CN114778758B - 一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，属于工业安全防护技术领域。包括试验管道，以及设置在试验管道上的点火系统、自动充配气系统、2号压力传感器、火焰传感器、压力传感器、可视平板阻火器、可视化加热箱、温度传感器、光学测试系统、排空管、9号电磁阀和控制与数据采集系统。本发明的传感器布局，管道的长度设置，可视段的位置，阻火器的位置与类型等，具有试验功能的延伸性，增加试验深度和广度，满足特定条件下可燃气管道爆炸与阻火特性基础研究。充配气系统能够自动完成向预混气罐内配置高压试验气体并保证混合均匀、向实验管道内输入任意初始压力预混气体、能完成预混气罐和试验管道的洗气过程。

Description

一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性实验平台

技术领域

本发明属于工业安全防护技术领域，具体涉及一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台。

背景技术

近年来，可燃气管道爆炸安全事故频发。而可燃气在石油化工生产运输及储存过程中由于意外泄漏而引发的燃烧爆炸事件也屡见不鲜。因此需要加强可燃气管道爆炸以及阻火的基础研究，掌握可燃气爆炸特性，从而精确制定阻火隔爆防护措施，减小可燃气爆炸危险。其中阻火器作为一种重要的阻火防爆措施，根据可燃气爆炸特性精确选择合适的阻火器至关重要。

开展可燃气管道爆炸以及阻火特性研究对实验平台的安全性，功能性，以及准确性具有很高的要求。

安全性方面，开展可燃气爆炸以及阻火试验本身存在一定的危险性，而现有的试验平台仍存在安全隐患。特别是在配置试验预混气体以及通气洗气的过程中，试验的安全防护机制不完善，并且过度依赖试验人员，一旦出现误操作就可能直接导致实验室爆炸事故的发生。

功能性方面，为了更加全面的对可燃气管道爆炸以及阻火特性进行基础研究，试验平台应该具有延伸性，即在该实验平台的基础上能根据试验要求进行拓展从而有效快速的达到试验目的。而现有的试验平台或系统仅能满足特定条件下的实验要求，协同完成不同初始压力混合气体爆炸、不同温度下阻火气阻火性能的试验开展以及对可燃气体在阻火器狭缝内爆炸火焰与冲击波特征的形貌探究并且联动控制等还存在不足。

准确性方面，对于可燃气管道爆炸以及阻火特性的基础性研究则需要控制试验误差，特别是在数据采集方面需要保证试验的准确性。

发明内容

根据上述提到现有试验平台存在的问题，本发明公开一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台。

本发明的技术方案：

一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，包括：试验管道，以及设置在试验管道上的点火系统、自动充配气系统3、2号压力传感器4、火焰传感器5、压力传感器6、可视平板阻火器7、可视化加热箱8、温度传感器9、光学测试系统10、排空管11、9号电磁阀12和控制与数据采集系统13；

所述试验管道具有耐高温高压特征，用于完成可燃气爆炸试验；

所述点火系统用于对试验管道内进行可燃气点火；

所述自动充配气系统3用于配置试验气体、向试验管道内通入既定压力的试验气体以及完成试验后的洗气；

所述2号压力传感器4设置于自动充配气系统3与试验管道相连管道附近，用于监测试验管道内压力，并向控制与数据采集系统13反馈压力信号从而完成对自动充配气系统3的调节；

所述火焰传感器5用于获取试验管道内可燃气爆炸火焰信号，并传输至控制与数据采集系统13，完成后续火焰传播特征的研究，火焰传感器5在试验管道上根据试验要求任意排布；

所述压力传感器6用于获取试验管道内可燃气爆炸时冲击波压力，压力传感器在试验管道上根据试验要求任意排布；

所述可视平板阻火器7用于研究不同平板间隙内可燃气爆炸火焰传播特征，并获得最小阻火间隙；

所述可视化加热箱8用于可燃气管道爆炸试验时对可视平板阻火器7升温，并通过可视窗观测不同温度下可视平板阻火器7内火焰传播状态；

所述温度传感器9用于监测和反馈可视平板阻火器7内部温度信号，从而通过控制与数据采集系统13调节可视化加热箱8的加热状态；

所述光学测试系统10包括采用高速摄影仪，纹影仪等一系列光学研究技术，用于对试验管道可视段内以及可视化平板阻火器7可燃气爆炸火焰和冲击波等特征的监测；

所述排空管11用于试验后的排气；

所述9号电磁阀12用于控制排空管11的导通；

所述控制与数据采集系统13分别与点火系统、自动充配气系统3、2号压力传感器4、火焰传感器5、压力传感器6、可视平板阻火器7、可视化加热箱8、温度传感器9、光学测试系统10、9号电磁阀12相连；用于对各系统组件开启和关闭的控制和调节、完成火焰和压力信号的采集与处理以及光学测量系统图像的处理与保存等。

进一步，试验管道满足可燃气爆炸试验高温高压以及密闭性要求，采用单段管段通过法兰装配，便于根据试验要求对试验管道长度进行设置；当试验管道1内火焰传播速度不能满足实验要求时，在试验管道1前端添加扰动装置作为驱动段1-1，用于加速火焰传播；当试验管道1内不设置扰动装置火焰传播速度能满足实验要求时，不用划分驱动段1-1；试验管道前后端设置盲板，并且邻近点火系统的前端的盲板上开设内螺纹，便于与点火系统相连；试验管道中有一段为可视段1-2，作为可视段1-2的试验管道上设置可视窗，可视段1-2能够与其他段的试验管道通过法兰进行装配，根据观察需求来排布可视段1-2的位置；光学测试系统10可以通过法兰连接在试验管道任意位置，与可视段1-2或可视平板阻火器7配合用于观测该位置内爆炸火焰和冲击波等特征或阻火情况；当试验是所用的阻火器不是可视平板阻火器7时，可视段1-2在搭配阻火器使用时需要与阻火器后端相连，用于直接观测是否阻火；每段试验管道上均匀排布多个传感器接口，方便试验布设传感器；

