CN112683947B - 一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，包括：卧式爆炸源，带可视窗与泄压结构的角联结构管网，带有喷粉装置的点火源模块，环境与过程监测监控模块以及数据分析模块；其中，卧式爆炸源与角联结构管网入口端密封连接，点火源模块通过角联结构管网壁开设的圆孔与角联结构管网内部连通，并在连接处密封；环境与过程监测监控模块固定于角联结构管网内壁顶部及侧面，并连接至外部设置的数据分析模块，以将采集到的数据信号发送至数据分析模块。通过本发明，可以采集爆炸瞬态爆炸火焰形态、温度、压力等参数，同时能够模拟角联位置对爆炸传播的影响，实现爆炸全过程监控与数据采集，满足化工、矿山及隧道复杂通风管网条件下的爆炸模拟需求。

Description

一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统

技术领域

本发明涉及工业、矿山安全领域，具体是一种研究复杂管网条件下模拟爆炸过程的测试分析装备。

背景技术

化工领域中，在产品加工和操作事故中，常会产生大量有毒有害或燃烧爆炸危险气体、粉尘及气溶胶物质；矿山生产与隧道施工中，也会产生易燃易爆气体、粉尘及CO₂等，而通风管网是抑制上述安全隐患的关键措施。同时，在矿井与深部隧道施工过程中，常伴随高温、高湿、缺氧等问题，严重影响作业人员工作效率和安全，故而也必须配备通风管网系统。通风管网中存在的有毒有害和易燃易爆物质为管道爆炸提供了基础物质条件，加之充足的氧气环境，在电火花、摩擦或其他事故诱因下，极易发生爆炸事故或二次爆炸事故，导致通风管网失效而加剧人员伤亡，同时，通风管网定向流动特性会诱导火焰及危险气体定向传播，从而产生附带伤亡。现有装备中，仅见直管条件下的爆炸模拟装置，能通过高速摄像机等方式采集爆炸瞬态爆炸火焰形态、温度、压力等参数，但该类装置无法模拟角联位置对爆炸传播的影响，也无法实现爆炸全过程监控与数据采集，不能满足化工、矿山及隧道复杂通风管网条件下的爆炸模拟需求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统。

本发明采取以下技术方案：一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，包括：卧式爆炸源，带可视窗与泄压结构的角联结构管网，带有喷粉装置的点火源模块，环境与过程监测监控模块以及数据分析模块；

其中，卧式爆炸源与角联结构管网入口端密封连接，点火源模块通过角联结构管网壁开设的圆孔与角联结构管网内部连通，并在连接处密封；环境与过程监测监控模块固定于角联结构管网内壁顶部及侧面，并连接至外部设置的数据分析模块，以将采集到的数据信号发送至数据分析模块。

其中，角联结构管网包括模块化结构管网、导轨、轮式钢架、可视窗、高压自动控制阀门、喷淋装置、泄压装置和尾气收集装置；其中，模块化结构管网分为直管道、带角度双通管道、带角度三通管道，模块化结构管网入口端直管道通过法兰、密封圈与卧式爆炸源出口端密封连接，模块化结构管网相邻直管道通过法兰、密封圈螺纹密封连接，拐角处通过带角度双通管道或者带角度三通管道与直管道通过法兰、螺纹密封连接，通过螺纹将模块化结构管网固定在轮式钢架上，轮式钢架通过带有刹车的滑轮与导轨面接触，导轨通过螺栓固定在平直地面上；直管道侧面、顶面开设有方形或长方形切口，切口设置为防爆可视窗，所述防爆可视窗通过密封件、螺纹与直管道密封、防爆连接，高压自动控制阀门两端内径与直管道相同，通过密封圈、法兰与直管道密封连接，在模块化结构管网出口端设置泄压装置，泄压装置入口端通过法兰、密封圈与模块化结构管网出口端密封连接，泄压装置出口端接尾气收集装置，通过数据线与数据采集模块连接。

