一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法

技术领域

本发明涉及一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，用于输气管道内可燃气体爆燃时的综合防爆抑爆，属于可燃气体爆炸安全技术领域。

背景技术

从工业领域深度减碳的角度来看，氢能作为替代能源之一，受到了国际社会和科学界的广泛关注。氢气是一种高效的替代能源载体，具有高热值且不会排放碳氧化物等温室气体，然而氢能的安全性不容小觑。氢气的爆炸危害普遍存在于氢能利用的全生命周期，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。目前，氢气运输的主要是汽车运输与管道运输两种方式，与汽车运输相比，管道运输可以大大降低可燃气体运输成本，延长运输距离，具有良好的发展前景。但考虑到氢气的易燃性和泄漏风险，氢气管道一旦泄漏，可燃气体可能会自燃或被外部点火源点燃，火焰在管道内迅速蔓延，很容易从爆燃转变为爆轰，可能会造成毁灭性的后果。为有效预防管道运输过程中的燃爆事故，研究人员对管道内可燃气体的防爆抑爆技术进行了广泛的研究，然而目前所有的研究只是单一物理或化学抑爆方法展开，局限性较大，并不能保证管道的安全运输。

发明内容

针对输气管道运输过程中可燃气体的易燃性以及存在的泄漏风险，为防止可燃气体的传播火焰在管道内迅速蔓延扩散以及由爆燃转为爆轰的问题，本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，要解决的技术问题是：提供一种多级式、高精准、快响应、且集防爆与抑爆于一体的遮断型综合防爆抑爆系统，并提供一种基于所述系统实现的遮断型综合防爆抑爆方法，能够实现对输气管道内可燃气体爆燃时的综合防爆抑爆，保障输气管道的安全性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统，包括输气管道、光敏传感器、温度传感器、同步控制器、遮断型惰气柱防爆装置、高压惰气抑爆装置、气体导流式匀粉装置、泡沫合金抑爆装置。所述输气管道的两端安装有法兰盘，管道前端的内壁上依次安装有光敏传感器、温度传感器，并通过数据传输线与同步控制器相连接。所述同步控制器位于输气管道的一侧，并通过数据输出线与高压惰气抑爆装置内的电磁阀相连接。所述输气管道内部安装有遮断型惰气柱防爆装置，其隔爆钢板上端与固定在输气管道内部的压缩弹簧连接，隔爆板下端与圆柱切割片相连接，圆柱切割片的后端与惰气柱的前端相接；所述输气管道中部的上方设有高压惰气抑爆装置，高压惰气罐下方设有电磁阀，电磁阀与下方的高压惰气喷枪相连接；所述气动导流式匀粉装置呈风车状位于高压惰气抑爆装置后侧，气动导流式匀粉装置内部装有定量的抑爆剂粉末，并固定在支撑柱顶端，根据导流原理通过气动导流式匀粉装置可使抑爆剂均匀抛洒至球形泡沫合金抑爆装置内部，进而增大抑爆剂与传播火焰的接触面积，有效提升抑爆效果；所述泡沫合金抑爆装置位于气动导流式匀粉装置下方，泡沫合金从上到下固定于支撑柱两侧。通过调节泡沫合金和抑爆剂的级配关系，使传播的火焰被泡沫合金抑爆装置完全淬熄。

为了精准、精确识别输气管道内的火线信号，作为优选，所述高压惰气抑爆装置的电磁阀与同步控制器通过数据输出线相连接。进一步优选，光敏传感器的响应光谱为340nm-980nm，温度传感器的温度峰值设为100℃。

