CN111474208A - 城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，属于城市公共安全领域，包括燃气供气输送系统、点火系统、燃气泄漏控制系统、压力采集系统、温度采集系统、火焰信号探测与抑爆系统、图像数据采集系统；通过燃气仓内设置燃气管道，其上设置有电磁阀，以及距泄漏源不同距离的多个能量可调高压点火电极组成，实现燃气连续泄漏形成非均匀气云动力学扩散特性、气云燃爆及发生连锁反应实验，并通过抑爆系统对其爆炸火焰进行有效抑制。本发明创造通过研究城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸实验以及抑制装置填补了传统实验系统在综合管廊舱内对非均匀梯度浓度气云爆炸以及抑制装置研究上的空白。
Description
技术领域
本发明创造属于城市公共安全领域，尤其是涉及一种城市地下管廊舱内燃气管道泄漏形成非均匀梯度浓度气云燃烧爆炸及其抑制模拟实验装置。
背景技术
随着我国城市化水平迅速发展，通过城市地下空间管廊舱内输送燃气管道不仅能够充分利用地下空间资源、完善城市需求，更能美化城市环境。然而，由于管线众多且错综复杂，安全问题越来越被重视。同时，2015年发布的《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》标志着我国地下综合管廊建设已迈入新的发展阶段。管廊内部收纳燃气、热力、电力等公共管线，是集电、热和气等重大危险源于一体的密闭舱，存在着巨大的安全隐患。在城市环境和自然环境作用下，极易发生燃气管道局部或多处泄漏，在上述热源的作用下必将引发火灾爆炸事故，甚至发生连锁爆炸反应事故灾害，每年都将给人民群众的生命财产安全造成了巨大损失，严重危害着国家的经济发展和社会的稳定。
目前，国内外学者对可燃气体泄漏扩散和管道内部预混气体爆炸过程中压力、温度和火焰传播做了大量实验研究，也相继开发了管道内部预混气体爆炸过程研究的实验装置。然而，此实验装置与先前学者开发的实验装置所关注内容存在根本上不同；(1)城市地下空间管廊舱内燃气管道泄漏是一个动态扩散过程，气云内部可燃气体浓度由泄漏源向外依次递减，不同的气云浓度表现出不同的爆炸燃烧状态，是一个可燃气体泄漏形成非均匀浓度场及其气云爆炸和多物理场耦合致灾过程；与均匀预混气体在管道内部爆炸燃烧相比，这种泄漏扩散和爆炸反应过程与实际工况更相符；(2)当前学者多关注于单点泄漏引发的气云爆炸特性研究。结合实际情况，燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰诱导临近气云爆炸而引发的连锁爆炸事故频繁发生，但相关的实验研究装置尚未见报道。本装置可实现可燃气体泄漏形成非均匀气云动力学变化特性及其气云燃爆特性和爆炸火焰诱发邻近气云爆炸机理研究；(3)本装置可实现对上述内容的多因素影响规律与影响机理研究，包括泄漏位置、泄漏面积、泄漏压力、点火位置/能量等，从爆炸压力、火焰温度、火焰热辐射强度和火焰结构形态演变规律等角度，对泄漏非均匀浓度气云燃烧爆炸过程中压力场、温度场、密度场、速度场、浓度场等多物理场特征参数耦合演化规律及其相互作用机制进行研究，可从多角度对其进行深入研究分析；(4)从安全防护角度出发，在实验装置顶端安装多处高压精细喷嘴，能够产生更加迅速、更加细小的超细水雾与爆炸火焰接触并实现有效的抑制，这对管廊舱内因可燃气体泄漏而引发非均匀气云爆炸的安全防护具有重要的理论指导意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，包括：燃气供气输送系统、点火系统、燃气泄漏控制系统、图像数据采集系统、火焰信号探测与抑爆系统、压力采集系统、温度采集系统；
所述燃气供气输送系统由燃气储气罐16、气体流量计15、压力表24-3和燃气管道2组成，通过燃气储气罐16供气压力和气体流量计15调控燃气在管道输送过程中的泄漏速率；
所述点火系统由可调高压点火器19、距泄漏源不同距离的多个点火电极26-1、26-2、26-3组成，并与同步控制器18连接，实现点火工况的控制；
所述燃气泄漏控制系统由单向阀11(防止爆炸火焰和冲击波沿着泄漏管道反向传播)和电磁阀3(控制燃气泄漏时刻与泄漏时间)组成，并与同步控制器18连接，实现泄漏工况的控制；
