一种重气泄漏扩散与控制研究实验方法与流程

本发明涉及液化天然气安全技术领域，尤其涉及一种重气泄漏扩散与控制研究实验方法。

背景技术：

重气诸如二氧化碳、液化天然气(LNG)等，因其特殊用途得到广泛应用，增长迅速。但这种气体发生泄漏，蒸气沿地表扩散，会造成一定的危害，甚至引发爆炸。研究重气扩散特点以及如何控制泄漏扩散影响范围，降低危害后果，控制泄漏扩散风险，成为保障安全的关键问题之一。

根据对国内外现行的重气泄漏扩散研究装置的调研发现，国内外研究在重气泄漏扩散研究还远远不够。所涉及的国内外主要的专利有以下几项。

中国专利CN104297424A公开了一种LNG泄漏水幕控制实验方法，实验装置包括泄放系统、水幕系统、数据采集系统及控制系统，其中泄放系统包括LNG储罐、LNG泄放罐、惰性气体气瓶、泄放喷头；水幕系统包括水输入管线、水幕喷嘴；所述数据采集系统包括信号处理器、热电偶、甲烷浓度检测仪、风速仪、湿度计、高速摄像机；LNG储罐通过管线与重气泄放罐相连，LNG泄放罐通过泄放管线与泄放喷头相连，水输入管线一端设有水幕喷嘴，水幕区域内设有监测点阵列，所述监测点通过数据线与数据采集系统相连，数据采集系统通过数据线与控制系统相连。该套实验装置用于进行LNG泄漏水幕控制实验。

中国专利CN104318623A涉及一种LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示方法，主要解决现有技术中没有考虑LNG接收站复杂环境因素对扩散爆炸的影响、没有进行严格的模拟计算的问题。该发明通过采用一种LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示方法，用户通过登录LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示平台，查看不同事故场景下LNG泄漏扩散及爆炸影响范围，根据对事故的判断及模拟展示结果，规划合理的逃生路线；所述LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示平台包括LNG接收站三维模型、可信的LNG接收站泄漏及燃爆事故场景、基于CFD计算的泄漏及燃爆计算结果、触摸屏的技术方案较好地解决了上述问题，可用于LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示中。

中国专利CN104989956A一种撬装式LNG站场LNG泄漏扩散控制应急装备，包括可移动式撬装底座，可移动式撬装底座上设置有泡沫混合液桶和氮气钢瓶，氮气钢瓶和泡沫混合液桶通过氮气输送管路相连，泡沫混合液桶上方设置有高倍数泡沫发生器，泡沫混合液桶通过泡沫混合液输送管与高倍数泡沫发生器连通，高倍数泡沫发生器的后端安装有防爆鼓风机，防爆鼓风机与移动电源相连，移动电源设置在可移动式撬装底座上。本发明可应用于LNG加气站、LNG接收站、液化工厂、LNG调峰站、液化石油气等场所，在LNG站场发生大面积泄漏后可立即投入使用，产生高倍数泡沫以控制LNG液池中蒸气云的蒸发扩散，降低蒸发率，避免造成更严重的次生灾害。

中国专利CN102879305A LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台及其实验方法，包括由LNG储罐、绝热管道、实验装置、防爆隔离墙组成的实验系统；由电子天平、点火系统、甲烷浓度检测仪、热电偶树、数据采集器、摄像机组成的测试系统和由PLC控制系统、各类显示仪表和控制阀门组成的控制系统。通过对可换装表面材料和调整角度的LNG表面蔓延实验装置的设计，可进行重气在不同物质表面和流淌速度下蔓延、气化扩散的实验模拟；配合点火系统和甲烷浓度检测仪，实现重气气云浓度变化监测以及气云点火，并自动进行数据和图像采集。该平台具有实验时间短费用低，实验效率高等优点。采用本设计实验步骤少且在严格监测和控制下保障实验安全，操作简便，实验可重复性高。

以上专利技术，均对重气泄漏扩散进行了研究和设计。以上各专利，在应用于重气泄漏扩散防治技术研究时存在以下问题：

(1)以上各专利均可对不同控制方法下重气泄漏扩散气云分布、爆炸燃烧特性进行研究，但并不能通过实验给出何种条件下最佳控制方法或者控制方法的组合。

(2)以上专利主要用于研究单一情况下重气泄漏扩散，没有形成不同条件下影响重气泄漏扩散的关键因素，因素影响程度，对不同控制应急技术下重气泄漏扩散特性以及作用机理进行模拟研究。

