可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法及预警方法与流程

1.本发明涉及气体相关安全生产技术领域，特别涉及一种可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法及预警方法。


背景技术：

2.可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气要在一定的浓度范围内均匀混合，遇着火源，才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，又称为爆炸浓度极限。气体或蒸气的爆炸极限以可燃性物质在混合物中所占的体积百分比(％)来表示，如：甲烷与空气的混合气体的爆炸极限为5％～15％，硫化氢与空气的混合气体的爆炸极限为4.3％～46％(请参见，廖仕孟、邹碧海、王以朗、朱进、谢代安主编的《天然气采输作业硫化氢防护》，重庆大学出版社，2013年，第10页至第41页)。
3.对于由多种可燃气体混合组成的混合气体的爆炸极限，由于混合系的组分不同，爆炸极限也不同。混合气体的爆炸极限可根据各组分的爆炸极限利用理
·
查特里公式进行估算，其计算公式如下：
4.lm＝100/(v1/l1 v2/l2 v3/l3
…
vn/ln)；
5.式中，lm-混合气体的爆炸极限(体积百分比％)；
6.l1、l2、l3、
…
ln-组成混合气体的各单独组分的爆炸极限(体积百分比％)；
7.v1、v2、v3、
…
vn-各组分在混合气体中的浓度(体积百分比％)，v1 v2 v3
…
vn＝100。
8.然而，根据先验经验已知，上述公式用于煤气、水煤气、天然气等混合气体的爆炸极限的计算比较准确，而对于氢与乙烯、氢与硫化氢、硫化氢与甲烷等混合气体及二硫化碳的混合气体的爆炸极限，则计算的误差较大，不能应用上述公式来计算上述混合气体的爆炸极限(请参见，孙连捷、张梦欣主编的《安全科学技术百科全书》，中国劳动社会保障出版社，2003年，第108页至第136页)。在不知道可燃混合气体的爆炸极限的情况下，如何能够控制和避免可燃混合气体(特别是当可燃混合气体处于固定气体空间时)的爆炸是亟待解决的问题。


技术实现要素：

9.鉴于此，本发明提供一种可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法及预警方法，通过测算可燃混合气体临近爆炸时的空气量来预防可燃混合气体的爆炸。
10.具体而言，包括以下的技术方案：
11.第一方面，本发明实施例提供一种可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法，所述空气体积测算方法包括：
12.获取容纳可燃混合气体和空气的空间的体积；
13.确定所述可燃混合气体的每种可燃气体，获取所述每种可燃气体的爆炸上限值；
14.预设将要吸入的空气吸入量；
15.对于所述每种可燃气体，基于所述空间的体积、对应的爆炸上限值和所述将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积。
16.可选地，所述对于所述每种可燃气体，基于所述空间的体积、对应的爆炸上限值和所述将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积，包括：
17.对于所述每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积ci：
18.1－ai＝(ci d)/(v d)
19.其中，ai为第i种可燃气体的爆炸上限值；v为容纳可燃混合气体和空气的空间的体积，d为预设的将要吸入的空气吸入量。
20.可选地，所述预设将要吸入的空气吸入量包括：
21.基于所述空间在单位时间内吸入的空气体积和对所述空间采取必要的防爆措施所需的时间设置将要吸入的空气吸入量。
22.可选地，所述空间为含硫气田水池、含硫气阀井、污水检查井或化粪池。
23.第二方面，本发明实施例提供一种可燃混合气体临近爆炸的预警方法，所述预警方法包括：
24.获取容纳可燃混合气体和空气的空间的体积；
