陳發(fā)祥 何偉杰 朱杭欽 魏林慧 郭進 王金貴

（福州大學 環(huán)境與安全工程學院，福州 350116）

0 引言

可燃氣體在日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用，在其輸送及使用過程中泄漏爆炸事故時常發(fā)生，給人們帶來嚴重的財產(chǎn)損失，甚至威脅相關人員的生命安全［1］。生產(chǎn)生活中常采用抑爆技術來預防和緩解可燃物料燃爆帶來的危害，而抑爆又包含被動惰化［2-3］和主動抑爆技術［4-5］。其中，被動惰化技術通過預先添加適量的惰性粉塵或惰性氣體與可燃物料充分混合，來移除燃燒所必需的熱量，確保整個操作過程的氧濃度都在允許的最大氧濃度之下；主動抑爆技術指的是在爆炸發(fā)生的初始階段主動介入，減輕氣體爆炸產(chǎn)生的超壓帶來的破壞性，移除維持燃燒所必需的熱量，以達到限制密閉容器內(nèi)最大爆炸壓力的目的。掌握可燃氣體在抑制劑主動抑爆條件下的燃爆火焰結構演化及超壓特性，是設計合適的保護和緩解措施的關鍵。

本文設計了一種可燃性氣體抑爆實驗測試系統(tǒng)，開設相關創(chuàng)新實驗課，不僅能夠?qū)扇細怏w燃爆抑制知識理解更為深刻，為抑爆劑介質(zhì)瞬態(tài)釋放時間的設定提供理論依據(jù)；同時能夠通過課程實驗，加深學生對可燃氣體抑爆概念和理論的理解與掌握，更重要的是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實際問題的能力。

1 實驗系統(tǒng)及流程設計

1.1 實驗系統(tǒng)需求分析

為使實驗安全有效進行，結合惰性介質(zhì)抑制可燃氣體燃爆事故的特點進行實驗系統(tǒng)裝置需求分析，其具有如下特點：

1）可燃性氣體發(fā)生燃爆后會產(chǎn)生高溫高壓，通常產(chǎn)生的瞬時溫度在1 000℃以上、峰值壓力在幾百千帕以上。因此要求設計的氣體燃爆反應裝置具有耐瞬時高溫和耐高壓的特性，并且預留一定的安全余量，以滿足實驗安全進行。

2）可燃性氣體燃爆通常在幾百毫秒內(nèi)就達到峰值壓力，具有反應速度快的特點。因此要求抑爆惰性物料從介入至完全擴散開在幾十毫秒內(nèi)完成，即抑爆器的啟動時間需達到毫秒級的精度。

3）可燃性氣體燃爆事故具有過程快的特點，通常在幾秒之內(nèi)就反應結束。因此對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著嚴格的要求，其必須以極高的頻率將可燃性氣體燃爆過程的火焰結構演化及超壓變化相關參數(shù)采集記錄下來，故所用壓力傳感器、高速攝像機和數(shù)據(jù)采集儀的頻響要快、抗干擾能力要強。

1.2 實驗裝置設計

為幫助學生理解《工業(yè)防火防爆》中惰性物料主動抑制可燃性預混氣體燃燒與爆炸火焰特征、超壓行為等知識點，根據(jù)上述分析，設計了可燃氣體抑爆實驗模擬系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由1m3球形爆炸容器、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及爆炸測試控制系統(tǒng)4部分組成。

圖1 1 m3球形抑爆實驗系統(tǒng)示意

1）1 m3球形爆炸容器。爆炸容器為一體積為1 m3、設計工作壓力2 MPa的球形鋼質(zhì)容器，一般氣體在1 m3球形爆炸容器內(nèi)燃爆產(chǎn)生的壓力在1.5 MPa以內(nèi)。為實現(xiàn)爆炸過程的可視化，在該容器前后兩側設置可裝設直徑250 mm透明亞力克板的視窗，為高速攝影機拍攝火焰演化過程提供光學通道。球形容器壁處設置有2處接口，用于安裝抑爆器和壓阻式壓力傳感器。在罐體兩側也預留有6處接口，用以安裝點火電極、真空壓力表等。

