CN111122067B - 一种燃气管道气体泄漏模拟装置 - Google Patents

一种燃气管道气体泄漏模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气管道气体泄漏模拟装置，其包括气体注入机构、燃气管道泄漏模拟机构以及扩散气体监测机构，所述气体注入机构与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接，所述扩散气体监测机构布置于所述燃气管道泄漏模拟机构的气体扩散区域内，通过所述扩散气体监测机构检测气体扩散区域的气体浓度。本发明通过使用高速摄像机对扩散云进行动态拍摄，并使用气体浓度监测传感器阵列对扩散气体浓度进行动态监测记录，获取真实有效的燃气管道泄漏扩散范围动态变化，以为管道燃气泄漏事故的安全防控、应急决策提供更加准确的参考数据。

Description

一种燃气管道气体泄漏模拟装置
技术领域
本发明涉及燃气监测技术领域，特别涉及一种燃气管道气体泄漏模拟装置。
背景技术
燃气管道作为天然气输送的主要设备，是天然气输送过程中最重要的安全屏障，一旦发生泄漏，会导致一系列人员、经济、环境等方面的损失。因此，建立燃气管道气体泄漏扩散模拟系统，进行燃气管道气体泄漏扩散模拟实验研究，对于研究管道泄漏扩散机理及规律，准确计算泄漏量、泄漏时间、泄漏速率、泄漏气体云团的大小、位置和浓度以及泄漏危险区域划分等具有十分重要的意义，同时可为管网系统预防改善措施、事故发生后提供紧急救援措施以及进行定量事故后果评估提供必要的理论依据。
目前普遍采用泄漏模拟方式进行，而仿真模拟的方式利用商业软件建立有限元模型，在考虑合理的泄漏边界条件及参数可得到一系列泄漏扩散参数，对燃气扩散过程及影响因素进行了仿真研究，虽然在一定程度能够得到接近实际泄漏的解，但是仿真模型毕竟是在实际工况上的抽象和优化，其结果必然与实际泄漏扩散规律存在一定的差异。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种燃气管道气体泄漏模拟装置。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，其包括气体注入机构、燃气管道泄漏模拟机构以及扩散气体监测机构，所述气体注入机构与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接，所述扩散气体监测机构布置于所述燃气管道泄漏模拟机构的气体扩散区域内，通过所述扩散气体监测机构检测气体扩散区域的气体浓度。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，所述扩散气体监测机构包括若干气体浓度传感器以及至少一个成像器；所述若干气体浓度传感器呈阵列布置与气体扩散区域，所述若干个成像器位于所述气体扩散区域外。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，若干气体浓度传感器形成的阵列中各行包括的气体浓度传感器的数量与该行与燃气管道泄漏模拟机构之间的距离正相关。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，所述若干成像器包括第一成像器和第二成像器；所述第一成像器的成像方向和第二成像器的成像方向垂直，并且第一成像器和第二成像器至燃气管道泄漏模拟机构的任一泄漏口的轴线间距离均大于预设阈值，其中，所述预设阈值为气体扩散区域以及成像器架设高度确定的。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，所述燃气管道泄漏模拟机构包括燃气管道，所述燃气管道上设置有进气孔以及泄漏口，所述泄漏口通过泄漏电磁阀与扩散气体监测机构相连接。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，其还包括若干泄漏气体着色机构，所述若干泄漏气体着色机构与若干泄漏口一一对应，并且各泄漏气体着色机构与其对应的泄漏口相连接。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，所述泄漏气体着色机构包括着色壳体，所述着色壳体内上设置有进气孔和出气口；所述着色壳体装载有着色剂，所述进气孔与泄漏口相连接，以使得泄漏口流出的气体进入所述着色壳体内。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其中，所述气体注入机构包括若干气瓶组、增压泵以及气体注入控制器，所述若干气瓶组并联后与所述增压泵相连接，所述增压泵与所述气体注入控制器相连接，所述气体注入控制器与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其还包括环境控制机构，所述环境控制机构包括风机组以及风速仪，所述风机组的出风口朝向所述气体扩散区域，所述风速仪设置于所述气体扩散区域内。