25.确定所述可燃混合气体的每种可燃气体，获取所述每种可燃气体的爆炸上限值；
26.预设将要吸入的空气吸入量；
27.对于所述每种可燃气体，基于所述空间的体积、对应的爆炸上限值和所述将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积；
28.基于上述得到的临近爆炸时所述空间中的空气体积、所述空间的体积和氧气在空气中的体积百分比浓度得到临近爆炸时所述空间中氧气的体积百分比浓度；
29.基于上述得到的临近爆炸时所述空间中氧气的体积百分比浓度为设置在所述空间中的氧浓度检测仪表设定预警参数；
30.当所述氧浓度检测仪表检测到所述空间中氧气的体积百分比浓度达到预警参数时，即发出爆炸预警。
31.可选地，所述对于所述每种可燃气体，基于所述空间的体积、对应的爆炸上限值和所述将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积，包括：
32.对于所述每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时所述空间中的空气体积ci：
33.1－ai＝(ci d)/(v d)
34.其中，ai为第i种可燃气体的爆炸上限值；v为容纳可燃混合气体和空气的空间的体积，d为预设的将要吸入的空气吸入量。
35.可选地，所述基于上述得到的临近爆炸时所述空间中的空气体积、所述空间的体积和氧气在空气中的体积百分比浓度得到临近爆炸时所述空间中氧气的体积百分比浓度，包括：
36.对于所述每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时所述空间中氧气的体积百分比浓度ei：
37.ei＝ci/v
×
100％
×
21％。
38.可选地，所述预设将要吸入的空气吸入量包括：
39.基于所述空间在单位时间内吸入的空气体积和对所述空间采取必要的防爆措施所需的时间设置将要吸入的空气吸入量。
40.可选地，所述当所述氧浓度检测仪表检测到所述空间中氧气的体积百分比浓度达到预警参数时，即发出爆炸预警，包括：
41.所述氧浓度检测仪表将爆炸预警信号发送给控制中心。
42.可选地，所述空间为含硫气田水池、含硫气阀井、污水检查井或化粪池。
43.本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
44.本发明能够对于可燃混合气体中的每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，根据该空气体积的值可以为用于该空间的氧浓度检测仪表提供参数设定依据，当该空间中的氧浓度达到氧浓度检测仪表所设定的值时即发出爆炸预警，以防止该空间中可燃混合气体的爆炸。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为根据本发明实施例的可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法流程图。
47.图2为根据本发明实施例的可燃混合气体临近爆炸的预警方法流程图。
48.图3为根据本发明实施例的含硫气田水池的结构示意图。
49.图中的附图标记分别表示为：
50.1-水池；
51.2-进水管；
52.3-出水管；
53.4-呼吸管；
54.5-阻火器。
55.通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.图1为根据本发明实施例的可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法流程图。
58.如图1所示，本发明实施例提供一种可燃混合气体临近爆炸的空气体积测算方法，
该空气体积测算方法包括：
59.s101：获取容纳可燃混合气体和空气的空间的体积；
60.s102：确定可燃混合气体的每种可燃气体，获取每种可燃气体的爆炸上限值；
61.s103：预设将要吸入的空气吸入量；
62.s104：对于每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积。
