可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置制造方法及图纸

本发明专利技术可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，属于可燃气体爆炸安全技术领域，具体为氢气与空气预混气体爆炸过程中阻火和抑爆相关理论研究的实验装置，以及对阻火器阻火性能检测的装置。包括连接在可视化阻火系统两端的引爆段和保护段管道、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、火焰加速装置、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力和温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统。通过点火能和火焰加速装置调控进入阻火器时火焰传播速度，借助同步控制器和程序控制与数据采集系统实现点火、阻爆、抑爆的控制与数据采集，多角度评估阻火器的阻火性能和高频响应抑爆系统的抑爆效能。

【技术实现步骤摘要】
可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置
本专利技术属于可燃气体爆炸安全
，具体为氢气与空气预混气体爆炸过程中阻火及抑爆相关理论研究的实验装置，以及对阻火器阻火性能进行检测的装置。
技术介绍
上世纪中期，发达国家逐步开展氢能源产业研究。目前，我国氢能产业发展进入井喷期，氢气作为高活性清洁能源在工业生产中应用极为广泛，因其具有极易发生燃烧和爆炸的特性备受关注。氢气阻火器在氢气储罐和输送管道的工厂、城市管网系统、加氢站等重要装置设施上已获得了广泛应用，有效地阻止了氢气管道和储罐因回火引起的火灾爆炸的传播。氢气爆炸事故频繁发生，作为阻火和抑爆关键部件，氢气阻火器失效引发的爆炸事故可能会导致严重的人员伤亡和经济损失。因此，氢气阻火器及阻爆性能测试关键技术的研究，对于预防城市生命线和工业生产中氢气火灾爆炸事故具有重要的现实意义，同时研究成果对于不断丰富氢气阻火抑爆理论和技术具有重要的学术价值。氢气具有燃烧速度快、燃烧温度高、熄灭直径小、爆炸范围宽和爆炸威力大等特点，对其爆炸火焰阻止难度较大。国内在氢气管道内部阻爆燃理论方面研究较少，相关理论研究和测试技术发展缓慢，与欧美国家存在一定的差距，在氢气阻火器产品和性能要求等方面主要依赖于国外进口。同时，相比于国外标准，国内相关测试标准滞后，不能满足日益增长的氢能安全储运和使用要求。目前国内阻火器性能测试的专业型式试验机构和测试系统还有空缺，相关的性能测试方法尚不完善。多采用光敏传感器或火焰传感器探测火焰信号评判该阻火器的阻火性能，然而该方法易发生误判或响应不及时。此外，大部分检测装置和方法尚未有效测定火焰在阻火器内部传播的特性，对阻火芯阻火前、后的温度变化特性也未能有效测定，从而缺乏对阻火特性系统全面分析评判。对于测试中阻火失效情况也未采取有效的防护。因此，本专利技术提出了一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，包括分别连接在阻火器两端的引爆段管道和保护段管道。在引爆段管道安装循环配气系统，实现管道内部氢气预混气体的配制并保证气体浓度的均匀。内部安装点火系统和火焰加速装置，通过改变点火能和火焰湍流强度，实现进入阻火器时火焰传播速度的调控。管道壁面延轴向方向安装可视化钢化玻璃，以实现火焰传播速度的测定。在靠近阻火器前段按照《GBT13347-2010石油气体管道阻火器》要求布置火焰离子探针，通过安装于引爆段管道的火焰离子探针测定进入阻火器前段的火焰传播速度，通过安装于阻火芯内部的火焰离子探针测定火焰在阻火器内部的阻火距离。在阻火器前后端采用高强度可视化钢化玻璃视窗连接阻火芯，实现阻火器阻火效果的可视化观测。通过安装阻火芯上的金属表面温度传感器测定阻火过程中阻火芯的温升情况，从而获得阻火芯对氢气爆炸火焰的抑制效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤；通过高速摄像机、高速红外热成像仪、纹影仪等设备获取火焰传播速度、火焰温度分布以及爆炸流场结构等数据；采用高频压力传感器监测阻火器前后和抑爆前后的压降；通过在阻火器前后安装高频热电偶，系统定性定量地对阻火器前后温度特性以及内部火焰传播特性等进行监测分析；靠近阻火器端部安装火焰信号探测器并与惰性气体抑爆系统协同控制，对阻火失效火焰进行有效防护。同时，在末端安装泄爆装置，有效防护实验装置。通过程序化语言实现程序的控制与数据的采集。在上述实验方案中，配气管路均采用单向阀并连接小型阻火器，各项操作均采用自动化远程控制系统，增强测试平台的安全性。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本测试实验平台采用可视化钢化玻璃视窗并结合高速摄像机、高速红外热成像仪和高速纹影仪系统，可有效获取到爆炸火焰形态演变过程与流场温度分布，更为系统全面的分析阻火器阻火性能。与当前多利用光敏传感器或火焰传感器探测火焰光信号相比，本专利技术装置通过火焰离子探针检测爆炸反应中的自由基浓度可更为灵敏高效的识别火焰信号，防止误判和响应不及时等情况。通过安插在阻火芯内的火焰离子探针组可有效监测氢气爆炸火焰在阻火芯内部狭缝孔隙中的传播距离和传播特性，实现阻火性能的评判；通过深入阻火芯内部的金属表面温度传感器可精准监测阻火芯阻火介质的温度变化，获得阻火芯对氢气爆炸火焰的吸热效应和高温爆炸火焰对阻火芯的损伤程度。同时，安装在阻火器前后壳体上的高频B型热电偶测定阻火芯前后的火焰温度，结合阻火器后方可视化玻璃视窗内火焰形态和流场微观结构、火焰自由基浓度(火焰离子探针)和温度变化(高频B型热电偶)，多角度评估阻火器的阻火性能。在保护段管道，通过火焰信号探测器和温度热电偶的高温响应，判定阻火成功与否。利用同步控制器协同控制高频响应抑爆系统，喷出惰性抑制剂进行有效的抑制氢气爆炸火焰的传播；利用管道后火焰离子探针和高频压力传感器综合评价高频响应抑爆系统的抑爆效能，并结合保护段管道末端泄爆装置进行有效保护，全面增强氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置的安全性、准确性与全面性。附图说明图1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置；图2氢气浓度与火焰传播速度的对应关系；图3火焰离子探针安装结构及感应自由基浓度变化示意图。其中：1、引爆段管道；2、保护段管道；3、波纹阻火器；4、可调高压点火器；5、火焰加速装置；6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7和6-8、火焰离子探针；7-1、7-2和7-3、高频压力传感器；8-1、8-2和8-3、可视化钢化玻璃视窗；9-1和9-2、高频B型热电偶；10、金属表面温度传感器；11、高精度真空压力表；12、单向阀；13、空压机；14、循环配气仪；15、真空泵；16、泄爆装置；17、高精度压力表；18、高压抑制剂储罐；19、高压精细喷头；20、排气阀；21、同步控制器；22、程序控制与数据采集系统；23、高速摄像系统；24、高速红外热成像仪；25、高速纹影仪；26、电磁阀；27、火焰信号探测器。具体实施方式本实施适用于氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护，其结构如图所示，包括：引爆段管道1；保护段管道2；波纹阻火器3；可调高压点火器4；火焰加速装置5；火焰离子探针6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7和6-8；高频压力传感器7-1、7-2和7-3；可视化钢化玻璃视窗8-1、8-2和8-3；高频B型热电偶9-1和9-2；金属表面温度传感器10；高精度真空压力表11；单向阀12；空压机13；循环配气仪14；真空泵15；泄爆装置16；高精度压力表17；高压抑制剂储罐18；高压精细喷头19；排气阀20；同步控制器21；程序控制与数据采集系统22；高速摄像系统23；高速红外热成像仪24；高速纹影仪25；电磁阀26；火焰信号探测器27。下面结合附图对本专利技术创造的具体实施例做详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，包括：可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、同步控制器(21)、火焰加速装置(5)、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统(22)，以及空压机(13)和真空泵(15)。/n

