规整填料抑爆阻火性能试验方法与流程

本发明属于测试技术领域，具体涉及规整填料抑爆阻火性能试验方法。

背景技术：

低浓度煤层气直接深冷液化技术中的一个关键工艺过程是利用低温精馏技术回收煤层气中的甲烷。在精馏过程中，精馏塔内气相组成的甲烷浓度从塔顶的0.5％连续变化为塔底的95％，同时部分区域内的气相中氧气含量大于12％，因此若有点火源出现，如雷击、静电等因素，精馏塔内就存在发生爆炸的危险。

在精馏塔内装填规整填料可以有效抑止或削弱爆炸的发生。实际使用中，规整填料本身的物理性能对填料的具体设置方式有着决定作用，但如何确定填料的物理性能，急需研发一种通用的测试装置来实现。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种规整填料抑爆阻火性能试验方法，可以快速准确地确定填料的物理性能，从而提出合理的抑爆阻火方案，提高精馏塔内的安全性。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

一种规整填料抑爆阻火性能试验方法，先进行抑爆试验，再进行阻火试验，包括以下步骤：

1)试验前准备；

i.气密性实验；先往试验罐内顺次装入一定厚度填料后，再对试验罐内注入压缩空气至50KPa(G)，30min后，若整个系统内的压缩空气压降不超过2KPa，则认为试验系统密封性良好；否则，进行密封处理后再充气、再检漏，直至合格；

ii.测试仪器检查；

2)配气；先用压缩空气对试验罐内气体进行置换，30min后，再配入甲烷气体，并使甲烷气体在试验罐内的浓度为9.5％；

3)点火：打开点火开关钥匙，启动火能量发生器；

4)数据采集：通过数据采集处理器对试验罐的多个径向截面上不同高度位置设置的甲烷浓度传感器、压力传感器和火焰传感器的进行数据采集和处理，结合监控系统的数据信息、爆破膜的破裂情况，综合判断是否发生爆炸，确定爆炸类型、填料是否有效抑爆；

5)重复验证试验：若爆炸发生则试验结束；否则需重复验证两次。

进一步，步骤1)的填料厚度根据填料材料的性能先确定一个初始值，然后沿初始值两侧取一个范围，抑爆试验最低填充厚度为400mm；阻火试验中填料最低填充厚度为500mm。

进一步，步骤2)还包括浓度检测过程：每隔5min检测试验罐排气口处甲烷浓度，连续分析三次，三次结果甲烷浓度变化量均不大于1％，则可认为甲烷已混合均匀；否则为不合格。

进一步，该试验方法利用规整填料抑爆阻火性能试验系统进行，所述规整填料抑爆阻火性能试验系统包括试验罐以及与所述试验罐连通的配气系统、测量系统、点火系统和排空系统，所述试验罐包括罐体和沿试验罐的轴向方向顺次填充在罐体内的规整填料，所述罐体包括中空圆柱形的罐身和分别可拆卸地设置在罐身两端的封头及爆破膜，在罐身的多个径向截面上同时设置有点火器接口和气体充注接口，所述点火器接口位于截面的顶部，所述气体充注接口位于截面的底部，在任一截面还设置有至少一个压力传感器接口、至少一个火焰传感器接口和至少三个浓度传感器接口，同一截面的浓度传感器接口具有不同的高度，罐身靠近爆破膜端设置有排放口，

所述配气系统通过气体充注接口向试验罐内充入空气、甲烷，使试验罐内混合气体的浓度和压力达到试验要求；

所述测量系统通过压力传感器接口、火焰传感器接口和浓度传感器接口对各个截面的瓦斯爆炸各特征参数数据的采集；

所述点火系统通过点火器接口对试验罐内甲烷与空气的混合气体的点火；

所述排空系统通过排放口排除试验罐内残存气体和充注混合气体后的混合气体的浓度的抽样检测，

还包括PLC控制系统、监控系统，

所述PLC控制系统，用于远程控制所述配气系统和所述排空系统管路上阀门的通断，

所述监控系统，用于对试验罐的外部环境的实际情况进行监控，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并在显示屏幕上监控罐内情况。

