高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置及其试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，包括气源系统、高压储气系统、稳压系统、下游管道、燃烧器50、安全防护系统、数据采集系统和火焰特性表征扩展模块。确定燃烧器喷口处气体临界压力比的前提下，根据喷口处压力和温度，建立压力和温度定量关系式，推算出喷口处的流速大小。优点：1）可用于研究复杂条件下高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火的复杂动力学过程，并能对喷口流速、喷射火几何特性、喷射火危害半径等进行准确预测。2）整套装置基于PLC全自动控制，便于操作、控制，安全防护性能强，另具有很好的扩展性，可以根据需求自行改变环境影响因素以及扩充测量和记录装置，进行多因素耦合作用下扩散射流火焰机理的研究。

Test Device and Test Method for Jet Fire Formation by Leakage and Ignition of High Pressure Gas Pipeline

The invention relates to a high-pressure gas pipeline leak ignition spray fire test device, which includes gas source system, high-pressure gas storage system, pressure stabilization system, downstream pipeline, burner 50, safety protection system, data acquisition system and flame characterization expansion module. On the premise of determining the critical pressure ratio of gas at the burner nozzle, the quantitative relationship between pressure and temperature is established according to the pressure and temperature at the nozzle, and the velocity at the nozzle is calculated. Advantages: 1) It can be used to study the complex dynamic process of high pressure gas pipeline leak ignition forming jet fire under complex conditions, and can accurately predict the nozzle flow rate, geometric characteristics of jet fire and the radius of jet fire hazard. 2) The whole set of device is based on full-automatic control of PLC, which is easy to operate and control, has strong safety and protection performance, and has good expansibility. It can change the environmental impact factors and expand the measuring and recording device according to the demand, and study the mechanism of diffusive jet flame under multi-factor coupling.

【技术实现步骤摘要】
高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置及其试验方法
本专利技术是一种高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置及其试验方法，属于气体长距离储运

技术介绍
