CN110554137A - 基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，包括天然气供给系统、实验燃烧系统、障碍物测试实验系统、通用实验风洞系统、实验测量装置系统、数据采集及处理系统和控制系统。本公开通过改变障碍物的相关参数，来研究障碍物对火焰传播的影响，分析火灾危害范围，进而求出火灾安全距离，该方法用于天然气泄漏点火燃烧实验中，具有多变量可单独控制、可远程控制、数据自动采集、实验时间短、实验可重复性高、费用低、安全性高的优点。

Description

基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置
技术领域
本公开属于天然气长输管道安全评价技术领域，尤其涉及一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置。
背景技术
现有的天然气长输管道火灾安全技术的研究中，由于天然气长输管道的铺设地点往往存在着植被、房屋和设备等障碍物，或者地处山区、沟壑，这种情况下火焰的传播十分复杂。因此，对障碍物存在条件下天然气管道泄漏燃烧的研究更接近实际，更具有重要的现实意义，已成为国内外研究者关注的重点。
根据对国内外现行的天然气泄漏燃烧研究装置的调研发明人发现，国内外研究在天然气泄漏燃烧技术尤其是在有障碍物条件下天然气燃烧火焰的研究基本上处于空白的状态。目前研究主要用于研究单一情况下天然气燃烧实验，没有形成通用小型实验平台，可对不同因素对天然气燃烧火灾特性以及作用机理进行模拟研究。
总之，目前研究对天然气泄漏燃烧的小型实验研究并不全面，因此本公开设计了一种用于在障碍物条件下天然气管道燃烧的实验装置。
发明内容
本公开的目的在于提供一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置。
为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：
一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，包括
天然气供给系统，其用于为实验装置提供气源与压力；
实验燃烧系统，其用于模拟天然气的泄漏燃烧；
障碍物测试实验系统，其用于在天然气燃烧出口设置具有不同参数的障碍物；
通用实验风洞系统，其用于模拟自然环境，为天然气的泄漏燃烧提供外部条件；
实验测量装置系统，包括设置于实验装置一侧的监测点阵列，其用于检测天然气泄漏燃烧过程中监测点的温度及辐射；
数据采集及处理系统，其用于实时采集天然气泄漏燃烧过程中的相关参数并进行数据分析；和
控制系统，其用于控制所述通用实验风洞系统和数据采集及处理系统。
进一步的，所述天然气供给系统包括天然气气瓶以及安装于天然气气瓶出口的压力表和减压阀。
进一步的，所述实验燃烧系统包括点火系统、燃烧喷嘴以及用于放置燃烧喷嘴的喷嘴三脚架，其中所述燃烧喷嘴用于模拟天然气的泄漏孔。
进一步的，所述障碍物测试实验系统包括各种实验用障碍物以及用于放置障碍物的障碍物三脚架。
进一步的，所述通用实验风洞系统用于模拟天然气在大气近地面边界层中的蒸发扩散泄漏，实现湿度、温度、辐射和风速可控，且实验风洞系统调节试验段透明。
进一步的，所述监测点阵列由一系列的分布在障碍物面上以及周围的不同的水平区域内的监测点组成，每个监测点上同时布置了热电偶、辐射计以及相应的热电偶位置调节器和辐射计位置调节器，各个监测点的检测信号汇集到数据采集及处理系统进行数据的记录并保存。
进一步的，所述热电偶位置调节器和辐射计位置调节器采用带旋转升降平台，用于调节放置物的位置及高度。
进一步的，所述数据采集及处理系统包括信号处理器以及分别与信号处理器相连的采集卡和高速摄像仪，其中所述采集卡用于采集通用实验风洞系统的实验参数，所述高速摄像仪用于拍摄各实验调件下的火焰图像。
进一步的，所述控制系统包括控制阀门、显示仪表、显示仪器和控制终端，显示仪器实时显示数据采集及处理系统传输来的参数数据，并连接到控制终端。
进一步的，所述实验装置设有甲烷浓度检测仪，所述甲烷浓度检测仪燃料中添加有臭味剂乙硫醇。
进一步的，所述天然气的泄漏量、泄漏孔参数和风速参数能任意单独调节。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本装置可以对自然环境、管道压力、气体释放率、泄漏孔形状及大小、点火时间、各种障碍物尺寸、位置、数量等不同的情况下天然气泄漏燃烧进行可控、量化模拟实验。
(2)在本装置中通过热电偶和辐射计以及高速摄像机可实现对燃烧后温度场、辐射场以及火焰几何形状的监测，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析。
(3)本装置中可以很容易改变障碍物的相关参数来进行障碍物对火焰的影响实验。