进一步，点火系统包括点火电极2-2和点火控制箱2-1，所述点火电极2-2 与试验管道前端盲板以螺纹相连，用于完成高压放电从而完成试验管道内可燃气点火；所述点火控制箱2-1分别与控制与数据采集系统13、点火电极2-2相连，用于在控制与数据采集系统13输出点火信号后向点火电极2-2输出脉冲高压。

进一步，自动充配气系统3包括：高压气瓶、减压阀、电磁阀、阻火器、止回阀、1号压力传感器、微调阀、截止阀、预混气罐、气体浓度检测仪、真空泵和空气压缩机；

所述高压气瓶包括三类，可燃气高压气瓶、助燃气(空气或氧气)高压气瓶以及惰性气体高压气瓶，用于配置试验气体以及完成洗气；

所述减压阀用于调节高压气瓶输气压力；

所述电磁阀与控制与数据采集系统13相连，用于各支路的开关调节；

所述阻火器用于自动充配气内各支路安全阻火；

所述止回阀用于防止自动充配气内各支路内气体回流造成危险；

所述1号压力传感器用于监测预混气罐内压力，并向控制与数据采集系统 13反馈压力信号；

所述微调阀根据压力传感器反馈压力信号反复调节开度，从而使预混气罐/ 试验管道内气体逐渐接近并达到既定压力；

所述截止阀用于关闭支管；

所述预混气罐用于装载试验气体；

所述气体浓度检测仪用于实时监测预混气罐内试验气体组分浓度；

所述真空泵用于预混气罐和试验管道的抽真空；

所述空气压缩机用于向预混气罐/试验管道内通入空气，从而排出残留可燃气，完成洗气；

自动充配气系统3的真空泵、电磁阀、微调阀、压力传感器和空气压缩机通过信号线与控制与数据采集系统13相连，并受控制与数据采集系统13控制；

需要说明的是，高压气瓶和预混储罐应单独设立在隔爆间内，并放置在通风橱柜内，防止气体泄漏造成危险；

进一步，当在预混气罐内配置完试验气体后关闭预混储罐前后截止阀，在试验时，打开2号截止阀进行试验；

所述可视平板阻火器7包括：可视平板阻火器外壳7-1、平板阻火芯7-2和可视窗石英玻璃7-3；

所述可视平板阻火器外壳7-1通过法兰与试验管道连接，壳体内部中空，与试验管道垂直方向设置可视窗用于固定可视窗石英玻璃7-3；

所述平板阻火芯7-2置于可视平板阻火器外壳7-1内，用于研究不同阻火间隙，平板间隙可调节，并且能够在同一平板阻火芯7-2内设置不同平板间隙的区域，以达到同一组试验测试不同平板间隙内的火焰传播和淬熄特征；

所述可视窗石英玻璃7-3通过加持平板7-4固定在可视平板阻火器外壳7-1 上，用于观测平板阻火芯7-2内部火焰传播；

进一步，在可视平板阻火器外壳7-1倾斜平面竖直开孔，并固定一端封闭的不锈钢圆套筒7-1-1，用于插入温度传感器9；

所述可视化加热箱8包括：电加热器8-2、箱体8-1、可控硅供电系统8-3、耐高温石英玻璃8-4、搭扣8-5、架子8-6和可固定滑轮8-7；

所述电加热器8-2置于箱体8-1内部，用于给可视平板阻火器7加热；

所述箱体由两半箱体8-1组合成，两半箱体8-1内部中间圆柱面上安装电加热器8-2，并留有空间架设可视平板阻火器7，试验管道从两端开孔穿过，开孔略大于试验管道尺寸；箱体8-1前后设置可视窗，用于加装耐高温石英玻璃；箱体8-1夹层内加装保温材料，减小散热，增强高温防护，减小外界对加热温度的干扰；

所述可控硅供电系统8-3用于给电加热器8-2供电和调控加热温度，受温度传感器9反馈信号和控制与数据采集系统13调节；

所述耐高温石英玻璃8-4设置于前后可视窗上，用于配合可视平板阻火器7 观测升温条件下平板间隙内火焰传播特征；

所述搭扣8-5用于连接两半箱体8-1；

所述架子8-6和可固定滑轮8-7用于放置可视化加热箱8，便于固定和移动。

进一步的，所述的火焰传感器5包括火焰传感器感光组件5-1、航空插头5-2、二芯连接导线5-3和光电信号转换控制箱。火焰传感器感光组件5-1依次通过航空插头5-2、二芯连接导线5-3与光电信号转换控制箱相连。

所述的火焰传感器感光组件5-1包括固定阀1h、光敏二极管1b、石英玻璃柱1a、光敏二极管传输导线1c、开孔聚四氟乙烯柱1f、插针1g和紧固螺帽1i。

所述固定阀1h为中空筒状，下部与试验管道的径向开孔以螺纹形式连接，将火焰传感器感光组件5-1固定在试验管道既定位置；

所述光敏二极管1b置于固定阀1h内部下端，用于获得试验管道内火焰信号；

所述石英玻璃柱1a置于固定阀1h内部，与光敏二极管1b感光头部接触，能耐瞬态高温高压冲击，用于保护光敏二极管1b；

所述光敏二极管传输导线1c置于固定阀1h内部，与光敏二极管1b连接；

所述开孔聚四氟乙烯柱1f设置于固定阀1h内部上端，用于固定插针1g和抗压；

所述插针1g一端固定在开孔聚四氟乙烯柱1f内，用于连接光敏二极管传输导线1c，另一端伸出开孔聚四氟乙烯柱1f并与航空插头5-2相连；

所述紧固螺帽1i与固定阀1h上部以螺纹连接，用于压住开孔聚四氟乙烯柱 1f。

所述的光电信号转换控制箱包括控制箱体5-8、线性电源5-6、信号转换电路板5-5、电源插座5-7、输入接口5-4和输出接口5-9。

所述的信号转换电路板5-5依次通过输入接口5-4、二芯连接导线5-3与航空插头5-2相连；信号转换电路板5-5还与输出接口5-9、线性电源5-6相连；线性电源5-6与电源插座5-7相连；所述信号转换电路板5-5用于将光敏二极管 1b连接成完整电路，从而完成光信号与电信号的转换。

