CN117191874B - 一种氢气爆炸危险性预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气爆炸危险性预测方法，涉及氢气爆炸危险性的测试技术领域。其提供了更精确的氢气爆炸风险评估和预警方法。本发明方法通可燃氢气燃烧形成爆炸后，直观了解火焰产生、传播、发展经过，以及通过压力、温度信号等处理系统，结合爆炸危险性评价的基本理论，通过爆炸氢气浓度、氧气浓度、氢气爆炸压力、爆炸冲击力、爆炸火焰传播距离、温度变化、爆炸反应时间、点火能量、爆炸分贝等指标来分析判断氢气爆炸危险性和灾害程度。与现有技术相比，本发明通过公式得到危险系数K，通过对K的数值进行划分，可更为精准的对氢气爆炸危险进行评价。
Description
技术领域
本发明涉及氢气爆炸危险性的测试技术领域，具体涉及一种氢气爆炸危险性预测方法。
背景技术
目前，在生产过程中由于工人不当操作或保存不当而导致的氢气爆炸频发，危险氢气爆炸火焰或爆炸冲击波沿管道传播诱发更多事故的发生，爆炸造成的损失巨大，因此引起了广泛关注。
目前现有技术中对于氢气爆炸的危险性检测主要有：
申请号202011170055.9公开了一种氢气复合气体爆炸极限测试系统及测试方法，系统包括试验台、爆炸极限测试装置和动态配气系统，动态配气系统连接爆炸极限测试装置，爆炸极限测试装置设置于实验台上，可以实现爆炸现象判定，实现复合气体的爆炸性能准确评价。
申请号202211220692.1公开了一种小尺度可视化氢气爆炸监测系统及监测方法，包括爆炸管道系统、配气系统、点火系统、测试和数据采集系统。通过在管道中形成氯化钠结晶，基于钠的焰色反应，使紫外波阶段的不可见氢火焰显色，进一步利用钠灯加深火焰颜色，提升高速摄像机对火焰形态及位置的捕捉能力，能够较准确的计算氢火焰传播速度，分析氢火焰形态与火焰传播速度的关系，定量表征压力和火焰的传播规律；基于半导体激光器，利用金属铜高导热性的特点，能够实现管道中不同位置处的点火起爆，分析双向火焰随时间传播的动态变化特征。
上述现有技术均属于涉氢产业的安全设计，但其测量精度还需进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气爆炸危险性预测方法，其通可燃氢气燃烧形成爆炸后，直观了解火焰产生、传播、发展经过，以及通过压力、温度信号等处理系统，结合爆炸危险性评价的基本理论，通过爆炸氢气浓度、氧气浓度、氢气爆炸压力、爆炸冲击力、爆炸火焰传播距离、温度变化、爆炸反应时间、点火能量、爆炸分贝等指标来分析判断氢气爆炸危险性和灾害程度，评价更精准。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种氢气爆炸危险性预测方法，包括以下步骤：
步骤一、安装并调试所需试验系统；所述的试验系统包括实验管道、供气系统、点火系统、数据采集系统以及温度监测系统，在实验管道内设置有气体采集装置。
步骤二、通过供气系统将所需浓度的氢气充入实验管道内，充气完成后，静置一段时间，并采集实验管道内氧气的浓度。
步骤三、通过点火系统点火，诱发实验管道内的氢气发生爆炸，并记录最小点火能量，通过数据采集系统和温度监测系统来记录实验数据，得到爆炸压力、爆炸冲量、爆炸反应温度、爆炸分贝、爆炸氢气浓度、爆炸反应时间，通过观察火焰的传播情况来记录传播距离，通过供气系统得到氢气最佳爆炸量、爆炸氢气浓度，通过气体采集装置得到实验管道内氧气的浓度。
步骤四、通过公式(1)来评价氢气爆炸危险性；
式(1)中：K为氢气爆炸危险性指数；CO2为实验管道内氧气的浓度；T为爆炸反应温度；I为爆炸冲量；C-爆炸氢气浓度；Cn-氢气最佳爆炸浓度；V为实验管道的体积；p为爆炸压力；E为最小点火能量；ρ为氢气密度；t为爆炸反应时间。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，当K＝0时，表明无爆炸危险；当K＜109时，表明爆炸危险等级弱；当109≤K<1014时，表明爆炸危险等级强；当1014≤K<1022时，表明爆炸危险等级严重。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，所述的实验管道设置有内外两层，内层是由钢化玻璃制成的，外层是由透明聚氨酯材料制成的。