2）配氣系統(tǒng)。主要由真空泵、配氣柱、氣瓶及數(shù)字壓力表組成。根據(jù)道爾頓分壓定律，按不同實驗工況要求，預先計算配置的可燃性混合氣體的總壓力和各組分氣體的分壓。因剛配置完成的預混可燃氣體會出現(xiàn)分層的情況，所以需要靜置10 min使其自然混合均勻后再使用。

3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要由火焰數(shù)據(jù)采集及壓力數(shù)據(jù)采集兩部分組成，通過DDS信號發(fā)生器同時觸發(fā)高速攝像機及壓力信號采集系統(tǒng)，其中壓力數(shù)據(jù)采集由ZXP660高頻瞬態(tài)壓力傳感器和HX-3E數(shù)據(jù)采集卡組成，傳感器量程為0～1 MPa，動態(tài)響應時間為1 ms；火焰數(shù)據(jù)采集由型號為MEMRECAM HX-3E型高速攝像機完成，其拍攝頻率可根據(jù)拍攝需要自主設定。將高速攝像機布設于罐體透明亞力克板的觀察窗口處，用于記錄火焰?zhèn)鞑ミ^程。

4）爆炸測試控制系統(tǒng)。主要由爆炸測試系統(tǒng)控制臺、抑爆裝置及點火系統(tǒng)3部分組成。通過爆炸測試系統(tǒng)控制臺可實現(xiàn)點火電極點火時間與抑爆介質(zhì)噴射觸發(fā)時刻的動態(tài)調(diào)整，以研究抑爆介質(zhì)噴射系統(tǒng)觸發(fā)時間對混合物燃爆抑制效果的影響。點火系統(tǒng)由脈沖式點火器和點火電極（銅線，兩極間距3 mm）組成，點火電極位于容器中心，點火電壓為15 kV。抑爆介質(zhì)噴射裝置安裝在球形容器赤道線上，如圖2所示，其結構主要由抑爆罐、電磁閥、氣動閥、空壓機、金屬膜片及噴頭等組成。抑爆罐容積為7.3 L，通過螺栓將抑爆罐體法蘭與球形爆炸容器壁法蘭連接固定，連接法蘭中間添加密封橡膠圈，以提高裝置的氣密性。抑爆介質(zhì)放置在抑爆罐內(nèi)，罐體底部使用金屬密封膜片將高壓氣體、抑爆劑與外界隔離。

圖2 抑爆介質(zhì)噴射裝置結構

1.3 抑爆裝置工作原理

以抑爆介質(zhì)是惰性粉塵為例，該抑爆裝置工作原理為：在抑爆介質(zhì)罐體中充裝一定質(zhì)量的粉體抑爆介質(zhì)，旋緊頂部密封法蘭將抑爆器密封，通過密封蓋上方的氣孔閥及壓力表控制設置惰性氣體驅(qū)動壓力，配氣完成后在抑爆介質(zhì)罐體內(nèi)形成高壓氣體和抑爆介質(zhì)的混合物。當電磁閥接收到爆炸測試控制臺發(fā)出的觸發(fā)信號后，將驅(qū)動相應的氣動閥立即開啟抑爆介質(zhì)罐體底部的金屬密封膜片，抑爆介質(zhì)在高壓氣體的驅(qū)動下通過噴頭噴射至球形爆炸容器內(nèi)，形成超細粉體動態(tài)云幕。大量實驗表明，在驅(qū)動氣體加壓值及抑爆介質(zhì)濃度不變的條件下，抑爆介質(zhì)噴射云幕保持相對恒定。

