CN108956089B - 一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置及方法，包括实验主系统、氮气加压系统、补水系统、控制及显示系统和测量及数据采集系统等五个部分，以及利用该实验测试装置进行储罐泄漏闪蒸射流行为特性测试实验方法。其中所述实验主系统、氮气加压系统、补水系统分别通过数据线与控制及显示系统连接，所述氮气加压系统、补水系统通过管道分别与所述实验主系统顶部加压孔和补水孔连接，所述测量及数据采集系统设置于所述实验主系统中喷嘴的下游。本发明的有益效果为：操作简单便捷，安全性能高，测量手段先进，研究因素多样，可用于研究多种泄漏环境、不同储存及泄漏条件下储罐泄漏闪蒸射流行为特性问题。

Description

一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置与方法

技术领域

本发明涉及化工安全，具体涉及一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置与方法。

背景技术

目前在化工企业中，石油产品的生产、储存以及运输过程等大多处于高压过热状态，对其的管理的关键是防止发生意外泄漏。储罐储存的过热（过冷）液体处于热力学不平衡状态，属于亚稳态，如果略有扰动，将会发生剧烈的相变得以维持自身的能量平衡。储存高于常温沸点的过热液体的压力容器储罐，罐壁表面可能由于各种可能原因出现裂缝或者小孔，使得裂缝或者小孔的交界面处的压力突降，处于亚稳定状态过热液体下将会发生突变，立即发生剧烈的沸腾，瞬间蒸发形成气体，释放出大量能量，即发生闪蒸，形成含有液滴和蒸气混合物的两相闪蒸射流，将会导致火灾、爆炸以及中毒等事故灾害。

当前，关于两相闪蒸射流的研究主要集中于内燃机燃料闪蒸和海水淡化等领域，主要研究燃料或海水的喷雾特性，来提高发动机效率或海水淡化效率，目的是研究如何更好利用两相闪蒸射流中存在的为强烈的相态变化来促进相应技术的发展，局限性在于其研究仅限于闪蒸射流在内燃机燃料腔室或闪蒸室内的雾化过程与雾化效果。

目前，在化工安全领域，过热液体储罐两相泄漏方面尚未进行大量的实验研究，在对于闪蒸射流扩散的流动特性与规律以及演化机理尚未形成统一的理论体系，不同研究学者所建立的模型存在较大的差异，针对性较强，因而在使用上存在很大的局限性，理论发展尚不完善，缺乏相应的技术方案。中国发明专利（申请号201310523173.7、公开号CN103527934A）公布的一种管道泄漏实验装置及实验方法与本发明在技术层面上较为接近。该发明适用于研究管道或储罐在多种不同泄漏工况条件下气、液以及气液混相稳态与动态泄漏的特征与规律，其技术路线为：

1）在初始压力为P、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为S的实验条件下，通过气体稳态泄漏速率公式计算气体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q。

2）在初始压力为P 、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为 S 的实验条件下，模拟现场泄漏过程，计量得到泄漏孔的质量泄漏速率Q_实。

3）重新设定初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积的值，重复上述步骤1）、2），得到多组泄漏孔质量泄漏速率的计算值与实际值；

比较气体或液体质量泄漏速率的计算值与实际值，定量描述流量系数与初始压力、温度、泄漏孔截面积的关系得到泄漏速率公式的修正模型。

上述专利的技术方案存在以下主要缺点：

1）未考虑闪蒸射流行为特性

该发明中不同泄漏工况条件下的泄漏过程均不涉及相态变化，且其中气液混相泄漏仅限于处于稳定状态下，共存的气液两相在不同工况条件下泄漏，不适用于储存呈亚稳定状态的过热液体在不同泄漏工况条件下发生的两相泄漏；无法开展闪蒸射流流动扩散行为特性与动态演化规律，如：射流形态变化规律、射流中液滴的速度和粒径变化规律、温度分布以及影响范围预测等。

