气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统及方法与流程

1.本发明涉及工业粉尘燃烧技术领域，尤其是涉及一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统及方法。


背景技术：

2.可燃性气体和粉尘在工业生产中发挥着重要作用，但由此引发的爆炸事故时有发生，造成严重的人员伤害和经济损失。
3.在约束空间内，气体爆炸压力上升速率和火焰体积均明显增大，在诱导沉积粉尘发生爆炸后，危险性将大幅提高。为有效避免类似事故发生，研究气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量尤为必要。
4.当前，研究者针对气体/粉尘爆炸开展了相关研究，其中在单纯气体爆炸或粉尘爆炸研究方面比较系统，得到了气体或粉尘爆炸特性及多因素影响规律；在气体和粉尘混合爆炸研究方面虽有涉及，但点火爆炸前往往将气体和粉尘混合形成气体-粉尘云环境；虽然有气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的研究，但往往借助实验管道或真实煤矿巷道开展实验，并将沉积粉尘放置于气体爆炸传播路径中的某段位置，而且研究内容主要侧重于爆炸压力、温度和火焰传播规律，对气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量尚未涉及。
5.基于此，提出一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统及方法，有助于揭示气体和粉尘混合体系爆炸灾害机理，并为爆炸事故的有效防治提供借鉴。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统及方法，以解决现有技术中无法研究气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统，包括爆炸装置、配气装置、点火装置、压力采集装置和摄像装置，其中：所述爆炸装置内部形成有爆炸腔，所述压力采集装置设置在所述爆炸装置上以用于监测爆炸腔内部的压力，所述爆炸装置的部分区域形成有透明视窗，所述摄像装置安装在所述爆炸装置外部且能通过所述透明视窗拍摄所述爆炸腔内部的爆炸图像；所述配气装置与所述爆炸装置相连接，所述点火装置用于点燃所述爆炸腔内的可燃气体，所述点火装置、所述压力采集装置和所述摄像装置均与计算机处理器连接。
8.可选地，所述爆炸装置包括筒体以及盖体，所述筒体内部形成有所述爆炸腔，所述筒体的一端设置有与所述爆炸腔相连通的开口，所述盖体为透明结构且所述盖体可拆卸的设置于所述开口处以密封所述开口，所述摄像装置能通过所述盖体拍摄所述爆炸腔内部的爆炸图像。
9.可选地，所述配气装置包括压力表、第一阀门、第二阀门、第三阀门、真空泵以及可燃气体存储装置，所述压力表安装于所述筒体的顶部，所述筒体上连接有第一管路，所述第
一管路上设置有第一阀门且所述爆炸腔能通过所述第一阀门连通外界，所述第一管路上设置有第二管路且所述第二管路设置于所述第一阀门与所述筒体之间的位置，所述第二管路上设置有所述第二阀门，所述第二管路上远离所述第一管路的端部与所述真空泵相连接，所述筒体上远离所述盖体的端部设置有第三管路，所述第三管路上设置有所述第三阀门且所述第三管路上远离所述筒体的端部连接有所述可燃气体存储装置，所述第一管路、所述第二管路和所述第三管路均与所述爆炸腔相连通。
10.可选地，所述点火装置包括点火头以及点火系统，所述点火头与所述点火系统相连接，所述点火系统与所述计算机处理器相连接，所述点火头设置于所述爆炸腔内且位于所述爆炸腔的中心位置。
11.可选地，所述筒体呈圆柱形，所述筒体的内径为23.35cm，所述筒体沿其轴线方向的长度为23.35cm，所述筒体的壁厚为1cm，所述盖体采用透明防爆玻璃制成。
12.可选地，所述压力采集装置包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述筒体上，用于监测所述爆炸腔内的爆炸压力；
13.所述摄像装置包括高速摄像机，所述压力传感器和所述高速摄像机均与数据采集器相连接，所述数据采集器与所述计算机处理器相连接，所述数据采集器能采集所述爆炸腔内部的爆炸压力数据以及爆炸图像并将其存储在所述计算机处理器中。
14.一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量的测试方法，使用上述的气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统进行测试，包括如下步骤：
15.s1、测试系统的安装与调试：安装并连接爆炸装置、配气装置、点火装置、压力采集装置和摄像装置，并对各部分进行调试，保证各装置连接完好并确保能够正常运行；
16.s2、对爆炸腔内部进行抽真空：开启第二阀门并保持第一阀门和第三阀门关闭，启动真空泵，通过压力表观察爆炸腔内的压力变化，当达到设定压力值时停止真空泵并关闭第二阀门；
17.s3、爆炸腔内配气：开启第三阀门并保持第一阀门和第二阀门关闭，将可燃气体存储装置内部的气体充入爆炸腔内，观察压力表的数值变化，达到预定压力值时关闭第三阀门，开启第一阀门并保持第二阀门和第三阀门关闭，当压力表恢复常压后关闭第一阀门，静置一段时间后保证爆炸腔内可燃气体与空气充分混合；