【技术特征摘要】
1.可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，包括：可视化爆炸管道、可视化阻火系统、高频响应抑爆系统、氢气预混配气系统、同步控制器(21)、火焰加速装置(5)、阻火芯温度采集系统、狭缝火焰传播测试系统、高频压力采集系统、高频温度采集系统、火焰传播速度采集系统、爆炸流场结构与火焰形态采集系统、爆炸泄放装置、程序控制与数据采集系统(22)，以及空压机(13)和真空泵(15)。


2.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：可视化爆炸管道由可视化引爆段管道(1)和保护段管道(2)组成，引爆段管道(1)左端安装端面法兰密封，右端与连接波纹阻火器(3)的可视化钢化玻璃视窗(8-2)左侧端面法兰连接；保护段管道(2)右端安装爆炸泄放装置，左端与连接阻火器(3)的可视化钢化玻璃视窗(8-3)右侧端面法兰连接；引爆段管道(1)壁面沿轴向安装可视化钢化玻璃视窗(8-1)；
可调高压点火器(4)安装于引爆段管道(1)左侧端面法兰中心位置，点火端与法兰端面距离100mm；火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数，Palmer给出了计算火焰穿透阻火器时临界速度的经验公式，如下公式(1)所示，表明火焰进入阻火器的速度小于该速度时能够被有效阻火；同时，火焰传播速度与点火能量成二次函数关系，如下公式(2)-公式(5)所示；通过调节点火电压改变点火能量，进而改变火焰传播速度；



式中，K是可燃气体的热导率，n是阻火器单位面积通道数，Q是单位面积的气体火焰热量损失，Th为阻火器内气体火焰的平均温度，T0是阻火器温度，V是相对于未燃气体的火焰传播速度，v是沿着管道方向的气体速度，x0是在标准燃烧速度下火焰厚度，y是阻火器的厚度；
V＝A1W2+A2W+A3(2)
A1＝-0.0001lnX+0.0001(3)
A2＝0.118lnX-0.185(4)
A3＝40.31lnX-49.99(5)
式中，W为点火能，A1、A2和A3是与长径比有关的常数；X为管道的长径比；
可视化阻火系统由波纹阻火器(3)和可视化钢化玻璃视窗(8-2)、(8-3)组成，通过可视化钢化玻璃视窗(8-2)可实现进入阻火芯火焰传播速度的测定，通过可视化钢化玻璃视窗(8-3)可观测阻火成功与否；阻火器结构参数是影响阻火器阻火性能的关键因素，如公式(6)所示；通过更换波纹阻火器(3)，可实现阻火器结构参数影响阻火性能的研究，并获得波纹阻火器结构参数对阻火性能的影响规律及机理；