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，在所述的实验管道内设置有气体扩散头、分贝仪、压力传感器以及加速度计传感器，所述的气体扩散头位于实验管道的进气口处，所述的压力传感器和加速度计传感器位于实验管道的出口端；所述的分贝仪位于实验管道的中部。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，所述的供气系统包括配气系统、供气管道以及氢气收集室，所述的配气系统包括实验气瓶、氧气瓶、氮气瓶以及气体流量计，通过气体流量计来观察各个气瓶内气体的流量；所述的配气系统通过供气管道将气体输送至实验管道内。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，在所述的实验管道的前端设置有用于收集火焰温度变化的热电偶。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，所述的点火系统包括蓄能器、导线、电火花发生器以及接口密封件，通过所述的电火花发生器点火来引导实验管道内氢气爆炸。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，所述的压力传感器在实验管道内设置有若干个，相邻的压力传感器的距离为0.4～0.6m。
上述的一种氢气爆炸危险性预测方法，在安装并调试所述实验系统之前，通过理论计算确定最佳氢气浓度；所述的实验管道还连接有真空泵，实验开始前通过真空泵将实验管道抽成真空。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提出了一种氢气爆炸危险性预测方法，其借助于本发明实验系统，通过对各个危险性因素进行获取，如爆炸氢气浓度C、实验管道内氧气的浓度CO2、爆炸压力P、爆炸冲量I、爆炸反应温度T、爆炸火焰传播距离L、最小点火能量E、爆炸反应时间t、爆炸分贝dB的检测功能，经实验确定影响爆炸危险性参数，将参数代入提出的爆炸危险性预测方法，得到危险性系数K，K值越大危险性越强。通过压力传感器和温度监测系统，了解氢气在火灾及爆炸方面的爆炸形成过程，以及氢气爆炸的危险性，进而让操作人员或实验人员了解其安全工程、防火防爆工程等教学领域的知识，并进一步提高对氢气爆炸危害的认识，加强氢气爆炸的防治。
相比现有技术，本发明通过公式得到危险系数K，通过对K的数值进行划分，可更为精准的对氢气爆炸危险进行评价。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明所需试验系统结构示意图。
图中：1-实验管道；2-温度传感器；3-压力传感器；4-气体采集装置；5-分贝仪；6-气体扩散头；7-钢化玻璃；8-加速度计传感器；9-真空泵；10-点火系统；11-配气系统；12-阀门；13-气体流量计；14-数据采集系统。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
可理解的，本申请中所描述的连接关系指的是直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元器件间接连接。例如可以是A与C直接连接，C与B直接连接，从而使得A与B之间通过C实现了连接。还可理解的，本申请中所描述的“A连接B”可以是A与B直接连接，也可以是A与B通过一个或多个其它电学元器件间接连接。
下面结合附图来对本申请的技术方案作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种氢气爆炸危险性预测方法中，其所采用的系统包括实验管道1、供气系统、点火系统10、数据采集系统14以及温度监测系统，在实验管道1内设置有气体采集装置4。
其中实验管道1，由内外两层组成，内层是由钢化玻璃7制成，外层是由透明聚氨酯材料制成，实验管道1总长4.5m，内层管道内横截面为边长300mm的正方形，管壁厚为8mm；外层管道内横截面为边长320mm的正方形，管壁厚为5mm；每隔0.5m装有压力传感器3，通过压力传感器3来检测爆炸压力P和爆炸反应时间t。压力传感器3的数量本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
