一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位方法

技术领域

本发明涉及一种模拟试验装置及泄漏源定位方法，尤其适用于燃气管道安全检测使用的一种燃气模拟试验装置及定位方法。

背景技术

燃气泄漏是由意外导致燃气从管道、钢瓶中意外泄漏在空气中的一种现象，其特征是在很短的时间内，造成燃气大量泄漏，并且可能会持续很长的时间，对周边的环境和设备可能会造成严重损害。比如近期发生的大连金州天然气管道2次爆炸，在事故发生不久后，经初步判断，事故系金州天成燃气公司燃气管道泄漏导致爆炸，最终导致了3人死亡、8人轻伤的严重后果；还有发生在重庆渝北回兴“3.14”燃气闪爆事故，是在重庆市渝北区回兴镇发生一起天然气泄漏爆炸伤亡事故，此次事故共造3人死亡、5人重伤和5人轻伤以及重大财产损失，所以燃气管道泄漏已经成为了一项严重的问题。

目前现状来看，随着城市化的进程，城镇燃气管道的发展也越来越迅速，许多的城市相应就面临着燃气管道泄漏的问题。所以对于燃气管道泄漏的治理一直是我们关注的重点其前提条件是如何准确识别燃气泄漏点，尽管目前有多种燃气泄漏源定位方法，然而效果却不理想。为了提高燃气泄漏源定位的精确性和方便性，需要针对深埋管道、地面管道等不同条件下燃气泄漏状况进行研究，常规的研究不仅费时费力，也存在一定的安全风险，为了提高研究效率和经济性、保障研究安全，有必要开发可在室内模拟燃气泄漏的大型物理模拟试验装置，并基于多种传感器识别数据进行泄漏源定位研究，以优化燃气泄漏源定位方法，保障燃气管道安全。

发明内容

针对上述技术的不足之处，体用过一种结构简单，使用方便，检测灵活，试验精准的一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位方法。

为实现上述技术目的，本发明的一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位装置，包括气源系统、可视化管道系统、泄漏源系统、中央控制系统和循环回收系统；利用气源系统向可视化管道系统和泄漏源系统中充入燃气，再充入示踪气体模拟真实的燃气管道，待混合气体充满可视化管道系统和循环回收系统后，分别布置出密闭和开放环境，然后打开泄漏源系统中预设的泄漏点，记录下不同环境下打开泄漏点后的数据，对收集到的数据进行处理和分析；

气源系统包括燃气气瓶、示踪气气瓶和气体混合罐，燃气气瓶和示踪气气瓶的出口分别与气体混合罐连接，燃气气瓶和示踪气气瓶的出口设有开关，通过控制开关，从而在气体混合罐内混合燃气和示踪气；

循环回收系统为燃气回收气罐以及与气体混合罐连接的循环管道，循环管道上设有开关阀门Ⅴ；

可视化管道系统为可视化管道，可视化管道上间隔设有多种传感器；

泄漏源系统为泄漏管道，泄漏管道上预设有多个泄漏点，泄漏管道的一端连接有真空机，另一端与燃气回收气罐连接，其中泄漏管道靠近真空机处设有燃气气瓶，泄漏管道与燃气回收气罐连接的一端还通过通风机管路连接有集气瓶；

燃气回收气罐和气体混合罐之间通过循环管道相互连接，可视化管道的两端分别通过管路与燃气回收气罐和气体混合罐连接；

中央控制系统包括数据处理器和高速摄像机，高速摄像机通过数据线与数据处理器连接，同数据处理器时通过线路与多种传感器相连接，并收集传感器中发送的数据。

进一步，设置在可视化管道上的多种传感器包括压力传感器Ⅱ、声发射传感器、振动传感器、温度传感器和流速传感器。

进一步，泄漏管道上的泄漏点包括泄漏点Ⅰ、泄漏点Ⅱ、泄漏点Ⅲ、泄漏点Ⅳ，泄漏点Ⅰ、泄漏点Ⅱ、泄漏点Ⅲ、泄漏点Ⅳ等间距间隔设置在泄漏管道上，泄漏管道与真空机连接处还设有压力传感器Ⅳ。

