可燃气体抑爆实验系统设计与应用*

陈发祥 何伟杰 朱杭钦 魏林慧 郭进 王金贵

（福州大学 环境与安全工程学院，福州 350116）

0 引言

可燃气体在日常生活与工业生产中有着广泛的应用，在其输送及使用过程中泄漏爆炸事故时常发生，给人们带来严重的财产损失，甚至威胁相关人员的生命安全［1］。生产生活中常采用抑爆技术来预防和缓解可燃物料燃爆带来的危害，而抑爆又包含被动惰化［2-3］和主动抑爆技术［4-5］。其中，被动惰化技术通过预先添加适量的惰性粉尘或惰性气体与可燃物料充分混合，来移除燃烧所必需的热量，确保整个操作过程的氧浓度都在允许的最大氧浓度之下；主动抑爆技术指的是在爆炸发生的初始阶段主动介入，减轻气体爆炸产生的超压带来的破坏性，移除维持燃烧所必需的热量，以达到限制密闭容器内最大爆炸压力的目的。掌握可燃气体在抑制剂主动抑爆条件下的燃爆火焰结构演化及超压特性，是设计合适的保护和缓解措施的关键。

本文设计了一种可燃性气体抑爆实验测试系统，开设相关创新实验课，不仅能够对可燃气体燃爆抑制知识理解更为深刻，为抑爆剂介质瞬态释放时间的设定提供理论依据；同时能够通过课程实验，加深学生对可燃气体抑爆概念和理论的理解与掌握，更重要的是培养学生发现问题、分析问题和解决实际问题的能力。

1 实验系统及流程设计

1.1 实验系统需求分析

为使实验安全有效进行，结合惰性介质抑制可燃气体燃爆事故的特点进行实验系统装置需求分析，其具有如下特点：

1）可燃性气体发生燃爆后会产生高温高压，通常产生的瞬时温度在1 000℃以上、峰值压力在几百千帕以上。因此要求设计的气体燃爆反应装置具有耐瞬时高温和耐高压的特性，并且预留一定的安全余量，以满足实验安全进行。

2）可燃性气体燃爆通常在几百毫秒内就达到峰值压力，具有反应速度快的特点。因此要求抑爆惰性物料从介入至完全扩散开在几十毫秒内完成，即抑爆器的启动时间需达到毫秒级的精度。

3）可燃性气体燃爆事故具有过程快的特点，通常在几秒之内就反应结束。因此对于数据采集系统有着严格的要求，其必须以极高的频率将可燃性气体燃爆过程的火焰结构演化及超压变化相关参数采集记录下来，故所用压力传感器、高速摄像机和数据采集仪的频响要快、抗干扰能力要强。

1.2 实验装置设计

为帮助学生理解《工业防火防爆》中惰性物料主动抑制可燃性预混气体燃烧与爆炸火焰特征、超压行为等知识点，根据上述分析，设计了可燃气体抑爆实验模拟系统，如图1所示。该系统主要由1m3球形爆炸容器、配气系统、数据采集系统及爆炸测试控制系统4部分组成。

图1 1 m3球形抑爆实验系统示意

1）1 m3球形爆炸容器。爆炸容器为一体积为1 m3、设计工作压力2 MPa的球形钢质容器，一般气体在1 m3球形爆炸容器内燃爆产生的压力在1.5 MPa以内。为实现爆炸过程的可视化，在该容器前后两侧设置可装设直径250 mm透明亚力克板的视窗，为高速摄影机拍摄火焰演化过程提供光学通道。球形容器壁处设置有2处接口，用于安装抑爆器和压阻式压力传感器。在罐体两侧也预留有6处接口，用以安装点火电极、真空压力表等。

2）配气系统。主要由真空泵、配气柱、气瓶及数字压力表组成。根据道尔顿分压定律，按不同实验工况要求，预先计算配置的可燃性混合气体的总压力和各组分气体的分压。因刚配置完成的预混可燃气体会出现分层的情况，所以需要静置10 min使其自然混合均匀后再使用。