供气系统，包括配气系统11、供气管道以及氢气收集室，所述的配气系统11包括实验气瓶、氧气瓶、氮气瓶、阀门12以及气体流量计13，通过气体流量计13来观察各个气瓶内气体的流量；配气系统11通过供气管道将气体输送至实验管道1内，通过配气系统11配置不同实验氢气，通过阀门12控制将配置完成的氢气充入实验管道1中，利用气体流量计13来记录每次实验氢气用量、氧气用量，即得到氢气最佳爆炸量、爆炸氢气浓度。
点火系统10，包括蓄能器、导线、电火花发生器、接口密封件组成，当聚集量达到实验要求，由电火花发生器点火，引导管道内氢气爆炸，所述点火系统10所产生的点火能量从10mJ-1000J连续可调，得到点燃爆炸氢气的最小能量E。
优选在实验管道1的前端安装一个热电偶，热电偶的参数为：直径25mm，范围0～1600℃，精度±0.1℃)，得到爆炸反应温度T。
在实验管道1的出口端设置压力传感器3和加速度计传感器8，来获取爆炸冲击I、加速度a等参数。
本发明将实验管道1外层设置为透明的聚氨酯材料，在发生爆炸反应时，通过玻璃可观察爆炸火焰传播距离L，通过在实验管道1内设置的分贝仪5来检测爆炸分贝声值dB，直观感受爆炸危险性。
实验管道1还连接有真空泵9，可通过真空泵9将实验管道1内抽成真空状态。
数据采集系统14与实验管道1连接，通过数据采集系统14获取公式所需要的一些参数，结合公式(1)计算来评价氢气爆炸危险性。
式(1)中：K为氢气爆炸危险性指数；CO2为实验管道内氧气的浓度；T为爆炸反应温度；I为爆炸冲量；C-爆炸氢气浓度；Cn-氢气最佳爆炸浓度；V为实验管道的体积；p为爆炸压力；E为最小点火能量；ρ为氢气密度；t为爆炸反应时间。
结合上述系统，对本发明氢气爆炸危险性预测方法做进一步说明。
具体包括以下步骤：
步骤一：设计氢气爆炸实验方案，包括氢气爆炸最佳浓度、管道环境温度等试验采集参数；
步骤二：确保上述系统处于良好状态；
步骤三：保证实验管道1具有良好的气密性，使用真空泵9将实验管道1抽成真空；
步骤四：检查点火系统的点火持续时间，保证能准确引爆聚集管道内的氢气；
步骤五：利用配气系统配置所需浓度的氢气，然后将待测氢气充入实验管道1内，充气完成后，静置30s，使氢气达到静止状态，同时采集实验前实验管道1的氧气浓度；
步骤六：由电火花发生器点火，诱发实验管道1内氢气爆炸；记录最小点火能量，同时利用数据采集系统14采集试验数据，得到爆炸压力、爆炸冲量、爆炸温度、爆炸分贝，爆炸氢气含量变化，观察火焰传播情况，记录传播距离；
步骤七：按照设计目的，对得到的各影响氢气爆炸的危险性参数进行评价分析，包括爆炸压力的变化规律、最大爆炸压力、释放氢气危险性、实验管道1内温度的变化规律以及爆炸火焰传播规律，根据公式得出氢气爆炸危险性K，评价该氢气爆炸危险性。
实施例1：
在进行氢气爆炸实验前，设计爆炸传播实验方案，预先实验确定最佳氢气浓度，以及利用点火系统10进行点火能量的测试，确保点火能量足够点燃可燃氢气的最小能量，利用温度传感器2测试管道环境温度，安装并调试系统，确保各个部件均处于良好状态；保证实验管道1具有良好的气密性，使用真空泵9将实验管道1抽成真空；
检查点火系统10的点火持续时间，保证能准确引爆聚集管道内的氢气；
利用配气系统配置所需浓度的氢气，然后将待测氢气充入实验管道1内，充气完成后，静置30s，使氢气达到静止状态。
另外爆炸危险性装置必须安装在通风良好并且安装有排风装置的实验室内，如果该材料具有毒性或刺激性特性，则必须采取适当的安全预防措施，使用该设备的测试应在通风罩或其他有足够通风的区域进行，在开始试验前，应对所有配件进行检查，以防止泄漏。
当进行氢气爆炸实验时，打开气瓶的进气开关，打开阀门，放入定量氢气后关闭阀门，在所有阀门关闭前提下，使用设定的点火方式进行点火，当点火动作触发时，控制开关打开，将测试氢气通过分散式喷嘴喷入罐体，完成喷气过程，氢气经过能量激发发生爆炸，同时利用数据采集系统14采集压力、温度、分贝等试验数据，在管道中可观察到爆炸火焰传播情况。需要注意所有包含电气设备的外壳都应连接到公共接地上，通过真空系统将实验系统抽取一定要求的真空，将可燃气瓶里的可燃氢气根据要求的比例充入可视化的实验管道1中。