63.本发明实施例所述的方法适用于在非完全密封空间中的可燃混合气体，例如含硫气田水池、含硫气阀井、污水检查井、化粪池。这类空间中的可燃混合气体能够排出到外部大气环境中，同时气体空间能够再引入新鲜空气，使得气体空间中的压力趋于大气压，在本文中，可以将这种排出可燃混合气体同时引入新鲜空气的过程称为空间的“呼吸”过程。
64.尤其是对于一些不适于用理
·
查特里公式lm＝100/(v1/l1 v2/l2 v3/l3
…
vn/ln)来估算爆炸极限的可燃混合气体，例如氢与乙烯、氢与硫化氢、硫化氢与甲烷等可燃混合气体，可以通过本发明实施例所述的方法来测算可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，进而可以为预警爆炸提供数据参考。
65.在步骤s101中，获取容纳可燃混合气体和空气的空间的体积，也就是说，该空间的体积也就等于空间中可燃混合气体和空气的总体积，即v中包含ci。该空间通常情况下是依据具体体积容量来建造的，因此空间的体积是已知的。如果空间中还容纳液体物质，例如含硫气田水池中就储存有伴随含硫天然气采出的地层水，那么空间中的气体所占体积就是除去地层水所占的体积之外剩余的空间体积，可选地，可以通过液位计来测算地层水的液位高度，进而得到地层水所占的空间体积，然后用空间的总体积减去地层水所占的空间体积，就可以得到空间中的气体(包括可燃混合气体和空气)所占的体积。
66.在步骤s102中，确定可燃混合气体的每种可燃气体，获取每种可燃气体的爆炸上限值。可燃气体的爆炸极限有爆炸下限和爆炸上限之分，爆炸上限指的是可燃气体能够发生爆炸的高浓度，在高于爆炸上限时，空气不足，导致火焰不能蔓延因而不会爆炸，但能燃烧。爆炸下限指的是可燃气体能够发生爆炸的低浓度。由于可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，因此在低于爆炸下限时不会爆炸也不着火。本发明的方法中选用的是每种可燃气体的爆炸上限值(其为可查询到的固定百分比数值)，因为随着空间的“呼吸”的不断进行，可燃混合气体的浓度是在不断下降的，选择爆炸上限值(即可燃气体能够发生爆炸的高浓度)更有利于预警可燃混合气体的爆炸。
67.在步骤s103中，预设将要吸入的空气吸入量。空间中将要吸入的空气吸入量是需要预设的值，根据将要吸入的空气吸入量和空间中已有的空气量(即本发明的方法所要得到的可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积)之和为可燃混合气体爆炸时空间中的空气体积，预设将要吸入的空气吸入量的时候要考虑到空间在单位时间内吸入的空气体积和对空间采取必要的防爆措施所需的时间，要保证在完成防爆措施之前，可燃混合气体不能发生爆炸，也就是说，在完成防爆措施之前空间中的空气体积不能达到爆炸时所需的空气体积。
68.可选地，在步骤s104中，对于每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，包括：
69.对于每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体
积ci：
70.1－ai＝(ci d)/(v d)
71.其中，ai为第i种可燃气体的爆炸上限值；v为容纳可燃混合气体和空气的空间的体积，d为预设的将要吸入的空气吸入量。
72.本发明实施例所述的方法充分考虑到了空间的“呼吸”过程，也就是说，空间中的气体的压力是动态平衡的，空间中的压力总是趋于大气压，排出可燃混合气体的同时会吸入新鲜空气，而空间中的可燃混合气体和空气的总体积就是空间中气体所占的体积v。
73.可燃气体的爆炸上限值ai是可以查询到的已知数值，例如甲烷的爆炸上限值为15％，硫化氢的爆炸上限值为46％。
74.预设将要吸入的空气吸入量d时，可以通过空气吸入量检测仪表在空间的暴露部位测算该空间在单位时间内所吸入的空气量，然后用该单位时间内所吸入的空气量乘以对该空间采取必要的防爆措施所需的时间，就可以确定预设的将要吸入的空气吸入量d。对于不同的空间，采取的防爆措施不同，采取的防爆措施所用的时间也不同，对于像含硫气田水池这样需要点火燃烧可燃混合气体的空间，就要在空间中的空气达到临近爆炸时的空气体积时避免点火，防止爆炸，像化粪池这样的空间只需给出必要的警示就可以。
