CN109374678A - 一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统及方法 - Google Patents

一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统及方法，其属于气体爆炸科学领域。该实验系统包括球形爆炸容器、加热系统、配气系统、点火系统、热电偶、耐高温压力传感器和数据采集及控制系统。测试容积20L为目前世界范围内广泛认可的爆炸参数测定容积，本发明可测试常温～500℃、常压～5MPa，可燃介质爆炸特性参数测定。特制点火系统可在高温高压环境中保证容器密封的同时实现点火，方便拆卸并可更换不同类型点火头。通过监测容器内压力、温度变化，判定可燃介质是否达到爆炸状态，同时根据实时监测数据可测量不同组份爆炸特性参数。本装置可为防止工业生产中高温高压可燃介质发生爆炸提供可靠数据。

Description

一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统及方法
技术领域
本发明属于气体爆炸研究领域，具体涉及一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统及方法。
背景技术
可燃气体/蒸汽爆炸是可燃气在爆炸极限范围内，遇到热源(明火或高温表面等)，形成火焰并瞬间传播至可燃气/蒸汽散布空间，同时释放大量热，产生高温和爆燃超压导致破坏效应的现象。其对众多涉及可燃气体制备、使用和处理的行业，如化工、机械、汽车、纺织、轻工、冶金、医疗等行业，一直构成严重威胁。
可燃气体/蒸汽爆炸的易发性、偶然性和强破坏性等特征，严重威胁人身财产安全。而生产生活中，高温高压可燃气体/蒸汽的出现也越来越为广泛。温度变化、压力变化都会引起可燃气体/蒸汽的爆炸特性参数发生变化。为测试可燃气体/蒸汽在高温高压条件下的爆炸特性参数变化规律，为工业生产提供边界条件，为生产生活提供安全保障，急需一种能够测试高温高压可燃气体/蒸汽爆炸特性参数的实验平台。
目前国内外可燃气体/蒸汽爆炸极限测试装置主要有：1.GB/T 12474-2008中管型爆炸测试装置；2.GB/T 21844-2008中5L球形爆炸容器；3.BSEN1839-2012中透明管型容器、金属柱形、金属球形容器。其中小体积容器，极易产生器壁效应，导致测量结果存在明显误差。且所述仪器均无法同时满足高温、高压环境。当今国内外较为认可的球形爆炸容器测试体积应不小于20L，为同时满足大体积、高温、高压测试需求，本专利设计了高温高压可燃气体/蒸汽爆炸特性参数实验系统。
目前国内外对可燃气体/蒸汽爆炸特性参数测试所选用的点火源主要有三种：1.电热丝加热点火；2.电火花放电点火；3.化学点火头点火，本专利设计的点火装置便于拆卸，更换为上述任意一种点火方式。
国内专利CN202614707U所述的爆炸实验装置，无法实现温度采集，无法保证气体混合物均匀混合，且只能提供一种点火方式。
发明内容
本发明旨在解决现有技术存在的问题，提供一种测试高温高压下可燃介质混合物爆炸特性参数的实验系统，可测试介质初始温度常温～500℃、初始压力常压～5MPa，符合国内外标准，便于拆卸，测试参数种类齐全。
本发明的技术方案：
一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统，该实验系统包括球形爆炸容器1、加热系统、配气系统、点火系统、热电偶12、耐高温压力传感器11和数据采集及控制系统。
所述的球形爆炸容器1体积为20L，承压55MPa，为高温高压介质混合物提供反应场所；热电偶12和耐高温压力传感器11的一端侧向伸入球形爆炸容器1中，另一端与数据采集及控制系统相连，热电偶12用于实时测量球形爆炸容器1内部的温度，耐高温压力传感器11用于实时监测球形爆炸容器1内的压力参数变化；子母法兰2固定于球形爆炸容器1的开口端，其中，子法兰与母法兰之间采用石墨缠绕垫片8密封，并通过第二螺栓22紧固；母法兰与球形爆炸容器1之间采用八角垫片7密封，并通过第一螺栓21紧固；子法兰的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极6；泄爆装置4密封设置于球形爆炸容器1的底部，用于安全泄放，防止球形爆炸容器1内爆炸超压造成损坏；
所述的加热系统包括高温烘箱10，用于对球形爆炸容器1中的高温高压介质混合物进行加热；
