CN110926731A - 一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明主要针对压力容器安全领域，提供一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，包含高压气体泄放罐(1)、进料控制模块(2)、背压控制模块(3)、泄放控制模块(4)、温度测量控制系统(5)、压力测量模块(6)、质量流率测量模块(7)、多通道数据采集系统(8)、泄放喷嘴(9)、透明封腔(10)、障碍物模型(11)以及高速纹影拍摄系统(12)。本发明用于模拟高温高压气体的泄漏、扩散场景，联动拍摄流场分布，实时测量压力、温度、泄放速率变化，研究泄漏、扩散流场特征，为泄漏安全风险评估、事故溯源、安全屏障策略制定提供有效数据支撑。
Description
技术领域
本发明主要涉及压力容器安全领域，特别涉及一种高压气体泄放联动测量试验系统，用于研究泄漏、扩散流场特征，为泄漏安全风险评估、事故溯源、安全屏障策略制定提供有效数据支撑。
背景技术
压力容器是我国经济建设中常用的特种设备，广泛应用于石油化工、能源、科研和军工等各个工业生产部门。压力容器的工作环境非常苛刻，通常要承受较高的压力、经受较大范围的温度变化、且工作介质也复杂多变。压力容器在使用过程中，由于设备系统连接件之间的密封不严、腐蚀穿孔、以及人为管理不善等因素引起的泄漏在国内外屡见不鲜。压力容器一旦发生泄漏，易燃、易爆、有毒气体向周围大气扩散，会破坏周边环境、危及人身和财产安全、严重时会造成巨大经济损失。
气体从压力容器泄漏后形成自由射流，与周围空气进行动量、质量和热量的交换，在大气中膨胀扩散，直至浓度和压力达到平衡。这一过程极其复杂，不仅有较强的非定常湍流特征和三维效应，并且伴随着射流声场以及激波等强流动间断，研究难度大。自上世纪七八十年代开始，国外学者采用实验和理论分析相结合的方法，对高压气体的泄漏过程开展研究，并提出了Sutton模型、高斯模型(Gaussian Plume)、BM(Britten and McQueen)模型、板块模型等多种典型的扩散模型，这些模型多为基于实验测量结果的经验估计模型，计算精度较差，并且没有考虑高压气体喷射后的再压缩和膨胀过程，也没有考虑流动中的湍流非定常效应。目前，国内相关研究起步较晚，现有研究多基于国外模型，开展计算流体力学方法研究，较少从泄漏、扩散机理实验研究出发，通过实验开展深入研究，实现对压力容器真实泄漏和扩散过程的详细刻画和精确描述。
因此，有必要开发高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，模拟高温高压气体泄漏、扩散场景，从高压气体泄放温度、压力、质量流率及流场变化出发，从机理上研究泄漏、扩散流场特征，开发高精度预测模型，为泄漏安全风险评估、事故溯源、安全屏障策略制定提供有效理论和数据支撑。
发明内容
本发明目的是提供一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，用于模拟高温、高压气体的泄漏、扩散场景，联动拍摄流场分布，实时联动测量压力、温度、泄放速率变化，研究泄漏、扩散流场特征，为泄漏安全风险评估、事故溯源、安全屏障策略制定提供有效数据支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于，包含高压气体泄放罐、进料控制模块、背压控制模块、泄放控制模块、温度测量控制系统、压力测量模块、质量流率测量模块、多通道数据采集系统、泄放喷嘴、透明封腔、以及高速纹影拍摄系统；
所述高压气体泄放罐具有数个泄放口；
所述进料控制模块与所述高压气体泄放罐相连接，提供纯净、稳定且不倒流的气体；
所述背压控制模块与所述高压气体泄放罐相连接，保障高压气体泄放罐内压力恒定和超压自动安全泄放；
所述泄放控制模块与高压气体泄放罐上的所述数个泄放口连接，控制所述泄放口的启闭；
所述温度测量控制系统置于所述高压气体泄放罐内，用于对高压气体泄放罐内气体进行加热，并测量高压气体泄放罐内气体温度变化；
所述压力测量模块与所述高压气体泄放罐的罐体以及泄放口相连接，能够显示罐体内压力，还能够实时测量泄放口处的压力波动状况；
所述质量流率测量模块连接在泄放控制系统的后端，用于测量通过各泄放口进入透明封腔的气体质量流率信号；
