CN209280609U - 障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，该装置具体包括气源、管道系统、吹扫泄放系统、抽真空系统、远程控制系统和数采系统。通过该装置建立了管口障碍物对诱发含金属微粒的高压可燃气体泄放自燃的实验平台，可以研究在管内有无激波产生的情况下，含金属微粒的高压可燃气体撞击至管口锥形障碍物的放电诱发自燃的过程，并对放电过程进行有效监测；明确障碍物对压力波以及火焰发展过程的影响；且可测量含金属微粒的高压气体离开泄放口至放电完成的整个过程中的电量的变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及高压气体自燃的机理测试技术领域，尤其是涉及障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置。
背景技术
随着现代工业的快速发展，全球的能源消耗巨大，人们对能源的需求量越来越大。目前的能源结构中，煤炭一直占据主导地位，但煤炭燃烧会带来严重的环境污染问题，对此，国家开始大力发展非常规能源和可再生能源。氢气和天然气等可燃气体属于清洁能源，具有良好的应用前景和市场潜力，但氢气等可燃气体的最小点火能较低、火灾或爆炸的极限区间广，在常规使用时一般采用高压的方式进行存储，意外泄漏后很容易发生自燃。为了能够解决其在生产、存储和运输的各个环节中的安全问题，我们必须对其发生自燃的机理进行充分的研究。
英国Kingston大学火灾爆炸研究中心对676起氢气事故进行统计研究后发现，超过90%的氢气事故伴随着火灾爆炸的发生，并且419起火灾爆炸事故的点火源未被确定，占氢气事故的61.98%。国内外研究者针对这一现象进行了研究，并提出相关理论：具体有静电点火和扩散点火理论等。日本研究者Imamura等人开展了测量通风管道出口中氧化铁颗粒带电的实验，结果显示电荷积聚在氧化铁颗粒上，并且放置在释放中的金属丝网上累积的总能量大于可燃气体的最小点火能；美国桑迪亚国家实验室对含有不同种类以及数量的金属微粒的氢气放电特性进行研究，进一步证实了静电点火理论的可行性；中国科学技术大学比较系统的研究了在不同下游泄放管道的情况下的扩散点火理论，高压气体在泄放过程中，管口的形态发展过程对于管道内部自燃的火焰向稳定喷射火的转变过程具有较大的决定作用；英国金斯顿大学B.P. Xu采用CFD模拟软件研究了管口障碍物对高压氢气自燃火焰在出口处转变的影响。
在实际的工业生产过程中，高压气体泄放时，由于管道、法兰和垫片等的锈蚀，很容易在高压气体中夹带金属颗粒，在泄放流动中，颗粒处于快速流动、抖动或振动等运动状态，颗粒与颗粒之间、颗粒与管道内壁之间反腐地发生接触、碰撞、摩擦和分离等过程，使粉体颗粒带上了一定数量的电荷，从而产生静电现象。一旦累计的静电量达到一定程度，并且在泄放口处存在一些尖锐的障碍物，尖锐体能够为放电提供条件，诱发电晕及火花放电，并且在与压力波的共同作用下，极易点燃气体，类似于高压气体在管口放电点燃气体，但由于初始状态火焰不稳定，一旦撞击到障碍物时很容易造成熄灭，所以，障碍物对泄漏的影响机理尚不明确。
综上，目前对于高压可燃气体的自燃现象研究主要还有以下几点不足：一、在管道外部，激波和静电如何共同作用诱发其自燃；二、对于管口存在障碍物等特殊情况对自燃的影响的研究也紧紧停留在模拟阶段；三、管内火焰向喷射火的转变过程尚还不明确。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提供障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，主要能对三个方面进行完善：一是尖锐的障碍物对诱发微粒放电，并对放电过程进行监测；二是明确障碍物对压力波以及火焰发展过程的影响；三是测量含金属微粒的高压气体离开泄放口至放电完成的整个过程中电量的变化。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，包括气源、管道系统、吹扫泄放系统、抽真空系统、远程控制系统和数采系统，所述气源包括可燃气瓶和氮气气瓶内充装的可燃气和氮气，所述管路系统包括高压罐、气动阀A、气动阀B、气动阀C、进气管以及下游管道，所述气动阀A和气动阀B分别设在可燃气瓶和氮气气瓶的出气管道上，所述可燃气瓶和氮气气瓶的出气口均与进气管相连通，所述气动阀C设在高压罐的下游，在气动阀C的下游设有爆破片夹持装置，在爆破片夹持装置处添加金属微粒，所述金属微粒为三氧化二铁，在下游管道的喷口外部设置金属的锥形障碍物，在下游管道的喷口处安装管口静电传感器，在高压罐上设有压力传感器，在锥形障碍物的左右两侧分别设置一个静电探测环，在锥形障碍物和静电探测环底部设有可升降底座，在下游管道的喷口位置设有高速摄像机，在锥形障碍物位置设有纹影仪。
