CN204613136U - 一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，可有效解决进行双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸仿真实验分析的问题，技术方案是，包括透明的有机玻璃管、水箱、惰性气体瓶、空气瓶和甲烷气瓶，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管、与其内腔相连通的进气管，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器，本实用新型实验装置结构新颖独特，简单合理，实验方法简单，实验过程稳定，直观，使用方法易操作控制，雾化量通过调节气瓶压力实现，抑爆效果好。

Description

一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置

技术领域

本实用新型涉及火灾安全实验装置，特别是一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置。

背景技术

瓦斯广泛存在于煤层气、矿井通风气及化工用气中，其在矿井巷道、输气管道及储气设备中常因泄露引发爆炸灾害，成为我国最受关注的安全问题之一。随着社会发展对抑爆技术出了更高要求，即在抑爆的同时，要求对环境友好、对工艺介质无污染，因此研究清洁、高效的抑爆技术势在必行。

惰性气体与细水雾都是常见的经济、环保的灭火控爆材料。目前，相应的惰性气体、水雾抑爆装置在液化石油、天然气储罐及管道运输保护、煤矿井下瓦斯防爆抑爆等领域都有初步应用。然而，由于惰性气体抑爆、防灭火时需要较高的浓度，例如CO₂灭火系统的设计浓度高达34％，采空区注N₂抑制瓦斯爆炸时O₂浓度指标要求小于12％，应用时往往需要大量高压气瓶组、复杂管道等。细水雾用于抑爆实践主要为单流体细水雾(纯水雾)，其雾化依靠控制水压高低与喷嘴结构来实现，对于煤矿巷道、工业气体管道等长距离受限空间，需要高压动力源，抑爆效果受到水雾粒径、浓度、水雾区长度等因素的影响，这些因素限制了惰性气体与细水雾抑爆技术的应用。

双流体惰化细水雾是指通过双流体喷嘴，将细水雾和惰性气体输送至爆炸性区域水的一种抑爆方法。前人研究表明，具有较小比表面积的细微雾滴抑爆作用越明显，而以惰性气体作为稀释气体，惰性气体良好的空间分散性会加快雾滴的分散性及弥散性，综合发挥惰性气体与细水雾抑爆优势，产生抑爆协同增效效应。而目前尚没有报道对于如何利用双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸的实验装置及实验方法。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，可有效解决进行双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸仿真实验分析的问题。

本实用新型解决的技术方案是，

一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，包括透明的有机玻璃管、水箱、惰性气体瓶、空气瓶和甲烷气瓶，有机玻璃管为一端开口的中空结构，其口部上设置有用于密封的PVC薄膜，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管、与其内腔相连通的进气管，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器，惰性气体瓶的出气口经电磁阀与双流体喷头的进气口相连，水箱的出水口与双流体喷头的进液口相连，空气瓶的出气口经串联的第一止逆阀和第一质量流量控制器与进气管的进气口相连，甲烷气瓶经串联的第二止逆阀和第二质量流量控制器与进气管的进气口相连，高压脉冲点火器上设置有感应端正对高压脉冲点火器的点火电极上设置有能够感应其点火状态的光电传感器，光电传感器的信号输出端与摄像机的信号输入端相连，摄像机、电磁阀、温度传感器和压力传感器的信号输出端分别与数据采集仪的信号输入端相连，数据采集仪的信号输出端与计算机相连。

一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验方法，包括以下步骤：

一、安装试验装置，试验装置包括透明的有机玻璃管、水箱、惰性气体瓶、空气瓶和甲烷气瓶，有机玻璃管为一端开口的中空结构，其口部上设置有用于密封的PVC薄膜，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管、与其内腔相连通的进气管，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器，惰性气体瓶的出气口经电磁阀与双流体喷头的进气口相连，水箱的出水口与双流体喷头的进液口相连，空气瓶的出气口经串联的第一止逆阀和第一质量流量控制器与进气管的进气口相连，甲烷气瓶经串联的第二止逆阀和第二质量流量控制器与进气管的进气口相连，高压脉冲点火器上设置有感应端正对高压脉冲点火器的点火电极上设置有能够感应其点火状态的光电传感器，光电传感器的信号输出端与摄像机的信号输入端相连，摄像机、电磁阀、温度传感器和压力传感器的信号输出端分别与数据采集仪的信号输入端相连，数据采集仪的信号输出端与计算机相连；所述的放气管上设置有排气阀；所述的电磁阀与双流体喷头之间的管道上设置有流量计；

