基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法及系统与流程

本公开属于天然气长输管道安全评价技术领域，尤其涉及一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法及系统。

背景技术：

随着天然气工业的迅速发展，长输管道得到越来越多地铺设和使用。目前我国已经形成了655条油气长输管线，总里程达到10.2万公里，一些已运行了20多年，有的甚至达到40多年，有些管道已经锈蚀、变薄。管道泄漏后的燃烧不仅造成能源浪费，环境污染，还对人民生命财产安全产生危害。所以，研究因事故泄漏所造成的燃烧，具有非常重要的研究价值。

目前可以应用于天然气长输管道泄漏火灾温度以及热辐射测量方法有许多种，但基本上都是在天然气在泄漏口处被点燃，来研究火焰的传播情况以及对周围的温度场和热辐射场的影响。

针对天然气长输管道火灾安全技术的研究中，由于天然气长输管道的铺设地点往往存在着植被、房屋和设备等障碍物，或者地处山区、沟壑，这种情况下火焰的传播十分复杂。因此，对障碍物存在条件下天然气管道泄漏燃烧的研究更接近实际，更具有重要的现实意义，已成为国内外研究者关注的重点。

目前研究均可对天然气泄漏燃烧气云分布、燃烧特性进行研究，但并不能有效控制自然环境条件，模拟不同的自然环境。因此如何设计一种用于在障碍物条件下天然气管道燃烧的实验研究方法，仍是待解决的技术问题。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法，旨在解决现阶段在障碍物的条件下，改变障碍物的相关参数，来研究障碍物对火焰传播的影响，分析火灾危害范围，进而求出火灾安全距离，该方法用于天然气泄漏点火燃烧实验中，具有多变量可单独控制、可远程控制、数据自动采集、实验时间短、实验可重复性高、费用低、安全性高的优点。

本公开一方面提供的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法的技术方案是：

一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法，该方法包括以下步骤：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

本公开另一方面提供的一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验系统的技术方案是：

一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验系统，该系统包括：

火焰模拟模块，用于对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

采样位置确定模块，用于根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

数据采样模块，用于改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

热辐射强度计算模块，用于采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

本公开另一方面提供的一种计算机可读存储介质的技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现如下步骤：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

本公开另一方面提供的一种处理装置的技术方案是：

一种处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1.本公开可以用来做以下研究：

(1)天然气在不同自然环境下泄漏燃烧

不同自然环境下天然气泄漏后蒸气浓度与分布不同，本装置温度、湿度、辐射及风速可控，在自然环境和影响因素不同时，通过该实验平台天然气燃烧的过程产生火焰图像进行观察，通过测量系统和数据采集及处理系统对实验数据进行分析，即可对不同自然环境下天然气泄漏燃烧行为进行研究。

(2)障碍物条件下火焰传播危害原理

不管是开敞空间气云的传播或者是管道内气云的传播，如果在火焰的传播方向上有障碍物，就会增加火焰速度和超压，火焰前端原来光滑的表面会逐渐减少而形成湍流扩散火焰，因此在有障碍物存在条件下的气体的燃烧规律研究更接近实际情况，已成为研究者关注的重点。

(3)障碍物对天然气泄漏燃烧危害参数

改变障碍物形状、尺寸、位置和数量，分析不同障碍物与天然气之间的交互作用，记录描述现象，测量相关参数，追踪能量去向，进行机理研究，建立数值模拟，实现标准建立、设计优化。

2.本公开提供的方法是一种能够根据需要进行不同环境条件、地形以及其他参数改变条件下天然气泄漏燃烧研究。根据需要，进行不同障碍物缩放比例实验的研究，由障碍物对天然气燃烧火焰传播的影响原理，由数据处理系统给出相应的天然气泄漏量、风速，根据数据采集系统以及高速摄像机的捕捉以及后期数据处理，得到有障碍物情况下周围温度场和辐射场中各监测点的分布，从而得到障碍物对火焰传播的影响。

3.本公开通过高速摄像机捕捉火焰传播过程再综合其他测量数据分析，可以很容易对各个影响参数进行分析，得到某个参数对火焰传播的影响情况。

4.通过本实验方法所得结论，可以为天然气在障碍物条件下的燃烧研究体系建立提供书面量化指导。

附图说明

图1为本实施例涉及的基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法流程图；

图2为基于本公开实验方法设置的某一实施例的天然气泄漏燃烧实验平台的结构示意图。

图2中：1-甲烷气体钢瓶；2-甲烷减压阀；3-玻璃转子流量计；4-燃烧器喷嘴；5-障碍物；6-热电偶i；7-热电偶ii；8-热电偶iii；9-热电偶iv；10-辐射计i；11-辐射计ii；12-辐射计iii；13-辐射计iv；14-热电偶位置调节器；15-辐射计位置调节器；16-燃烧平台；17-采集卡；18-高速摄像机；19-数据采集及处理系统；20-计算机；21-管道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

作为一种或多种实施例，一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验方法，如图1所示，具体包括：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

