CN115824894A - 一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置及其实验方法，实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统；泄漏气体从气瓶流出，经软管阀件由泄漏孔射流进入船舶机舱缩比模型实验舱，实验舱内布置的可燃气体探测器实时监测气体浓度并传输数据至数据采集检测系统，从而获得天然气泄漏的扩散规律。本发明的天然气泄漏扩散规律实验装置可以测试泄漏源位置、泄漏速率、多源同时泄漏等影响因素对天然气泄漏扩散浓度的分布特性，从而验证数值模拟所用数学模型的准确性，为研究船舶机舱内天然气泄漏后的浓度扩散规律提供数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置。
本发明还涉及一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验方法。
背景技术
随着我国能源结构的调整，以及为响应国家和世界环境组织对船舶污染排放的标准要求，船舶动力装置开始转型，寻找洁净燃料为船舶提供推进动力，越来越多的船舶开始采用天然气发动机或者天然气和柴油的双燃料发动机作为动力装置。
天然气的主要成分是甲烷(CH4),同时还有乙烷（C2H6）、丙烷(C3H8)等其他少量气体。天然气化学性质活泼，属于易燃易爆的气体，且气体密度相对比空气小，气体泄漏后会在浮升力的作用下向上扩散，在相对密闭的空间上部聚集。当泄漏的天然气达到一定浓度后，处于该环境下的人员会缺氧窒息而造成神经系统损伤，严重会导致昏迷甚至死亡。此外，天然气发生泄漏后会与空气混合形成爆炸性气体，当混合气体中天然气浓度达到5%~15%时，遇到明火会引起爆炸，造成不可估量的损失。
已知申请号为CN201510121141.3的发明专利《一种液化天然气泄漏扩散火灾一体化实验平台》提出了一种可真实模拟各种液化天然气站场集液池中发生液化天然气泄漏扩散火灾的事故场景的大型实验平台，该实验平台并没有涉及到可以通过实验研究泄漏源位置、泄漏速率、多源同时泄漏等影响因素对天然气泄漏扩散浓度分布特性的影响。已知申请号CN202110913882.0的中国专利《一种受限空间内氢气泄漏扩散试验装置》，提出了一种在有限空间内针对氢气为可燃性气体的泄漏扩散试验装置，但是该发明不能研究多源泄露时对受限空间内可燃性气体泄露扩散特性和规律的影响。
因此，合理搭建天然气泄漏扩散实验平台，开展相关实验，研究天然气扩散规律，对于船舶机舱内天然气事故的预防和安全控制有着十分重要的意义。
发明内容
为解决船舶天然气泄漏造成安全隐患的问题，本发明提供一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置及其实验方法。通过实验研究泄漏源位置、泄漏速率、多源同时泄漏等影响因素对天然气泄漏扩散浓度分布特性的影响，从而为研究船舶机舱内天然气泄漏浓度扩散规律提供数据支持，保证船舶运输天然气过程中的安全航行。
本发明提供如下技术方案：
一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统；所述气体泄漏系统包括气瓶、减压器和流量计，所述船舶机舱缩比模型实验舱包括模型舱和可燃气体探测器，所述气体浓度数据采集检测系统包括报警控制器和计算机，气瓶出口通过管路连接至减压器入口，减压器出口通过管路连接至流量计入口，流量计出口通过管路连接至模型舱泄漏孔，可燃气体探测器通过导线依次连接至报警控制器和计算机。
进一步的，所述模型舱主体为长方体，由8mm厚的透明有机玻璃板搭建而成；模型舱左侧壁面上距离底面300mm高处开设3个天然气泄漏孔，左右的两个泄漏孔离模型舱侧壁300mm，中间的泄漏孔距离左右泄漏孔350mm，泄漏孔孔径为6mm，泄漏孔处气体射流方向与壁面垂直，模型舱左侧壁面底部开设有7个孔径为20mm的小孔。
进一步的，所述气瓶为钢瓶，钢瓶内气源浓度为99.99%的甲烷，在气瓶阀门开口处连接减压器。
进一步的，所述模型舱内部设有矩形不锈钢搭建框架，可燃气体探测器固定在不锈钢框架内。
进一步的，所述可燃气体探测器选用的是甲烷气体探测器。
