污水管道气体安全阈值研究装置

摘要

本发明公开一种污水管道气体安全阈值研究装置，包括爆炸装置，分别与爆炸装置连接的配气系统、点火装置和监测系统，其特征是：所述爆炸装置包括爆炸腔、设在爆炸腔右部上的压力表、分别设在爆炸腔左右两端连接的第一球阀和第二球阀、一端与第二球阀连接的变径接头，变径接头的另一端通过硬质胶管与活动接头的一端连接；所述监测系统包括真空机、便携式五合一体气体检测仪和气相色谱仪，所述爆炸装置的活动接头的另一端与监测系统的真空机、便携式五合一体气体检测仪或气相色谱仪连接。本发明配气精确，各气体成分和含量能精确配制成预定的要求；能精确确定爆炸前后温度、压力变化情况；能精确确定多元混合气体爆炸下限值。

说明书

技术领域

本发明涉及研究装置，具体涉及污水管道气体安全阈值的研究装置。

背景技术

城市下水道由于相对封闭，当有各类危险气体泄漏后，容易造成气体蓄积，遇明火造成爆炸，成为“井下炸弹”。近年来重庆、南京、武汉等地先后发生过严重的下水道爆炸事故，井下工作人员遭遇气体中毒事故也时有发生。有关研究标明存在于污水管道和化粪池主要易燃易爆气体是甲烷、一氧化碳等，有害有毒气体主要是硫化氢、氨气等，同时也存在污水厌氧发酵产生的抑爆气体——二氧化碳。因此，合理确定污水管道气体报警阈值对于污水管道气体监测尤为重要，因而，对于混和气体爆炸阈值的研究成为管道气体安全的热点。

可燃气体爆炸的研究包括实验研究、理论分析及数值模拟。对于可燃性爆炸气体极限的实验研究装置，国内外已有一些研究。最早的是美国矿山局介绍了一种测定气体爆炸极限的装置，后来又做了部分改进，并设计了电火花点火、直径5cm、长125~150cm的垂直玻璃管，利用传播法进行常压下气体极限的测定。可燃性气体爆炸的研究在我国尚处于起步阶段，国内也设计出了一些极限测试装置，可以测试出单气体爆炸极限与部分混和气体的爆炸极限。现在普遍采用的混合气体爆炸极限研究装置一般由爆炸反应器、配气系统、点火系统和测量系统等组成。配气系统普遍采用由色谱纯的气体钢瓶群以及空气压缩机、 真空泵、干燥瓶等组成，采用分压法来配制混合气体。分压法的配气装置主要由汇流排、压力表、截止阀、真空泵、连接管路、接头等组成。该装置结构简单，制备快速简单。汇流排并联的支管的多少可按配入组分数的多少及一次配气瓶数的多少来确定。但支管也不宜太多，支管愈多，配气时冲洗管路的高纯气体损失就愈多。支管太少，一次只能配一两瓶，且原料气钢瓶更换次数多，对配气量大的情况也很不方便。因此，支管数的多少，要据实际情况合理选择，一般为5~10支。用分压法配制钢瓶装标准混合气体，主要依据理想气体的“道尔顿”定律。在给定的容积下，混合气体的总压等于混合气体中各组分分压之和。

但是采用分压法配制混和气体存在一些缺点和不便：

（1）实际气体并非理想气体，只有少数气体在较低压力下可用理想气体定律来计算。对于大多数气体，用理想气体定律计算会造成较大的配制误差。因此，对于实际气体需用压缩系数来修正，用压缩系数修正，计算比较麻烦。需要采用高精度分析方法如气相色谱法分析定值，增加了实验的繁琐性。

（2）采用高精度压力表。由于分压法配气的主要依据是观察压力表的数值来计算所配标准混合气体的含量，压力表精度会直接影响配气的准确度。所以应当合理选择压力表的量程和级别。

（3）钢瓶阀的选择。在配制钢瓶标准气体时，必须对钢瓶进行抽空处理。如果钢瓶阀选择不当，则在抽空时由于钢瓶阀门的密封性不好而使空气漏入影响真空度，在正压下易从阀杆处漏出。因此，必须选用密封性好的钢瓶阀。