2）研究因素单一

该发明局限于研究泄漏过程泄漏口处的泄漏速率，仅适用于研究不同泄漏工况条件下气、液以及气液混相稳态与动态泄漏的质量泄漏速率，未考虑泄漏过程中其他因素对泄漏过程的影响，如：压力变化、温度变化、相态变化、介质蔓延扩散行为等因素，从而无法准确、全面的了解动态泄漏过程以及泄漏所造成的事故影响范围，使得研究因素单一，不能为泄漏事故的预防、控制和应对提供全面的支撑数据。

3）泄漏口型式太少

该发明中泄漏口的形状仅为条形和圆形，且尺寸单一，没有涉及其他不同类型泄漏口对泄漏过程的影响，不能用于研究多种不同泄漏工况条件下（泄漏口形状、尺寸）泄漏过程的动态变化。

4）操作复杂

整个实验的操作过程中，均需手动操作阀门等设备来模拟储罐泄漏，没有自动控制系统，增加了操作的复杂程度，且在一定程度上增加了人为因素对在实验数据测量上产生的影响；且手动操作存在一定的延时性，不能反映实际储罐破裂泄漏的瞬时性。

5）缺乏安全附件

整个实验装置无安全阀、紧急停车按钮等安全设施及附件，若实验过程中发生突发事件，不能保障操作人员的安全。

发明内容

针对目前发明专利存在的设计缺陷以及研究未能考虑闪蒸射流行为特性、研究因素单一和泄漏工况条件（泄漏口形状、尺寸）过少等方面问题，本发明旨在提供一种操作简单，安全性高，适用范围广，研究内容全面的储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试实验模拟平台以研究方法，能够用于研究多种环境、不同储存条件（储存温度、压力）、不同泄漏条件下（泄漏口形状、尺寸）储罐泄漏闪蒸射流行为特性（闪蒸射流形态变化规律、闪蒸射流动态演化规律等）的模拟实验平台以及研究方法。

为解决上述问题，本发明提供了一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置和研究方法，其特征在于，包括实验主系统、氮气加压系统、补水系统、控制及显示系统和测量及数据采集系统，所述实验主系统、氮气加压系统、补水系统分别通过数据线与控制及显示系统连接，所述氮气加压系统、补水系统分别通过管道与所述实验主系统顶部输入端连接，所述测量及数据采集系统位于实验主系统下部的输出端并通过数据线与实验主系统连接。

优选的，所述实验主系统包括储罐、高压磁翻板液位计、泄漏管道和支架，所述储罐设在所述支架上方，所述高压磁翻板液位计设在所述储罐的外侧壁上并通过数据线与所述控制及显示系统连接，所述储罐顶部设有排空孔、压力变送器孔、补水孔和加压孔，上述四个孔分别与设在所述储罐外侧的排空气动控制阀、压力变送器、所述补水系统及氮气加压系统对应连接；所述储罐底部设有排污孔、热电偶孔、泄漏孔和加热孔，所述热电偶孔和所述加热孔分别与设在所述储罐内部的罐内测温热电偶和加热棒对应连接，所述排污孔和所述泄漏孔分别与设在所述储罐外部的排污气动控制阀和泄漏管道对应连接；所述泄漏管道的出口端设有喷嘴，所述泄漏管道上向其出口端方向依次设有管道测温热电偶、喷射气动控制阀和喷嘴。

其中，所述加热棒、排空气动控制阀、排污气动控制阀和喷射气动控制阀通过数据线和控制及显示系统连接，所述罐内测温热电偶、管道测温热电偶、压力变送器分别通过数据线与所述控制及显示系统、测量及数据采集系统连接。实验时，若储罐内部压力超过20bar，则排空气动控制将自动开启进行泄压，保障实验安全。