当氢气爆炸实验完成后，实验结束后，用压缩空气彻底清洗管道，对实验得到影响氢气爆炸危险性的相关数据，通过提出的公式进行评价分析该氢气的爆炸危险性，按照设计目的，对爆炸的传播特性进行分析，包括爆炸压力的变化规律，最大爆炸压力，实验管道1内温度的变化规律以及爆炸火焰传播特性规律，结合公式(1)。判断氢气爆炸危险性数值，得到危险性等级，并对氢气爆炸危险性进行评价。
表1
| 氢气爆炸危险性等级 | K | 爆炸特征 |
| 0 | 0 | 无 |
| 1 | K＜109 | 弱 |
| 2 | 109≤K＜1014 | 强 |
| 3 | 1014≤K＜1022 | 严重 |
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、安装并调试所需试验系统；
所述的试验系统包括实验管道、供气系统、点火系统、数据采集系统以及温度监测系统，在实验管道内设置有气体采集装置；
步骤二、通过供气系统将所需浓度的氢气充入实验管道内，充气完成后，静置一段时间，并采集实验管道内氧气的浓度；
步骤三、通过点火系统点火，诱发实验管道内的氢气发生爆炸，并记录最小点火能量，通过数据采集系统和温度监测系统来记录实验数据，得到爆炸压力、爆炸冲量、爆炸反应温度、爆炸分贝、爆炸氢气浓度、爆炸反应时间，通过观察火焰的传播情况来记录传播距离，通过供气系统得到氢气最佳爆炸量、爆炸氢气浓度，通过气体采集装置得到实验管道内氧气的浓度；
步骤四、通过公式(1)来评价氢气爆炸危险性；
式(1)中：K为氢气爆炸危险性指数；CO2为实验管道内氧气的浓度；T为爆炸反应温度；I为爆炸冲量；C-爆炸氢气浓度；Cn-氢气最佳爆炸浓度；V为实验管道的体积；p为爆炸压力；E为最小点火能量；ρ为氢气密度；t为爆炸反应时间；
当K＝0时，表明无爆炸危险；当K＜109时，表明爆炸危险等级弱；当109≤K<1014时，表明爆炸危险等级强；当1014≤K<1022时，表明爆炸危险等级严重。
2.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：所述的实验管道设置有内外两层，内层是由钢化玻璃制成的，外层是由透明聚氨酯材料制成的。
3.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：在所述的实验管道内设置有气体扩散头、分贝仪、压力传感器以及加速度计传感器，所述的气体扩散头位于实验管道的进气口处，所述的压力传感器和加速度计传感器位于实验管道的出口端；所述的分贝仪位于实验管道的中部。
4.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：所述的供气系统包括配气系统、供气管道以及氢气收集室，所述的配气系统包括实验气瓶、氧气瓶、氮气瓶以及气体流量计，通过气体流量计来观察各个气瓶内气体的流量；所述的配气系统通过供气管道将气体输送至实验管道内。
5.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：在所述的实验管道的前端设置有用于收集火焰温度变化的热电偶。
6.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：所述的点火系统包括蓄能器、导线、电火花发生器以及接口密封件，通过所述的电火花发生器点火来引导实验管道内氢气爆炸。
7.根据权利要求3所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：所述的压力传感器在实验管道内设置有若干个，相邻的压力传感器的距离为0.4～0.6m。
8.根据权利要求1所述的一种氢气爆炸危险性预测方法，其特征在于：在安装并调试所述实验系统之前，通过理论计算确定最佳氢气浓度；所述的实验管道还连接有真空泵，实验开始前通过真空泵将实验管道抽成真空。
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