一种线型热烟装置及试验方法与流程

本发明涉及电气火灾领域，具体涉及一种线型热烟装置及试验方法。

背景技术：

电缆沟、电缆隧道以及电气竖井等电力场所，其火灾风险随着投入运行年限的增加逐渐累积，一旦因绝缘老化、过载、接触不良、外力破坏等问题发生火灾，轻则导致设备损坏，重则烧毁变配电设备造成大面积停电，严重影响电网安全和社会正常供电。近年来，我国电气火灾在社会火灾中已占30％左右，相关火灾所造成的损失非常严重，社会负面影响极大。因而开展电力场所火灾模拟试验，研究电力场所火灾危险性和火灾发展规律相当迫切。

电力场所火灾模拟研究的一种重要手段是进行热烟测试试验，目前热烟测试试验主要是基于澳大利亚热烟测试标准as4391-1999，该模拟火源采用95％的工业甲醇作为燃料，利用矩形油盘外使用水浴保证火源功率稳定。该装置明显存在以下缺点：(1)液态燃料甲醇池火的功率由甲醇质量和油池面积决定，无法实现火源功率的连续调节，也无法实现火源燃烧过程三阶段(燃料控制阶段、过渡阶段和氧气控制阶段)的控制。(2)配套发烟炉将烟饼燃烧产生烟气经过管道导入火羽流中，烟气的释放速率无法控制，因而无法与模拟火灾场景、火灾规模相匹配，这严重影响模拟试验中对试验场景顶棚烟气温度等参数的测量准确性，同时发烟炉笨重，移动不便。公开号为cn101474467a的发明专利采用液化石油气作为燃料，利用燃料控制器出口压力代表火源功率，能够实现燃料控制阶段火源功率的连续调节。但燃烧进入过渡阶段和氧气控制阶段时，燃料无法充分燃烧，必须考虑燃料的转化率来计算火源功率，因而该模拟火源无法模拟燃烧过程的过渡阶段和氧气控制阶段，只适用于建筑大空间等空气供应在燃烧过程始终充足的场景；同时该专利配套使用的发烟机构利用发烟托盘上散装的烟饼或烟幕弹模拟烟气仍无法控制烟气的释放速率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有技术中无法全面模拟火源燃烧过程三阶段(燃料控制阶段、过渡阶段和氧气控制阶段)的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种线型热烟装置，包括火源模拟系统、烟气生成系统、输气管。

所述火源模拟系统包括燃料供应单元、助燃剂供应单元、流量控制单元、火源生成单元；燃料供应单元通过输气管与其对应的流量控制单元连接，助燃剂供应单元通过输气管与其对应的流量控制单元连接，从两个流量控制单元引出的两道气路通过三通汇合在一起之后与火源生成单元连通。

所述火源生成单元包括供气管、气体整流段、火源出口，所述供气管设置在火源生成单元的下部，气体整流段设置在火源生成单元的中部，火源出口设置在火源生成单元的上部。

供气管与输气管连通，供气管上设置有气口，气口朝向火源出口。

所述气体整流段包括一级整流层、二级整流层、三级整流层，一级整流层位于气体整流段的下层，一级整流层中填充有大粒径石英砂，二级整流层位于气体整流段的中层，二级整流层为锰钢合金筛网，三级整流层位于气体整流段的上层，三级整流层中填充有小粒径石英砂。

所述烟气生成系统包括烟气生成单元、进气流量控制单元、烟羽流量控制单元、烟气释放单元、压力平衡阀、尾气处理水池，从助燃剂供应单元引出的输气管连接至进气流量控制单元的入口，进气流量控制单元的出口通向烟气生成单元，烟气生成单元通过输气管连接至烟羽流量控制单元的入口，烟羽流量控制单元的出口通过输气管与烟气释放单元连通。

