CN110736580A - 一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法 - Google Patents

一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢气‑干空气‑水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法。测试装置包括一个圆柱形爆炸容器，在爆炸容器顶部竖直安装进水管和压力表弯管，在底部安装排水管，进水管与进气管连通，采用分压法控制进入爆炸容器的氢气量和干空气量，进水管顶端与水箱连通，利用重力作用和质量流量控制器将一定量的水从水箱注入爆炸容器，在爆炸容器壁外设加热保温层，通过温度控制柜控制加热温度，水在爆炸容器内被加热至一定温度后形成水蒸汽，水蒸汽、氢气和干空气混合均匀后经点火杆点火产生爆炸，爆炸压力数据由压力传感器、数据采集器和计算机采集。本发明测试装置结构简单，易于操作控制，安全性能高，易于推广。

Description

一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及氢气风险控制领域，具体是一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法。
背景技术
核电站反应堆在发生严重事故时可能会产生大量氢气，对局部隔间和安全壳的结构完整性造成极大威胁，甚至造成大量放射性物质外泄，例如1979年美国三里岛核事故和2011年日本福岛核事故都证明了核电站在事故情况下氢气燃爆可能导致严重后果。氢气在发生燃爆时会释放大量能量，以压力和温度载荷形式作用在周围结构上，由于热散失速率快，燃爆导致结构温度上升量往往并不大，但是会在极短时间内形成较高压力峰值，瞬间对结构造成损坏，因此为了有效控制氢气风险，准确评估氢气燃爆压力至关重要。核电站在发生严重事故(如大破口事故、蒸汽发生器管道断裂事故等)时，安全壳和局部隔间内除了含有氢气和空气之外，还存在水蒸汽。水蒸汽对氢气-空气混合气体点火爆炸所产生的压力特性有重要影响，因此基于核电站严重事故真实环境，开展有水蒸汽条件下的氢气-干空气爆炸压力特性研究对于核电站氢气风险控制具有重要现实意义。
目前，国内外用于进行含有水蒸汽条件下的氢气爆炸压力测试的装置还很少。例如，美国在1986年搭建了容积为5.6立方米的中等规模实验装置FITS，测量了不同组分浓度、压力和温度条件下的氢气-空气-水蒸汽燃烧压力。意大利在1990年利用HYDRO-SH实验装置(0.5立方米容积)对非均匀混合的氢气-空气-水蒸气混合气体的燃烧进行实验，在燃烧罐内设有一个简易蒸汽发生器，通过喷淋装置将水注入燃烧罐内的蒸汽发生器，利用电加热棒将水加热成水蒸汽。德国在2009年基于THAI装置(60立方米容积)开展了不同水蒸汽浓度下的氢气燃烧实验。另外，加拿大曾经利用容积为10立方米的罐子对火焰在有障碍物的受限空间中的传播进行实验研究，考察了水蒸汽因素的影响作用。中国科学院等离子体物理研究所建立了有障碍物氢气爆炸实验装置，在含有水蒸汽和障碍物的受限空间内开展了氢气爆炸实验。不过，现有装置的不足在于：(1)在爆炸容器外设置蒸汽发生器，通过电加热水的方式产生水蒸汽，然后将水蒸汽通过外部设有加热保温层并且温度稳定在一定范围内的管道注入爆炸容器，导致装置结构复杂，操作繁琐，并且因水蒸汽易冷凝，爆炸容器内的水蒸汽量不易控制，此外，蒸汽发生器锅炉内易产生水垢，会影响锅炉的安全运行；(2)在爆炸容器内设置专用设备以利用电能直接将水加热产生水蒸汽，该设备在爆炸容器内对于氢气火焰传播来说构成障碍物结构，会对氢气爆炸压力的测试产生很大影响，并且存在发生意外点火爆炸的风险，可能会对实验装置和实验人员造成伤害。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置及测试方法。
本发明的技术方案是：