（4）在加入各组分气时，充压速度应当缓慢。在条件允许的前提下，待加入的组分冷却到室温时，再测量钢瓶中的压力。

（5）在计算各组分分压时，大多数是假设温度不变时的压力，而实际充气过程中会造成一定的温度升高，使钢瓶内壁的温度与瓶外的气体热量交换，从而使热量散失，故气体的温度比计算的低。

（6）实际的混合标准气体的压缩系数与理论计算的偏差。纯气体的压缩系数可以从手册中查到，因此，纯气体的量可以按公式正确计算得到。但当充入第二种气体组分时，混合气体的量与第一种纯气体计算的量不同，不完全遵从加和原现，因而会造成一定的配制误差。

（7）在配制混合气体时，不允许有一气体组分在充入钢瓶后变成液体。如果在制备的混合气体中有一组分在充入钢瓶后变成了液体，在使用和分析时，不但会造成很大的偏差，而且是极不安全的。

（8）钢瓶混合气体的分层问题。配制好的钢瓶标准气体，不能马上分析，必须采用合适的混匀技术进行混匀处理，待完全混匀后，再进行分析。

目前，针对污水管道易燃性多元气体爆炸阈值的实验研究还未见报道，研究比较多的是关于工业单元气体、多元气体以及矿业多元气体的爆炸极限和障碍物对爆炸的影响等方面的实验研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提出一种污水管道气体安全阈值的研究装置，它能够计算出各种标准气体的流量比，进而设定合适的流量，并能将各种标准气体按照需要的浓度比例和体积，进入爆炸反应器进行混合爆炸，并能收集温度和压力在爆炸前后的变化情况，以进行污水管道气体爆炸阈值的研究。

本发明所述的污水管道气体安全阈值研究装置，包括爆炸装置，分别与爆炸装置连接的配气系统、点火装置和监测系统，其特征是：

所述爆炸装置包括爆炸腔、设在爆炸腔右部上的压力表、分别设在爆炸腔左右两端连接的第一球阀和第二球阀、一端与第二球阀连接的变径接头，变径接头的另一端通过硬质胶管与活动接头的一端连接；

所述监测系统包括真空机、便携式五合一体气体检测仪和气相色谱仪，所述爆炸装置的活动接头的另一端与监测系统的真空机、便携式五合一体气体检测仪或气相色谱仪连接；当与真空机连接时，用以抽尽爆炸腔气体和排空，真空机排气端由排气管排至室外；当与二便携式五合一体气体检测仪连接时，用以初测爆炸腔内气体成分和浓度；当与气相色谱仪连接时，用以精确检测爆炸腔内气体成分和浓度。所述监测系统还包括计算机、与计算机连接的数据采集器、与数据采集器连接的压力应片，该压力应片设在设在爆炸腔的左部上。压力应片产生的信号经数据采集器输入计算机。

所述配气系统包括设在流量控制柜内的300mmL缓冲罐，分别与300mmL缓冲罐连接的第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器、第四质量流量控制器、第五质量流量控制器和第六质量流量控制器；

设在流量控制柜外的O₂ 钢瓶、H₂S钢瓶、CO₂钢瓶、CH₄钢瓶和N₂钢瓶分别与第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器、第四质量流量控制器和第五质量流量控制器连接，第六质量流量控制器经第一尾气排放三通阀与位于流量控制柜外的爆炸腔的左端连接；

还包括设在流量控制柜内的第七质量流量控制器，第七质量流量控制器的一端与设在流量控制柜外的空气压缩机连接、另一端经第二尾气排放三通阀也与爆炸装置的左端连接；

设在流量控制柜面板上并与220V AC电源连接的第一数字流量显示仪、第二数字流量显示仪、第三数字流量显示仪、第四数字流量显示仪、第五数字流量显示仪、第六数字流量显示仪和第七数字流量显示仪分别与第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器、第四质量流量控制器、第五质量流量控制器、第六质量流量控制器和第七质量流量控制器连接；设在流量控制柜面板上的压力显示仪与设在300mmL缓冲罐上的压力传感器连接。

