一種重氣洩漏擴散模擬及抑制控制試驗系統的製作方法

2024-04-02 15:48:05

本發明屬於安全技術領域具體，具體涉及一種重氣洩漏擴散模擬及抑制控制試驗系統。

背景技術：

重氣諸如二氧化碳、液化天然氣(LNG)等，因其特殊用途得到廣泛應用，增長迅速。但這種氣體發生洩漏，蒸氣沿地表擴散，會造成一定的危害，甚至引發爆炸。研究重氣擴散特點以及如何抑制洩漏擴散影響範圍，降低危害後果，控制洩漏擴散風險，成為保障安全的關鍵問題之一。

根據對國內外現行的重氣洩漏擴散研究裝置的調研發現，國內外研究在重氣洩漏擴散研究還遠遠不夠。所涉及的國內外主要的專利有以下幾項。

中國專利CN104297424A公開了一種重氣洩漏水幕抑制實驗方法，實驗裝置包括洩放系統、水幕系統、數據採集系統及控制系統，其中洩放系統包括重氣儲罐、重氣洩放罐、惰性氣體氣瓶、洩放噴頭；水幕系統包括水輸入管線、水幕噴嘴；所述數據採集系統包括信號處理器、熱電偶、甲烷濃度檢測儀、風速儀、溼度計、高速攝像機；重氣儲罐通過管線與重氣洩放罐相連，重氣洩放罐通過洩放管線與洩放噴頭相連，水輸入管線一端設有水幕噴嘴，水幕區域內設有監測點陣列，所述監測點通過數據線與數據採集系統相連，數據採集系統通過數據線與控制系統相連。該套實驗裝置用於進行重氣洩漏水幕抑制實驗。

中國專利CN104318623A涉及一種重氣接收站洩漏及燃爆事故模擬展示方法，主要解決現有技術中沒有考慮重氣接收站複雜環境因素對擴散爆炸的影響、沒有進行嚴格的模擬計算的問題。該發明通過採用一種重氣接收站洩漏及燃爆事故模擬展示方法，用戶通過登錄重氣接收站洩漏及燃爆事故模擬展示平臺，查看不同事故場景下重氣洩漏擴散及爆炸影響範圍，根據對事故的判斷及模擬展示結果，規劃合理的逃生路線；所述重氣接收站洩漏及燃爆事故模擬展示平臺包括重氣接收站三維模型、可信的重氣接收站洩漏及燃爆事故場景、基於CFD計算的洩漏及燃爆計算結果、觸控螢幕的技術方案較好地解決了上述問題，可用於重氣接收站洩漏及燃爆事故模擬展示中。

中國專利CN104989956A一種撬裝式重氣站場重氣洩漏擴散抑制應急裝備，包括可移動式撬裝底座，可移動式撬裝底座上設置有泡沫混合液桶和氮氣鋼瓶，氮氣鋼瓶和泡沫混合液桶通過氮氣輸送管路相連，泡沫混合液桶上方設置有高倍數泡沫發生器，泡沫混合液桶通過泡沫混合液輸送管與高倍數泡沫發生器連通，高倍數泡沫發生器的後端安裝有防爆鼓風機，防爆鼓風機與移動電源相連，移動電源設置在可移動式撬裝底座上。本發明可應用於重氣加氣站、重氣接收站、液化工廠、重氣調峰站、液化石油氣等場所，在重氣站場發生大面積洩漏後可立即投入使用，產生高倍數泡沫以抑制重氣液池中蒸氣雲的蒸發擴散，降低蒸發率，避免造成更嚴重的次生災害。

中國專利CN102879305A重氣洩漏擴散和池火燃燒模擬實驗平臺及其實驗方法，包括由重氣儲罐、絕熱管道、實驗裝置、防爆隔離牆組成的實驗系統；由電子天平、點火系統、甲烷濃度檢測儀、熱電偶樹、數據採集器、攝像機組成的測試系統和由PLC控制系統、各類顯示儀表和控制閥門組成的控制系統。通過對可換裝表面材料和調整角度的重氣表面蔓延實驗裝置的設計，可進行重氣在不同物質表面和流淌速度下蔓延、氣化擴散的實驗模擬；配合點火系統和甲烷濃度檢測儀，實現重氣氣雲濃度變化監測以及氣雲點火，並自動進行數據和圖像採集。該平臺具有實驗時間短費用低，實驗效率高等優點。採用本設計實驗步驟少且在嚴格監測和控制下保障實驗安全，操作簡便，實驗可重複性高。

