CN109632880B - 一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，包括环境模拟系统、供气系统、点火装置、抑制扩散及控制燃烧系统、数据采集系统和图像采集系统；环境模拟系统包括实验风洞，远离实验风洞进风侧并固定设置在实验风洞下方的集液水箱；供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，泄漏管的下端穿出集液水箱底部并转动连接在其底壁上，泄漏管的下端通过供气导管与储气罐连通；点火装置设置在所述实验风洞内，抑制扩散及控制燃烧系统包括固定在实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物；数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器；图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪。

Description

一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统
技术领域
本发明涉及一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，属于易燃气体安全技术领域。
背景技术
为了应对环境污染和气候变暖等一系列严重的环境问题，号召节能减排的可持续发展战略，大力推广开发并使用清洁能源。因此，目前对于海底能源的开发和利用一直处于大力发展阶段，而海底管线的建设是输送气体能源的主要手段。但是，由于海底比陆上更加恶劣的环境条件，使得海底管道设施更容易发生腐蚀、穿孔、断裂等安全问题，从而引发油气泄漏扩散等严重的危害。目前有报道指出，某公司海下管道在近海区域发生管线穿孔破裂的事故，导致管道内可燃气体泄漏扩散至海面以上，严重威胁了管线的安全运营和海上作业人员的安全，而此时在海面上将泄漏溢出的可燃气体点燃，可以有效防止可燃气体的扩散蔓延，大大减小了危害的范围。
根据目前的研究发现，国内外对水下气体的泄漏扩散主要集中在气体羽流上升扩散规律的研究，对于在不同释放工况，外界环境耦合作用下，气体溢出水面浓度分布，及形成点火条件发生燃烧现象的研究较少。所涉及的国内外专利主要有以下几项。
与本发明相似的发明CN201810004919.6中，展示了一种水下气相管道泄漏与扩散实验装置，用于水下气体管道泄漏量评估和水环境下气体的扩散过程及水面涌流效应研究，但是实验条件相对单一，并不能很好地控制外界环境，很难模拟实际海面环境下气体泄漏扩散及燃烧的复杂情况。
与本发明相似的发明CN201410763896.9中，展示了一种基于气泡声学的水下气体泄漏量的检测方法和检测装置，主要用于检测水下气体泄漏量，观测气体的泄漏行为，并不能对气体上升至水面浓度和实际燃烧情况进行测量。
以上的专利技术，均对水下气体泄漏扩散进行了研究和设计，但是对于气体泄漏扩散至溢出水面的行为研究较少，没有可以有效控制外界环境对气体扩散进行有效监测和研究的手段，对于可燃气体溢出可能形成的点火时间和点火能量的控制、以及燃烧特性的研究更是鲜有提及。
因此，以上专利对于水下气体在不同外界环境下泄漏扩散溢出至水面发生气体燃烧的研究并不全面。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，利用该系统能够确定不同释放速率、不同释放深度、不同孔径和泄漏位置对气泡羽流速度、上升时间、扩散半径、泉涌高度和火焰燃烧特性的影响规律，能够模拟不同外界环境对不同泄漏工况的研究，整个系统操作方便、安全性高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于，包括：
环境模拟系统，所述环境模拟系统包括实验风洞，远离所述实验风洞进风侧并固定设置在所述实验风洞底部的集液水箱，且所述集液水箱的顶部与所述实验风洞的内腔连通；
供气系统，所述供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，所述泄漏管竖直转动连接在所述集液水箱的底壁上，所述泄漏管的下端穿出所述集液水箱的底壁并通过所述供气导管与所述储气罐连通；所述泄漏管的上端活动设置有泄漏喷口；
点火装置，所述点火装置设置在所述实验风洞内，且所述点火装置位于所述集液水箱和实验风洞连通处的前方，用于点燃溢进所述实验风洞内的气体；
