专利名称：Lng泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及火灾安全技术领域，特别涉及一种LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台。
背景技术：
作为石油化工行业以及能源领域重要的原材 料和产品，LNG (液化天然气)在工业和民用中得到了广泛应用，大规模LNG的安全储运格外重要。由于管道或阀门故障以及LNG槽车交通意外等安全事故，LNG在储运过程中可能出现泄漏。LNG—旦泄漏往往会迅速气化形成可燃气云，在点火源的作用下可能发生闪燃或爆燃现象；当LNG泄漏喷射到地面或水面时，在瞬时低温的作用下，大量LNG会在一定范围内形成低温液池，如果有引火源和辐射热的作用则可形成池火或由池火同时引发大规模蒸气云爆炸事故。目前有关LNG安全事故研究主要集中在大规模尺度LNG水面或水下泄漏扩散、火灾爆炸的风险以及灾害后果、损害范围分析等方面。而通过实验室小尺度模拟实验对LNG泄漏流动及其相变过程、LNG扩散、浓度迁移规律以及LNG低温池火燃烧与快速蒸发、燃爆事故演化的动力学过程等内容目前还缺乏相关深入的研究报道。因此构建一个可以模拟LNG泄漏、燃烧的小尺度实验平台显得尤为重要，利用该平台可以开展LNG在不同物质表面泄漏扩散、浓度迁移、池火燃烧、爆燃转捩等多方面的研究，为LNG泄漏、火灾、爆炸预防技术提供新的技术方案和理论基础，为预防和控制LNG爆炸灾害提供理论依据和实验数据。
发明内容本实用新型旨在针对上述现有研究手段的不足，开展小尺度的LNG安全性能实验研究，弥补现有研究手段的不足和空白，特别研制一种功能齐全，安全可控且可重复实验的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台。该平台能实现LNG安全导出、点火控制及形成池火等过程，并可自动采集实验数据，记录实验图像，还可根据实验目的更换托盘表面的材料垫层、调整托盘角度，进一步开展LNG在不同物质表面(混凝土、金属或干沙)的蔓延和气化过程以及LNG池火形成和池火过程火焰阵面精细结构等方面的研究。LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台主要包括三个系统，其中实验系统用以实现模拟实验平台中物质储存、输送以及安全保证；测试系统用以实现包括温度、浓度、扩散图像，燃烧阵面等的图像记录和数据采集工作；控制系统用以监视状态参数控制实验的进行和保障安全。本实用新型为实现上述目的所采取的技术方案是一种LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于包括实验系统、测试系统以及控制系统三部分，所述的实验系统包括LNG储罐、绝热管道、实验装置及防爆隔离墙；所述的测试系统包括电子天平、点火系统、摄像机、甲烷浓度检测仪、数据采集器及热电偶树；所述的控制系统包括PLC控制系统、各类显示仪表及各类控制阀门，且各类显示仪表及各类控制阀门分别连接在所述的LNG储罐及绝热管道上；LNG储罐置于防爆隔离墙的一侧，实验装置、电子天平、点火系统、摄像机、甲烷浓度检测仪、数据采集器及热电偶树置于防爆隔离墙的另一侧，LNG储罐通过绝热管道穿过防爆隔离墙与实验装置连接；所述的电子天平位于实验装置的底部，且与PLC控制系统连接，PLC控制系统还分别与点火系统、摄像机、甲烷浓度检测仪及数据采集器连接，数据采集器与热电偶树连接。LNG的储存和导出LNG储存在绝热低温储罐中，显示仪表实时监控储罐内各状态参数；LNG导出过程中采用安装在储罐上的自增压系统和管路上的减压阀、放空阀组及第一放空阀，控制压力通过绝热管道导出。导液过程中为保障压力稳定，绝热管道通过放空阀组和第一放空阀连接放空管路将气化的LNG及时排出。LNG泄漏扩散实验泄漏扩散实验在LNG正常导出的基础上测试LNG气化过程产 生的气云图像和各项参数，通过更换托盘表面的材料垫层，实验LNG在不同物质表面的扩散行为，通过改变托盘角度，研究LNG不同流淌速率下的扩散行为。LNG池火燃烧实验通过监测气云浓度分布和点火控制，实现LNG的池火燃烧，并通过测试温度分布、采集图像等研究手段研究LNG池火燃烧特征。本实用新型所产生的有益效果是可实现远程控制LNG泄漏和燃烧的模拟，避免LNG可能造成的窒息伤害、冷伤害及燃烧热伤害等；通过对可换装表面材料和调整角度的实验装置的设计，可进行LNG在不同物质表面和LNG流淌速度下扩散的模拟；通过点火系统和甲烷浓度检测仪共同作用，实现了自动监测浓度，在着火限内快速进行点火(扩散初期对LNG进行点火，能够形成池火而避免爆燃)，并自动进行数据和图像的采集。该模拟实验平台具有实验时间短且费用低，实验效率高等优点。采用本设计实验步骤少且安全可靠，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。
