CN108267478B - 一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，它包括高温高压可变容积的燃爆测试筒和测试系统总成；它还公开了快速测定地层烃类气体燃爆限的方法。本发明的有益效果是：结构紧凑、自动化程度高、能够按照燃爆限的组合测试流程不断改变压力、温度、烃类气体浓度、氧浓度进行燃爆限测试，实现以最少样品量、最少测试次数、最短测试时间得到预定温度、压力、氧浓度范围内不同烃类气体燃爆上下限的点、线或面。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置及方法。
背景技术
在勘探、开采石油与天然气的过程中，常常会遇到含氧气体（空气或微含氧氮气）注入到含油气的井筒内或地层内的作业，如空气钻井、氮气钻井、人工气举、泡沫驱替、空气驱替或氮气驱替等。而当井筒内或地层内含有油气时，注入的含氧气体与地层产出的烃类气体混合，在井筒或地层的温度、压力、流动等热力学条件下可能会发生燃爆，造成事故。为了预防和控制此类事故的发生，则需要了解地层产出的烃类气体在空气或微含氧氮气中燃爆的上下限。此处燃爆上限和下限分别指可以发生燃爆时混合在空气或微含氧氮气内的烃类气体浓度的最高值和最低值。此处的地层烃类气体包括地层产出的天然气（干气和湿气）、凝析气、溶解气以及石油挥发气。目前执行的国家标准GB/T 12474-2008 “空气中可燃气体爆炸极限测定方法”并不适合石油天然气开发中所需的烃类气体燃爆限的测定，而且测试工作量太大、所需样品量太多、耗时太长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，它包括高温高压可变容积的燃爆测试筒和测试系统总成；
所述高温高压可变容积的燃爆测试筒包括气腔和调速电机，所述气腔的外部罩设有温控箱，气腔的顶部且由左往右顺次设置有空气及氮气进气口、烃类气体进气口、全烃浓度传感器A和吸球电磁铁，所述空气及氮气进气口和烃类气体进气口处均连接有单向阀，气腔的左端部上且绕其圆周方向均匀分布有压力传感器、氧浓度传感器、温度传感器和全烃浓度传感器B，气腔的左端面上设置有点火火花塞和排气孔接头，气腔的底部设置有电磁铁组，气腔的底部设置有位于吸球电磁铁正下方的储球室，储球室内容纳有磁性钢球，所述调速电机位于气腔的右侧，调速电机的输出轴连接有丝杆，丝杆上安装有推进螺母，丝杆的外部套有空心柱塞，空心柱塞一端固定于推进螺母上，空心柱塞的另一端伸入于气腔内且与气腔滑动配合；
所述测试系统总成包括计算机、尾气处理及分析部分、烃类气体供气部分和储气瓶，所述尾气处理及分析部分包括顺次连接的排气阀、气体组分分析仪和安全排气口，排气阀与安全排气口连接，排气阀与排气孔接头连接，所述烃类气体供气部分包括烃类气体气瓶、三通控制阀和烃类气体定量柱塞泵，烃类气体气瓶上开设有上出气口和下出气口，下出气口与三通控制阀的第一入口端连接，上出气口经烃类气体定量柱塞泵与三通控制阀的第二入口端连接，三通控制阀的出口端与烃类气体进气口连接；所述储气瓶上设置有两进气口，其中一个进气口处顺次连接有旋塞阀A和氮气瓶，另一个进气口处顺次连接有旋塞阀B和空气压缩机，储气瓶的底部并连接有氧气定量柱塞泵和进气控制阀，进气控制阀的另一端与空气及氮气进气口连接，氧气定量柱塞泵的另一端连接有氧气瓶；
所述计算机与调速电机、全烃浓度传感器、压力传感器、温度传感器、氧浓度传感器、进气控制阀、三通控制阀、气体组分分析仪、点火火花塞、烃类气体定量柱塞泵、氧气定量柱塞泵、电磁铁组、吸球电磁铁和温控箱连接。
所述燃爆测试筒还包括底座，所述底座上且由左往右顺次设置有前支架、中心支架和后支架，所述气腔固设于前支架和中心支架之间，所述调速电机固定安装于后支架上。
所述的烃类气体气瓶上设置有温度传感器和压力传感器。
所述储气瓶上设置有氧浓度传感器、压力传感器和温度传感器。
所述电磁铁组包括位于储球室、由右往左顺次设置的第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁、第五电磁铁和第六电磁铁。
所述装置快速测定地层烃类气体燃爆限的方法，它包括以下步骤：
S1、单次点火测试的操作流程，具体包括以下步骤：
S1（1）、加温步骤：开动温控箱，温控箱加热气腔，气腔上的温度传感器实时检测气腔内温度，并将温度信号转换为电信号传递给计算机，当温度到达设定温度时关闭温控箱；
S1（2）、注气步骤：具体包括以下步骤：
S（2a）、启动空气压缩机，空气压缩机向储气瓶中注入高压空气；
S（2b）、高压空气的注入，启动调速电机和进气控制阀，调速电机带动丝杆做正转，推进螺母带着空心柱塞沿着气腔向右移动但保证不从气腔中脱出，同时储气瓶中的高压空气顺次经进气控制阀、空气及氮气进气口注入气腔中，从而实现了高压空气的注入；
S（2c）、烃类气体的注入，控制三通控制阀换向以使烃类气体气瓶中的烃类气体顺次经下出气口、三通控制阀、烃类气体进气口进入气腔中，从而实现烃类气体的注入；
S1（3）、搅拌步骤：具体包括以下步骤：
S（3a）、给吸球电磁铁通电，吸球电磁铁将磁性钢球从储球室内吸出；