所述支架用来支撑实验储罐及泄漏管道，所述支架下方设有滚轮，滚轮带有锁死功能，可采用现有技术中任意一种带有锁死功能的滚轮；选好放置的位置后，锁死滚轮即可固定，便于实验主系统灵活移动且能随时固定；各附件均采用不锈钢材质，且耐温不低于200℃，耐压不低于2.4MPa；各附件与储罐开孔的连接处，均具有良好的耐温、耐压和密封。泄漏管道上，管道测温热电偶、喷射气动控制阀、喷嘴等的连接处均具有良好的耐温耐压和密封。

优选的，所述储罐的外侧壁上设有保温层，所述底部和所述支架之间设有隔热垫；所述隔热垫安装于储罐底部和支架之间，用来减少储罐底部与支架之间的散热，起保温绝热作用。

优选的，所述氮气加压系统包括氮气钢瓶、减压阀、控制阀、单向阀和加压气动控制阀，所述氮气钢瓶通过高压软管与所述实验主系统连接，所述高压软管上从氮气钢瓶至实验主系统顶部输入端方向依次设有减压阀、控制阀、加压单向阀和加压气动控制阀。

其中加压气动控制阀通过数据线和控制及显示系统连接。氮气钢瓶需用框架固定，设备及管线由支架支撑，其支架结构与实验主系统结构相似，也包括可锁死滚轮，使氮气钢瓶可灵活移动并可随时固定。

优选的，所述补水系统包括储水箱和高压补水泵，所述储水箱下方设有补水活动支架，所述储水箱的顶部、中间及底部依次设有注水口、出水口和排水口，所述注水口和排水口对应安装有进水控制阀和排水控制阀，所述出水口和实验主系统输入端通过补水管道连接，所述补水管道上从出水口至实验主系统顶部输入端方向依次设有补水单向阀Ⅰ、高压补水泵、补水单向阀Ⅱ和补水气动控制阀；所述储水箱外侧壁上设有液位计，所述液位计、补水气动控制阀分别通过数据线与控制及显示系统连接。

所述补水活动支架用于支撑其上方的储水箱及管道，补水活动支架的结构与所述实验主系统的支架结构相似，补水活动支架下方设有滚轮，滚轮带有锁死功能，可采用现有技术中任意一种带有锁死功能的滚轮；选好放置的位置后，锁死滚轮即可固定，便于补水系统灵活移动且能随时固定。

优选的，所述测量及数据采集系统包括粒子动态分析仪、高速摄影仪、闪蒸射流测温热电偶、数据采集模块和电脑，所述实验主系统输出端的下游设有若干所述闪蒸射流温度测量热电偶、高速摄影仪以及粒子动态分析仪，所述若干闪蒸射流测温热电偶分别连接所述数据采集模块，所述数据采集模块、高速摄影仪和粒子动态分析仪分别通过数据线与所述电脑连接。

优选的，所述控制及显示系统包括控制柜，所述控制柜上设有PLC主机、控制模块、液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯；所述PLC主机和控制模块固定于控制柜内部并通过数据线相互相连；所述液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯嵌设在所述控制柜操作面上并分别通过数据线与所述控制模块连接。

通过采用上述的测试装置进行储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验方法，其步骤为：

1）电源及气路连接：连接实验装置各系统之间的电气线路，将实验装置连接在380V三相交流电上；连接氮气加压系统与实验主系统之间的气路以及各气动控制阀之间的气路；

2）补水系统注水：关闭补水系统的出水口和排水口，向补水系统中注水；当水量加至补水系统容积的80~90%时，关闭注水口阀门，停止注水；

3）实验主系统补水：在进行补水操作之前首先确保实验主系统中各阀门均处于关闭状态，再在控制及显示系统中设定实验主系统液位高度，然后进行补水；当实验主系统液位到达设定值时，控制及显示系统将自动控制停止补水；

4）实验主系统加压：实验主系统补水完毕后对其进行加压操作，在控制及显示系统中设定实验主系统实验所需压力值，当实验主系统内压力达到设定值时，控制及显示系统将自动控制停止加压；