所述图像数据采集系统通过高速摄像机9对火焰传播形态演变过程进行图像采集；高速红外热成像仪10对管道燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰温度进行图像数据采集；
所述火焰信号探测与抑爆系统，当泄漏燃气遇到点火源后产生爆炸火焰，火焰信号探测器8以微秒级响应速率接收信号并触发抑爆系统响应，抑爆系统(包括高压蓄水罐14、电磁阀3、单向阀11和高压精细喷嘴)以微秒级响应速率喷洒抑制剂(选用超细水雾)进行泄漏燃气爆炸火焰的熄灭抑制；
所述压力采集系统是通过沿着管廊中心轴向和侧壁安装四组压力传感器5，用于测量燃气泄漏非均匀气云爆炸火焰产生的爆炸强度和危险特性，以及冲击力对墙壁的作用强度；
所述温度采集系统是通过温度传感器6对爆炸火焰温度进行数据采集，安装位置与压力传感器5布置相同，同时也通过高速红外热成像仪对泄漏燃气爆炸火焰温度进行图像数据采集；
显示控制器17与同步控制器18连接，显示控制器17通过同步控制器18从而控制可调高压点火器19、高频数据采集仪20等部件的工作。
进一步地，通过沿着管廊长度方向顶部、中部和侧壁均匀安装组分浓度分析仪监测不同泄漏参数下燃气泄漏非均匀气云浓度分布特性。
进一步地，燃气仓1外还包括真空泵23和空气压缩机21，实现管廊舱内燃烧产物的置换。燃气仓1顶部还包括泄压通风口12，可与外部环境连通并保证燃气舱超压泄放的安全。
进一步地，喷淋装置7为高压精细喷嘴。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1为城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置的结构连接图。
图2为城市地下管廊舱内左剖面视图。
图中：1、燃气仓；2、燃气管道；3-1、3-2和3-3、电磁阀；4、组分浓度分析仪；5、压力传感器；6、温度传感器；7、喷淋装置；8、火焰信号探测器；9、高速摄像机；10、高速红外热成像仪；11、单向阀；12-1和12-2、泄压通风口；13、阀门；14、蓄水罐；15、气体流量计；16、燃气储气罐；17、显示控制器；18、同步控制器；19、可调高压点火器；20、高频数据采集仪；21、空气压缩机；22、燃气管道基座；23、真空泵；24-1、24-2和24-3、压力表；25、法兰；26-1、26-2和26-3、点火电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
图1为城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，装置包括：可视化管廊舱、燃气供气输送系统、点火系统、图像数据采集系统、燃气泄漏控制系统、火焰信号探测与抑爆系统、压力采集系统、温度采集系统、程序控制与数据采集系统。
所述燃气供气输送系统由燃气储气罐16、气体流量计15、压力表24-3和燃气管道2组成，通过燃气储气罐16供气压力和气体流量计15调控燃气在管道输送过程中的泄漏速率；
燃气管道2贯穿于燃气仓1的下部，并安装于燃气管道基座22上，燃气管道2从燃气仓1左边穿出，其一端通过气体流量计15、阀门13与燃气储气罐16连接，燃气储气罐16上设置有压力表24-3和进气阀门。
点火系统由可调高压点火器19、距泄漏源不同距离的多个点火电极26-1、26-2、26-3组成；燃气泄漏控制系统由单向阀11-2、11-3(防止爆炸火焰和冲击波沿管道反向传播)和电磁阀3-1、3-2(控制燃气泄漏时刻与泄漏时间)组成，并与同步控制器18连接，实现点火工况的控制；
在燃气管道上2设置点火电极26-1、26-2、26-3，与可调高压点火器19连接，可调高压点火器19与同步控制器18连接受其控制；
电磁阀3-1、3-2作为泄漏口设置在燃气管道2连接的外接管路上，并与其上的点火电极26组合进行燃气泄漏燃爆实验；燃气管道上2设置不同的泄漏源可进行燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰诱发邻近气云爆炸连锁反应实验。
图像数据采集系统通过高速摄像机9对火焰传播形态演变过程进行图像采集；高速红外热成像仪10对泄漏燃气爆炸火焰温度进行图像数据采集；