S（3b）、启动调速电机，调速电机带动丝杆做反转，推进螺母带着空心柱塞沿着气腔向左移动，当空心柱塞半遮盖住储球室时关闭调速电机，此时磁性钢球被入气腔中，且给吸球电磁铁断电；
S（3c）、给第一电磁铁通电，磁性钢球被吸到第一电磁铁的正上方，随后第一电磁铁断电而给第二电磁铁通电，磁性钢球移动到第二电磁铁的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球移动到第六电磁铁的正上方，然后给第六电磁铁断电而给第五电磁铁通电，磁性钢球移动到第五电磁铁的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球移动到第一电磁铁的正上方，磁性钢球完成了一个周期运动，如此循环操作即可实现高压空气与烃类气体的混合，同时全烃浓度传感器A和全烃浓度传感器B实时将烃类气体的浓度转换为电信号传递给计算机，当两个浓度信号一致时，说明烃类气体与高压空气混合均匀，随后计算机控制电磁铁组关闭，而磁性钢球停留在第一电磁铁的正上方，从而实现了搅拌；
S（3d）、给吸球电磁铁通电，磁性钢球被吸到空心柱塞的右端部；
S（3e）、控制调速电机正转，推进螺母带着空心柱塞向右移动，当空心柱塞位于储球室的右侧时关闭调速电机；
S（3f）、给吸球电磁铁断电，磁性钢球落回储球室中；
S（3g）、控制排气阀换向，使排气阀与安全排气口连通，随后控制调速电机反转，空心柱塞向左推进直到空心柱塞遮住储球室，微量混合气体顺次经排气孔接头、排气阀和安全排气口排出，气腔上的压力传感器实时将压力信号转换为电信号并传递给计算机，当气腔内气体压力值达到标准大气压时，计算机控制排气阀和调速电机关闭；
S1（4）、测试步骤：通过点火火花塞点火，直到混合气体点燃；
S1（5）、排气步骤：具体包括以下步骤：
S（5a）、控制排气阀换向，使排气阀与气体组分分析仪连通，步骤S1（4）中燃烧产生的尾气通过排气阀进入气体组分分析仪中，通过气体组分分析仪分析尾气的组份，通过燃爆尾气判定燃爆的类型和燃爆的完全程度；
S（5b）、控制调速电机反转，使空心柱塞向左移动，使气腔内尾气完全排出，以为下一次测试做好吸气准备；
S2、燃爆限的组合测试流程，它包括五个基本模式和七个组合测试流程，其中五个基本模式包括压力恒定控制模式、变压力模式、变温度模式、变全烃浓度模式和变氧浓度模式：所述七个组合测试流程包括常压燃爆下限点测试流程、燃爆下限随压力变化曲线的测试流程、燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程、常压燃爆上限点测试流程、燃爆上限随压力变化曲线的测试流程、燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程、燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程；
压力恒定控制模式：当由于气腔内温度增加或注入微量气体引起气腔内压力偏离预定压力时，计算机自动控制排气阀换向以排出微量气体，使气腔内压力降至设定值；
变压力模式：使气腔内混合气体的温度、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小压力开始点火测试，通过连续缓慢的向左推进空心柱塞而使气腔内压力连续增加，每改变一次压力则通过点火火花塞点火；如果点燃，则测到温度、全烃浓度、氧浓度不变下点燃的最低压力，如果空心柱塞到达左死点仍未点燃，则改变基本模式；
变温度模式：使气腔内混合气体的压力、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小温度开始点火测试，通过温控箱连续缓慢地增加气腔内温度，每改变一次温度则通过点火火花塞点火，如果点燃，则测到压力、全烃浓度、氧浓度不变条件下点燃的最低温度；如果达到最高温度仍未点燃，则改变基本模式；
变全烃浓度模式：使气腔内混合气体的压力、温度、氧浓度保持不变，从最低全烃浓度开始点火测试，切换三通控制阀使其与烃类气体定量柱塞泵连通，通过烃类气体定量柱塞泵向气腔中注入固定量的烃类气体并搅拌均匀，每增加一次全烃浓度则通过点火火花塞点火，如果点燃，则测到压力、温度、氧浓度不变条件下点燃的最低全烃浓度；如果未点燃，则继续增加全烃浓度进行测试；
变氧浓度模式：使气腔内混合气体的压力、温度、全烃浓度保持不变，从最低氧浓度开始点火测试，通过氧气定量柱塞泵向气腔中注入氧气并搅拌均匀，每增加一次氧浓度则通过点火火花塞点火，如果点燃，则测到压力、温度、全烃浓度不变条件下点燃的最低氧浓度；如果未点燃，则增加氧浓度继续测试；
常压燃爆下限点测试流程：利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近下限点；
燃爆下限随压力变化曲线的测试流程：当常压燃爆下限点已知，由该点开始等差降低全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆下限随压力变化的曲线测出；
燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆下限点测试流程和燃爆下限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，不同温度下的燃爆下限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆下限随压力和温度变化的曲面；
常压燃爆上限点测试流程：利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近上限点；
燃爆上限随压力变化曲线的测试流程：当常压燃爆上限点已知，由该点开始等差增加全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆上限随压力变化的曲线测出；
燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆上限点测试流程和燃爆上限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，在不同温度下的燃爆上限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆上限随压力和温度变化的曲面；
燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程：将燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程与燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程组合在一起，就构成了燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程。
本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、自动化程度高、能够按照燃爆限的组合测试流程不断改变压力、温度、烃类气体浓度、氧浓度进行燃爆限测试，实现以最少样品量、最少测试次数、最短测试时间得到预定温度、压力、氧浓度范围内不同烃类气体燃爆上下限的点、线或面。
附图说明
图1 为高温高压可变容积的燃爆测试筒的结构示意图；
图2 为测试系统总成的结构示意图；
图3 为烃类气体注入结束后的示意图；
图4 为磁性钢球被吸起的状态图；
图5为空心柱塞遮住储球室的状态图；
图6为磁性钢球往复运动示意图；
图7为搅拌结束后的示意图；
图8为储球室露出状态的示意图；
图9为磁性钢球回到储球室的示意图；
图10为准备测试前的状态示意图；
图11为气腔排气过程的示意图；
图12为二分法寻找燃爆下限点示意图；
图13为寻找燃爆下限曲线示意图；
图14为二分法寻找燃爆上限点示意图；
图15为寻找燃爆上限曲线示意图；
图16为寻找燃爆上下限曲面示意图；
图中，1-气腔，2-调速电机，3-温控箱，4-空气及氮气进气口，5-烃类气体进气口，6-全烃浓度传感器A，7-吸球电磁铁，8-全烃浓度传感器B，9-点火火花塞，10-排气孔接头，11-电磁铁组，12-储球室，13-磁性钢球，14-丝杆，15-推进螺母，16-空心柱塞，18-储气瓶，19-排气阀，20-气体组分分析仪，21-安全排气口，22-烃类气体气瓶，23-三通控制阀，24-烃类气体定量柱塞泵，25-旋塞阀A，26-氮气瓶，27-旋塞阀B，28-空气压缩机，29-氧气定量柱塞泵，30-进气控制阀，31-氧气瓶，32-底座，33-前支架，34-中心支架，35-后支架，36-第一电磁铁，37-第二电磁铁，38-第三电磁铁，39-第四电磁铁，40-第五电磁铁，41-第六电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~2所示，一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，它包括高温高压可变容积的燃爆测试筒和测试系统总成；
所述高温高压可变容积的燃爆测试筒包括气腔1和调速电机2，所述气腔1的外部罩设有温控箱3，气腔1的顶部且由左往右顺次设置有空气及氮气进气口4、烃类气体进气口5、全烃浓度传感器A6和吸球电磁铁7，所述空气及氮气进气口4和烃类气体进气口5处均连接有单向阀，气腔1的左端部上且绕其圆周方向均匀分布有压力传感器、氧浓度传感器、温度传感器和全烃浓度传感器B8，气腔1的左端面上设置有点火火花塞9和排气孔接头10，气腔1的底部设置有电磁铁组11，气腔1的底部设置有位于吸球电磁铁7正下方的储球室12，储球室12内容纳有磁性钢球13，所述调速电机2位于气腔1的右侧，调速电机2的输出轴连接有丝杆14，丝杆14上安装有推进螺母15，丝杆14的外部套有空心柱塞16，空心柱塞16一端固定于推进螺母15上，空心柱塞16的另一端伸入于气腔1内且与气腔1滑动配合；
所述测试系统总成包括计算机、尾气处理及分析部分、烃类气体供气部分和储气瓶18，所述尾气处理及分析部分包括顺次连接的排气阀19、气体组分分析仪20和安全排气口21，排气阀19与安全排气口21连接，排气阀19与排气孔接头10连接，所述烃类气体供气部分包括烃类气体气瓶22、三通控制阀23和烃类气体定量柱塞泵24，烃类气体气瓶22上开设有上出气口和下出气口，下出气口与三通控制阀23的第一入口端连接，上出气口经烃类气体定量柱塞泵24与三通控制阀23的第二入口端连接，三通控制阀23的出口端与烃类气体进气口5连接；所述储气瓶18上设置有两进气口，其中一个进气口处顺次连接有旋塞阀A25和氮气瓶26，另一个进气口处顺次连接有旋塞阀B27和空气压缩机28，储气瓶18的底部并连接有氧气定量柱塞泵29和进气控制阀30，进气控制阀30的另一端与空气及氮气进气口4连接，氧气定量柱塞泵29的另一端连接有氧气瓶31；