二、打开摄像机，压力传感器、温度传感器和光电传感器均接通电源，数据采集仪连接计算机并打开Labview 2009数据采集软件，在进行爆炸试验之前，调试好数据采集软件并试运行一次，检查软件是否正常运行，以保证得到的实验数据准确，调整摄像机相机位置，使其镜头正对有机玻璃管，调整相机镜头焦距，并进行一次抓拍，以保证拍摄的到的图片清晰，以便后期进行图片处理；

三、打开排气阀、第一止回阀和第二止回阀，向有机玻璃管腔体通入机玻璃管腔体4倍体积的甲烷和空气的混合气体，从而排尽有机玻璃管腔体内原有的空气，关闭排气阀、第一止回阀和第二止回阀；

四、进行双流体惰化细水雾抑制瓦斯爆炸测试，打开电磁阀控制双流体喷头开始喷雾，设定惰性气体压力与喷雾时间；

五、进行瓦斯爆炸实验测试，通过高压脉冲点火器电压点火，瞬间光电传感器捕捉点火电极发出的电火花并转换成电信号，触发摄像机工作，同时利用温度传感器、压力传感器监测火焰温度及爆炸压力变化；

六、保存温度数据、压力数据和摄像机拍摄的爆炸火焰图片；通入4倍空气，排净管道腔体内气体，准备进行下一次试验；

七、对高速摄像机拍摄的爆炸火焰图片进行处理，得到火焰前锋速度；

八、对抑制剂惰化抑制效果进行评价分析。

本实用新型实验装置结构新颖独特，简单合理，实验方法简单，实验过程稳定，直观，可直接利用煤矿、工业企业现有的惰性气体管道、水路管道，适用于可燃气体管道的防爆控火；双流体喷嘴结构简单，占据空间小，安装方便，使用方法易操作控制，雾化量通过调节气瓶压力实现，抑爆效果好，使用方便效果好，有是瓦斯爆炸实验装置上的创新。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1给出，本实用新型一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，包括透明的有机玻璃管、水箱、惰性气体瓶、空气瓶和甲烷气瓶，有机玻璃管10为一端开口的中空结构，其口部上设置有用于密封的PVC薄膜20，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管5、与其内腔相连通的进气管17，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器7、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器8、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头6以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器12，惰性气体瓶4的出气口经电磁阀3与双流体喷头6的进气口相连，水箱1的出水口与双流体喷头6的进液口相连，空气瓶14的出气口经串联的第一止逆阀13a和第一质量流量控制器11a与进气管17的进气口相连，甲烷气瓶15经串联的第二止逆阀13b和第二质量流量控制器11b与进气管17的进气口相连，高压脉冲点火器12上设置有感应端正对高压脉冲点火器的点火电极上设置有能够感应其点火状态的光电传感器9，光电传感器9的信号输出端与摄像机16的信号输入端相连，摄像机16、电磁阀3、温度传感器7和压力传感器8的信号输出端分别与数据采集仪18的信号输入端相连，数据采集仪18的信号输出端与计算机19相连。

所述的放气管上设置有排气阀5a；

所述的电磁阀3与双流体喷头6之间的管道上设置有流量计2；

所述的有机玻璃管为120mm×120mm×840mm的横向有机透明玻璃管，有效容积为12.096L，一侧封闭，管体上设置有底座，可开展垂直或水平不同状态的惰化抑爆实验，为保证实验人员安全，另一端由PVC薄膜密封，爆炸时破裂达到泄压的作用；