进一步地，所述的固定阀1h分为四段，从上往下开始第一段和第三段设置外螺纹，分别用于与紧固螺帽1i和试验管道相连；第二段为六角螺帽形状，便于火焰传感器感光组件5-1在试验管道上的拆卸；第四段径向插入试验管道中，但最下端平面不超出试验管道内壁面。

进一步地，所述紧固螺帽1i为中空筒状，共两段，上段设置外螺纹，用于与航空插头5-2相连；下段设置内螺纹，用于与固定阀1h相连。

进一步地，固定阀1h中设置固定石英玻璃柱1a、光敏二极管1b及光敏二极管传输导线1c的中空区域灌注环氧树脂灌封胶，用于固定石英玻璃柱1a、光敏二极管1b及光敏二极管传输导线1c，同时起到密封作用。

进一步地，光敏二极管1b与信号转换电路板5-5上的定值电阻形成串联电路。

进一步地，光敏二极管1b感知火焰光时，光敏二极管1b的阻值要比信号转换电路板5-5上串联的定值电阻阻值小两个数量级。

进一步地，多个光敏二极管1b与定值电阻组成的串联电路可以相互并联，完成不同管道位置光敏二极管1b的火焰信号的采集。

进一步地，石英玻璃柱1a下底面与固定阀1h底部处于同一平面。

进一步地，光敏二极管传输导线1c与光敏二极管1b焊点处和光敏二极管 1b正负金属套上热缩管。

进一步地，所述的线性电源5-6为AC220V转DC5V线性电源；所述的电源插座5-7为AC220V电源插座。其中所述AC220V转DC5V线性电源用于为信号转换电路板5-5提供5V直流电源。

本发明自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明能够提供基础的测试条件的基础上还可以根据试验具体要求进行试验设置，包括传感器布局，管道的长度设置，可视段的位置，阻火器的位置与类型等，具有试验功能的延伸性，增加试验深度和广度，满足特定条件下可燃气管道爆炸与阻火特性基础研究。

充配气系统具有自动化多功能特征，能够自动完成向预混气罐内配置高压试验气体并保证混合均匀、向实验管道内输入任意初始压力预混气体、能完成预混气罐和试验管道的洗气过程；且采用阻火隔爆设计，具有更高的安全性。

可视平板阻火器和可视加热箱的配合使用，能够对不同温度不同平板间隙内火焰传播以及淬熄特征进行研究，确定在试验管道爆炸条件下最小阻火间隙。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种自动化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台示意图。

图2是自动充配气系统示意图。

图3是可视平板阻火器各组件示意图。

图4是可视加热箱示意图。

图5是火焰传感器的结构示意图。

图6是火焰传感器感光组件的结构示意图。

图7是火焰传感器的工作原理图。

图8是易拆装的电压可调式脉冲点火装置的结构示意图。

图9是易拆装的电压可调式脉冲点火装置中第一电极棒的连接结构示意图。

图10是易拆装的电压可调式脉冲点火装置中第一电极组件的结构示意图。

图11是易拆装的电压可调式脉冲点火装置中可调式高压放电控制箱的连接结构示意图。

图12是易拆装的电压可调式脉冲点火装置中可调式高压放电控制箱的电路连接示意图。

图中：1-1驱动段；1-2可视段；2-1点火控制箱；2-2点火电极；3自动充配气系统；42号压力传感器；5火焰传感器；6压力传感器；7可视平板阻火器；7-1可视平板阻火器外壳；7-1-1不锈钢套筒；7-2平板阻火芯；7-3可视窗石英玻璃；7-4加持平板；8可视加热箱；8-1箱体；8-2电加热器；8-3可控硅供电系统；8-4耐高温石英玻璃；8-5搭扣；8-6架子；8-7可固定滑轮；9温度传感器；10光学测试系统；11排空管；12 9号电磁阀；13控制与数据采集系统；5-1 火焰传感器感光组件；5-2航空插头；5-3二芯连接导线；5-4输入接口；5-5信号转换电路板；5-6线性电源；5-7电源插座；5-8控制箱体；5-9输出接口；1a- 石英玻璃柱；1b-光敏二极管；1c-光敏二极管传输导线；1e-环氧树脂灌封胶部位； 1f-开孔聚四氟乙烯住；1g-插针；1h-固定阀；1i-紧固螺帽；22-1可编程控制器； 22-2可调式高压放电控制箱；22-3电极塞；22-4螺纹连接凸台；22-5第一电极组件通孔；22-6第二电极组件通孔；22-7第一电极棒；22-8第一电极棒的丝扣段；22-9第一双通螺柱；22-10第一钨针；22-11第一限位螺栓；22-12第二电极棒；22-13第二电极棒的丝扣段；22-14第二双通螺柱；22-15第二钨针；22-16 第二限位螺栓；22-17钨针插接通孔；22-18螺帽；22-19点火线；22-20220V交流电源；2a控制箱体；2b固态继电器；2c双极输出点火变压器组件；2d交流电源插座；2e二位测试接线夹；2f转换开关；2c1双极输出点火变压器。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

图1是一种自动化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台示意图；包括试验管道、点火系统、自动充配气系统3、2号压力传感器4、火焰传感器 5、压力传感器6、可视平板阻火器7、可视加热箱8、温度传感器9、光学测试系统10、排空管11、9号电磁阀12、控制与数据采集系统13；