所述点火装置包括示波器、与示波器连接的点火器、与点火器连接的点火针，该点火针设在爆炸腔的左部上；还包括与示波器连接的电荷放大器、与电荷放大器连接的热电偶，该热电偶设在爆炸腔的左部上。点火针高压放电产生电火花引燃爆炸腔内的混合气体，其高压电来自点火器，点火器的电源是两节5号干电池，利用脉冲点火原理产生瞬时高压，点火器在点火时同时触发示波器，使热电偶开始采集温度信号，热电偶产生的电信号经电荷放大器接入示波器。

本发明的工作原理：各种标准气体或高纯气体钢瓶（即O₂ 钢瓶、H₂S钢瓶、CO₂钢瓶、CH₄钢瓶和N₂钢瓶）内的气体分别进入设在流量控制柜中的300mL缓冲罐内，空气也由空气压缩机输入设在流量控制柜中的300mL缓冲罐内，按照流量比进行初步混合，配制成所需要的成分和浓度的混合气体后，再进入爆炸腔，然后，由点火系统在爆炸腔内引爆，监测系统检测爆炸腔内气体成分和浓度，同时检测爆炸前后爆炸腔内温度和压力变化。各种标准气体或高纯气体和空气采用流量比精确确定所需要测试混合气体的成分和浓度，提高了阈值的准确性。爆炸前后温度和压力变化参数经高频数字示波器和数据采集卡收集，准确反映爆炸变化情况。

本发明的配气系统由气体钢瓶、空气压缩机、流量控制柜等组成，其中流量控制柜由稳流阀、截止阀、质量流量控制器、数字流量显示仪、缓冲罐等几部分组成。

本发明的爆炸装置的爆炸腔是内径25mm长0.5m透明圆胶管，胶管进气端安装球阀和点火针、热电偶探头、压力应片，排气端安装压力表和球阀，并设计取样接口。爆炸腔要求气密性良好抗冲击能力强。

本发明的点火装置采用直流3V脉冲高压放电点火原理，点火器同时触发监测系统的示波器，使得点火和信号采集同步进行。点火针置于爆炸腔一端管道中心。

本发明的监测系统分为压力、温度和气体成分监测三部分，压力监测由压力应片、数据采集卡、电荷放大器和计算机组成；温度监测由热电偶、电荷放大器、示波器组成；气体成分监测由真空机、便携式五合一体气体检测仪、气相色谱仪组成。

利用上述装置进行污水管道易燃性气体阈值研究的步骤如下：

（1）根据所需要的气体成分和浓度计算出各标准气体的流量比，选定一个合适的流量，确定各种气体的流量值；

（2）流量控制柜开机预热，同时把数字流量显示仪阀控开关调至“关闭”档位，15分钟后把数字流量显示仪校正调零；

（3）打开钢瓶阀门，把钢瓶稳流阀调至0.5Mpa，打开空气压缩机，开启空气压缩机阀门。把数字流量显示仪调至所需要的流量，阀控开关调到“阀控”档，开启钢瓶截止阀，气体进入300mL缓冲罐进行初步混和。5分钟后把初混气体的数字流量显示仪调至“清洗”档，把初混气体三通调至排气档位，打开初混气体截止阀排空300mL缓冲罐内初混气体，排除缓冲罐内原有气体成分的干扰。与此同时，把空压机数字流量显示仪调至所需的流量，空气三通也处于排气档位，等待空气流量稳定；

（4）关闭爆炸腔排气端阀门，开启真空机抽尽爆炸腔内空气。把初混气体三通阀和空气三通阀同时旋转至进气档位对爆炸腔进行充气，待爆炸腔压力在一个大气压时在取样接口用便携式五合一体气体检测仪粗测气体成分，然后由气相色谱仪精确分析气体成分和含量是否达到所需要的含量；待爆炸腔内气体成分和含量达到所需要的时停止充气，关闭爆炸腔前端进气阀门、各标准气体进气截止阀以及空气阀门；

（5）开启示波器，调整示波器标度至合适范围，把触发方式设置为“外界触发”，显示为“Ready”，同时把U盘插入示波器；

（6）同时按下点火器按钮和示波器保存按钮，引爆爆炸腔内混合气体和保存爆炸波形于U盘中；

（7）开启爆炸腔阀门，开启N₂钢瓶阀门和减压阀至1Mpa，把N₂数字流量显示仪调至“清洗”档位，开启N₂截止阀，对爆炸腔用N₂进行冲洗数分钟；至此，完成了一组混合气体爆炸试验。