抑制扩散及控制燃烧系统，所述抑制扩散及控制燃烧系统包括与所述集液水箱呈上下相对布置且固定在所述实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；
数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组，所述温度传感器阵列组分布于所述集液水箱上方并固固定在所述实验风洞的内顶壁上，所述浓度传感器阵列组和热辐射温度传感器阵列组均分布于所述集液水箱和实验风洞连通处的后方，所述温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组均与所述实验风洞外的数据采集器电连接；
图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪，所述高速摄像机支撑设置在集液水箱的外部，用于拍摄水下的气体泄漏扩散上升过程、溢出水面的泉涌高度和火焰燃烧图像；所述热成像仪支撑设置在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的所述实验风洞内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积。
优选地，所述实验风洞包括风洞舱、叶轮、整流器和变频器，所述叶轮和整流器顺次相邻地安装在所述风洞舱的前舱内，外部电机驱动所述叶轮转动，外部电机上设置变频器，所述集液水箱固定设置在所述风洞舱的后舱外部下方，且所述集液水箱顶部与所述风洞舱内腔连通。
优选地，所述实验风洞还包括湿度调节器，所述风洞舱顶部留有入口，所述湿度调节器设置在所述入口处，所述湿度调节器采用加湿器或制冷机。
优选地，所述点火装置包括点火杆、点火支架和点火电极，所述点火支架滑动设置在所述实验风洞内底壁上，所述点火杆固定在所述点火支架上，所述点火电极与所述点火杆电连接。
优选地，所述温度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱上方的所述实验风洞内顶壁上的第一支架，矩形阵列分布于所述第一支架上的多个温度传感器；所述浓度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱后方的所述实验风洞内底壁上的第二支架，矩形阵列分布于所述第二支架上的多个浓度传感器；所述热辐射传感器阵列组包括设置在位于所述集液水箱后方的实验风洞内底壁上的第三支架，矩形阵列分布于所述第三支架上的多个热辐射传感器，且多个所述热辐射传感器构成的矩阵面与所述集液水箱的纵向轴截面共面。
优选地，所述泡沫发生装置包括泡沫发生器、发泡筒和泡沫导管，所述泡沫发生器设置在所述实验风洞的顶部，所述泡沫发生器通过管路和所述发泡筒连通，所述发泡筒和泡沫导管连通，所述泡沫导管的出口端伸入所述实验风洞内，且所述泡沫导管的出口端位于所述集液水箱的正上方。
优选地，在所述集液水箱的底壁开设通孔，所述通孔内攻有内螺纹，所述泄漏管的外壁上具有与所述通孔的内螺纹配合的外螺纹，所述泄漏管螺纹转动连接在所述集液水箱底壁的通孔上，所述泄漏管的下端穿过所述通孔伸出所述集液水箱的底壁与所述供气导管连通，在所述泄漏管的下端设置止回阀。
优选地，在所述集液水箱底壁的上下面上分别设置应力垫片，且所述应力垫片上开设与所述通孔呈同轴设置的圆孔。
优选地，在所述集液水箱外部套设透明有机玻璃罩，所述集液水箱外壁和有机玻璃罩内壁之间形成环形空间，在所述有机玻璃罩侧壁上开设入水口和出水口，且所述出水口位于入水口上方，所述入水口和出水口通过管路与循环水浴连通。
优选地，所述集液水箱的材质为亚克力有机玻璃；在所述集液水箱的上部周侧壁上套置防火层，所述防火层采用石棉板，或者采用聚氯乙烯树脂材料制成；所述集液水箱上刻有标尺；所述泄漏喷口螺纹连接在所述泄漏管的顶端，所述泄漏喷口呈圆形、矩形或三角形结构；所述储气罐内的气体为可燃气体，所述障碍物为多个尺寸不同的不锈钢方块。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：本发明整套装置结构简单，操作性强，测量结果再现性较好，可用于不同外界环境、不同释放工况的水下气体泄漏扩散检测，通过集液水箱模拟水面的气体燃烧工况，由温度和辐射传感器测量水面气体燃烧的特征参数；通过高速摄像机和热成像仪实时监控火焰的高度和温度变化，确定火焰的演化特征，实验结果可用于预测水面燃烧扩散的危害范围和风险评价。