以上專利技術，均對重氣洩漏擴散進行了研究和設計。以上各專利，在應用於控制重氣洩漏擴散危害技術研究時存在以下問題：

(1)以上各專利均可對重氣洩漏擴散氣雲分布、爆炸燃燒特性進行研究，但並不能有效控制自然環境條件，模擬不同的自然環境。

(2)以上專利主要用於研究單一情況下重氣洩漏擴散，沒有形成通用小型實驗平臺，可對不同抑制應急技術下重氣洩漏擴散特性以及作用機理進行模擬研究。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術存在的無重氣洩漏擴散及控制研究小型實驗平臺且無保證環境參數穩定問題，提出了一種重氣洩漏擴散模擬及抑制控制試驗系統，本發明可模擬各類重氣洩漏擴散實驗，具有多變量可單獨控制、可遠程控制、數據自動採集、實驗時間短、實驗可重複性高、費用低、安全性高的優點。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種重氣洩漏擴散模擬及抑制控制試驗系統，包括實驗風洞、重氣加注與回收機構、抑制控制單元以及數據採集單元，所述重氣加注與回收機構向實驗風洞內加注重氣，並回收低溫液體，所述實驗風洞內設置有自然環境模擬單元，以調節實驗風洞內的自然環境參數，注入的重氣在實驗風洞內經過抑制控制單元進行的水幕控制測試、高倍泡沫控制測試和/或障礙物測試後，其控制效果經設置在實驗風洞下遊的監測點陣列獲得，通過數據採集單元進行採集與保存。

優選的，所述重氣加注與回收機構，包括重氣儲罐、低溫液體洩漏收集池和低溫液體回收罐，所述重氣儲罐設置有出口管路連通實驗風洞，向其洩露重氣，低溫液體洩漏收集池設置於實驗風洞的下端，用於回收低溫液體，回收的低溫液體經過管線流入低溫液體回收罐內。

優選的，所述重氣儲罐上設置有流量計、壓力表和/或液位計，以測量重氣儲罐的狀態、重氣洩漏量。

優選的，所述低溫液體洩漏收集池底部設置有加熱器，所述加熱器下方設置有質量天平，以測量重氣蒸發率。

優選的，所述抑制控制單元，包括設置於實驗風洞內的泡沫控制測試模塊、水幕控制測試模塊和障礙物控制模塊，所述泡沫控制測試模塊具體包括泡沫發生器，經高倍泡沫發生器產生的高倍泡沫經發泡筒引入實驗風洞，以模擬測試泡沫控制過程；

所述水幕控制測試模塊，包括供水管線和水幕噴頭，所述水幕噴頭設置於實驗風洞的頂部，向實驗風洞內噴射水幕，以模擬測試水幕控制過程；

所述障礙物控制模塊，包括設置於實驗風洞的障礙物，以模擬測試障礙物控制過程。

當然，所述抑制控制單元的測試模塊可以在測試時一起投入使用，也可以針對具體情況進行組合使用或單獨投入使用，這種簡單的組合和替換是本領域技術人員能夠根據本發明的工作原理直接得到的，理應屬於本發明的保護範圍。

其次，所述障礙物的形式可以為多種，如圍堰、高牆等，且其可以根據具體的測試環節或是否需要測試障礙物控制效果設計成可升降結構、位置可變或可拆卸結構，如可升降的高牆結構，或者實驗風洞內設置活動固定機構與其相配合，以達到靈活組裝、拆卸的效果，這些改進或變動均為本領域技術人員能夠容易想到的，理應屬於本發明的保護範圍。

另外，所述泡沫發生器的泡沫液、泡沫液流量壓力、引風量、噴頭和濾網形式，可以根據待模擬的泡沫控制具體狀況進行調整，以製造出不同的發泡倍數、破裂率、尺寸、覆蓋性能的高倍泡沫，這種選擇與替換是本領域技術人員在本發明的工作原理啟示下容易想到的。