75.可燃气体的爆炸上限值ai、容纳可燃混合气体和空气的空间v和预设的将要吸入的空气吸入量d代入上述公式就可以得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积ci(对于每种可燃气体)。
76.图2为根据本发明实施例的可燃混合气体临近爆炸的预警方法流程图。
77.如图2所示，本发明实施例提供一种可燃混合气体临近爆炸的预警方法，该预警方法包括：
78.s101：获取容纳可燃混合气体和空气的空间的体积；
79.s102：确定可燃混合气体的每种可燃气体，获取每种可燃气体的爆炸上限值；
80.s103：预设将要吸入的空气吸入量；
81.s104：对于每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积；
82.s105：基于上述得到的临近爆炸时空间中的空气体积、空间的体积和氧气在空气中的体积百分比浓度得到临近爆炸时空间中氧气的体积百分比浓度；
83.s106：基于上述得到的临近爆炸时空间中氧气的体积百分比浓度为设置在空间中的氧浓度检测仪表设定预警参数；
84.s107：当氧浓度检测仪表检测到空间中氧气的体积百分比浓度达到预警参数时，即发出爆炸预警。
85.本发明实施例所述的预警方法能够对于可燃混合气体中的每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，根据该空气体积的值计算出空间中的氧浓度，然后可以为设置在该空间的氧浓度检测仪表提供参数设定依据，当该空间中的氧浓度达到氧浓度检测仪表所设定的值时即发出爆炸预警，以防止该空间中可燃混合气体的爆炸。
86.可选地，在步骤s104中，对于每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，包括：
87.对于每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积ci：
88.1－ai＝(ci d)/(v d)
89.其中，ai为第i种可燃气体的爆炸上限值；v为容纳可燃混合气体和空气的空间的体积，d为预设的将要吸入的空气吸入量。
90.空间中的气体的压力是动态平衡的，空间中的压力总是趋于大气压，排出可燃混合气体的同时会吸入新鲜空气，而空间中的可燃混合气体和空气的总体积就是空间中气体所占的体积v，空间是固定的，该体积也就是固定的值v。
91.可燃气体的爆炸上限值ai是可以查询到的已知数值。
92.预设将要吸入的空气吸入量d时，可以通过空气吸入量检测仪表在空间的暴露部位测算该空间在单位时间内所吸入的空气量，然后用该单位时间内所吸入的空气量乘以对该空间采取必要的防爆措施所需的时间，就可以确定预设的将要吸入的空气吸入量d。对于不同的空间，采取的防爆措施不同，采取的防爆措施所用的时间也不同。
93.可燃气体的爆炸上限值ai、容纳可燃混合气体和空气的空间v和预设的将要吸入的空气吸入量d代入上述公式就可以得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积ci(对于每种可燃气体)。
94.可选地，在步骤s105中，基于上述得到的临近爆炸时空间中的空气体积、空间的体积和氧气在空气中的体积百分比浓度得到临近爆炸时空间中氧气的体积百分比浓度，包括：
95.对于每种可燃气体，通过以下公式计算可燃混合气体临近爆炸时空间中氧气的体积百分比浓度ei：
96.ei＝ci/v
×
100％
×
21％。
97.已知的空气中氧气的体积百分比浓度为21％，通过上述公式就可以得到空间中氧气的体积百分比浓度。
98.在步骤s106中，基于上述得到的临近爆炸时空间中氧气的体积百分比浓度为设置在空间中的氧浓度检测仪表设定预警参数，氧浓度检测仪表是在可燃气体防爆领域较为常见的一种仪表，通过检测氧浓度来预警可燃气体的爆炸。
99.可选地，在步骤107中，当氧浓度检测仪表检测到空间中氧气的体积百分比浓度达到预警参数时，即发出爆炸预警，包括：氧浓度检测仪表将爆炸预警信号发送给控制中心。