所述多通道数据采集系统与所述温度测量控制系统、压力测量模块以及质量流率测量模块连接，同步实时采集所述温度测量控制系统、压力测量模块以及质量流率测量模块提供的瞬态数据；
所述泄放喷嘴安装在质量流率测量模块后端；
所述透明封腔连接于所述泄放喷嘴的后端；
所述高速纹影拍摄系统安装在透明封腔的旁侧。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：在所述透明封腔还布置有障碍物模型。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述高压气体泄放罐采用PTFE凹槽密封，采用抱环式快开紧固。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述高压气体泄放罐侧壁的上、中、下位置开设三个所述泄放口。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：每个泄放口焊接有喷管，喷管长度1～5cm，喷管连接有三通的一个接口，三通的另外两个接口分别连通于所述泄放控制模块以及所述压力测量模块。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述进料控制模块依次由减压阀、过滤器、针阀、单向阀以及压力表串联组成。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述泄放控制模块具有耐高压、耐高温的数个电磁控制阀，分别与所述数个泄放口相连通，所述电磁控制阀还连接有远程控制器。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述温度测量控制系统包含两个温度传感器、一个电加热棒、一个温度控制箱以及一个温度表；其中一个温度传感器布置在高压气体泄放罐内部，另一个温度传感器布置在所述电加热棒的套管内，测量电加热棒的辐射温度变化，所述电加热棒插入所述高压气体泄放罐内，所述温度控制箱根据安装在高压气体泄放罐顶部的所述温度表来校核精度，用于控制电加热棒的加热功率。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述数个泄放口具有不同的内口形状和/或大小。
所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其中：所述高速纹影拍摄系统包含分体式纹影光学组件和高速摄像机，分体式纹影光学组件的有效通光口径ф100～500mm，其主要由两组平面反射镜、两组球面反射镜、一组狭缝以及一组刀口组成，能够自由移动，所述球面反射镜的镜面均方根粗糙度小于31.64nm，反射率大于90％；所述高速摄像机安装在所述刀口后端，拍摄超音速时512×512分辨率下帧数不低于40000fps。
附图说明
图1是本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
以下将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按真实比例绘制的。
如图1所示，本发明提供的一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，包含高压气体泄放罐1、进料控制模块2、背压控制模块3、泄放控制模块4、温度测量控制系统5、压力测量模块6、质量流率测量模块7、多通道数据采集系统8、泄放喷嘴9、透明封腔10、障碍物模型11、以及高速纹影拍摄系统12。
所述高压气体泄放罐1需根据试验需求设计大小、壁厚及材质，密封方式采用PTFE凹槽密封，紧固方式采用抱环式快开紧固；顶部开设有进料管、压力传感器接管(长度不小于3cm)、压力表接管、电阻式加热棒接口、温度传感器接口、安全泄放阀接口和背压阀接口；侧壁开有一个温度传感器接口，侧壁的上、中、下位置开设三个泄放口(根据试验需求可调节泄放口位置及数量，且每个泄放口焊接有喷管，喷管长度1～5cm，喷口带外螺纹)，喷口侧通过三通分别连接泄放控制系统4电磁控制阀和压力测量模块6的压力传感器；罐体外表面加设保温材料(如石英棉)保温，厚度不低于1cm；投入使用前需强度校核及水压实验测试，符合压力容器标准设计要求后方可使用。
所述进料控制模块2依次由减压阀、过滤器、针阀、单向阀、压力表串联组成，与所述进料管相连接，保障进入罐体气体纯净、稳定且不倒流。