所述计算机与调速电机2、全烃浓度传感器、压力传感器、温度传感器、氧浓度传感器、进气控制阀30、三通控制阀23、气体组分分析仪20、点火火花塞9、烃类气体定量柱塞泵24、氧气定量柱塞泵29、电磁铁组11、吸球电磁铁7和温控箱3连接。
所述燃爆测试筒还包括底座32，所述底座32上且由左往右顺次设置有前支架33、中心支架34和后支架35，所述气腔1固设于前支架33和中心支架34之间，所述调速电机2固定安装于后支架35上。
所述的烃类气体气瓶22上设置有温度传感器和压力传感器。
所述储气瓶18上设置有氧浓度传感器、压力传感器和温度传感器。
所述电磁铁组11包括位于储球室12、由右往左顺次设置的第一电磁铁36、第二电磁铁37、第三电磁铁38、第四电磁铁39、第五电磁铁40和第六电磁铁41。
所述装置快速测定地层烃类气体燃爆限的方法，它包括以下步骤：
S1、单次点火测试的操作流程，具体包括以下步骤：
S11、加温步骤：开动温控箱3，温控箱加热气腔1，气腔1上的温度传感器实时检测气腔1内温度，并将温度信号转换为电信号传递给计算机，当温度到达设定温度时关闭温控箱3；
S12、注气步骤：具体包括以下步骤：
S2a、启动空气压缩机28，空气压缩机28向储气瓶18中注入高压空气；
S2b、高压空气的注入，启动调速电机2和进气控制阀30，调速电机2带动丝杆14做正转，推进螺母15带着空心柱塞16沿着气腔1向右移动但保证不从气腔1中脱出，同时储气瓶18中的高压空气顺次经进气控制阀30、空气及氮气进气口4注入气腔1中，从而实现了高压空气的注入；
S2c、烃类气体的注入，控制三通控制阀23换向以使烃类气体气瓶22中的烃类气体顺次经下出气口、三通控制阀23、烃类气体进气口5进入气腔1中，从而实现烃类气体的注入，如图3所示；
S13、搅拌步骤：具体包括以下步骤：
S3a、给吸球电磁铁7通电，吸球电磁铁7将磁性钢球13从储球室12内吸出，如图4所示；
S3b、启动调速电机2，调速电机2带动丝杆14做反转，推进螺母15带着空心柱塞16沿着气腔1向左移动，当空心柱塞16半遮盖住储球室12时关闭调速电机2，此时磁性钢球13被入气腔1中，且给吸球电磁铁7断电，如图5所示；
S3c、给第一电磁铁36通电，磁性钢球13被吸到第一电磁铁36的正上方，随后第一电磁铁36断电而给第二电磁铁37通电，磁性钢球13移动到第二电磁铁37的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球13移动到第六电磁铁41的正上方，然后给第六电磁铁41断电而给第五电磁铁40通电，磁性钢球13移动到第五电磁铁40的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球13移动到第一电磁铁36的正上方，磁性钢球13完成了一个周期运动，如此循环操作即可实现高压空气与烃类气体的混合，同时全烃浓度传感器A6和全烃浓度传感器B8实时将烃类气体的浓度转换为电信号传递给计算机，当两个浓度信号一致时，说明烃类气体与高压空气混合均匀，随后计算机控制电磁铁组11关闭，而磁性钢球13停留在第一电磁铁36的正上方，从而实现了搅拌，如图6所示；
S3d、给吸球电磁铁7通电，磁性钢球13被吸到空心柱塞16的右端部，如图7所示；
S3e、控制调速电机2正转，推进螺母15带着空心柱塞16向右移动，当空心柱塞16位于储球室12的右侧时关闭调速电机2，如图8所示；
S3f、给吸球电磁铁7断电，磁性钢球13落回储球室12中，如图9所示；
S3g、控制排气阀19换向，使排气阀19与安全排气口21连通，随后控制调速电机2反转，空心柱塞16向左推进直到空心柱塞16遮住储球室12，微量混合气体顺次经排气孔接头10、排气阀19和安全排气口21排出，气腔1上的压力传感器实时将压力信号转换为电信号并传递给计算机，当气腔1内气体压力值达到标准大气压时，计算机控制排气阀19和调速电机2关闭，如图10所示；
S14、测试步骤：通过点火火花塞9点火，直到混合气体点燃；
S15、排气步骤：具体包括以下步骤：
S5a、控制排气阀19换向，使排气阀19与气体组分分析仪20连通，步骤S4中燃烧产生的尾气通过排气阀19进入气体组分分析仪20中，通过气体组分分析仪20分析尾气的组份，通过燃爆尾气判定燃爆的类型和燃爆的完全程度；
S5b、控制调速电机2反转，使空心柱塞16向左移动，使气腔1内尾气完全排出，以为下一次测试做好吸气准备，如图11所示；