其中，环境与过程监测监控模块包括压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器、粉尘浓度传感器、瓦斯含量传感器、高速摄像机、图像粒子测速仪、激光多普勒测速仪、激光粒度仪、气相色谱仪，压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器、粉尘浓度传感器、瓦斯含量传感器通过螺纹固定的方式设置于模块化结构管网内壁顶部和侧面，高速摄像机通过三脚架固定于模块化结构管网侧面，相机镜头与模块化结构管网侧壁可视窗正对；图像粒子测速仪与激光多普勒测速仪激光器通过直角夹固定于模块化结构管网上部，激光束通过管网顶部可视窗垂直射入管网内部，激光接收端通过可调式平台与模块化结构管网侧壁可视窗平行、正对放置；激光粒度仪与气相色谱仪安置于模块化结构管网附近减震台上，通过管线、阀门、透明管路、过滤器与泄压装置连通，透明管路入口端通过阀门、管线与泄压装置连接，中段固定于激光粒度仪，通过激光粒度仪分析产物颗粒大小、粒度分布，透明管路出口端与过滤器入口端连接，过滤器出口端与气相色谱仪连接。

其中，喷淋装置包括供水源、供水管路、喷水口、电磁开关、控制模块，供水管路入口端与供水源螺纹连接，出口端与电磁开关、喷水口螺纹连接；控制模块通过数据采集卡、数据线与电磁开关、火焰传感器线连接。

其中，点火模块包括带有筛网的喷粉罐、气源、压力传感器、质量流量计、电子天平、电磁控制阀、静电探头、静电点火箱、控制系统，喷粉罐出口端通过螺纹依次与筛网、电磁控制阀、模块化结构管网侧壁开孔固定连接，入口端为带有螺纹的顶盖，顶盖中部开孔，开孔处通过管线与三通螺纹连通，三通另两端分别与压力传感器、阀门和气源连通；静电探头固定在模块化结构管网内侧壁与喷粉口附近，通过电线与静电点火箱连接，控制系统通过数据采集卡、数据线与静电点火箱、电磁控制阀、气源、喷粉管连接。

其中，数据分析模块包括数据采集卡、高速采集卡、计算机、打印机；数据采集卡接入端通过数据线分别与高速摄像机、图像粒子测速仪、激光多普勒测速仪、激光粒度仪、气相色谱仪连接，高速采集卡接入端通过数据线分别与压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器、粉尘浓度传感器、瓦斯含量传感器连接，数据采集卡接出端、高速采集卡接出端、打印机通过数据线分别与计算机连接，计算机自动记录、保存所有过程数据并绘制分析曲线，并控制打印机输出数据结果。

与现有技术相比，本发明提供的一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，其优点在于：

1、本发明提供的角联结构管网以最小单元实现了直管、拐角、分叉、折返等几乎所有管网组合形式，结构管网采用模块化组合方式，大大降低了实验过程、后清理及维护难度；

2、本发明提供的装置整合了图像粒子测速仪、激光多普勒测速仪、激光粒度仪、气相色谱仪等高精尖设备，形成了一套具有可视化、高仿真度、高测试精度的实验装备，且各模块灵活组合，实现了管网爆炸全过程、无死角、实时监测；

3、本发明提供的装置采用了模块化设计，各连接口采用相同标准，通过快速接头实现快速连接，便于组装、拆卸，阀门、管线统一标准，零部件通用性好；

4、本发明提供的装置通过点火位置、可燃物布置位置等实现了一次爆炸、二次爆炸及爆轰模拟过程，达到了一机多能的效果，同时，配置的泄压装置、喷淋装置确保了模拟过程的安全性，尾气收集装置可确保测试过程零排放，实现了实验过程的绿色环保。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统中角联结构管网俯视结构示意图。

图3是本发明提供的一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统中角联结构管网截面传感器的安装示意图。

图4是本发明提供的一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统中角联结构管网点火源模块的组合示意图。

