CN114441593B - 一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，包括供气系统、气体控制系统、混合气罐、放空系统、点火系统、测试系统和PLC系统，通过在供气系统下游分成三个支路，可分别用于模拟包括单一或混合燃料喷射火（即单路）以及双路喷射火源在内的多个不同喷射火灾害真实场景，并进一步通过在下游中路天然气/氢气混合气体管道上设置不同材质的测试管段，实现对天然气掺氢后与现役天然气管道材料相容性及其泄漏流动与诱发喷射火燃烧特性和热灾害的整体性研究，同时能克服现有技术的缺陷。目前该试验装置的研制在国内尚属空白，加快此项技术推广应用意义重大。
Description
技术领域
本发明是一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，属于氢能源管道输送安全技术领域。
背景技术
氢能因清洁无污染、燃烧热值高、来源广泛等优点，已成为当前最具吸引力和发展前景的新能源。
由于氢气体积能量密度极低、且极易燃爆，导致火灾、爆炸事故，因此氢气运输一直是氢能产业发展薄弱环节，发展安全、高效的氢气运输技术已成为限制氢能规模化应用的主要瓶颈。近年来，欧美等发达国家提出将氢气以一定比例掺入天然气中，然后利用现有在役天然气管道进行输送的方案，其优势主要体现在以下两个方面：首先，往天然气中掺入氢气，可改变天然气燃烧特性，并能显著降低污染物排放；其次，避免了高成本的纯氢管道建设，是一种低成本且高效的氢气运输方式。就目前情况来看，天然气管道掺氢作为氢能输送新途径，引起世界各主要国家和地区的广泛关注，这对于拥有世界上最庞大天然气管道运输网络系统的中国来说，更是如此。但掺氢天然气在管输过程中难免会受到管道腐蚀、设备老化、第三方破坏等影响，易发生泄漏引发火灾爆炸等安全事故，导致严重人员伤亡和财产损失，因此迫切需要加强对掺氢天然气安全性的研究。
目前，针对掺氢天然气管道泄漏后诱发主要灾害类型——喷射火的研究还相当匮乏。国外少数学者如Lowesmith等利用户外试验场对大尺度掺氢天然气管道泄漏所致喷射火进行初步测试，得到特定掺氢比例下混合燃料喷射火基本燃烧数据（如火焰长度，热辐射通量等）。但国内关于此方面研究几乎没有，已有研究主要集中在掺氢天然气的运输分离（如中国专利CN112628602A）及其燃烧利用性能（如应用在天然气发动机和家用燃具上，即中国专利CN101333961B和CN214374561U）等方面。中国专利CN109682924A还公开了一种高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，但由于该装置只能用于模拟单一气体燃料喷射火，故在此装置基础上无法开展天然气掺氢混合燃料喷射火实验。此外，关于天然气掺氢后与管道材料的相容性问题，一直以来尚未得到足够的关注，相关研究更是鲜有报道。
发明内容
本发明提出的是一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其目的在于针对国外大尺度掺氢天然气管道泄漏喷射火试验装置存在耗时耗力、可重复性和精确性差等缺点，以及国内现有试验装置对天然气掺氢后与管道材料相容性及安全性考虑不足或只能研究单一气体燃料形成的喷射火的问题，提供一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，用于研究不同工况下（如掺氢比、气体流速和压力以及泄漏出口尺寸和形状等）掺氢天然气与现役天然气管道材料相容性及其发生泄漏所致喷射火燃烧特性及规律，并有效评估此类喷射火热灾害风险。