进一步，气体混合罐与可视化管道连接的管路上设有开关阀门Ⅰ，开关阀门Ⅰ上设有流量计Ⅰ，开关阀门Ⅰ与气体混合罐之间的管路上设有压力传感器Ⅰ；燃气回收气罐与可视化管道连接的管路上设有开关阀门Ⅱ，开关阀门Ⅱ上设有流量计Ⅱ，开关阀门Ⅱ与燃气回收系统气罐之间的管路上设有压力传感器Ⅲ。

进一步，燃气回收气罐与泄漏管道之间的管路上设有开关阀门Ⅲ；泄漏管道与通风机的管路上设有开关阀门Ⅳ。

一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位方法，其步骤如下：

1)试验前期准备工作：

1.1)将燃气气瓶，示踪气气瓶与气体混合罐连接起来，做好气体供应；

1.2)将各个传感器与数据处理器连接好；

1.3)打开开关阀门Ⅰ、开关阀门Ⅱ、开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅴ，关闭开关阀门Ⅳ，开启真空机，对循环回收系统、可视化管道系统和泄漏源系统进行抽真空处理，当压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ反馈信息达到真空时的压力后即关闭真空机，同时关闭开关阀门Ⅰ、开关阀门Ⅱ、开关阀门Ⅲ和开关阀门Ⅴ；

2)进行燃气不泄漏情况下的对照试验：

2.1)打开开关阀门Ⅴ，打开燃气气瓶和示踪气气瓶往气体混合罐中缓慢充入燃气和示踪气体，使其在气体混合罐中混合；

2.2)观看数据处理器中压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅲ反馈过来的数据信息，待数据达到所需要进行试验的要求后立刻关闭燃气气瓶和示踪气气瓶；

2.3)停止一段时间，待混合气体可完全扩散到视化管道系统和循环回收系统，开始进行试验，利用高速摄像机采集此时可视化管道系统和循环回收系统的视频，同时使用数据处理器记录下此时所有传感器的数据信息；

3)进行密闭环境下的模拟管道泄漏试验：

3.1)在进行完不泄漏的试验后，保持可视化管道系统和循环回收系统不变；

3.2)保持开关阀门Ⅲ、开关阀门Ⅳ的关闭状态，在数据处理器处查看压力传感器Ⅳ的压力数据，如果此时泄露管道不是真空状态下的压力，启动真空机抽成真空；

3.3)打开任意一处泄漏点，启动数据处理器和高速摄像机进行数据记录和拍摄；

3.4)改变试验条件，包括更换设有不同位置、形状、面积、间距及流量泄漏点的可视化管道，重复上述步骤进行试验；

4)进行开放环境下的模拟管道泄漏：

4.1)保持开关阀门Ⅲ、开关阀门Ⅳ关闭状态，打开燃气气瓶和示踪气气瓶向气体混合罐充入气体，当数据处理器显示压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅲ反馈的数据信息达到试验要求后停止充气；

4.2)根据压力传感器Ⅳ在数据处理器的数据信息进行如下操作：如果上次试验泄漏的气体没有使在泄漏管道内达到大气压的压力时，打开燃气气瓶向泄漏管道充入燃气，直至达到一个标准大气压后停止充气；如果超过大气压就打开开关阀门，启动通风机将多余的气体吸入集气瓶，达到大气压后关闭开关阀门，关闭通风机；

4.3)打开任意一处泄漏点，启动数据处理器和高速摄像机进行数据记录和拍照；

4.4)包括更换设有不同位置、形状、面积、间距及流量泄漏点的可视化管道，重复上述步骤进行试验；

5)试验后的尾气回收利用：

5.1)打开所有的开关阀门Ⅰ、开关阀门Ⅱ、开关阀门Ⅲ、开关阀门Ⅳ和开关阀门Ⅴ，同时开启通风机，将试验后整个系统中的混合气体进行抽取进集气瓶中封存起来，在下一次试验时可以直接充入气体混合罐中作为下一次试验的气体；