进一步地，所述吹扫泄放系统包括氮气气瓶、减压阀、进气管、气动球阀D以及放空管道，减压阀设在氮气气瓶的出气管路上，放空管道安装在高压罐上，放空管道由气动球阀D控制开启。
进一步地，所述抽真空系统由真空泵、排气口以及管线构成，所述抽真空系统通过管线与高压罐相连通。
进一步地，所述远程控制系统由电路系统、信号发送器以及接收器组成，装置中所有的阀门均由远程控制系统控制；数采系统包括静电采集、压力采集、火焰图像采集以及纹影图像采集模块，其中，管口静电传感器和压力传感器与示波器相连。
进一步地，所述爆破片夹持装置的两端为VCR金属面片密封接头，爆破片下游的密封元件为金属垫片，在金属垫片与下游管道之间设有塑料垫片。
进一步地，所述锥形障碍物从上至下依次为锥形体、支架和金属底座，所述金属底座固定连接在可升降底座上，在支架中部设有陶瓷绝缘段。
进一步地，所述静电探测环的内层材料为铬铜合金，外层材料为不锈钢，在铬铜合金层和不锈钢层之间为陶瓷层。
进一步地，所述管路系统均采用316L不锈钢制成，最高承压可达20 Mpa，其中高压罐容积为3 L，高压罐上游进气口内径为0.015 m，下游出口直径为0.02 m，下游管道长1.7m，内径为0.02 m。
进一步地，气动阀C距高压罐0.1 m、距爆破片夹持装置处0.1 m。
本实用新型的有益效果是：
1.建立了管口障碍物对诱发含金属微粒的高压可燃气体泄放自燃的实验平台，可研究在管内有无激波产生的情况下，含金属微粒的高压可燃气体撞击至管口锥形障碍物的放电诱发自燃的过程，且本新型中管口锥形障碍物的高度可调，研究更加全面彻底；
2.采用纹影仪来拍摄射流撞击锥形障碍物的过程，通过所获得的纹影图像能够清晰的判定点火位置以及是否有撞击还是放电诱发自燃，为建立点火模型提供判据；
3.在管口以及障碍物的前后设置静电探测环，能够更好的记录可燃气体在整个过程中的电位变化，相对于同类型的设备，观测过程更完整；
4. 静电探测环内层材料为铬铜合金，具有良好的导电性、导热性、耐磨抗爆、软化温度高以及成本低的特点，且可准确地监测静电电位；
5. 采用远程控制系统，在完成实验的同时能够更好的保护人员的安全。
附图说明
图1为本实用新型公开的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置的结构示意图；
图2为本实用新型公开的爆破片夹持装置的结构示意图；
图3为本实用新型公开的锥形障碍物的结构示意图；
图4为本实用新型公开的管口静电传感器的结构示意图；
图5为本实用新型公开的静电探测环的剖面示意图；
图6a是高压气体泄漏时，射流前端形成的激波或压力波系示意图；图6b是高压气体泄漏时，射流前端遇到障碍物时压力波系的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
为了能测试管口障碍物对诱发含金属微粒的高压可燃气体泄放自燃的影响，本新型公开一种障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，具体结构包括气源、管道系统、吹扫泄放系统、抽真空系统、远程控制系统28和数采系统29。
所述气源包括可燃气瓶1和氮气气瓶2内充装的可燃气和氮气，可燃气作为实验用气体，氮气用作吹扫保护气，两种气体均采用标准工业气瓶充装，其充装压力在14 MPa左右。