本发明的技术解决方案：一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，包括：供气系统A、气体控制系统B、混合气罐C、放空系统D、点火系统E和PLC系统G；其中，所述供气系统A包括天然气气源1和氢气气源2，气源出口端均安装有减压阀，供气过程中天然气、氢气经减压阀减压后通过1#金属软管a和2#金属软管b分别与1#不锈钢管c和2#不锈钢管d的进气口连接，实现双路供气；所述气体控制系统B安装在1#不锈钢管c和2#不锈钢管d上，包括多台相同规格的气体质量流量控制器，用于监测控制气体的质量流量，并达到试验所需的混合气体掺比工况，1#不锈钢管c和2#不锈钢管d的出气口均通过焊接三通连接到3#不锈钢管e上；3#不锈钢管e的两端通过焊接弯头与4#不锈钢管f和5#不锈钢管g的进气口连接，中间通过四通接头连接一个并联的6#不锈钢管h，即在双路供气管路下游分成三个支路，用于根据实际研究所需模拟不同喷射火灾害场景；6#不锈钢管h与上游1#不锈钢管c和2#不锈钢管d之间，分别通过安装在3#不锈钢管e上的1#电动球阀6和2#电动球阀7对进入混合气罐C的气体进行控制；所述混合气罐C安装在下游支路6#不锈钢管h上，用于使不同配比天然气掺氢混合气体混合均匀；所述放空系统D设置在6#不锈钢管h的上游末端，并通过3#电动球阀5连接控制，用于在发生故障状况下的紧急放空以及实验完成后的尾气抽除；三个支路4#不锈钢管f、5#不锈钢管g和6#不锈钢管h上分别安装有4#电动球阀8、5#电动球阀9和6#电动球阀10，其下游末端分别连接有1#阻火器11、2#阻火器12和3#阻火器13，用于防止燃烧火焰回火；阻火器的出口端分别通过3#金属软管j、4#金属软管k和5#金属软管l与点火系统E连接；所述PLC系统G中的PLC控制器26信号输出端口分别通过继电器连接控制1#电动球阀6、2#电动球阀7、4#电动球阀8、5#电动球阀9和6#电动球阀10以及真空挡板阀14、真空泵15和脉冲发生器18，以实现自动化点火和安全控制。
所述气体控制系统B包括两台相同规格的气体质量流量控制器，分别安装在1#金属软管a和2#金属软管b上，以保证气体混合精度。
所述下游支路6#不锈钢管h上拼接有同心测试管段i，所述测试管段i与6#不锈钢管h螺纹连接，其两端螺纹接头处均使用非金属垫片进行密封。测试管段i材质根据现役天然气管道实际情况进行选取和测试，以评估天然气掺氢后对天然气管道材料本身性能的影响。
所述放空系统D包括真空软管m、真空挡板阀14、真空泵15和报警功能模块31；所述真空泵15进口端通过真空软管m与手动球阀5出口端连接；所述真空挡板阀14通过密封组件安装在真空软管m上，用于在泵停止工作或电源突然中断的情况下，自动封闭真空系统，并将大气充入泵腔内，防止泵油逆流造成污染；所述报警功能模块31连接直流开关电源32供电，并通过连接继电器常闭接点控制实现开关，用于在断电情况下进一步提醒操作者的注意，及时做出相应的处理。
所述点火系统E包括三个或大于三个燃烧器本体16，每个燃烧器本体16配有一个点火针17和脉冲发生器18；所述燃烧器本体16包括燃烧器喷嘴19、喷嘴固定底座20和旋转升降支架21，其中燃烧器喷嘴19和喷嘴固定底座20通过喷嘴进口端焊接的螺纹接头进行连接，方便拆卸和更换喷嘴；所述喷嘴固定底座20安装在全方位升降旋转支架21上，可升降到任意高度，也可调节到任意角度；所述点火针17固定在喷嘴19上方相应的位置，其入电端通过导线连接到脉冲发生器18的正负极，可连续放电。
还包括测试系统F，所述测试系统F 包括热电偶22、CCD数码摄像机23、热流密度计24和红外热像仪25，布置在喷射火焰四周，用于获取喷射火焰温度、形态和辐射热场分布特征；此外，当需要分析天然气掺氢后对管道材料性能的影响时，还包括扫描电镜、能谱仪、金相分析仪和拉力测试机，用于获取管道材料微观结构、元素分布和显微组织特征及其力学性能。
所述PLC系统G还包括人机交互模块27和远程控制模块28，所述人机交互模块27信号输入输出端与PLC控制器26信号输出输入端连接，便于现场突发状况下的处理和人工干预；所述PLC控制器26和脉冲发生器18之间的继电器上加还设有延时模块30，避免点火时因可燃气体与装置内残留空气混合而在燃烧器喷嘴19处发生气爆，从而进一步确保装置安全性；所述远程控制模块28与PLC控制器26建立局域网连接，再通过无线遥控器29与PLC控制器26连通传输信号，最终实现对所有电动阀门和点火动作的远程控制，并能根据实际情况快速切断电源，最大程度保护操作者的人身安全。
其工作方法，包括如下步骤：