5）加热：在实验主系统补水、加压完成后，在控制及显示系统中设定实验所需温度值，对实验主系统内部水进行加热，使实验主系统内的水达到过热状态；当实验主系统内温度达到预设值时，控制及显示系统控制停止加热；加热完成后，若实验主系统内水温降低5℃，则控制及显示系统自动启动加热，加热至设定温度值；

6）泄漏喷射：实验设定液位、压力和温度调节结束后，在液晶操作屏点击“喷射”，打开实验主系统输出端的控制阀，进行两相泄漏实验；

7）闪蒸射流参数测量：将测量及数据采集系统中粒子动态分析仪、高速摄影仪和若干热点偶在喷嘴下游沿着喷射路径设置好，分别测量闪蒸射流中液滴的粒径和三维速度分布规律、形态变化规律和温度变化规律；

8）清洗与排污：对补水系统及实验主系统进行清洗和排污

本发明所述的一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置与方法，其有益效果为：

1）整个实验过程操作简单便捷，自动化程度高，降低人员操作的失误。仅需通过液晶操作屏操作，在控制软件系统中设置好储罐内实验所需的液位、压力和温度等参数，当储罐内各项参数达到设定值后，系统将自动停止相应的操作，之后即可进行两相泄漏实验，直至储罐内过热液体全部泄漏。

2）测量手段先进。采用三维动态粒子分析仪，捕捉泄漏后闪蒸射流中两相粒子速度、粒径的三维分布特点，从而可以实现更加全面、系统掌握和理解两相泄漏闪蒸射流的流动特点；

测量两相泄漏闪蒸射流参数时，只需在粒子动态分析仪控制软件上设定好的各测点的位置、各测点的采样数目以及采样时间，便可自动进行测量，整个过程不需要任何外部手动操作，因此能减小人为因素在实验数据测量上产生的误差，提高数据的精度；

3）研究因素多样。本发明可研究多种储存条件（不同储存介质、充装量、温度、压力等）、泄漏条件（不同喷嘴形状、尺寸等）以及泄漏环境下的两相泄漏问题。

4）改进了安全性能。本发明设有多重安全保障措施，设有安全排空、紧急停车等安全装置，可有效避免在实验操作过程发生人员伤害、设备受损等突发意外情况。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明主视结构示意图。

图2是操作流程示意图。

图3是所述储罐剖面结构示意图。

其中：1-控制及显示系统，2-实验主系统，20-保温层，21-储罐，210-罐内测温热电偶，211-加压孔，212-排空孔，213-压力变送器孔，214-补水孔，215-热电偶孔，216-排污孔，217-泄漏孔，218-加热孔，219-加热棒，22-高压磁翻板液位计，23-泄漏管道，231-管道测温热电偶，232-喷射气动控制阀，233-喷嘴，24-支架，25-隔热垫，26-排空气动控制阀，27-压力变送器，28-排污气动控制阀， 3-氮气加压系统，31-氮气钢瓶，32-减压阀，33-控制阀，34-单向阀，35-加压气动控制阀，36-高压软管，4-补水系统，41-储水箱，411-进水控制阀，412-排污控制阀，42-高压补水泵，43-补水单向阀，44-补水气动控制阀，45-补水管道，46-补水液位计，47-补水活动支架，5-测量及数据采集系统，51-粒子动态分析仪，52-高速摄影仪，53-闪蒸射流测温热电偶，54-数据采集模块，55-电脑。

具体实施方式

如图1-3所示，一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，包括控制及显示系统1，以及分别通过数据线与控制及显示系统1连接的实验主系统2、氮气加压系统3、补水系统4、测量及数据采集系统5；其中所述补水系统4、氮气加压系统3分别与所述实验主系统2顶部的输入端连接，所述测量及数据采集系统5位于实验主系统2下部的输出端并通过数据线与所述实验系统2连接。