5.2)由压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ在数据处理器中的数据判断是否将混合气体抽完，抽完后立即关闭所有的开关阀门和通风机，完成试验；

6)数据分析：

6.1)分析不泄漏情况下混合气体的流动规律及所有传感器数据；

6.2)分析密闭环境下燃气管道泄漏规律，基于传感器数据进行泄漏源定位，并与视频数据进行对比分析，观测在不发生泄露和密闭环境发生泄露的情况下，对应的泄漏点处的声信号、流速、压力、振动信号和温度差异；同时分析对比不同的泄漏点发生泄露时对应的数据并观测演化规律；

6.3)分析开放环境下燃气管道泄漏规律，基于传感器数据进行泄漏源定位，并与视频数据进行对比分析，观测在不发生泄露和开放环境发生泄露的情况下，对应的泄漏点处的声信号、流速、压力、振动信号和温度差异；同时分析对比不同的泄漏点发生泄露时对应的数据并观测演化规律；

6.4)对比分析不同条件下，即正常、密闭泄漏、开放泄漏规律差异性，对定位方法进行优化，形成适应不同环境条件下的最优传感器布置方式及定位方法。

有益效果：

本装置结构简单，使用方便，能够进行全方位的燃气泄漏，并通过各种传感器数据与记录的视频进行比对，从而获得全方位的数据与状态之间的关系，能够快速获得燃气在泄露过程中的各种状态对应的问题，针对燃气泄露领域具有广泛的意义。布恩装置将燃气气瓶和示踪气气瓶在气体混合系统中进行混合，接着充入整个模拟试验装置，可以在可视化管道直接进行观测燃气瞬间泄漏时的状态情况，可以验证基于传感器数据分析得到的燃气泄漏源位置的准确性。泄漏管道能够模拟管道深埋地下时，在密闭环境下燃气发生泄漏时的情况；泄漏管道可以直接模拟在开放环境下管道燃气发生泄漏时的情况。利用循环管道和开关阀门Ⅴ能够实现燃气进行循环，模拟燃气在输送时的真实状态，保证试验数据与真实数据相接近，得出正确结论，同时试验完成之后还能将模拟泄漏的燃气进行回收利用，提高资源利用效率、保证试验安全、减少环境污染。

附图说明：

图1为本发明的燃气泄漏模拟试验装置结构示意图。

图中：1-燃气气瓶，2-示踪气气瓶，3-气体混合罐，4a-流量计Ⅰ，4b-流量计Ⅱ，5a-开关阀门Ⅰ，5b-开关阀门Ⅱ，5c-开关阀门Ⅲ，5d-开关阀门Ⅳ，5e-开关阀门Ⅴ，6-可视化管道，7a-压力传感器Ⅰ，7b-压力传感器Ⅱ，7c-压力传感器Ⅲ，7d-压力传感器Ⅳ，8-声发射传感器，9-振动传感器，10-温度传感器，11-流速传感器，12-泄漏管道，13-燃气气瓶，14a-泄漏点Ⅰ，14b-泄漏点Ⅱ，14c-泄漏点Ⅲ，14d-泄漏点Ⅳ，15-通风机，16-集气瓶，17-燃气回收气管，18-真空机，19-高速摄像机，20-数据处理器，21-循环管道。

具体实施方式为：

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明的1.一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位装置，其特征在于：包括气源系统、可视化管道系统、泄漏源系统、中央控制系统和循环回收系统；利用气源系统向可视化管道系统和泄漏源系统中充入燃气，再充入示踪气体模拟真实的燃气管道，待混合气体充满可视化管道系统和泄漏源系统后，分别布置出密闭和开放环境，然后打开泄漏源系统中预设的泄漏点，记录下不同环境下打开泄漏点后的数据，对收集到的数据进行处理和分析；