所述背压控制模块3同时包含背压阀(根据试验压力可调)和安全泄放阀(工作压力为最大设计压力)，所述背压阀与所述背压阀接口相连接，所述安全泄放阀与所述安全泄放阀接口相连接，保障泄放罐内压力恒定和超压自动安全泄放。
所述泄放控制模块4具有耐高压、耐高温的三个电磁控制阀，分别与所述三个泄放口上的喷管一一对应地通过所述三通相连通，所述电磁控制阀还连接有远程控制器，可远程控制泄放口的开闭。
所述温度测量控制系统5包含两个温度传感器、一个电加热棒(工作温度大于试验设计温度)、一个温度控制箱(含控制软件)以及一个温度表(量程需大于设计温度)；其中温度传感器的响应时间需小于0.5s且满足试验要求测量范围和精度；其中一个温度传感器(量程需大于设计温度)的探头布置在高压气体泄放罐1内部，测量罐体内气体温度变化；另一个温度传感器(量程需大于设计温度)布置在所述电加热棒的套管内，测量电加热棒的辐射温度变化；所述电加热棒插入所述高压气体泄放罐1内；温度控制箱能够控制电加热棒的加热功率，其内置温度数显显示两个温度传感器数值，并具有数据记录、控制、报警、紧急切断功能；温度控制箱数显需根据高压气体泄放罐1顶部安装的温度表来校核精度，加热前需在温度控制箱上设定好电加热棒的加热温度和高压气体泄放罐1内的工作温度，进行自行加热及紧急切断。
所述压力测量模块6包含四个压力传感器(最大采样频率不低于1000Hz)与一个压力表(量程需大于设计压力)；压力传感器需满足试验要求测量范围、频率及精度；其中一个压力传感器安装在高压气体泄放罐1顶部，实时显示罐内压力，用于压力传感器精度校核；另外三个压力传感器与高压气体泄放罐1侧壁的三个泄放口的喷管一一对应地通过所述三通连接(螺纹连接，连接管长度不少于3cm)，用于实时测量泄放时压力波动状况。
所述质量流率测量模块7包含三个科式质量流量计(最大量程不低于1g/s，最大采样频率不低于1000Hz)，需满足试验要求测量范围、频率及精度，且能承受试验要求的高温高压环境，能测量瞬时和累计质量流率；三个科式质量流量计分别螺纹连接在泄放控制系统4中三个电磁阀后端。
所述多通道数据采集系统8同步实时采集一组温度信号(安装在高压气体泄放罐1内部的温度传感器信号)、四组压力信号(压力测量模块6四个压力传感器信号)、三组质量流率信号(质量流率测量模块7的三个科式流量计信号)瞬态数据；配有可视化图形操作界面显示各变量变化频谱曲线，计算平均值及流量累计值，并可分类存储至excel/txt格式文本中。
三个所述泄放喷嘴9安装在质量流率测量模块7后端，可测试不同形状(如缝隙、方孔、圆孔、椭圆孔、三角孔等)和大小的泄放口泄漏扩散特性。
所述透明封腔10连接于三个泄放喷嘴9的后端，其内布置有不同障碍物模型11。
所述高速纹影拍摄系统12包含分体式纹影光学组件和高速摄像机(含图像处理软件)，安装在透明封腔10两侧；分体式纹影光学组件需根据试验要求确定有效通光口径ф100～500mm，其主要由两组平面反射镜、两组球面反射镜、一组狭缝、一组刀口组成，可自由移动，其中，镜面均方根粗糙度小于31.64nm，反射率需大于90％；高速摄像机安装在纹影光学组件刀口后端，拍摄超音速时512×512分辨率下帧数不低于40000fps。
本发明中，高压气体经进料控制模块2进入高压气体泄放罐1内，背压控制模块3保障高压气体泄放罐1内压力恒定和超压自动安全泄放，泄放控制模块4远程控制泄放口开闭，高压气体泄放罐1三个泄放口可同时或分别进行不同形状泄漏喷嘴4的泄漏模拟；温度测量控制系统5控制电加热棒工作温度和高压气体泄放罐1内气体试验温度，高压气体泄放罐1内的温度传感器能够实时记录高压气体泄放罐1内温度变化；压力测量模块6测量泄放时高压气体泄放罐1内和不同泄放喷嘴9出口2压力波动；质量流率测量模块7测量不同泄放喷嘴9出口质量流率瞬态和累计变化；多通道数据采集系统8同步实时采集一组温度(安装在高压气体泄放罐1内部温度传感器信号)、四组压力(压力测量模块6的四个压力传感器信号)和三组质量流率(质量流率测量模块7的三个科式流量计信号)瞬态数据；配有可视化图形操作界面显示各变量变化频谱曲线，计算平均值及流量累计值，并可分类存储至excel/txt格式文本中；泄漏后高压气体射流进入透明封腔10内，可进行不同障碍物模型11的扩散模拟；高速纹影拍摄系统12拍摄泄漏后透明封腔10内气体泄漏、扩散密度和温度场分布，模拟无障碍物模型11或存在不同障碍物模型11下的扩散范围。