通过调节隔爆板的厚度与压缩弹簧的弹性系数，提升高压惰气柱的释放效率，加快惰性气体火焰可燃气体的传播对的化学抑爆，提升防爆抑爆的效果和响应效率。

作为优选，根据如下公式(1)调节隔爆板的厚度，

式中：δ壁厚的计算厚度cm

b隔爆板短边长度cm

k安全系数；

C应力系数；见表1

p设计压力MPa

δ

表1应力系数C

其中，a为隔爆板长边长度cm

分析式(1)和表1，得到隔爆板的边长比a/b与隔爆板的厚度δ的关系，如表2所示。

表2隔爆板厚度δ和边长a/b的关系

从表2中看出，隔爆板的厚度δ随边长比a/b的增加而呈非线性地减小，近似为，长方形隔爆板的大侧面的长边a与短边b之比约为3/2。

作为优选，根据如下公式(2)调节压缩弹簧的弹性系数，

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，压缩弹簧的弹性系数根据气体爆轰时对防爆钢板产生的压力确定。

为了加快高压惰气柱内气体的释放效率，促进传播火焰与惰性气体之间的化学反应，提升防爆抑爆响应效率和防爆抑爆效果，进一步优选，隔爆板的长度为输气管道直径的2/3，压缩弹簧的弹性系数为0.026。

为了增加隔爆板的强度，对可燃气体爆燃时产生的压力进行一定的缓冲，作为优选，所述隔爆板选用隔爆钢板。

为了提升高压惰气柱内惰性气体的释放效率，作为优选，遮断型惰气柱防爆装置的隔爆钢板中部与圆柱切割片的1/3相连接，圆柱切割片的后端与惰气柱的前端相接。进一步优选，惰气柱为二氧化硅材料构成的空心柱体，惰气柱内的气体选用氮气，压力约为3MPa。

为了使气动导流式匀粉装置内部的抑爆剂从敞口中均匀撒出，高压惰气罐的底部通过电磁阀与喷口直径为1cm的高压惰气喷枪相连接，高压惰气喷枪朝向气动导流式匀粉装置的顶端。

为了使抑爆剂能够与泡沫合金材料相结合，实现物理与化学抑爆于一体，作为优选，所述气动导流式匀粉装置呈轴流式风车形状，气动导流式匀粉装置的扇叶可对称拆卸，并在前端设有敞口，内部装有定量的抑爆剂。根据抑爆剂粉末的粒径大小，进一步优选，气动导流式匀粉装置的固定在支撑柱顶端，风车前端敞口直径为5mm。

为了加强高压惰气喷枪对气动导流式匀粉装置的喷吹作用，便于抑爆剂充分混合，作为优选，抑爆剂粉末的容量为1/3，进一步优选，抑爆剂的种类为磷酸二氢氨粉末。

为了对输气管道横截面积的全覆盖，作为优选，泡沫合金抑爆装置选用球形泡沫合金抑爆装置，进而从管道的横截面角度实现对传播火焰的淬熄。

为了提升泡沫合金装置对传播火焰的淬熄作用，作为优选，调节泡沫合金和抑爆剂的级配关系为60PPI:50um，进而实现对传播火焰的完全淬熄。

本发明还公开的一种基于所述系统实现的遮断型综合防爆抑爆方法，基于所述一种遮断型综合防爆抑爆系统实现，具体实现方法为：当输气管道中的可燃气体发生爆燃，传播的火焰通过光敏传感器、温度传感器将信号传输到同步控制器，同步控制器对两个传感器所设定参数进行判别，然后将信号传输到高压惰气罐下方的电磁阀，然后高压惰气罐内的惰气从电磁阀经过高压惰气喷枪喷向气动导流式匀粉装置，使气动导流式匀粉装置受到传播火焰的冲击作用进行转动，装置内部的磷酸二氢氨粉末从所开的敞口中落到球形泡沫合金装置内，可实现二次抑爆作用；可燃气体爆燃后，由于隔爆板格挡绝大部分的冲击作用，而隔爆板对圆柱切割片的冲压，使圆柱切割片对高压惰气柱进行切割，并释放出的大量惰气对火焰进行稀释，此时气动导流式匀粉装置已将磷酸二氢氨粉末均匀分散到球形泡沫合金中，通过球形泡沫合金装置能够将稀释后的火焰完全淬熄。