S2、燃爆限的组合测试流程，它包括五个基本模式和七个组合测试流程，其中五个基本模式包括压力恒定控制模式、变压力模式、变温度模式、变全烃浓度模式和变氧浓度模式：所述七个组合测试流程包括常压燃爆下限点测试流程、燃爆下限随压力变化曲线的测试流程、燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程、常压燃爆上限点测试流程、燃爆上限随压力变化曲线的测试流程、燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程、燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程；
压力恒定控制模式：当由于气腔1内温度增加或注入微量气体引起气腔1内压力偏离预定压力时，计算机自动控制排气阀19换向以排出微量气体，使气腔内压力降至设定值；
变压力模式：使气腔1内混合气体的温度、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小压力开始点火测试，通过连续缓慢的向左推进空心柱塞16而使气腔1内压力连续增加，每改变一次压力则通过点火火花塞9点火；如果点燃，则测到温度、全烃浓度、氧浓度不变下点燃的最低压力，如果空心柱塞到达左死点仍未点燃，则改变基本模式；
变温度模式：使气腔1内混合气体的压力、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小温度开始点火测试，通过温控箱3连续缓慢地增加气腔1内温度，每改变一次温度则通过点火火花塞9点火，如果点燃，则测到压力、全烃浓度、氧浓度不变条件下点燃的最低温度；如果达到最高温度仍未点燃，则改变基本模式；
变全烃浓度模式：使气腔1内混合气体的压力、温度、氧浓度保持不变，从最低全烃浓度开始点火测试，切换三通控制阀23使其与烃类气体定量柱塞泵24连通，通过烃类气体定量柱塞泵24向气腔1中注入固定量的烃类气体并搅拌均匀，每增加一次全烃浓度则通过点火火花塞9点火，如果点燃，则测到压力、温度、氧浓度不变条件下点燃的最低全烃浓度；如果未点燃，则继续增加全烃浓度进行测试；
变氧浓度模式：使气腔1内混合气体的压力、温度、全烃浓度保持不变，从最低氧浓度开始点火测试，通过氧气定量柱塞泵29向气腔1中注入氧气并搅拌均匀，每增加一次氧浓度则通过点火火花塞9点火，如果点燃，则测到压力、温度、全烃浓度不变条件下点燃的最低氧浓度；如果未点燃，则增加氧浓度继续测试；
常压燃爆下限点测试流程：如图12所示，利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近下限点；其具体操作步骤为：
A 在温度、氧浓度一定条件下，调整并稳定气腔内压力为P=0.1MPa。
A1 调定全烃浓度为富氧必不燃值（如1%）后点火，得不燃点浓度CN。
A2 调定全烃浓度为富氧必燃值（如10%）后点火，得燃点浓度CY。
A3 计算燃点与不燃点的二分点CM=（CY+CN）/2。
A4 测试精度满足否（即判定〡CY-CN〡≤δ，如取δ=0.05%）
A5 若是，则测到常压燃爆下限点，结束测试。
A6 若否，则调整全烃浓度至二分点CM后点火。
A7 点火燃是否成功，若成功则记CM为新的CY。若不成功则记CM为新的CN。
A8 转A3入口。
燃爆下限随压力变化曲线的测试流程：如图13所示，当常压燃爆下限点已知，由该点开始等差降低全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆下限随压力变化的曲线测出；其具体操作步骤为：
B 维持温度、氧浓度一定。
B1令全烃浓度C=该温度、氧浓度下常压燃爆下限。
B2 调定C=C-ΔC。ΔC应该足够小（如0.05%）。
B3 缓慢推动活塞，连续增压并连续点火。
B4 若燃爆发生，记下此压力下燃爆下限，转B2。
B5 若燃爆未发生且P≤Pmax（未到左死点），转B3。
B6 若到达左死点仍未点燃，测点密度是否足够。
B7 若测点密度不够，ΔC减半转B1。
B8 若测点密度足够，则完成燃爆下限随压力变化曲线的测试。
燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆下限点测试流程和燃爆下限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，不同温度下的燃爆下限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆下限随压力和温度变化的曲面；具体操作步骤为：C 在温度、氧浓度一定条件下，调整并稳定气腔内压力为P=0.1MPa。
C1 调定全烃浓度为贫氧必不燃值（如90%）后点火，得不燃点浓度CN。
C2 调定全烃浓度为贫氧必燃值（如10%）后点火，得燃点浓度CY。
C3 计算燃点与不燃点的二分点CM=（CY+CN）/2。
C4 测试精度满足否（即判断〡CY-CN〡≤δ，如取δ=1%）
C5 若是，则测到常压燃爆上限点，结束测试。
C6 若否，则调整全烃浓度至二分点CM后点火。
C7 判断点火是否成功，若是，则记CM为新的CY。否，则记CM为新的CN。
C8 转C3入口。
常压燃爆上限点测试流程：如图14所示，利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近上限点；具体操作步骤为：
B 维持温度、氧浓度一定。