进一步，试验管道满足可燃气爆炸试验高温高压以及密闭性要求，采用单段管段通过法兰装配，便于根据试验要求对试验管道长度进行设置；试验管道前端为驱动段1-1，用于加速火焰传播，实现爆燃向爆轰转变；试验管道前后端设置盲板，并且前端(点火端)盲板开内螺纹便于与点火电极2-2密封连接；试验管道中有一段作为可视段1-2，用于结合光学测试系统10探究试验管道内爆炸火焰和冲击波等特征。可视段1-2在搭配可视平板阻火器7使用时与可视平板阻火器7后端相连，用于直接观测是否阻火；每段试验管道上均匀设置多个传感器接口，方便试验布设传感器，在不使用时用堵头密封；

需要说明的是，在阻火试验时，点火端与可视平板阻火器7中间试验管道成为引爆段，可视平板阻火器7后半段成为保护段。

光学测试系统10受控制与数据采集系统13控制，并能记录和处理爆炸火焰和冲击波等爆炸特征；具体地，控制与数据采集系统13中设置与点火系统2 联动触发，以确保光学测试系统10能获得可视道1-2内影像特征。

点火系统2包括点火控制箱2-1和点火电极2-2；点火控制箱2-1受控制与数据采集系统13控制，试验点火时控制与数据采集系统13发出点火触发信号后点火控制箱2-1向点火电极2-1输出脉冲高压并完成点火；其中点火电极2-1 采用双电极点火，与试验管道管端盲板以螺纹密闭连接。

自动充配气系统3通过管道与试验管道相连，充配气系统3受控制与数据采集系统13控制，完成试验气体的配置、向试验管道内通入既定初始压力的试验气体和试验结束后洗气。

具体地，试验管道经过3号截止阀后通过管道连接汇气排，然后经过汇气排接口分别与空气压缩机、真空泵以及预混气罐相连；

具体地，汇气排的1号接口依次连接止回阀，阻火器、8号电磁阀和空气压缩机；汇气排的2号接口依次连接止回阀、阻火器、6号电磁阀和真空泵；汇气排的3号接口依次连接2号微调阀、7号电磁阀、阻火器、止回阀、2号截止阀与预混气罐；

进一步地，预混气罐上接有1号压力传感器和气体浓度检测仪，预混气罐前端经过1号截止阀后通过管道与1号微调阀相连，经过1号微调阀后采用三通分别连接排空管道、高压气瓶以及真空泵；

具体的，预混气罐经过止回阀、阻火器、5号电磁阀连接真空泵；经过各止回阀、阻火器、电磁阀、减压阀与对应的可燃气、助燃气以及惰性气高压气瓶相连；预混气罐经过4号电磁阀与排空管道相连。

预混气罐上还设置夹持器及爆破片；

需要说明的是各电磁阀、微调阀、压力传感器、真空泵、空气压缩机都通过信号线与控制与数据采集系统13相连，并受控制与数据采集系统13控制。

预混气罐内配置试验气体的具体过程：

1.预混气罐抽真空：打开1号截止阀，关闭2号截止阀，然后通过控制与数据采集系统13调节1号微调阀开度开到最大，开启真空泵以及5号电磁阀对预混气罐进行抽真空，当1号压力传感器反馈压力值低于-95kPa且3分钟内真空度不变时认为预混气罐内完全抽真空，控制与数据采集系统13依次关闭1号微调阀、5号电磁阀和真空泵。

2.根据道尔顿分压法在预混气管内配置试验气体：控制与数据采集系统13 根据配置试验气体组分与配置总压量计算可燃气与助燃气以及惰性气体各自所需压力量，然后调节对应高压气瓶减压阀使压力表数值调至相应略大值。在控制与数据采集系统13内设置各组分气体既定压力，按照所需压力量由小到大的顺序，通过控制与数据采集系统13依次打开电磁阀通入对应种类与压力量的气体。

需要说明的是，在通入一种气体时，控制与数据采集系统13通过1号压力传感器压力反馈信号实时调节1号微调阀，待1号压力传感器反馈压力达到预定值且平稳后，此时1号微调阀处于关闭状态，控制与数据采集系统13自动关闭对应高压气瓶的电磁阀，为了保证配气准确性，还需要向控制与数据采集系统13打开3号电磁阀，向管道中通入足够量惰性气体保证管道中的可燃气浓度降至爆炸下限以下，然后关闭3号电磁阀后打开4号电磁阀排空管道中混合气体，然后关闭4号电磁阀打开真空泵和5号电磁阀抽真空，1分钟后依次关闭5号电磁阀和真空泵，这一步的目的是除去管道内前一步残留气体；接着根据以上步骤进行另一种气体的输送，直至在预混气瓶内完成试验气体配置。之后，关闭高压气瓶减压阀和1号截止阀，控制与数据采集系统13打开4号电磁阀将管道内的高压气体排空。

进一步，当在预混气罐内配置完试验气体后关闭预混储罐前后1号截止阀和2号截止阀，在开始试验前打开2号截止阀；

需要说明的是，三类高压气瓶内具体气体的种类根据试验气体的组分种类进行配置，配气过程不变。并且配置过程中需要考虑对管道内的可燃气稀释后排空以及非可燃气但高压气也需要排空，可以避免危险事故发生。

配置完成的试验气体静置一段时间，待均匀混合后进行测试使用。气体浓度检测仪实时监测预混管道内各组分气体浓度，一旦与既定试验气体浓度成分不符或误差超出试验要求即立刻重新配置试验气体；而1号压力传感器能实时监测预混储罐内气体压力，提醒试验员预混气罐内试验气体量。

3.预混气罐内试验气体用完后进行洗气：首先关闭2号截止阀、打开1号截止阀，打开惰性气体减压阀，然后通过控制与数据采集系统13打开3号电磁阀，并将1号微调阀开度开到最大，通入惰性气体对预混气罐内的试验气体进行稀释，直至低于爆炸下限。之后，控制与数据采集系统13关闭3号电磁阀并打开 4号电磁阀，将预混气罐内的气体排空，当1号传感器压力反馈的压力变为常压时控制与数据采集系统13关闭4号电磁阀和1号微调阀，完成洗气过程。同时关闭惰性气体减压阀、1号截止阀。