優選的，所述自然環境模擬單元，包括設置於實驗風洞內的溫度調節器、溼度調節器、輻射調節器和/或風速調節器，以構造不同溫度、溼度、風速或輻射情況下的自然環境。

所述溫度調節器為加熱器或製冷設備，以實現調節溫度的作用。

所述溼度調節器為加溼器等設備。

所述輻射調節器為輻射板等設備。

所述風速調節器為變頻風機等設備。

當然，上述設備均可以根據實驗風洞的具體大小、形狀和待模擬的情況、參數要求進行靈活替換，該替換為本領域技術人員容易想到的。

進一步的，所述的實驗風洞測試段截面為矩形，便於實驗裝置的安裝；測試段透明，便於實驗現象的觀察與數據記錄；測試段帶旋轉升降平臺，可以對液池位置進行高度、相對角度調整。

當然，本領域技術人員完全能夠在本發明的基礎上，將實驗風洞的具體形狀、尺寸、長度等參數進行調整，屬於簡單替換。

優選的，所述實驗風洞的頂部設計為浮頂，以模擬不同種類重氣在大氣近地面邊界層中的蒸發擴散。

優選的，所述監測點的數量、排列方式可調，且監測點設置有熱電偶、氣體濃度檢測儀，各個監測點的檢測信號匯集到信號處理器進行數據的記錄並保存，並連接到控制終端，實時顯示各監測點物理參數的變化。

優選的，所述監測點處還設置有圖像採集模塊、溼度計、溫度計、風速儀或/和溫度計，以記錄採集實驗影像資料和氣象數據，並將其採集的數據通過數據採集單元傳輸給控制終端。

優選的，高倍泡沫施加到低溫液體上形成冰凍層，通過電鋸將重氣冰凍層提取，通過常壓水解法得到冰凍層含氣量，而後抽取氣體通過色譜儀分析氣體組分。

優選的，各路管線上均設置有調節閥門。

優選的，所述控制終端控制該試驗系統的各個傳感器和測試儀，以對其數據進行智能調節和控制。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

1、本發明的適用範圍廣泛，可用來進行多種情況或環境下的模擬研究，具體包括：

(1)重氣在不同自然環境下洩漏擴散

不同自然環境(溫度、溼度、輻射、風速)下重氣洩漏後蒸氣濃度與分布不同，本裝置溫度、溼度、輻射、風速可控，在自然環境和抑制手段不同時，通過通用實驗風洞系統的可視段對重氣、低溫液體氣化過程產生的氣雲圖像進行觀察，通過測量系統和數據採集及處理系統對實驗數據進行分析，即可對不同自然環境下重氣洩漏擴散行為進行研究。

(2)高倍泡沫控制重氣洩漏擴散危害原理

調節影響泡沫性能的重要參數，分析不同性能高倍泡沫與洩漏源、重氣之間的交互作用，記錄描述現象，測量相關參數，追蹤物質能量去向，進行機理研究，建立數值模擬，實現標準建立、設計優化。

(3)水幕控制重氣洩漏擴散危害原理

調節影響水幕性能的重要參數，分析不同性能水幕與洩漏源、重氣之間的交互作用，記錄描述現象，測量相關參數，追蹤物質能量去向，進行機理研究，建立數值模擬，實現標準建立、設計優化。

(4)障礙物抑制重氣洩漏擴散危害原理

改變障礙物形狀、尺寸、位置，分析不同障礙物與洩漏源、重氣之間的交互作用，記錄描述現象，測量相關參數，追蹤物質能量去向，進行機理研究，建立數值模擬，實現標準建立、設計優化。

2、本發明通過同一個通用風洞實驗系統對各種洩漏形狀尺寸位置、自然環境、地形、控制技術情況下重氣的洩漏擴散進行可控、量化模擬實驗，且通過氧氣濃度傳感器實現不同被檢測物質的測量，節約了研究成本；

3、本發明通過通用風洞實驗系統透明矩形試驗段可對重氣氣化過程產生的氣雲分布情況、各個抑制技術施加過程以及施加後現象進行觀察，通過測量系統和數據採集及處理系統對實驗數據進行分析；

4、該裝置中通過通用風洞實驗系統將重氣控制在固定可控空間內，剩餘重氣、洩漏源回收控制排放，大大提高安全性，由可移動監測點陣列將無色氣雲可視化，得到重氣洩漏源下遊氣雲的溫度、濃度與分布；

5、本發明實現了對細微現象的觀察與數據提取，如冰凍層、加速氣化現象；本裝置中所述的通用實驗風洞系統帶旋轉升降平臺，可以對洩漏源位置進行靈活方便的高度、相對角度調整。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明的結構示意圖；