包括一个立式圆柱体形的爆炸容器，在爆炸容器的上法兰盖中间区域设有竖直的进水管和竖直的压力表弯管；进水管顶端与水箱底部连通，在进水管上从上至下依次安装质量流量控制器、进水管阀和气管；压力表弯管顶端连接压力变送器，下部安装根部阀；在气管上从进水管连接位置开始依次安装气管阀、气管阻火器、排气管线、氢气管线、干空气管线、氮气管线和真空泵管线；在爆炸容器的下法兰盖中心设有竖直的排水管，在排水管上安装排水管阀；在爆炸容器圆筒的二分之一高度位置安装点火杆，点火端位于爆炸容器中心，点火杆与点火器连接；在圆筒上与点火杆相对的位置安装压力传感器，压力传感器通过数据采集器与计算机连接；加热保温层对爆炸容器、进水管阀、排水管阀、气管阀和压力变送器根部阀整体加热保温，加热保温层与温度控制柜连接；爆炸容器、水箱、质量流量控制器、阻火器、管道和阀门为不锈钢材质。
所述爆炸容器的长径比在1至1.5范围内。
所述气管以气管与进水管连接处为参考点，向上倾斜5度。
所述排气管线包括排气管、排气管阀和排气管阻火器，排气管位于气管上部，排气管阻火器位于排气管出口，排气管出口在排气管顶端。
所述氢气管线包括氢气管，在氢气管上从气管连接位置开始依次连接氢气管阀、氢气减压器和氢气高压气瓶，氢气管阀位于气管上部。
所述干空气管线包括干空气管，在干空气管上从气管连接位置开始依次连接干空气管阀、干空气减压器和干空气高压气瓶，干空气管阀位于气管上部。
所述氮气管线包括氮气管，在氮气管上从气管连接位置开始依次连接氮气管阀、氮气减压器和氮气高压气瓶，氮气管阀位于气管上部。
所述真空泵管线包括真空泵管，真空泵管位于气管上部，在真空泵管上从气管连接位置开始依次连接真空泵管阀、真空泵和真空泵管阻火器，真空泵管阻火器位于真空泵管出口，真空泵管出口在真空泵管顶端。
本发明还提出一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置的压力测试方法，包括以下步骤：
(1)启动数据采集器和计算机，确保压力数据采集正常；
(2)关闭质量流量控制器，打开排水管阀、进水管阀和压力变送器根部阀，关闭气管阀，在温度控制柜上设定装置加热温度并按下“启动”按钮，通过加热保温层对装置加热保温，使爆炸容器内气体温度稳定在设定值，然后关闭排水管阀；
(3)关闭排气管阀、干空气管阀、氢气管阀和氮气管阀，打开真空泵管阀和气管阀，启动真空泵，使压力变送器显示压力达-99.4kPa，关闭真空泵管阀，停止真空泵；
(4)打开干空气瓶阀，调节干空气减压器出口压力，打开干空气管阀，向爆炸容器注入干空气，当压力变送器显示压力为干空气计算分压时，关闭干空气管阀和干空气瓶阀；
(5)打开氢气瓶阀，调节氢气减压器出口压力，打开氢气管阀，向爆炸容器注入氢气，当压力变送器显示压力为干空气和氢气计算分压之和时，关闭氢气管阀和氢气瓶阀；
(6)关闭气管阀，保证水箱内水量足够多，在质量流量控制器上设定水质量，使水向爆炸容器流动，当水质量测量值等于水质量设定值时，质量流量控制器自动关闭，然后关闭进水管阀；
(7)水在爆炸容器内被充分加热成为水蒸汽，水蒸汽、干空气和氢气混合均匀后，关闭压力变送器根部阀；
(8)按下点火器“电源开”按钮，开始采集压力数据，按下点火器“点火开”按钮，10秒后停止采集压力数据，按下点火器“点火关”按钮、点火器“电源关”按钮和温度控制柜“停止”按钮；
(9)打开压力变送器根部阀、氮气瓶阀，调节氮气减压器出口压力，打开氮气管阀和气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀，打开排气管阀，当压力变送器显示压力为0kPa时，关闭排气管阀；
(10)打开氮气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀，打开排气管阀，当压力变送器显示压力为0kPa时，关闭排气管阀；
(11)重复第(10)步1次；
(12)打开真空泵管阀，启动真空泵，当压力变送器显示压力达-99.4kPa时，关闭真空泵管阀，停止真空泵。
(13)打开氮气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力为100kPa时，关闭氮气管阀和氮气瓶阀。