本研究装置适用于污水管道易燃易爆性混合气体阈值研究的实验室试验，对于其他混合气体阈值的研究同样适用。对于污水管道易燃易爆性气体在线监测报警值的确定提供了实验基础和根据，大大减少了误报和漏报的可能性，有效的保障了公共安全。

本发明的优点如下：

（1）配气精确，各气体成分和含量能精确配制成预定的要求。

（2）原始气体无需是高纯气体，各种标准气体均可作为原始气体。

（3）能精确确定爆炸前后温度、压力变化情况。

（4）能精确确定多元混合气体爆炸下限值。

附图说明

图1是污水管道气体安全阈值研究装置总体原理图；

图2是配气系统原理图；

图3是流量控制柜正面装配图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是缓冲罐是示意图；

图6是图5的1-1剖视图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的结构和处理方法：

参见图1所示的污水管道气体安全阈值的研究装置，包括爆炸装置，分别与爆炸装置连接的配气系统、点火装置和监测系统；

所述爆炸装置包括爆炸腔38、设在爆炸腔右部上的压力表49、分别设在爆炸腔左右两端连接的第一球阀39和第二球阀40、一端与第二球阀40连接的变径接头50，变径接头的另一端通过硬质胶管与活动接头51的一端连接；

所述监测系统包括真空机52、便携式五合一体气体检测仪53和气相色谱仪54，所述爆炸装置的活动接头51的另一端与监测系统的真空机52、便携式五合一体气体检测仪53或气相色谱仪54连接；当与真空机连接时，用以抽尽爆炸腔气体和排空，真空机排气端由排气管55排至室外；当与二便携式五合一体气体检测仪连接时，用以初测爆炸腔内气体成分和浓度；当与气相色谱仪连接时，用以精确检测爆炸腔内气体成分和浓度。所述监测系统还包括计算机48、与计算机连接的数据采集器47、与数据采集器连接的压力应片46，该压力应片设在设在爆炸腔38的左部上。压力应片产生的信号经数据采集器输入计算机。

所述配气系统包括设在流量控制柜13内的300mmL缓冲罐56，分别与300mmL缓冲罐连接的第一质量流量控制器57、第二质量流量控制器58、第三质量流量控制器59、第四质量流量控制器60、第五质量流量控制器61和第六质量流量控制器62；

设在流量控制柜外的O₂ 钢瓶1、H₂S钢瓶2、CO₂钢瓶3、CH₄钢瓶4和N₂钢瓶5分别与第一质量流量控制器57、第二质量流量控制器58、第三质量流量控制器59、第四质量流量控制器60和第五质量流量控制器61连接，第六质量流量控制器62经第一尾气排放三通阀28与位于流量控制柜外的爆炸装置的左端连接；

还包括设在流量控制柜13内的第七质量流量控制器63，第七质量流量控制器的一端与设在流量控制柜外的空气压缩机6连接、另一端经第二尾气排放三通阀29也与爆炸装置的左端连接；

设在流量控制柜13面板上并与220V AC电源连接的第一数字流量显示仪30、第二数字流量显示仪31、第三数字流量显示仪32、第四数字流量显示仪33、第五数字流量显示仪34、第六数字流量显示仪35和第七数字流量显示仪36分别与第一质量流量控制器57、第二质量流量控制器58、第三质量流量控制器59、第四质量流量控制器60、第五质量流量控制器61、第六质量流量控制器62和第七质量流量控制器63连接；设在流量控制柜13面板上的压力显示仪37与设在300mmL缓冲罐56上的压力传感器连接。

所述点火装置包括示波器43、与示波器连接的点火器42、与点火器连接的点火针41，该点火针设在爆炸腔38的左部上；还包括与示波器连接的电荷放大器45、与电荷放大器连接的热电偶44，该热电偶设在爆炸腔38的左部上。点火针高压放电产生电火花引燃爆炸腔内的混合气体，其高压电来自点火器，点火器的电源是两节5号干电池，利用脉冲点火原理产生瞬时高压，点火器在点火时同时触发示波器，使热电偶开始采集温度信号，热电偶产生的电信号经电荷放大器接入示波器。