（1）准备阶段：测试开始前，根据试验要求安装相应直径或形状的喷嘴以及测试管段，调整好喷嘴角度和高度，检查连接部件和设备，并利用肥皂水进行检漏；
（2）通气阶段：供气系统A按照试验所需，天然气和氢气分别从天然气气源1和氢气气源2流出，通过气体控制系统B中的1#气体质量流量控制器3和2#气体质量流量控制器4以及1#电动球阀6和2#电动球阀7调节控制后进入混合气罐C，天然气和氢气在混合气罐C内按照试验所需掺比进行混合；然后打开下游支路6#不锈钢管h上的6#电动球阀10，将混合气体导入到燃烧器喷嘴19；
（3）点火阶段：脉冲发生器18工作，产生的高频电压通过点火针17进行连续放电，由放电火花引燃喷嘴处的混合气体，形成喷射火焰。
（4）测量阶段：在火焰稳定阶段，在喷射火焰周围布置热电偶22、CCD数码摄像机23、热流密度计24和红外热像仪25，分别获取火焰的温度、形态和辐射热场分布信息；
（5）结束阶段：所有测量工作完成后，先将气体控制系统B中的1#气体质量流量控制器3和2#气体质量流量控制器4的流量设定值归零，关闭气源，切断进气；再通过放空系统D抽除管道和缓存气罐C内尾气。
若需要调整掺氢比例进行多组试验，分别通过气体质流量量控制器重新设置天然气和氢气进气流量，然后重复步骤（2）~（5）。
若需要评估天然气掺氢后对管道材料的影响，通过设定目标掺氢比例或进气流量进行长时间燃烧测试，在整个实验结束之后（即步骤（5）），对测试管段i进行取样，进行管道材料的组织和力学性能表征比较分析。
若需要模拟其他喷射火灾害场景，对于单一燃料天然气或氢气喷射火，依次打开天然气气源1、气体控制系统B中1#气体质量流量控制器3和下游支路4#不锈钢管f上的4#电动球阀8，或依次打开氢气气源2、2#气体质量流量控制器4和下游支路5#不锈钢管g上的5#电动球阀9，将管路连通即可；对于双路喷射火，则同时将上述两个管路连通，然后重复步骤（3）~（5）。
本发明的有益效果：
（1）提供了一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，能够根据需求精确控制掺氢比，并保证天然气和氢气混合均匀性，在此基础上可以准确模拟不同掺氢比的掺氢天然气泄漏流动与诱发喷射火燃烧情况，同时进行相应的记录和分析。
（2）通过在供气系统下游分成三个支路，可分别用于模拟包括单一或混合燃料喷射火（即单路）以及双路喷射火源在内的多个不同喷射火灾害真实场景，具有显著的实用性。
（3）通过进一步在下游中路天然气/氢气混合气体管道上设置不同材质的测试管段，可用于评估天然气掺氢后与现役天然气管道材料的相容性，丰富相关材料的性能数据，为氢环境下天然气管道的设计、制造及运行提供依据。
（4）装置主体通过一体化集成设计，并通过PLC进行控制，具有成本较低、操作简单、运行安全可靠、后期便于维、多层防护及预警的特点。
（5）装置有助于防止和减少掺氢意外喷射火危害，对于探索掺氢天然气管道输送安全关键技术，推动天然气管道掺氢输送规模化应用，促进氢能产业发展具有重要意义。
附图说明
附图1是本发明整体结构示意图。
附图2是点火系统结构示意图。
附图3是PLC系统的原理图。
图中各部件对应附图标记见下表。
| 编号 | 名称 | 编号 | 名称 |
| A | 供气系统 | 16 | 燃烧器本体 |
| B | 气体控制系统 | 17 | 点火针 |
| C | 混合气罐 | 18 | 脉冲发生器 |
| D | 放空系统 | 19 | 燃烧器喷嘴 |
| E | 点火系统 | 20 | 喷嘴固定底座 |
| F | 测试系统 | 21 | 升降旋转支架 |
| G | PLC系统 | 22 | 热电偶 |
| a、b、j、k、l | 金属软管 | 23 | CCD数码摄像机 |
| i | 测试管段 | 24 | 热流密度计 |
| c、d、e、f、g、h | 不锈钢管 | 25 | 红外热像仪 |
| m | 真空软管 | 26 | PLC控制器 |
| 1、2 | 天然气、氢气气源 | 27 | 人机交互模块 |
| 3、4 | 气体质量流量控制器 | 28 | 远程控制模块 |
| 5 | 手动球阀 | 29 | 无线遥控器 |
