CN116124834A - 一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置及方法，包括进气机构，进气机构出气端连通有气体分析机构，气体分析机构，气体分析机构的出气端连通有实验机构，实验机构的出气端与进气机构连通；气体分析机构包括与进气机构出气端相连通的电子控压阀，电子控压阀的出气端连通有光学气体分析系统，光学气体分析系统的出气端通过爆炸进样控制电磁阀与实验机构连通；本发明可以对可燃气体成分及含量进行检测，同时可以检测气体混合物中的氮气和氧气的含量，对于混合气体的爆炸危险性进行初步判断，随后根据初步判断结果将可燃气体混合物和空气配比进行点火实验，确定可燃气体实际爆炸极限；实现对可燃气体爆炸特性的全面评价。

Description

一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置及方法

技术领域

本发明涉及可燃气体危险性评价技术领域，特别是涉及一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置及方法。

背景技术

在石油、矿山以及新能源交等能源领域中存在长期残留多种可燃性气体混合物或因事故导致的可燃气体混合物意外产生和释放的情况，当可燃气体混合物在受限空间中不断集聚达到爆炸浓度后，高温或火花等点火源会使可燃气体混合物发生剧烈爆炸，严重危害从业者的生命安全。

现有可燃气体爆炸特性测量装置仅考虑到可燃气体与空气的混合比例，在点燃实验中也仅对爆炸压力以及爆炸火焰温度进行测量，缺少对爆炸的机理性分析以及爆炸能量的量化。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置及方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，包括进气机构，所述进气机构出气端连通有气体分析机构，所述气体分析机构，所述气体分析机构的出气端连通有实验机构，所述实验机构的出气端与所述进气机构连通；

所述气体分析机构包括与所述进气机构出气端相连通的电子控压阀，所述电子控压阀的出气端连通有光学气体分析系统，所述光学气体分析系统的出气端通过爆炸进样控制电磁阀与所述实验机构连通；

所述实验机构包括与所述爆炸进样控制电磁阀相连通的爆炸舱，所述爆炸舱的舱壁上固定安装有点火组件和压力传感器，所述爆炸舱出气端通过爆炸舱泄压控制电磁阀以及气体回路控制电磁阀与所述进气机构连通；

所述光学气体分析系统的出气端还连通有储气机构，所述爆炸舱泄压控制电磁阀的出气端还连通有尾气处理机构。

优选的，所述进气机构包括与所述电子控压阀进气端相连通的大流量采样泵，所述大流量采样泵的进气端连通有进样口控制球阀，所述进样口控制球阀的进气端连通有气体进样口；所述大流量采样泵的进气端还与所述气体回路控制电磁阀的出气端连通。

优选的，所述点火组件包括点火杆和高能点火器，所述点火杆固定安装在所述爆炸舱的舱壁上，所述点火杆的工作端由外向内贯穿所述爆炸舱的舱壁，所述高能点火器通过导线与所述点火杆电性连接。

优选的，所述储气机构包括与所述光学气体分析系统的出气端连通的储气罐控制球阀，所述储气罐控制球阀的输出端连通有储气罐。

优选的，所述尾气处理机构包括与所述爆炸舱泄压控制电磁阀的出气端连通的尾气处理控制球阀，所述尾气处理控制球阀的出气端连通有尾气处理装置。

优选的，所述爆炸舱内腔还连通有降压机构，所述降压机构包括旋片真空泵，所述旋片真空泵的进气端通过真空度控制电磁阀与所述爆炸舱的内腔连通。

一种快速分析气体成分及爆炸特性的方法，使用上述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置来完成，包括以下步骤：

1）通入可燃气体：手动打开进样口控制球阀，外部的可燃气体便可以从气体进样口进入到系统内，可以使用大流量采样泵辅助进样；

2）分析气体成分：光学气体分析系统可以对待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物进行成分测量；