所述的摄像机16为拍摄速度2000帧/s以上的高速摄像机以捕捉甲烷爆炸过程中的火焰形状及火焰锋面位置；

所述的双流体喷头6为市售产品(现有技术)，如日本池内公司生产的BIM系列虹吸式微雾喷嘴，其雾滴粒径范围20-40纳米；

所述的数据采集仪18为市售产品(现有技术)，如MC公司生产的型号为USB-1608FS Plus型的数据采集卡，能够采集温度传感器采集、压力传感器在甲烷爆炸过程中的温度和压力信号、电磁阀开通和关闭的时间信号以及摄像机采集的图像信号，并通过数据采集卡将数据传输到计算机；

所述的高压脉动点火器12为市售产品(现有技术)，如西安顺泰热工机电设备有限公司生产的HEI19系列高热能点火器；点火电压为6KV。

一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验方法，包括以下步骤：

一、安装试验装置，试验装置包括透明的有机玻璃管10、水箱1、惰性气体瓶4、空气瓶4和甲烷气瓶5，有机玻璃管10为一端开口的中空结构，其口部上设置有用于密封的PVC薄膜20，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管5、与其内腔相连通的进气管17，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器7、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器8、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头6以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器12，惰性气体瓶4的出气口经电磁阀3与双流体喷头6的进气口相连，水箱1的出水口与双流体喷头6的进液口相连，空气瓶14的出气口经串联的第一止逆阀13a和第一质量流量控制器11a与进气管17的进气口相连，甲烷气瓶15经串联的第二止逆阀13b和第二质量流量控制器11b与进气管17的进气口相连，高压脉冲点火器12上设置有感应端正对高压脉冲点火器的点火电极上设置有能够感应其点火状态的光电传感器9，光电传感器9的信号输出端与摄像机16的信号输入端相连，摄像机16、电磁阀3、温度传感器7和压力传感器8的信号输出端分别与数据采集仪18的信号输入端相连，数据采集仪18的信号输出端与计算机19相连；所述的放气管上设置有排气阀5a；所述的电磁阀3与双流体喷头6之间的管道上设置有流量计2；

二、打开摄像机，压力传感器、温度传感器和光电传感器均接通电源，数据采集仪连接计算机并打开Labview 2009数据采集软件，在进行爆炸试验之前，调试好数据采集软件并试运行一次，检查软件是否正常运行，以保证得到的实验数据准确，调整摄像机相机位置，使其镜头正对有机玻璃管，调整相机镜头焦距，并进行一次抓拍，以保证拍摄的到的图片清晰，以便后期进行图片处理；

三、打开排气阀、第一止回阀和第二止回阀，向有机玻璃管腔体通入机玻璃管腔体4倍体积的甲烷和空气的混合气体，其中甲烷的体积浓度保持为9.5％；从而排尽有机玻璃管腔体内原有的空气，关闭排气阀、第一止回阀和第二止回阀；实际操作中可设定好质量流量控制器的参数后；根据其流量和时间来把控充入的气体体积量；

四、进行双流体惰化细水雾抑制瓦斯爆炸测试，打开电磁阀控制双流体喷头开始喷雾，设定惰性气体压力与喷雾时间；

五、进行瓦斯爆炸实验测试，通过高压脉冲点火器电压点火，瞬间光电传感器捕捉点火电极发出的电火花并转换成电信号，触发摄像机工作，同时利用温度传感器、压力传感器监测火焰温度及爆炸压力变化；

六、引爆成功后，保存温度数据、压力数据和高速摄像机拍摄的爆炸火焰图片；通入4倍空气，排净管道腔体内气体，准备进行下一次试验；

七、对高速摄像机拍摄的爆炸火焰图片进行处理，得到火焰前锋速度，具体计算公式为：

$V=\frac{\frac{L}{z_{f,\mathrm{all}}}}{t_{i+1}-t_i}(z_{f_{i+1}}-z_{f_i})$

其中：

L 管道总长度，单位，mm；

z_f,all 火焰传播方向图片像素值，pixel；

z_fi i时刻火焰前锋处的像素值，pixel；

t_i 火焰前锋到达i处的时间，ms。

八、对抑制剂惰化抑制效果进行评价分析，具体评价爆炸超压峰值、最大火焰速度等重要的爆炸危险性评价参数。

例如爆炸超压峰值与最大火焰速度是评价爆炸危险性的两个重要参数。

为了比较双流体惰化细水雾的抑爆效果，将所有实验结果均与体积浓度9.5％的纯甲烷预混气的爆炸参数进行比较，其中有机玻璃管最大爆炸超压为292.3407mbar。其中，双流体喷头压力为0.2Mpa，0.3Mpa，0.4Mpa时，惰性气体消耗量分别为0.45L/s，0.6L/s，0.77L/s，最大喷雾速率分别为0.67mL/s,0.64mL/s,0.53mL/s。根据通入时间，可以得到惰性气体占有机玻璃管体积百分比数，具体结果如下表1-5所示。