需要说明的是，高压气瓶和预混储罐应单独设立在隔爆间内，并放置在通风橱柜内，防止气体泄漏造成危险；

试验管道抽真空、通入既定初始压力的试验气体以及在完成可燃气管道爆炸以及阻火试验后洗气的具体过程：

1.试验管道抽真空：在试验管道抽真空之前，确认3号截止阀处于打开状态，9号电磁阀处于关闭状态，然后通过控制与数据采集系统13依次打开真空泵和6号电磁阀进行抽真空，当2号压力传感器反馈压力值低于-95kPa且3分钟内真空度不变时认为试验管道内完全抽真空，控制与数据采集系统13依次关闭6号电磁阀和真空泵，完成试验管道抽真空过程。

需要说明的是2号压力传感器4设置在试验管道前端，靠近自动充配气系统3与试验管道连接处，具有很高的准确性和灵敏性。

2.向试验管道内通入既定初始压力的试验气体进行试验：在控制与数据采集系统13内设置既定压力，然后通过控制与数据采集系统13打开7号电磁阀，并根据2号压力传感器压力反馈信号控制与数据采集系统13实时调节2号微调阀，待2号压力传感器反馈压力达到预定值且平稳后，此时2号微调阀处于关闭状态，控制与数据采集系统13自动关闭对应7号电磁阀。关闭3号截止阀后对可燃气管道内既定初始压力的试验气体进行点火爆炸以及阻火试验。

3.可燃气管道爆炸以及阻火试验后洗气：打开3号截止阀，通过控制与数据采集系统13依次打开空气压缩机、8号电磁阀和9号电磁阀，向试验管道内通入空气并将试验后残余可燃气排出，保证下一组实验安全性，最后通过控制与数据采集系统13依次关闭空气压缩机、8号电磁阀和9号电磁阀。

需要说明的是，以上是具体的操作原理，由于充配气系统内的操作都是模块化的且每次操作都一致，因此在控制与数据采集系统13内进行程序设置，完成一键操作，且各流程不能同时启动，以此减小工作量和误操作危险。

具体试验中：

火焰传感器5根据试验要求排布在试验管道上，用于探测可燃气爆炸时试验管道内的火焰信号。

压力传感器6根据试验要求排布在试验管道上，用于探测可燃气爆炸时试验管道内的冲击波压力。

需要说明的是，火焰传感器5和压力传感器6都与控制与数据采集系统13 相连，完成试验数据采集与分析处理。

可视平板阻火器7设置在试验管道的中间部位。包括，可视平板阻火器外壳7-1通过法兰与试验管道相连，壳体内部中空，前后开有可视窗，在阻壳体倾斜平面竖直开孔，并焊接一截一端封闭的不锈钢圆套筒7-1-1用于插入温度传感器9；平板阻火芯7-2置于可视化平板阻火器外壳内，优选平板阻火芯上下平面与可视平板阻火器外壳上下内壁面间缝隙小于0.1mm。平板阻火芯平板间隙可调节，并且能够在同一平板阻火芯7-2内设置不同平板间隙的区域，以达到同一组试验测试不同平板间隙内的火焰传播和淬熄特征；可视窗石英玻璃7-3通过加持平板7-4通过螺丝固定在可视化平板阻火器外壳7-1上，通过光学测试系统10 探究平板阻火芯7-2平板间隙内火焰传播特征。

需要说明的是，在自动化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台上可视平板阻火器7只是一种用于研究平板间隙内火焰传播特征研究的阻火器，通过法兰可以在该试验管道上对不同类型的阻火器阻火试验进行研究。

可视化加热箱8用于给可视平板阻火器7加热到既定温度，包括箱体8-1，由两半箱体组成，中间半柱形镂空，箱体8-1在管道方向开孔，试验管道从两端穿过，半箱体组合后将可视平板阻火器7悬置在中间部位，扣上搭扣8-5；在箱体8-1内壁面上安装电加热器8-2，箱体8-1上部可控硅供电系统8-3为电加热器8-2供电；其中，可控硅供电系统8-3受控制与数据采集系统控制，通过温度传感器9反馈的温度信号调控可控硅供电系统8-3从而完成对电加热器8-2的加热调控，最终使被加热可视平板阻火器7达到既定温度。箱体8-1前后开有可视窗，用于加装耐高温石英玻璃8-4，并且耐高温石英玻璃8-4与可视平板阻火器 7可视面平行，并且保证能看见可视平板阻火器7全貌；箱体8-1夹层内加装保温材料，减小散热，增强安全性和抗外界干扰性；箱体8-1架设在带有四个可固定滑轮8-7的架子8-6上，便于固定和移动；

需要说明的是，本发明的自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台中，不同温度下可视化平板型阻火器7阻火试验只是可实现的一部分具有特色的实验内容，并且除了可视化平板型阻火器7以外，可视化加热箱8 还可以为其它类型阻火器进行加热。

点火系统2进一步包括依次连接的可编程控制器22-1、可调式高压放电控制箱22-2供可调式高压放电控制箱22-2使用的220V交流电源22-20和旋塞式点火电极组件；通过在可编程控制器22-1中置于预设程序，可使可编程控制器 22-1发出24V直流触发电信号；其中，可调式高压放电控制箱22-2能够将220V 的交流电转变为与脉冲电压档位相当的脉冲高压电，并通过点火电线传输至旋塞式点火电极组件；可编程控制器22-1向可调式高压放电控制箱22-2发出24V 的直流触发电压信号，以触发可调式高压放电控制箱22-2发出脉冲高压电。

旋塞式点火电极组件包括电极塞22-3和固定在电极塞22-3上的电极组件；如图8所示：电极塞22-3为六角形扁平体，电极塞22-3的一侧设有螺纹连接凸台22-4，该螺纹连接凸台22-4用于电极塞22-3与密封容器的容器口端螺纹连接使用，为保证螺纹连接的密封性，可优选在螺纹连接凸台22-4的底部套设有石墨垫片。电极塞22-3的中心开设有第一电极组件通孔22-5和第二电极组件通孔 22-6。