3）引爆气体：将可燃气体引入到爆炸舱，给点火杆通电引爆可燃气体；

4）气体成分再分析：将引爆后的可燃气体再次引入到光学气体分析系统中进行气体成分测量，并计算燃爆前后爆炸舱内部氧气含量变化值并根据氧耗原理计算产热量；

5）排出气体：实验完毕后，打开尾气处理控制球阀，实验气体进入尾气处理装置，待处理后完成后排入空气。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明可以对可燃气体成分及含量进行检测，同时可以检测气体混合物中的氮气和氧气的含量，对于混合气体的爆炸危险性进行初步判断，随后根据初步判断结果将可燃气体混合物和空气配比进行点火实验，确定可燃气体实际爆炸极限；点火实验结束后，产品可以点燃舱内残余气体进行成分检测，分析燃爆消耗氧气量，基于氧耗原理计算燃爆释放的热量，实现对可燃气体爆炸特性的全面评价。

2.本发明将爆炸特性测试与气体检测联用，可以有效快速的对爆炸特性进行初步判断，同时可以通过实际实验对初步判断内容进行验证，同时实现了对爆炸威力的定量计算。

3.本发明大部分操作实现了自动化处理，可以根据计算机指令完成实验的主要内容，且实验流程可以按需定制。

4.本发明可以根据需求实验不同的气体成分检测，同时可以进行后期能力升级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体系统示意图。

其中：

1、气体进样口；2、进样口控制球阀；3、大流量采样泵；4、电子控压阀；5、光学气体分析系统；6、计算机；7、储气罐控制球阀；8、储气罐；9、爆炸进样控制电磁阀；10、真空度控制电磁阀；11、爆炸舱；12、点火杆；13、高能点火器；14、压力传感器；15、爆炸舱泄压控制电磁阀；16、尾气处理控制球阀；17、尾气处理装置；18、旋片真空泵；19、气体回路控制电磁阀。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照附图1，一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，包括进气机构，进气机构出气端连通有气体分析机构，气体分析机构，气体分析机构的出气端连通有实验机构，实验机构的出气端与进气机构连通；

气体分析机构包括与进气机构出气端相连通的电子控压阀4，电子控压阀4的出气端连通有光学气体分析系统5，光学气体分析系统5的出气端通过爆炸进样控制电磁阀9与实验机构连通；

实验机构包括与爆炸进样控制电磁阀9相连通的爆炸舱11，爆炸舱11的舱壁上固定安装有点火组件和压力传感器14，爆炸舱11出气端通过爆炸舱泄压控制电磁阀15以及气体回路控制电磁阀19与进气机构连通；

光学气体分析系统5的出气端还连通有储气机构，爆炸舱泄压控制电磁阀15的出气端还连通有尾气处理机构。

进气机构可以使外部的可燃气体进入到装置内；电子控压阀4的进气端与进气机构连通，其出气端与光学气体分析系统5的进气端连通，电子控压阀4用来稳定气体管路中的气体压力，压力传感器14螺纹连接在爆炸舱11的舱壁上且与爆炸舱11的内腔连通，用来实时监测爆炸舱11内的压力；储气机构可以将待测气体进行暂存；尾气处理机构可以将实验完毕后的气体进行处理然后排放；可燃气体通过进气机构进入到装置内，经过光学气体分析系统5进行分析后进入到爆炸舱11内，点火组件将爆炸舱11内的可燃气体引爆，引爆后的气体会依次经过爆炸舱泄压控制电磁阀15以及气体回路控制电磁阀19然后再次回到进气机构内，然后再次被送入到光学气体分析系统5内进行气体成分分析，进而实现快速检测气体成分并定量分析气体爆炸特性。

光学气体分析系统5可以对待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物进行成分测量，系统自带5种以上特征气体专用模型，支持特征气体建模，支持扩展检测烃类及非烃类气体，支持二次标定，支持扩展气体建模功能；装置中各个部件之间的连接管路以及爆炸舱11的材质均为304不锈钢，可以承受因通入待测气体或气体爆炸产生的高温和高压。

进一步优化方案，进气机构包括与电子控压阀4进气端相连通的大流量采样泵3，大流量采样泵3的进气端连通有进样口控制球阀2，进样口控制球阀2的进气端连通有气体进样口1；大流量采样泵3的进气端还与气体回路控制电磁阀19的出气端连通。