18.s4、点火：通过计算机处理器设定点火能量和延迟时间，通过点火装置中的点火系统控制其点火头高压放电产生电火花，引燃爆炸腔内的可燃气体；
19.s5、数据采集：通过数据采集器采集爆炸腔内部的爆炸压力数据和爆炸过程图像，并储存在计算机处理器中；
20.s6、清理爆炸腔：开启第一阀门并保持第二阀门和第三阀门关闭，使爆炸腔内部恢复常压后，关闭第一阀门，开启第二阀门和真空泵，将爆炸腔内部的废气排出，关闭第二阀门和真空泵；
21.s7、重复步骤s6操作三次，确保爆炸腔内部的废气排放干净，然后开启第一阀门，使爆炸腔恢复常压；
22.s8、重复步骤s2-s7操作三次，得到爆炸腔内未铺设粉尘时的气体爆炸压力数据和爆炸过程图像，将平均峰值压力记为p0max；
23.s9、铺设沉积粉尘：拆下爆炸装置的盖体，在爆炸腔底部均匀铺设有可燃粉尘，然
后安装盖体用以密封爆炸腔，并测试装置气密性；
24.s10、爆炸腔内进行抽真空：开启第二阀门并保持第一阀门和第三阀门关闭，启动真空泵，同时观察压力表的数值变化，当达到预设压力值时关闭第二阀门和真空泵；
25.s11、爆炸腔内进行配气：开启第三阀门并保持第一阀门和第二阀门关闭，将可燃气体存储装置内部的气体充入爆炸腔，同时观察压力表的数值变化，达到预设压力值时关闭第三阀门，开启第一阀门并保持第二阀门和第三阀门关闭，当压力表恢复常压后关闭第一阀门，然后静置一段时间，保证爆炸腔内的可燃气体与空气充分混合；
26.s12、点火：通过计算机处理器设定点火能量和延迟时间，通过点火系统控制点火头高压放电产生电火花，引燃爆炸腔内的可燃气体和可燃粉尘；
27.s13、数据采集：通过数据采集器采集爆炸腔内部的爆炸压力数据和爆炸过程图像，并储存在计算机处理器中；
28.s14、清理爆炸腔：开启第一阀门使爆炸腔恢复常压，拆下盖体，清理爆炸腔内的爆炸残留物；
29.s15、分析计算机处理器中记录的爆炸数据并进行实验；
30.s16、测得气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸的最大粉尘量c1、气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的最小粉尘量c2后结束实验，断电并断开各系统的连接，彻底清理爆炸腔；
31.s17、得到气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量c满足：c1《c《c2。
32.可选地，上述步骤s15中计算机处理器中记录的爆炸数据包括爆炸压力，当爆炸压力形成的曲线只有一个波峰时，记峰值为p1max，当p1max-p0max≥ 0.05mpa时，则气体爆炸诱发了沉积粉尘爆炸，按照气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量确定方法的要求，将计算得出的一定量的可燃粉尘均匀铺设在爆炸腔底部，安装盖体，测试装置气密性后，重复步骤s10-s14继续进行实验；
33.当p1max-p0max＜0.05mpa时，则气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸，按照气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量确定方法的要求，将计算得出的一定量的可燃粉尘均匀铺设在爆炸腔底部，安装盖体，测试装置气密性后，重复步骤 s10-s14继续进行实验。
34.可选地，上述步骤s15中计算机处理器中记录的爆炸数据包括爆炸压力，当爆炸压力曲线有两个波峰时，记第二个峰值与波谷之间的差值为
δ
p；当
δ
p≥ 0.05mpa时，气体爆炸诱发了沉积粉尘爆炸，按照气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量确定方法的要求，将计算得出的一定量的可燃粉尘均匀铺设在爆炸腔底部，安装透明防爆玻璃，测试装置气密性后，重复步骤s10-s14继续进行实验；
35.当
δ
p＜0.05mpa时，气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸，则按照气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量确定方法的要求，将计算得出的一定量的可燃粉尘均匀铺设在爆炸腔底部，安装盖体，测试装置气密性后，重复步骤s10-s14继续进行实验。
36.可选地，将气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸的最高粉尘量记为c1，将气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的最低粉尘量记为c2，则气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量c介于c1和c2之间，则气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸的最高粉尘量 c1和气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的最低粉尘量c2的确定方法包括：