其中：1-風洞；2-重氣儲罐；3-低溫液體洩漏收集池；4-低溫液體回收罐；5-水幕噴頭伸入孔洞；6-發泡筒伸入孔洞；7-質量天平；8-溼度調節器；9-溫度調節器；10-輻射調節器；11-風速調節器；12-輔助加熱器；13-水幕水管線；14-重氣加注管線；15-低溫液體回收管線；16-重氣放空管線；17-色譜儀；18-重氣加注閥門；19-重氣加注流量計；20-低溫液體回收閥門；21-重氣放空閥門；22-風速儀；23-溼度儀；24-高速攝像機；25-普通攝像機；26-洩漏下遊監測點陣列；27-液位計；28-儲罐壓力表；29-刻度尺；30-監測點陣列；31-溼度控制信號；32-溫度控制信號信號；33-輻射控制信號；34-風速控制信號信號；35-洩漏地形控制信號；36-蒸發率接收信號；37-監測點陣列接收信號；38-風速接收信號；39-溼度接收信號；40-高速圖像接收信號；41-普通圖像接收信號；42-控制終端。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如附圖1所示，一種重氣洩漏擴散及控制研究實驗平臺，包括通用實驗風洞系統、重氣加注與回收系統、控制技術測試實驗系統、輔助加熱系統、數據採集與處理系統。本發明模擬分析LNG在不同洩漏尺寸形狀位置、溫度、溼度、風速、輻射以及主動與被動控制技術(障礙物(圍堰、高牆)、水幕、高倍泡沫)下影響蒸發率以及洩漏擴散蒸氣溫度、濃度與分布的關鍵因素、影響程度，微小細節的觀察提取分析(諸如泡沫破裂過程)，追蹤物質能量去向，進行機理研究，建立數值模擬。

當然重氣的成分可以為其他，如二氧化碳。

所述重氣加注與回收系統包括重氣儲罐2、低溫液體洩漏收集池3、低溫液體回收罐4、加注管14、回收管15；所述控制技術測試實驗系統包括高倍泡沫控制測試部分、水幕控制測試部分、障礙物控制部分，在本裝置中只預留出各個控制測試部分的孔洞，實驗時將控制技術其他組件與預留孔洞連接即可進行實驗。所述高倍泡沫控制測試部分預留孔洞為發泡筒伸入孔洞6。所述水幕控制測試實驗部分預留孔洞為水幕噴頭伸入孔洞5。所述數據採集裝置包括刻度尺29、監測點陣列30、高速攝像機24、普通攝像機25、質量天平7、色譜儀17，其中監測點陣列包括熱電偶、氧氣濃度檢測儀；所述的控制系統包括溫度、溼度、輻射量、風速、壓力、流量等顯示儀表以及各類控制閥門、顯示儀器。

重氣儲罐通過洩漏管線釋放進入試驗段，對於低溫液體則將重氣儲罐(低溫液體儲罐)與低溫液體洩漏收集池相連，低溫液體洩漏收集池通過回收管線與低溫液體回收罐相連，高倍泡沫發生裝置與發泡筒相連，水輸入管線一端設有水幕噴嘴，測試區域下遊根據需要設有可調節監測點陣列，所述監測點通過數據線與數據採集系統相連，數據採集系統通過數據線與控制系統相連。

重氣存儲在絕熱低溫的重氣儲罐2中，儲罐上裝有壓力表28、液位計27、流量計19，用來監視重氣儲罐的狀態、重氣洩漏量；低溫液體洩漏收集池3用來存儲單次實驗所使用的重氣，在進行實驗前，將實驗所需的一定量的低溫液體從低溫液體儲罐引入洩漏收集罐中，如果是重氣，直接從重氣儲罐引入實驗裝置中；在進行洩漏實驗過程中，通過控制儲罐的出口閥控制重氣洩漏量；洩漏出的低溫液體、重氣通過管線14接到低溫液體洩漏收集池3或直接進入實驗裝置，可根據實驗需求選擇不同形狀、孔徑的洩放管。

根據需要將低溫液體洩漏收集池3、控制技術測試系統裝入風洞內，可以根據需要通過風洞內自帶的溼度調節器8、溫度調節器9、輻射調機器10、風速調節器11調節重氣洩漏環境中的溫度、溼度、輻射量、風速。