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中，1：集液水箱；2：实验风洞；201：风洞舱；202：叶轮；203：整流罩；204：变频器；205：加湿器；206：入口；3：储气罐；4：压力表；5：气阀；6：转子流量计；7：供气导管；8：止回阀；9：应力垫片；11：泄漏管；12：泄漏喷口；13：防火层；14：刻度尺；15：有机玻璃罩；16：入水口；17：出水口；18：循环水浴；100：点火装置；23：点火杆；24：点火支架；25：点火电极；26：温度传感器阵列组；261：第一支架；262：温度传感器；27：浓度传感器阵列组；271：第二支架；272：浓度传感器；28：热辐射传感器阵列组；281：第三支架；282：热辐射传感器；29：热成像仪；30：障碍物；110：泡沫发生装置；31：泡沫发生器；32：发泡筒；33：发泡导管；34：高速摄像机；35：数据采集器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，它包括环境模拟系统、供气系统、点火装置100、抑制扩散及控制燃烧系统、数据采集系统和图像采集系统；
环境模拟系统包括小型实验风洞2，远离实验风洞2进风侧并固定设置在实验风洞2底部的集液水箱1，且集液水箱1的顶部与实验风洞2的内腔连通；
供气系统包括储气罐3、供气导管7和泄漏管11，泄漏管11竖直转动连接在集液水箱1的底壁上，泄漏管11的下端穿出集液水箱1的底壁并通过供气导管7与储气罐3连通；泄漏管11的上端活动设置有泄漏喷口12；
点火装置100设置在实验风洞2内，且点火装置位于集液水箱1和实验风洞2连通处的前方，用于点燃自集液水箱1溢进实验风洞2内的气体；
抑制扩散及控制燃烧系统包括与集液水箱1呈上下相对布置且固定在实验风洞2顶部的泡沫发生装置110，用于向集液水箱1内喷射泡沫来控制气体火焰的燃烧程度；设置在实验风洞2内的障碍物30，且障碍物30分布在集液水箱1和实验风洞2连通处的后方，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；
数据采集系统包括温度传感器阵列组26、浓度传感器阵列组27和热辐射传感器阵列组28，温度传感器阵列组26分布于集液水箱1上方并固定在实验风洞2的内顶壁上，浓度传感器阵列组27和热辐射传感器阵列组28均分布于集液水箱1和实验风洞2连通处的后方，温度传感器阵列组26用于测量火焰燃烧的纵向温度分布；浓度传感器阵列组27用于测量气体浓度的纵面分布状况，热辐射传感器阵列组28用于测量火焰的热辐射危害距离，温度传感器阵列组26、浓度传感器阵列组27和热辐射传感器阵列组28均与实验风洞2外的数据采集器35电连接。
图像采集系统包括高速摄像机34和热成像仪29，高速摄像机34支撑设置在集液水箱1的外部，通过调节焦距记录集液水箱1内气体泄漏过程羽流上升、生长和扩散的演化过程，到达水面后气泡引发的泉涌高度，以及火焰燃烧过程的高度、倾斜角度、形态特征变化；热成像仪29支撑设置在位于集液水箱1和实验风洞2连通处的后方的实验风洞2内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积。
进一步地，实验风洞2包括风洞舱201、叶轮202、整流器203和变频器204，叶轮202和整流器203顺次相邻地安装在风洞舱201的前舱内，外部电机(如图未示出)驱动叶轮201转动，外部电机上设置变频器204，集液水箱1固定设置在所述风洞舱201的后舱外部下方，且集液水箱1顶部与风洞舱201内腔连通，变频器204用于调节电机的转速，从而实现风洞舱201内低风速到大风速的转变，模拟实际海面风速环境。
进一步地，实验风洞2还包括湿度调节器205，风洞舱201顶部留有入口206，湿度调节器205设置在入口206处，用于改变风洞舱201内湿度，方便在实验风洞2内进行不同的海面湿度和风速环境的模拟；优选地，湿度调节器205可采用加湿器或制冷机等设备；
进一步地，在供气导管7上设置压力表4、气阀5和转子流量计6；压力表4用于监测供气导管7内气体压力变化，气阀5用于方便控制储气罐3和泄漏管11之间连接的通断，转子流量计6用于测量供气导管7内的气流流量。
进一步地，在集液水箱1的底壁开设通孔(如图未示出)，通孔内攻有内螺纹，泄漏管11的外壁上具有与通孔的内螺纹配合的外螺纹，泄漏管11螺纹转动连接在集液水箱1底壁的通孔上，泄漏管11的下端穿过通孔伸出集液水箱1的底壁与供气导管7连通，在泄漏管11的下端设置止回阀8，避免在停止供气后液体回流。
进一步地，为方便集液水箱1底部漏水，在集液水箱1底壁的上下面上分别设置应力垫片9，且应力垫片9上开设与通孔呈同轴设置的圆孔(图中未示出)。
