過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置的測試實驗

索銘澤，王天宇，黃政，周宇航，張穎

過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置的測試實驗

索銘澤1，王天宇2，黃政2，周宇航2，張穎2

（1.大慶實驗中學(xué)，黑龍江大慶163318；2.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

為模擬和測試沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE)這一過程，設(shè)計了一套以過熱水為介質(zhì)，具有遠程監(jiān)控功能的測試裝置。該裝置包括：壓力容器系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)、實驗臺系統(tǒng)三個部分。用容器頂部電磁閥的開度來模擬容器泄漏面積，用遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定和采集蒸汽爆炸瞬間容器內(nèi)的溫度、壓力及液位等參數(shù)。整套裝置可在保證人身安全的前提下完成沸騰液體膨脹蒸汽爆炸過程。通過對測試實驗及數(shù)據(jù)的分析，該套裝置達到了設(shè)計要求。

壓力容器；蒸汽爆炸；超壓泄放；遠程監(jiān)控

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的一類安全事故[1-3]。本文以研究沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的臨界條件為主要目的，研制過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置。使用部分盛裝高溫、高壓熱水的壓力容器進行實驗[1]，通過高速攝像機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。使用壓力變送器和熱電偶等遠程測量傳感器記錄實驗過程中壓力及溫度的變化過程，用超聲波液位計來實時監(jiān)測容器內(nèi)的液位，來計算發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時的氣液兩相空間比例；由傳感器采集的溫度、壓力、液位、泄漏面積、時間等數(shù)據(jù)，經(jīng)遠程傳輸至控制系統(tǒng)，經(jīng)由軟件處理后，可繪制出溫度、壓力隨時間的變化曲線，用于分析沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的機理及影響因素。

1 實驗裝置的總體結(jié)構(gòu)

過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置由壓力容器系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)和實驗臺系統(tǒng)三部分組成。

（1）壓力容器系統(tǒng)

壓力容器系統(tǒng)為本套實驗裝置的主體，該立式容器采用筒體兩端焊接一對標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的結(jié)構(gòu)。上封頭的中心焊接的接管采用螺紋連接安裝電磁閥；在上封頭其他位置接出八個接管分別安裝四種不同型號和功能的安全閥和四種型號不同的爆破片。在筒體四周焊接的多個接管，來安裝測量溫度和壓力的傳感器及物理表盤、超聲波液位計和磁浮子液位計。在下封頭中心設(shè)有安裝內(nèi)置加熱電極的開口，其他位置焊接的接管用來安裝進水閥和排水閥。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)

（2）安全泄放系統(tǒng)

在容器的上封頭安裝有四種不同型號和功能的安全閥和爆破片，這兩種安全泄放裝置可以保證壓力容器在設(shè)計壓力范圍內(nèi)正常工作，并滿足容器內(nèi)過熱液體產(chǎn)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時安全泄放的功能；在正中心位置安裝電磁閥來模擬容器的泄漏，通過實驗軟件設(shè)定電磁閥的開度來模擬泄漏面積。

（3）實驗臺系統(tǒng)

實驗臺系統(tǒng)分為兩部分：一是實驗臺系統(tǒng)，二是實驗控制系統(tǒng)。實驗臺用于放置本套實驗裝置的加載裝置，分為箱體、泵、水箱以及連接管線。實驗控制系統(tǒng)有溫度和壓力傳感器、超聲波液位計、電磁閥、溫度控制器、數(shù)據(jù)采集箱、PLC和實驗軟件，其中實驗軟件采用RS232數(shù)據(jù)通訊，基于組態(tài)王工業(yè)自動控制系統(tǒng)開發(fā)，以實現(xiàn)對實驗裝置各參數(shù)的控制以及遠程在線監(jiān)控的功能。

2 沸騰液體膨脹蒸汽爆炸實驗

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發(fā)生是由許多因素決定的，其中容器的壁厚、材料強度、承受的外加熱輻射通量的大小以及作用時間、泄壓閥的開啟面積和設(shè)定壓力以及容器的熱保護措施等，都對沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發(fā)生起到?jīng)Q定性的作用[4]。本文通過調(diào)節(jié)電磁閥開度模擬壓力容器不同缺陷泄漏面積的大小，進行沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象的測試。