(14)提取实验数据，关闭数据采集器和计算机，断开真空泵、点火器、温度控制柜、数据采集器和计算机的电源，实验结束。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.避免使用蒸汽发生器，直接向爆炸容器注入一定量的水，水在爆炸容器内被加热成水蒸汽，水蒸汽与氢气和干空气混合均匀后经点火器点火发生爆炸，简化了装置结构，便于控制爆炸容器内水蒸汽浓度，并且安全性高。
2.利用重力作用提供水进入爆炸容器的动力，避免使用水泵，使装置结构更简单，便于控制爆炸容器内水质量。
附图说明
图1为本发明验装置的结构原理示意图。
图中：1.爆炸容器；2.上法兰盖；3.进水管；4.压力表弯管；5.水箱；6.质量流量控制器；7.进水管阀；8.气管；9.压力变送器；10.压力变送器根部阀；11.气管阀；12.气管阻火器；13.排气管；14.氢气管；15.干空气管；16.氮气管；17.真空泵管；18.排气管阀；19.排气管阻火器；20.氢气管阀；21.氢气减压器；22.氢气高压气瓶；23.干空气管阀；24.干空气减压器；25.干空气高压气瓶；26.氮气管阀；27.氮气减压器；28.氮气高压气瓶；29.真空泵管阀；30.真空泵；31.真空泵管阻火器；32.下法兰盖；33.排水管；34.排水管阀；35.圆筒；36.点火杆；37.点火端；38.点火器；39.压力传感器；40.数据采集器；41.计算机；42.加热保温层；43.温度控制柜；44.干空气瓶阀；45.氢气瓶阀；46.氮气瓶阀。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置示意图。本发明包括一个立式圆柱体形的爆炸容器1，爆炸容器1的净高为0.5米，内径为0.4米，长径比在1至1.5范围内。在爆炸容器1的上法兰盖2的中心位置竖直安装进水管3，在上法兰盖2上与进水管3之间距离为0.2米的位置竖直安装压力表弯管4。进水管3的顶端与水箱5的底部连通，水箱5的容积为10升。在进水管3上从上至下依次安装质量流量控制器6、进水管阀7和气管8。在压力表弯管4的顶端安装压力变送器9，在压力变送器9与爆炸容器1之间安装压力变送器根部阀10。气管8以气管8与进水管3之间的连接处为参考点向上倾斜，气管8与水平面之间的夹角为5度。在气管8上从进水管3连接位置开始依次安装气管阀11、气管阻火器12、排气管13、氢气管14、干空气管15、氮气管16和真空泵管17。排气管13位于气管8的上部，排气管13底部安装排气管阀18，在排气管13出口安装排气管阻火器19，排气管13出口在排气管13顶端。在氢气管14上从气管8连接位置开始依次连接氢气管阀20、氢气减压器21和氢气高压气瓶22，氢气管阀20位于气管8的上部。在干空气管15上从气管8连接位置开始依次连接干空气管阀23、干空气减压器24和干空气高压气瓶25，干空气管阀23位于气管8的上部。在氮气管16上从气管8连接位置开始依次连接氮气管阀26、氮气减压器27和氮气高压气瓶28，氮气管阀26位于气管8的上部。在真空泵管17上从气管8连接位置开始依次连接真空泵管阀29、真空泵30和真空泵管阻火器31，真空泵管17位于气管8的上部，真空泵管阻火器31位于真空泵管17出口，真空泵管17出口在真空泵管17顶端。在爆炸容器1的下法兰盖32的中心位置竖直安装排水管33，在排水管上安装排水管阀34。在爆炸容器1圆筒35的二分之一高度位置水平安装点火杆36，点火端37位于爆炸容器1中心，点火杆36与点火器38连接。在爆炸容器1圆筒35上与点火杆36相对的位置安装压力传感器39，压力传感器39经数据采集器40与计算机41连接。加热保温层42对爆炸容器1、进水管阀7、排水管阀34、气管阀11和压力变送器根部阀10整体加热保温，加热保温层42与温度控制柜43连接。爆炸容器1、水箱5、质量流量控制器6，以及所有阻火器、管道和阀门都采用不锈钢材质。如果本发明的压力测试装置位于室外，则排气管13的出口和真空泵管17的出口都高出水箱5顶部2米以上，如果本发明的压力测试装置位于室内，则排气管13的出口和真空泵管17的出口都高出屋顶2米以上。
氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置的压力测试方法，包括以下步骤：