| 6、7、8、9、10 | 电动球阀 | 30 | 延时模块 |
| 11、12、13 | 阻火器 | 31 | 报警功能模块 |
| 14 | 真空挡板阀 | 32 | 直流开关电源 |
| 15 | 真空泵 |
具体实施方式
一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，包括供气系统A、气体控制系统B、混合气罐C、放空系统D、点火系统E、测试系统F和PLC系统G；
所述供气系统A包括天然气气源1和氢气气源2，气源出口端均安装有减压阀，供气过程中天然气、氢气经减压阀减压后通过金属软管a和b与不锈钢管c和d的进气口连接，实现双路供气；所述气体控制系统B安装在不锈钢管c和d上，用于监测控制气体的质量流量，并达到试验所需的混合气体掺比工况，不锈钢管c和d的出气口均通过焊接三通连接到不锈钢管e上；不锈钢管e的两端通过焊接弯头与不锈钢管f和g的进气口连接，其中间通过四通接头连接一个并联的不锈钢管h，即在双路供气管路下游分成三个支路，用于根据实际研究所需模拟不同喷射火灾害场景；不锈钢管h与上游不锈钢管c和d之间，分别通过安装在不锈钢管e上的电动球阀6和7对进入混合气罐C的气体进行控制；所述混合气罐C安装在下游支路不锈钢管h上，用于使不同配比天然气掺氢混合气体混合均匀；所述放空系统D设置在不锈钢管h的上游末端，并通过电动球阀5连接控制，用于在发生故障状况下（如超压等）的紧急放空以及实验完成后的尾气抽除；三个支路不锈钢管f、g和h上分别安装有电动球阀8、9和10，其下游末端分别连接有阻火器11、12和13，用于防止燃烧火焰回火；阻火器的出口端分别通过金属软管j、k和l与所述点火系统E连接。
所述气体控制系统B包括至少两台同一规格的气体质量流量控制器3和4，以保证气体混合精度。
所述下游支路不锈钢管h上拼接有同心测试管段i，所述测试管段i与不锈钢管h螺纹连接，其两端螺纹接头处均使用非金属垫片进行密封。测试管段i材质根据现役天然气管道实际情况进行选取和测试，以评估天然气掺氢后对天然气管道材料本身性能的影响。
所述放空系统D包括真空软管m、真空挡板阀14、真空泵15和报警功能模块31；所述真空泵15进口端通过真空软管m与手动球阀5出口端连接；所述真空挡板阀14通过密封组件安装在真空软管m上，用于在泵停止工作或电源突然中断的情况下，自动封闭真空系统，并将大气充入泵腔内，防止泵油逆流造成污染；所述报警功能模块31连接直流开关电源32供电，并通过连接继电器常闭接点控制实现开关，用于在断电情况下进一步提醒操作者的注意，及时做出相应的处理。
所述点火系统E包括至少三个燃烧器本体16，每个燃烧器本体16都配有一个点火针17和脉冲发生器18；所述燃烧器本体16包括燃烧器喷嘴19、喷嘴固定底座20和旋转升降支架21，其中燃烧器喷嘴19和喷嘴固定底座20通过喷嘴进口端焊接的螺纹接头进行连接，方便拆卸和更换喷嘴；所述喷嘴固定底座20加装在一个升降旋转支架21上，可升降到任意高度，也可调节到任意角度，全方位无死角；所述点火针17固定在喷嘴19上方相应的位置，其入电端分别通过导线连接到脉冲发生器18的正负极，可连续放电，在保证安全可靠的同时，大大提高了点火成功率。
所述测试系统F包括热电偶22、CCD数码摄像机23、热流密度计24和红外热像仪25，布置在喷射火焰四周，用于获取喷射火焰温度、形态和辐射热场分布特征；在此基础上，还可以根据需要获取的其他喷射火特征参量（如速度、热释放速率和组分浓度等）以及表征管道材料与氢环境相容性的微观形貌和力学性能参数（如屈服强度、抗拉强度和断面伸长率等）自行添加相关的实验测量设备。
所述PLC系统G包括PLC控制器26、人机交互模块27和远程控制模块28；所述PLC控制器26信号输出端口上连接有多个继电器，分别连接控制电动球阀6、7、8、9和10以及真空挡板阀14、真空泵15和脉冲发生器18，以实现自动化点火和安全控制；所述脉冲发生器18和所述PLC控制器26之间的继电器上还加设有延时模块30，避免点火时因可燃气体与装置内残留空气混合而在燃烧器喷嘴19处发生气爆，从而进一步确保装置安全性；所述人机交互模块27与PLC控制器26连接，便于现场突发状况下的处理和人工干预；所述远程控制模块28与PLC控制器26建立局域网连接，然后通过无线遥控器29与PLC控制器26连通传输信号，最终实现对所有电动阀门和点火动作的远程控制，并能根据实际情况快速切断电源，最大程度保护操作者的人身安全。