所述烟气生成单元包括发烟箱、烟饼、点火装置，所述烟饼、点火装置均置于发烟箱中，且烟饼与点火装置接触，来自进气流量控制单元的输气管伸入烟饼中。

所述烟气生成单元通过输气管与尾气处理水池连通，压力平衡阀安装在烟气生成单元与尾气处理水池之间的输气管上。

优化的，所述火源模拟系统还包括减压单元，减压单元安装在燃料供应单元与流量控制单元或助燃剂供应单元与流量控制单元之间的输气管上。

优化的，所述火源模拟系统还包括压力测量单元，压力测量单元安装在燃料供应单元与流量控制单元或助燃剂供应单元与流量控制单元之间的输气管上。

优化的，所述火源模拟系统还包括稳压阀，稳压阀安装在燃料供应单元与流量控制单元或助燃剂供应单元与流量控制单元之间的输气管上。

优化的，所述火源模拟系统还包括稳流阀，稳流阀安装在燃料供应单元与流量控制单元或助燃剂供应单元与流量控制单元之间的输气管上。

优化的，所述火源模拟系统还包括气阻，气阻安装在燃料供应单元与流量控制单元或助燃剂供应单元与流量控制单元之间的输气管上。

优化的，所述火源生成单元中还设置有石英砂固定网，小粒径石英砂及大粒径石英砂均封装于石英砂固定网中。

优化的，所述烟气生成单元还包括烟气成分探测仪，烟气成分探测仪置于发烟箱中。

优化的，所述烟气释放单元与火源生成单元并排放置。

本发明还公开一种应用于上述一种线型热烟装置的试验方法，包括以下步骤：

a、所采用的燃料为丙烷，助燃剂为压缩空气，根据要模拟的场景确定模拟火源的热释放速率根据控制阶段的不同确定α的数值，α为模拟不同火灾阶段的控制系数，当模拟燃料控制向氧气控制转变阶段时α＝1，模拟燃料控制阶段时α＜1，模拟氧气控制阶段时α>1，然后根据以下公式(1)计算出丙烷气体的质量流率或丙烷气体的质量流率与空气质量流率之间的关系；

其中，为模拟火源的热释放速率；α为模拟不同火灾阶段的控制系数；

为消耗单位质量丙烷气体所产生的热量；为单位质量一氧化碳转化为二氧化碳所消耗的热量；和分别为丙烷气体和空气质量流率；mair和mco分别为空气和一氧化碳的摩尔质量；

b、将步骤a中的计算结果与以下公式(2)结合，计算出丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值；

其中，和分别为丙烷气体和空气的质量流率；α为模拟不同火灾阶段的控制系数，当模拟燃料控制向氧气控制转变阶段时α＝1，模拟燃料控制阶段时α＜1，模拟氧气控制阶段时α>1；和ηair分别为丙烷气体和空气的化学计量数；和ρair分别为常温常压下丙烷气体和空气的密度；

c、根据步骤b中计算的丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值，设定丙烷及压缩空气流率：

打开燃料供应单元、助燃剂供应单元，并通过调整流量控制单元，使燃料供应单元、助燃剂供应单元对应的流量控制单元的示数分别达到步骤b中计算的丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值；

d、待燃料供应单元、助燃剂供应单元对应的流量控制单元的示数稳定后，利用外置火源对火源生成单元点火；

e、根据试验要求，设定烟气生成系统的空气质量流率，进而通过调整进气流量控制单元使进气流量控制单元的示数达到设定值；

f、待进气流量控制单元的示数稳定后，烟气生成单元开始工作，并产生烟气；

g、根据以下公式(3)计算出烟气羽流出口流率

h、根据步骤g中计算的烟气羽流出口流率通过调整烟羽流量控制单元使烟羽流量控制单元的示数达到步骤g中计算的烟气羽流出口流率

i、待火源生成单元的火焰稳定后，将烟气释放单元与火源生成单元并排放置，试验开始；

j、试验结束后，首先关闭燃料供应单元，当火源熄灭后再关闭助燃剂供应单元，最后关闭烟羽流量控制单元。

本发明的有益效果在于：

1、本发明设计的气体预混系统能够控制燃料和空气的配比，利用碳转化率方法计算模拟火源的热释放速率，进而模拟出不同燃烧阶段的火源，且烟气出口流率可进行调节，实现了对火源燃烧三阶段(燃料控制阶段、过渡阶段和氧气控制阶段)的全面模拟，以实现与实际火灾场景模拟相匹配的情况；