总之，以上专利对重气泄漏以及采取的控制技术进行小型实验研究并不全面。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种重气泄漏扩散与控制研究实验方法，本发明可解决现有技术尚无不同条件(自然条件、泄漏条件、控制技术)下控制重气泄漏扩散危害的关键因素、因素影响程度以及控制技术的作用机理研究的问题，且具有准确估计因素大小、各因素之间交互作用、试验次数少、实验结果直观易分析的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种重气泄漏扩散与控制研究实验方法，包括以下步骤：

(1)通过正交试验进行控制技术本身，得到影响性能的关键因素与影响程度大小；

(2)根据得到的关键因素进行细化控制实验，确认关键因素与影响程度大小之间的量化关系；

(3)通过正交试验进行重气泄漏扩散与控制实验，确定不同条件下影响重气云浓度与分布的关键因素、影响程度，追踪物质能量去向，揭示控制机理，寻找各个控制技术之间作用关系；

(4)根据得到的各个控制技术之间作用关系、关键因素和影响程度，建立数学模型，预测不同环境条件、泄漏条件和对应的控制技术下蒸发率，以及下风向LFL最远距离。

所述步骤(1)中，控制技术包括泡沫控制、水幕控制或/和障碍物控制。

所述步骤(1)中，表征高倍泡沫性能的参数包括发泡倍数、破裂率、泡沫大小与分布，影响其性能可调节的关键因素包括泡沫原液种类、喷嘴、滤网、进气量和泡沫液压力；影响水幕性能的关键因素为水量、水压力和喷嘴，通过选取有代表数据，建立正交试验，进行数据处理，得到影响性能的关键因素与影响程度大小。

所述步骤(2)中，对步骤(1)中得到的结论补做验证实验，完善数据，建立量化关系式。

所述步骤(3)中，不同性能高倍泡沫、水幕和不同样式障碍物在不同自然环境下对LNG泄漏扩散影响不同，根据得到影响高倍泡沫、水幕性能的因素以及量化关系，根据得到的结论挑选有代表性的参数。

所述步骤(3)中，障碍物形状、尺寸和位置均会对LNG蒸气云浓度分布产生影响，障碍物的实验尺寸是根据实物尺寸按一定比例缩放得到。

所述步骤(3)中，通过正交试验找到不同条件下影响重气云浓度与分布的关键因素、影响程度，同时关注泡沫冰冻层、加速重气气化效应的数据，根据实验结果补做实验以及采集到的数据进行数据分析整理，追踪物质能量去向，揭示控制机理，寻找各个控制技术之间作用关系，为数值模拟提供数据支撑。

所述步骤(3)中，自然条件包括温度、湿度、辐射和/或风速，泄漏条件包括泄漏孔径、泄漏形状、泄漏地形、泄漏量和/或泄漏位置。

所述步骤(4)中，得到各个控制技术的物性参数，建立数学模型，预测不同环境条件、泄漏条件、控制技术下蒸发率，以及下风向LFL最远距离。

所述步骤(4)中，各个控制技术本身存在最佳参数组合，相互之间存在影响，通过实验得到的数据积累以及数值模拟结果得到不同条件下LNG控制最佳技术参数，以得到得到不同条件下LNG控制最佳技术参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的适用范围广泛，可用作LNG在不同自然环境下泄漏扩散、高倍泡沫控制重气泄漏扩散危害原理、水幕控制重气泄漏扩散危害原理和障碍物控制重气泄漏扩散危害原理的研究；

(2)本发明通过正交试验对各种自然条件、泄漏条件、控制情况下得到影响泄漏扩散的关键因素、影响程度并量化，根据结果决定细化实验的进行；

(3)本发明通过正交试验可以找出各个因素之间的相互作用对控制技术本身、最终泄漏扩散控制效果影响大小，根据结果决定是否研究各个因素之间的相互作用；

(4)本发明通过正交试验得到表征控制技术作用效果指标之间是否存在关系、关系紧密程度，从而简化指标，得到影响泄漏扩散控制效果的关键指标；

(5)本发明通过细化实验得到各个因素、因素与控制泄漏扩散效果指标参数之间的量化关系，特殊现象的捕捉、观察、数据提取和量化分析，得到物质能量去向、控制技术的作用机理，为数值模拟、标准建立、设计指导积累原始数据。

(6)本发明降低了实验次数，节约了研究成本，简化了数据分析结果，丰富充实了实验数据，为控制体系建立提供书面量化指导。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的试验方法流程图；