(1)启动数据采集器40和计算机41，确保数据采集正常。
(2)关闭质量流量控制器6，打开排水管阀34、进水管阀7和压力变送器根部阀10，关闭气管阀11，在温度控制柜43上设定装置加热温度并按下“启动”按钮，通过加热保温层42对装置加热保温，使爆炸容器1内的气体温度稳定在设定值，然后关闭排水管阀34。
(3)关闭排气管阀18、氢气管阀20、干空气管阀23和氮气管阀26，打开真空泵管阀29和气管阀11，启动真空泵30，从容器1往外抽气，使压力变送器9显示压力达-99.4kPa，关闭真空泵管阀29，停止真空泵30。
(4)打开干空气瓶阀44，调节干空气减压器24的出口压力，打开干空气管阀23，向爆炸容器1注入干空气，当压力变送器9显示压力为干空气计算分压时，关闭干空气管阀23和干空气瓶阀44。
(5)打开氢气瓶阀45，调节氢气减压器21的出口压力，打开氢气管阀20，向爆炸容器1注入氢气，当压力变送器9显示压力为干空气和氢气计算分压之和时，关闭氢气管阀20和氢气瓶阀45。
(6)关闭气管阀11，保证水箱5内的水量足够多，在质量流量控制器6上设定水质量，使水向爆炸容器1流动，当水质量测量值等于水质量设定值时，质量流量控制器6自动关闭，然后关闭进水管阀7。
(7)水在爆炸容器1内被充分加热成为水蒸汽，水蒸汽与干空气和氢气混合均匀后，关闭压力变送器根部阀10。
(8)按下点火器38的“电源开”按钮，开始进行压力数据采集，按下点火器38的“点火开”按钮对爆炸容器1内的混合气体点火，10秒后停止采集压力数据，按下点火器38的“点火关”按钮、点火器38的“电源关”按钮和温度控制柜43的“停止”按钮。
(9)打开压力变送器根部阀10、氮气瓶阀46，调节氮气减压器27出口压力，打开氮气管阀26和气管阀11，向爆炸容器1注入氮气，当压力变送器9显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀26，打开排气管阀18，当压力变送器9显示压力为0kPa时，关闭排气管阀18；
(10)打开氮气管阀26，向爆炸容器1注入氮气，当压力变送器9显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀26，打开排气管阀18，当压力变送器9显示压力为0kPa时，关闭排气管阀18；
(11)重复第(10)步1次；
(12)打开真空泵管阀29，启动真空泵30，当压力变送器9显示压力达-99.4kPa时，关闭真空泵管阀29，停止真空泵30。
(13)打开氮气管阀26，向爆炸容器1注入氮气，当压力变送器9显示压力为100kPa时，关闭氮气管阀26和氮气瓶阀46。
(14)提取实验数据，关闭数据采集器40和计算机41，断开真空泵30、点火器38、温度控制柜43、数据采集器40和计算机41的电源，实验结束。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于：
包括一个立式圆柱体形的爆炸容器，在爆炸容器的上法兰盖中间区域设有竖直的进水管和竖直的压力表弯管；进水管顶端与水箱底部连通，在进水管上从上至下依次安装质量流量控制器、进水管阀和气管；压力表弯管顶端连接压力变送器，下部安装根部阀；在气管上从进水管连接位置开始依次安装气管阀、气管阻火器、排气管线、氢气管线、干空气管线、氮气管线和真空泵管线；在爆炸容器的下法兰盖中心设有竖直的排水管，在排水管上安装排水管阀；在爆炸容器圆筒的二分之一高度位置安装点火杆，点火端位于爆炸容器中心，点火杆与点火器连接；在圆筒上与点火杆相对的位置安装压力传感器，压力传感器通过数据采集器与计算机连接；加热保温层对爆炸容器、进水管阀、排水管阀、气管阀和压力变送器根部阀整体加热保温，加热保温层与温度控制柜连接；爆炸容器、水箱、质量流量控制器、阻火器、管道和阀门为不锈钢材质。
2.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述爆炸容器的长径比在1至1.5范围内。
3.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述气管以气管与进水管连接处为参考点，向上倾斜5度。