3）数据采集系统。主要由火焰数据采集及压力数据采集两部分组成，通过DDS信号发生器同时触发高速摄像机及压力信号采集系统，其中压力数据采集由ZXP660高频瞬态压力传感器和HX-3E数据采集卡组成，传感器量程为0～1 MPa，动态响应时间为1 ms；火焰数据采集由型号为MEMRECAM HX-3E型高速摄像机完成，其拍摄频率可根据拍摄需要自主设定。将高速摄像机布设于罐体透明亚力克板的观察窗口处，用于记录火焰传播过程。

4）爆炸测试控制系统。主要由爆炸测试系统控制台、抑爆装置及点火系统3部分组成。通过爆炸测试系统控制台可实现点火电极点火时间与抑爆介质喷射触发时刻的动态调整，以研究抑爆介质喷射系统触发时间对混合物燃爆抑制效果的影响。点火系统由脉冲式点火器和点火电极（铜线，两极间距3 mm）组成，点火电极位于容器中心，点火电压为15 kV。抑爆介质喷射装置安装在球形容器赤道线上，如图2所示，其结构主要由抑爆罐、电磁阀、气动阀、空压机、金属膜片及喷头等组成。抑爆罐容积为7.3 L，通过螺栓将抑爆罐体法兰与球形爆炸容器壁法兰连接固定，连接法兰中间添加密封橡胶圈，以提高装置的气密性。抑爆介质放置在抑爆罐内，罐体底部使用金属密封膜片将高压气体、抑爆剂与外界隔离。

图2 抑爆介质喷射装置结构

1.3 抑爆装置工作原理

以抑爆介质是惰性粉尘为例，该抑爆装置工作原理为：在抑爆介质罐体中充装一定质量的粉体抑爆介质，旋紧顶部密封法兰将抑爆器密封，通过密封盖上方的气孔阀及压力表控制设置惰性气体驱动压力，配气完成后在抑爆介质罐体内形成高压气体和抑爆介质的混合物。当电磁阀接收到爆炸测试控制台发出的触发信号后，将驱动相应的气动阀立即开启抑爆介质罐体底部的金属密封膜片，抑爆介质在高压气体的驱动下通过喷头喷射至球形爆炸容器内，形成超细粉体动态云幕。大量实验表明，在驱动气体加压值及抑爆介质浓度不变的条件下，抑爆介质喷射云幕保持相对恒定。

1.4 抑爆实验系统实验流程

以抑爆介质是惰性粉尘为例，具体实验操作流程如下：①检查球形爆炸容器气密性，打开信号发生装置、数据采集系统，查看是否处于正常工作状态。②利用真空泵将容器内压力抽至30 kPa，静置2 min，确保容器内压力波动小于0.05 kPa。③将抑爆惰性粉体充装至抑爆介质罐体内部，并保证结合面密封良好，旋紧法兰螺栓。通过罐体顶部的气体加压孔配置一定压力的驱动气体，完成抑爆介质喷射装置装配工作。④根据道尔顿分压定律，按实验方案配置可燃性气体-空气，配气完成后静置10 min使容器内各组分气体混合均匀。⑤按照实验工况，在爆炸测试系统控制台上设置点火时间，抑爆介质喷射触发延迟时间，其中抑爆器触发时刻晚于点火时刻。⑥通过DDS信号发生器同步触发压力数据采集仪及高速相机；同时触发爆炸测试系统控制台点火键，实现点火引爆后在爆炸发生初期，按照设定时间瞬时喷射粉体抑爆介质，实现爆炸抑制。⑦记录爆炸火焰图像和压力数据，实验结束后保存实验数据。⑧开启泄压口球阀，释放容器内爆炸压力。⑨在下一组实验测试之前，均需使用干燥空气彻底清洁爆炸容器。

2 抑爆实验测试系统实验教学应用

为了让学生直观理解并掌握抑爆介质瞬态喷射时间及不同惰性粉体对可燃性气体燃爆的火焰演变特征及超压的影响，可以利用前述实验系统为《工业防火防爆》等课程的相关知识点提供科研教学案例支持。实验课主要由8~10人为小组的形式进行实验，具体试验方法如下。

2.1 试验方法

为了让学生全面理解惰性物介质对可燃性气体惰化效果的影响，主要设定了3部分实验：①抑爆罐内惰性气体设定不同驱动压力，根据高速摄像机采集的数据，得到抑爆介质喷射与点火时间的间隔，研究抑爆介质喷射时间是否受抑爆罐驱动压力的影响。②选用同种惰性粉体，探究抑爆介质喷射时间对可燃性气体燃爆的影响，确定惰性气体最佳喷射时间。③选用惰性气体最佳喷射时间，探究不同惰性介质对气体燃爆的影响。