进一步地，在集液水箱1外部套设透明有机玻璃罩15，集液水箱1外壁和有机玻璃罩15内壁之间形成环形空间，在有机玻璃罩15侧壁上开设入水口16和出水口17，且出水口17位于入水口16上方，入水口16和出水口17通过管路与循环水浴18连通，循环水浴18不断向环形空间内供水，在集液水箱1外部形成水环隔离层，对集液水箱1起到保温作用，模拟不同的水体环境。
进一步地，在集液水箱1的上部周侧壁上套置防火层13，防火层13可采用石棉板，或者采用聚氯乙烯树脂材料制成，防止集液水箱1的引燃。
进一步地，集液水箱1上刻有标尺14，方便记录气泡羽流的上升过程。
进一步地，泄漏喷口12螺纹连接在泄漏管11的顶端，可以方便更换不同口径和形状的泄漏喷口，模拟不同尺寸的射流工况，优选地，泄漏喷口12呈圆形、矩形或三角形结构。
进一步地，储气罐3内的气体可为甲烷、丙烷等可燃气体。
进一步地，集液水箱1的材质为亚克力有机玻璃，有机玻璃具有较好的强度和较高的透过性，可以较好地采集气泡羽流上升的过程，集液水箱1的尺寸可以根据实际需要和风洞尺寸自行设计。
进一步地，点火装置100包括点火杆23、点火支架24和点火电极25，点火杆23通过点火支架24支撑设置在实验风洞2内，点火电极25与点火杆23电连接，用于控制点火能量大小，可以根据实际泄漏气体的燃点进行设置，优选地，点火支架24滑动设置在实验风洞2的内底壁上，在点燃泄漏气体后，点火支架24沿实验风洞2内底壁滑动带着点火杆23远离燃烧区域，保护点火装置100，点火电极25实现远程控制点火，安全系数高，操作稳定。
进一步地，温度传感器阵列组26包括滑动设置在位于集液水箱1上方的实验风洞2内顶壁上的第一支架261，矩形阵列分布于第一支架261上的多个温度传感器262，沿第一支架261竖向分布的多个温度传感器262能够监测火焰在不同高度的温度分布，从而方便地测量出火焰燃烧的纵向温度分布；浓度传感器阵列组27包括滑动设置在位于集液水箱1后方的实验风洞2内底壁上的第二支架271，矩形阵列分布于第二支架271上的多个浓度传感器272；通过支架261、支架271分别沿实验风洞2的内顶壁和内底壁运动，从而实现不同阵面的数据分布状态的记录；热辐射传感器阵列组28包括设置在位于集液水箱1后方的实验风洞2内底壁上的第三支架281，矩形阵列分布于第三支架281上的多个热辐射传感器282，且多个热辐射传感器282构成的矩阵面与集液水箱1的纵向轴截面共面，这样，可以测得火焰中心面的热辐射危害距离。
进一步地，泡沫发生装置110包括泡沫发生器31、发泡筒32和泡沫导管33，泡沫发生器31设置在实验风洞2的顶部，泡沫发生器31通过管路和发泡筒32连通，发泡筒32和泡沫导管33连通，泡沫导管33的出口端伸入实验风洞2内，且泡沫导管33的出口端位于集液水箱1的正上方，泡沫发生器31内的泡沫液通过管路进入发泡筒32内，在发泡筒32内形成的泡沫经泡沫导管33喷出，由于泡沫导管33的出口端位于集液水箱1的正上方，因此喷出的泡沫喷洒在集液水箱1上方燃烧的火焰上，用于控制火焰的燃烧程度。
进一步地，泡沫液可以为水成膜泡沫液(AFFF)或高倍泡沫液等，可以快速发泡，迅速将火焰控制并熄灭，防止火焰蔓延。
进一步地，障碍物30为尺寸不同的多个不锈钢方块，模拟海面上不同障碍工况下对气体浓度和燃烧特性的影响规律。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于，包括：
环境模拟系统，所述环境模拟系统包括实验风洞，远离所述实验风洞进风侧并固定设置在所述实验风洞底部的集液水箱，且所述集液水箱的顶部与所述实验风洞的内腔连通；
供气系统，所述供气系统包括储气罐、供气导管和泄漏管，所述泄漏管竖直转动连接在所述集液水箱的底壁上，所述泄漏管的下端穿出所述集液水箱的底壁并通过所述供气导管与所述储气罐连通；所述泄漏管的上端活动设置有泄漏喷口；
点火装置，所述点火装置设置在所述实验风洞内，且所述点火装置位于所述集液水箱和实验风洞连通处的前方，用于点燃溢进所述实验风洞内的气体；
抑制扩散及控制燃烧系统，所述抑制扩散及控制燃烧系统包括与所述集液水箱呈上下相对布置且固定在所述实验风洞顶部的泡沫发生装置，以及分布在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的障碍物，用于模拟障碍对气体扩散的分布规律；