B1令全烃浓度C=该温度、氧浓度下常压燃爆上限。
B2 调定C=C+ΔC。ΔC应该足够小（如1%）。
B3 缓慢推动活塞，连续增压并连续点火。
B4 若燃爆发生，记下此压力下燃爆下限，转B2。
B5 若燃爆未发生且P≤Pmax（未到左死点），转B3。
B6 若到达左死点仍未点燃，测点密度是否足够。
B7 若测点密度不够，ΔC减半转B1。
B8 若测点密度足够，则完成燃爆下限随压力变化曲线的测试。
燃爆上限随压力变化曲线的测试流程：如图15所示，当常压燃爆上限点已知，由该点开始等差增加全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆上限随压力变化的曲线测出；具体操作步骤为：
A1 取T=T0（一般为常温：T0=25°C）。
A2 调定仪器温度状态为T，并达到稳定。
B 测定常压燃爆下限点。
C 测定燃爆下限随压力变化曲线。
A3 判定温度是否达到最大Tmax。
A3 否，T=T+ΔT，转A2入口。
燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆上限点测试流程和燃爆上限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，在不同温度下的燃爆上限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆上限随压力和温度变化的曲面；具体操作步骤为：
A1 取T=T0（一般为常温：T0=25°C）。
A2 调定仪器温度状态为T，并达到稳定。
B 测定常压燃爆上限点。
C 测定燃爆下限随压力变化曲线。
A3 判定温度是否达到最大Tmax，若不是最大，T=T+ΔT，转A2入口。
燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程：将燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程与燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程组合在一起，就构成了燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程，所测得的结果如图16所示；具体操作步骤为：
A1 取T=T0（一般为常温：T0=25°C）。
A2 调定仪器温度状态为T，并达到稳定。
B 测定常压燃爆下限点。
C 测定燃爆下限随压力变化曲线。
D测定常压燃爆上限点。
E测定燃爆下限随压力变化曲线。。
A3 判断温度是否达到最大Tmax，若不是最大，T=T+ΔT，转A2入口；若是最大，则测试完成。
Claims (6)
1.一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，其特征在于：它包括高温高压可变容积的燃爆测试筒和测试系统总成；
所述高温高压可变容积的燃爆测试筒包括气腔（1）和调速电机（2），所述气腔（1）的外部罩设有温控箱（3），气腔（1）的顶部且由左往右顺次设置有空气及氮气进气口（4）、烃类气体进气口（5）、全烃浓度传感器A（6）和吸球电磁铁（7），所述空气及氮气进气口（4）和烃类气体进气口（5）处均连接有单向阀，气腔（1）的左端部上且绕其圆周方向均匀分布有压力传感器、氧浓度传感器、温度传感器和全烃浓度传感器B（8），气腔（1）的左端面上设置有点火火花塞（9）和排气孔接头（10），气腔（1）的底部设置有电磁铁组（11），气腔（1）的底部设置有位于吸球电磁铁（7）正下方的储球室（12），储球室（12）内容纳有磁性钢球（13），所述调速电机（2）位于气腔（1）的右侧，调速电机（2）的输出轴连接有丝杆（14），丝杆（14）上安装有推进螺母（15），丝杆（14）的外部套有空心柱塞（16），空心柱塞（16）一端固定于推进螺母（15）上，空心柱塞（16）的另一端伸入于气腔（1）内且与气腔（1）滑动配合；
所述测试系统总成包括计算机、尾气处理及分析部分、烃类气体供气部分和储气瓶（18），所述尾气处理及分析部分包括顺次连接的排气阀（19）、气体组分分析仪（20）和安全排气口（21），排气阀（19）与安全排气口（21）连接，排气阀（19）与排气孔接头（10）连接，所述烃类气体供气部分包括烃类气体气瓶（22）、三通控制阀（23）和烃类气体定量柱塞泵（24），烃类气体气瓶（22）上开设有上出气口和下出气口，下出气口与三通控制阀（23）的第一入口端连接，上出气口经烃类气体定量柱塞泵（24）与三通控制阀（23）的第二入口端连接，三通控制阀（23）的出口端与烃类气体进气口（5）连接；所述储气瓶（18）上设置有两进气口，其中一个进气口处顺次连接有旋塞阀A（25）和氮气瓶（26），另一个进气口处顺次连接有旋塞阀B（27）和空气压缩机（28），储气瓶（18）的底部并连接有氧气定量柱塞泵（29）和进气控制阀（30），进气控制阀（30）的另一端与空气及氮气进气口（4）连接，氧气定量柱塞泵（29）的另一端连接有氧气瓶（31）；