图I是LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台布置示意图。图2是自增压系统原理图。图3是放空阀组构成图。图4是实验装置正视图。图5是实验装置右视图。图6是点火系统及点火布置示意图。图7是LNG泄漏扩散及池火燃烧模拟实验平台工作原理流程图；图中的管道阀门表示为第二阀门8、止回阀9、减压阀12、第三阀门14及第四阀门17 ;安全阀表示为主安全阀29和副安全阀31 ;放空阀表示为放空阀组10、第一放空阀15及第二放空阀30。
具体实施方式
下面通过附图对本实用新型的技术方案做进一步详细描述。参照图I、图2、图3、图4、图5、图6和图7，LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台包括实验系统、测试系统以及控制系统三部分，实验系统用以实现模拟实验平台中物质储存、输送以及安全保证；实验系统包括LNG储罐32、带绝热保温层的绝热管道7、实验装置18及防爆隔离墙26 ;测试系统包括电子天平19、点火系统21、摄像机22、甲烷浓度检测仪23、数据采集器24及热电偶树25 ;控制系统包括PLC控制系统16、各类显示仪表及各类控制阀门，且各类显示仪表及各类控制阀门分别连接在LNG储罐32及绝热管道7上；LNG储罐32置于防爆隔离墙26的一侧，实验装置18、高精度电子天平19、点火系统21、高速摄像机22、甲烷浓度检测仪23、数据采集器24及热电偶树25置于防爆隔离墙26的另一侧，LNG储罐32通过绝热管道7穿过防爆隔离墙26与实验装置18连接；电子天平19位于实验装置18的底部，且与PLC控制系统16连接，PLC控制系统16还分别与点火系统21、摄像机22、甲烷浓度检测仪23及数据采集器24连接，数据采集器24与热电偶树25连接。本实用新型的显示仪表包括第一压力表I、第一温度计4、第一液位计5、第二压力表11、第二液位计20以及由第三压力表13-1、第二温度计13-2和流量计13-3构成的仪表组13，其中第一压力表I、第一温度计4和第一液位计5安装在LNG储罐32上，第二压力表11和仪表组13分别安装在绝热管道7上，第二液位计20安装在实验装置18中，第一压力表I、第一温度计4、第一液位计5、第二压力表11、第二液位计20以及由第三压力表13-1、第二温度计13-2和流量计13-3构成的仪表组13分别与PLC控制系统16连接。本实用新型的控制阀门包括第一阀门2、自增压系统6、第二阀门8、止回阀9、放空阀组10、减压阀12、第三阀门14、第一放空阀15、第四阀门17、节约阀28、主安全阀29、第二 放空阀30和副安全阀31，其中第一阀门2安装在通向LNG储罐32中的液体输入管3上，自增压系统6、第二放空阀30和副安全阀31分别安装在通向LNG储罐32中的管道上，LNG储罐32又通过所述的绝热管道7连接节约阀28和主安全阀29，第二阀门8、止回阀9、放空阀组10、减压阀12、第三阀门14、第一放空阀15及第四阀门17分别连接在绝热管道7上，同时放空阀组10、第一放空阀15以及第二放空阀30分别连接到放空管路27上，自增压系统6、第二阀门8、止回阀9、放空阀组10、减压阀12、第三阀门14、第一放空阀15、第四阀门17、主安全阀29第二放空阀30及副安全阀31分别与PLC控制系统16连接。第二阀门8、止回阀9、减压阀12、第三阀门14及第四阀门17可统称为管道阀门。安全阀包括主安全阀29和副安全阀31，可根据设定压力自动开启。放空阀包括放空阀组10、第一放空阀15及第二放空阀30。第一阀门2为进液用阀门，节约阀28可手动设定。本实用新型用于池火燃烧模拟实验的实验装置18包括材料垫层18-1和托盘18-2，材料垫层18-1置于托盘18-2中(如图6中所示)。本实用新型用于LNG泄漏扩散模拟实验的实验装置18包括材料垫层18_1、托盘18-2、废液收集盘18-3、轴承座18-4、转轴18-5、轴承18_6、肋片18_7、联轴器18_8及步进电机18-9，材料垫层18-1置于托盘18-2中，托盘18-2的底部通过两片肋片18_7焊接固定在转轴18-5上，装配有轴承18-6的轴承座18-4放置在废液收集盘18-3中，转轴18_5的一端安装在轴承18-6上，转轴18-5的另一端通过联轴器18-8与步进电机18-9连接(如图4或图5所示)。