间可根据需要安装障碍物支撑杆固定板8，在管道器壁侧面开设有对称的耐压防爆钢化玻璃7，在各节管道顶部开设有连接压力传感器、温度传感器和火焰离子传感器的动压、动温、火焰传感器接口10以及气体采样接口9，通过信号转换系统20及气样分析系统21，可采集实时燃爆参数变化及气样组分并将数据传递至PLC控制总成系统22；在管道首节和末节一侧开设有气体循环系统，包括循环泵13和两侧阀门11、12，可对管道内气体进行循环，使气体混合均匀；在对可燃气体点火后可利用图2中的高速摄像系统25记录狭长受限空间内的火焰变化情况，利用流场测定系统26测量狭长受限空间内的流场实时变化。

障碍物置放系统如图2所示，主要由障碍物支撑杆固定板8，障碍物支撑杆23，障碍物24组成；支撑杆采用丝杠结构，支撑杆全身布满单向螺纹，可通过不锈钢垫片和螺母固定在支撑杆固定板上，障碍物同样利用不锈钢垫片和螺母固定在支撑杆上，障碍物数量、间距和截面参数可根据实际需要在支撑杆上增减；障碍物支撑杆结构如图3左侧所示，圆周结构同法兰盘相同，在内侧对称开有支撑杆插口，用于支撑杆的安装固定，障碍物结构如图3右侧所示，19为管道器壁，24为障碍物，28为支撑杆插口，用于障碍物在支撑杆上的固定。图4为障碍物的三种典型结构，其中29为栅栏状障碍物，30为网状障碍物，31为环状障碍物。

本实施例中可燃气为丙烷，点火装置采用高压脉冲点火器，压力、温度及火焰测量采用快速响应传感器。

测试实验主要分为两个阶段。第一阶段主要测量无障碍物时的动压、动温、火焰传播及流场变化。首先根据示意图及试验需要连接各仪器设备，检查各管道法兰接口、阀门、传感器接口、气体采样接口、防爆观察窗与器壁连接处等位置的密封性，查看是否存在破损，第一阶段由于不施加障碍物，无需安装障碍物支撑杆固定板8。关闭空气压缩机阀门3、气罐阀门4、循环管道阀门11、循环管道阀门12、泄气阀门15、安全阀门16，打开真空泵和真空泵阀门17，启动真空泵将管道内气体抽真空，之后关闭真空泵和真空泵阀门17；之后根据道尔顿分压定律，可燃气体体积分数、预定实验初始压力，计算安全阀控制压力及可燃气分压，打开气罐和进气阀门3将可燃气充入管道达到指定分压后关闭空气压缩机阀门3，打开气罐阀门4，启动空气压缩机2，向管道内充入空气至实验初始压力后关闭空气压缩机及阀门4；启动循环泵13开始对管道内气体进行循环作业，在一段时间后关闭循环泵，利用气样分析系统21对管道内气体进行组分分析，确保实际参数在设定参数误差之内；之后启动点火装置6、高速摄像系统25、流场分析系统26和信号转换系统20，待燃爆结束后，打开泄气阀门15将带压尾气排入回收装置，等压力降到大气压后关闭阀门15，打开真空泵阀门17和真空泵18抽真空，将尾气排入回收装置，待管道达到真空时关闭真空泵18和真空泵阀门17，打开泄气阀门15，让管道恢复到大气压力，同时做好数据及高速影像的记录存储，即可得到无障碍物时，狭长受限空间内可燃气体的爆炸特性及反应过程。

第二阶段主要测量施加障碍物时的动压、动温、火焰传播、流场变化及高速影像。根据需要在管道之间或者首尾法兰处安装障碍物支撑杆固定板8，将障碍物支撑杆插入固定板，并利用不锈钢垫片和螺母固定，从图4显示的三类障碍物结构29、30、31中选择一种，根据数量和间距需要放置到支撑杆不同位置上并加以固定，其他步骤同第一阶段，分别记录不同障碍物条件下的动压、动温、火焰传播、流场数据及高速影像。同施加障碍物时的数据进行对比分析，即可得到存在障碍物时，狭长受限空间内可燃气体的爆炸特性及反应过程。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：包括点火装置、耐压密闭容器、可燃气体气罐、空气压缩机和PLC控制总成装置。

2.如权利要求1所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：所述所述可燃气体气罐和空气压缩机均安装在耐压密闭容器的前端，通过管路与耐压密闭容器相连，在管路上安装有相应的阀门，可实现耐压密闭容器中管道内部配气。

3.如权利要求1或2所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：所述耐压密闭容器由多节不锈钢圆管用螺栓和橡胶垫片固定密封构成。

4.如权利要求1至3所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：在所述耐压密闭容器的前后两端安装有内侧凹陷的法兰，凹陷区截面与耐压密闭容器截面一致。

5.如权利要求1至4所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：在组成所述耐压密闭容器的不锈钢圆管的首尾段装有循环管道，在循环管道上安装有循环阀门和循环泵，可加速气体均匀混合。

6.如权利要求1至5所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：在所述耐压密闭容器的管道尾部连接有安全阀、泄气阀和真空泵接口，可对管道内气体超压进行安全泄放和反应前后抽真空作业。

7.如权利要求1至6所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：在各节不锈钢圆管两侧对称开有防爆玻璃观察窗，玻璃观察窗两侧安有高速摄影系统和激光流场测量仪，可对试验过程中的火焰传播及流场分布进行记录分析。

8.如权利要求1至7所述用于测试多因素条件下狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置，其特征在于：在所述耐压密闭容器内部各不锈钢圆管道之间以及首尾段可增设障碍物支撑杆固定板，由障碍物、支撑杆和固定板构成，可以根据需要设置不同长度的支撑杆，并在杆上安装不同类型和参数的障碍物。

9.采用权利要求1至8所述狭长受限空间可燃气体燃爆测试装置进行可燃气体燃爆测试的方法，其特征在于，包括：

第一步，连接好上述可燃气体燃爆测试装置各个仪器设备，检查管线、接口处的密封效果，调试并校正好点火装置、压力传感器、温度传感器及火焰离子传感器，将高速摄影系统和流场测量仪固定在管道观察窗两侧并进行校正调试；

第二步，关闭安全阀、泄气阀、气罐阀门和空气压缩机阀门，打开真空泵阀门和循环阀门，启动真空泵进行抽真空作业，之后关闭真空泵阀门和真空泵；

第三步，根据道尔顿分压原理以及预定实验压力和可燃气体体积分数，确定安全阀泄放压力及可燃气体、空气的压力参数，打开气罐阀门，向管道内充气，达到指定可燃气体分压且稳定后关闭气罐及阀门，打开空气压缩机阀门，将空气充入管道达到指定总压且稳定后关闭空气压缩机及阀门；

第四步，启动循环泵，对管道内混合器进行循环，一定时间后暂停循环泵，利用气体采样系统对管道内气体组分进行采样分析，达到预设参数后关闭循环泵及阀门，打开安全阀，启动点火装置进行点火，同时打开高速摄像系统和流场测定仪进行记录，气体燃爆结束后，打开泄气阀门，将带压尾气排入回收装置，待压力恢复到大气压时，关闭泄气阀门，打开真空泵及阀门进行抽真空作业，将尾气排入回收装置，根据需要调整实验参数重复进行实验；

第五步，实验结束后，调取火焰在管道内的高速摄像图片和流场测定结果进行分析，研究可燃气体在密闭空间内的爆炸特性及反应过程。