气源系统包括燃气气瓶1、示踪气气瓶2和气体混合罐3，燃气气瓶1和示踪气气瓶2的出口分别与气体混合罐3连接，燃气气瓶1和示踪气气瓶2的出口设有开关，通过控制开关，从而在气体混合罐3内混合燃气和示踪气；

循环回收系统为燃气回收气罐17以及与气体混合罐3连接的循环管道21，循环管道21上设有开关阀门Ⅴ5e；

可视化管道系统为可视化管道6，可视化管道6上间隔设有多种传感器；

泄漏源系统为泄漏管道12，泄漏管道12上预设有多个泄漏点，泄漏管道12的一端连接有真空机18，另一端与燃气回收气罐17连接，其中泄漏管道12靠近真空机18处设有燃气气瓶13，泄漏管道12与燃气回收气罐17连接的一端还通过通风机15管路连接有集气瓶16；

燃气回收气罐17和气体混合罐3之间通过循环管道21相互连接，可视化管道6的两端分别通过管路与燃气回收气罐17和气体混合罐3连接；

中央控制系统包括数据处理器20和高速摄像机19，高速摄像机19通过数据线与数据处理器20连接，同数据处理器20时通过线路与多种传感器相连接，并收集传感器中发送的数据。

设置在可视化管道6上的多种传感器包括压力传感器Ⅱ7b、声发射传感器8、振动传感器9、温度传感器10和流速传感器11；泄漏管道12上的泄漏点包括泄漏点Ⅰ14a、泄漏点Ⅱ14b、泄漏点Ⅲ14c、泄漏点Ⅳ14d，泄漏点Ⅰ14a、泄漏点Ⅱ14b、泄漏点Ⅲ14c、泄漏点Ⅳ14d等间距间隔设置在泄漏管道12上，泄漏管道12与真空机18连接处还设有压力传感器Ⅳ7d；气体混合罐3与可视化管道6连接的管路上设有开关阀门Ⅰ5a，开关阀门Ⅰ5a上设有流量计Ⅰ4a，开关阀门Ⅰ5a与气体混合罐3之间的管路上设有压力传感器Ⅰ7a；燃气回收气罐17与可视化管道6连接的管路上设有开关阀门Ⅱ5b，开关阀门Ⅱ5b上设有流量计Ⅱ4b，开关阀门Ⅱ5b与燃气回收系统气罐17之间的管路上设有压力传感器Ⅲ7c；燃气回收气罐17与泄漏管道12之间的管路上设有开关阀门Ⅲ5c；泄漏管道12与通风机15的管路上设有开关阀门Ⅳ5d。

一种燃气泄漏模拟试验装置及泄漏源定位方法，其步骤如下：

1)试验前期准备工作：

1.1)将燃气气瓶1，示踪气气瓶2与气体混合罐3连接起来，做好气体供应；

1.2)将各个传感器与数据处理器20连接好；

1.3)打开开关阀门Ⅰ5a、开关阀门Ⅱ5b、开关阀门Ⅲ5c和开关阀门Ⅴ5e，关闭开关阀门Ⅳ5d，开启真空机18，对循环回收系统、可视化管道系统和泄漏源系统进行抽真空处理，当压力传感器Ⅰ7a、压力传感器Ⅲ7c、压力传感器Ⅳ7d反馈信息达到真空时的压力后即关闭真空机18，同时关闭开关阀门Ⅰ5a、开关阀门Ⅱ5b、开关阀门Ⅲ5c和开关阀门Ⅴ5e；