图像数据采集系统包括高速摄像机9和高速红外热成像仪10，高速摄像机9和高速红外热成像仪10分别与高频数据采集仪20连接；电磁阀3、可调高压点火器19、高频数据采集仪20分别与同步控制器18连接；最后同步控制器18连接到显示控制器17，实现程序的控制与数据的采集。
火焰信号探测与抑爆系统，当泄漏燃气遇到点火源后产生爆炸火焰，火焰信号探测器8以微秒级响应速率接收信号并触发抑爆系统响应，抑爆系统(高压蓄水罐14、电磁阀3-3、单向阀11-1和高压精细喷嘴)以微秒级响应速率喷洒抑制剂(选用超细水雾)进行泄漏燃气爆炸火焰的熄灭；
火焰信号探测与抑爆系统，包括火焰信号探测器8、喷淋装置7、电磁阀3-3、高压蓄水罐14、单向阀11。其中电磁阀3-3一端与高压蓄水罐14连接，另一端与同步控制器18连接，受同步控制器18控制，电磁阀3-3通过单向阀11-1与喷淋装置7连接。高压蓄水罐14上设置有压力表24-2和进水阀门。火焰信号探测器8和喷淋装置7设置在燃气仓1顶部，实现火焰信号探测和喷淋灭火。
压力采集系统是通过沿着管廊中心轴向和侧壁安装四组压力传感器5(如图2所示)，用于测量燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰产生的爆炸强度和危险特性，以及冲击力对墙壁的作用强度；压力传感器5分别与同步控制器18连接。
温度采集系统是通过温度传感器6对爆炸火焰温度进行数据采集，安装位置与压力传感器5布置相同，同时也通过高速红外热成像仪对燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰温度进行图像数据采集；
显示控制器17与同步控制器18连接，显示控制器17通过同步控制器18从而控制可调高压点火器19、高频数据采集仪20等部件的工作。
通过沿着管廊长度方向顶部、中部和侧壁均匀安装组分浓度分析仪监测不同泄漏参数下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀气云浓度分布特性。
燃气仓1外还包括真空泵23和空气压缩机21，实现管廊舱内燃烧产物的置换。
燃气仓1顶部还包括泄压通风口12，可与外部环境连通并保证燃气舱超压泄放的安全。
在燃气仓1两侧设置法兰25，实现对管廊舱的封闭。
(1)实际工程环境中燃气管道泄漏后，随着泄漏源距离的增加气云浓度呈现非均匀浓度梯度分布，当前采用预混气体进行泄漏后气云爆炸研究。然而，这与实际情况并不相符。非均匀浓度梯度分布将导致更加复杂的物理耦合作用过程和爆炸反应机理。因此综合设计管廊舱内燃气泄漏系统，使其更符合实际工程环境。
(2)综合考虑实际工况条件，在距泄漏源不同距离安装点火源，通过对燃气泄漏非均匀气云浓度分布情况监测，对点火条件(点火位置、点火能量)诱发非均匀浓度气云燃爆条件及其爆炸危险特性进行研究，使其为实际工程提供有效的指导。
(3)实际工程环境中易产生多处泄漏，当一处泄漏源燃气发生爆炸后易引起邻近气云发生连锁反应爆炸事故。泄漏和爆炸及其连锁反应过程是温度场、密度场、速度场、浓度场、压力场等多物理场参数的耦合过程。因此综合考虑管廊内部燃气管道实际泄漏情况及致灾特性，管廊舱内燃气管道设计多处泄漏源使其更符合实际工程环境中爆炸火焰诱发邻近气云爆炸事故特性。
(4)综合考虑当前爆炸火灾防爆抑爆方法，结合快速响应的火焰探测系统和抑爆系统，对城市地下管廊舱内燃气输送管道泄漏气体爆炸火焰(闪燃、着火、爆燃、爆轰)传播过程进行抑制防护，这将为实际工程环境中管廊舱内泄漏燃气爆炸的有效防护提供理论指导依据。
爆炸火焰温度与压力受可燃气体浓度影响显著，Perlee等提出甲烷-空气混合物层流燃烧速率受温度和压力影响的关系式。
L.Toshio提出基于球形容器内甲烷、氢气爆炸层流燃烧速率受温度和压力影响的关系式。然而，实际燃气泄漏扩散形成非均匀梯度浓度可燃气云，气云浓度的非均匀梯度变化导致爆炸火焰和压力呈现复杂的特性。因此，本发明装置为燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸特性研究提供重要手段且具有重要意义。
本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度下气云爆炸模拟实验以及抑制装置，其特征在于：包括燃气供气输送系统、点火系统、燃气泄漏控制系统、火焰信号探测与抑爆系统、压力采集系统、温度采集系统、图像数据采集系统；
