一种受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台及方法与流程

本发明涉及防爆防火安全技术，尤其涉及一种受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台及方法。具体提供一种受限空间可燃气体燃爆、气相回燃及固、液相轰燃模拟与爆炸泄压、抑爆的实验平台，是一种属于燃烧、爆炸实验模拟与抑制的多功能综合性实验平台装置。

背景技术：

受限空间内的可燃气体爆炸事故是石油化工等工业生产场所及人民日常生活场所中常见的灾害事故类型，有关受限空间内的燃爆演化规律及其防爆、抑爆技术是当前火灾爆炸防治技术领域研究的热点。目前，对受限空间内可燃气体燃爆特性，压力波、火灾发展规律及爆炸抑制的相关研究主要集中在管道、爆炸容器以及巷道等实验装置中，且研究对象多是单一的燃爆防治技术，尚缺乏可模拟实尺度建筑类受限空间内燃爆以及可同时模拟多种爆炸防治技术的综合性实验装置及方法。此外，针对建筑受限空间中常见的轰燃、回燃事故，目前研究主要采用小尺度的实验装置，缺乏实尺度的受限空间轰燃、回燃模拟及抑制实验方法及装置，且目前尚没有可综合模拟建筑受限空间内燃爆、轰燃、回燃以及爆炸泄压、抑爆的实验装置与方法。

技术实现要素：

鉴于现有技术状况，本发明的目的是提供一种受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台及方法。即针对不同的可燃气体样品，研制可满足不同浓度梯度、不同点火位置及点火能量，以及不同泄爆参数（泄爆口类型、数量、位置等）条件下，建筑受限空间燃爆特征参数测试、泄爆动力过程观测以及采用水雾、气体等抑制剂进行惰化和爆炸抑制的综合性实验平台及方法。同时，该实验平台可实现不同燃料类型、不同燃料分布等条件下，受限空间内轰燃、回燃及其抑制的可重复性模拟及消防真火训练。

本发明采取的技术方案是：一种受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台，其特征在于，所述实验平台包括实验舱、点火系统、抑制系统、配气系统、数据采集系统、控制系统以及主控计算机，点火系统、抑制系统、配气系统、数据采集系统连接在实验舱舱体上，控制系统分别与点火系统、抑制系统、配气系统、数据采集系统无线连接；控制系统与主控计算机连接；所述实验舱为立体方舱，在实验舱顶面预留多个抑制剂喷口；在实验舱的顶面设有窗式泄爆口，窗式泄爆口由数个不同尺寸的回字型凸台结构的泄压膜框通过高强螺栓嵌套而成，实现泄爆口尺寸的可调节；在进行燃爆实验时，在实验舱一侧壁设置窗式泄爆口，或通过拆卸半边开口封条与半边开启面板上的螺栓，设置半边全开式泄爆口；在进行轰燃实验和回燃实验时，实验舱一侧壁设为可快速开启的门式泄爆面，门式泄爆面通过可快速开启铰链与实验舱的舱体连接，并通过高强螺栓嵌套的方式实现舱门宽度的可调节。

本发明所述的一种采用受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台进行实验的方法，其特征在于，该方法包括：受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验；受限空间轰燃模拟与抑制实验；受限空间回燃模拟与抑制实验。

一、受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验

在进行受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验时，根据实验需要选择使用侧壁窗式泄爆口或半边全开式泄爆口，首先分别或同时使用顶面和一侧壁泄爆口，调节泄爆口的尺寸，并在泄爆口上安装不同类型泄爆材料，在保证实验舱密闭性要求的前提下，同时实现不同破膜压力的泄爆模拟；根据实验需求，分别或同时使用不同类别的抑制系统；根据实验需求，通过配气系统将可燃气体和空气按配比浓度体积比从两个气体进样接口处充入实验舱内，实现实验舱内混合气体的均匀或非均匀分布；然后通过控制系统同步或延迟开启点火系统以及抑制系统，观测并记录相关特征参数；通过分别或同时使用窗式泄爆口和抑制系统，可实现受限空间内泄爆、抑爆实验的单独或同时模拟。