如图1及图3所示，所述实验主系统2包括储罐21、高压磁翻板液位计22、泄漏管道23和支架24；所述储罐21直径为261mm、高度为300mm、容积为20L，其最高工作温度≥200℃，最高工作压力≥2.4MPa，所述支架24位于储罐21的下方用来支撑储罐和泄漏管道；所述储罐21和所述支架23之间还设有隔热垫25，所述储罐21顶部中心的孔为备用孔，用活接堵死，在备用孔周围设有直径分别为10mm、20mm、20mm、25mm的加压孔211、排空孔212、压力变送器孔213和补水孔214，上述四个孔分别与设在所述储罐21外部的氮气加压系统3、排空气动控制阀26、压力变送器27、所述补水系统4对应连接；所述储罐21的底部设有直径分别为10mm、20mm、25mm、15mm的热电偶孔215、排污孔216、泄漏孔217和加热孔218，其中所述加热孔218为4个，其他孔均为1个，所述热电偶孔215和4个所述加热孔218分别与设在所述储罐21内部的罐内测温热电偶210及4个加热棒219对应连接，所述排污孔216与设在所述储罐21外部的排污气动控制阀28连接，所述泄漏管道29通过泄漏孔接弯管引出，所述泄漏管道29采用不锈钢材质且耐温不低于200℃、耐压不低于2.4MPa，其固定于支架上。

所述泄漏管道23长度为500mm，在泄漏管道23上距弯管水平距离200mm处开孔设置一个温度测点，插入管道测温热电偶231（本实施例中采用的管道测温热电偶型号为OmegaTC-K-1/8NPT-U-72）测量泄漏温度；距弯管水平距离500mm处设有喷射气动控制阀232（本实施例中采用的型号为YV-3H-1000-DN25），泄漏管道29的末端设有喷嘴233，所述喷嘴233距离地面的垂直高度为700mm；所述喷嘴233可用于模拟储罐泄漏孔，可更换不同尺寸或形状的喷嘴来模拟不同的泄漏条件，喷射气动控制阀用于快速控制喷嘴的开关，模拟储罐破裂。

所述高压磁翻板液位计22（型号为BI-DS15-2.5M-300）通过法兰连接在所述储罐21的外侧壁上并通过数据线与所述控制及显示系统1连接；所述储罐21的外侧壁上设有保温层20，所述保温层20外由不锈钢皮包裹，可使储罐在2-3小时内温度降幅不超过5℃。

所述氮气加压系统3包括氮气钢瓶31、减压阀32、控制阀33、单向阀34和加压气动控制阀35，所述氮气钢瓶31通过高压软管36与所述储罐的加压孔211连接，所述高压软管上从氮气钢瓶至所述加压孔依次设有减压阀32、控制阀33、加压单向阀34和加压气动控制阀35。

氮气加压系统的主要目的是控制实验主系统储罐中的压力大小，实验时，启动氮气加压系统，通过压力变送器观察储罐中的压力，当到达实验压力时，停止供气，从而达到控制储罐中压力的目的。

氮气加压系统中的管道及其他附件均采用耐压耐温且防腐材质，且耐温不低于200℃，耐压不低于2.4MPa；在加压系统管道与储罐的连接处，要保证具有良好的耐压和密封，同时其他部位各附件之间的连接也要保证耐压和密封。

所述补水系统4包括储水箱41和高压补水泵42，本实施例中采用的所述高压补水泵的型号为CDLF2－220；储水箱41由314不锈钢制成，其容积300L、尺寸为600mm×1500mm，储水箱41用于储存实验介质，其作用是：当储罐两相泄漏实验结束后，为储罐快速补充实验介质，开展下一组实验；所述储水箱41的顶部、中间及底部依次设有直径均为25mm的注水口、出水口和排水口；所述注水口和排水口分别安装有进水控制阀411和排污控制阀412，所述出水口通过补水管道45与储罐21的补水孔连接，所述补水管道45上依次设有补水单向阀43、高压补水泵42和补水气动控制阀44；补水管道两端与储罐及储水箱的连接处，要保证具有良好的耐压和密封，同时其他部位各附件之间的连接也要保证耐压和密封；所述储水箱41的外侧壁上设有补水液位计46，所述补水液位计46通过数据线与控制及显示系统连接；整个补水系统设备及管线有补水活动支架47支撑。