外部的可燃气体可以从气体进样口1进入，然后依次经过进样口控制球阀2和大流量采样泵3；进样口控制球阀2可以手动控制气体进样时间；如果待测气体量较少，气体压力较低，可以启动大流量采样泵3辅助进样并提高气体管路的压力和流量。

进一步优化方案，点火组件包括点火杆12和高能点火器13，点火杆12固定安装在爆炸舱11的舱壁上，点火杆12的工作端由外向内贯穿爆炸舱11的舱壁，高能点火器13通过导线与点火杆12电性连接。

点火杆12螺纹安装在爆炸舱11的舱壁上，高能点火器13可以对点火杆12供电，使点火杆12打火，进而点燃爆炸舱11内的可燃气体。

进一步优化方案，储气机构包括与光学气体分析系统5的出气端连通的储气罐控制球阀7，储气罐控制球阀7的输出端连通有储气罐8。

储气罐控制球阀7可手动控制，储气罐8由304不锈钢制成，用于对实验气体进行存储。

进一步优化方案，尾气处理机构包括与爆炸舱泄压控制电磁阀15的出气端连通的尾气处理控制球阀16，尾气处理控制球阀16的出气端连通有尾气处理装置17。

当实验完成后，打开尾气处理控制球阀16，实验气体会进入尾气处理装置17，待处理后完成后排入空气。

进一步优化方案，爆炸舱11内腔还连通有降压机构，降压机构包括旋片真空泵18，旋片真空泵18的进气端通过真空度控制电磁阀10与爆炸舱11的内腔连通。

当需要将爆炸舱11内部压力降低时，真空度控制电磁阀10开启，旋片真空泵18开启，当爆炸舱11内部压力达到预设时，真空度控制电磁阀10自动关闭，旋片真空泵18自动关闭。

光学气体分析系统5、爆炸进样控制电磁阀9、真空度控制电磁阀10、爆炸舱泄压控制电磁阀15均匀外部的计算机6电性连接，由计算机6进行同一控制。

一种快速分析气体成分及爆炸特性的方法，使用上述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置来完成，包括以下步骤：

1）通入可燃气体：手动打开进样口控制球阀2，外部的可燃气体便可以从气体进样口1进入到系统内，可以使用大流量采样泵3辅助进样；

2）分析气体成分：光学气体分析系统5可以对待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物进行成分测量；

3）引爆气体：将可燃气体引入到爆炸舱11，给点火杆12通电引爆可燃气体；

4）气体成分再分析：将引爆后的可燃气体再次引入到光学气体分析系统5中进行气体成分测量，并计算燃爆前后爆炸舱内部氧气含量变化值并根据氧耗原理计算产热量；

5）排出气体：实验完毕后，打开尾气处理控制球阀16，实验气体进入尾气处理装置17，待处理后完成后排入空气。

待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物通过气体进样口1进入气体产品；

进样口控制球阀2可以手动控制气体进样时间；

如果待测气体量较少，气体压力较低，可以使用大流量采样泵3辅助进样并提高气体管路的压力和流量；

电子控压阀4用来稳定气体管路中的气体压力；

光学气体分析系统5可以对待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物进行成分测量，系统自带5种以上特征气体专用模型，支持特征气体建模，支持扩展检测烃类及非烃类气体，支持二次标定，支持扩展气体建模功能。

计算机6连接光学气体分析系统5，可实现在线连续采样，并将光谱信息转化为气体浓度数据，并根据Le Chatelier原理自动计算可燃气体爆炸极限值并在显示屏中显示。

储气罐控制球阀7根据情况手动控制待测气体是否需要暂存于储气罐8内，储气罐8体积为20L，由304不锈钢制成。

爆炸进样控制电磁阀9与计算机6联动，根据计算机指令进行开关动作，当需要将待测气体通入爆炸舱11时，爆炸进样控制电磁阀9开启，进样完成后，爆炸进样控制电磁阀9自动关闭。