所述的球形爆炸容器1与配气系统之间通过接管3连接；所述的配气系统包括空气压缩机13、气体循环泵14、真空泵15、压力表16、气瓶17、阀门18、雾化喷头19和加压泵20；其中，气体循环泵14、真空泵15和气瓶17分别通过管道与接管3相连；真空泵15用于抽空球形爆炸容器1内的气体，便于配制精确浓度的高温高压介质混合物；空气压缩机13与气体循环泵14连接，用于驱动气体循环泵14运转，进而搅拌球形爆炸容器1内高温高压介质混合物，使其混合均匀；气瓶17连接多种气体源，通过压力表16和阀门18的配合，控制输入球形爆炸容器1的混合气体流量；雾化喷头19的一端侧向伸入球形爆炸容器1中，另一端与加压泵20相连，当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，通过加压泵20和雾化喷头19向球形爆炸容器1中配制蒸汽；
所述的点火系统用于点燃球形爆炸容器1内的高温高压介质混合物，包括点火头9和两个快拆点火电极6；快拆点火电极6一端伸入球形爆炸容器1的腔体中，另一端通过快拆丝堵23实现固定；快拆丝堵23与子法兰之间采用螺纹连接，快拆点火电极6穿过快拆丝堵23，且与快拆丝堵23的接口处采用石墨填料强制密封或金属陶瓷焊接技术密封；陶瓷绝缘棒24设置于快拆点火电极6与球形爆炸容器1之间，用于隔离防止发生短路；伸入球形爆炸容器1的快拆点火电极6一端设置点火头9，快拆点火电极6的外端通过高温导线连接至数据采集及控制系统，数据采集及控制系统用于发出点火指令，点燃球形爆炸容器1内的高温高压介质混合物；
数据采集及控制系统用于实时监测并记录球形爆炸容器1内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头9改变点火时长，以提供不同点火能量。
所述气瓶17连接多种气体源，多种气体包括可燃气、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
所述点火头9为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试方法，包括以下步骤：
S1：开启真空泵15，将球形爆炸容器1抽至真空；关闭真空泵15，由气瓶17配制混合气体，并向球形爆炸容器1中输送不同压力下的气体组分，通过压力表16监测控制球形爆炸容器1内的压强；
S2：球形爆炸容器1中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶17的阀门18，由空气压缩机13驱动气体循环泵14混合球形爆炸容器1内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机13和气体循环泵14；
S3：利用高温烘箱10对球形爆炸容器1进行加热，热电偶12对球形爆炸容器1内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，开启加压泵20和雾化喷头19，向球形爆炸容器1中配制蒸汽；
S4：待球形爆炸容器1内温度、压强稳定后，由数据采集及控制系统控制快拆点火电极6，对点火头9进行点火，球形爆炸容器1内气体混合物发生爆炸时，压力传感器11测量球形爆炸容器1内的压力，热电偶12测量球形爆炸容器1内的温度，并将测量的数据传输至数据采集及控制系统。
本发明的有益效果：本发明通过将高压混合气体/蒸汽充入球形爆炸容器，经由气体循环泵混合均匀，再由高温烘箱加热至实验所需温度，实现高温高压均匀混合物环境。测试介质环境可高达初始温度500℃、初始压力5MPa。特制点火系统可在高温高压工况下保证容器密封的同时实现点火功能，方便拆卸并可更换测试所需各类点火头。由控制系统控制点火，并采集高温高压介质混合物发生爆炸时，温度、压力、升压速率等爆炸参数，判断气体/蒸汽混合物是否发生爆炸，以及爆炸强度。通过配制不同种类、不同含量惰性气体，可判断惰性气体抑制可燃物爆炸效果。
附图说明
图1是一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统的结构示意图。
图2是球形爆炸容器的剖面图。
图3是球形爆炸容器的点火装置的剖面图。
图中：1球形爆炸容器；2子母法兰；3接管；4泄爆装置；5滚动轮组；6快拆点火电极；7八角垫片；8石墨缠绕垫片；9点火头；10高温烘箱；11耐高温压力传感器；12热电偶；13空气压缩机；14气体循环泵；15真空泵；16压力表；17气瓶；18阀门；19雾化喷头；20加压泵；21第一螺栓；22第二螺栓；23快拆丝堵；24陶瓷绝缘棒。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
如图1所示，一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统，该实验系统包括球形爆炸容器1、加热系统、配气系统、点火系统、热电偶12、耐高温压力传感器11和数据采集及控制系统。