所述测量及数据采集系统5包括粒子动态分析仪51、高速摄影仪52、闪蒸射流测温热电偶53、数据采集模块54和电脑55，所述粒子动态分析仪51、高速摄影仪52及数据采集模块54分别与电脑55通过数据线连接；所述喷嘴的下游设有若干所述闪蒸射流测温热电偶53；若干所述闪蒸射流测温热电偶53分别连接数据采集模块54，其用于测量泄漏形成的闪蒸射流下游不同位置处的温度分布规律。

高速摄影仪、粒子动态分析仪和闪蒸射流测温热电偶均可通过可活动的支架固定；该支架也可参照实验主系统的支架，可灵活移动且可通过锁定装置锁死固定；所述高速摄影仪52设在喷嘴出口处，其测量镜头垂直对准闪蒸射流的喷射路径，其用于记录整个泄漏过程中闪蒸射流形态变化；所述粒子动态分析仪51位于喷嘴下游，其2个测量探头固定在支架上并对准闪蒸射流喷射路径，用于测量储罐发生两相泄漏时，形成的闪蒸射流中液滴的三维速度和粒径的分布规律。

所述控制及显示系统1包括控制柜11，所述控制柜11上设有PLC主机、控制模块、液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯；所述PLC主机和控制模块固定于控制柜内部并通过数据线相互相连；所述液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯嵌设在所述控制柜操作面上并分别通过数据线与所述控制模块连接。所述PLC主机上安装有两相泄漏实验控制软件系统，可通过液晶屏进行储罐补水、加热、加压、泄漏喷射以及安全排空等操作，实时显示并记录储罐内部压力、温度、液位以及储水箱液位等情况。

其中，实验主系统中的压力变送器、管内测温热电偶和管道测温热电偶分别通过数据线和数据采集模块连接以及控制与显示系统连接；压力变送器和管内测温热电偶用于实时监测储罐内部压力和温度条件，加热棒通过数据线和控制与显示系统连接，用于加热储罐内部水，使其在设定实验压力下到达过热状态；补水气动控制阀、加压气动控制阀、排污气动控制阀、排空气动控制阀、喷射气动控制阀分别通过数据线与控制及显示系统中的控制模块连接。

采用上述测试装置进行储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验方法，模拟储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验，其步骤为：

1）电源及气路连接：连接实验装置各系统之间的电气线路，将实验装置连接在380V三相交流电上；连接氮气加压系统中氮气钢瓶与储罐之间的气路以及各气动控制阀之间的气路；

2）补水系统补水：关闭补水系统中储水箱的出水口和排水口，向补水系统中注水；当水量加至储水箱容积的80~90%时，关闭注水口阀门，停止注水；

4）实验主系统补水：在进行补水操作之前首先确保实验主系统中各阀门均处于关闭状态，再在控制及显示系统中设定实验主系统中储罐内所需的液位高度，然后进行补水；当储罐内液位到达设定值时，控制及显示系统将自动控制停止补水；

5）实验主系统加压：实验主系统补水完毕后对其进行加压操作，在控制及显示系统中设定实验主系统中储罐内实验所需压力值，当储罐内压力达到设定值时，控制及显示系统将自动控制停止加压；

6）加热：在实验主系统补水、加压完成后，在控制及显示系统中设定温度值，对储罐内部水进行加热，使储罐内的水达到过热状态；当储罐内温度达到预设值时，控制及显示系统控制停止加热；加热完成后，若储罐内水温降低5℃，控制及显示系统自动启动加热，加热至设定温度值；