图2是本发明的具体适用系统实施例结构图；

其中：1-风洞；2-重气储罐；3-低温液体泄漏收集池；4-低温液体回收罐；5-水幕喷头伸入孔洞；6-发泡筒伸入孔洞；7-质量天平；8-湿度调节器；9-温度调节器；10-辐射调节器；11-风速调节器；12-辅助加热器；13-水幕水管线；14-重气加注管线；15-低温液体回收管线；16-重气放空管线；17-色谱仪；18-重气加注阀门；19-重气加注流量计；20-低温液体回收阀门；21-重气放空阀门；22-风速仪；23-湿度仪；24-高速摄像机；25-普通摄像机；26-泄漏下游监测点阵列；27-液位计；28-储罐压力表；29-刻度尺；30-监测点阵列；31-湿度控制信号；32-温度控制信号信号；33-辐射控制信号；34-风速控制信号信号；35-泄漏地形控制信号；36-蒸发率接收信号；37-监测点阵列接收信号；38-风速接收信号；39-湿度接收信号；40-高速图像接收信号；41-普通图像接收信号；42-控制终端。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供的方法是一种能够根据需要进行不同环境条件、泄漏条件、控制技术情况下重气泄漏扩散研究。对于小型实验下控制技术本身缺乏认识，哪个参数影响高倍泡沫、水幕性能不知，首先需要对控制技术本身进行研究，而后进行泄漏后控制技术施加实验。由于涉及因素较多，而哪个为主导因素、影响大小以及之间的关系均需要分析研究，所以首先通过试实验确定研究因素取值范围，而后根据平台自带软件进行正交试验设计和对实验结果总结提取，根据此步结果细化补做实验，利用平台自带数据处理软件得到影响因素参数间、性能表征参数间量化关系，跟踪物质能量去向，分析控制机理，为数值模拟、标准建立、设计指导积累原始数据。通观所得结论，为控制体系建立提供书面量化指导。本发明对于通过各种控制技术的研究控制LNG泄漏危害具有非常好的效果。

如图1所示，包括以下步骤：

S101，通过正交试验进行控制技术本身研究；

S102，补做试验完善细化控制技术本身研究；

S103，通过正交试验进行重气泄漏扩散与控制研究实验研究；

S104，根据试验数据建立模型，进行数值模拟，得到蒸发率、重气浓度与分布、影响范围；

S105，建立完整的控制体系。

本发明的具体实施流程为：

步骤1所述的正交试验方法是：首先研究控制技术本身，在进行正交试验之前通过试实验确定各因素水平范围，为正交试验因素水平确定打下基础。表征高倍泡沫性能的参数包括发泡倍数、破裂率、泡沫大小与分布，而影响其性能可调节的关键因素包括泡沫原液种类、喷嘴、滤网、进气量、泡沫液压力，影响水幕性能的关键因素为水量、水压力、喷嘴，鉴于正交试验特点，先进行试实验，兼顾其他参数，挑选每个参数接近极端两个数值，利用平台自带软件建立正交试验，而后利用平台自带数据处理软件进行数据处理，得到影响性能的关键因素与影响程度大小，各个性能之间是否存在关系。

步骤2中，根据步骤1得到的结论找到影响控制性能的关键因素，补做实验，完善数据，建立因素与因素之间、因素与性能之间、性能与性能之间量化关系式。

步骤3中，不同性能高倍泡沫、水幕和不同样式障碍物在不同自然环境下对泄漏扩散影响不同，前两步得到影响高倍泡沫、水幕性能的因素以及量化关系，根据得到的结论挑选有代表性的参数。障碍物形状、尺寸和位置均会对蒸气云浓度与分布产生影响，基于小型实验，实验尺寸是根据实物尺寸按一定比例缩放得到的，对于障碍物的尺寸可根据本平台的数据处理软件直接输入得到，由于涉及多因素哪个因素主导，首先兼顾其他参数，挑选每个参数接近极端两个数值，通过正交试验找到不同条件(自然条件、泄漏条件、控制技术)下影响LNG蒸气云浓度与分布的关键因素、影响程度，同时关注泡沫冰冻层、加速气化效应等特殊现象相关数据，根据实验结果补做实验以及采集到的数据利用平台自带数据处理软件进行数据分析整理，追踪物质能量去向，揭示控制机理，寻找各个控制技术之间作用关系，为数值模拟提供数据支撑。自然条件包括温度、湿度、辐射、风速，泄漏条件包括泄漏孔径、泄漏形状、泄漏地形、泄漏量、泄漏位置。