2、在火源设计方面，本发明设计的线型火源，中间气体整流段采用上、中、下层三级整流(一级整流大粒径石英砂层、二级整流锰钢合金筛网和三级整流小粒径石英砂层)的方式，燃料与助燃剂混合气体依次经过大粒径石英砂层、锰钢合金筛网、小粒径石英砂层，解决了线型气体火源出口燃料流率难以稳定的难题；

3、在烟气模拟方面，本发明设计的封闭发烟装置，在专门设置的烟气羽流流量控制仪作用下能够实现烟气出口流量大小的控制，压力平衡阀能够在发烟箱压力超过设定安全阈值时自动泄压，保证了烟气产生过程的安全，试验结束后可将多余烟气导入尾气处理水池，避免多余烟气对模拟环境的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中一种线型热烟装置的示意图；

图2为本发明实施例中火源生成单元的示意图；

图3为本发明实施例中供气管的俯视图；

图4为本发明实施例中石英砂固定网封装小粒径石英砂的示意图；

图5为本发明实施例中石英砂固定网封装大粒径石英砂的示意图；

图6为本发明实施例中一种线型热烟装置试验方法的流程图；

其中，燃料供应单元-11、助燃剂供应单元-12、减压单元-13、压力测量单元-14、流量控制单元-15、火源生成单元-16、稳压阀-17、稳流阀-18、气阻-19、烟气生成单元-21、进气流量控制单元-22、烟羽流量控制单元-23、烟气释放单元-24、压力平衡阀-25、尾气处理水池-26、输气管-31、三通-32、供气管-161、气体整流段-162、火源出口-163、石英砂固定网-164、发烟箱-211、烟饼-212、点火装置-213、烟气成分探测仪-214、气口-1611、锰钢合金筛网-1621、小粒径石英砂-1622、大粒径石英砂-1623。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，一种线型热烟装置，包括火源模拟系统、烟气生成系统、输气管31；所述火源模拟系统包括燃料供应单元11、助燃剂供应单元12、减压单元13、压力测量单元14、流量控制单元15、火源生成单元16；燃料供应单元11通过输气管31依次串联其对应的减压单元13、压力测量单元14、流量控制单元15，助燃剂供应单元12通过输气管31依次串联其对应的减压单元13、压力测量单元14、流量控制单元15，从两个流量控制单元15引出的两道气路经三通32汇合在一起之后与火源生成单元16连通；本实施例中燃料供应单元11中的燃料为丙烷，助燃剂供应单元12中的助燃剂为压缩空气，减压单元13减压阀，压力测量单元14为压力表，流量控制单元15为气体流量控制仪。

所述烟气生成系统包括烟气生成单元21、进气流量控制单元22、烟羽流量控制单元23、烟气释放单元24，从助燃剂供应单元12对应的压力测量单元14引出的输气管31连接至进气流量控制单元22的入口，进气流量控制单元22的出口通向烟气生成单元21，烟气生成单元21通过输气管31连接至烟羽流量控制单元23的入口，烟羽流量控制单元23的出口通过输气管31与烟气释放单元24连通；本实施例中进气流量控制单元22为气体流量控制仪，烟羽流量控制单元23为烟气羽流流量控制仪。

所述烟气释放单元24与火源生成单元16并排放置。

如图1所示，所述火源模拟系统还包括稳压阀17，稳压阀17安装在减压单元13和压力测量单元14之间的输气管31上。所述火源模拟系统还包括稳流阀18，稳流阀18安装在减压单元13和压力测量单元14之间的输气管31上。所述火源模拟系统还包括气阻19，气阻19安装在压力测量单元14和流量控制单元15之间的输气管31上。