其中，其中，1-卧式爆炸源，2-角联结构管网，3-点火源模块，4-环境与过程监测监控模块，5-数据分析系统，2-1-模块化结构管网，2-2-导轨，2-3-轮式钢架，2-4-可视窗，2-5-高压自动控制阀门，2-6-喷淋装置，2-6-1-供水源，2-6-2-供水管路，2-6-3-喷水口，2-6-4-电磁开关，2-7-泄压装置，2-8-尾气收集装置，3-1-带有筛网的喷粉罐，3-2-气源，3-3-压力传感器，3-4-质量流量计，3-5-电子天平，3-6-电磁控制阀，3-7-静电探头，3-8-静电点火箱，3-9-控制系统，4-1-压力传感器，4-2-温度传感器，4-3-火焰传感器，4-4-流速传感器，4-5-粉尘浓度传感器，4-6-瓦斯含量传感器，4-7-高速摄像机，4-8-图像粒子测速仪/激光多普勒测速仪， 4-9-激光粒度仪，4-10-气相色谱仪，5-1-数据采集卡，5-2-高速采集卡，5-3-带分析软件的计算机，5-4-打印机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，包括卧式爆炸源1、角联结构管网2、点火源模块3、环境与过程监测监控模块4、数据分析模块5。卧式爆炸源1与角联结构管网2入口端密封连接，通过卧式爆炸源1为试验管网系统提供爆炸初始条件；点火源模块3通过结构管网壁开设的圆孔与角联结构管网2内部连通，连接处通过螺纹和密封垫密封，可用于模拟角联结构管网2其他部位爆炸及二次爆炸；环境与过程监测监控模块4通过螺纹固定于角联结构管网2内壁顶部及侧面，通过数据线与外部信号转换装备连接，用于监测角联结构管网2内各个部位试验过程及瞬态温度、压力、火焰、浓度、瓦斯含量等参数；数据分析模块5通过数据采集卡及数据线和环境与过程检测监控模块中的传感器相连，用于采集、记录和分析试验过程数据。

角联结构管网2的结构如图2所示，包括模块化结构管网2-1、导轨2-2、轮式钢架2-3、可视窗2-4、高压自动控制阀门2-5、喷淋装置2-6、泄压装置2-7和尾气收集装置2-8。角联结构管网2截面传感器安装如图3所示。模块化结构管网2-1入口端直管道通过法兰、密封圈与卧式爆炸源1出口端密封连接，模块化结构管网2-1相邻直管道通过法兰、密封圈螺纹密封连接，拐角处通过带角度的双通或者三通与直管道通过法兰、螺纹密封连接，模块化结构管网2-1可自由拆卸与组合；模块化结构管网2-1通过螺纹固定在轮式钢架2-3上，轮式钢架2-3通过带有刹车的滑轮与导轨2-2面接触，导轨2-2通过螺栓固定在平直地面上，模块化结构管网2-1与轮式钢架2-3可沿导轨2-2平面运动；模块化结构管网2-1直管道侧面、顶面开设有方形或长方形切口，可视窗2-4通过密封件、螺纹与直管道密封、防爆连接，用于视觉观察或其他光学仪器测试管道内流场、火焰等传播过程；高压自动控制阀门2-5两端内径与直管道外径相同，通过密封圈、法兰与直管道密封连接，通过打开与关闭高压自动控制阀门2-5以改变和调整模块化结构管网2-1爆炸组合路径；模块化结构管网2-1内壁顶部和侧面预置螺纹口，与温度传感器4-2、压力传感器4-1、火焰传感器4-3等监测传感器螺纹密封固定连接，用于监测模块化结构管网2-1内试验过程及瞬态数据；模块化结构管网2-1侧面开口与喷水口2-6-3螺纹密封固定连接；泄压装置2-7入口端通过法兰、密封圈与模块化结构管网出口端密封连接，泄压装置2-7出口端接尾气收集装置2-8，泄压装置2-7可防止试验过程中高压流体喷射导致意外人员伤亡，尾气收集装置2-8用于收集试验结果样品，同时防止污染空气。

喷淋装置2-6包括供水源2-6-1、供水管路2-6-2、喷水口2-6-3、电磁开关2-6-4、控制系统2-6-5，供水管路2-6-2入口端与供水源2-6-1螺纹密封连接，出口端与电磁开关2-6-4、喷水口2-6-3螺纹密封连接；控制系统2-6-5通过数据采集卡、数据线与电磁开关2-6-4、火焰传感器4-3线连接，试验结束后，如存在剩余试验样品燃烧，火焰传感器4-3将数据反馈给控制系统2-6-5，控制电磁开关2-6-4打开喷水扑灭模块化结构管网2-1内剩余火焰，防止传感器等精密设备长时间高温损坏。