爆炸舱11体积为5L，由304不锈钢制成。点火杆12以螺纹形式固定于爆炸舱上方并与高能点火器13相连，压力传感器14以螺纹形式固定于爆炸舱上方，用于实时监控爆炸舱内部压力变化。

真空度控制电磁阀10与计算机6联动，根据计算机指令进行开关动作，当需要将爆炸舱11内部压力降低时，真空度控制电磁阀10开启，旋片真空泵18开启，当爆炸舱11内部压力达到预设时，真空度控制电磁阀10自动关闭，旋片真空泵18自动关闭。

当爆炸实验完成后，爆炸舱泄压控制电磁阀15根据计算机6指令开启，气体回路控制电磁阀19开启，燃爆后的气体通过气体回路控制电磁阀19重新进入光学气体分析系统5进行气体成分测量，测量结果在计算机6上显示，计算机6可以自动计算燃爆前后爆炸舱内部氧气含量变化值并根据氧耗原理计算产热量。

当所有实验完成后，打开尾气处理控制球阀16，实验气体进入尾气处理装置17，待处理后完成后排入空气。

产品中的气体管路，爆炸舱11以及储气罐8均由304不锈钢制成，且均配备加热装置，加热温度≥150℃。

本产品中的气体管路，爆炸实验舱，气体池等带压部位的材质均为304不锈钢，可以承受因通入待测气体或气体爆炸产生的高温和高压。

本产品中的气体管路，爆炸实验舱，等带压部位均设置有升温装置，可以避免一些可燃液体蒸汽在产品内部冷凝，升温装置温度调节范围：室温至200℃。

气体管路设置调压阀，控制气体管路内部压力保持恒定。

气体池两端均使用带有增透膜的玻璃视窗，保证激光的透过性。

产品的气体探测功能由气体拉曼光谱测试系统实现，拉曼光谱气体检测种类：H2，CO，CO2，烃类气体（包括单不限于CH4，C2H4，C2H6，C3H6），N2，O2，以及常见的可燃液体蒸汽。气体定性准确率高于95%。

气体采样时间：采样间隔≤5s；支持快速采样模式，采样时间≤1s；连续采样：持续采样时间≥2h；连续工作时间≥24h；检测性能：精度≤2%，重复性≤1%，零点飘移≤2%/h；

气体检测的自动化程度：可实现在线连续采样，可实时将光谱信息转化为气体浓度数据，并根据Le Chatelier原理自动计算可燃气体爆炸极限值并在显示屏中显示。在完成点燃试验后可测量点燃前后氧气量变化并根据氧耗原理计算爆炸产生的热量；

气体检测数据输出格式：支持excel，mat，accdb等多种输出格式；可保存检测结果、记录和数据库信息；

爆炸舱中的可燃气体与空气的配比由气体检测系统计算得出的爆炸极限决定，产品中使用单片机对电磁阀进行控制，根据计算出的爆炸极限或手动输入的爆炸极限控制电磁阀开关实现进样。搭载自动/手动双模式调节系统，实现测量精度达到±0.01%。

光谱仪性能：CCD波长范围：150-3200cm-1，CCD制冷温度≤15℃光谱分辨率：优于11cm-1，信噪比：10000:1以上，有效动态范围60000以上，带有激光功率自校准功能。积分时间：20ms-60s。支持SMA光纤接口。激光器总功率≥400mw，支持功率动态调节，带有激光功率反馈功能。光谱仪安装尺寸不大于60cm×44cm×24.5cm

气体检测系统支持常见烃类和非烃类特征数据库。可识别特征光谱不少于20种。软件自带5种以上特征气体专用模型，支持特征气体建模，支持扩展检测烃类及非烃类气体；支持二次标定，支持扩展气体建模功能；

待测样品在测试前后均可联动其他气体检测装置实现气体成分检验，应配备气体储存舱实现气体短时存储，气体储存舱最高可调温度为200℃。

爆炸舱内高能点火器点火端瞬时耐温应不低于1200℃，点火频率应在6~12次/秒之间，火花能量≥15J，点火杆螺纹及长度应按爆炸舱尺寸进行定制，点火装置内应包含保护原件，当点火时间大于等于8s时应自动停止点火。