具体实施中，所述火焰形状尺寸通过天然气扩展喷射出口速度计算和数值模拟软件进行模拟。

所述试验工况包括自然环境工况、管道压力工况、气体释放率、泄漏孔形状及大小和点火时间，其中所述自然环境工况包括试验温度、试验湿度和试验风速。

所述障碍物相关尺寸包括障碍物形状和障碍物大小。

所述火焰燃烧时的辐射热量通过辐射传感器进行采集，所述火焰燃烧时的辐射温度通过温度传感器进行采集，所述辐射传感器和温度传感器安装于障碍物一侧，并两两配对作为一个监测点对火焰辐射热量及辐射温度进行采集。

所述辐射传感器包括但不限于辐射计，所述温度传感器包括但不限于热电偶。

所述障碍物一侧设有多个监测点，所述监测点以监测点阵列形式存在，能够更准确的得到热辐射分布情况。

所述障碍物参数包括障碍物形状、障碍物尺寸、障碍物位置和障碍物数量。

在无障碍条件下，对于稳态燃烧区域外的某一点，其所受热辐射强度计算公式为：

式中，η为效率因子；qo为辐射量；hc为最大发热量；tjet为燃烧时间；r为液池半径；r1为火焰直径。

在具体实施中，本公开所述实验方法还包括采用高速摄像机对火焰图像进行数据采集。

图1为某一基于本公开实验方法设置的天然气泄漏燃烧实验平台的结构示意图，包括甲烷气体钢瓶1，甲烷气体钢瓶1为系统提供气源与压力，用于调节气源压力至实验所需压力，其出口通过气瓶阀门减压阀2两级减压后连接到输气管道给流量计3供气，气体流量计3用于计量气体注入量，并通过输气管道输送至燃烧喷嘴4，燃烧喷嘴4处设有点火装置，用于天然气点火燃烧，燃烧喷嘴4设置于燃烧平台16上，燃烧喷嘴4的输出端一定距离处布置有障碍物5，障碍物5的相关参数可调，热电偶i6、热电偶ii7、热电偶iii8和热电偶iv9的安装位置根据试验方法中所述进行布设，辐射传感器i10、辐射传感器ii11、辐射传感器iii12和辐射传感器iv13与热电偶进行相同布设，同时在距离实验装置一定位置处设有采集卡17和高速摄像机18，采集卡17和高速摄像仪18与数据采集及处理系统19相连，数据采集及处理系统19与计算机相连，。

具体实施中，热电偶安装于热电偶位置调节器14上，热辐射计安装于辐射计位置调节器15上，热电偶位置调节器14和辐射计位置调节器15采用带旋转升降平台，用于调节放置物的位置及高度。

在具体实施中，上述装置还设有通用实验风洞系统用于模拟天然气在大气近地面边界层中的蒸发扩散泄漏，实现湿度、温度、辐射和风速可控，且实验风洞系统调节试验段透明，便于实验现象的观察与数据记录。

在具体实施中，上述装置还设有甲烷浓度检测仪，所述甲烷浓度检测仪燃料中添加有臭味剂乙硫醇，用于天然气发生泄漏后可及时发现，提高了装置的安全性。

基于上述实验装置，本实验方法的试验工况通过调节通用实验风洞系统、减压阀、流量计、燃烧喷嘴及点火装置进行设定。

基于上述实验装置，本实验方法的具体实施过程为：

实验用设计障碍物为正方体，边长分四种情况，包括70mm、120mm、170mm和220mm，在实验过程中，分别将不同边长的正方体障碍物置于喷嘴输出端，测量实验结果，分析实验数据，得到实验所要表征的温度、热辐射等参数；取合适的障碍物边长，进行障碍物高度改变实验研究，高度的增加量为每次30mm，增加次数根据边长确定，最少增加两次。

在泄漏孔径、喷射速度以及障碍物尺寸不变的情况下，改变障碍物与泄漏孔的间距来研究喷射火焰对障碍物的影响，即由近及远的移动障碍物的位置，每次间隔0.2m，分析数据的变化差距；当障碍物数量有多个时，如2个时，先固定其中一个障碍物的位置然后逐渐增大其与另一个障碍物的间距来进行多个障碍物时天然气喷射火情况的实验研究；

基于上述实验过程，结合所得具体数据对无障碍条件下的热辐射强度的公式进行修正，从而得到障碍存在时某一点所受热辐射强度。

作为一种或多种实施例，一种基于置障条件下天然气长输管道喷射火研究的实验系统，该系统包括：

火焰模拟模块，用于对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

采样位置确定模块，用于根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

数据采样模块，用于改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

热辐射强度计算模块，用于采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

作为一种或多种实施例，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现如下步骤：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

作为一种或多种实施例，一种处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：

对试验工况下的火焰形状尺寸进行模拟；

根据火焰形状尺寸确定障碍物的尺寸大小，并改变障碍物的相关尺寸得到不同的火焰影响范围；

根据火焰影响范围，确定火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置；

改变障碍物参数，保持火焰燃烧时辐射热量及辐射温度的采样位置不变，对障碍物参数改变前后的辐射和温度信号进行采集并提取幅值；

采用无障碍物条件下的热辐射强度公式结合实验数据对辐射热量和辐射温度进行修正，得出有障碍物条件下的热辐射强度。

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公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。