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其包括监控机构，所述监控机构包括控制器，所述控制器与所述扩散气体监测机构相连接，以接收所述扩散气体监测机构的监测数据。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种燃气管道气体泄漏模拟装置，其包括气体注入机构、燃气管道泄漏模拟机构以及扩散气体监测机构，所述气体注入机构与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接，所述扩散气体监测机构布置于所述燃气管道泄漏模拟机构的气体扩散区域内，通过所述扩散气体监测机构检测气体扩散区域的气体浓度。本发明通过使用高速摄像机对扩散云进行动态拍摄，并使用气体浓度监测传感器阵列对扩散气体浓度进行动态监测记录，获取真实有效的燃气管道泄漏扩散范围动态变化，以为管道燃气泄漏事故的安全防控、应急决策提供更加准确的参考数据。
附图说明
图1为本发明提供的燃气管道气体泄漏模拟装置的结构示意图。
图2为本发明提供的燃气管道气体泄漏模拟装置的局部示意图。
图3为本发明提供的燃气管道气体泄漏模拟装置中成像器与燃气管道的一个角度的位置关系图。
图4为本发明提供的燃气管道气体泄漏模拟装置中成像器与燃气管道的另一个角度的位置关系图。
具体实施方式
本发明提供一种燃气管道气体泄漏模拟装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
本实施例提供了一种燃气管道气体泄漏模拟装置，如图1所示，所述燃气管道气体泄漏模拟装置包括气体注入机构1、燃气管道201泄漏模拟机构2以及扩散气体监测机构4，所述气体注入机构1与所述燃气管道201泄漏模拟机构2的进气孔205相连接，所述扩散气体监测机构4布置于所述燃气管道201泄漏模拟机构2的气体扩散区域内。所述气体注入机构1输出的气体通过燃气管道201泄漏模拟机构2的进气孔205相连接进入燃气管道201泄漏模拟机构2，并通过燃气管道201泄漏模拟机构2的泄漏口扩散至其他扩散区域，并通过所述扩散气体监测机构4检测气体扩散区域的气体浓度。
如图1所示，所述气体注入机构1包括若干气瓶组101、增压泵102以及气体注入控制器103，所述若干气瓶组101并联后与所述增压泵102相连接，所述增压泵102与所述气体注入控制器103相连接，所述气体注入控制器103与所述燃气管道201泄漏模拟机构2的进气孔205相连接。其中，所述气瓶组101为储存有测试用泄漏气体的高压储气瓶，所述增压泵102用于提高气体注入前的压力，所述气体注入控制器103用于控制气体以一定的压力注入燃气管道201泄漏模拟机构2。
进一步，所述气体注入机构1还可以包括第一压力变送器104、温度变送器105、流量变送器106以及截止阀107，所述第一压力变送器104、温度变送器105、流量变送器106以及截止阀107依次连接于所述气体注入控制器103与所述燃气管道201泄漏模拟机构2的进气孔205之间，通过所述第一压力变送器104、温度变送器105以及流量变送器106来监测传输至燃气管道201泄漏模拟机构2的进气孔205的气体的压力、温度以及流量，并通过所述截止阀107来控制气体注入机构1与所述管道泄漏模拟机构的连通状态，其中，连通状态包括连通和不连通。此外，在本实施例中，为了提高燃气管道气体泄漏模拟装置的安全性，所述气体注入机构1内的气体可以用CO2、N2等气体进行模拟。
如图1所示，所述燃气管道201泄漏模拟机构2包括燃气管道201，所述燃气管道201上设置有进气孔205以及泄漏口，所述泄漏口可以朝向任意方向。所述燃气管道201为大尺寸燃气管道201，并且所述燃气管道201的尺寸与输送燃气使用的燃气管道201尺寸一致，这样使用原尺寸燃气管道201作为泄漏管道，可以有效还原真实泄漏条件，从而提高监测到的气体泄漏数据的准确性。
进一步，所述燃气管道201泄漏模拟机构2还包括第二压力变送器202、第三压力变送器203以及排气孔206；所述燃气管道201为两端封闭的长管端，所述第二压力变送器202和所述第三压力变送器203分别设置于所述燃气管道201上，并且所述第二压力变送器202和所述第三压力变送器203沿燃气管道201的长度方向间隔布置且分别位于燃气管道201的两端，以通过所述第二压力变送器202和所述第三压力变送器203来检测燃气管道201内的气体压力，并且通过将所述第二压力变送器202和所述第三压力变送器203布置燃气管道201两端，可以避免燃气管道201两端压力不平衡的问题。所述排气孔206位于所述燃气管道201上并与燃气管道201的内腔连通，所述排气孔206与所述出气口分别位于所述燃气管道201的两端，并且当燃气管道201内气体压力达到阈值时，可以通过排气孔206将燃气管道201内的部分其他排出。