所述计算机与调速电机（2）、全烃浓度传感器、压力传感器、温度传感器、氧浓度传感器、进气控制阀（30）、三通控制阀（23）、气体组分分析仪（20）、点火火花塞（9）、烃类气体定量柱塞泵（24）、氧气定量柱塞泵（29）、电磁铁组（11）、吸球电磁铁（7）和温控箱（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，其特征在于：所述燃爆测试筒还包括底座（32），所述底座（32）上且由左往右顺次设置有前支架（33）、中心支架（34）和后支架（35），所述气腔（1）固设于前支架（33）和中心支架（34）之间，所述调速电机（2）固定安装于后支架（35）上。
3.根据权利要求1所述的一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，其特征在于：所述的烃类气体气瓶（22）上设置有温度传感器和压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，其特征在于：所述储气瓶（18）上设置有氧浓度传感器、压力传感器和温度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种快速测定地层烃类气体燃爆限装置，其特征在于：所述电磁铁组（11）包括位于储球室（12）、由右往左顺次设置的第一电磁铁（36）、第二电磁铁（37）、第三电磁铁（38）、第四电磁铁（39）、第五电磁铁（40）和第六电磁铁（41）。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述装置快速测定地层烃类气体燃爆限的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、单次点火测试的操作流程，具体包括以下步骤：
S1（1）、加温步骤：开动温控箱（3），温控箱加热气腔（1），气腔（1）上的温度传感器实时检测气腔（1）内温度，并将温度信号转换为电信号传递给计算机，当温度到达设定温度时关闭温控箱（3）；
S1（2）、注气步骤：具体包括以下步骤：
S（2a）、启动空气压缩机（28），空气压缩机（28）向储气瓶（18）中注入高压空气；
S（2b）、高压空气的注入，启动调速电机（2）和进气控制阀（30），调速电机（2）带动丝杆（14）做正转，推进螺母（15）带着空心柱塞（16）沿着气腔（1）向右移动但保证不从气腔（1）中脱出，同时储气瓶（18）中的高压空气顺次经进气控制阀（30）、空气及氮气进气口（4）注入气腔（1）中，从而实现了高压空气的注入；
S（2c）、烃类气体的注入，控制三通控制阀（23）换向以使烃类气体气瓶（22）中的烃类气体顺次经下出气口、三通控制阀（23）、烃类气体进气口（5）进入气腔（1）中，从而实现烃类气体的注入；
S1（3）、搅拌步骤：具体包括以下步骤：
S（3a）、给吸球电磁铁（7）通电，吸球电磁铁（7）将磁性钢球（13）从储球室（12）内吸出；
S（3b）、启动调速电机（2），调速电机（2）带动丝杆（14）做反转，推进螺母（15）带着空心柱塞（16）沿着气腔（1）向左移动，当空心柱塞（16）半遮盖住储球室（12）时关闭调速电机（2），此时磁性钢球（13）被入气腔（1）中，且给吸球电磁铁（7）断电；
S（3c）、给第一电磁铁（36）通电，磁性钢球（13）被吸到第一电磁铁（36）的正上方，随后第一电磁铁（36）断电而给第二电磁铁（37）通电，磁性钢球（13）移动到第二电磁铁（37）的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球（13）移动到第六电磁铁（41）的正上方，然后给第六电磁铁（41）断电而给第五电磁铁（40）通电，磁性钢球（13）移动到第五电磁铁（40）的正上方，如此依次操作，即可将磁性钢球（13）移动到第一电磁铁（36）的正上方，磁性钢球（13）完成了一个周期运动，如此循环操作即可实现高压空气与烃类气体的混合，同时全烃浓度传感器A（6）和全烃浓度传感器B（8）实时将烃类气体的浓度转换为电信号传递给计算机，当两个浓度信号一致时，说明烃类气体与高压空气混合均匀，随后计算机控制电磁铁组（11）关闭，而磁性钢球（13）停留在第一电磁铁（36）的正上方，从而实现了搅拌；
S（3d）、给吸球电磁铁（7）通电，磁性钢球（13）被吸到空心柱塞（16）的右端部；
S（3e）、控制调速电机（2）正转，推进螺母（15）带着空心柱塞（16）向右移动，当空心柱塞（16）位于储球室（12）的右侧时关闭调速电机（2）；
S（3f）、给吸球电磁铁（7）断电，磁性钢球（13）落回储球室（12）中；
S（3g）、控制排气阀（19）换向，使排气阀（19）与安全排气口（21）连通，随后控制调速电机（2）反转，空心柱塞（16）向左推进直到空心柱塞（16）遮住储球室（12），微量混合气体顺次经排气孔接头（10）、排气阀（19）和安全排气口（21）排出，气腔（1）上的压力传感器实时将压力信号转换为电信号并传递给计算机，当气腔（1）内气体压力值达到标准大气压时，计算机控制排气阀（19）和调速电机（2）关闭；
S1（4）、测试步骤：通过点火火花塞（9）点火，直到混合气体点燃；
S1（5）、排气步骤：具体包括以下步骤：