二、受限空间轰燃模拟与抑制实验

在进行受限空间轰燃模拟与抑制实验时，解除配气系统和点火系统与实验舱之间的连接，并将相应连接口封闭；根据实验需要安装好壁面材料固定装置，铺设熔融或非熔融壁面材料，在底面铺设带网格底板，在带网格底板上设置用于测量熔融材料油池面积的热电偶；按预先设计的数量、位置以及摆放方式在底面设置标准燃烧物，来控制燃烧物对壁面材料的辐射引燃效率，实现不同火灾荷载密度、不同辐射引燃条件下的轰燃模拟；人为点燃标准燃烧物，观测并记录舱内温度发展变化情况以及熔融材料熔化形成的池火面积，进而提出引火源放热量与轰燃时间的量化关系，并建立熔融材料轰燃预测模型；当进行轰燃抑制实验时，根据实验需求选择不同类别的抑制系统，并通过控制系统在轰燃发生后启动抑制系统，观测并记录相关实验参数。

三、受限空间回燃模拟与抑制实验

在进行受限空间回燃模拟与抑制实验时，在实验舱底面放置燃烧器，并通过预设的燃烧器供气口将燃烧器与配气系统连接；首先开启配气系统向燃烧器供应燃料，使燃烧器开始燃烧耗氧，随后关闭门式泄爆面；在设定时间关闭电磁阀停止燃气供应，随之采用控制系统快速开启门式泄爆面，观测实验现象并记录温度、压力参数；对于回燃抑制实验，先根据需求选择抑制系统（4），当燃烧器开启燃烧、门式泄爆面关闭后，开启抑制剂喷头向舱内喷放抑制剂，并记录喷放质量，在设定时间停止燃气供应，随之采用控制系统快速开启门式泄爆面，测试评价回燃抑制效果。

本发明所产生的有益效果是：

1、通过在不同泄爆面上设置回字型凸台结构的泄压膜框，实现不同泄爆口尺寸、数量下的泄爆实验模拟。

2、通过在实验舱顶面设置多个抑制剂喷口，实现爆炸后不同位置、不同数量、不同类型抑制剂的单独或同时作用，亦可实现爆炸前的本质安全惰化。

3、通过同时使用泄爆口以及抑制系统，实现受限空间多种燃爆防治技术下的实验模拟。

4、通过设计的标准燃烧物的布置、摆放方法，来控制引火源对壁面材料热辐射引燃效率，实现不同火灾荷载密度、不同辐射引燃条件下的受限空间轰燃模拟。通过在底面标注网格线，并设置互成定角的数列热电偶，实现熔融壁面材料形成池火面积的准确测量，为熔融材料轰燃预测模型的建立提供基础数据。

5、采用可调节宽度、可快速开启的门式泄爆面，并辅以组分分析仪，实现不同通风条件下回燃发生临界条件的数据测量。

本发明实验平台可实现燃爆、轰燃、回燃模拟以及爆炸泄压、抑制等实验，具有综合性及多功能性的特点。采用本发明的实验平台和方法，进行不同浓度分布、不同泄爆条件、不同点火位置、不同抑爆条件下的实尺度建筑受限空间内的燃爆、抑爆实验，为建筑类受限空间内泄爆参数预测模型的建立以及高效抑爆技术的提出提供相关实验参数。同时，通过将燃爆实验用装置进行轻微改造，可进行实尺度受限空间内轰燃、回燃的模拟与抑制实验，为建筑受限空间内轰燃、回燃预测模型及应急处置方法的提出提供基础数据。