(4)本装置气瓶中掺有臭味剂乙硫醇，即若天然气发生泄漏后可及时发现，增加装置设备的安全性。
附图说明
图1为本公开天然气泄漏燃烧实验平台的某一实施例的结构示意图。
图1中：1-甲烷气体钢瓶；2-甲烷减压阀；3-玻璃转子流量计；4-燃烧器喷嘴；5-障碍物；6-热电偶I；7-热电偶II；8-热电偶III；9-热电偶IV；10-辐射计I；11-辐射计II；12-辐射计III；13-辐射计IV；14-热电偶位置调节器；15-辐射计位置调节器；16-燃烧平台；17-采集卡；18-高速摄像仪；19-数据采集及处理系统；20-计算机；21-管道。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
作为一种或多种实施例，一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，包括
天然气供给系统，其用于为实验装置提供气源与压力；
实验燃烧系统，其用于模拟天然气的泄漏燃烧；
障碍物测试实验系统，其用于在天然气燃烧出口设置具有不同参数的障碍物；
通用实验风洞系统，其用于模拟自然环境，为天然气的泄漏燃烧提供外部条件；
实验测量装置系统，包括设置于实验装置周围的监测点，其用于检测天然气泄漏燃烧过程中的温度及辐射；
数据采集及处理系统，其用于实时采集天然气泄漏燃烧过程中的相关参数并进行数据分析；和
控制系统，其用于控制所述通用实验风洞系统和数据采集及处理系统。
所述天然气供给系统包括天然气气瓶以及安装于天然气气瓶出口的压力表和减压阀，所述减压阀的输出管道上连接有流量计。
所述实验燃烧系统与天然气供给系统相连。
所述实验燃烧系统包括点火系统、燃烧喷嘴以及用于放置燃烧喷嘴的喷嘴三脚架，其中所述燃烧喷嘴用于模拟天然气的泄漏孔。
所述障碍物测试实验系统包括各种实验用障碍物以及用于放置障碍物的障碍物三脚架。
具体实施中，所述障碍物间的距离及障碍物距离火焰的位置可通过移动三角架进行调节。
所述三角架还带有旋转升降平台，用于调节障碍物的放置高度。
所述实验风洞系统用于模拟天然气在大气近地面边界层中的蒸发扩散泄漏，实现湿度、温度、辐射和风速可控，且实验风洞系统调节试验段透明，便于实验现象的观察与数据记录。
所述监测点阵列由一系列分布在障碍物一侧的相同的水平区域内的监测点组成，每个监测点上同时布置了热电偶、辐射计以及相应的热电偶位置调节器和辐射计位置调节器，各个监测点的检测信号汇集到数据采集及处理系统进行数据的记录并保存，并连接到控制终端，实时显示各监测点物理参数的变化。
所述热电偶位置调节器和辐射计位置调节器采用带旋转升降平台，用于调节放置物的位置及高度。
所述数据采集及处理系统包括信号处理器以及分别与信号处理器相连的采集卡和高速摄像仪，其中所述采集卡用于采集通用实验风洞系统的实验参数，所述高速摄像仪用于拍摄各实验调件下的火焰图像。
所述控制系统包括控制阀门、显示仪表、显示仪器和控制终端，显示仪器实时显示数据采集及处理系统传输来的参数数据，并连接到控制终端。所述控制终端包括但不限于计算机。
所述实验装置设有甲烷浓度检测仪，所述甲烷浓度检测仪燃料中添加有臭味剂乙硫醇，即天然气发生泄漏后可及时发现，提高了装置的安全性。
所述天然气泄漏量、泄漏孔参数和风速参数可任意单独调节。
在具体实施中，一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置如图1所示，包括甲烷气体钢瓶1，甲烷气体钢瓶1的输出端连接管道上安装有减压阀2，减压阀2的输出管道上连接有玻璃转子流量计3，流量计3输出端通过管道21与燃烧喷嘴4的输入端连接，燃烧喷嘴4设置于燃烧平台16上，燃烧喷嘴4的输出端一定距离处布置有障碍物5，障碍物5一侧布置有多个监测点，每个监测点均设有热电偶和辐射计，具体的，距离燃烧喷嘴0.3m处喷嘴前方0.15m、0.3m、0.45m和0.6m四个不同的水平距离处，分别设有热电偶I 6、热电偶II 7、热电偶III 8和热电偶IV9，热电偶安装于热电偶位置调节器14上；距离喷嘴一侧1m位置的喷嘴前方依次布置热辐射计I 10、热辐射计II 11、热辐射计III 12和热辐射计IV13，热辐射计间距与热电偶间距相同，热辐射计安装于辐射计位置调节器15上，实验装置实验风洞系统调节试验段处设有采集卡17和高速摄像仪18，采集卡17和高速摄像仪18与数据采集及处理系统19相连，数据采集及处理系统19与计算机相连。
基于上述实验装置的工作原理为：
甲烷气体钢瓶1为系统提供气源与压力，用于调节气源压力至实验所需压力，其出口通过气瓶阀门减压阀2两级减压后连接到输气管道给流量计3供气，气体流量计3用于计量气体注入量，并通过输气管道输送至燃烧喷嘴4；
实验中的变量有三个：障碍物的尺寸、障碍物距喷嘴的长度及障碍物的数量。