更换托盘表面的材料和调整托盘角度的方法是研究不同材质上LNG扩散行为时，只需将托盘18-2中的材料垫层18-1取出，更换待研究的物质即可。通过托盘18-2底部可旋转结构，可控制角度达到模拟不同流淌速度的目的。废液收集盘是为了防止LNG流出，便于实验结束后集中处理。本实用新型的点火系统21包括点火器21-1、上顶座21-2、导轨21_3、滑块21_4、螺母21-5、丝杠21-6、底盘21-7、轮子21-8、直流电机21_9、电机仓21-10及底架21-11，甲烷浓度检测仪23采用螺栓固定在点火器21-1上，点火器21-1与滑块21-4螺钉连接，螺母21-5焊接固定于滑块21-4中，丝杠21-6通过螺母21-5与滑块21_4螺纹连接，两根导轨21-3的一端分别与上顶座21-2螺纹连接，另一端穿过滑块21-4与底盘21-7螺纹连接，底盘21-7与底架21-11通过角铁焊接固定，电机仓21-10焊接在21-7底盘21-7和底架21-11之间，直流电机21-9通过螺钉固定在电机仓21-10的底架21-11上并与丝杠21-6连接。电机仓起保护电机作用。四个轮子21-8使用普通单向轮，分别固定在底架21-11四角(如图6所示)。池火燃烧形成的原理是托盘18-2中的LNG液体形成后，直流电 机驱动滑块21_4在导轨21-3上自由滑动，滑块21-4带动点火器21-1及固定在点火器上的甲烷浓度检测仪23自动靠近托盘18-2表面向上移动，待甲烷浓度检测仪23检测到甲烷浓度到着火限时自动进行点火，形成池火燃烧进行实验。点火器21-1为采用明火点火的防爆点火器，燃烧工质为甲烷气体。本实用新型的自增压系统6包括第五阀门6-1、增压阀6-2、第六阀门6_3、空湿式气化器6-4及第七阀门6-5，并依次安装在由LNG储罐32中引出的管道上(如图2所示)。其中空湿式气化器安装高度要低于储罐的最低液位。其工作原理是当LNG储罐32内压力低于设定值时，第五阀门6-1、第六阀门6-3、第七阀门6-5和增压阀6-2打开，LNG储罐32内液体靠液位差缓流入空湿式气化器6-4，液体气化产生的气体流经增压阀6-2补充到LNG储罐32内。气体的不断补充使得储罐内压力回升，当压力回升到设定值以上时，增压阀6-2关闭，增压过程结束。本实用新型的放空阀组10包括第四压力表10-1、密闭式弹簧安全阀10-2、第一闸阀10-3、第八阀门10-4和第二闸阀10-5，第四压力表10-1与密闭式弹簧安全阀10-2连接，并通过第一闸阀10-3和第二闸阀10-5连接在绝热管道7上，又通过第八阀门10-4和第二闸阀10-5连接在放空管路27上(如图3所示)。该阀组可实现人工控制放空，同时在绝热管道压力超过设定压力时自动放空。 参照图I和图7，LNG泄漏扩散具体模拟实验过程LNG储罐32中储存微正压、温度约为_164°C的LNG，压力表I、温度计4、液位计5监测储罐32内状态参数，所有数据和操作可在远程控制终端显示并完成。打开自增压系统6，使LNG储罐内压力值达到约0. 6Mpa，开启第二阀门8、第三阀门14、止回阀9和第一放空阀15，导入少量LNG后关闭第二阀门8，对绝热管道7进行预冷，控制导入LNG的量，使绝热管道温度下降速度不大于50°C /min,通过打开或关闭第二阀门8反复导入LNG，直至仪表组13中温度计示数达到接近_164°C状态后，关闭第一放空阀15。通过第一压力表I、第一温度计4、第一液位计5显示数据检查LNG储罐32内压力温度等参数，通过第二放空阀30和自增压系统6的调整保证LNG储罐32内压力值，PLC控制系统16开启全部测试系统，并在检查其工作正常后，开启第二阀门8和第四阀门17，LNG液体通过自身压力沿绝热管道7输出，经减压阀12减压，平稳输出到实验装置18的托盘18-2中。输出过程中严格监视管道中压力变化，若压力值上升明显可自动或人工开启第一放空阀15，使LNG气化部分沿放空管路27排出。电子天平19、摄像机22、甲烷浓度探测仪23、连接热电偶树25的数据采集器24工作开始进行图像和实验数据的记录，可对扩散方式，浓度迁移规律等内容展开研究。当托盘18-2中液位达到第二液位计20设定的数值时，自动切断第四阀门17，停止输送LNG。实验结束后，通过甲烷浓度监测仪23指示进行场地通风至实验前状态。改变托盘18-2表面的材料垫层18-1或调整托盘18-2的角度，开启第四阀门17，重复进行实验。实验全部结束后，关闭第二阀门8，开启放空阀组10和放空阀15将绝热管道内残留的LNG排空，放空气体排入高空或点燃烧尽。关闭测试系统，排出废液收集盘中残余LNG，实验场地通风，检测实验装置和各阀门情况，整理实验器材。参照图I和图7，LNG池火燃烧具体模拟实验过程储罐32中储存微正压、温度约为_164°C的LNG，压力表I、温度计4、液位计5监测LNG储罐32内状态参数，所有数据和操作可在远程控制终端显示并完成。打开自增压系统6，使LNG储罐32内压力值达到约