式中，P为压降损失，Re为夹缝通道内的雷诺数，l为阻火单元厚度，d为夹缝通道的水力直径，ρ为流体密度，V为流动速度。


3.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：高频响应抑爆系统由高精度压力表(17)、高压抑制剂储罐(18)、高压精细喷头(19)、电磁阀(26)、和火焰信号探测器(27)组成；火焰信号探测器(27)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)连接；高精度压力表(17)安装在高压抑制剂储罐(18)上、高压抑制剂储罐(18)通过电磁阀(26)与高压精细喷头(19)连接；高压精细喷头(19)伸入到保护段管道(2)内；当阻火失效时，同步控制器(21)接收到火焰信号探测器(27)快速响应的光电信号反馈至程序控制与数据采集系统(22)，使其联动控制电磁阀(26)开启，通过高压精细喷头(19)将高压抑制剂储罐(18)内储存的惰性抑制剂均匀喷洒并作用于火焰，实现爆炸火焰抑制；
氢气预混配气系统由循环配气仪(14)、单向阀(12)和真空泵(15)组成；循环配气仪(14)的一端通过单向阀(12)与引爆段管道(1)连接；循环配气仪(14)的另一端分别连接高压氢气瓶和高压空气瓶；真空泵(15)将爆炸管道内部抽至真空状态，真空度0.095MPa；调控循环配气仪(14)实现爆炸管道内部氢气与空气均匀混合并调控氢气与空气的配比；火焰传播速度是影响阻火器阻火性能的关键参数，通过调节氢气浓度改变火焰传播速度，氢气浓度与火焰传播速度的对应关系如图2所示；通过阻火器对不同火焰传播速度的阻火性能测试，分析评价阻火性能；
火焰加速装置(5)由沿着引爆段管道(1)轴向安装并周向分布的四根金属支杆，L＝1000mm，d＝5mm和安装其上的金属圆形挡板，d＝10mm；δ＝3mm组成，安装在引爆段管道(1)的可调高能点火器(4)引燃氢气预混气体后，火焰沿引爆段管道(1)轴向方向传播；在通过金属圆形挡板后将发生湍流扰动并增大火焰面积，进而改变火焰传播速度；通过改变金属圆形挡板的数量和尺寸改变火焰传播速度，可实现火焰传播速度的调控。


4.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：阻火芯温度采集系统由金属表面温度传感器(10)、同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成，金属表面温度传感器(10)安装于波纹阻火器(3)的阻火芯狭缝通道内表面，采集火焰通过阻火芯后的温度值，并将相应信号反馈至程序控制与数据采集系统(22)进行数据保存；用于分析评估阻火芯材质的吸热与阻火性能，以及氢气爆炸火焰对阻火芯的损伤评判。


5.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：狭缝火焰传播测试系统由火焰离子探针(6-5)、(6-6)和(6-7)，同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成，火焰离子探针(6-5)、(6-6)和(6-7)沿着波纹阻火器(3)轴向方向安装于阻火芯壁面，其探针伸入到波纹狭缝孔隙内部，可有效感应氢气爆炸火焰自由基浓度变化，如图3所示；实现爆炸火焰在波纹阻火器狭缝孔道内传播长度，即火焰淬熄长度的测定，对波纹阻火器阻火性能进行分析与评判。


6.根据权利要求1可视化氢气爆炸波纹阻火器阻火性能测试与检测防护装置，其特征在于：高频压力采集系统由高频压力传感器(7-1)、(7-2)和(7-3)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；高频压力传感器(7-1)安装于波纹阻火器(3)前段200±50mm处，通过同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)，测量氢气爆炸火焰进入波纹阻火器前的爆炸超压；高频压力传感器(7-2)安装于波纹阻火器(3)后段200±50mm处，用于测量氢气爆炸火焰通过阻火器后的压降；高频压力传感器(7-3)安装于保护段管道(2)高压精细喷头(19)后方并测定其爆炸压力，评判高频响应抑爆系统对阻火失效的氢气爆炸火焰的抑制效果；
高频温度采集系统由高速红外热成像仪(24)、高频B型热电偶(9-1)、(9-2)与同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)组成；高速红外热成像仪(24)可宏观测定氢气爆炸火焰在引爆段管道(1)和波纹阻火器(3)中可视化钢化玻璃视窗(8-1)、(8-2)和(8-3)的火焰温度；高频B型热电偶(9-1)和(9-2)分别安装于阻火器前后端可视化钢化玻璃视窗上，通过同步控制器(21)和程序控制与数据采集系统(22)对阻火器阻火前后火焰温度变化进行监...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹兴岩，林晨迪，王志荣，郭品坤，孙培培，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32