所述管路系统包括高压罐3、气动阀A、气动阀B、气动阀C、进气管5以及下游管道6，所述管路系统均采用316L不锈钢制成，最高承压可达20 Mpa，其中高压罐3容积为3 L，高压罐3上游进气口内径为0.015 m，下游出口直径为0.02 m，下游管道6长1.7 m，内径为0.02m。所述气动阀A和气动阀B分别设在可燃气瓶1和氮气气瓶2的出气管道上，所述可燃气瓶1和氮气气瓶2的出气口均与进气管5相连通，所述气动阀C设在高压罐3的下游，在气动阀4的下游设有爆破片夹持装置7，所述爆破片夹持装置7的两端为VCR金属面片密封接头20，与传统的螺纹连接方式相比，能更好的防止爆破片的形变损坏，保证性能的稳定，爆破片17下游的密封元件为金属垫片18，是金属对金属的密封形式，在金属垫片18与下游管道之间设有塑料垫片19，接头组件经过电抛光及清洗等工艺处理，适用于要求无泄漏的系统及正压系统，由于使用中高压可燃气体危险性较大，能更好的保证密闭安全性。
气动阀C距高压罐3 0.1 m、距爆破片夹持装置7处0.1 m；在爆破片夹持装置7处添加金属微粒，所述金属微粒为三氧化二铁。
在下游管道6的喷口外部设置金属的锥形障碍物8，所述锥形障碍物8从上至下依次为锥形体21、支架22和金属底座23，所述金属底座23固定连接在可升降底座12上，在支架22中部设有陶瓷绝缘段24。
在下游管道的喷口处安装管口静电传感器9，在高压罐3上设有压力传感器，静电传感器的材料为铬铜，如图4所示，本新型中的管口静电传感器9的宽度大于下游管道6的直径，因为在高压气体泄漏时，为了能够让金属微粒在管道内部产生足够的静电，所以采用一定长度的管长，但由于高压气体在管道内部经过膨胀加速后，在出口处速度较大，为了能够捕捉到静电，所以其管口的传感器采用一定长度，同时在管口处进入突然扩张的空间，向稳定的射流转变过程中会进一步膨胀，此处采用内嵌式传感器很可能捕捉不到信号。
在锥形障碍物8的左右两侧分别设置一个静电探测环11，所述静电探测环11的内层材料为铬铜合金，外层材料为不锈钢，在铬铜合金层25和不锈钢层26之间为陶瓷层27，静电探测环11用于捕捉含微粒的高压气体射流在撞击时的放电情况，以及撞击前后的静电变化；在锥形障碍物8和静电探测环11底部设有可升降底座12用以调节高度，在下游管道6的喷口位置设有高速摄像机10，在锥形障碍物8位置设有纹影仪13。
所述吹扫泄放系统包括氮气气瓶2、减压阀15、进气管5、气动球阀D以及放空管道，减压阀15设在氮气气瓶1的出气管路上，放空管道安装在高压罐3上，放空管道由气动球阀D控制开启用以在实验开始和结束时，对装置内部进行吹扫。
为了防止罐内的氧气与可燃气体形成可燃性混合物，在实验之前需对装置内部进行抽真空，所以该装置还设有抽真空系统，所述抽真空系统由真空泵16、排气口以及管线构成，所述抽真空系统通过管线与高压罐3相连通。
所述远程控制系统28由电路系统、信号发送器以及接收器组成，为了实验安全，装置中所有的阀门均由远程控制系统28控制；数采系统29包括静电采集、压力采集、火焰图像采集以及纹影图像采集模块，其中，管口静电传感器9与压力传感器14与示波器相连，监测喷射过程的压力变化以及放电过程；当开始泄放的时候，上游的压力传感器14首先捕捉到信号，示波器实施记录，并输出信号控制高速摄像机10的启动，以达到对设备的同步控制。高速摄像机10记录火焰的发展过程；纹影仪13用于监测压力波经过障碍物的整个发展过程以及点火位置的记录。
本新型中采用锥形体障碍物的原因是：在高压气体泄漏时，在射流的前端会形成典型的激波或压力波系，如图6a所示，（摘自文章：Xu B P, Wen J X, Dembele S, et al.The effect of pressure boundary rupture rate on spontaneous ignition ofpressurized hydrogen release[J]. Journal of Loss Prevention in the ProcessIndustries, 2009, 22(3):279-287.）但其遇到障碍物时其压力波系会发生变化，如图6b所示，（摘自文章：Xu B P. The effect of an obstacle plate on the spontaneousignition in pressurized hydrogen release: A numerical study[J]. InternationalJournal of Hydrogen Energy, 2011, 36(3):2637-2644.）