0.6Mpa，开启第二阀门8、第三阀门14、止回阀9和第一放空阀15，导入少量LNG后关闭第二阀门8，对绝热管道7进行预冷，控制导入LNG的量，使绝热管道温度下降速度不大于50°C / min，通过打开或关闭第二阀门8反复导入LNG，直至仪表组13中第二温度计13_2示数达到接近-164°C状态后，关闭第一放空阀15。通过第一压力表I、第一温度计4、第一液位计5显示数据检查LNG储罐32内压力温度等参数，通过第二放空阀30和自增压系统6的调整保证LNG储罐32内压力值，PLC控制系统16开启全部测试系统，并在检查其工作正常后，开启第二阀门8和第四阀门17，LNG液体通过自身压力沿绝热管道7输出，经减压阀12减压，平稳输出到实验装置18的托盘18-2中。输出过程中严格监视管道中压力变化，若压力值上升明显可自动或人工开启第一放空阀15，使LNG气化部分沿放空管路27排出。电子天平19、摄像机22、甲烷浓度探测仪23、连接热电偶树25的数据采集器24工作开始进行图像和实验数据的记录。当托盘18-2中液位达到第二液位计20设定的数值时，自动切断第四阀门17，停止输送LNG，同时第三阀门14关闭，第一放空阀15开启，排出第三阀门14至第四阀门17间管路中的LNG液体(防止因热辐射等原因使靠近托盘的管路中LNG气化超压导致管路受损)。实验结束后，关闭第二阀门8，开启第三阀门14和放空阀组10将绝热管道7中残余的LNG液体排空。池火燃烧模拟实验中注意点火时机的控制，安全形成池火。实验全部结束后，关闭测试装置，实验场地通风，检测实验装置和各阀门情况，整理实验器材。
权利要求1.一种LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于包括实验系统、测试系统以及控制系统三部分，所述的实验系统包括LNG储罐(32)、绝热管道(7)、实验装置(18)及防爆隔离墙(26);所述的测试系统包括电子天平(19)、点火系统(21)、摄像机(22)、甲烷浓度检测仪(23)、数据采集器(24)及热电偶树(25);所述的控制系统包括PLC控制系统(16)、各类显示仪表及各类控制阀门，且各类显示仪表及各类控制阀门分别连接在所述的LNG储罐(32)及绝热管道(7)上；LNG储罐(32)置于防爆隔离墙(26)的一侧，实验装置(18)、电子天平(19)、点火系统(21)、摄像机(22)、甲烷浓度检测仪(23)、数据采集器(24)及热电偶树(25)置于防爆隔离墙(26)的另一侧，LNG储罐(32)通过绝热管道(7)穿过防爆隔离墙(26)与实验装置(18)连接；所述的电子天平(19)位于实验装置(18)的底部，且与PLC控制系统(16)连接，PLC控制系统(16)还分别与点火系统(21)、摄像机(22)、甲烷浓度检测仪(23 )及数据采集器(24 )连接，数据采集器(24 )与热电偶树(25 )连接。
2.根据权利要求I所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的显不仪表包括第一压力表(I)、第一温度计(4)、第一液位计(5)、第二压力表(11)、第二液位计(20)以及由第三压力表(13-1 )、第二温度计(13-2)和流量计(13-3)构成的仪表组(13)，其中第一压力表(I)、第一温度计(4)和第一液位计(5)安装在所述的LNG储罐(32)上，第二压力表(11)和仪表组(13)分别安装在所述的绝热管道(7)上，第二液位计(20)安装在所述的实验装置(18)中，第一压力表(I)、第一温度计(4)、第一液位计(5)、第二压力表(11 )、第二液位计(20)以及由第三压力表(13-1 )、第二温度计(13-2)和流量计(13-3)构成的仪表组(13 )分别与PLC控制系统(16 )连接。