有益效果：

1、相较于传统抑爆方法，本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，所设置的遮断型惰气柱防爆装置能够充分利用传播火焰的冲击作用来释放惰气柱内的惰性气体，减缓传播火焰由爆燃的传播过程，防止火焰由爆燃转向爆轰，实现对传播火焰的快速响应与精准控制。

2、本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，通过设置高压惰气抑爆装置与气体导流式匀粉装置进行联动，高压惰气抑爆装置在释放惰性气体的同时对气体导流式匀粉装置进行喷吹，使气体导流式匀粉装置内的抑爆剂均匀撒到泡沫合金装置内部，从而实现多级式、一体化的科学抑爆。

3、本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，通过将气体导流式匀粉装置安装在支撑柱上方，泡沫合金抑爆装置安装在支撑柱左右两侧，并对抑爆剂粉末的粒径大小与泡沫合金的孔隙率进行级配，进而实现物理与化学抑爆方法相结合的综合性抑爆。

4、本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，通过上述三个有益效果综合作用，实现多级式、高精准、快响应、且集防爆与抑爆于一体的遮断型综合防爆抑爆，保障输气管道的安全性。

5、本发明公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统及方法，首当其冲的是第一层防爆装置，然后三个并行的抑爆装置两两相互结合，在化繁为简的基础上达到综合性的防爆抑爆。遮断型综合防爆抑爆系统针对长输气管道中可燃气体可能发生爆燃的问题，在输气管道内布置集防爆与抑爆于一体的遮断型综合防爆抑爆系统，实现对气体爆燃时的快速响应，进一步保证了输气管道内可燃气体的安全运输；不仅适合各种类型的可燃气体类型，并将实时自动抑爆和无人化操作相结合，极大的缩短了输气管道事故响应处置的时间，能够有效避免事故的发展与升级。

附图说明

图1是本发明的一种遮断型综合防爆抑爆系统的结构示意图。

图2是遮断型惰气柱防爆装置图。

图3是高压惰气抑爆装置图。

图4是气体导流式匀粉装置与球形泡沫合金抑爆装置图。

图中：1—输气管道、2—光敏传感器，3—温度传感器，4—同步控制器，5—遮断型惰气柱防爆装置，6—高压惰气抑爆装置，7—气体导流式匀粉装置，8—球形泡沫合金抑爆装置，9—数据传输线，10—数据输出线，11—电磁阀相连接，12—隔爆钢板，13—压缩弹簧，14—圆柱切割片，15—惰气柱，16—高压惰气罐，17—高压惰气枪，18—磷酸二氢氨粉末，19—球形泡沫合金，20—支撑柱，21—法兰盘，22—可燃气体。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种遮断型综合防爆抑爆系统，包括输气管道1、光敏传感器2、温度传感器3、同步控制器4、遮断型惰气柱防爆装置5、高压惰气抑爆装置6、气体导流式匀粉装置7、泡沫合金抑爆装置8。所述输气管道1的两端安装有法兰盘21，管道前端的内壁上依次安装有光敏传感器2、温度传感器3，并通过数据传输线9与同步控制器4相连接。所述同步控制器4位于输气管道1的一侧，并通过数据输出线10与高压惰气抑爆装置6内的电磁阀11相连接。所述输气管道1内部安装有遮断型惰气柱防爆装置5，其隔爆板12上端与固定在输气管道1内部的压缩弹簧13连接，隔爆板12下端与五个圆柱切割片14相连接，五个圆柱切割片14的后端与五个惰气柱15的前端相接；所述输气管道1中部的上方设有高压惰气抑爆装置6，高压惰气罐16下方设有电磁阀11，电磁阀11与下方的高压惰气喷枪17相连接；所述气动导流式匀粉装置7呈风车状位于高压惰气抑爆装置6后侧，四个气动导流式匀粉装置7内部装有定量的磷酸二氢氨粉末18，并固定在支撑柱20顶端，根据导流原理通过气动导流式匀粉装置7可使磷酸二氢氨18均匀抛洒至多个球形泡沫合金抑爆装置19内部，进而增大磷酸二氢氨粉末18与传播火焰22的接触面积，有效提升抑爆效果；所述泡沫合金抑爆装置8位于气动导流式匀粉装置7下方，球形泡沫合金19从上到下固定于支撑柱20两侧。通过调节球形泡沫合金19和磷酸二氢氨粉末18的级配关系，使传播火焰22通过泡沫合金抑爆装置8后被完全淬熄。