7）泄漏喷射：实验设定液位、压力和温度调节结束后，在液晶操作屏点确认进行“喷射”操作，打开泄漏管道上的喷射气动控制阀，进行两相泄漏实验；

8）闪蒸射流参数测量：将测量及数据采集系统中粒子动态分析仪、高速摄影仪和若干闪蒸射流温热电偶在喷嘴下游沿着喷射路径设置好，分别测量闪蒸射流中液滴的粒径和三维速度分布规律、形态变化规律和温度变化规律，为过热液体两相泄漏闪蒸射流流动行为特以及演化规律提供重要参考；

本实验平台系统需采集的数据主要是储罐内部液位、温度和压力以及两相泄漏闪蒸射流下游温度、形态变化、液滴三维速度和液滴尺寸分布；数据采集模块型号为KeysightU2331，采样速率为1 MSa/s，拥有有16通道，可高速采集16通道的温度数据。高速摄影仪可实时记录泄漏过程中闪蒸射流形态变化规律；粒子动态分析仪（(Phase DopplerAnemometry，简称PDA），可系统测量球形粒子的尺寸、三维速度和浓度；

9）清洗与排污：储水箱的清洗与排污：打开储水箱注水口阀门，注入适量水进行清洗，再打开排水阀，排污结束，关闭排水阀门；储罐的清洗与排污：先将储罐内注入适量水，打开储罐排污气动控制阀，进行排污操作。排污结束，关闭排污阀门。

本实验平台系统控制及显示系统主要由控制柜所构成，控制柜基于PLC可编程控制主机（海为H16S0T）、DO模块（H16DOR）、AI/DI模块（S04XA）、液晶操作屏、单片机控制的数字调节仪表以及操作按钮等附件，组成一个小型的DCS系统，操作简单方便，实验数据可以记录保存。具体而言，目前实验主要实现：在液晶操作屏上，设定好储罐中液位、压力和温度，然后依次点击“补水”、“加压”、“加热”以及“喷射”按钮，控制系统将自动进行相应的操作，后期实验条件改变可能需要其他的控制操作。在实验过程中，若出现突发状况，可立即按住紧急停车按钮使系统停止工作。

当储罐内压力或者温度降低1bar或者5℃时，系统将自动进行加压或加热，直至储罐内压力或者温度恢复至实验设定值；在实验过程中，若储罐内压力超过20bar，则系统将自动控制打开排空阀进行泄压操作，保障实验安全；在进行加热时，若储罐内实际液位低于设定液位2cm时，控制系统自动启动水位和加热联锁，以防止加热棒干烧，此时将无法进行加热操作，直到储罐内液位加至实验设定值，方可进行加热操作。

以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，其特征在于，包括实验主系统、氮气加压系统、补水系统、控制及显示系统和测量及数据采集系统，所述实验主系统、氮气加压系统、补水系统分别通过数据线与控制及显示系统连接，所述氮气加压系统、补水系统分别通过管道与所述实验主系统顶部输入端连接，所述测量及数据采集系统位于实验主系统下部的输出端并通过数据线与实验主系统连接；

所述测量及数据采集系统包括粒子动态分析仪、高速摄影仪、闪蒸射流测温热电偶、数据采集模块和电脑，所述实验主系统输出端的下游设有若干闪蒸射流测温热电偶、高速摄影仪以及粒子动态分析仪，闪蒸射流测温热电偶分别连接所述数据采集模块，所述数据采集模块、高速摄影仪和粒子动态分析仪分别通过数据线与所述电脑连接；

所述实验主系统包括储罐、高压磁翻板液位计、泄漏管道和支架，所述储罐设在所述支架上方，所述高压磁翻板液位计设在所述储罐的外侧壁上并通过数据线与所述控制及显示系统连接，所述储罐顶部设有排空孔、压力变送器孔、补水孔和加压孔，上述四个孔分别与设在所述储罐外侧的排空气动控制阀、压力变送器、补水系统及氮气加压系统对应连接；所述储罐底部设有排污孔、热电偶孔、泄漏孔和加热孔，所述热电偶孔和加热孔分别与设在储罐内部的罐内测温热电偶和加热棒对应连接，所述排污孔和泄漏孔分别与设在储罐外部的排污气动控制阀和泄漏管道对应连接；所述泄漏管道的出口端设有喷嘴，所述泄漏管道上向其出口端方向依次设有管道测温热电偶、喷射气动控制阀和喷嘴。