燃气高压长输管线是解决经济发展中能源问题的重要方式之一，而燃气管道在运行过程中由于材料缺陷、人为破坏和腐蚀等原因可能发生泄漏，气体在裂口处被点燃则形成喷射火，造成严重的人员伤亡和财产损失。目前国内外对燃气管道泄漏导致的喷射火焰燃烧行为特征还没有形成系统的研究成果。已有的研究主要涉及火焰形态特征、火焰温度分布特征、火焰辐射强度和火焰的推举吹熄行为等，且多数停留在喷口速度为亚音速的流动情况。事实上，大多数储罐和管道内燃料源（绝对）压力大于0.19Mpa，导致泄漏处的可燃气体速度达到音速。目前，国内针对高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火焰燃烧行为特征的试验研究还相当少，而且多采取理论建模和仿真分析的方法计算和评估喷射火几何特性以及热辐射危害区域。由于高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火的过程受多种因素影响，包括泄漏口形状和尺寸、泄漏口角度、管径、管道压力和流量、泄漏口外障碍物、风速和风向等，因此十分有必要开展针对复杂条件下高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火焰规律的试验研究，发展泄漏口流速涵盖亚音速和音速范围的测量技术和计算方法，建立喷射火焰几何特性的定量模型，不仅可以揭示喷射火焰在复杂条件下的燃烧行为特性，完善相关的射流火焰理论模型，并为发展燃气输送与储运技术、完善相关安全标准和规范提供理论和数据支持。当燃气管道储存的可燃气体发生泄漏时，则形成喷射射流。若在泄漏口处被点燃，此时会形成喷射火。喷射火焰燃烧稳定，火焰长度可达数十米，火焰热量相对集中，因此极易导致邻近目标单元失效破坏进而引发多米诺效应。目前，国内针对燃气管道泄漏点燃形成喷射火的试验研究局限于小尺度下的亚音速射流点火装置，不能模拟真实火灾场景。而通过大尺度相似实验模拟高压燃气管道不同模拟工况条件下的泄漏及燃烧过程在国内尚属空白。中国专利CN103791238A公开了一种燃气管道介质泄漏特性测量的实验装置，综合考虑多种管道泄漏影响因素，如泄漏部位、泄漏口形状和尺寸等，但该装置未考虑易燃易爆物料泄漏后会进一步导致次生喷射火等灾害，故在此实验装置的基础上无法开展针对泄漏后引发的喷射火行为的试验研究，且泄漏气体在泄漏试件中是亚音速流动，导致无法准确预测喷口处物料状态参数变化以及形成喷射火后的火焰形态和辐射热流。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置及其试验方法，其目的在于针对现有技术的缺陷，提出一种喷射火试验装置及方法，可用于研究复杂条件下（包括泄漏口形状和尺寸、泄漏口角度、管径、管道压力和流量、泄漏口外障碍物、风速和风向等）下高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火的复杂动力学过程，并能对喷口流速、喷射火几何特性、喷射火危害半径等进行准确预测。本专利技术的技术解决方案：高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，包括气源系统、高压储气系统、稳压系统、下游管道、燃烧器50、安全防护系统、数据采集系统和火焰特性表征扩展模块；所述气源系统包括试验气体气瓶1、氮气气瓶2和主管道11，试验气体气瓶1和氮气气瓶2与主管道11连接；所述高压储气系统包括燃气缓存罐12，燃气缓存罐12通过电磁阀和法兰与气源系统中的主管道11连接，燃气缓存罐12通过法兰和闸阀与稳压系统连接，燃气缓存罐12通过法兰与下游管道前段连接，下游管道末端通过金属软管49与燃烧器50连接，所述燃烧器50的喷口55可替换，所述安全防护系统包括安装在燃烧器50喷口处的电子点火装置53和火焰检测装置54，电子点火装置53和火焰检测装置54连锁下游管道系统中的第一切断阀44和第二切断阀45，保证管道系统运行安全；所述数据采集系统包括安装在燃烧器50喷口处的温度和压力采集装置，用于记录喷口处温度、压力信号变化；所述火焰特性表征扩展模块布置在火场四周。所述PLC系统包括编程控制器，所述编程控制器信号输入输出口分别连接第一压力变送器6、第二压力变送器20、第三压力变送器51以及火焰检测装置54的信号输出输入口，并对高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置内的电磁阀、调节阀和切断阀输出执行信号。其试验方法包括：1）检查管路连接部件，调整燃烧器角度；2）进行气密性试验；3）对试验气体气瓶进行加压操作，对水浴温度进行监测；4）打开试验气体气瓶阀门，高压可燃性气体经主管道进入燃气缓存罐；5）开启给水泵，水流进入燃气缓存罐；6）调节给水泵流量；7）当缓存罐内压力升高，达到稳压水容积的高水位时，给水泵自动停止运行，当缓存罐内压力降低，达到稳压水容积的低水位时，给水泵自动开启，将稳压水容积提升到最高水位，如此循环保持缓存罐内压力稳定；8）燃烧器流量通过流量计和调节阀组成的计量阀门进行调节；9）缓慢开启流量计调节阀至25%进行点火，在设定时间内采用间歇式点火，当火焰检测装置检测到点火器的燃烧状态，一切正常，若没有检测到火焰信号，则检测装置通知控制单元连锁双切断阀关闭，并发出报警信号；电子点火装置在正常工作中，如遇意外熄火情况，重新设定点火；10）点火成功后，温度和压力变送器分别检测燃气喷口处温度和压力信号，在喷口面积为的条件下，模拟实际泄漏过程，通过上述计算方法得到燃气在喷口处的流速或质量流量；11）启动测量设备对射流火焰相关实验现象进行记录，采用高速数码摄像机和红外热像仪对喷射火火焰几何特征和火焰温度场进行测量，垂直火焰方向，包含整个火焰轮廓进行布置即可。