一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验方法，具体步骤：
S1、根据监测点布置位置固定安装可燃气体探测器，并将所有可燃气体探测器连接至报警控制器，用于实时监测各可燃气体探测器的报警信号值，对可燃气体探测器和报警控制器进行调试，避免实验设备误差；
S2、对模型舱壁面上的泄漏孔以及可燃气体探测器接线孔进行密封，保证泄漏扩散在密闭空间内进行；
S3、打开气瓶阀门，通过减压器上的阀门控制泄漏气体压力和泄漏流量，保证泄漏过程中气体流量及压力的稳定；
S4、由可燃气体探测器实时采集实验数据，传输出至报警控制器，通过数据采集系统记录各监测点处浓度随时间的变化，最终传输至数据采集终端计算机；
S5、当气体泄漏20-25min后关闭气瓶阀门，待气体在模型舱内自由扩散12-15min后结束该工况实验；
S6、当该工况实验完成后，打开通风口，利用风机对模型舱内进行吹扫彻底通风，直至可燃气体探测器的数据显示为0后进行下组工况实验；
S7、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱壁面气体泄漏孔位置的数量，重复上述步骤S 3~6，得到多源泄露下各可燃气体探测器采集的气体浓度随时间的变化值；
S8、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱壁面气体泄漏孔位置，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏位置下各可燃气体探测器采集的气体浓度随时间的变化值；
S9、在完成不同泄漏孔位置对气体浓度分布的影响实验后，固定泄漏孔位置，调节减压器上阀门开度进而调整泄漏速率，保持其他条件不变，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏速率下各可燃气体探测器采集的气体浓度随时间的变化值；
S10、完成所有工况实验后，关闭气瓶阀门撤离气瓶，对实验环境进行吹扫通风，稀释泄漏气体浓度，避免残余气体对环境、人员造成危害。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统，泄漏气体从气瓶流出，经软管阀件由泄漏孔射流进入船舶机舱缩比模型实验舱，实验舱内布置的可燃气体探测器实时监测气体浓度并传输数据至数据采集检测系统，从而获得天然气泄漏的扩散规律。
本发明的天然气泄漏扩散规律实验装置可以测试泄漏源位置、泄漏速率、多源同时泄漏等影响因素对天然气泄漏扩散浓度的分布特性，从而验证数值模拟所用数学模型的准确性，为研究船舶机舱内天然气泄漏后的浓度扩散规律提供数据支持。
附图说明
图1是本发明实施例的系统图。
图2是本发明的模型舱结构示意图。
1、气瓶，2、减压器，3、流量计，4、模型舱，5、可燃气体探测器，6、报警控制器，7为计算机；
A、B、C代表泄漏孔；I 、II 、III 、IV 、V 、VI、 VII代表7个可燃气体浓度监测点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明的一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统；气体泄漏系统包括气瓶1、减压器2和流量计3，船舶机舱缩比模型实验舱包括模型舱4和可燃气体探测器5，气体浓度数据采集检测系统包括报警控制器6和计算机7，气瓶1出口通过管路连接至减压器2入口，减压器2出口通过管路连接至流量计3入口，流量计3出口通过管路连接至模型舱4泄漏孔，可燃气体探测器5通过导线依次连接至报警控制器6和计算机7。
模型舱4主体为长方体，由8mm厚的透明有机玻璃板搭建而成，长1300mm、宽1100mm、高1100mm；模型舱4左侧壁面上距离底面300mm高处开设3个天然气泄漏孔，左右的两个泄漏孔离模型舱4侧壁300mm，中间的泄漏孔距离左右泄漏孔350mm，泄漏孔孔径为6mm，泄漏孔处气体射流方向与壁面垂直，从而天然气经泄漏孔射流流出后在模型舱内与空气进行混合扩散，基于此可以研究不同泄漏源位置及多源同时泄漏等工况下天然气泄漏扩散浓度分布规律，模型舱4左侧壁面底部开设有7个孔径为20mm的小孔（ I 、II 、III 、IV 、V 、VI、 VII代表7个可燃气体浓度监测点），可便于气体浓度探测器与模型舱外的报警控制器相连通电，设备连接完成后将接线口进行密封，避免室外空气影响气体扩散。