进一步，所述泄漏口位于所述燃气管道201的中间，并且各泄漏口上均连接有电磁泄漏阀204，所述电磁泄漏阀204为开度大小可远程精密调节的电磁阀，以便于通过所述电磁泄漏阀204可以调整泄漏口的泄漏量，以模拟不同的燃气泄漏场景。其中，各泄漏口上连接的电磁泄漏阀204的开度可以相同，也可以不同。
进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述燃气管道气体泄漏模拟装置还包括若干泄漏气体着色机构3，所述若干泄漏气体着色机构3与若干泄漏口一一对应，并且各泄漏气体着色机构3与其对应的泄漏口相连接。如图2所示，所述电磁泄漏阀204位于所述泄漏口与所述泄漏气体着色机构3中间，以将所述泄漏口与所述泄漏气体着色机构3相连接，以使得通过电磁泄漏阀204的气体流入泄漏气体着色机构3，通过泄漏气体着色机构3对泄漏气体进行着色，以便于对泄漏气体的监测。此外，在本实施例的一个实现方式中，所述泄漏气体着色机构3包括着色壳体302，所述着色壳体302内上设置有进气口和出气口；所述着色壳体302装载有着色剂301，所述进气口与泄漏口相连接，以使得泄漏口流出的气体进入所述着色壳体302内。所述着色壳体302的与所述泄漏口和电磁泄漏阀204为同轴线，所述着色剂301为固体或其他类型的无害、轻质、易扩散且便于识别的介质且置于所述着色器中。
如图1所示，所述扩散气体监测机构包括若干气体浓度传感器401以及至少一个成像器；所述若干气体浓度传感器401呈阵列布置与气体扩散区域，所述若干个成像器位于所述气体扩散区域外，其中，所述成像器可以为高速摄像机。这样使用高速摄像机对扩散云进行动态拍摄，同时在监测中心进行实时解码及三维重建处理，并实时显示出来；同时使用气体浓度监测传感器阵列对扩散气体浓度进行动态监测记录，实现了浓度和扩散云区域的双重监测。
在本实施例的一个可能实现方式中，如图3所示，所述若干成像器包括第一成像器402和第二成像器403；所述第一成像器402的成像方向和第二成像器403的成像方向垂直，并且第一成像器402和第二成像器403至燃气管道201泄漏模拟机构2的任一泄漏口的轴线间距离均大于预设阈值。所述预设阈值为气体扩散区域以及成像器架设高度确定的，如图4所示，所述预设阈值的计算公式可以为：
Figure 892605DEST_PATH_IMAGE001
其中，r为扩散云最大半径，h2为扩散云高度，h1为摄像头架设高度，θ为摄像头摄像范围夹角。
进一步，所述若干气体浓度传感器401形成的阵列中各行包括的气体浓度传感器401的数量与该行与燃气管道201泄漏模拟机构2之间的距离正相关。如图4所示，所述若干气体浓度传感器401形成的整理包括i行和j列，即若干气体浓度传感器401呈i行j列分布，其中，i和j均为正整数。所述第1列浓度监测传感器位于泄漏轴线方向上，所述第1行气体浓度监测传感器位于泄漏口径向且接近所述着色器，所述行、列方向的气体浓度监测传感器的排布，均按照距离泄漏口由近及远等量逐渐递增的原则，远离所述行方向的气体浓度监测传感器数量渐增，整体形成梯形式网状分布。
如图1所示，所述燃气管道气体泄漏模拟装置还包括环境控制机构，所述环境控制机构包括风机组501以及风速仪502，所述风机组501的出风口朝向所述气体扩散区域，所述风速仪502设置于所述气体扩散区域内，以通过所述环境控制机构5调节泄漏扩散区域环境风速。这样通过使用风机组501及风速仪502控制环境风速等扩散条件，提高模拟场景的真实性。
所述燃气管道气体泄漏模拟装置还包括监控机构6，所述监控机构6包括控制器601，所述控制器601与所述扩散气体监测机构4相连接，以接收所述扩散气体监测机构4的监测数据。所述控制器601与所述燃气管道气体泄漏模拟装置中的各气体浓度传感器401、压力变送器、温度变送器105、湿度变送器、若干成像器、风速仪502以及电磁泄漏阀204相连接，以接收各气体浓度传感器401、压力变送器、温度变送器105、若干成像器、风速仪502以及电磁泄漏阀204采集的数据，并通过控制器601向各气体浓度传感器401、压力变送器、温度变送器105、湿度变送器、若干成像器、风速仪502以及电磁泄漏阀204发送控制指令，以调整各气体浓度传感器401、压力变送器、温度变送器105、湿度变送器、若干成像器、风速仪502以及电磁泄漏阀204的运行状态，从而调整燃气管道气体泄漏模拟装置的运行状态。此外，所述监控机构6还可以包括显示器603，所述显示器603与所述控制器601相连接，通过所述显示器603显示采集得到的数据。