步骤4中，根据前步实验数据，得到各个物性参数，建立数学模型，预测不同环境条件、控制技术下LNG蒸发率，以及下风向LFL最远距离。

步骤5中，各个控制技术本身存在最佳参数组合，不同控制技术也并非孤立存在，相互之间存在影响，只有各个技术参数在设计时相互配合才能达到最佳的控制效果，通过实验得到的数据积累以及数值模拟结果得到不同条件下泄漏扩散控制最佳技术参数。

本发明可以用来做以下研究：

(1)LNG在不同自然环境下泄漏扩散

不同自然环境(温度、湿度、辐射、风速)下重气泄漏后浓度与分布不同，本方法通过控制温度、湿度、辐射、风速，在自然环境和控制手段不同时，通过正交试验、测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析，即可得到不同自然环境下控制泄漏扩散危害的关键因素、影响程度、最佳参数。

(2)高倍泡沫控制重气泄漏扩散危害原理

调节影响泡沫性能的5大参数，分析不同性能高倍泡沫与低温液体、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，得到关键因素、影响程度、最佳参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。

(3)水幕控制重气泄漏扩散危害原理

调节影响水幕性能的4大参数，分析不同性能水幕与低温液体、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，得到关键因素、影响程度、最佳参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。

(4)障碍物控制重气泄漏扩散危害原理

改变障碍物形状、尺寸、位置，分析不同障碍物与低温液体、重气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，得到关键因素、影响程度、最佳参数，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。

本发明基于的实验平台包括：通用实验风洞系统、重气加注与回收系统、控制技术测试实验系统、辅助加热系统、数据采集与处理系统。所述实验风洞系统可模拟重气自然环境下泄漏扩散；所述数据采集系统包括信号处理器、刻度尺、热电偶、氧气浓度检测仪、风速仪、湿度计、普通摄像机、高速摄像机、蒸发率测量器。

如图2所示，一种重气泄漏扩散及控制研究实验平台，包括通用实验风洞系统、重气加注与回收系统、控制技术测试实验系统、辅助加热系统、数据采集与处理系统。本发明模拟分析LNG在不同泄漏尺寸形状位置、温度、湿度、风速、辐射以及主动与被动控制技术(障碍物(围堰、高墙)、水幕、高倍泡沫)下影响蒸发率以及泄漏扩散蒸气温度、浓度与分布的关键因素、影响程度，微小细节的观察提取分析(诸如泡沫破裂过程)，追踪物质能量去向，进行机理研究，建立数值模拟。

当然重气的成分可以为其他，如二氧化碳。

所述重气加注与回收系统包括重气储罐2、低温液体泄漏收集池3、低温液体回收罐4、加注管14、回收管15；所述控制技术测试实验系统包括高倍泡沫控制测试部分、水幕控制测试部分、障碍物控制部分，在本装置中只预留出各个控制测试部分的孔洞，实验时将控制技术其他组件与预留孔洞连接即可进行实验。所述高倍泡沫控制测试部分预留孔洞为发泡筒伸入孔洞6。所述水幕控制测试实验部分预留孔洞为水幕喷头伸入孔洞5。所述数据采集装置包括刻度尺29、监测点阵列30、高速摄像机24、普通摄像机25、质量天平7、色谱仪17，其中监测点阵列包括热电偶、氧气浓度检测仪；所述的控制系统包括温度、湿度、辐射量、风速、压力、流量等显示仪表以及各类控制阀门、显示仪器。

重气储罐通过泄漏管线释放进入试验段，对于低温液体则将重气储罐(低温液体储罐)与低温液体泄漏收集池相连，低温液体泄漏收集池通过回收管线与低温液体回收罐相连，高倍泡沫发生装置与发泡筒相连，水输入管线一端设有水幕喷嘴，测试区域下游根据需要设有可调节监测点阵列，所述监测点通过数据线与数据采集系统相连，数据采集系统通过数据线与控制系统相连。

重气存储在绝热低温的重气储罐2中，储罐上装有压力表28、液位计27、流量计19，用来监视重气储罐的状态、重气泄漏量；低温液体泄漏收集池3用来存储单次实验所使用的重气，在进行实验前，将实验所需的一定量的低温液体从低温液体储罐引入泄漏收集罐中，如果是重气，直接从重气储罐引入实验装置中；在进行泄漏实验过程中，通过控制储罐的出口阀控制重气泄漏量；泄漏出的低温液体、重气通过管线14接到低温液体泄漏收集池3或直接进入实验装置，可根据实验需求选择不同形状、孔径的泄放管。