五种标准气体或高纯气体钢瓶，即O₂ 钢瓶1、H₂S钢瓶2、CO₂钢瓶3、CH₄钢瓶4和N₂钢瓶5分别经钢瓶减压阀7、8、9、10、11进入流量控制柜13，空气由空气压缩机6进入流量控制柜13，空气压缩机后设置阀门12；

爆炸腔38是内经d25mm透明硬质胶管；

热电偶44产生的电信号经电荷放大器45接入示波器43。

压力应片46产生的信号经数据采集器47接入计算机48。

变径接头50接外径dn10mm硬质胶管，dn10mm硬质胶管末端接活动接头51，用以方便接不同作用的dn10mm硬质胶管：一是接真空机52，用以抽尽爆炸腔气体和排空，真空机52排气端由排气管55排至室外；二是接便携式五合一体气体检测仪53，用以粗测爆炸腔内气体成分和浓度；三是接气相色谱仪54，用以精确检测爆炸腔内气体成分和浓度。

参见图2，各种标准气体或高纯气体钢瓶1—5分别经钢瓶减压阀7、8、9、10、11、稳流阀16、17、18、19、20、截止阀22、23、24、25、26和质量流量控制器57、58、59、60、61、62、63进入30mmL缓冲罐56，质量流量控制器57、58、59、60、61、62、63分别由数字流量显示仪30、31、32、33、34、35、36控制，300mmL缓冲罐56设置压力传感器并由压力表显示仪37显示其压力数值。各种气体在300mmL缓冲罐56初步混合形成初混气体，经稳流阀21、截止阀27和质量流量控制器62接入第一尾气排放三通阀28，一方面可以放空初混气体，另一方面接爆炸腔，质量流量控制器62由数字流量显示仪36控制其流量。空气压缩机6产生的高压空气经阀门12接质量流量控制器63，质量流量控制器63由数字流量显示仪35控制调节设定流量，然后接入第二尾气排放三通阀29，当空气流量未稳定时第二尾气排放三通阀29向外排放空气，当空气流量达到设定流量并稳定以后第二尾气排放三通阀29调至和初混气体一路去爆炸腔。

参见图3、图4，流量控制柜13正面分两层，中间由流量控制柜中层板77分割开，下层作为储存柜，上层正面面板安装电源开关14、电源指示灯15、稳流阀16、17、18、19、20、21、截止阀22、23、24、25、26、27、第一尾气排放三通阀28、第二尾气排放29、数字流量显示仪30、31、32、33、34、35、36和压力表显示仪37。在流量控制柜中层板77上安装接头64、65、66、67、68、69用以接来自钢瓶1、2、3、4、5和空气压缩机6的气管，各标准气体或高纯气体分别经接头64、65、66、67、68后接单向阀70、71、72、73、74，然后接质量流量控制器57、58、59、60、61，最后去300mmL缓冲罐56进行初步混合。初混气体经单向阀75接入质量流量控制器62后去第一尾气排放三通阀28。来自空气压缩机6的高压空气经接头69接入质量流量控制器63，然后接第二尾气排放三通阀29。流量控制柜中层板77中间安装缓冲罐底座76。

参见图5、图6，缓冲罐56下侧对称焊接五根钢管用以接五种来自质量流量控制器57、58、59、60、61的气体，缓冲罐56上侧焊接短钢管80用以接压力传感器，缓冲罐56的一端焊接φ3mm不锈钢管81，缓冲罐56的下侧中间焊接钢管支架79，钢管支架79另一端焊接在缓冲罐底座76上，缓冲罐底座76打4个小孔，分别用4个固定螺丝78固定在流量控制柜中层板77上。

气体钢瓶采用40L和8L的标准容积，空气管道采用φ10mm硬质胶管，其余采用φ3mm不锈钢钢管。流量控制柜13尺寸为L×B×H=1.2m×0.6m×1.7m，数字流量显示仪30—34流量量程为100mL/min，数字流量显示仪35、36流量量程为300mL/min。爆炸腔内经D=25mm，长L=500mm。配气时间约5—10分钟，缓冲罐压力0.2—0.5Mpa。