2)进行燃气不泄漏情况下的对照试验：

2.1)打开开关阀门Ⅴ5e，打开燃气气瓶1和示踪气气瓶2往气体混合罐3中缓慢充入燃气和示踪气体，使其在气体混合罐3中混合；

2.2)观看数据处理器20中压力传感器Ⅰ7a、压力传感器Ⅲ7c反馈过来的数据信息，待数据达到所需要进行试验的要求后立刻关闭燃气气瓶1和示踪气气瓶2；

2.3)停止一段时间，待混合气体可视化管道系统和循环回收系统，开始进行试验，利用高速摄像机19采集此时可视化管道系统和循环回收系统的视频，同时使用数据处理器20记录下此时所有传感器的数据信息；

3)进行密闭环境下的模拟管道泄漏试验：

3.1)在进行完不泄漏的试验后，保持可视化管道系统和循环回收系统不变；

3.2)保持开关阀门Ⅲ5c、开关阀门Ⅳ5d的关闭状态，在数据处理器20处查看压力传感器Ⅳ7d的压力数据，如果此时泄露管道12不是真空状态下的压力，启动真空机18抽成真空；

3.3)打开任意一处泄漏点，启动数据处理器20和高速摄像机19进行数据记录和拍摄；

3.4)改变试验条件，包括更换设有不同位置、形状、面积、间距及流量泄漏点的可视化管道6，重复上述步骤进行试验；

4)进行开放环境下的模拟管道泄漏：

4.1)保持开关阀门Ⅲ5c、开关阀门Ⅳ5d关闭状态，打开燃气气瓶1和示踪气气瓶2向气体混合罐3充入气体，当数据处理器20显示压力传感器Ⅰ7a、压力传感器Ⅲ7c反馈的数据信息达到试验要求后停止充气；

4.2)根据压力传感器Ⅳ7d在数据处理器20的数据信息进行如下操作：如果上次试验泄漏的气体没有使在泄漏管道12内达到大气压的压力时，打开燃气气瓶13向泄漏管道12充入燃气，直至达到一个标准大气压后停止充气；如果超过大气压就打开开关阀门5d，启动通风机15将多余的气体吸入集气瓶16，达到大气压后关闭开关阀门5d，关闭通风机15；

4.3)打开任意一处泄漏点，启动数据处理器20和高速摄像机19进行数据记录和拍照；

4.4)包括更换设有不同位置、形状、面积、间距及流量泄漏点的可视化管道6，重复上述步骤进行试验；

5)试验后的尾气回收利用：

5.1)打开所有的开关阀门Ⅰ5a、开关阀门Ⅱ5b、开关阀门Ⅲ5c、开关阀门Ⅳ5d和开关阀门Ⅴ5e，同时开启通风机15，将试验后整个系统中的混合气体进行抽取进集气瓶16中封存起来，在下一次试验时可以直接充入气体混合罐3中作为下一次试验的气体；

5.2)由压力传感器Ⅰ7a、压力传感器Ⅲ7c、压力传感器Ⅳ7d在数据处理器20中的数据判断是否将混合气体抽完，抽完后立即关闭所有的开关阀门和通风机15，完成试验；

6)数据分析：

6.1)分析不泄漏情况下混合气体的流动规律及所有传感器数据；

6.2)分析密闭环境下燃气管道泄漏规律，基于传感器数据进行泄漏源定位，并与视频数据进行对比分析，观测在不发生泄露和密闭环境发生泄露的情况下，对应的泄漏点处的声信号、流速、压力、振动信号和温度差异；同时分析对比不同的泄漏点发生泄露时对应的数据并观测演化规律；

6.3)分析开放环境下燃气管道泄漏规律，基于传感器数据进行泄漏源定位，并与视频数据进行对比分析，观测在不发生泄露和开放环境发生泄露的情况下，对应的泄漏点处的声信号、流速、压力、振动信号和温度差异；同时分析对比不同的泄漏点发生泄露时对应的数据并观测演化规律；

6.4)对比分析不同条件下，即正常、密闭泄漏、开放泄漏规律差异性，对定位方法进行优化，形成适应不同环境条件下的最优传感器布置方式及定位方法。