12）试验结束后，关闭流量计调节阀，调节阀显示归零，切断进气，并打开氮气瓶开关阀门和相邻电磁阀向装置内通入氮气，进行15-30min吹扫；13）排空缓存罐内液体，关闭所有阀门，切断电控箱和上位电源。喷口流速推算方法，是在确定燃烧器喷口处气体临界压力比的前提下，根据喷口处压力和温度，建立压力和温度定量关系式，从而推算出喷口处的流速大小。本专利技术的有益效果：1）提供了一种进行复杂条件下高压燃气管道泄漏点然形成大尺度喷射火试验的装置，能准确模拟泄漏口流速涵盖亚音速和音速范围的流动情况，并能对高压燃气泄漏时射流火焰形成发展过程进行记录；2）通过在燃烧器喷口处设置的温度和压力传感器记录数据可以实时、准确推算一定释放压力条件下喷口处气体动力学特征；3）通过建立水力系统，增强管道内压力稳定效果，能形成持续稳定喷射火焰；4）装置基于PLC可全自动控制各管道阀门气路的动作，且含有安全保护装置，包含防护装具以及系统内的自动联锁装置，便于操作、控制，安全防护性能强；5）装置系统扩展性强，通过在火场四周布置热电偶树、热流传感器、高速数码摄像机、红外热像仪等测量设备，可系统记录和分析喷射火焰燃烧特性（火焰推举与吹熄）、形态特征（火焰长度、火焰宽度、火焰面积、火焰迹线）、温度和热辐射特性（火焰热流分布、火焰发射率）等；6）进一步地通过人为改变泄漏条件（如喷口大小和方向、初始释放压力和温度、泄漏量等）以及外部环境（环境风速、障碍物等），可揭示复杂环境下不同泄漏模式（亚音速和音速）状态参数（温度、压力）和流动参数（流量）对喷射火燃烧特性、温度分布、形态特征、热辐射特性的影；7）装置可为高压燃气管道泄漏形成喷射火灾害的预防和扑救提供可靠的科学依据，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是包括气源系统、高压储气系统、稳压系统、下游管道、燃烧器（50）、安全防护系统、数据采集系统、火焰特性表征扩展模块和PLC系统；所述气源系统包括试验气体气瓶（1）、氮气气瓶（2）和主管道（11），试验气体气瓶（1）和氮气气瓶（2）与主管道（11）连接；所述高压储气系统包括燃气缓存罐（12），燃气缓存罐（12）通过电磁阀和法兰与气源系统中的主管道（11）连接，燃气缓存罐（12）通过法兰和闸阀与稳压系统连接，燃气缓存罐（12）通过法兰与下游管道前段连接，下游管道末端通过金属软管（49）与燃烧器（50）连接，所述燃烧器（50）的喷口（55）可替换，所述安全防护系统包括安装在燃烧器（50喷口处的电子点火装置（53）和火焰检测装置（54），电子点火装置（53）和火焰检测装置（54）连锁下游管道系统中的第一切断阀（44）和第二切断阀（45），保证管道系统运行安全；所述数据采集系统包括安装在燃烧器（50）喷口处的第四压力变送器（51）和第二温度变送器（52），用于记录喷口处温度、压力信号变化；所述火焰特性表征扩展模块布置在火场四周；所述PLC系统包括编程控制器，所述编程控制器信号输入输出口分别连接第一压力变送器（6）、第二压力变送器（20）、第三压力变送器（51）以及火焰检测装置（54）的信号输出输入口，并对高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置内的电磁阀、调节阀和切断阀输出执行信号。...

【技术特征摘要】
1.高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是包括气源系统、高压储气系统、稳压系统、下游管道、燃烧器（50）、安全防护系统、数据采集系统、火焰特性表征扩展模块和PLC系统；所述气源系统包括试验气体气瓶（1）、氮气气瓶（2）和主管道（11），试验气体气瓶（1）和氮气气瓶（2）与主管道（11）连接；所述高压储气系统包括燃气缓存罐（12），燃气缓存罐（12）通过电磁阀和法兰与气源系统中的主管道（11）连接，燃气缓存罐（12）通过法兰和闸阀与稳压系统连接，燃气缓存罐（12）通过法兰与下游管道前段连接，下游管道末端通过金属软管（49）与燃烧器（50）连接，所述燃烧器（50）的喷口（55）可替换，所述安全防护系统包括安装在燃烧器（50喷口处的电子点火装置（53）和火焰检测装置（54），电子点火装置（53）和火焰检测装置（54）连锁下游管道系统中的第一切断阀（44）和第二切断阀（45），保证管道系统运行安全；所述数据采集系统包括安装在燃烧器（50）喷口处的第四压力变送器（51）和第二温度变送器（52），用于记录喷口处温度、压力信号变化；所述火焰特性表征扩展模块布置在火场四周；所述PLC系统包括编程控制器，所述编程控制器信号输入输出口分别连接第一压力变送器（6）、第二压力变送器（20）、第三压力变送器（51）以及火焰检测装置（54）的信号输出输入口，并对高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置内的电磁阀、调节阀和切断阀输出执行信号。