表1 双流体喷嘴通入惰性气体占管道体积分数

表2 单独CO₂对甲烷爆炸最大超压的影响

表3 单独超细水雾喷雾时间对甲烷爆炸最大超压的影响(其中超细水雾喷雾速率为0.42mL/min)

表4 含CO₂的双流体惰化细水雾对甲烷爆炸最大超压的影响

表5 含CO₂的双流体惰化细水雾对甲烷爆炸最大火焰传播速度的影响

通过上述试验结果可以看出，含N2、CO2等惰气的双流体细水雾抑爆效果明显，随着喷雾时间的延长，爆炸火焰的速度峰值逐渐下降，当喷雾时间大于3s时，经多次点火无法引爆。与纯惰性气体、细水雾抑爆相比，双流体惰化细水雾发挥了惰性气体与细水雾的抑爆优势，大幅降低了惰气浓度和细水雾的用量，对于工业管道等受限空间的抑爆具有一定现实价值。

由上述情况可以清楚的看出，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)实现了点火、压力、温度、火焰监测的同步控制；

(2)无需对实验腔体抽真空，预混气体的比例配气快速、方法简单，工作效率提高2倍以上；

(3)双流体细水雾喷头采用气动虹吸式，为普通商业购买双流体细水雾喷头，易购得，无需水泵设施；

(4)喷雾可通过远程控制电磁阀压力喷放，并通过控制气瓶压力调节雾滴粒径，可靠性高，用水量少；

(5)有机玻璃管上设置有底座，可开展垂直或水平不同状态的惰化抑爆实验。

申请人要指出的是，本申请上述指出的仅仅是一种实施例，并不是用于限制本申请的保护范围，凡是用等同或等同替代手段所做出与本申请技术方案本质上相同的技术方案均属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，包括透明的有机玻璃管、水箱、惰性气体瓶、空气瓶和甲烷气瓶，其特征在于，有机玻璃管(10)为一端开口的中空结构，其口部上设置有用于密封的PVC薄膜(20)，有机玻璃管上分别设置有与其内腔相连通的放气管(5)、与其内腔相连通的进气管(17)，感应端伸入有机玻璃管内腔的温度传感器(7)、感应端伸入有机玻璃管内腔的压力传感器(8)、喷射端伸入有机玻璃管内腔的双流体喷头(6)以及点火端伸入有机玻璃管内腔的高压脉冲点火器(12)，惰性气体瓶(4)的出气口经电磁阀(3)与双流体喷头(6)的进气口相连，水箱(1)的出水口与双流体喷头(6)的进液口相连，空气瓶(14)的出气口经串联的第一止逆阀(13a)和第一质量流量控制器(11a)与进气管(17)的进气口相连，甲烷气瓶(15)经串联的第二止逆阀(13b)和第二质量流量控制器(11b)与进气管(17)的进气口相连，高压脉冲点火器(12)上设置有感应端正对高压脉冲点火器的点火电极上设置有能够感应其点火状态的光电传感器(9)，光电传感器(9)的信号输出端与摄像机(16)的信号输入端相连，摄像机(16)、电磁阀(3)、温度传感器(7)和压力传感器(8)的信号输出端分别与数据采集仪(18)的信号输入端相连，数据采集仪(18)的信号输出端与计算机(19)相连。

2.根据权利要求1所述的双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，其特征在于，所述的放气管上设置有排气阀(5a)。

3.根据权利要求1所述的双流体惰化细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验装置，其特征在于，所述的电磁阀(3)与双流体喷头(6)之间的管道上设置有流量计(2)。