因此，本发明能模拟高温、高压气体泄漏、扩散场景，实时测量高压气体泄放罐1内温度和压力波动，同步测量泄放喷嘴9内泄漏气体压力波动、质量流率变化，并联动拍摄高压气体高速泄漏、扩散密度场和温度场分布。
以下以一个较佳实施例对本发明的构成以及工作原理进行详细介绍：
以10MPa、200℃、5L、气体介质为N2的泄放罐试验装置与系统为例。其能模拟10MPa以内高压、200℃以内高温气体泄漏、扩散场景，实时测量高压气体泄放罐1内温度和压力波动，同步测量泄放喷嘴9内泄漏气体压力波动、质量流率变化，并联动拍摄高压气体高速泄漏、扩散密度场和温度场分布。
本发明的5L高压气体泄放罐1材质选316L，高径比不小于2，设计壁厚不小于10mm，密封方式采用PTFE凹槽密封，紧固方式采用抱环式快开紧固；顶部开设有进料管、压力传感器接管(长度3cm～8cm)、压力表接管、电阻式加热棒接口、温度传感器接口、以及安全泄放阀和背压阀接口；侧壁开有一个温度传感器接口和上、中、下位置开设三个泄放口(根据试验需求可调节泄放口位置及数量，且每个泄放口焊接有喷管，喷管长度1～3cm，喷口带外螺纹)，喷口侧通过三通分别连接泄放控制系统4的电磁泄放阀和压力测量模块6的压力传感器；罐体外表面加设石英棉保温，厚度1cm～5cm；投入使用前需强度校核及水压实验测试，符合压力容器标准设计要求后方可使用。
本发明的进料控制模块2依次由一个减压阀、一个过滤器、一个针阀、一个单向阀、一个压力表串联组成，保障进入罐体气体纯净、稳定且不倒流。
本发明的背压控制模块3需同时包含一个背压阀(根据试验压力可调)和一个安全泄放阀(工作压力为最大设计压力)，保障泄放罐内压力恒定和超压自动安全泄放。
本发明的泄放控制模块4连接在高压气体泄放罐1侧壁喷管，由电磁控制阀和远程控制器组成，电磁控制阀需耐不低于10MPa压力和不低于200℃，可至少2米远程控制泄放口开闭。
本发明的温度测量控制系统5包含两个温度传感器、一个电加热棒(工作温度大于250℃)、一个温度控制箱、一个温度表(量程0～300℃)；其中温度传感器响应时间需小于0.5s且精度不低于±0.3％；一个温度传感器(量程0～300℃)探头布置在高压气体泄放罐1内部，测量罐体内气体温度变化；另一个温度传感器(量程0～300℃)布置在电加热棒套管内，测量加热棒辐射温度变化；温度控制箱主要控制加热棒加热功率，其内置温度数显显示两个温度传感器数值，并具有数据记录、控制、报警、紧急切断功能；温度控制箱数显需根据高压气体泄放罐1顶部安装的温度表来校核精度，加热前需在温度控制箱上设定好加热棒加热温度和罐内工作温度，进行自行加热及紧急切断。
本发明的压力测量模块6包含四个压力传感器(量程0～20MPa，最大采样频率不低于1kHz且精度不低于±0.3％)、一个压力表(量程0～20MPa)；一个压力传感器安装在高压气体泄放罐1顶部，实时显示罐内压力，用于压力传感器精度校核；另外三个压力传感器与高压气体泄放罐1侧壁三个泄放口喷管连接(螺纹连接，连接管长度3cm～8cm)；实时测量泄放时压力波动状况。
本发明的质量流率测量模块7包含三个科式质量流量计，最大量程不低于1g/s，最大采样频率不低于1kHz且精度不低于±0.5％，能承受至少250℃高温、至少15MPa高压环境，能测量瞬时和累计质量流率；三个科式质量流量计分别螺纹连接在泄放控制系统4中三个电磁阀后端。
本发明的多通道数据采集系统8需同步实时慢速和高速采集一组温度(安装在高压气体泄放罐1内部温度传感器信号)、四组压力(压力测量模块6四个压力传感器信号)、三组质量流率(质量流率测量模块7三个科式流量计信号)瞬态数据；配有可视化图形操作界面显示各变量变化频谱曲线，计算平均值及流量累计值，并可分类存储至excel/txt格式文本中。
本发明的泄放喷嘴9安装在质量流率测量系统7后端，可测试不同形状(如缝隙、方孔、圆孔、椭圆孔、三角孔等)和大小的泄放孔泄漏扩散特性。
本发明的高速纹影拍摄系统(10)包含分体式纹影光学组件和高速摄像机(含图像处理软件)，安装在透明封腔(11)两侧；分体式纹影光学组件需至少有效通光口径ф200mm，其主要由2组平面反射镜、2组球面反射镜、1组狭缝、1组刀口组成，可自由移动，其中，镜面均方根粗糙度小于31.64nm，反射率需大于90％；高速摄像机安装在纹影光学组件刀口后端，拍摄超音速时512×512分辨率下帧数不低于40000fps。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于，包含高压气体泄放罐(1)、进料控制模块(2)、背压控制模块(3)、泄放控制模块(4)、温度测量控制系统(5)、压力测量模块(6)、质量流率测量模块(7)、多通道数据采集系统(8)、泄放喷嘴(9)、透明封腔(10)、以及高速纹影拍摄系统(12)；