所述高压惰气抑爆装置6的电磁阀11与同步控制器4通过数据输出线10相连接。光敏传感器2的响应光谱为340nm-980nm，温度传感器3的温度峰值设为100℃。

根据如下公式(1)调节隔爆板12的厚度，

式中：δ壁厚的计算厚度cm

b隔爆板短边长度cm

k安全系数；

C应力系数；见表1

p设计压力MPa

δ

表1应力系数C

其中，a为隔爆板12的长边长度，cm

分析式(1)和表1，可以得到隔爆板12的边长比a/b与隔爆板12的厚度δ的关系，如表2所示。

表2隔爆板厚度δ和边长a/b的关系

从表2中可以看出，隔爆板12的厚度δ随边长比a/b的增加而呈非线性地减小，通常认为，长方形隔爆板12的大侧面的长边a与短边b之比约为3/2。

根据如下公式(2)调节压缩弹簧13的弹性系数，

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，压缩弹簧13的弹性系数根据气体爆轰时对防爆钢板产生的压力确定。

所述隔爆板12选用隔爆钢板，其长度为输气管道1直径的2/3，压缩弹簧13的弹性系数为0.026。

所述遮断型惰气柱防爆装置5的隔爆钢板12中部与五个圆柱切割片14的1/3相连接，圆柱切割片14的后端与五个惰气柱15的前端相接，五个高压惰气柱15为二氧化硅材料构成的空心柱体，惰气柱15内的气体选用氮气，压力约为3MPa。

所述高压惰气罐16的底部通过电磁阀11与喷口直径为1cm的高压惰气喷枪17相连接，高压惰气喷枪17朝向气动导流式匀粉装置7的顶端。

所述气动导流式匀粉装置7呈轴流式风车形状，并固定在支撑柱20顶端，气动导流式匀粉装置7的扇叶可对称拆卸，其前端设有敞口，内部装有定量的抑爆剂18，其种类为磷酸二氢氨粉末，抑爆剂粉末18的容量为1/3，根据抑爆剂粉末18的粒径大小，风车前端敞口直径为5mm。

所述泡沫合金抑爆装置8为球形泡沫合金抑爆装置，泡沫合金19和抑爆剂18的级配关系为60PPI:50um。

本实施例还公开的一种基于所述系统实现的遮断型综合防爆抑爆方法，基于所述一种遮断型综合防爆抑爆系统实现，具体实现方法为：当输气管道1中的可燃气体22发生爆燃，传播的火焰通过光敏传感器2、温度传感器3将信号传输到同步控制器4，同步控制器4对两个传感器所设定参数进行判别，然后将信号传输到高压惰气罐16下方的电磁阀11，然后高压惰气罐16内的惰气从电磁阀11经过高压惰气喷枪17喷向气动导流式匀粉装置7，使气动导流式匀粉装置7受到传播火焰的冲击作用进行转动，装置内部的磷酸二氢氨粉末18从所开的敞口中落到球形泡沫合金装置19内，可实现二次抑爆作用；可燃气体22爆燃后，由于隔爆板12格挡了绝大部分的冲击作用，而隔爆板12对圆柱切割片14的冲压，使圆柱切割片14对高压惰气柱15进行切割，并释放出的大量惰气对火焰进行稀释，此时气动导流式匀粉装置7已将磷酸二氢氨粉末18均匀分散到球形泡沫合金19中，通过球形泡沫合金装置19能够将稀释后的火焰完全淬熄。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。