爆炸舱以及气体储存舱均应配备空气吹扫系统。

产品搭载NI labview上位机软件，实现温度、腔体压力、氧浓度等数据以及测试流程的实时监控、显示以及数据存储，可对测试过程数据进行报表与报告输出，以Excel、Word、PDF等文件格式形式进行存储，便于查看编辑。数据记录间隔应≤50ms。

产品配备尾气处理系统，可以对爆炸产生的毒性气体以及微小颗粒进行吸附处理。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于，包括：进气机构，所述进气机构出气端连通有气体分析机构，所述气体分析机构，所述气体分析机构的出气端连通有实验机构，所述实验机构的出气端与所述进气机构连通；

所述气体分析机构包括与所述进气机构出气端相连通的电子控压阀（4），所述电子控压阀（4）的出气端连通有光学气体分析系统（5），所述光学气体分析系统（5）的出气端通过爆炸进样控制电磁阀（9）与所述实验机构连通；

所述实验机构包括与所述爆炸进样控制电磁阀（9）相连通的爆炸舱（11），所述爆炸舱（11）的舱壁上固定安装有点火组件和压力传感器（14），所述爆炸舱（11）出气端通过爆炸舱泄压控制电磁阀（15）以及气体回路控制电磁阀（19）与所述进气机构连通；

所述光学气体分析系统（5）的出气端还连通有储气机构，所述爆炸舱泄压控制电磁阀（15）的出气端还连通有尾气处理机构。

2.根据权利要求1所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于：所述进气机构包括与所述电子控压阀（4）进气端相连通的大流量采样泵（3），所述大流量采样泵（3）的进气端连通有进样口控制球阀（2），所述进样口控制球阀（2）的进气端连通有气体进样口（1）；所述大流量采样泵（3）的进气端还与所述气体回路控制电磁阀（19）的出气端连通。

3.根据权利要求1所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于：所述点火组件包括点火杆（12）和高能点火器（13），所述点火杆（12）固定安装在所述爆炸舱（11）的舱壁上，所述点火杆（12）的工作端由外向内贯穿所述爆炸舱（11）的舱壁，所述高能点火器（13）通过导线与所述点火杆（12）电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于：所述储气机构包括与所述光学气体分析系统（5）的出气端连通的储气罐控制球阀（7），所述储气罐控制球阀（7）的输出端连通有储气罐（8）。

5.根据权利要求1所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于：所述尾气处理机构包括与所述爆炸舱泄压控制电磁阀（15）的出气端连通的尾气处理控制球阀（16），所述尾气处理控制球阀（16）的出气端连通有尾气处理装置（17）。

6.根据权利要求1所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置，其特征在于：所述爆炸舱（11）内腔还连通有降压机构，所述降压机构包括旋片真空泵（18），所述旋片真空泵（18）的进气端通过真空度控制电磁阀（10）与所述爆炸舱（11）的内腔连通。

7.一种快速分析气体成分及爆炸特性的方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的一种快速分析气体成分及爆炸特性的装置来完成，包括以下步骤：

1）通入可燃气体：手动打开进样口控制球阀（2），外部的可燃气体便可以从气体进样口（1）进入到系统内，可以使用大流量采样泵（3）辅助进样；

2）分析气体成分：光学气体分析系统（5）可以对待测可燃气体或可燃液体蒸汽混合物进行成分测量；

3）引爆气体：将可燃气体引入到爆炸舱（11），给点火杆（12）通电引爆可燃气体；

4）气体成分再分析：将引爆后的可燃气体再次引入到光学气体分析系统（5）中进行气体成分测量，并计算燃爆前后爆炸舱内部氧气含量变化值并根据氧耗原理计算产热量；

5）排出气体：实验完毕后，打开尾气处理控制球阀（16），实验气体进入尾气处理装置（17），待处理后完成后排入空气。

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