所述高压气体泄放罐(1)具有数个泄放口；
所述进料控制模块(2)与所述高压气体泄放罐(1)相连接，提供纯净、稳定且不倒流的气体；
所述背压控制模块(3)与所述高压气体泄放罐(1)相连接，保障高压气体泄放罐(1)内压力恒定和超压自动安全泄放；
所述泄放控制模块(4)与高压气体泄放罐(1)上的所述数个泄放口连接，控制所述泄放口的启闭；
所述温度测量控制系统(5)置于所述高压气体泄放罐(1)内，用于对高压气体泄放罐(1)内气体进行加热，并测量高压气体泄放罐(1)内气体温度变化；
所述压力测量模块(6)与所述高压气体泄放罐(1)的罐体以及泄放口相连接，能够显示罐体内压力，还能够实时测量泄放口处的压力波动状况；
所述质量流率测量模块(7)连接在泄放控制系统(4)的后端，用于测量通过各泄放口进入透明封腔(10)的气体质量流率信号；
所述多通道数据采集系统(8)与所述温度测量控制系统(5)、压力测量模块(6)以及质量流率测量模块(7)连接，同步实时采集所述温度测量控制系统(5)、压力测量模块(6)以及质量流率测量模块(7)提供的瞬态数据；
所述泄放喷嘴(9)安装在质量流率测量模块(7)后端；
所述透明封腔(10)连接于所述泄放喷嘴(9)的后端；
所述高速纹影拍摄系统(12)安装在透明封腔(10)的旁侧。
2.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：在所述透明封腔(10)还布置有障碍物模型(11)。
3.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述高压气体泄放罐(1)采用PTFE凹槽密封，采用抱环式快开紧固。
4.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述高压气体泄放罐(1)侧壁的上、中、下位置开设三个所述泄放口。
5.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：每个泄放口焊接有喷管，喷管长度1～5cm，喷管连接有三通的一个接口，三通的另外两个接口分别连通于所述泄放控制模块(4)以及所述压力测量模块(6)。
6.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述进料控制模块(2)依次由减压阀、过滤器、针阀、单向阀以及压力表串联组成。
7.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述泄放控制模块(4)具有耐高压、耐高温的数个电磁控制阀，分别与所述数个泄放口相连通，所述电磁控制阀还连接有远程控制器。
8.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述温度测量控制系统(5)包含两个温度传感器、一个电加热棒、一个温度控制箱以及一个温度表；其中一个温度传感器布置在高压气体泄放罐(1)内部，另一个温度传感器布置在所述电加热棒的套管内，测量电加热棒的辐射温度变化，所述电加热棒插入所述高压气体泄放罐(1)内，所述温度控制箱根据安装在高压气体泄放罐(1)顶部的所述温度表来校核精度，用于控制电加热棒的加热功率。
9.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述数个泄放口具有不同的内口形状和/或大小。
10.根据权利要求1所述的高压气体泄漏扩散联动测量试验系统，其特征在于：所述高速纹影拍摄系统(12)包含分体式纹影光学组件和高速摄像机，分体式纹影光学组件的有效通光口径ф100～500mm，其主要由两组平面反射镜、两组球面反射镜、一组狭缝以及一组刀口组成，能够自由移动，所述球面反射镜的镜面均方根粗糙度小于31.64nm，反射率大于90％；所述高速摄像机安装在所述刀口后端，拍摄超音速时512×512分辨率下帧数不低于40000fps。
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