进一步，所述浓度传感器接口共设置三个、且按等夹角差均匀分别在径向截面上。

进一步，所述夹角为30-60°。

进一步，所述配气系统包括空压机和甲烷气瓶，所述空压机和甲烷气瓶合并到一根总管，该总管分别与径向截面的气体充注接口连通。

进一步，所述测量系统包括数据采集处理器和分别与所述数据采集处理器连通的甲烷浓度传感器、压力传感器和火焰传感器，所述甲烷浓度传感器、压力传感器和火焰传感器分别设置在压力传感器接口、火焰传感器接口和浓度传感器接口处。

进一步，所述点火系统包括点火头和与点火头连接的点火能量发生器，所述点火头安装在点火器接口上，并伸入到罐体轴向中心线附近。

进一步，所述排空系统包括与所述排放口连通的手动排空阀和压力表。

本发明具有如下的优点：

本发明通过多个径向截面可同时监控罐体内各个区域的气体参数，得到更多详细的实验数据，从而快速准确地掌握填料的抑爆性能，同时，由于在轴向设置多个径向截面，可对任意不同属性的填料进行测试，扩展了其测试范围，提高了通用性，另外，还通过将浓度传感器接口设置在不同高度的位置，得到更多范围的实验数据，可进一步提高数据的准确性，从而提高测试质量。总之，该方案可快速准确地确定不同填料的防爆性能，从而方便工程技术人员制定合理的抑爆阻火方案，实现提高精馏塔工作的安全性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的结构图；

图2为罐体A-A、B-B及C-C的径向截面图；

图3为抑爆试验流程图；

图4为阻火试验流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本发明的规整填料抑爆阻火性能试验系统，包括试验罐以及与所述试验罐1连通的配气系统、测量系统、点火系统和排空系统，所述试验罐包括罐体和沿试验罐的轴向方向顺次填充在罐体内的规整填料1，所述罐体包括中空圆柱形的罐身2，罐身2的一端可拆卸地设置有封头3，封头即为法兰，用螺栓固定在罐身端部，另一端设置有爆破膜4，爆破时，在爆破压力作用下，爆破膜4弹出卸压，保证其安全性，在罐身的多个径向截面上同时设置有点火器接口5和气体充注接口6，所述点火器接口5位于截面的顶部，所述气体充注接口6位于截面的底部，在任一截面还设置有至少一个压力传感器接口7、至少一个火焰传感器接口8和至少三个浓度传感器接口9，同一截面的浓度传感器接口9按角度差30-60°等距排列以实现不同的高度，可以得到不同高度处气体的浓度值增加实验数据的可靠性，罐身靠近爆破膜端设置有排放口10，

所述配气系统通过气体充注接口向试验罐内充入空气、甲烷，使试验罐内混合气体的浓度和压力达到试验要求；

所述测量系统通过压力传感器接口、火焰传感器接口和浓度传感器接口对各个截面的瓦斯爆炸各特征参数数据的采集；

所述点火系统通过点火器接口对试验罐内甲烷与空气的混合气体的点火；

所述排空系统通过排放口排除试验罐内残存气体和充注混合气体后的混合气体的浓度的抽样检测，

还包括PLC控制系统、监控系统，

所述PLC控制系统，用于远程控制所述配气系统和所述排空系统管路上阀门的通断，

所述监控系统，用于对试验罐的外部环境的实际情况进行监控，所拍摄的画面传输到地面数据处理设备并在显示屏幕上监控罐内情况。

具体的，本实施例在罐身上设有A-A、B-B、C-C三个截面，每一截面共设置一个点火器接口5、一个气体充注接口6、一个压力传感器接口7、一个火焰传感器接口8、三个浓度传感器接口9，从爆破膜端看建立直角坐标系，所述点火器接口分别位于正Y轴与罐身相交的外壁上，所述气体充注接口分别位于负Y轴与罐身相交的外壁上，所述压力传感器接口设置在正X轴绕原心逆时针旋转150°与罐身相交的外壁上，所述火焰传感器接口设置在正X轴绕罐身中心逆时针旋转120°与罐身相交的外壁上，所述三个浓度传感器接口分别设置在负Y轴绕罐身中心逆时针旋转45°、90°、135°与罐身相交的外壁上，