所述燃气供气输送系统由燃气储气罐(16)、气体流量计(15)、压力表(24-3)和燃气管道(2)组成，通过燃气储气罐(16)供气压力和气体流量计(15)调控燃气在管道输送过程中的泄漏速率；
燃气管道(2)贯穿于燃气仓(1)并置于燃气管道基座(22)上，燃气管道(2)从燃气仓(1)左边穿出，其一端通过气体流量计(15)、阀门(13)与燃气储气罐(16)连接，燃气储气罐(16)上设置有压力表(24-3)和进气阀门；
所述点火系统由可调高压点火器(19)、距泄漏源不同距离的多个点火电极(26-1)、(26-2)、(26-3)组成，并与同步控制器(18)连接，实现点火工况的控制；
所述燃气泄漏控制系统由单向阀(11-2)、(11-3)和电磁阀(3-1)、(3-2)组成，并与同步控制器(18)连接，实现泄漏工况的控制；
在燃气管道上(2)设置点火电极(26)，与可调高压点火器(19)连接，可调高压点火器(19)与同步控制器(18)连接，实现点火工况的控制；电磁阀(3-1)、(3-2)作为泄漏口设置在燃气管道(2)连接的外接管路上，并与其上的点火电极(26)组合进行燃气泄漏燃爆实验；燃气管道上(2)设置不同的泄漏源可进行泄漏气云爆炸火焰诱发邻近气云爆炸连锁反应实验；
所述图像数据采集系统包括高速摄像机(9)和高速红外热成像仪(10)，高速摄像机(9)和高速红外热成像仪(10)分别与高频数据采集仪(20)连接；电磁阀(3)、可调高压点火器(19)、高频数据采集仪(20)、分别与同步控制器(18)连接；最后同步控制器(18)连接到显示控制器(17)；
所述火焰信号探测与抑爆系统，包括火焰信号探测器(8)、喷淋装置(7)、电磁阀(3-3)、蓄水罐(14)、单向阀(11-1)；其中电磁阀(3-3)一端与高压蓄水罐(14)连接，另一端与同步控制器(18)连接并受同步控制器(18)控制，电磁阀(3-3)通过单向阀(11-1)与喷淋装置(7)连接；蓄水罐(14)上设置有压力表(24-2)，和进水阀门；火焰信号探测器(8)和喷淋装置(7)设置在燃气仓(1)顶部，实现火焰信号探测和喷淋灭火；
所述压力采集系统是通过沿着管廊中心轴向和侧壁安装四组压力传感器(5)，用于测量燃气泄漏形成非均匀气云爆炸火焰产生的爆炸强度和危险特性，以及冲击波对墙壁的作用强度；压力传感器(5)分别与同步控制器(18)连接；
所述温度采集系统是通过温度传感器(6)对爆炸火焰温度进行数据采集，安装位置与压力传感器(5)布置相同，同时也通过高速红外热成像仪(10)对泄漏燃气爆炸火焰温度进行图像数据采集；
显示控制器(17)与同步控制器()18连接，显示控制器(17)通过同步控制器(18)控制可调高压点火器(19)、高频数据采集仪(20)等部件的工作。
2.根据权利要求1所述的一种城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，其特征在于：通过沿着管廊长度方向顶部、中部和侧壁均匀安装组分浓度分析仪监测不同泄漏参数下管廊舱内燃气扩散浓度分布特性。
3.根据权利要求1所述的一种城市地下管廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，其特征在于：燃气仓(1)外还包括真空泵(23)和空气压缩机(21)，实现燃气舱内燃烧产物的置换；燃气仓(1)顶部还包括泄压通风口(12)，可与外部环境连通并保证燃气舱超压泄放的安全。
4.根据权利要求1所述的一种城市地下廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，其特征在于：喷淋装置(7)为高压精细喷嘴。
5.根据权利要求1所述的一种城市地下廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，其特征在于：所述燃气泄漏控制系统由单向阀(11-2)和(11-3)的功能是防止爆炸火焰和冲击波沿着泄漏管道反向传播。
6.根据权利要求1所述的一种城市地下廊舱内燃气泄漏形成非均匀梯度浓度气云爆炸模拟实验及其抑制装置，其特征在于：所述电磁阀(3-1)、(3-2)的功能是控制燃气泄漏时刻与泄漏时间。
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