37.若初次实验时可燃气体爆炸诱发了沉积粉尘爆炸，则以10g/m3的级差减小沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均未发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为c1；
然后在c1的基础上，以10g/m3的级差增加沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为 c2；
38.若初次实验时可燃气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸，则以10g/m3的级差增加沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为c2；然后在c2的基础上，以10g/m3的级差减小沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均未发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为 c1。
39.本发明提供的气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统，包括爆炸装置、配气装置、点火装置、压力采集装置和摄像装置，爆炸装置内部形成有爆炸腔，压力采集装置设置在爆炸装置上以用于监测爆炸腔内部的压力，爆炸装置的部分区域形成有透明视窗，摄像装置安装在爆炸装置外部且能通过透明视窗拍摄爆炸腔内部的爆炸图像；配气装置与爆炸装置相连接，点火装置用于点燃爆炸腔内的可燃气体，点火装置、压力采集装置和摄像装置均与计算机处理器连接。通过压力采集装置监测爆炸过程中的压力，并借助高速摄像装置拍摄爆炸过程，可用于研究气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量，有助于揭示气体和粉尘混合体系爆炸灾害机理，并为爆炸事故的有效防治提供借鉴。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1是本发明提供的气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统的结构示意图；
42.图2是本发明提供的爆炸装置的结构示意图。
43.附图标记：1、爆炸装置；110、筒体；120、盖体；2、压力表；3、第一阀门；4、第二阀门；5、第三阀门；6、真空泵；7、可燃气体存储装置；8、第一管路；9、第二管路；10、第三管路；11、点火头；12、点火系统；13、计算机处理器；14、摄像装置；15、数据采集器。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.参见图1，本发明提供了一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统，包括爆炸装置1、配气装置、点火装置、压力采集装置和摄像装置14，其中，爆炸装置1内部形成有爆炸腔，压力采集装置设置在爆炸装置1上以用于监测爆炸腔内部的压力，本实施例中的压力采集装置包括压力传感器，爆炸装置1的部分区域形成有透明视窗，摄像装置14安装在爆炸装置1外部且能通过透明视窗拍摄爆炸腔内部的爆炸图像；配气装置与爆炸装置1相连接，点火装置用于点燃爆炸腔内的可燃气体，点火装置、压力采集装置和摄像装置14 均与计算机处理器13连接。
48.图2所示的爆炸装置1包括筒体110以及盖体120，筒体110内部形成有爆炸腔，筒体110的一端设置有与爆炸腔相连通的开口，外形为圆柱形，筒体 110的内径为23.35cm，沿其轴线方向的长度为23.35cm，壁厚为1cm，其承压不低于2mpa。压力传感器安装在筒体110上部，用于监测爆炸腔内的爆炸压力。
49.图1所示的筒体110的右侧设置有盖体120，盖体120为透明结构，具体的可采用透明防爆玻璃制成，且盖体120可拆卸的设置于开口处以密封开口，便于拆装，透明盖体120的设置，使得摄像装置14能通过盖体120拍摄爆炸腔内部的爆炸图像。
50.本实施例中的配气装置包括压力表2、第一阀门3、第二阀门4、第三阀门5、真空泵6以及可燃气体存储装置7，压力表2安装于筒体110的顶部，用于抽真空和配气时观察爆炸腔内部的压力，筒体110上连接有第一管路8，第一管路8上设置有第一阀门3且爆炸腔能通过第一阀门3连通外界，第一管路8 上设置有第二管路9且第二管路9设置于第一阀门3与筒体110之间的位置，第二管路9上设置有第二阀门4，第二管路9上远离第一管路8的端部与真空泵6相连接，用于抽真空。筒体110的底部用于铺设沉积粉尘，筒体110上远离盖体120的端部设置有第三管路10，第三管路10上设置有第三阀门5且第三管路10上远离筒体110的端部连接有可燃气体存储装置7，即筒体110的左侧通过第三阀门5连接可燃气体存储装置7，可燃气体存储装置7为可燃气体瓶，本实施例中的第一管路8、第二管路9和第三管路10均与爆炸腔相连通。配气时借助第一阀门3、第二阀门4和真空泵6控制爆炸腔内的初始压力，基于分压法由第三阀门5控制可燃气体存储装置7的进气量，从而使压力表2数值达到预定压力值。
51.本实施例中的点火装置包括点火头11以及点火系统12，点火头11与点火系统12相连接，关于点火装置的设置方式为现有技术，其点火系统12与计算机处理器13相连接，点火头11设置于爆炸腔内且位于爆炸腔的中心位置，用于点火。