电极组件包括结构相同的第一电极组件和第二电极组件：其中，第一电极组件包括第一电极棒22-7、第一双通螺柱22-9、第一钨针22-10和第一限位螺栓22-11；第一电极棒22-7前端设有丝扣段22-8。第二电极组件包括第二电极棒22-12、第二固定螺母22-13、第二双通螺柱22-14、第二钨针22-15和第二限位螺栓22-16。第二电极棒22-12的前端设有丝扣段22-13。第一电极棒22-7和第二电极棒22-12的外侧可设置绝缘材料层。具体地，第一双通螺柱22-9和第二双通螺柱22-14优选为双通六角螺柱。

如图9-10所示：以第一组件为例：第一电极棒22-7前端的丝扣段22-8穿过第一电极组件通孔22-5由第一电极棒22-7末端的丝扣连接部螺纹连接于第一电极组件通孔22-5中，并使第一电极棒22-7垂直于电极塞22-3固定于第一电极组件通孔22-5中，以保持第一电极棒22-7和第二电极棒22-12相互平行；第一双通螺柱22-9螺纹连接于第一电极棒22-7的丝扣段22-8，第一双通螺柱22-9 的侧壁上开设有钨针插接通孔22-17，钨针插接通孔22-17中插接有垂直于第一双通螺柱22-9的第一钨针22-10，螺柱的顶端螺纹连接有第一限位螺栓22-11，并使位于第一双通螺柱22-9内的第一钨针22-10夹设于第一电极棒的丝扣段22-8和第一限位螺栓22-11的端部之间；第二电极组件以和第一电极组件相同的结构连接在电极塞22-3的第二电极组件通孔22-6中。

为更好的固定第一钨针22-10和第二钨针22-15，在第一双通螺柱22-9和第二双通螺柱22-14的后端均设有螺帽22-18，螺帽22-18分别套接于第一电极棒 22-7及第二电极棒22-12上并与的丝扣段22-8及丝扣段22-13螺纹连接。

如图8所示：在第一电极棒22-7和第二电极棒22-12相互平行的前提下，将第一钨针22-10和第二钨针22-15的针尖相对设置并使第一钨针22-10与第二钨针22-15的针尖距离为3-5mm；第一电极棒22-7和第二电极棒22-12的末端分别通过点火线22-19与可调式高压放电控制箱22-2的脉冲高压电输出端相连；可调式高压放电控制箱22-2与可编程控制器22-1的信号输出端相连。

其中图11-12示出了可调式高压放电控制箱22-2的内部连接结构示意图：

如图11所示：可调式高压放电控制箱22-2包括控制箱体2a，控制箱体2a 的顶部设有交流电源插座2d，控制箱体2a的侧壁上设有二位测试接线夹2e和转换开关2f，并使转换开关2f的转换调节面板位于控制箱体2a的外侧；控制箱体2a中安装有固态继电器2b和双极输出点火变压器组件2c；双极输出点火变压器组件2c包括至少两个不同输出电压的点火变压器的双极输出点火变压器 2c1。如图12所示：每个双极输出点火变压器2c1的触发线连接端分别与转换开关2f的触头电连接；各双极输出点火变压器2c1的电源输入端均与交流电源插座2d的火线接头、地线接头相连；固态继电器2b的输入端分别与二位测试接线夹2e的正、负接头相连；固态继电器2b的输出端分别与转换开关2f的输入端和交流电源插座2d的零线接头相连；二位测试接线夹2e与可编程控制器22-1 的信号输出端相连；交流电源插座2d与220V交流电源22-20相连。易拆装的电压可调式脉冲点火装置可通过转换开关2f的调节面板在脉冲点火前通过转换开关2f选择适合当前点火环境的双极输出点火变压器2c1通电工作从而实现点火电极脉冲电压的调节。易拆装的电压可调式脉冲点火装置的放电控制则是通过可编程控制器22-1输出24V直流触发信号，通过与二位测试接线夹2e连接导线传输到固态继电器2b的输入端，就可以控制固态继电器2b的输出端与双极输出点火变压器组件2c之间的导通，使双极输出点火变压器组件2c输出与脉冲电压档位相应的脉冲电压，因此实现通过控制信号来“开关”脉冲电压放电功能。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (9)

1.一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，包括：试验管道，以及设置在试验管道上的点火系统、自动充配气系统(3)、2号压力传感器(4)、火焰传感器(5)、压力传感器(6)、可视平板阻火器(7)、可视化加热箱(8)、温度传感器(9)、光学测试系统(10)、排空管(11)、9号电磁阀(12)和控制与数据采集系统(13)；

所述试验管道用于完成可燃气爆炸试验；

所述点火系统用于对试验管道内进行可燃气点火；

所述自动充配气系统(3)用于配置试验气体、向试验管道内通入既定压力的试验气体以及完成试验后的洗气；

所述2号压力传感器(4)设置于自动充配气系统(3)与试验管道相连管道附近，用于监测试验管道内压力，并向控制与数据采集系统(13)反馈压力信号从而完成对自动充配气系统(3)的调节；

所述火焰传感器(5)用于获取试验管道内可燃气爆炸火焰信号，并传输至控制与数据采集系统(13)，完成后续火焰传播特征的研究，火焰传感器(5)在试验管道上根据试验要求任意排布；