附图说明

图1为本发明各部分结构连接示意图；

图2、为本发明在进行受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验时，实验舱外部结构示意图；

图3为本发明在进行受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验时，实验舱内部结构布置示意图；

图4为本发明在进行受限空间轰燃模拟与抑制实验时，实验舱布置示意图；

图5为本发明在进行受限空间回燃模拟与抑制实验时，实验舱布置示意图；

图6为本发明实验舱上泄压膜框结构示意图；

图7为图6的a-a侧视图；

图8为本发明工作原理及实验流程图。

图中：1-实验舱，2-点火系统，201-可伸缩点火电极，3-窗式泄爆口，301-泄压模框，4-抑制系统，401-高速气动阀，402-抑制剂喷头，403-抑制剂喷口，404-电磁阀，405-抑制剂储罐，406-减压阀，407-高压储气罐，5-配气系统，501-气体进样口，502-流量计，503-电磁阀，504-回火防止器，505-气体配比混合器，506-减压阀，507-压力表，508-燃气瓶组，509-燃烧器供气口，6-数据采集系统，601-气体采样器，602-压力传感器，603-温度传感器，604-浓度传感器，605-热电偶树，606-组分分析仪，7-控制系统，701-可编程控制器，702-无线路由器，8-主控计算机，9-高强螺栓，10-半边开口封条，11-半边开启面板，12-加强筋，13-门式泄爆面，14-可快速开启铰链，15-壁面材料，16-带网格底板，17-标准燃烧物，18-热电偶，19-燃烧器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1、图2、图3、图4和图5，受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台包括实验舱1、点火系统2、抑制系统4、配气系统5、数据采集系统6、控制系统7以及主控计算机8，点火系统2、抑制系统4、配气系统5、数据采集系统6连接在实验舱1舱体上，控制系统7分别与点火系统2、抑制系统4、配气系统5、数据采集系统6无线连接；控制系统7与主控计算机8连接；实验舱1为立体方舱，在实验舱1顶面预留多个抑制剂喷口403；在实验舱1的顶面设有窗式泄爆口3，窗式泄爆口3由数个不同尺寸的回字型凸台结构的泄压膜框301通过高强螺栓9嵌套而成，通过将泄压膜框301上的高强螺栓9拆下，并取下泄压膜框301来实现不同的泄爆口尺寸；在进行燃爆实验时，在实验舱1一侧壁设置窗式泄爆口3，或当实验需要更大的泄爆口尺寸时，可将半边开口封条10及半边开启面板11上的螺栓拆卸，并打开半边开启面板11，设置半边全开式泄爆口；在进行轰燃实验和回燃实验时，实验舱1一侧壁设为可快速开启的门式泄爆面13，门式泄爆面13通过可快速开启铰链14与实验舱1的舱体连接，并通过高强螺栓9嵌套的方式实现舱门宽度的可调节。

实验舱1采用不锈钢板制作，在各舱体面上设有加强筋12，用以保证安全性。

受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台的抑制系统4包括高速气动阀401、抑制剂喷头402、电磁阀404、抑制剂储罐405、减压阀406和高压储气罐407，依次连接在管路上，管路均设在舱体外部，抑制剂喷头402通过实验舱1顶面的抑制剂喷口403嵌入舱体，如图1所示。通过在不同位置的抑制剂喷口403设置不同数量、不同类型的抑制剂喷头402，实现对受限空间燃爆的被动抑制及主动安全惰化。

受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台的配气系统5包括燃气瓶组508、压力表507、减压阀506、气体配比混合器505、回火防止器504、电磁阀503、流量计502，依次连接在管路上，并分两路分别与位于实验舱1一侧壁上部和下部的气体进样口501连接，如图1所示。配气系统5可实现实验舱1内均匀或非均匀浓度的精密配置。

受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台的数据采集系统6包括气体采样器601、组分分析仪606、压力传感器602、温度传感器603、浓度传感器604以及用于轰燃和回燃实验温度测量的热电偶树605；其中气体采样器601、压力传感器602、温度传感器603、浓度传感器604以及用于轰燃和回燃实验温度测量的热电偶树605分别安装在实验舱1的舱体内。沿高度方向安装氧浓度传感器604，通过标定和计算实现非均匀浓度梯度的检测。上述数据采集系统的采集装置可通过舱体上的开口设置在实验舱内的不同位置，以实现不同位置处压力、温度及气体浓度等参数的测量。