点火源模块结构和组合关系如图4所示，包括带有筛网的喷粉罐3-1、气源3-2、压力传感器3-3、质量流量计3-4、电子天平3-5、电磁控制阀3-6、静电探头3-7、静电点火箱3-8、控制系统3-9。喷粉罐3-1出口端通过螺纹依次与筛网、电磁控制阀3-6、模块化结构管网2-1侧壁开孔固定连接，入口端为带有螺纹的顶盖，顶盖中部开孔，开孔处通过管线、三通螺纹连通，三通另两端分别与压力传感器3-3、质量流量计3-4、电磁控制阀3-6和气源3-2连通；静电探头3-7固定在模块化结构管网2-1内侧壁与喷粉口附近，通过电线与静电点火箱3-8连接，控制系统3-9通过数据采集卡、数据线与静电点火箱3-8、电磁控制阀3-6、压力传感器3-3、质量流量计3-4连接，通过高压气体将喷粉罐3-1内预先存储的粉尘通过筛网均匀喷入角联结构管网2内，控制系统3-9控制静电点火箱3-8释放电能在静电探头3-7两端产生高压放点，点燃或引爆喷入角联结构管网2内的粉尘，从而模拟局部区域燃烧爆炸传波规律。

环境与过程监测监控模块4至少包括压力传感器4-1、温度传感器4-2、火焰传感器4-3、流速传感器4-4、粉尘浓度传感器4-5、瓦斯含量传感器4-6、高速摄像机4-7、图像粒子测速仪/激光多普勒测速仪4-8、激光粒度仪4-9、气相色谱仪4-10。压力传感器4-1、温度传感器4-2、火焰传感器4-3、流速传感器4-4、粉尘浓度传感器4-5、瓦斯含量传感器4-6通过螺纹固定在模块化结构管网2-1内壁顶部和侧部，通过数据线与数据采集模块连接；高速摄像机4-7通过三脚架固定于模块化结构管网2-1外侧面，相机镜头与模块化结构管网侧壁可视窗2-4正对，高速摄像机4-7控制端通过数据线与数据采集卡5-1连接；图像粒子测速仪/激光多普勒测速仪4-8激光器通过直角夹固定于模块化结构管网上部，激光束通过管网顶部可视窗2-4垂直射入管网内部，激光接收端通过可调式平台与模块化结构管网侧壁可视窗2-4平行、正对放置，激光器与激光接收端控制组件通过数据线与高速采集卡5-2连接；激光粒度仪4-9与气相色谱仪4-10安置于模块化结构管网2-1附近桌面台上，通过管线、阀门、透明管路、过滤器与泄压装置2-8连通，透明管路入口端通过阀门、管线与泄压装置连接，中段固定于激光粒度仪4-9，通过激光粒度仪4-9分析产物颗粒大小、粒度分布，并通过数据线与数据采集模块连接，透明管路出口端与过滤器入口端连接，过滤器出口端与气相色谱仪4-9连接，气相色谱仪4-9控制组件通过数据线与数据采集模块连接。环境与过程监测监控模块4可实现对试验管网温度、压力、火焰、粉尘浓度、瓦斯浓度、产物组分、爆炸传波瞬态、颗粒运动规律等参数的采集。

数据分析模块5包括数据采集卡5-1、高速采集卡5-2、计算机5-3、打印机5-4。数据采集卡5-1接入端通过数据线分别与高速摄像机4-7、图像粒子测速仪/激光多普勒测速仪4-8、激光粒度仪4-9、气相色谱仪4-10连接，高速采集卡5-2接入端通过数据线分别与压力传感器4-1、温度传感器4-2、火焰传感器4-3、流速传感器4-4、粉尘浓度传感器4-5、瓦斯含量传感器4-6线连接，数据采集卡5-1接出端、高速采集卡5-2接出端、打印机5-4通过数据线分别与计算机5-3连接，计算机5-3自动记录、保存所有过程数据并绘制分析曲线，并控制打印机5-4输出数据结果。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，其特征在于，包括：卧式爆炸源，带可视窗与泄压结构的角联结构管网，带有喷粉装置的点火源模块，环境与过程监测监控模块以及数据分析模块；

其中，卧式爆炸源与角联结构管网入口端密封连接，点火源模块通过角联结构管网壁开设的圆孔与角联结构管网内部连通，并在连接处密封；环境与过程监测监控模块固定于角联结构管网内壁顶部及侧面，并连接至外部设置的数据分析模块，以将采集到的数据信号发送至数据分析模块；