数据采集系统包括温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组，所述温度传感器阵列组分布于所述集液水箱上方并固固定在所述实验风洞的内顶壁上，所述浓度传感器阵列组和热辐射温度传感器阵列组均分布于所述集液水箱和实验风洞连通处的后方，所述温度传感器阵列组、浓度传感器阵列组和热辐射传感器阵列组均与所述实验风洞外的数据采集器电连接；
图像采集系统包括高速摄像机和热成像仪，所述高速摄像机支撑设置在集液水箱的外部，用于拍摄水下的气体泄漏扩散上升过程、溢出水面的泉涌高度和火焰燃烧图像；所述热成像仪支撑设置在所述集液水箱和实验风洞连通处后方的所述实验风洞内，用于实时记录火焰燃烧的温度分布特征、气体燃烧扩散面积；
浓度传感器阵列组、热辐射传感器阵列组以及热成像仪均分布在所述障碍物的后方。
2.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述实验风洞包括风洞舱、叶轮、整流器和变频器，所述叶轮和整流器顺次相邻地安装在所述风洞舱的前舱内，外部电机驱动所述叶轮转动，外部电机上设置变频器，所述集液水箱固定设置在所述风洞舱的后舱外部下方，且所述集液水箱顶部与所述风洞舱内腔连通。
3.如权利要求2所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述实验风洞还包括湿度调节器，所述风洞舱顶部留有入口，所述湿度调节器设置在所述入口处，所述湿度调节器采用加湿器或制冷机。
4.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述点火装置包括点火杆、点火支架和点火电极，所述点火支架滑动设置在所述实验风洞内底壁上，所述点火杆固定在所述点火支架上，所述点火电极与所述点火杆电连接。
5.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述温度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱上方的所述实验风洞内顶壁上的第一支架，矩形阵列分布于所述第一支架上的多个温度传感器；所述浓度传感器阵列组包括滑动设置在位于所述集液水箱后方的所述实验风洞内底壁上的第二支架，矩形阵列分布于所述第二支架上的多个浓度传感器；所述热辐射传感器阵列组包括设置在位于所述集液水箱后方的实验风洞内底壁上的第三支架，矩形阵列分布于所述第三支架上的多个热辐射传感器，且多个所述热辐射传感器构成的矩阵面与所述集液水箱的纵向轴截面共面。
6.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述泡沫发生装置包括泡沫发生器、发泡筒和泡沫导管，所述泡沫发生器设置在所述实验风洞的顶部，所述泡沫发生器通过管路和所述发泡筒连通，所述发泡筒和泡沫导管连通，所述泡沫导管的出口端伸入所述实验风洞内，且所述泡沫导管的出口端位于所述集液水箱的正上方。
7.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：在所述集液水箱的底壁开设通孔，所述通孔内攻有内螺纹，所述泄漏管的外壁上具有与所述通孔的内螺纹配合的外螺纹，所述泄漏管螺纹转动连接在所述集液水箱底壁的通孔上，所述泄漏管的下端穿过所述通孔伸出所述集液水箱的底壁与所述供气导管连通，在所述泄漏管的下端设置止回阀。
8.如权利要求7所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：在所述集液水箱底壁的上下面上分别设置应力垫片，且所述应力垫片上开设与所述通孔呈同轴设置的圆孔。
9.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：在所述集液水箱外部套设透明有机玻璃罩，所述集液水箱外壁和有机玻璃罩内壁之间形成环形空间，在所述有机玻璃罩侧壁上开设入水口和出水口，且所述出水口位于入水口上方，所述入水口和出水口通过管路与循环水浴连通。
10.如权利要求1所述的一种用于水下气体泄漏扩散及燃烧的试验系统，其特征在于：所述集液水箱的材质为亚克力有机玻璃；在所述集液水箱的上部周侧壁上套置防火层，所述防火层采用石棉板，或者采用聚氯乙烯树脂材料制成；所述集液水箱上刻有标尺；所述泄漏喷口螺纹连接在所述泄漏管的顶端，所述泄漏喷口呈圆形、矩形或三角形结构；所述储气罐内的气体为可燃气体，所述障碍物为多个尺寸不同的不锈钢方块。
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