2.根据权利要求1所述的高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是所述气源系统包括试验气体气瓶（1）、氮气气瓶（2）、水浴加热装置（3）、第一温度变送器（4）、第一截止阀（5）、第一压力变送器（6）、第一常闭闸阀（7）、第一管帽（8）、第一电磁阀（9）、第二电磁阀（10）和主管道（11）；其中，主管道（11）前端设有第一电磁阀（9）、第二电磁阀（10），试验气体气瓶（1）通过水浴加热装置（3）调温调压后与第一电磁阀（9）相连，氮气气瓶（2）与第二电磁阀（10）相连，主管道（11）末端连接有第一常闭闸阀（7）和第一管帽（8），用于排放装置内气体；水浴加热装置（3）上安装有第一温度变送器（4），用于检测试验气体气瓶（1）内温度变化；主管道（11）上安装有第一截止阀（5）和第一压力变送器（6），压力变送器（6）用来检测管道内压力变化。3.根据权利要求1所述的高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是所述高压储气系统包括燃气缓存罐（12）、法兰盖（15）、第一安全阀（17）、第二压力变送器（20）、第二常闭闸阀（22）和第二管帽（23），通过第三电磁阀（13）和第一法兰（14）与主管道（11）相连，燃气缓存罐（12）上端安装有法兰盖（15），燃气缓存罐（12）通过第二法兰（16）连接第一安全阀（17），通过第三法兰（18）和第二截止阀（19）连接第二压力变送器（20），第二压力变送器（20）检测燃气缓存罐（12）内压力变化，第一安全阀（17）保障燃气缓存罐（12）内压力不超过规定值；燃气缓存罐（12）底端通过第四法兰（21）连接第二常闭闸阀（22）和第二管帽（23），第二常闭闸阀（22）和第二管帽（23）用于排放燃气缓存罐（12）内液体。4.根据权利要求1所述的高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是所述稳压系统即为通过旁路管道进行稳定流动控制，包括第五法兰（24）、第六法兰（25）、第七法兰（26）、第八法兰（27）、第九法兰（28）、第一闸阀（29）、第二闸阀（30）、第二安全阀（31）、第一调节阀（32）、第一流量计（33）、第二流量计（34）、第三压力变送器（35）、止回阀（36）、给水泵（37）、储水槽（38）、第三常闭闸阀（39）和第三管帽（40）；给水泵（37）入口与储水槽（38）通过第七法兰（26）、第八法兰（27）和第二闸阀（30）连接；储水槽（38）下端安装有通过第九法兰（28）相连的第三常闭闸阀（39）和第三管帽（40），第三常闭闸阀（39）和第三管帽（40）用于排放储水槽（38）内液体；给出泵（37）出口依次安装第六法兰（25）、止回阀（36）、第三压力变送器（35）、第一流量计（33）、第一调节阀（32）；第一调节阀出口分成三路支路，其中，A支路通过第一闸阀（29）和第五法兰（24）连接燃气缓存罐（12）；B、C支路分别与储水槽（38）形成连通的水流循环回路，其中，B支路直接返回至储水槽（38），主要用于水泵机组的安全检测；C支路通过第二流量计（34）返回至储水槽（38），通过控制支路流量平衡，从而使燃气缓存罐（12）内压力达到稳定；A、B支路同时与第二安全阀（31）相连，通过泄放管道内超出部分的压力，保证管道安全。5.根据权利要求1所述的高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是所述下游管道通过第十法兰（41）与燃气缓存罐实现连接；下游管道上依次设置有第四电磁阀（42）、第四常闭闸阀（43）、第一切断阀（44）、第二切断阀（45）、第五电磁阀（46）、第二调节阀（47）、第三流量计（48）；下游管道末端通过金属软管（49）与燃烧器（50）连接，可在0~90°范围内任意调整燃烧器（50）喷口角度。6.根据权利要求1所述的高压燃气管道泄漏点燃形成喷射火试验装置，其特征是所述安全防护系统包括安装在燃烧器（50）的喷口（55）处的电子点火装置（53）和火焰检测装置（54），电子点火装置（53）和火焰检测装置（54）连锁下游管道系统中的第一切断阀（44）和第二切断阀（45），当燃烧器（50）或自动点火装置（53）意外停止工作时，打开第四常闭闸阀（43），关闭第一切断阀（44）、第二切断阀（45）阀门，燃气自动放空，保证管道系统运行安全。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋军成，王振华，尤飞，周魁斌，张毅，李仁金，皇甫文豪，秦晓乐，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32