所述的球形爆炸容器1体积为20L，为高温高压介质混合物提供反应场所；热电偶12和耐高温压力传感器11的一端侧向伸入球形爆炸容器1中，另一端与数据采集及控制系统相连，热电偶12用于实时测量球形爆炸容器1内部的温度，耐高温压力传感器11用于实时监测球形爆炸容器1内的压力参数变化；子母法兰2固定于球形爆炸容器1的开口端，其中，子法兰与母法兰之间采用石墨缠绕垫片8密封，并通过第二螺栓22紧固；母法兰与球形爆炸容器1之间采用八角垫片7密封，并通过第一螺栓21紧固；子法兰的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极6；泄爆装置4密封设置于球形爆炸容器1的底部，用于安全泄放，防止球形爆炸容器1内爆炸超压造成损坏；
所述的加热系统包括高温烘箱10，用于对球形爆炸容器1中的高温高压介质混合物进行加热；
所述的球形爆炸容器1与配气系统之间通过接管3连接；所述的配气系统包括空气压缩机13、气体循环泵14、真空泵15、压力表16、气瓶17、阀门18、雾化喷头19和加压泵20；其中，气体循环泵14、真空泵15和气瓶17分别通过管道与接管3相连；真空泵15用于抽空球形爆炸容器1内的气体，便于配制精确浓度的高温高压介质混合物；空气压缩机13与气体循环泵14连接，用于驱动气体循环泵14运转，进而搅拌球形爆炸容器1内高温高压介质混合物，使其混合均匀；气瓶17连接多种气体源，通过压力表16和阀门18的配合，控制输入球形爆炸容器1的混合气体流量；雾化喷头19的一端侧向伸入球形爆炸容器1中，另一端与加压泵20相连，当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，通过加压泵20和雾化喷头19向球形爆炸容器1中配制蒸汽；
所述的点火系统用于点燃球形爆炸容器1内的高温高压介质混合物，包括点火头9和两个快拆点火电极6；快拆点火电极6一端伸入球形爆炸容器1的腔体中，另一端通过快拆丝堵23实现固定；快拆丝堵23与子法兰之间采用螺纹连接，快拆点火电极6穿过快拆丝堵23，且与快拆丝堵23的接口处采用石墨填料强制密封或金属陶瓷焊接技术密封；陶瓷绝缘棒24设置于快拆点火电极6与球形爆炸容器1之间，用于隔离防止发生短路；伸入球形爆炸容器1的快拆点火电极6一端设置点火头9，快拆点火电极6的外端通过高温导线连接至数据采集及控制系统，数据采集及控制系统用于发出点火指令，点燃球形爆炸容器1内的高温高压介质混合物；
数据采集及控制系统用于实时监测并记录球形爆炸容器1内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头9改变点火时长，以提供不同点火能量。
所述气瓶17连接多种气体源，多种气体包括可燃气、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
所述点火头9为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
所述球形爆炸容器1的体积为20L。
一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试方法，包括以下步骤：
S1：开启真空泵15，将球形爆炸容器1抽至真空；关闭真空泵15，由气瓶17配制混合气体，并向球形爆炸容器1中输送不同压力下的气体组分，通过压力表16监测控制球形爆炸容器1内的压强；
S2：球形爆炸容器1中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶17的阀门18，由空气压缩机13驱动气体循环泵14混合球形爆炸容器1内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机13和气体循环泵14；
S3：利用高温烘箱10对球形爆炸容器1进行加热，热电偶12对球形爆炸容器1内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，开启加压泵20和雾化喷头19，向球形爆炸容器1中配制蒸汽；
S4：待球形爆炸容器1内温度、压强稳定后，由数据采集及控制系统控制快拆点火电极6，对点火头9进行点火，球形爆炸容器1内气体混合物发生爆炸时，压力传感器11测量球形爆炸容器1内的压力，热电偶12测量球形爆炸容器1内的温度，并将测量的数据传输至数据采集及控制系统。

Claims (4)

1.一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统，其特征在于，该实验系统包括球形爆炸容器(1)、加热系统、配气系统、点火系统、热电偶(12)、耐高温压力传感器(11)和数据采集及控制系统；