实验中的障碍物设计为正方体，边长分四种情况，包括70mm、120mm、170mm和220mm，在实验过程中，分别将不同边长的正方体障碍物置于喷嘴输出端，测量实验结果，分析实验数据，得到实验所要表征的温度、热辐射等参数；取合适的障碍物边长，进行障碍物高度的改变，障碍物高度以每隔30mm进行增加，增加次数根据边长确定，最少增加两次。
在泄漏孔径、喷射速度以及障碍物尺寸不变的情况下，改变障碍物与泄漏孔的间距来研究喷射火焰对障碍物的影响，此时，障碍物的高度根据前面对障碍物尺寸的分析已得到，然后从离泄漏孔的距离由近及远移动障碍物的位置，间隔200mm，分析数据的变化差距。
在喷射速度和障碍物与泄漏孔间距不变的情况下，分析障碍物数量对喷射火的影响，如2个时，其中一个障碍物设置在喷射孔正前方200mm处。改变另一个障碍物的位置，间距分别为200mm，300mm，400mm。
实验结果显示，火焰与障碍物作用过程中，会出现不同程度的形变，减小火焰的燃烧面积，有效阻挡火焰在水平方向的传播；障碍物高度越高，对控制火焰传播的效果越好，但随着障碍物高度的增加，后方温度和辐射下降幅度减小；障碍物宽度越小，可燃气体扩散到障碍物后方的涡团浓度越大，容易在后方加剧燃烧使温度升高，而障碍物后方温度较低，并且小于没有障碍物的情况；随着障碍物与泄漏孔间距的增加，在轴线方向的温度变化呈先增大后减小的规律，最高温度分布区域约为火焰长度的40％～50％。障碍物交错布置时，障碍物前方所产生的温度比平行放置时增加40％，障碍物后方温度增加53.2％，交错障碍物大大提高了火焰湍流强度，并且增加了周围火焰的温度和辐射，所以在实际环境中，应该避免环境中的障碍物交错布置。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于：包括
天然气供给系统，其用于为实验装置提供气源与压力；
实验燃烧系统，其用于模拟天然气的泄漏燃烧；
障碍物测试实验系统，其用于在天然气燃烧出口设置具有不同参数的障碍物；
通用实验风洞系统，其用于模拟自然环境，为天然气的泄漏燃烧提供外部条件；
实验测量装置系统，包括设置于实验装置四周的监测点阵列，其用于检测天然气泄漏燃烧过程中的温度及辐射；
数据采集及处理系统，其用于实时采集天然气泄漏燃烧过程中的相关参数并进行数据分析；和
控制系统，其用于控制所述通用实验风洞系统和数据采集及处理系统。
2.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述天然气供给系统包括天然气气瓶以及安装于天然气气瓶出口的压力表和减压阀。
3.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述实验燃烧系统包括点火系统、燃烧喷嘴以及用于放置燃烧喷嘴的喷嘴三脚架，其中所述燃烧喷嘴用于模拟天然气的泄漏孔。
4.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述障碍物测试实验系统包括各种实验用障碍物以及用于放置障碍物的障碍物三脚架。
5.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述实验风洞系统用于模拟天然气在大气近地面边界层中的蒸发扩散泄漏，实现湿度、温度、辐射和风速可控，且实验风洞系统调节试验段透明。
6.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述监测点阵列由一系列的分布在障碍物面上以及周围的不同的水平区域内的监测点组成，每个监测点上同时布置了热电偶、辐射计以及相应的热电偶位置调节器和辐射计位置调节器，各个监测点的检测信号汇集到数据采集及处理系统进行数据的记录并保存。
7.如权利要求6所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述热电偶位置调节器和辐射计位置调节器采用带旋转升降平台，用于调节放置物的位置及高度。
8.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述数据采集及处理系统包括信号处理器以及分别与信号处理器相连的采集卡和高速摄像仪，其中所述采集卡用于采集通用实验风洞系统的实验参数，所述高速摄像仪用于拍摄各实验调件下的火焰图像。
9.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述控制系统包括控制阀门、显示仪表、显示仪器和控制终端，显示仪器实时显示数据采集及处理系统传输来的参数数据，并连接到控制终端。
10.如权利要求1所述的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验装置，其特征在于，所述实验装置设有甲烷浓度检测仪，所述甲烷浓度检测仪燃料中添加有臭味剂乙硫醇。
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