实施例1
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明。
如附图1所示，一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，包括：供气系统A、气体控制系统B、混合气罐C、放空系统D、点火系统E、测试系统F和PLC系统G。
供气系统A包括天然气气源1和氢气气源2，气源出口端安装有减压阀，其材质为316不锈钢，最高出气压力设计为0~1.6 MPa，使用压力为0.3 MPa；供气过程中天然气、氢气先经减压阀减压至≤0.1MPa，再通过金属软管a和b与不锈钢管c和d的进气口连接，用于实现双路供气。
气体控制系统B包括两台同一规格的高精度气体质量流量控制器3和4，其量程设计为0~50 SLPM，精度为±0.8%量程+0.2%读数，分别安装在不锈钢管c和d上，用于监测控制气体的质量流量，并达到试验所需的混合气体掺比工况。
双路供气管路下游分成三个支路不锈钢管f、g和h，每个支路上分别安装有电动球阀8、9和10，并在其下游末端分别连接有阻火器11、12和13；阻火器材质为316L不锈钢，采用卡套式连接，耐压为41.4 MPa，其出口端分别通过金属软管j、k和l与点火系统E连接。
形成三个支路的主要作用是可以根据实际研究所需模拟包括单一或混合燃料喷射火即单路以及双路喷射火源在内的多个不同喷射火灾害场景。
混合气罐C安装在下游支路不锈钢管h上，其材质为316L不锈钢，设计容积为500cm3，最高工作压力达34.5 MPa，可以通过安装在不锈钢管e上的电动球阀6和7对进入混合气罐C的气体进行控制，混合气罐C的主要作用是使不同掺比的天然气氢气混合气体混合均匀。
下游支路不锈钢管h上还拼接有同心测试管段i，测试管段i与不锈钢管h螺纹连接，其两端螺纹接头处均使用聚四氟乙烯垫片进行密封。测试管段i材质根据现役天然气管道实际情况进行选取和测试，包括天然气输送管道中高钢级管线钢（X52、X70和X80）、配送系统中的低钢级管线钢（API SPEC 5L A、B、X42、X46）以及非金属材料聚乙烯，以评估天然气掺氢后对天然气管道材料本身性能的影响。
放空系统D包括真空软管m、真空挡板阀14、真空泵15和报警功能模块31，真空泵15设计为2X型双级旋片式真空泵，其进口端通过真空软管m与安装在不锈钢管h上游末端的手动球阀5出口端连接，真空挡板阀14通过KF25密封组件安装在真空软管m上，报警功能模块31连接输出直流电压为12 V的开关电源32供电，并通过连接继电器常闭接点控制实现开关，其工作电压设计为直流12~24 V。
放空系统D的主要作用是在发生故障状况下如超压等的紧急放空以及实验完成后的尾气抽除。
如附图2所示，点火系统E包括三个燃烧器本体16，每个燃烧器本体16都配有一个点火针17和脉冲发生器18；燃烧器本体16包括燃烧器喷嘴19、喷嘴固定底座20和旋转升降支架21，其中燃烧器喷嘴19和喷嘴固定底座20通过喷嘴进口端焊接的螺纹接头进行连接，方便拆卸和更换不同直径或形状的喷嘴；喷嘴固定底座20加装在升降旋转支架21上；点火针17固定在喷嘴19上方相应的位置，其入电端分别通过导线连接到脉冲发生器18的正负极，脉冲发生器18的输出电压设计为15 kV，弧光频率为100 Hz，放电时间不小于10 min。
根据本次研究需要，可拆卸更换的喷嘴直径依次设计为1.0 mm、2.0 mm、3.0mm和4.0 mm；另外，在保证喷嘴出口面积相同的情况下，还可以将喷嘴形状依次设计为圆形、矩形、三角形和椭圆形。