本实施例中，所述配气系统包括空压机13和甲烷气瓶11，所述空压机10和甲烷气瓶11合并到一根总管，该总管分别与径向截面的气体充注接口连通。

本实施例中，所述测量系统包括数据采集处理器12和分别与所述数据采集处理器12连通的甲烷浓度传感器13、压力传感器14和火焰传感器15，所述压力传感器14、火焰传感器15和甲烷浓度传感器13分别设置在压力传感器接口、火焰传感器接口和浓度传感器接口处。

本实施例中，所述点火系统包括点火头17和与点火头连接的点火能量发生器18，所述点火头安装在点火器接口上，并伸入到罐体轴向中心线附近。

本实施例中，所述排空系统包括与所述排放口连通的手动排空阀19和压力表20，通过压力表监控出口压力，若过高，则打开手动排空阀19降压，提高系统的安全性。

本实施例中，所述PLC控制系统包括PLC控制器21和与所述PLC控制器连通的多个电磁阀22，电磁阀22分别设置在甲烷气瓶出口处、空压机出口处、截面A-A、B-B、C-C上气体充注接口的连接管上、排放总管上和远控排放口的出口管路上，在PLC控制系统的控制下实现自动智能控制。

本实施例中，所述监控系统包括摄像头和与摄像头连接的视频显示器23，摄像头设置在罐体巷道内(未示出)，实时监控气体的参数变化，并通过视频显示器显示结果。

使用上述试验系统进行试验的方法：

该系统的实验包括抑爆试验和阻火试验，由于抑爆试验的点火装置位于填料填充区，整个点火装置被填料包围，其点火后即便出现燃爆，其加速距离和范围也很有限。而阻火试验中，点火装置位于引爆管道末端，引爆管段有0.8m的空间内没有装设任何填充物，其点火后有一定的燃爆加速的空间，因而燃爆威力相对抑爆试验会变大，因此应先进行抑爆试验，再进行阻火试验。

一、抑爆试验，如图3所示，包括以下步骤：

(1)试验前准备

在进行试验前，对各个试验设备进行常规检查，包括气密性、试验测试仪器能否正常工作、瓦斯检测仪的整定检核，试验罐接地是否良好。

①试验装置气密性实验

关闭巷道内非防爆用电器的电源。装入并固定填料，装上试验罐法兰和爆破膜。接通试验罐体上的管线和数据采集线，确认无误后所有人员撤出巷道。通过空压机向试验罐注入压缩空气至50KPa(G)，关闭压缩空气进气阀，使整个试验系统内充满50KPa(G)的压缩空气。观察试验管道上的压力表，30min后，若整个系统内的压缩空气压降不超过2KPa，可认为试验系统密封性良好。若出现泄漏情况，用肥皂泡沫液进行检漏，并对泄漏处进行密封处理。重复检漏，直至合格。

填料厚度根据填料材料的性能先确定一个初始值，然后沿初始值两侧取一个范围，如，先确定初始值为800mm，两侧各取400mm，则其填料厚度为400～1200mm，但无论如何，抑爆试验最低填充厚度不能少于400mm；阻火试验中填料最低填充厚度不能少于500mm。

②检查试验测试仪器

启动视频监视系统。打开试验测试系统，测试各个试验仪器是否正常工作。检查试验罐接地是否良好，点火开关处于断开状态，且用钥匙锁住，使点火开关保持电气物理断开。

在完成试验前的检查后，确定各类试验设备工作正常，即可认为满足试验条件，下一步进行试验前警戒。在进行试验前，先在距离巷道口30m处，设置试验警戒带，设立警示牌，并设置试验警戒人员。在巷道排风口处同样设置警戒带，并且设立警示牌。警戒人员通过对讲机及时和现场试验人员进行沟通。