受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台的点火系统2采用可伸缩点火电极201，可伸缩点火电极201通过预设的安装孔安装在实验舱1的舱体内，可实现不同位置的电点火及化学点火。

受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台的控制系统7采用可编程控制器701及无线路由器702，通过可编程控制器701实现对点火系统、配气系统及抑制系统的无线控制，并采用无线和有线两种与主控计算机8间的数据传输方式，实现舱体与控制系统的人机分离，同时保障数据传输的安全可靠。

本发明采用受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验平台进行实验的方法包括：受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验；受限空间轰燃模拟与抑制实验；受限空间回燃模拟与抑制实验。

一、受限空间燃爆模拟与爆炸泄压、抑爆实验

参照图1、图2和图3，分别或同时使用实验舱1顶面的窗式泄爆口3和一侧壁的窗式泄爆口3或半边全开式泄爆口，通过调节窗式泄爆口3的尺寸，实现实验要求的泄爆参数条件；首先在泄爆口上安装不同类型泄爆材料，在保证实验舱密闭性要求的前提下，同时实现不同破膜压力的泄爆模拟；气体采样器601、压力传感器602、温度传感器603、浓度传感器604分别安装在实验舱1的舱体内，点火系统的可伸缩点火电极201通过预设的安装孔安装在实验舱1舱体内，根据实验需求，通过配气系统5将可燃气体和空气按配比浓度体积比从两个气体进样接口501处充入实验舱内，实现实验舱内混合气体的均匀或非均匀分布；然后通过控制系统同步或延迟开启点火系统2来进行受限空间可燃气燃爆、泄爆实验；当进行受限空间抑爆实验时，根据实验需求，分别或同时使用不同类别的抑制系统4（水雾、气体和干粉）；配气系统配气完成后，利用控制系统同时或延迟启动点火系统2以及抑制系统4，通过数据采集系统6记录相关特征参数；当需要同时进行受限空间内的泄爆和抑爆实验时，首先按上述方法完成泄爆口3设置，并选择相应的抑制系统4（水雾、气体和干粉）；配气系统配气完成后，利用控制系统在设定的时间启动点火系统2以及抑制系统4，观测并记录相关特征参数。

二、受限空间轰燃模拟与抑制实验

参照图1和图4，将实验舱1顶面的窗式泄爆口3封闭；侧壁替换安装可快速开启的门式泄爆面13，将用于温度测量的热电偶树605安装在实验舱内，根据实验需要在实验舱内壁安装好壁面材料固定装置，铺设熔融或非熔融壁面材料15，在底面铺设带网格底板16，在带网格底板16上设置用于测量熔融材料油池面积的热电偶18；按预先设计的数量、位置以及摆放方式在底面设置标准燃烧物17，来控制燃烧物对壁面材料的辐射引燃效率，实现不同火灾荷载密度、不同辐射引燃条件下的轰燃模拟；人为点燃标准燃烧物17，观测并记录舱内温度发展变化情况以及熔融材料熔化形成的池火面积，进而提出引火源放热量与轰燃时间的量化关系，并建立熔融材料轰燃预测模型；当进行轰燃抑制实验时，根据实验需求选择不同类别的抑制系统4，并通过控制系统7在轰燃发生后启动抑制系统4，观测并记录相关实验参数。