气瓶1为钢瓶，钢瓶内气源浓度为99.99%的甲烷，由于钢瓶内气体压力远高于标准大气压，直接打开气瓶阀门后气体会迅速膨胀，气体射流速度较高且不易控制，故需要在气瓶阀门开口处连接减压器从而降低气瓶出口压力以稳定射流，减压器采用型号为YQAr系列的标气减压器，可以减压、稳压和控制气体流量，输气软管材料为硅胶管，软管内径为6mm，气体经过稳压后流经流量计，通过软管连接经泄漏孔泄漏到模型实验舱。
减压器采用型号为YQAr系列的标气减压器。
可燃气体探测器5选用的是本公司生产的型号为GTYQ-C300的甲烷气体探测器，模型舱4内部设有矩形不锈钢搭建框架，将可燃气体探测器5固定在不锈钢框架内。在模型舱4内的每个监测点处均安装一个可燃气体探测器5，将每个可燃气体探测器5分别与报警控制器6相连接，控制器可以实时监测各可燃气体探测器5的报警信号值；考虑到该型号的可燃气体探测器5质量较大，采用悬挂安装不稳定，因此在模型舱4内部设有矩形不锈钢搭建框架，将可燃气体探测器5固定在不锈钢框架内。
一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验方法，按照实验系统图搭建完整实验平台，确保实验系统各部分连接完好，保证实验顺利进行，具体步骤：
S1、根据监测点布置位置固定安装可燃气体探测器5，并将所有可燃气体探测器5连接至报警控制器6，用于实时监测各可燃气体探测器5的报警信号值，对可燃气体探测器5和报警控制器6进行调试，避免实验设备误差；
S2、对模型舱4壁面上的泄漏孔以及可燃气体探测器5接线孔进行密封，保证泄漏扩散在密闭空间内进行；
S3、打开气瓶1阀门，通过减压器2上的阀门控制泄漏气体压力和泄漏流量，保证泄漏过程中气体流量及压力的稳定；
S4、由可燃气体探测器5实时采集实验数据，传输出至报警控制器6，通过数据采集系统记录各监测点处浓度随时间的变化，最终传输至数据采集终端计算机7；
S5、当气体泄漏20-25min后关闭气瓶1阀门，待气体在模型舱4内自由扩散12-15min后结束该工况实验；
S6、当该工况实验完成后，打开通风口，利用风机对模型舱4内进行吹扫彻底通风，直至可燃气体探测器5的数据显示为0后进行下组工况实验；
S7、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱4壁面气体泄漏孔位置的数量，重复上述步骤S 3~6，得到多源泄露下各可燃气体探测器5采集的气体浓度随时间的变化值；
S8、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱4壁面气体泄漏孔位置，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏位置下各可燃气体探测器5采集的气体浓度随时间的变化值；
S9、在完成不同泄漏孔位置对气体浓度分布的影响实验后，固定泄漏孔位置，调节减压器2上阀门开度进而调整泄漏速率，保持其他条件不变，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏速率下各可燃气体探测器5采集的气体浓度随时间的变化值；
S10、完成所有工况实验后，关闭气瓶1阀门撤离气瓶，对实验环境进行吹扫通风，稀释泄漏气体浓度，避免残余气体对环境、人员造成危害。
本发明的一种有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，泄漏气体从气瓶流出，经软管阀件由泄漏孔射流进入船舶机舱缩比模型实验舱，实验舱内布置的可燃气体探测器实时监测气体浓度并传输数据至数据采集检测系统，从而获得天然气泄漏的扩散规律。