(2)抑爆试验步骤

①配气：连接压缩机与进气口管道，打开进，排气阀，启动空气压缩机。采用压缩空气对试验罐进行置换。置换30分钟后，关闭置换气体的进出口阀门，此时试验罐内为清洁常压空气。然后接通甲烷气瓶与配气管。打开甲烷配气阀门，同时观察压力表读数，由分压定律可得知：当压力表读数为10.5KPa时，试验罐内的甲烷浓度约为9.5％。此时关闭甲烷进气阀，静置30分钟让甲烷和空气充分混合。

②检测：然后在巷道外试验罐排气口处每隔5分钟用甲烷分析仪分析甲烷的真实浓度。连续分析三次，如果三次测得结果甲烷含量的变化量都不大于1％，那么可以认为甲烷气体已经混合均匀。如果甲烷含量变化量大于1％，再静置30分钟，再检测直到甲烷变化量满足试验要求。若检测到甲烷含量低于8.5％，那么就通入少量甲烷，然后按上述方法再检测直到满足试验条件；如果甲烷含量大于10.5％，那么就通入少量空气，然后按上述方法再检测直到满足试验条件。试验开始后，试验人员严禁进入巷道(若需进巷道，必须经当值试验负责人允许，且进入巷道不得少于2人，且携带唯一的能打开点火开关的钥匙和便携式甲烷探测仪)。

③点火：待配气检测合格后，关闭现场压力表、配气系统、以及瓦斯检测仪的阀门，并将配气系统(甲烷气瓶、空气压缩机)从气体导管末端配气口总阀门处拆除，将甲烷气瓶搬离巷道入口处。观察试验监测系统，视频监视系统，再次确保各处无安全隐患后，报告试验组织负责人，申请试验点火。在征得负责人的同意后点火人员接通点火开关线路，打开点火开关钥匙，启动火能量发生器。

④数据采集：当值试验负责人再最后确认各方面安全后，由当值试验负责人接通插入填料中心的点火能量发生器，并远程点火。观察爆炸压力采集系统的数据(P、dP/dt)和视频监控，及时记录试验数据。根据压力曲线的上升趋势以及爆破膜的破裂情况判断是否发生爆炸及爆炸类型(燃爆或爆轰)以及填料是否有效抑爆。

⑤重复验证试验：若点火后通过传感器和视频监控发现试压罐内并没有发生爆炸现象，那么还需要重复验证两次。

每次进行重复试验时，均需开启巷道通风风机，使其正常运行20min，使巷道内气体进行强制交换，确保巷道内甲烷气体处于安全水平。

其步骤如下：首先断开点火开关和各种信号线电源，打开进、排气阀，接通压缩机与进气管道，然后启动压缩机置换试验罐内含有甲烷的气体，检测排气口甲烷的含量，直到甲烷含量小于1％时，可以停止置换。最后重复上面的配气、检测、点火和数据采集步骤。若三次点火均未发生爆炸，那么可以认为该次试验条件下的填料配置是可以起到阻爆作用的。注意：此步骤过程操作人员不得进入巷道内。

⑥更换填料：更换填料时有两种情况：一是如果重复试验已经做完，爆破膜还完好，罐内充满甲烷混合气体；二是如果上次试验发生了爆炸，爆破膜已经破裂，无法用分析仪分析里面气体。更换填料步骤如下：首先，若是情况一，断开点火开关和各种电源线，打开试验罐进、排气阀利，用压缩机对罐内气体进行置换，用分析仪检测甲烷含量，直到罐内甲烷含量小于0.1％。若是情况二，断开点火开关和各种电源线，打开试验罐进气阀，连接压缩机与进气管道，启动压缩机置换试验罐内气体，同时打开巷道排风扇。1小时后，在征得试验现场负责人的情况下，两名以上的试验操作人员带上便携式甲烷探测仪进入巷道进行填料更换作业。检测试验罐是否有损毁情况，检查传感器连接是否有异常，管道连接是否有松动，为下次试验做好准备。