根据需要将低温液体泄漏收集池3、控制技术测试系统装入风洞内，可以根据需要通过风洞内自带的湿度调节器8、温度调节器9、辐射调机器10、风速调节器11调节重气泄漏环境中的温度、湿度、辐射量、风速。

制造水幕所需要的水通过水输入管线13引入，水管上装有压力表、流量计、出口阀用来控制水量；引入水管与水幕喷头相连，水幕喷头为可拆卸更换设备，可根据实验需求选择不同形状、孔径的喷头，可以制造不同形状、尺寸、水流量水幕。实验时只需将水输入管线连接水幕喷头通过水幕喷头预留孔洞中引入风洞中。

制造高倍泡沫所需泡沫液通过管线引入高倍泡沫发生器，经高倍泡沫发生器产生的高倍泡沫经发泡筒引入泡沫接收罐，可根据实验需要选择不同泡沫液、泡沫液流量压力、引风量、喷头、滤网，可以制造不同发泡倍数、破裂率、尺寸、覆盖性能的高倍泡沫。实验时只需将泡沫发生装置各个部分连接调试好，而后连接发泡筒通过发泡筒预留孔洞中引入风洞中。

在泄漏口下游布置若干监测点30，在每个点上相应安放热电偶、氧气浓度分析仪并与数据采集器相连；同时布置风速仪24、湿度计25、高速摄像机26、普通摄像机27记录采集实验影像资料和气象数据；对于控制技术测试部分可根据需要再安装相应的传感器，如高倍泡沫发泡筒上部、水幕喷头下方安装热电偶、氧气传感器；对于特殊现象如高倍泡沫施加到低温液体上形成冰冻层，通过电锯将重气冰冻层提取，通过常压水解法得到冰冻层含气量，而后抽取气体通过色谱仪17分析气体组分。

所述的控制系统包括温度、湿度、辐射量、风速、压力、流量等显示仪表以及各类控制阀门，各类显示仪器安装在相应的储罐、设备及附属管线上，控制阀门安装在相应储罐的进出管线上；所述的数据采集系统与控制系统的相连，并将采集到的数据信号汇总到控制系统终端进行处理。

所述监测点阵列由一系列的分布在重气泄放口下游的监测点组成，每个监测点上同时布置了热电偶、氧气浓度检测仪，监测点位置可根据需要进行调节，各个监测点的检测信号汇集到信号处理器进行数据的记录并保存，并连接到控制终端，实时显示各监测点物理参数的变化。

所述的实验平台可模拟重气泄漏到不同地形上情景，根据半无限大物体导热公式，得到不同温度地形表面泄漏上重气之后温度变化曲线，由平台输入界面直接输入相关参数，即可启动控制系统调节辅助加热系统加热功率模拟不同地形不同温度情况下重气泄漏扩散情景。

本发明根据需要，进行不同缩放比例下重气泄漏扩散模型，由数据处理系统给出相应的重气泄漏量、风速。根据质量天平质量的变化得到重气蒸发率，根据刻度尺、普通摄像机的捕捉以及后期数据处理，得到所需数据进而进行能量去向跟踪。由可移动监测点阵列将无色气云可视化，得到重气泄漏源下游气云的温度、浓度与分布。通过高速摄像机捕捉泡沫破裂过程、水幕形成过程、泡沫冰冻层形成过程等过程中物质的去向，再综合其他测量数据分析。

所述实验平台可进行多种控制技术的小型实验，可给出各相关量将尺寸因子考虑在内转换计算取值，控制技术参数可任意单独调节，控制技术性能如泡沫发泡倍数、稳定性、泡沫大小与分布、水幕颗粒大小与分布可给出量化数值，可给出能量去向。

所述实验平台对蒸气浓度的测量统一采用氧气浓度传感器，提高了通用性，更换气体也可实现测量。

优选的，所述的通用实验风洞系统测试段截面为矩形，便于实验装置的安装；测试段透明，便于实验现象的观察与数据记录；测试段带旋转升降平台，可以对液池位置进行高度、相对角度调整。

所述的通用实验风洞系统通过加热器、加湿器、变频风机、辐射板可模拟不同温度、湿度、风速、辐射情况下的自然环境。

实验结束后将低温液体泄漏收集池及其附属管线内剩余的低温液体回收、排空。

当然，上述实验平台只是一种实施方案，只要实验平台可以测试各种环境下，障碍物(围堰、高墙)、水幕、高倍泡沫控制技术对于重气泄露扩散的控制的实验平台，都可以适用本发明提供的试验方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。