3.根据权利要求I所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的控制阀门包括第一阀门(2)、自增压系统(6)、第二阀门(8)、止回阀(9)、放空阀组(10)、减压阀(12)、第三阀门(14)、第一放空阀(15)、第四阀门(17)、节约阀(28)、主安全阀(29)、第二放空阀(30)和副安全阀(31)，其中第一阀门(2)安装在通向所述的LNG储罐(32)中的液体输入管(3)上，自增压系统(6)、第二放空阀(30)和副安全阀(31)分别安装在通向LNG储罐(32)中的管道上，LNG储罐(32)又通过所述的绝热管道(7)连接节约阀(28)和主安全阀(29)，第二阀门(8)、止回阀(9)、放空阀组(10)、减压阀(12)、第三阀门(14)、第一放空阀(15)及第四阀门(17)分别连接在绝热管道(7)上，同时放空阀组(10)、第一放空阀(15)以及第二放空阀30分别连接到放空管路(27)上，自增压系统(6)、第二阀门(8)、止回阀(9)、放空阀组(10)、减压阀(12)、第三阀门(14)、第一放空阀(15)、第四阀门(17)、主安全阀(29 )第二放空阀(30 )及副安全阀(31)分别与PLC控制系统(16 )连接。
4.根据权利要求I所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的实验装置(18)包括材料垫层(18-1)和托盘(18-2)，材料垫层(18-1)置于托盘(18-2)中。
5.根据权利要求4所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的实验装置(18)还包括废液收集盘(18-3)、轴承座(18-4)、转轴(18-5)、轴承(18-6)、肋片(18-7)、联轴器(18-8)及步进电机(18-9)，所述的托盘(18-2)的底部通过两片肋片(18-7)焊接固定在转轴(18-5)上，装配有轴承(18-6)的轴承座(18-4)放置在废液收集盘(18-3)中，转轴(18-5)的一端安装在轴承(18-6)上，转轴(18-5)的另一端通过联轴器(18-8)与步进电机(18-9)连接。
6.根据权利要求I所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的点火系统(21)包括点火器(21-1)、上顶座(21-2)、导轨(21-3)、滑块(21-4)、螺母(21-5)、丝杠(21-6)、底盘(21-7)、轮子(21-8)、直流电机(21-9)、电机仓(21-10)及底架(21-11)，所述的甲烷浓度检测仪(23)采用螺栓固定在点火器(21-1)上，点火器(21-1)与滑块(21-4 )螺钉连接，螺母(21-5 )焊接固定于滑块(21-4 )中，丝杠(21-6 )通过螺母(21_5 )与滑块(21-4)螺纹连接，两根导轨(21-3)的一端分别与上顶座(21-2)螺纹连接，另一端穿过滑块(21-4)与底盘(21-7)螺纹连接，底盘(21-7)与底架(21-11)通过角铁焊接固定，电机仓(21-10)焊接在21-7底盘(21-7)和底架(21-11)之间，直流电机(21-9)通过螺钉固定在电机仓(21-10)的底架(21-11)上并与丝杠(21-6)连接，四个轮子(21-8)分别固定在底架(21-11)四角。
7.根据权利要求3所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的自增压系统(6)包括第五阀门(6-1)、增压阀(6-2)、第六阀门(6-3)、空湿式气化器(6-4)及第七阀门(6-5)，并依次安装在由所述的LNG储罐(32)中引出的管道上。
8.根据权利要求3所述的LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台，其特征在于所述的放空阀组(10)包括第四压力表(10-1)、密闭式弹簧安全阀(10-2)、第一闸阀(10-3)、第八阀门(10-4)和第二闸阀(10-5)，第四压力表(10-1)与密闭式弹簧安全阀(10-2)连接，并通过第一闸阀(10-3)和第二闸阀(10-5)连接在所述的绝热管道(7)上，又通过第八阀门(10-4)和第二闸阀(10-5)连接在所述的放空管路(27)上。
专利摘要本实用新型涉及LNG泄漏扩散和池火燃烧模拟实验平台。该平台包括由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LNG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LNG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。
文档编号G01D21/00GK202793971SQ201220495508
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者刘晅亚, 纪超, 许晓元, 赵力增, 王颖, 郭歌, 于年灏 申请人:公安部天津消防研究所