该装置具有操作方便、功能完备的特点，对深入认识船舶机舱内天然气泄漏扩散规律具有重大以意义。该装置可用于：（1）研究不同泄漏位置对有限空间内天然气泄漏规律的影响；（2）研究不同泄漏速率对有限空间内天然气泄漏规律的影响；（3）研究多源泄漏对有限空间内天然气泄漏规律的影响。从而验证数值模拟所用数学模型的准确性，为研究船舶机舱内天然气泄漏后的浓度扩散规律提供数据支持。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，其特征在于：实验装置包括气体泄漏系统、船舶机舱缩比模型实验舱以及气体浓度数据采集监测系统；所述气体泄漏系统包括气瓶（1）、减压器（2）和流量计（3），所述船舶机舱缩比模型实验舱包括模型舱（4）和可燃气体探测器（5），所述气体浓度数据采集检测系统包括报警控制器（6）和计算机（7），气瓶（1）出口通过管路连接至减压器（2）入口，减压器（2）出口通过管路连接至流量计（3）入口，流量计（3）出口通过管路连接至模型舱（4）泄漏孔，可燃气体探测器（5）通过导线依次连接至报警控制器（6）和计算机（7）。
2.根据权利要求1所述的一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，其特征在于：所述模型舱（4）主体为长方体，由8mm厚的透明有机玻璃板搭建而成；模型舱（4）左侧壁面上距离底面300mm高处开设3个天然气泄漏孔，左右的两个泄漏孔离模型舱（4）侧壁300mm，中间的泄漏孔距离左右泄漏孔350mm，泄漏孔孔径为6mm，泄漏孔处气体射流方向与壁面垂直，模型舱（4）左侧壁面底部开设有7个孔径为20mm的小孔。
3.根据权利要求1所述的一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，其特征在于：所述气瓶（1）为钢瓶，钢瓶内气源浓度为99.99%的甲烷，在气瓶阀门开口处连接减压器（2）。
4.根据权利要求1所述的一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，其特征在于：所述模型舱（4）内部设有矩形不锈钢搭建框架，可燃气体探测器（5）固定在不锈钢框架内。
5.根据权利要求1所述的一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验装置，其特征在于：所述可燃气体探测器（5）选用的是甲烷气体探测器。
6.一种研究有限空间内天然气泄漏扩散规律的实验方法，其特征在于：具体步骤：
S1、根据监测点布置位置固定安装可燃气体探测器（5），并将所有可燃气体探测器（5）连接至报警控制器（6），用于实时监测各可燃气体探测器（5）的报警信号值，对可燃气体探测器（5）和报警控制器（6）进行调试；
S2、对模型舱（4）壁面上的泄漏孔以及可燃气体探测器（5）接线孔进行密封，保证泄漏扩散在密闭空间内进行；
S3、打开气瓶（1）阀门，通过减压器（2）上的阀门控制泄漏气体压力和泄漏流量，保证泄漏过程中气体流量及压力的稳定；
S4、由可燃气体探测器（5）实时采集实验数据，传输出至报警控制器（6），通过数据采集系统记录各监测点处浓度随时间的变化，最终传输至数据采集终端计算机（7）；
S5、当气体泄漏20-25min后关闭气瓶（1）阀门，待气体在模型舱（4）内自由扩散12-15min后结束该工况实验；
S6、当该工况实验完成后，打开通风口，利用风机对模型舱（4）内进行吹扫彻底通风，直至可燃气体探测器（5）的数据显示为0后进行下组工况实验；
S7、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱（4）壁面气体泄漏孔位置的数量，重复上述步骤S 3~6，得到多源泄露下各可燃气体探测器（5）采集的气体浓度随时间的变化值；
S8、进行到S6步骤时，保持其他条件不变，改变模型舱（4）壁面气体泄漏孔位置，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏位置下各可燃气体探测器（5）采集的气体浓度随时间的变化值；
S9、在完成不同泄漏孔位置对气体浓度分布的影响实验后，固定泄漏孔位置，调节减压器（2）上阀门开度进而调整泄漏速率，保持其他条件不变，重复上述步骤S3~6，得到不同泄漏速率下各可燃气体探测器（5）采集的气体浓度随时间的变化值；
S10、完成所有工况实验后，关闭气瓶（1）阀门撤离气瓶，对实验环境进行吹扫通风。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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