三、受限空间回燃模拟与抑制实验

参照图1和图5，将实验舱1顶面的窗式泄爆口3封闭；侧壁替换安装可快速开启的门式泄爆面13，将点火系统的可伸缩点火电极201通过预设的安装孔安装在实验舱1的舱体内，将压力传感器602和用于温度测量的热电偶树605分别安装在实验舱内，在底面上放置燃烧器19，并通过预设的燃烧器供气口509将燃烧器19与配气系统5连接；首先开启配气系统5向燃烧器19供应燃料，使燃烧器19开始燃烧耗氧，随后关闭门式泄爆面13；在设定时间关闭电磁阀503停止燃气供应，随之采用控制系统快速开启门式泄爆面13，观测实验现象并记录温度、压力参数；对于回燃抑制实验，先根据需求选择抑制系统4，当燃烧器19开启燃烧、门式泄爆面13关闭后，开启抑制剂喷头402向舱内喷放抑制剂，并记录喷放质量，在设定时间停止燃气供应，随之采用控制系统7快速开启门式泄爆面13，测试评价回燃抑制效果。

本实验平台的实验舱为立体方舱，采用钢板配合加强筋、框架结构制作，以使实验舱具有不低于2mpa的耐压强度。此外，在进行轰燃、回燃实验时需在实验舱内增设隔热材料（硅酸铝刺毯棉），以使舱体具有足够的隔热性。实验舱的顶面和侧壁可开设不同类型的开口，用以安装传感器、点火器以及抑制系统喷头等装置。实验舱体的顶面和一侧壁设置窗式泄爆口（顶部泄爆口位于板中心位置，侧壁泄爆口位于中心靠上位置），窗式泄爆口由层层嵌套的回字型凸台结构的泄压膜框组成，通过将泄压膜框上的高强螺栓拆下并取下泄压膜框来实现不同的泄爆口尺寸。此外，侧壁窗式泄爆口下部的半边开启面板亦可通过螺栓拆卸，设置为半边全开式泄爆口。通过选取不同尺寸、不同类型、不同位置的泄爆口，以实现受限空间不同泄爆参数下的泄爆模拟。泄爆口上可安装不同类型泄爆材料，在保证实验舱密闭性要求的前提下，同时实现不同破膜压力的泄爆模拟。此外，侧壁可拆卸替换为门式泄爆面，门式泄爆面通过铰链与实验舱舱体连接，并可通过自动控制方式实现门式泄爆面的快速开启，以实现回燃实验时新鲜空气快速进入，门式泄爆面通过螺栓嵌套的方式实现舱门宽度的可调节。在实验舱顶面预留供水雾、气体及干粉抑制系统喷嘴安装的孔洞。可根据实验要求安装不同的抑制系统，以实现三种灭火抑制装置的分别或者同时使用。

在实验舱一侧壁的上部和下部分别安装气体进样接口，通过使用精密配气系统在舱内按要求比例配气，以实现舱体内气体的均匀混合或沿高度方向的非均匀分布。在实验舱不同位置设置传感器安装法兰，可用于安装爆炸波压力、火焰传播及温度的检测装置。在实验舱内安装有可伸缩点火电极，可实现不同位置的化学点火以及脉冲点火。

轰燃实验时，通过设计的标准燃烧物（gb/t31431-2015《灭火系统a类火试验用标准燃烧物》）的布置、摆放方法，来控制燃烧物对壁面材料的辐射引燃效率，实现不同火灾荷载密度、不同辐射引燃条件下的轰燃模拟；熔融壁面材料被引燃后熔化形成的油池面积，可通过底面事先标注好的网格线及铺设的数列热电偶测量，该参数可作为热释放速率增项引入热平衡方程，进而建立受限空间内熔融材料轰燃的预测模型。回燃实验时，在实验舱底面设置燃烧器，并通过相应的燃烧器供气口与外部的配气系统相连，以实现回燃实验的先导燃烧条件。燃烧器耗尽舱内氧气后，通过控制门式泄爆面的快速开启来实现回燃。

参照图1，实验舱、进气系统、抑制系统、点火系统等由无线控制系统集中控制，可实现的主要功能包括：按要求精密配气、同步及延迟点火、同步及延迟抑制系统喷放、门式泄爆面快速开启、多路同步数据采集。控制系统采用无线和有线两种数据传输方式，可实现实验舱与控制系统的人机分离，同时保障数据传输的安全可靠。