本实施例提供了燃气管道气体泄漏模拟装置的工作过程可以为：模拟气体经由所述气体注入机构1，依次通过所述燃气管道201泄漏模拟机构2、所述着色机构后形成易于观测的气体扩散云，被所述扩散气体监测机构4捕获并传送至所述监控机构6；同时，所述监控机构6监测并调控整个装置系统的参数并加以采集、记录及分析，与所述各系统间形成闭环。
以下结合实施例对由以上系统、方案所组成的本发明装置进行进一步的说明：
在某次实施例中，大尺寸燃气管道选用长为24米，管径为813mm的高压燃气管线，用于研究在1.6MPa及4.0MPa下由于阀门失效突发的气体泄漏扩散。
首先按照系统组成搭建实验装置平台：在选用高压气瓶组时，需要依据预模拟的压力、燃气管线长度，按照气体状态方程估计使用气体量，以确定气瓶组的数量。泄漏方向按照需求设置。气体浓度监测传感器阵列与高速摄像头架设前，需要使用商业软件（如FLCS等）对气体泄漏范围进行粗略的模拟，获得泄漏边界大致范围，以指导阵列设置的数量及范围以及摄像头架设距离。在该实施例中，着色剂选用无污染的固体粉末着色剂。
然后，在搭建好的装置平台上完成泄漏扩散实验：依次打开气体注入系统上各阀门，通过控制气体注入控制器，利用增压泵向大尺寸燃气管道中注入模拟气体，在该实施例中，考虑实验安全性，模拟气体使用氮气。在注入过程中，需监测注入系统中的温度、压力、流量等参数。待大尺寸燃气管道中压力监测值达到预设值后停止气体注入。利用环境控制系统调整试验区域风速等条件满足需求后，向控制终端发送指令控制电磁阀开度，高压气体即从泄漏阀喷出，与着色剂混合后进入大气中，形成扩散云。
在此过程中，通过第二压力变送器与第三压力变送器实时监测泄漏管线中的压力；通过气体浓度监测传感器阵列实时监测扩散云浓度变化过程；通过两个高速摄像机记录着色后的泄漏气体扩散范围动态变化，同时在终端主机利用相关软件进行图像重构，形成三维气体扩散过程并通过显示器显示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，其包括气体注入机构、燃气管道泄漏模拟机构、扩散气体监测机构、环境控制机构以及若干泄漏气体着色机构，所述气体注入机构与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接，所述扩散气体监测机构布置于所述燃气管道泄漏模拟机构的气体扩散区域内，通过所述扩散气体监测机构检测气体扩散区域的气体浓度；所述燃气管道泄漏模拟机构包括燃气管道，所述燃气管道上设置有进气孔以及泄漏口；所述扩散气体监测机构包括若干气体浓度传感器以及至少一个成像器；所述若干气体浓度传感器呈阵列布置于气体扩散区域，若干气体浓度传感器形成的阵列中各行包括的气体浓度传感器的数量与该行与燃气管道泄漏模拟机构之间的距离正相关；所述成像器均位于所述气体扩散区域外；所述环境控制机构包括风机组以及风速仪，所述风机组的出风口朝向所述气体扩散区域，所述风速仪设置于所述气体扩散区域内；所述若干泄漏气体着色机构与若干泄漏口一一对应，并且各泄漏气体着色机构与其对应的泄漏口相连接。
2.根据权利要求1所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，所述成像器包括第一成像器和第二成像器；所述第一成像器的成像方向和第二成像器的成像方向垂直，并且第一成像器和第二成像器至燃气管道泄漏模拟机构的任一泄漏口的轴线间距离均大于预设阈值，其中，所述预设阈值由气体扩散区域以及成像器架设高度确定。
3.根据权利要求1所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，所述泄漏口通过泄漏电磁阀与扩散气体监测机构相连接。
4.根据权利要求3所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，所述泄漏气体着色机构包括着色壳体，所述着色壳体上设置有进气孔和出气口；所述着色壳体装载有着色剂，所述进气孔与泄漏口相连接，以使得泄漏口流出的气体进入所述着色壳体内。
5.根据权利要求1所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，所述气体注入机构包括若干气瓶组、增压泵以及气体注入控制器，所述若干气瓶组并联后与所述增压泵相连接，所述增压泵与所述气体注入控制器相连接，所述气体注入控制器与所述燃气管道泄漏模拟机构的进气孔相连接。
6.根据权利要求1所述燃气管道气体泄漏模拟装置，其特征在于，其包括监控机构，所述监控机构包括控制器，所述控制器与所述扩散气体监测机构相连接，以接收所述扩散气体监测机构的监测数据。
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