测试系统F包括廉金属K型、N型和贵金属S型热电偶22、CCD数码摄像机（型号：SONY，FDR-AXP55）23、热流密度计（型号：美国MEDTHERM，64系列）24和红外热像仪（型号：加南大Telops，FAST-IR）25，用于获取喷射火焰形态、温度和辐射热场分布特征，布置在喷射火焰四周适当位置；此外，还包括扫描电镜（型号：日本Hitachi，SU8010）、能谱仪（型号：日本岛津，AXIS Supra）、金相分析仪（型号：BETICAL，CR50系列）和拉力测试机（型号：SKYAN，CMT系列），用于获取天然气掺氢后管道材料微观结构、元素分布和显微组织及其力学性能的变化。
如附图3所示，PLC系统G包括PLC控制器26、人机交互模块27和远程控制模块28，其中PLC控制器26信号输出端口上连接有多个继电器，分别连接控制电动球阀6、7、8、9和10以及真空挡板阀14、真空泵15和脉冲发生器18，以实现自动化点火和安全控制；脉冲发生器18和PLC控制器26之间的继电器上还加设有延时模块30，延时模块30额定电流为5 A，动作时间在0.1 s以下，定时范围设计为0~60 s，避免点火时因可燃气体与装置内残留空气混合而在燃烧器喷嘴19处发生气爆，以进一步确保装置安全性；人机交互模块27与PLC控制器26连接，便于现场突发状况下的处理和人工干预；远程控制模块28与PLC控制器26建立局域网连接，工作频率为315 MHz，遥控距离设计为400~1500 m（开阔地），然后通过无线遥控器29与PLC控制器26连通传输信号，最终实现对所有电动阀门和点火动作的远程控制，并能根据实际情况迅速切断电源，最大程度保护操作者的人身安全。
考虑到氢气的易燃易爆性以及可能对管道腐蚀性的影响，上述装置所用到的电动阀门均设计为防爆型，除测试管段i外，其余不锈钢管线均选用3/8″BA级316L内抛光管。
采用本发明的试验装置对掺氢天然气管道泄漏点火燃烧进行模拟测试的步骤包括：
（1）准备阶段：在测试开始之前，根据试验要求安装相应直径或形状的喷嘴以及测试管段，同时调整好喷嘴角度和高度，然后检查连接部件和设备，并利用肥皂水进行检漏。
（2）通气阶段：供气系统A按照试验所需，天然气和氢气分别从天然气气源1和氢气气源2流出，通过气体质量流量控制器3和4以及电动球阀6和7调节控制后进入混合气罐C，天然气和氢气在混合气罐C内按照试验所需掺比进行混合；然后打开下游支路不锈钢管h上的电动球阀10，将混合气体导入到燃烧器喷嘴19。
（3）点火阶段：紧接着脉冲发生器18工作，其产生的高频电压通过点火针17进行连续放电，由放电火花引燃喷嘴处的混合气体，形成喷射火焰。
（4）测量阶段：在火焰稳定阶段，通过在喷射火焰周围适当位置布置的热电偶22、CCD数码摄像机23、热流密度计24和红外热像仪25，分别获取火焰的温度、形态和辐射热场分布信息。
（5）结束阶段：待所有测量工作完成后，先将气体质量流量控制器3和4的流量设定值归零，然后关闭气源，切断进气；再通过放空系统D对管道和缓存气罐C内尾气进行抽除。
若需要调整掺氢比例进行多组试验时，分别通过气体质流量量控制器3和4重新设置天然气和氢气进气流量，然后重复步骤（2）~（5）。
若需要评估天然气掺氢后对管道材料的影响，通过设定目标掺氢比例或进气流量进行长时间燃烧测试，在整个实验结束之后（即步骤（5）），对测试管段i进行取样，进行管道材料的组织和力学性能表征比较分析。
若需要模拟其他喷射火灾害场景时，对于单一燃料天然气或氢气喷射火，依次打开天然气气源1、气体质量流量控制器3和下游支路不锈钢管f上的电动球阀8，或依次打开氢气气源2、气体质量流量控制器4和下游支路不锈钢管g上的电动球阀9，将管路连通即可；对于双路喷射火，则同时将上述两个管路连通，然后重复步骤（3）~（5）。