52.本实施例中采用的摄像装置14包括高速摄像机，压力传感器和高速摄像机均与数据采集器15相连接，数据采集器15采用目前市场上mcc(measurementcomputing corporation)厂家生产的1608fs-plus数据采集器15，数据采集器15与计算机处理器13相连接，数据采集器15能采集爆炸腔内部的爆炸压力数据以及爆炸图像并将其存储在计算机处理器13中。
53.另外，本发明还提供了一种气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量的测试方法，使用上述的气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统进行测试。
54.将爆炸腔内部未铺设粉尘时的气体爆炸压力曲线作为参照，与爆炸腔内部铺设粉
尘后气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的压力曲线进行对比。若后者有明显升压过程且升压数值大于或等于《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》(gb/t 16425-2018)规定的0.05mpa，则认为气体爆炸诱发了沉积粉尘爆炸。
55.关于气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量确定方法，将气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸的最高粉尘量记为c1，将气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的最低粉尘量记为c2，则临界粉尘量c介于c1和c2之间，即c1《c《c2。c1、c2确定方法如下：
56.若初次实验时可燃气体爆炸诱发了沉积粉尘爆炸，则以10g/m3的级差减小沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均未发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为c1，然后在c1的基础上，以10g/m3的级差增加沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为 c2。
57.初次实验指的是第一次铺设了沉积粉尘的实验；“三次同样实验”在上述方法中指的是，如果在减小沉积粉尘量的过程中，某一次实验判断沉积粉尘未发生爆炸(这个“某一次算作第一次”)，则用该次实验的沉积粉尘量再进行条件相同的两次实验(这里算作第二、第三次)，如果沉积粉尘都没有发生爆炸，则记录该次实验的粉尘量c1。
58.若初次实验时可燃气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸，则以10g/m3的级差增加沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为c2。然后在c2的基础上，以10g/m3的级差减小沉积粉尘量继续实验，直至连续三次同样实验均未发生沉积粉尘爆炸，将此时沉积粉尘量记为 c1。
59.借助本发明提供的气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量测试系统，可开展不同沉积粉尘量条件下的气体爆炸实验，具体包括如下步骤：
60.s1、测试系统的安装与调试：安装并连接爆炸装置1、配气装置、点火装置、压力采集装置和摄像装置14，并对各部分进行调试(通电检查及气密性测试)，确保各装置能够正常运行并保证爆炸腔密封良好。
61.s2、对爆炸腔内部进行抽真空：开启第二阀门4并保持第一阀门3和第三阀门5关闭，启动真空泵6，通过压力表2观察爆炸腔内的压力变化，当达到设定压力值时停止真空泵6并关闭第二阀门4。
62.s3、爆炸腔内配气：开启第三阀门5并保持第一阀门3和第二阀门4关闭，基于分压法将可燃气体存储装置7内部的气体充入爆炸腔内，观察压力表2的数值变化，达到预定压力值时关闭第三阀门5，开启第一阀门3并保持第二阀门4和第三阀门5关闭，当压力表2恢复常压后关闭第一阀门3，然后静置一段时间，保证爆炸腔内可燃气体与空气充分混合，并均匀分布在爆炸腔内。
63.s4、点火：通过计算机处理器13设定点火能量和延迟时间，通过点火系统 12控制点火头11高压放电产生电火花，引燃爆炸腔内的可燃气体。
64.s5、数据采集：通过数据采集器15采集爆炸腔内部的爆炸压力数据和爆炸过程图像，并储存在计算机处理器13中。
65.s6、清理爆炸腔：开启第一阀门3并保持第二阀门4和第三阀门5关闭，使爆炸腔内部恢复常压后，关闭第一阀门3，开启第二阀门4和真空泵6，将爆炸腔内部的废气排出，关闭第二阀门4和真空泵6。
66.s7、重复步骤s6操作三次，确保爆炸腔内部的废气排放干净，然后开启第一阀门3，
时，按20g/m3的级差进行增减。
78.s16、测得气体爆炸未诱发沉积粉尘爆炸的最大粉尘量c1、气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的最小粉尘量c2后结束实验，断电并断开各系统的连接，彻底清理爆炸腔。
79.s17、得到气体爆炸诱发沉积粉尘爆炸的临界粉尘量c满足：c1《c《c2。
80.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。