4.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述排气管线包括排气管、排气管阀和排气管阻火器，排气管位于气管上部，排气管阻火器位于排气管出口，排气管出口在排气管顶端。
5.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述氢气管线包括氢气管，在氢气管上从气管连接位置开始依次连接氢气管阀、氢气减压器和氢气高压气瓶，氢气管阀位于气管上部。
6.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述干空气管线包括干空气管，在干空气管上从气管连接位置开始依次连接干空气管阀、干空气减压器和干空气高压气瓶，干空气管阀位于气管上部。
7.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述氮气管线包括氮气管，在氮气管上从气管连接位置开始依次连接氮气管阀、氮气减压器和氮气高压气瓶，氮气管阀位于气管上部。
8.根据权利要求1所述的一种氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置，其特征在于，所述真空泵管线包括真空泵管，真空泵管位于气管上部，在真空泵管上从气管连接位置开始依次连接真空泵管阀、真空泵和真空泵管阻火器，真空泵管阻火器位于真空泵管出口，真空泵管出口在真空泵管顶端。
9.一种使用权利要求1-8任一项所述的氢气-干空气-水蒸汽爆炸压力测试装置的压力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动数据采集器和计算机，确保压力数据采集正常；
(2)关闭质量流量控制器，打开排水管阀、进水管阀和压力变送器根部阀，关闭气管阀，在温度控制柜上设定装置加热温度并按下“启动”按钮，通过加热保温层对装置加热保温，使爆炸容器内气体温度稳定在设定值，然后关闭排水管阀；
(3)关闭排气管阀、干空气管阀、氢气管阀和氮气管阀，打开真空泵管阀和气管阀，启动真空泵，使压力变送器显示压力达-99.4kPa，关闭真空泵管阀，停止真空泵；
(4)打开干空气瓶阀，调节干空气减压器出口压力，打开干空气管阀，向爆炸容器注入干空气，当压力变送器显示压力为干空气计算分压时，关闭干空气管阀和干空气瓶阀；
(5)打开氢气瓶阀，调节氢气减压器出口压力，打开氢气管阀，向爆炸容器注入氢气，当压力变送器显示压力为干空气和氢气计算分压之和时，关闭氢气管阀和氢气瓶阀；
(6)关闭气管阀，保证水箱内水量足够多，在质量流量控制器上设定水质量，使水向爆炸容器流动，当水质量测量值等于水质量设定值时，质量流量控制器自动关闭，然后关闭进水管阀；
(7)水在爆炸容器内被充分加热成为水蒸汽，水蒸汽、干空气和氢气混合均匀后，关闭压力变送器根部阀；
(8)按下点火器“电源开”按钮，开始采集压力数据，按下点火器“点火开”按钮，10秒后停止采集压力数据，按下点火器“点火关”按钮、点火器“电源关”按钮和温度控制柜“停止”按钮；
(9)打开压力变送器根部阀、氮气瓶阀，调节氮气减压器出口压力，打开氮气管阀和气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀，打开排气管阀，当压力变送器显示压力为0kPa时，关闭排气管阀；
(10)打开氮气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力上升值达2倍点火前混合气体压力时，关闭氮气管阀，打开排气管阀，当压力变送器显示压力为0kPa时，关闭排气管阀；
(11)重复第(10)步1次；
(12)打开真空泵管阀，启动真空泵，当压力变送器显示压力达-99.4kPa时，关闭真空泵管阀，停止真空泵。
(13)打开氮气管阀，向爆炸容器注入氮气，当压力变送器显示压力为100kPa时，关闭氮气管阀和氮气瓶阀。
(14)提取实验数据，关闭数据采集器和计算机，断开真空泵、点火器、温度控制柜、数据采集器和计算机的电源，实验结束。
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