设备长期停用时，要排尽设备和管道内残留气体，关闭所有阀门，断开电源。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并非是对本发明作其它形式的限制。应当注意，本领域普通技术人员在参考了说明书内容的基础上所做出的不必付出创造性劳动的改动也应落入本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是包括：供气系统(A)、气体控制系统(B)、混合气罐(C)、放空系统(D)、点火系统(E)和PLC系统(G)；其中，所述供气系统(A)包括天然气气源(1)和氢气气源(2)，气源出口端均安装有减压阀，供气过程中天然气、氢气经减压阀减压后通过1#金属软管(a)和2#金属软管(b)分别与1#不锈钢管(c)和2#不锈钢管(d)的进气口连接，实现双路供气；所述气体控制系统(B)安装在1#不锈钢管(c)和2#不锈钢管(d)上，包括多台相同规格的气体质量流量控制器，用于监测控制气体的质量流量，并达到试验所需的混合气体掺比工况，1#不锈钢管(c)和2#不锈钢管(d)的出气口均通过焊接三通连接到3#不锈钢管(e)上；3#不锈钢管(e)的两端通过焊接弯头与4#不锈钢管(f)和5#不锈钢管(g)的进气口连接，中间通过四通接头连接一个并联的6#不锈钢管(h)，即在双路供气管路下游分成三个支路，用于根据实际研究所需模拟不同喷射火灾害场景；6#不锈钢管(h)与上游1#不锈钢管(c)和2#不锈钢管(d)之间，分别通过安装在3#不锈钢管(e)上的1#电动球阀(6)和2#电动球阀(7)对进入混合气罐(C)的气体进行控制；所述混合气罐(C)安装在下游支路6#不锈钢管(h)上，用于使不同配比天然气掺氢混合气体混合均匀；所述放空系统(D)设置在6#不锈钢管(h)的上游末端，并通过3#电动球阀(5)连接控制，用于在发生故障状况下的紧急放空以及实验完成后的尾气抽除；三个支路4#不锈钢管(f)、5#不锈钢管(g)和6#不锈钢管(h)上分别安装有4#电动球阀(8)、5#电动球阀(9)和6#电动球阀(10)，其下游末端分别连接有1#阻火器(11)、2#阻火器(12)和3#阻火器(13)，用于防止燃烧火焰回火；阻火器的出口端分别通过3#金属软管(j)、4#金属软管(k)和5#金属软管(l)与点火系统(E)连接；所述PLC系统(G)中的PLC控制器(26)信号输出端口分别通过继电器连接控制1#电动球阀(6)、2#电动球阀(7)、4#电动球阀(8)、5#电动球阀(9)和6#电动球阀(10)以及真空挡板阀(14)、真空泵(15)和脉冲发生器(18)，以实现自动化点火和安全控制。
2.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是所述气体控制系统(B)包括两台相同规格的气体质量流量控制器，分别安装在1#金属软管(a)和2#金属软管(b)上，以保证气体混合精度。
3.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是所述下游支路6#不锈钢管(h)上拼接有同心测试管段(i)，所述测试管段(i)与6#不锈钢管(h)螺纹连接，其两端螺纹接头处均使用非金属垫片进行密封；测试管段(i)材质根据现役天然气管道实际情况进行选取和测试，以评估天然气掺氢后对天然气管道材料本身性能的影响。
4.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是所述放空系统(D)包括真空软管(m)、真空挡板阀(14)、真空泵(15)和报警功能模块(31)；所述真空泵(15)进口端通过真空软管(m)与手动球阀(5)出口端连接；所述真空挡板阀(14)通过密封组件安装在真空软管(m)上，用于在泵停止工作或电源突然中断的情况下，自动封闭真空系统，并将大气充入泵腔内，防止泵油逆流造成污染；所述报警功能模块(31)连接直流开关电源(32)供电，并通过连接继电器常闭接点控制实现开关，用于在断电情况下进一步提醒操作者的注意，及时做出相应的处理。
5.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是所述点火系统(E)包括三个或大于三个燃烧器本体(16)，每个燃烧器本体(16)配有一个点火针(17)和脉冲发生器(18)；所述燃烧器本体(16)包括燃烧器喷嘴(19)、喷嘴固定底座(20)和升降旋转支架(21)，其中燃烧器喷嘴(19)和喷嘴固定底座(20)通过喷嘴进口端焊接的螺纹接头进行连接，方便拆卸和更换喷嘴；所述喷嘴固定底座(20)安装在全方位升降旋转支架(21)上，可升降到任意高度，也可调节到任意角度；所述点火针(17)固定在喷嘴(19)上方相应的位置，其入电端通过导线连接到脉冲发生器(18)的正负极，可连续放电。