如图2所示，所述火源生成单元16上设置有供气管161、气体整流段162、火源出口163；所述供气管161设置在火源生成单元16的下部，气体整流段162设置在火源生成单元16的中部，火源出口163设置在火源生成单元16的上部；供气管161与输气管31连通，如图3所示，供气管161上设置有气口1611，气口1611朝向火源出口163；所述气体整流段162包括一级整流层、二级整流层、三级整流层，一级整流层位于气体整流段162的下层，一级整流层中填充有大粒径石英砂1623，二级整流层位于气体整流段162的中层，二级整流层为锰钢合金筛网1621，三级整流层位于气体整流段162的上层，三级整流层中填充有小粒径石英砂1622；所述气体整流段162的中层设置有锰钢合金筛网1621，锰钢合金筛网1621的孔径可以是0.2-0.8mm，本实施例中的锰钢合金筛网1621的孔径为0.5mm，气体整流段162的上层填充有小粒径石英砂1622，小粒径石英砂1622的直径可以是1-2mm，本实施例中小粒径石英砂1622的直径为2mm，气体整流段162的下层填充有大粒径石英砂1623，大粒径石英砂1623的直径可以是6-8mm，本实施例中的大粒径石英砂1623的直径为6mm，燃料供应单元11的丙烷与助燃剂供应单元12的压缩空气混合后进入供气管161，并从气口1611流出，依次经过大粒径石英砂1623、锰钢合金筛网1621、小粒径石英砂1622，到达火源生成单元16的出口，利用外置火源点火后即可形成模拟火源。

如图4-5所示，所述火源生成单元16中还设置有石英砂固定网164，小粒径石英砂1622及大粒径石英砂1623均封装于石英砂固定网164中，石英砂固定网164的孔径小于1mm，本实施例中石英砂固定网164的孔径为0.5mm。

如图1所示，所述烟气生成系统还包括压力平衡阀25、尾气处理水池26，烟气生成单元21通过输气管31与尾气处理水池26连通，压力平衡阀25安装在烟气生成单元21与尾气处理水池26之间的输气管31上，当工作过程中烟气生成单元21内的压力超过设定阀值时，压力平衡阀25自动起跳泄压，烟气经输气管31进入到尾气处理水池26中，减少对环境的影响。

所述烟气生成单元21包括发烟箱211、烟饼212、点火装置213，所述烟饼212、点火装置213均置于发烟箱211中，且烟饼212与点火装置213接触，来自进气流量控制单元22的输气管31伸入烟饼212中，本实施例中的点火装置213采用电热丝。

所述烟气生成单元21还包括烟气成分探测仪214，烟气成分探测仪214置于发烟箱211中。

如图6所示，本发明还公开一种应用于上述一种线型热烟装置的试验方法，热烟模拟试验共分三个阶段：燃料控制阶段：氧气充足，燃烧充分，热释放速率逐步增长，释放烟气较少；过渡阶段：随着燃烧进行，热释放速率保持平稳，释放烟气增加；氧气控制阶段：氧气逐渐消耗殆尽，燃烧不充分，烟气释放量较多。

此试验过程以t²火为例，之所以采用t³火举例，是因为t³火具备燃料控制阶段、过渡阶段和氧气控制阶段等燃烧三阶段，包括以下步骤：

a、本实施例中所采用的燃料为丙烷，助燃剂为压缩空气，根据要模拟的场景确定模拟火源的热释放速率根据控制阶段的不同确定α的数值，α为模拟不同火灾阶段的控制系数，当模拟燃料控制向氧气控制转变阶段时α＝1，模拟燃料控制阶段时α＜1，模拟氧气控制阶段时α>1，然后根据以下公式(1)计算出丙烷气体的质量流率或丙烷气体的质量流率与空气质量流率之间的关系。