1.4 抑爆實驗系統(tǒng)實驗流程

以抑爆介質(zhì)是惰性粉塵為例，具體實驗操作流程如下：①檢查球形爆炸容器氣密性，打開信號發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，查看是否處于正常工作狀態(tài)。②利用真空泵將容器內(nèi)壓力抽至30 kPa，靜置2 min，確保容器內(nèi)壓力波動小于0.05 kPa。③將抑爆惰性粉體充裝至抑爆介質(zhì)罐體內(nèi)部，并保證結合面密封良好，旋緊法蘭螺栓。通過罐體頂部的氣體加壓孔配置一定壓力的驅(qū)動氣體，完成抑爆介質(zhì)噴射裝置裝配工作。④根據(jù)道爾頓分壓定律，按實驗方案配置可燃性氣體-空氣，配氣完成后靜置10 min使容器內(nèi)各組分氣體混合均勻。⑤按照實驗工況，在爆炸測試系統(tǒng)控制臺上設置點火時間，抑爆介質(zhì)噴射觸發(fā)延遲時間，其中抑爆器觸發(fā)時刻晚于點火時刻。⑥通過DDS信號發(fā)生器同步觸發(fā)壓力數(shù)據(jù)采集儀及高速相機；同時觸發(fā)爆炸測試系統(tǒng)控制臺點火鍵，實現(xiàn)點火引爆后在爆炸發(fā)生初期，按照設定時間瞬時噴射粉體抑爆介質(zhì)，實現(xiàn)爆炸抑制。⑦記錄爆炸火焰圖像和壓力數(shù)據(jù)，實驗結束后保存實驗數(shù)據(jù)。⑧開啟泄壓口球閥，釋放容器內(nèi)爆炸壓力。⑨在下一組實驗測試之前，均需使用干燥空氣徹底清潔爆炸容器。

2 抑爆實驗測試系統(tǒng)實驗教學應用

為了讓學生直觀理解并掌握抑爆介質(zhì)瞬態(tài)噴射時間及不同惰性粉體對可燃性氣體燃爆的火焰演變特征及超壓的影響，可以利用前述實驗系統(tǒng)為《工業(yè)防火防爆》等課程的相關知識點提供科研教學案例支持。實驗課主要由8~10人為小組的形式進行實驗，具體試驗方法如下。

2.1 試驗方法

為了讓學生全面理解惰性物介質(zhì)對可燃性氣體惰化效果的影響，主要設定了3部分實驗：①抑爆罐內(nèi)惰性氣體設定不同驅(qū)動壓力，根據(jù)高速攝像機采集的數(shù)據(jù)，得到抑爆介質(zhì)噴射與點火時間的間隔，研究抑爆介質(zhì)噴射時間是否受抑爆罐驅(qū)動壓力的影響。②選用同種惰性粉體，探究抑爆介質(zhì)噴射時間對可燃性氣體燃爆的影響，確定惰性氣體最佳噴射時間。③選用惰性氣體最佳噴射時間，探究不同惰性介質(zhì)對氣體燃爆的影響。

2.2 實驗結果與分析

限于篇幅，以下僅以第一部分實驗為例，即抑爆罐惰性氣體驅(qū)動壓力對抑爆介質(zhì)噴射時間的影響。首先，在抑爆器罐體中加入50 g白色粉體介質(zhì)，根據(jù)實驗方案調(diào)節(jié)惰性氣體驅(qū)動壓力值分別至1 MPa、1.5 MPa。其次，調(diào)整控制系統(tǒng)，將抑爆介質(zhì)罐體電磁閥觸發(fā)時間設置為點火后30 ms。最后，啟動爆炸測試控制系統(tǒng)，相繼觸發(fā)點火電極和抑爆介質(zhì)罐體電磁閥。采用NAC HX-3E型高速攝像機捕捉點火和介質(zhì)噴射行為，高速攝像機頻率設置為1 000 fps/s。同時，在爆炸球形容器內(nèi)安設防爆燈補光，以觀測粉體的噴射特性。圖3為驅(qū)動壓力值為1 MPa和1.5 MPa時的粉體抑爆介質(zhì)噴射延時及狀態(tài)圖。