2.2 实验结果与分析

限于篇幅，以下仅以第一部分实验为例，即抑爆罐惰性气体驱动压力对抑爆介质喷射时间的影响。首先，在抑爆器罐体中加入50 g白色粉体介质，根据实验方案调节惰性气体驱动压力值分别至1 MPa、1.5 MPa。其次，调整控制系统，将抑爆介质罐体电磁阀触发时间设置为点火后30 ms。最后，启动爆炸测试控制系统，相继触发点火电极和抑爆介质罐体电磁阀。采用NAC HX-3E型高速摄像机捕捉点火和介质喷射行为，高速摄像机频率设置为1 000 fps/s。同时，在爆炸球形容器内安设防爆灯补光，以观测粉体的喷射特性。图3为驱动压力值为1 MPa和1.5 MPa时的粉体抑爆介质喷射延时及状态图。

图3 粉体抑爆介质喷射状态

如图所示，驱动压力1 MPa和1.5 MPa时，粉体介质都在31 ms时由喷头处喷出，与预先设置点火后30 ms喷射效果基本一致。粉体介质在实验罐体中弥散性较好，从喷头处开始向四周扩散，形成中心向四周扩散的伞状粉体云幕，并于51 ms时传播至点火电极处。通过粉体抑爆介质喷射图可知，粉体介质喷射延迟时间受抑爆罐驱动压力值的影响不大，即惰性介质喷射延迟时间主要决定于前述爆炸测试控制系统中点火与电磁阀的触发间隔时间。实验发现本抑爆介质喷射系统具有响应速度快、喷射角度较广、喷射速度较快等特点。

前述实验可为后续第二、三部分实验提供基础，学生后续可进行抑爆介质喷射时间对可燃气体燃爆影响及不同惰性物料对气体燃爆影响的实验研究。通过开展这些实验，让学生直观地了解到可燃气体主动抑爆技术对火焰结构演化及超压特性的影响，从而提高了学生的学习兴趣和学习效率，同时培养学生了创新性思维、科研素养，更好地满足高校培养全面发展高素质创新人才的需要。

3 本实验教学应用的特点

相较于传统教学方式，开展科教融合创新实验课具有如下特点：

1）将丰富的科研资源转化为教学资源。通过搭建可燃气抑爆实验系统并将其运用于创新实验课，能让学生更为直观的理解并掌握可燃性气体燃爆的相关知识点，降低了学生的理论学习门槛，极大地提高了教学效果。

2）培养学生创新性思维、科研素养，发挥学生主观能动性。由学生自己独立制订实验方案、完成实验操作、整理分析实验结果，最后撰写实验报告，使学生能够从实验中获得发现问题、分析问题和解决问题的能力。通过这样的创新性实验课，极大地培养了其创新性思维及科研素养。

3）培养了学生的团队合作精神。由于抑爆实验涉及配气、点火、数据采集、数据整理等多项任务，需要团队之间相互配合才能完成实验。小组内实验分工的过程也体现了团队合作的重要性，只有分工合理，并且使每个人都能按时保质保量的完成自己的任务才能保证整个实验的进度。通过团队协作式创新性实验课不仅加强了学生之间的协作能力，而且培养了学生严谨的科研探索精神。

4 结语

本文针对《工业防火防爆》课程中可燃气体燃爆主动抑制作用下火焰结构演化及超压特征知识点，设计并搭建了可燃气体抑爆实验系统。该系统不仅能够应用于《工业防火防爆》实验教学及日常科研，同时还可将部分优秀科研成果通过案例形式融入课堂教学中，促进科研成果转化为教学案例。实践表明，该系统可有效加强学生理解抑爆系统惰性介质驱动压力对抑爆介质喷射时间的影响、抑爆介质喷射时间对可燃性气体燃爆的影响及不同惰性物料对气体燃爆的影响，通过创新实验课教学后学生对晦涩、抽象的相关知识点的掌握程度明显提升，且还能培养学生创新性思维，提升了科研能力。