所述压力传感器(6)用于获取试验管道内可燃气爆炸时冲击波压力，压力传感器在试验管道上根据试验要求任意排布；

所述可视平板阻火器(7)用于研究不同平板间隙内可燃气爆炸火焰传播特征，并获得最小阻火间隙；

所述可视化加热箱(8)用于可燃气管道爆炸试验时对可视平板阻火器(7)升温，并通过可视窗观测不同温度下可视平板阻火器(7)内火焰传播状态；

所述温度传感器(9)用于监测和反馈可视平板阻火器(7)内部温度信号，从而通过控制与数据采集系统(13)调节可视化加热箱(8)的加热状态；

所述光学测试系统(10)用于对试验管道中可视段(1-2)或可视化平板阻火器(7)可燃气爆炸火焰和冲击波特征的监测；

所述排空管(11)用于试验后的排气；

所述9号电磁阀(12)用于控制排空管(11)的导通；

所述控制与数据采集系统(13)分别与点火系统、自动充配气系统(3)、2号压力传感器(4)、火焰传感器(5)、压力传感器(6)、可视平板阻火器(7)、可视化加热箱(8)、温度传感器(9)、光学测试系统(10)、9号电磁阀(12)相连；用于对各系统组件开启和关闭的控制和调节、完成火焰和压力信号的采集与处理以及光学测量系统图像的处理与保存。

2.根据权利要求1所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，试验管道满足可燃气爆炸试验高温高压以及密闭性要求，采用单段管段通过法兰装配，便于根据试验要求对试验管道长度进行设置；当试验管道(1)内火焰传播速度不能满足实验要求时，在试验管道(1)前端添加扰动装置作为驱动段(1-1)，用于加速火焰传播；当试验管道(1)内不设置扰动装置火焰传播速度能满足实验要求时，不用划分驱动段(1-1)；试验管道前后端设置盲板，并且邻近点火系统的前端的盲板上开设内螺纹，便于与点火系统相连；试验管道中有一段为可视段(1-2)，作为可视段(1-2)的试验管道上设置可视窗，可视段(1-2)能够与其他段的试验管道通过法兰进行装配，根据观察需求来排布可视段(1-2)的位置；光学测试系统(10)可以通过法兰连接在试验管道任意位置，与可视段(1-2)或可视平板阻火器(7)配合用于观测该位置内爆炸火焰和冲击波特征或阻火情况；当试验所用的阻火器不是可视平板阻火器(7)时，可视段(1-2)在搭配阻火器使用时需要与阻火器后端相连，用于直接观测是否阻火；每段试验管道上均匀排布多个传感器接口，方便试验布设传感器。

3.根据权利要求1所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，点火系统包括点火电极(2-2)和点火控制箱(2-1)，所述点火电极(2-2)与试验管道前端盲板以螺纹相连，用于完成高压放电从而完成试验管道内可燃气点火；所述点火控制箱(2-1)分别与控制与数据采集系统(13)、点火电极(2-2)相连，用于在控制与数据采集系统(13)输出点火信号后向点火电极(2-2)输出脉冲高压。

4.根据权利要求1所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，自动充配气系统(3)包括：高压气瓶、减压阀、电磁阀、阻火器、止回阀、1号压力传感器、微调阀、截止阀、预混气罐、气体浓度检测仪、真空泵和空气压缩机；

所述高压气瓶包括三类，分别为可燃气高压气瓶、助燃气高压气瓶或惰性气体高压气瓶，用于配置试验气体以及完成洗气；

所述减压阀用于调节高压气瓶输气压力；

所述电磁阀与控制与数据采集系统(13)相连，用于各支路的开关调节；

所述阻火器用于自动充配气内各支路安全阻火；

所述止回阀用于防止自动充配气内各支路内气体回流造成危险；

所述1号压力传感器用于监测预混气罐内压力，并向控制与数据采集系统(13)反馈压力信号；

所述微调阀根据压力传感器反馈压力信号反复调节开度，从而使预混气罐/试验管道内气体逐渐接近并达到既定压力；

所述截止阀用于关闭支管；

所述预混气罐用于装载试验气体；

所述气体浓度检测仪用于实时监测预混气罐内试验气体组分浓度；

所述真空泵用于预混气罐和试验管道的抽真空；

所述空气压缩机用于向预混气罐/试验管道内通入空气，从而排出残留可燃气，完成洗气；

自动充配气系统(3)的真空泵、电磁阀、微调阀、压力传感器和空气压缩机通过信号线与控制与数据采集系统(13)相连，并受控制与数据采集系统(13)控制；

高压气瓶和预混储罐应单独设立在隔爆间内，并放置在通风橱柜内，防止气体泄漏造成危险。

5.根据权利要求1所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，所述可视平板阻火器(7)包括：可视平板阻火器外壳(7-1)、平板阻火芯(7-2)和可视窗石英玻璃(7-3)；

所述可视平板阻火器外壳(7-1)通过法兰与试验管道连接，壳体内部中空，与试验管道垂直方向设置可视窗用于固定可视窗石英玻璃(7-3)；

所述平板阻火芯(7-2)置于可视平板阻火器外壳(7-1)内，用于研究不同阻火间隙，平板间隙可调节，并且能够在同一平板阻火芯(7-2)内设置不同平板间隙的区域，以达到同一组试验测试不同平板间隙内的火焰传播和淬熄特征；

所述可视窗石英玻璃(7-3)通过加持平板(7-4)固定在可视平板阻火器外壳(7-1)上，用于观测平板阻火芯(7-2)内部火焰传播；

在可视平板阻火器外壳(7-1)倾斜平面竖直开孔，并固定一端封闭的不锈钢圆套筒(7-1-1)，用于插入温度传感器(9)。

6.根据权利要求1所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，所述可视化加热箱(8)包括：电加热器(8-2)、箱体(8-1)、可控硅供电系统(8-3)、耐高温石英玻璃(8-4)、搭扣(8-5)、架子(8-6)和可固定滑轮(8-7)；

所述电加热器(8-2)置于箱体(8-1)内部，用于给可视平板阻火器(7)加热；

所述箱体由两半箱体(8-1)组合成，两半箱体(8-1)内部中间圆柱面上安装电加热器(8-2)，并留有空间架设可视平板阻火器(7)，试验管道从两端开孔穿过，开孔略大于试验管道尺寸；箱体(8-1)前后设置可视窗，用于加装耐高温石英玻璃；箱体(8-1)夹层内加装保温材料，减小散热，增强高温防护，减小外界对加热温度的干扰；