这种变化对来流的影响受障碍物的影响有所不同，可能会产生增加或减弱作用，可能会促进燃烧或减弱目前对其机理商不明确。而在实际情况下，其撞击过程不一定是正面撞击，采用锥形体，可通过改变其相对于来流的位置，可以控制其正面撞击，两个面夹角撞击以及不同角度的控制，来判断哪种危害更大。锥形体三个面的交点处，有一定的尖角，曲率半径较大，当含有金属微粒的高速气体带有一定的电量时，其尖角可能诱发其电晕或火花放电；在采用锥形体时，设置纹影仪，因为其能够清晰地判定压力波的变化以及点火位置。当射流撞击锥形体时，可能是由压力波引燃，也可以是放电。而根据纹影所捕捉到的放电过程能够更好的判定具体机理。在锥形体支架中部设高强度绝缘陶瓷。第一，避免锥形体接地；第二，来流速度较大，当撞击到锥形体时，能产生强大的动能；由于射流在纵向剖面速度存在差别，射流中心速度较快，而边界层速度较慢，其撞击到锥形体后会产生不同的效果，所以在底部设置可调节高度支架。
具体测试方法主要分为两类：分别是通过爆破片泄放和通过阀门泄放；
其中，通过爆破片泄放的实验又分为五个部分：
1. 在不添加微粒、不设置障碍物的情况下，确定1.7 m管道能够发生自燃并在管外形成喷射火焰的最低泄放压力；
2. 确定管外锥形障碍物的安装位置：由于高压气体离开管口后快速膨胀扩散，必须确定锥形障碍物的安装位置处的浓度为可燃气体的燃烧范围之内，使用稍低于第一步确定的最低泄放压力释放高压气体，保证其在管外未形成喷射火焰，通过在管外射流区域设置点火源来引燃可燃气体射流，不断调整点火源的位置，确定能够达到燃烧极限的位置，以便于锥形障碍物的安装；
3. 采用与第2部分相同的泄放压力，安装锥形障碍物，在管道内部添加金属微粒，并改变金属微粒的添加量进行多次试验，确定在某一添加量时，其在管外诱发放电能够发生自燃；
4. 采用与第2部分相同的泄放压力，在管内添加一定量的金属微粒，管外安装锥形障碍物，通过调整障碍物在射流中心线的位置，来研究在不同距离下，含金属微粒的高压可燃气体冲击障碍物后放电诱发自燃的特性。
5. 在第3部分确定的最利于放电的位置基础上，调整锥形障碍物的高度，研究在不同高度的情况下，含金属微粒的高压可燃气体的放电特性，由于高压气体在管外扩散膨胀，在射流中心线上浓度较大、速度较大，而在中心线两侧上速度和浓度逐渐衰减，通过调整高度来更为系统的研究高压可燃气体撞击锥形障碍物的放电特性。
对激波管实验的研究中发现，在不添加微粒的情况下，通过阀门释放，即使在较高的压力下也比较难以发生自燃，所以在进行通过阀门泄放的实验中，只进行上述的2-5部分。
测试流程：
由于高压气体具有较大的安全隐患，所以在实验时要严格执行操作流程，具体测试流程如下：
（1）按照实验要求，连接安装好设备管道，安装管外障碍物，并检查各部位对接是否牢固，保持各个阀门处于关闭状态，并检查控制系统是否能够正常运行。并安装管口静电传感器、压力传感器、高速摄像机以及纹影仪，并进行调试，保证其处于正常工作状态。一切正常之后，用氮气进行吹扫，清除管道内部以及罐内的氧气。
（2）在进行爆破片泄放实验时，要安装爆破片，并打开爆破片前的阀门。安装好之后，进行气密性检查，对高压罐内进行抽真空，当压力达到负压时，等待十几秒，观察压力是否会上升，以此来判定上游管路是否严格密封。
（3）确定准备工作完成后，打开示波器、摄像机以及纹影系统。人员远离设备，对管路进行远程控制，通过远程控制装置发送信号，气动阀A和气动阀B接受到信号开始工作。在进行第2部分的实验时，此时还要打开点火系统，点火能量保持在氢气的最小点火能之上，氢气进入高压罐内，管内压力逐步升高，当达到一定压力时爆破片发生破裂。如果采用阀门泄放的时候，当罐内压力升高到实验压力时，通过远程控制泄放阀门的开启。当示波器接收到信号的时候，触发高速摄像机、纹影仪以及静电传感器的开启，实时记录高压气流撞击到障碍物的压力波和火焰的发展以及金属微粒的放电过程。
（4）当爆破片破裂或阀门打开时，立即关闭上游气动阀A，并及时采用氮气进行吹扫，同时关闭测量系统，并对所收集的实验数据进行保存，准备下一次实验。