S（5a）、控制排气阀（19）换向，使排气阀（19）与气体组分分析仪（20）连通，步骤S1（4）中燃烧产生的尾气通过排气阀（19）进入气体组分分析仪（20）中，通过气体组分分析仪（20）分析尾气的组份，通过燃爆尾气判定燃爆的类型和燃爆的完全程度；
S（5b）、控制调速电机（2）反转，使空心柱塞（16）向左移动，使气腔（1）内尾气完全排出，以为下一次测试做好吸气准备；
S2、燃爆限的组合测试流程，它包括五个基本模式和七个组合测试流程，其中五个基本模式包括压力恒定控制模式、变压力模式、变温度模式、变全烃浓度模式和变氧浓度模式：所述七个组合测试流程包括常压燃爆下限点测试流程、燃爆下限随压力变化曲线的测试流程、燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程、常压燃爆上限点测试流程、燃爆上限随压力变化曲线的测试流程、燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程、燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程；
压力恒定控制模式：当由于气腔（1）内温度增加或注入微量气体引起气腔（1）内压力偏离预定压力时，计算机自动控制排气阀（19）换向以排出微量气体，使气腔内压力降至设定值；
变压力模式：使气腔（1）内混合气体的温度、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小压力开始点火测试，通过连续缓慢的向左推进空心柱塞（16）而使气腔（1）内压力连续增加，每改变一次压力则通过点火火花塞（9）点火；如果点燃，则测到温度、全烃浓度、氧浓度不变下点燃的最低压力，如果空心柱塞到达左死点仍未点燃，则改变基本模式；
变温度模式：使气腔（1）内混合气体的压力、全烃浓度、氧浓度保持不变，从最小温度开始点火测试，通过温控箱（3）连续缓慢地增加气腔（1）内温度，每改变一次温度则通过点火火花塞（9）点火，如果点燃，则测到压力、全烃浓度、氧浓度不变条件下点燃的最低温度；如果达到最高温度仍未点燃，则改变基本模式；
变全烃浓度模式：使气腔（1）内混合气体的压力、温度、氧浓度保持不变，从最低全烃浓度开始点火测试，切换三通控制阀（23）使其与烃类气体定量柱塞泵（24）连通，通过烃类气体定量柱塞泵（24）向气腔（1）中注入固定量的烃类气体并搅拌均匀，每增加一次全烃浓度则通过点火火花塞（9）点火，如果点燃，则测到压力、温度、氧浓度不变条件下点燃的最低全烃浓度；如果未点燃，则继续增加全烃浓度进行测试；
变氧浓度模式：使气腔（1）内混合气体的压力、温度、全烃浓度保持不变，从最低氧浓度开始点火测试，通过氧气定量柱塞泵（29）向气腔（1）中注入氧气并搅拌均匀，每增加一次氧浓度则通过点火火花塞（9）点火，如果点燃，则测到压力、温度、全烃浓度不变条件下点燃的最低氧浓度；如果未点燃，则增加氧浓度继续测试；
常压燃爆下限点测试流程：利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近下限点；
燃爆下限随压力变化曲线的测试流程：当常压燃爆下限点已知，由该点开始等差降低全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆下限随压力变化的曲线测出；
燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆下限点测试流程和燃爆下限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆下限随压力变化的曲线，不同温度下的燃爆下限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆下限随压力和温度变化的曲面；
常压燃爆上限点测试流程：利用中点二分法改变全烃浓度的多次测试迅速逼近上限点；
燃爆上限随压力变化曲线的测试流程：当常压燃爆上限点已知，由该点开始等差增加全烃浓度并连续增压点火，直至燃爆上限随压力变化的曲线测出；
燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程：通过一定温度下的常压燃爆上限点测试流程和燃爆上限随压力变化曲线的测试流程，得到该温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，改变温度重复上述测试，得到新的温度下的燃爆上限随压力变化的曲线，在不同温度下的燃爆上限随压力变化的曲线组合就能够绘制出燃爆上限随压力和温度变化的曲面；
燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程：将燃爆下限随压力和温度变化曲面的测试流程与燃爆上限随压力和温度变化曲面的测试流程组合在一起，就构成了燃爆上下限随压力和温度变化曲面的测试流程。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108267478A (zh) | 2018-07-10 |
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