过热蒸汽超压泄放远程测试装置的测试实验

索铭泽，王天宇，黄政，周宇航，张颖

过热蒸汽超压泄放远程测试装置的测试实验

索铭泽1，王天宇2，黄政2，周宇航2，张颖2

（1.大庆实验中学，黑龙江大庆163318；2.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318）

为模拟和测试沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)这一过程，设计了一套以过热水为介质，具有远程监控功能的测试装置。该装置包括：压力容器系统、安全泄放系统、实验台系统三个部分。用容器顶部电磁阀的开度来模拟容器泄漏面积，用远程监控系统设定和采集蒸汽爆炸瞬间容器内的温度、压力及液位等参数。整套装置可在保证人身安全的前提下完成沸腾液体膨胀蒸汽爆炸过程。通过对测试实验及数据的分析，该套装置达到了设计要求。

压力容器；蒸汽爆炸；超压泄放；远程监控

沸腾液体膨胀蒸汽爆炸是工业生产中较为常见的一类安全事故[1-3]。本文以研究沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的临界条件为主要目的，研制过热蒸汽超压泄放远程测试装置。使用部分盛装高温、高压热水的压力容器进行实验[1]，通过高速摄像机实现远程监控。使用压力变送器和热电偶等远程测量传感器记录实验过程中压力及温度的变化过程，用超声波液位计来实时监测容器内的液位，来计算发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象时的气液两相空间比例；由传感器采集的温度、压力、液位、泄漏面积、时间等数据，经远程传输至控制系统，经由软件处理后，可绘制出温度、压力随时间的变化曲线，用于分析沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的机理及影响因素。

1 实验装置的总体结构

过热蒸汽超压泄放远程测试装置由压力容器系统、安全泄放系统和实验台系统三部分组成。

（1）压力容器系统

压力容器系统为本套实验装置的主体，该立式容器采用筒体两端焊接一对标准椭圆封头的结构。上封头的中心焊接的接管采用螺纹连接安装电磁阀；在上封头其他位置接出八个接管分别安装四种不同型号和功能的安全阀和四种型号不同的爆破片。在筒体四周焊接的多个接管，来安装测量温度和压力的传感器及物理表盘、超声波液位计和磁浮子液位计。在下封头中心设有安装内置加热电极的开口，其他位置焊接的接管用来安装进水阀和排水阀。装置总体结构如图1所示。

图1 装置总体结构

（2）安全泄放系统

在容器的上封头安装有四种不同型号和功能的安全阀和爆破片，这两种安全泄放装置可以保证压力容器在设计压力范围内正常工作，并满足容器内过热液体产生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象时安全泄放的功能；在正中心位置安装电磁阀来模拟容器的泄漏，通过实验软件设定电磁阀的开度来模拟泄漏面积。

（3）实验台系统

实验台系统分为两部分：一是实验台系统，二是实验控制系统。实验台用于放置本套实验装置的加载装置，分为箱体、泵、水箱以及连接管线。实验控制系统有温度和压力传感器、超声波液位计、电磁阀、温度控制器、数据采集箱、PLC和实验软件，其中实验软件采用RS232数据通讯，基于组态王工业自动控制系统开发，以实现对实验装置各参数的控制以及远程在线监控的功能。

2 沸腾液体膨胀蒸汽爆炸实验

沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的发生是由许多因素决定的，其中容器的壁厚、材料强度、承受的外加热辐射通量的大小以及作用时间、泄压阀的开启面积和设定压力以及容器的热保护措施等，都对沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的发生起到决定性的作用[4]。本文通过调节电磁阀开度模拟压力容器不同缺陷泄漏面积的大小，进行沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象的测试。

（1）实验过程

接通所有实验设备电源，打开计算机上的实验软件，实验主界面如图2所示。打开注水管路上的阀门，启动水泵，观察磁浮子液位计和超声波液位计的示数，当液位达到所需液位时关闭水泵，并打开上封头处的放空阀门，此时容器上其他阀门均处于关闭状态。将温度控制器设定到110℃后开始加热，观察操作界面上的温度显示，当达到100℃时，打开一路安全阀，关闭其他阀门，此时电磁阀处于关闭状态。将温度设定为200℃继续加热，此时容器液体温度逐渐升高，气相空间的压力也逐渐升高，当气体压力达到1.2 MPa关闭加热，设定适合的电磁阀开度，用来模拟缺陷泄漏，观察容器是否产生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象，整个过程的压力温度和液位的数据都将由实验软件记录下来，进行最后的实验分析。