所述的球形爆炸容器(1)体积为20L，承压55MPa，为高温高压介质混合物提供反应场所；热电偶(12)和耐高温压力传感器(11)的一端侧向伸入球形爆炸容器(1)中，另一端与数据采集及控制系统相连，热电偶(12)用于实时测量球形爆炸容器(1)内部的温度，耐高温压力传感器(11)用于实时监测球形爆炸容器(1)内的压力参数变化；子母法兰(2)固定于球形爆炸容器(1)的开口端，其中，子法兰与母法兰之间采用石墨缠绕垫片(8)密封，并通过第二螺栓(22)紧固；母法兰与球形爆炸容器(1)之间采用八角垫片(7)密封，并通过第一螺栓(21)紧固；子法兰的中心开设螺纹孔，便于连接快拆点火电极(6)；泄爆装置(4)密封设置于球形爆炸容器(1)的底部，用于安全泄放，防止球形爆炸容器(1)内爆炸超压造成损坏；
所述的加热系统包括高温烘箱(10)，用于对球形爆炸容器(1)中的高温高压介质混合物进行加热；
所述的球形爆炸容器(1)与配气系统之间通过接管(3)连接；所述的配气系统包括空气压缩机(13)、气体循环泵(14)、真空泵(15)、压力表(16)、气瓶(17)、阀门(18)、雾化喷头(19)和加压泵(20)；其中，气体循环泵(14)、真空泵(15)和气瓶(17)分别通过管道与接管(3)相连；真空泵(15)用于抽空球形爆炸容器(1)内的气体，便于配制精确浓度的高温高压介质混合物；空气压缩机(13)与气体循环泵(14)连接，用于驱动气体循环泵(14)运转，进而搅拌球形爆炸容器(1)内高温高压介质混合物，使其混合均匀；气瓶(17)连接多种气体源，通过压力表(16)和阀门(18)的配合，控制输入球形爆炸容器(1)的混合气体流量；雾化喷头(19)的一端侧向伸入球形爆炸容器(1)中，另一端与加压泵(20)相连，当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，通过加压泵(20)和雾化喷头(19)向球形爆炸容器(1)中配制蒸汽；
所述的点火系统用于点燃球形爆炸容器(1)内的高温高压介质混合物，包括点火头(9)和两个快拆点火电极(6)；快拆点火电极(6)一端伸入球形爆炸容器(1)的腔体中，另一端通过快拆丝堵(23)实现固定；快拆丝堵(23)与子法兰之间采用螺纹连接，快拆点火电极(6)穿过快拆丝堵(23)，且与快拆丝堵(23)的接口处采用石墨填料强制密封或金属陶瓷焊接技术密封；陶瓷绝缘棒(24)设置于快拆点火电极(6)与球形爆炸容器(1)之间，用于隔离防止发生短路；伸入球形爆炸容器(1)的快拆点火电极(6)一端设置点火头(9)，快拆点火电极(6)的外端通过高温导线连接至数据采集及控制系统，数据采集及控制系统用于发出点火指令，点燃球形爆炸容器(1)内的高温高压介质混合物；
数据采集及控制系统用于实时监测并记录球形爆炸容器(1)内的压力、温度变化，控制点火时间，并根据不同点火头(9)改变点火时长，以提供不同点火能量。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统，其特征在于，所述气瓶(17)连接多种气体源，多种气体包括可燃气、助燃气、惰性气体及废气泄放口的废气。
3.根据权利要求1或2所述的一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试系统，其特征在于，所述点火头(9)为电热丝、化学点火头或电火花放电充当点火源。
4.一种高温高压下可燃介质点火及爆炸特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：开启真空泵(15)，将球形爆炸容器(1)抽至真空；关闭真空泵(15)，由气瓶(17)配制混合气体，并向球形爆炸容器(1)中输送不同压力下的气体组分，通过压力表(16)监测控制球形爆炸容器(1)内的压强；
S2：球形爆炸容器(1)中的高压气体组份配制完成后，关闭气瓶(17)的阀门(18)，由空气压缩机(13)驱动气体循环泵(14)混合球形爆炸容器(1)内的高压气体混合物，混合均匀后关闭空气压缩机(13)和气体循环泵(14)；
S3：利用高温烘箱(10)对球形爆炸容器(1)进行加热，热电偶(12)对球形爆炸容器(1)内的温度进行实时测量，当加热至测试需求温度后停止加热并保温；当需要配制水蒸气或可燃蒸汽时，开启加压泵(20)和雾化喷头(19)，向球形爆炸容器(1)中配制蒸汽；
S4：待球形爆炸容器(1)内温度、压强稳定后，由数据采集及控制系统控制快拆点火电极(6)，对点火头(9)进行点火，球形爆炸容器(1)内气体混合物发生爆炸时，压力传感器11测量球形爆炸容器(1)内的压力，热电偶(12)测量球形爆炸容器(1)内的温度，并将测量的数据传输至数据采集及控制系统。
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