100.其中，控制中心接到爆炸预警信号之后可以针对不同的空间采取不同的预警措施，对于像含硫气田水池这样需要点火燃烧可燃混合气体的空间，就要在空间中的空气达到临近爆炸时的空气体积时避免点火，防止爆炸，像化粪池这样的空间只需给出必要的警示(例如警示铃声)就可以。
101.示例性地，以含硫气田水池为例进一步地对本发明的方法进行描述，图3为根据本发明实施例的含硫气田水池的结构示意图。
102.如图3所示，含硫气田水池包括水池1，水池1上连接有进水管2、出水管3和呼吸管4，呼吸管4上设置有阻火器5。含硫气田污水池用于储存伴随含硫天然气采出的地层水。进水管2用于将地层水引入水池1，出水管3用于排出地层水，水池中的地层水在一定的压力下会析出闪蒸气，闪蒸气主要是硫化氢和甲烷的可燃混合气体，闪蒸气会通过呼吸管4排出水
池1，并在呼吸管4的管口处燃烧，在排出闪蒸气的同时，会有空气经由呼吸管吸入水池。阻火器5虽然能够在一定程度上阻止火焰在呼吸管中蔓延，但是也不排除会引起闪蒸气的爆炸。
103.根据本发明的方法可以测算出可燃混合气体(含有硫化氢和甲烷的闪蒸气)临近爆炸时含硫气田水池中的空气体积。
104.经测算该含硫气田水池中除地层水所占的空间之外，可燃混合气体和空气所占的空间体积为v＝90m3。
105.硫化氢的爆炸上限值为a1＝46％，甲烷的爆炸上限值为a2＝15％。
106.通过设置在呼吸管4的管口处的空气吸入量检测仪表测得，每分钟的空气吸入量为0.1m3,爆炸预警信号发送到控制中心，同时控制中心发出指令停止在呼吸管4的管口处燃烧可燃混合气体，以上防爆措施所需的时间为10分钟，因此，预设的将要吸入的空气吸入量d＝1m3。
107.根据公式1－ai＝(ci d)/(v d)，计算可以得到：
108.可燃混合气体中硫化氢临近爆炸时水池1中的空气体积c1：
109.1－46％＝(c1 1m3)/(90m3 1m3)
110.c1＝48.14m3；
111.可燃混合气体中甲烷临近爆炸时水池1中的空气体积c2：
112.1－15％＝(c2 1m3)/(90m3 1m3)
113.c2＝76.35m3。
114.基于c1可以计算可燃混合气体中硫化氢临近爆炸时水池1中氧气的体积百分比浓度e1：
115.e1＝48.14m3/90m3×
100％
×
21％
116.e1＝11.23％。
117.基于c2可以计算可燃混合气体中甲烷临近爆炸时水池1中氧气的体积百分比浓度e2：
118.e2＝76.35m3/90m3×
100％
×
21％
119.e2＝17.81％。
120.基于e1和e2为设置在水池1中的氧浓度检测仪表设定的氧浓度预警参数为11.23％和17.81％。
121.在含硫气田水池中随着一部分可燃混合气体和一部分空气的排出，又有新鲜空气被引入，当水池1中的氧浓度达到11.23％时氧浓度检测仪表就会发出爆炸预警信号，如果在这一时间段没有采取预警措施，基于预设的将要吸入的空气吸入量为1m3(其为含硫气田水池10分钟所能吸入的空气量)，也就是水池1中再吸入1m3的空气就会达到硫化氢爆炸所需的空气体积，这时若呼吸管4的管口处继续点火燃烧可燃混合气体，火焰在负压(吸入空气)的作用下沿呼吸管4返回，该火焰若通过了阻火器，到达水池1中，与水池1中的可燃混合气体和空气相遇，闪爆即刻发生，因此，氧浓度检测仪表要在检测到水池1中的氧浓度达到预警参数11.23％时就将爆炸预警信号发送至控制中心，控制中心就可以控制呼吸管4在发出爆炸预警信号起的10分钟内不进行点火，这样即使水池1中达到了硫化氢爆炸所需的空气量，没有火源也不会发生爆炸，10分钟后水池1中的空气量就会大于爆炸所需的空气量，
这样就可以重新进行点火。
122.根据以上对可燃混合气体中硫化氢进行爆炸预警的描述，可以同样地对可燃混合气体中的甲烷进行爆炸预警。
123.本发明能够对于可燃混合气体中的每种可燃气体，基于空间的体积、对应的爆炸上限值和将要吸入的空气吸入量得到可燃混合气体临近爆炸时空间中的空气体积，根据该空气体积的值可以为用于该空间的氧浓度检测仪表提供参数设定依据，当该空间中的氧浓度达到氧浓度检测仪表所设定的值时即发出爆炸预警，以防止该空间中可燃混合气体的爆炸。
124.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。