所述可控硅供电系统(8-3)用于给电加热器(8-2)供电和调控加热温度，受温度传感器(9)反馈信号和控制与数据采集系统(13)调节；

所述耐高温石英玻璃(8-4)设置于前后可视窗上，用于配合可视平板阻火器(7)观测升温条件下平板间隙内火焰传播特征；

所述搭扣(8-5)用于连接两半箱体(8-1)；

所述架子(8-6)和可固定滑轮(8-7)用于放置可视化加热箱(8)，便于固定和移动。

7.根据权利要求4所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，试验管道经过3号截止阀后通过管道连接汇气排，然后经过汇气排接口分别与空气压缩机、真空泵以及预混气罐相连；

汇气排的1号接口依次连接止回阀，阻火器、8号电磁阀和空气压缩机；汇气排的2号接口依次连接止回阀、阻火器、6号电磁阀和真空泵；汇气排的3号接口依次连接2号微调阀、7号电磁阀、阻火器、止回阀、2号截止阀与预混气罐；

预混气罐上接有1号压力传感器和气体浓度检测仪，预混气罐前端经过1号截止阀后通过管道与1号微调阀相连，经过1号微调阀后采用三通分别连接排空管道、高压气瓶以及真空泵；

预混气罐经过止回阀、阻火器、5号电磁阀连接真空泵；经过各止回阀、阻火器、电磁阀、减压阀与对应的可燃气、助燃气以及惰性气高压气瓶相连；预混气罐经过4号电磁阀与排空管道相连。

8.根据权利要求7所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，预混气罐内配置试验气体的具体过程：

第一、预混气罐抽真空：打开1号截止阀，关闭2号截止阀，然后通过控制与数据采集系统(13)调节1号微调阀开度开到最大，开启真空泵以及5号电磁阀对预混气罐进行抽真空，当1号压力传感器反馈压力值低于阈值且真空度不变时认为预混气罐内完全抽真空，控制与数据采集系统(13)依次关闭1号微调阀、5号电磁阀和真空泵；

第二、根据道尔顿分压法在预混气管内配置试验气体：控制与数据采集系统(13)根据配置试验气体组分与配置总压量计算可燃气与助燃气以及惰性气体各自所需压力量，然后调节对应高压气瓶减压阀使压力表数值调至相应值；在控制与数据采集系统(13)内设置各组分气体既定压力，按照所需压力量由小到大的顺序，通过控制与数据采集系统(13)依次打开电磁阀通入对应种类与压力量的气体；

在通入一种气体时，控制与数据采集系统(13)通过1号压力传感器压力反馈信号实时调节1号微调阀，待1号压力传感器反馈压力达到预定值且平稳后，此时1号微调阀处于关闭状态，控制与数据采集系统(13)自动关闭对应高压气瓶的电磁阀，为了保证配气准确性，还需要向控制与数据采集系统(13)打开3号电磁阀，向管道中通入足够量惰性气体保证管道中的可燃气浓度降至爆炸下限以下，然后关闭3号电磁阀后打开4号电磁阀排空管道中混合气体，然后关闭4号电磁阀打开真空泵和5号电磁阀抽真空，一段时间后依次关闭5号电磁阀和真空泵，这一步的目的是除去管道内前一步残留气体；接着根据以上步骤进行另一种气体的输送，直至在预混气瓶内完成试验气体配置；之后，关闭高压气瓶减压阀和1号截止阀，控制与数据采集系统(13)打开4号电磁阀将管道内的高压气体排空；

第三、预混气罐内试验气体用完后进行洗气：首先打开1号截止阀，打开惰性气体减压阀，然后通过控制与数据采集系统(13)打开3号电磁阀，并将1号微调阀开度开到最大，通入惰性气体对预混气罐内的试验气体进行稀释，直至低于爆炸下限；之后，控制与数据采集系统(13)关闭3号电磁阀并打开4号电磁阀，将预混气罐内的气体排空，此时1号传感器压力反馈的压力变为常压时控制与数据采集系统(13)关闭4号电磁阀和1号微调阀，完成洗气过程；同时关闭惰性气体减压阀、1号截止阀。

9.根据权利要求7所述的一种自动化安全化可燃气管道爆炸及阻火特性基础研究实验平台，其特征在于，试验管道抽真空、通入既定初始压力的试验气体以及在完成可燃气管道爆炸以及阻火试验后洗气的具体过程：

第一、试验管道抽真空：在试验管道抽真空之前，确认3号截止阀处于打开状态，9号电磁阀处于关闭状态，然后通过控制与数据采集系统(13)依次打开真空泵和6号电磁阀进行抽真空，当2号压力传感器反馈压力值低于阈值且真空度不变时认为试验管道内完全抽真空，控制与数据采集系统(13)依次关闭6号电磁阀和真空泵，完成试验管道抽真空过程；

第二、向试验管道内通入既定初始压力的试验气体进行试验：在控制与数据采集系统(13)内设置既定压力，然后通过控制与数据采集系统(13)打开7号电磁阀，并根据2号压力传感器压力反馈信号控制数据采集系统(13)实时调节2号微调阀，待2号压力传感器反馈压力达到预定值且平稳后，2号微调阀处于关闭状态，控制与数据采集系统(13)自动关闭对应7号电磁阀；关闭3号截止阀后对可燃气管道内既定初始压力的试验气体进行点火爆炸以及阻火试验；

第三、可燃气管道爆炸以及阻火试验后洗气：打开3号截止阀，通过控制与数据采集系统(13)依次打开空气压缩机、8号电磁阀和9号电磁阀，向试验管道内通入空气并将试验后残余可燃气排出，保证下一组实验安全性，最后通过控制与数据采集系统(13)依次关闭空气压缩机、8号电磁阀和9号电磁阀。