其中，为模拟火源的热释放速率；α为模拟不同火灾阶段的控制系数；为消耗单位质量丙烷气体所产生的热量；为单位质量一氧化碳转化为二氧化碳所消耗的热量；和分别为丙烷气体和空气质量流率；mair和mco分别为空气和一氧化碳的摩尔质量。

b、将步骤a中的计算结果与以下公式(2)结合，计算出丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值；

其中，和分别为丙烷气体和空气的质量流率；α为模拟不同火灾阶段的控制系数，当模拟燃料控制向氧气控制转变阶段时α＝1，模拟燃料控制阶段时α＜1，模拟氧气控制阶段时α>1；和ηair分别为丙烷气体和空气的化学计量数；和ρair分别为常温常压下丙烷气体和空气的密度。

c、根据步骤b中计算的丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值，设定丙烷及压缩空气流率：

打开燃料供应单元11、助燃剂供应单元12，丙烷和压缩空气分别以液态形式流经各自对应的减压单元13、稳压阀17、稳流阀18、压力测量单元14、气阻19及流量控制单元15，两道气路在三通32处汇合后经过输气管31进入供气管161，并从气口1611流出，依次经过大粒径石英砂1623、锰钢合金筛网1621、小粒径石英砂1622，到达火源生成单元16的出口。

通过调整流量控制单元15，使燃料供应单元11、助燃剂供应单元12对应的流量控制单元15的示数分别达到步骤b中计算的丙烷气体的质量流率及空气质量流率的值。

d、待燃料供应单元11、助燃剂供应单元12对应的流量控制单元15的示数稳定后，利用外置火源对火源生成单元16点火。

e、根据试验要求，设定烟气生成系统的空气流率，进而通过调整进气流量控制单元22使进气流量控制单元22的示数达到设定值：打开丙烷、压缩空气气路的同时，打开进气流量控制单元22，压缩空气依次流经减压单元13、稳压阀17、稳流阀18、压力测量单元14、气阻19和进气流量控制单元22进入到发烟箱211内的烟饼212中。

f、待进气流量控制单元22的示数稳定后，烟气生成单元21开始工作，并产生烟气：进气流量控制单元22的示数稳定后，点火装置213点燃烟饼212，烟饼212被点燃并开始发烟后，持续3min保证烟饼212持续发烟后，关闭点火装置213，此时，烟气成分探测仪214可以实时探测烟气羽流的成分，从而根据烟气羽流成分调节进气流量控制单元22，以改变通入空气流率，从而使产烟高效化。

g、根据以下公式3计算出烟气羽流出口流率

h、根据步骤g中计算的烟气羽流出口流率通过调整烟羽流量控制单元23使烟羽流量控制单元23的示数达到步骤g中计算的烟气羽流出口流率

i、待火源生成单元16的火焰稳定后，将烟气释放单元24与火源生成单元16并排放置，试验开始，试验过程中，当压力平衡阀25超过设定阀值时，压力平衡阀25自动起跳泄压，烟气经输气管31进入到尾气处理水池26中，减少对环境的影响。

j、试验结束后，首先关闭燃料供应单元11对应的减压单元13，当火源熄灭后再关闭助燃剂供应单元12对应的减压单元13，最后关闭烟羽流量控制单元23，紧接着将压力平衡阀25阈值设定为与当地大气压力相同值，压力平衡阀25自动起跳泄压，封闭发烟箱气体经管道流入尾气处理水池26，保证多余试验烟气的及时处理。

试验中，通过调整丙烷和压缩空气的配比，可以实现不同燃烧阶段模拟的目的，同时根据试验场景和火源规模，调整烟气流量的大小，可以实现不同燃烧阶段的烟气模拟，进而使试验更加接近实际火灾场景，对于实现电缆敷设场所或其他产生线型火源场所的火灾模拟研究有重大意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。