6.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是还包括测试系统(F)，所述测试系统(F) 包括热电偶(22)、CCD数码摄像机(23)、热流密度计(24)和红外热像仪(25)，布置在喷射火焰四周，用于获取喷射火焰温度、形态和辐射热场分布特征；此外，当需要分析天然气掺氢后对管道材料性能的影响时，还包括扫描电镜、能谱仪、金相分析仪和拉力测试机，用于获取管道材料微观结构、元素分布和显微组织特征及其力学性能。
7.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置，其特征是所述PLC系统(G)还包括人机交互模块(27) 和远程控制模块(28)，所述人机交互模块(27)信号输入输出端与PLC控制器(26)信号输出输入端连接，便于现场突发状况下的处理和人工干预；所述PLC控制器(26)和脉冲发生器(18)之间的继电器上还设有延时模块(30)，避免点火时因可燃气体与装置内残留空气混合而在燃烧器喷嘴(19)处发生气爆；所述远程控制模块(28)与PLC控制器(26)建立局域网连接，再通过无线遥控器(29)与PLC控制器(26)连通传输信号，最终实现对所有电动阀门和点火动作的远程控制。
8.如权利要求5所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置的工作方法，其特征是包括如下步骤：
（1）准备阶段：测试开始前，根据试验要求安装相应直径或形状的喷嘴以及测试管段，调整好喷嘴角度和高度，检查连接部件和设备，并利用肥皂水进行检漏；
（2）通气阶段：供气系统(A)按照试验所需，天然气和氢气分别从天然气气源(1)和氢气气源(2)流出，通过气体控制系统(B)中的1#气体质量流量控制器(3)和2#气体质量流量控制器(4)以及1#电动球阀(6)和2#电动球阀(7)调节控制后进入混合气罐(C)，天然气和氢气在混合气罐(C)内按照试验所需掺比进行混合；然后打开下游支路6#不锈钢管(h)上的6#电动球阀(10)，将混合气体导入到燃烧器喷嘴(19)；
（3）点火阶段：脉冲发生器(18)工作，产生的高频电压通过点火针(17)进行连续放电，由放电火花引燃喷嘴处的混合气体，形成喷射火焰；
（4）测量阶段：在火焰稳定阶段，在喷射火焰周围布置热电偶(22)、CCD数码摄像机(23)、热流密度计(24)和红外热像仪(25)，分别获取火焰的温度、形态和辐射热场分布信息；
（5）结束阶段：所有测量工作完成后，先将气体控制系统(B)中的1#气体质量流量控制器(3)和2#气体质量流量控制器(4)的流量设定值归零，关闭气源，切断进气；再通过放空系统(D) 抽除管道和缓存气罐(C)内尾气。
9.根据权利要求8所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置的工作方法，若需要调整掺氢比例进行多组试验，分别通过气体质流量量控制器重新设置天然气和氢气进气流量，然后重复步骤（2）~（5）；
若需要评估天然气掺氢后对管道材料的影响，通过设定目标掺氢比例或进气流量进行长时间燃烧测试，在整个实验结束之后，即步骤（5）结束后，对测试管段(i)进行取样，进行管道材料的组织和力学性能表征比较分析。
10.根据权利要求8所述的一种掺氢天然气管道泄漏点火燃烧试验装置的工作方法，若需要模拟其他喷射火灾害场景，对于单一燃料天然气或氢气喷射火，依次打开天然气气源(1)、气体控制系统(B)中1#气体质量流量控制器(3)和下游支路4#不锈钢管(f)上的4#电动球阀(8)，或依次打开氢气气源(2)、2#气体质量流量控制器(4)和下游支路5#不锈钢管(g)上的5#电动球阀(9)，将管路连通即可；对于双路喷射火，则同时将上述两个管路连通，然后重复步骤（3）~（5）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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