2.根据权利要求1所述的一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，其特征在于，所述储罐外部设有保温层，所述储罐底部和所述支架之间设有隔热垫。

3.根据权利要求1所述的一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，其特征在于，所述氮气加压系统包括氮气钢瓶、减压阀、控制阀、单向阀和加压气动控制阀，所述氮气钢瓶通过高压软管与所述实验主系统连接，所述高压软管上从氮气钢瓶至实验主系统顶部输入端方向依次设有减压阀、控制阀、单向阀和加压气动控制阀。

4.根据权利要求1所述的一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，其特征在于，所述补水系统包括储水箱和高压补水泵，所述储水箱下方设有补水活动支架，所述储水箱的顶部、中间及底部依次设有注水口、出水口和排水口，所述注水口和排水口对应安装有进水控制阀和排水控制阀，所述出水口通过补水管道连接实验主系统输入端，所述补水管道上从出水口至实验主系统顶部输入端方向依次设有补水单向阀Ⅰ、高压补水泵、补水单向阀Ⅱ和补水气动控制阀；所述储水箱外侧壁上设有液位计，所述液位计通过数据线与控制及显示系统连接。

5.根据权利要求1所述的一种储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验测试装置，其特征在于，所述控制及显示系统包括控制柜，所述控制柜上设有PLC主机、控制模块、液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯；所述PLC主机和控制模块固定于控制柜内部并通过数据线相互相连；所述液晶操作屏、电源旋钮、紧急停车按钮和电源指示灯嵌设在所述控制柜操作面上并分别通过数据线与所述控制模块连接。

6.采用权利要求1-5任一项所述的测试装置进行储罐泄漏闪蒸射流行为特性实验方法，其步骤为：

1）电源及气路连接：连接实验装置各系统之间的电气线路，将实验装置连接在380V三相交流电上；连接氮气加压系统与实验主系统之间的气路以及各气动控制阀之间的气路；

2）补水系统注水：关闭补水系统的出水口和排水口，向补水系统中注水；当水量加至补水系统容积的80~90%时，关闭注水口阀门，停止注水；

3）实验主系统补水：在进行补水操作之前首先确保实验主系统中各阀门均处于关闭状态，再在控制及显示系统中设定实验主系统液位高度，然后进行补水；当实验主系统液位到达设定值时，控制及显示系统将自动控制停止补水；

4）实验主系统加压：实验主系统补水完毕后对其进行加压操作，在控制及显示系统中设定实验主系统实验所需压力值，当实验主系统内压力达到设定值时，控制及显示系统将自动控制停止加压；

5）加热：在实验主系统补水、加压完成后，在控制及显示系统中设定实验所需温度值，对实验主系统内部水进行加热，使实验主系统内的水达到过热状态；当实验主系统内温度达到设定值时，控制及显示系统控制停止加热；加热完成后，若实验主系统内水温降低5℃，则控制及显示系统自动启动加热，加热至设定温度值；

6）泄漏喷射：实验设定液位、压力和温度调节结束后，在液晶操作屏点击“喷射”，打开实验主系统输出端的控制阀，进行两相泄漏实验；

7）闪蒸射流参数测量：将测量及数据采集系统中粒子动态分析仪、高速摄影仪和若干闪蒸射流测温热电偶在喷嘴下游沿着喷射路径设置好，分别测量闪蒸射流中液滴的粒径和三维速度分布规律、形态变化规律和温度变化规律；

8）清洗与排污：对补水系统及实验主系统进行清洗和排污。