上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，包括气源、管路系统、吹扫泄放系统、抽真空系统、远程控制系统（28）和数采系统（29），所述气源包括可燃气瓶（1）和氮气气瓶（2）内充装的可燃气和氮气，所述管路系统包括高压罐（3）、气动阀A、气动阀B、气动阀C、进气管（5）以及下游管道（6），所述气动阀A和气动阀B分别设在可燃气瓶（1）和氮气气瓶（2）的出气管道上，所述可燃气瓶（1）和氮气气瓶（2）的出气口均与进气管（5）相连通，所述气动阀C设在高压罐（3）的下游，在气动阀C的下游设有爆破片夹持装置（7），在爆破片夹持装置（7）处添加金属微粒，所述金属微粒为三氧化二铁，在下游管道（6）的喷口外部设置金属的锥形障碍物（8），在下游管道（6）的喷口处安装管口静电传感器（9），在高压罐（3）上设有压力传感器（14），在锥形障碍物（8）的左右两侧分别设置一个静电探测环（11），在锥形障碍物（8）和静电探测环（11）底部设有可升降底座（12），在下游管道（6）的喷口位置设有高速摄像机（10），在锥形障碍物（8）位置设有纹影仪（13）。
2.如权利要求1所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述吹扫泄放系统包括氮气气瓶（2）、减压阀（15）、进气管（5）、气动球阀D以及放空管道，减压阀（15）设在氮气气瓶（2）的出气管路上，放空管道安装在高压罐（3）上，放空管道由气动球阀D控制开启。
3.如权利要求2所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述抽真空系统由真空泵（16）、排气口以及管线构成，所述抽真空系统通过管线与高压罐（3）相连通。
4.如权利要求3所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述远程控制系统由电路系统、信号发送器以及接收器组成，装置中所有的阀门均由远程控制系统控制；数采系统包括静电采集、压力采集、火焰图像采集以及纹影图像采集模块，其中，管口静电传感器（9）和压力传感器（14）与示波器相连。
5.如权利要求4所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述爆破片夹持装置（7）的两端为VCR金属面片密封接头，爆破片下游的密封元件为金属垫片（18），在金属垫片（18）与下游管道（6）之间设有塑料垫片（19）。
6.如权利要求5所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述锥形障碍物（8）从上至下依次为锥形体（21）、支架（22）和金属底座（23），所述金属底座（23）固定连接在可升降底座（12）上，在支架（22）中部设有陶瓷绝缘段（24）。
7.如权利要求6所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述静电探测环（11）的内层材料为铬铜合金，外层材料为不锈钢，在铬铜合金层（25）和不锈钢层（26）之间为陶瓷层（27）。
8.如权利要求7所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，所述管路系统均采用316L不锈钢制成，最高承压可达20 Mpa，其中高压罐（3）容积为3L，高压罐（3）上游进气口内径为0.015 m，下游出口直径为0.02 m，下游管道（6）长1.7 m，内径为0.02 m。
9.如权利要求8所述的障碍物影响卷吸颗粒可燃气体释放自燃的测试装置，其特征在于，气动阀C距高压罐（3）0.1 m、距爆破片夹持装置（7）处0.1 m。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112345898A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-02-09 | 西安西电变压器有限责任公司 | 一种含气泡绝缘油的击穿过程自触发观测系统 |
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2018
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