2、阻火试验，如图4所示，包括以下步骤：

(1)试验前准备

阻火试验中点火装置安置在试验罐的火焰加速段前端，此外，试验罐上需要安装火焰传感器。

(2)阻火试验步骤

①配气：连接压缩机与进气口管道，打开进，排气阀，启动空气压缩机。采用压缩空气对试验罐进行置换。置换30分钟后，关闭置换气体的进出口阀门，此时试验罐内为清洁常压空气。然后接通甲烷气瓶与配气管。打开甲烷配气阀门，同时观察压力表读数，由分压定律可得知：当压力表读数为10.5KPa时，试验罐内的甲烷浓度约为9.5％。此时关闭甲烷进气阀，静置30分钟让甲烷和空气充分混合。

②检测：然后在巷道外试验罐排气口处每隔5分钟用甲烷分析仪分析甲烷的真实浓度。连续分析三次，如果三次测得结果甲烷含量的变化量都不大于1％，那么可以认为甲烷气体已经混合均匀。如果甲烷含量变化量大于1％，那么再静置30分钟，再检测直到甲烷变化量满足试验要求。若检测到甲烷含量低于8.5％，那么就通入少量甲烷，然后按上述方法再检测直到满足试验条件；如果甲烷含量大于10.5％，那么就通入少量空气，然后按上述方法再检测直到满足试验条件。试验开始后，试验人员严禁进入巷道(若需进巷道，必须经当值试验负责人允许，且进入巷道不得少于2人，且携带唯一的能打开点火开关的钥匙和便携式甲烷探测仪)。

③点火：待配气检测合格后，关闭现场压力表、配气系统、以及瓦斯检测仪的阀门，并将配气系统(钢瓶、空气压缩机)从气体导管末端配气口总阀门处拆除，将甲烷气瓶搬离巷道入口处。观察试验监测系统，视频监视系统，再次确保各处无安全隐患后，报告试验组织负责人，申请试验点火。在征得负责人的同意后点火人员接通点火开关线路，打开点火开关钥匙，启动火能量发生器。

④数据采集：当值试验负责人再最后确认各方面安全后，由当值试验负责人接通插入填料中心的点火能量发生器，并远程点火。观察爆炸压力采集系统的数据(P、dP/dt)、火焰采集系统和视频监控，及时记录试验数据。根据压力曲线的上升趋势、火焰采集系统读数以及视频监控判断该次试验填料配置是否有阻火功能。

⑤重复验证试验：若通过火焰采集系统发现填料能阻火，那么还需要重复验证两次。由于火花塞是在空筒段点火，所以不论填料是否阻火，都会发生爆炸，爆破膜肯定会被破坏。

每次进行重复试验时，均需开启巷道通风风机，使其正常运行20min，使巷道内气体进行强制交换，确保巷道内甲烷气体处于安全水平。

重复试验骤如下：首先断开点火开关和各种信号线电源，打开进气阀，接通压缩机与进气管道，然后启动压缩机置换试验罐内含有甲烷的气体，同时打开巷道排风扇。1小时后，在征得试验现场负责人的情况下，两名以上的试验操作人员带上便携式甲烷探测仪进入巷道进行爆破膜更换作业。检测试验罐是否有损毁情况，检查传感器连接是否有异常，管道连接是否有松动，为下次试验做好准备。最后重复上面的配气、检测、点火和数据采集步骤。若三次点火填料都能实现阻火，那么可以认为该次试验条件下的填料配置是可以起到阻火作用的。

⑥更换填料：上次试验昨晚后，需要更换填料时，首先断开点火开关和各种电源线，打开试验罐进气阀，连接压缩机与进气管道，然后启动压缩机置换试验罐内气体，同时打开巷道排风扇。1小时后，在征得试验现场负责人的情况下，两名以上的试验操作人员带上便携式甲烷探测仪进入巷道进行填料更换作业。检测试验罐是否有损毁情况，检查传感器连接是否有异常，管道连接是否有松动，为下次试验做好准备。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。