所述角联结构管网包括模块化结构管网、导轨、轮式钢架、可视窗、高压自动控制阀门、喷淋装置、泄压装置和尾气收集装置；其中，模块化结构管网分为直管道、带角度双通管道和带角度三通管道，模块化结构管网入口端直管道通过法兰、密封圈与卧式爆炸源出口端密封连接，模块化结构管网相邻直管道通过法兰、密封圈螺纹密封连接，拐角处通过带角度双通管道或者带角度三通管道与直管道通过法兰、螺纹密封连接，通过螺纹将模块化结构管网固定在轮式钢架上，轮式钢架通过带有刹车的滑轮与导轨面接触，导轨通过螺栓固定在平直地面上； 直管道侧面、顶面开设有方形或长方形切口，切口设置为防爆可视窗，所述防爆可视窗通过密封件、螺纹与直管道密封、防爆连接，高压自动控制阀门两端内径与直管道相同，通过密封圈、法兰与直管道密封连接，通过打开与关闭高压自动控制阀门以改变和调整模块化结构管网爆炸组合路径；在模块化结构管网出口端设置泄压装置，泄压装置入口端通过法兰、密封圈与模块化结构管网出口端密封连接，泄压装置出口端接尾气收集装置，通过数据线与数据采集模块连接；

所述环境与过程监测监控模块包括压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器、粉尘浓度传感器、瓦斯含量传感器、高速摄像机、图像粒子测速仪、激光多普勒测速仪、激光粒度仪和气相色谱仪，压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器，粉尘浓度传感器和瓦斯含量传感器通过螺纹固定的方式设置于模块化结构管网内壁顶部和侧面，高速摄像机通过三脚架固定于模块化结构管网侧面，相机镜头与模块化结构管网侧壁可视窗正对；图像粒子测速仪与激光多普勒测速仪激光器通过直角夹固定于模块化结构管网上部，激光束通过管网顶部可视窗垂直射入管网内部，激光接收端通过可调式平台与模块化结构管网侧壁可视窗平行、正对放置；激光粒度仪与气相色谱仪安置于模块化结构管网附近减震台上，通过管线、阀门、透明管路和过滤器与泄压装置连通，透明管路入口端通过阀门、管线与泄压装置连接，中段固定于激光粒度仪，通过激光粒度仪分析产物颗粒大小、粒度分布，透明管路出口端与过滤器入口端连接，过滤器出口端与气相色谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，其特征在于，喷淋装置包括供水源、供水管路、喷水口、电磁开关和控制模块，供水管路入口端与供水源螺纹连接，出口端与电磁开关、喷水口螺纹连接；控制模块通过数据采集卡、数据线与电磁开关、火焰传感器线连接。

3.根据权利要求1所述的角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，其特征在于，点火模块包括带有筛网的喷粉罐、气源、压力传感器、质量流量计、电子天平、电磁控制阀、静电探头、静电点火箱和控制系统，喷粉罐出口端通过螺纹依次与筛网、电磁控制阀、模块化结构管网侧壁开孔固定连接，入口端为带有螺纹的顶盖，顶盖中部开孔，开孔处通过管线与三通螺纹连通，三通另两端分别与压力传感器、阀门和气源连通；静电探头固定在模块化结构管网内侧壁与喷粉口附近，通过电线与静电点火箱连接，控制系统通过数据采集卡、数据线与静电点火箱、电磁控制阀、气源和喷粉管连接。

4.根据权利要求1所述的角联结构管网爆炸模拟测试分析系统，其特征在于，数据分析模块包括数据采集卡、高速采集卡、计算机和打印机；数据采集卡接入端通过数据线分别与高速摄像机、图像粒子测速仪、激光多普勒测速仪、激光粒度仪和气相色谱仪连接，高速采集卡接入端通过数据线分别与压力传感器、温度传感器、火焰传感器、流速传感器、粉尘浓度传感器和瓦斯含量传感器连接，数据采集卡接出端、高速采集卡接出端和打印机通过数据线分别与计算机连接，计算机自动记录、保存所有过程数据并绘制分析曲线，并控制打印机输出数据结果。

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