製造水幕所需要的水通過水輸入管線13引入，水管上裝有壓力表、流量計、出口閥用來控制水量；引入水管與水幕噴頭相連，水幕噴頭為可拆卸更換設備，可根據實驗需求選擇不同形狀、孔徑的噴頭，可以製造不同形狀、尺寸、水流量水幕。實驗時只需將水輸入管線連接水幕噴頭通過水幕噴頭預留孔洞中引入風洞中。

製造高倍泡沫所需泡沫液通過管線引入高倍泡沫發生器，經高倍泡沫發生器產生的高倍泡沫經發泡筒引入泡沫接收罐，可根據實驗需要選擇不同泡沫液、泡沫液流量壓力、引風量、噴頭、濾網，可以製造不同發泡倍數、破裂率、尺寸、覆蓋性能的高倍泡沫。實驗時只需將泡沫發生裝置各個部分連接調試好，而後連接發泡筒通過發泡筒預留孔洞中引入風洞中。

在洩漏口下遊布置若干監測點30，在每個點上相應安放熱電偶、氧氣濃度分析儀並與數據採集器相連；同時布置風速儀24、溼度計25、高速攝像機26、普通攝像機27記錄採集實驗影像資料和氣象數據；對於控制技術測試部分可根據需要再安裝相應的傳感器，如高倍泡沫發泡筒上部、水幕噴頭下方安裝熱電偶、氧氣傳感器；對於特殊現象如高倍泡沫施加到低溫液體上形成冰凍層，通過電鋸將重氣冰凍層提取，通過常壓水解法得到冰凍層含氣量，而後抽取氣體通過色譜儀17分析氣體組分。

所述的控制系統包括溫度、溼度、輻射量、風速、壓力、流量等顯示儀表以及各類控制閥門，各類顯示儀器安裝在相應的儲罐、設備及附屬管線上，控制閥門安裝在相應儲罐的進出管線上；所述的數據採集系統與控制系統的相連，並將採集到的數據信號匯總到控制系統終端進行處理。

所述監測點陣列由一系列的分布在重氣洩放口下遊的監測點組成，每個監測點上同時布置了熱電偶、氧氣濃度檢測儀，監測點位置可根據需要進行調節，各個監測點的檢測信號匯集到信號處理器進行數據的記錄並保存，並連接到控制終端，實時顯示各監測點物理參數的變化。

所述的實驗平臺可模擬重氣洩漏到不同地形上情景，根據半無限大物體導熱公式，得到不同溫度地形表面洩漏上重氣之後溫度變化曲線，由平臺輸入界面直接輸入相關參數，即可啟動控制系統調節輔助加熱系統加熱功率模擬不同地形不同溫度情況下重氣洩漏擴散情景。

本發明根據需要，進行不同縮放比例下重氣洩漏擴散模型，由數據處理系統給出相應的重氣洩漏量、風速。根據質量天平質量的變化得到重氣蒸發率，根據刻度尺、普通攝像機的捕捉以及後期數據處理，得到所需數據進而進行能量去向跟蹤。由可移動監測點陣列將無色氣雲可視化，得到重氣洩漏源下遊氣雲的溫度、濃度與分布。通過高速攝像機捕捉泡沫破裂過程、水幕形成過程、泡沫冰凍層形成過程等過程中物質的去向，再綜合其他測量數據分析。

所述實驗平臺可進行多種控制技術的小型實驗，可給出各相關量將尺寸因子考慮在內轉換計算取值，控制技術參數可任意單獨調節，控制技術性能如泡沫發泡倍數、穩定性、泡沫大小與分布、水幕顆粒大小與分布可給出量化數值，可給出能量去向。

所述實驗平臺對蒸氣濃度的測量統一採用氧氣濃度傳感器，提高了通用性，更換氣體也可實現測量。

優選的，所述的通用實驗風洞系統測試段截面為矩形，便於實驗裝置的安裝；測試段透明，便於實驗現象的觀察與數據記錄；測試段帶旋轉升降平臺，可以對液池位置進行高度、相對角度調整。

所述的通用實驗風洞系統通過加熱器、加溼器、變頻風機、輻射板可模擬不同溫度、溼度、風速、輻射情況下的自然環境。

實驗結束後將低溫液體洩漏收集池及其附屬管線內剩餘的低溫液體回收、排空。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。