图2 实验操作界面

（2）实验数据采集及分析

沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象是在一瞬间产生的，需要经过多次设定实验条件（电磁阀开度、加热前容器液位、开启电磁阀时容器内气相压力、温度等）并完成实验，直至找到发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象时的各项参数。在进行多次实验后，成功测试出沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象，实验软件将实验数据记录下来，实验软件的数据报表界面如图3所示。软件根据实验数据绘制实验曲线，并可通过数据查询界面的“变量选择单元”和“时间属性”来选择变量和设定时间区间，放大发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸瞬间这一时间段的数据曲线，确定各项参数以研究其发生机理，数据查询界面如图4所示，数据曲线如图5所示。

图3 实验数据报表

图4 数据查询界面

图5 实验数据曲线

图5为发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象数秒内的压力数据曲线。由图5可知，容器内的水被加热后逐渐变为过热状态，曲线平滑上升阶段表示容器内气体压力逐渐升高，当电磁阀按照设定的开度打开后，气体开始泄露，容器内气体压力开始降低，由于气相的压力降低导致液相的沸点降低，液体产生爆沸现象，瞬间产生大量的蒸汽，使气体压力瞬间升高并超过泄露前最高压力的数倍之多，一直达到爆破片的爆破压力，爆破片破裂，泄放出容器内的气液混合物，压力瞬间下降至大气压力。这一过程就是沸腾液体膨胀蒸汽爆炸过程。

3 结束语

本文利用研制的过热蒸汽超压泄放远程测试装置，开展了沸腾液体膨胀蒸汽爆炸实验。通过设定适合的实验参数（电磁阀开度、气液比例等），成功模拟沸腾液体膨胀蒸汽爆炸现象。该装置在实验时可以记录整个实验的爆炸现象，并记录和存储实验各项参数的数据，经软件处理后可生成数据曲线。该装置可以很好的模拟沸腾液体膨胀蒸汽爆炸这一过程，为进一步研究沸腾液体膨胀蒸汽爆炸理论提供了硬件基础。

[1]陈思凝.沸腾液体膨胀蒸气爆炸（BLEVE）动力演化机理的小尺寸模拟试验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2007.

[2]王庆慧.压力容器蒸汽爆炸临界条件分析及后果仿真[D].大庆：东北石油大学，2011.

[3]包贵林.一起“锅炉爆炸”的真正原因[J].装备制造技术，2016（03）：273-275.

[4]弓燕舞，林文胜，顾安忠.蒸气爆炸研究现状及问题分析[J].石油与天然气化工，2002，31（03）：161-164.

The Testing of Remote TestDevice for Superheated Steam Overpressure Relief

SUO Ming-ze1，WANG Tian-yu2，HUANG Zheng2，ZHOU Yu-hang2，ZHANG Ying2
（1.Da Qing Shi Yang High School，Daqing Heilongjiang 163318，China；2.Northeast Petroleum University，Mechanical Science and Engineering Institute，Daqing Heilongjiang 163318，China）

To simulate and test the process of Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion(BLEVE)，a set of test equipment with super hot water as medium and remote monitoring function is designed.The device comprises three parts，pressure vessel system，safety relief system，test bench system.Using the opening angle of the solenoid valve at the top of the vessel to simulate the container leakage area.Using remote monitoring system to set and collect the parameters such as temperature，pressure and liquid level at the moment of steam explosion in the vessel.The whole device can complete the Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion process on the premise of ensuring the personal safety.Through the test and analysis of the experimental data，the device meets the design requirements.

pressure vessel；steam explosion；overpressure relief；remote monitoring

X933.4

A

1672-545X（2017）02-0139-02

2016-11-04

国家级大学生创新创业训练计划项目—过热蒸汽超压泄放远程测试装置的创新设计（项目编号：201610220003）；国家级大学生创新创业训练计划项目—储罐内置式声发射检测用多传感器投放装置设计（项目编号：201610220001）

索铭泽（1999-），男，黑龙江大庆人，高三在读，研究方向为过热蒸汽超压机理及测试技术。