（1）實驗過程

接通所有實驗設(shè)備電源，打開計算機上的實驗軟件，實驗主界面如圖2所示。打開注水管路上的閥門，啟動水泵，觀察磁浮子液位計和超聲波液位計的示數(shù)，當(dāng)液位達到所需液位時關(guān)閉水泵，并打開上封頭處的放空閥門，此時容器上其他閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。將溫度控制器設(shè)定到110℃后開始加熱，觀察操作界面上的溫度顯示，當(dāng)達到100℃時，打開一路安全閥，關(guān)閉其他閥門，此時電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。將溫度設(shè)定為200℃繼續(xù)加熱，此時容器液體溫度逐漸升高，氣相空間的壓力也逐漸升高，當(dāng)氣體壓力達到1.2 MPa關(guān)閉加熱，設(shè)定適合的電磁閥開度，用來模擬缺陷泄漏，觀察容器是否產(chǎn)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象，整個過程的壓力溫度和液位的數(shù)據(jù)都將由實驗軟件記錄下來，進行最后的實驗分析。

圖2 實驗操作界面

（2）實驗數(shù)據(jù)采集及分析

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象是在一瞬間產(chǎn)生的，需要經(jīng)過多次設(shè)定實驗條件（電磁閥開度、加熱前容器液位、開啟電磁閥時容器內(nèi)氣相壓力、溫度等）并完成實驗，直至找到發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時的各項參數(shù)。在進行多次實驗后，成功測試出沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象，實驗軟件將實驗數(shù)據(jù)記錄下來，實驗軟件的數(shù)據(jù)報表界面如圖3所示。軟件根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制實驗曲線，并可通過數(shù)據(jù)查詢界面的“變量選擇單元”和“時間屬性”來選擇變量和設(shè)定時間區(qū)間，放大發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸瞬間這一時間段的數(shù)據(jù)曲線，確定各項參數(shù)以研究其發(fā)生機理，數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示，數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖3 實驗數(shù)據(jù)報表

圖4 數(shù)據(jù)查詢界面

圖5 實驗數(shù)據(jù)曲線

圖5為發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象數(shù)秒內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)曲線。由圖5可知，容器內(nèi)的水被加熱后逐漸變?yōu)檫^熱狀態(tài)，曲線平滑上升階段表示容器內(nèi)氣體壓力逐漸升高，當(dāng)電磁閥按照設(shè)定的開度打開后，氣體開始泄露，容器內(nèi)氣體壓力開始降低，由于氣相的壓力降低導(dǎo)致液相的沸點降低，液體產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象，瞬間產(chǎn)生大量的蒸汽，使氣體壓力瞬間升高并超過泄露前最高壓力的數(shù)倍之多，一直達到爆破片的爆破壓力，爆破片破裂，泄放出容器內(nèi)的氣液混合物，壓力瞬間下降至大氣壓力。這一過程就是沸騰液體膨脹蒸汽爆炸過程。

3 結(jié)束語

本文利用研制的過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置，開展了沸騰液體膨脹蒸汽爆炸實驗。通過設(shè)定適合的實驗參數(shù)（電磁閥開度、氣液比例等），成功模擬沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象。該裝置在實驗時可以記錄整個實驗的爆炸現(xiàn)象，并記錄和存儲實驗各項參數(shù)的數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后可生成數(shù)據(jù)曲線。該裝置可以很好的模擬沸騰液體膨脹蒸汽爆炸這一過程，為進一步研究沸騰液體膨脹蒸汽爆炸理論提供了硬件基礎(chǔ)。

[1]陳思凝.沸騰液體膨脹蒸氣爆炸（BLEVE）動力演化機理的小尺寸模擬試驗研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[2]王慶慧.壓力容器蒸汽爆炸臨界條件分析及后果仿真[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[3]包貴林.一起“鍋爐爆炸”的真正原因[J].裝備制造技術(shù)，2016（03）：273-275.

[4]弓燕舞，林文勝，顧安忠.蒸氣爆炸研究現(xiàn)狀及問題分析[J].石油與天然氣化工，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

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目—過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置的創(chuàng)新設(shè)計（項目編號：201610220003）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目—儲罐內(nèi)置式聲發(fā)射檢測用多傳感器投放裝置設(shè)計（項目編號：201610220001）

索銘澤（1999-），男，黑龍江大慶人，高三在讀，研究方向為過熱蒸汽超壓機理及測試技術(shù)。