圖3 粉體抑爆介質(zhì)噴射狀態(tài)

如圖所示，驅(qū)動壓力1 MPa和1.5 MPa時，粉體介質(zhì)都在31 ms時由噴頭處噴出，與預先設置點火后30 ms噴射效果基本一致。粉體介質(zhì)在實驗罐體中彌散性較好，從噴頭處開始向四周擴散，形成中心向四周擴散的傘狀粉體云幕，并于51 ms時傳播至點火電極處。通過粉體抑爆介質(zhì)噴射圖可知，粉體介質(zhì)噴射延遲時間受抑爆罐驅(qū)動壓力值的影響不大，即惰性介質(zhì)噴射延遲時間主要決定于前述爆炸測試控制系統(tǒng)中點火與電磁閥的觸發(fā)間隔時間。實驗發(fā)現(xiàn)本抑爆介質(zhì)噴射系統(tǒng)具有響應速度快、噴射角度較廣、噴射速度較快等特點。

前述實驗可為后續(xù)第二、三部分實驗提供基礎，學生后續(xù)可進行抑爆介質(zhì)噴射時間對可燃氣體燃爆影響及不同惰性物料對氣體燃爆影響的實驗研究。通過開展這些實驗，讓學生直觀地了解到可燃氣體主動抑爆技術對火焰結構演化及超壓特性的影響，從而提高了學生的學習興趣和學習效率，同時培養(yǎng)學生了創(chuàng)新性思維、科研素養(yǎng)，更好地滿足高校培養(yǎng)全面發(fā)展高素質(zhì)創(chuàng)新人才的需要。

3 本實驗教學應用的特點

相較于傳統(tǒng)教學方式，開展科教融合創(chuàng)新實驗課具有如下特點：

1）將豐富的科研資源轉化為教學資源。通過搭建可燃氣抑爆實驗系統(tǒng)并將其運用于創(chuàng)新實驗課，能讓學生更為直觀的理解并掌握可燃性氣體燃爆的相關知識點，降低了學生的理論學習門檻，極大地提高了教學效果。

2）培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維、科研素養(yǎng)，發(fā)揮學生主觀能動性。由學生自己獨立制訂實驗方案、完成實驗操作、整理分析實驗結果，最后撰寫實驗報告，使學生能夠從實驗中獲得發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。通過這樣的創(chuàng)新性實驗課，極大地培養(yǎng)了其創(chuàng)新性思維及科研素養(yǎng)。

3）培養(yǎng)了學生的團隊合作精神。由于抑爆實驗涉及配氣、點火、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理等多項任務，需要團隊之間相互配合才能完成實驗。小組內(nèi)實驗分工的過程也體現(xiàn)了團隊合作的重要性，只有分工合理，并且使每個人都能按時保質(zhì)保量的完成自己的任務才能保證整個實驗的進度。通過團隊協(xié)作式創(chuàng)新性實驗課不僅加強了學生之間的協(xié)作能力，而且培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)目蒲刑剿骶瘛?/p>

4 結語

本文針對《工業(yè)防火防爆》課程中可燃氣體燃爆主動抑制作用下火焰結構演化及超壓特征知識點，設計并搭建了可燃氣體抑爆實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠應用于《工業(yè)防火防爆》實驗教學及日?？蒲校瑫r還可將部分優(yōu)秀科研成果通過案例形式融入課堂教學中，促進科研成果轉化為教學案例。實踐表明，該系統(tǒng)可有效加強學生理解抑爆系統(tǒng)惰性介質(zhì)驅(qū)動壓力對抑爆介質(zhì)噴射時間的影響、抑爆介質(zhì)噴射時間對可燃性氣體燃爆的影響及不同惰性物料對氣體燃爆的影響，通過創(chuàng)新實驗課教學后學生對晦澀、抽象的相關知識點的掌握程度明顯提升，且還能培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維，提升了科研能力。