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作品分组______________作品编号_______________________
第五届全国大学生过程装备
实践与创新大赛作品
课题名称承压式电极点火实验装置
学校名称大连理工大学
专业名称a.化工过程机械b.安全科学与工程
c.安全工程
成员姓名张东a程蛟b刘正刚c周帅a
指导教师喻健良教授
递交日期:
2014年7月30日
承压式电极点火实验装置
摘要
本文根据燃烧与爆炸实验要求以及目前实验安全现状提出了一种基于CO2气体绝缘密封的形式,并按照此方法设计制造了一种新型多用途承压式电极点火装置。
本文完成的工作有:
1.设计了0.1~10mJ、10mJ~10J以及10J以上三种不同工作原理的电极点火实验装置;
2.利用极限载荷方法对承压箱体进行了有限元分析,得到了密封箱合理的设计压力;
3.根据极限载荷分析得到的结果,利用水压试验与气密性试验对密封箱箱体承压能力与密封性能进行测试;
3.成功制作了工作压力200kPa,绝缘气体为CO2,10mJ~10J能量连续可调的常规电极点火装置,并将此装置成功应用于管道内火焰传播实验与最大安全间隙实验;
4.成功制造了0~18kV连续可调的脉冲逆变式升压器,用于电极点火装置的供电;
5.利用高速摄影技术对C=10nF,U=8kV、10kV、12kV、14kV时的电极点火过程进行了拍摄;
6.利用C++语言对自动控制与数据采集系统进行编程,完成了对点火系统控制、两块ZT8348数据采集卡数据采集的同时控制。
关键词:
点火电极;气体绝缘;燃烧与爆炸;实验装置
PressureBearingTypeElectrodeIgnitionExperimentDevice
Abstract
目录
摘要2
1绪论7
1.1高电压实验装置现状7
1.1.1危险的实验设备7
1.1.2实验工作现状8
1.1.3装置绝缘与安全防护9
1.2常见高压电保护方式9
1.2.1设备接地9
1.2.2固体绝缘9
1.2.3气体绝缘10
1.3实验装置的气体绝缘方法10
1.3.1绝缘气体简易11
1.3.2依条件加载压力12
1.3.3间歇性工作12
1.3.4实时安全12
1.4燃烧与爆炸的实验研究13
1.4.1生产中的安全事故13
1.4.2燃烧与爆炸13
1.4.3电极点火装置13
1.5承压式电极点火装置14
1.5.1实用性14
1.5.2简易性14
1.5.3安全性14
1.5.4低成本15
2电极点火装置原理17
2.20.1~10mJ小能量点火系统17
2.1.1控制逻辑17
2.1.2小能量点火的应用18
2.210mJ~10J常规点火系统18
2.2.1设计思路18
2.2.2高压电路与控制系统设计19
2.2.3超负荷工作20
2.310J以上高能量点火系统20
2.3.1设计思路21
2.3.2高压电路原理21
3承压箱体数值分析22
3.1极限载荷分析法22
3.2前处理22
3.2.1材料参数与几何结构22
3.2.2模型建立、网格划分与压力加载23
3.3求解器的设置24
3.3.1弧长法24
3.3.2极限载荷求解25
3.4结果分析25
3.4.1Von-Mises应力云图25
3.4.2等效应力与变形云图26
3.4.3极限载荷曲线26
4目前完成的工作28
4.110mJ~10J常规点火设备装置28
4.1.1绝缘实验与密封箱承压性能测试28
4.1.2电极点火实验箱的制作过程29
4.1.3电极点火实验箱的完成情况30
4.2脉冲逆变升压器30
4.2.1定制实验板31
4.2.2制造完成的脉冲逆变升压器31
4.2.3脉冲逆变升压器的工作32
4.3自动控制系统33
4.3.1自动控制逻辑33
4.3.2数据采集系统33
4.3.3自动控制系统编程34
5装置性能测试35
5.1水压试验35
5.1.1水压试验方法35
5.1.2承压式电极点火装置水压试验35
5.2气密性测试36
5.2.1气密性试验方法36
5.2.2承压式电极点火装置气密性试验36
5.3高速摄影观测点火过程37
5.3.1PHOTRON高速摄影装置37
5.3.2高速摄影实验方法37
5.3.3实验结果39
6实验的完成情况41
6.1管道内火焰传播特性装置41
6.1.1实验装置41
6.1.2实验步骤42
6.1.3实验案例43
6.2最大安全间隙实验装置44
6.2.1实验装置44
6.2.2实验步骤45
6.2.3实验案例45
6.3其他可行实验装置45
6.3.1气相爆燃转爆轰实验装置46
6.3.220L球粉尘爆炸实验装置46
6.3.3HARTMANN粉尘爆炸实验装置47
结论****49
参考文献*****49
附录1有限元分析命令流50
附录2极限载荷输出结果56
附录3C++自动控制与采集系统程序流58
附录4承压式电极点火装置视频说明71
附录5承压式电极点火装置与实验图片72
第一章绪论
按国际电工委员会(InternationalElectroTechnicalCommission)标准,高电压与低电压的分界线为1000V。
工业生产中使用高电压的设备非常常见。
所有高压设备的操作岗位都由拥有相应资质的专业操作人员担任。
然而,实验条件下,非工业级的高压带电设备同样随处可见。
与工业设备相比,这些设备安全措施保护显得非常脆弱,相关操作人员往往不具备足够的电工操作知识。
电极点火装置(IgnitionElectrodes)是一类典型的高电压设备。
一般说来它的工作电压不小于8kV,瞬时放电产生的能量从几毫焦到几十焦耳甚至几百焦耳不等。
操作人员一旦接触到这种能量等级的电弧,后果不可预计。
实验研究表明:
人接触27J以上的放电能量,致死率几乎为百分之百。
更为严重的是,高压触电往往不需要直接接触导体。
在某些极端条件下,1m空气的击穿电压只有15kV左右。
本文提出了一种可以应用于实验条件下的绝缘方法,并使用此方法设计制造了“承压式电极点火装置”。
本章将对这一绝缘方法以及电极点火装置进行综述。
1.1高电压实验装置现状
对于化工机械行业,大部分研究机构中的实验装置基本上可以用“粗糙”这个词来形容。
这一特点首先是由化工生产环境所决定的。
化工生产中的各类生产单元(包括精馏,蒸发,吸收等)均不属于精密设备,这些设备往往还存在着严重的腐蚀与泄漏。
另外,我国的机械加工水平不高,加工的设备在公差与配合上。
与此同时,在很多使用条件下,精密加工严重浪费成本。
这些因素催生了一大批存在于实验装置中的危险。
在很长一段时间里,我们着力于解决工业生产中的安全问题。
对搁置于身边的此类问题却置若罔闻。
与国外实验室相比,我国大部分研究机构对安全保障工作仍然是“纸上谈兵”。
特别是针对跨专业领域的危险设备,安全保障捉襟见肘。
1.1.1危险的实验设备
高电压设备(HighVoltageInstallation)是常见的危险源。
大多数人对高压电有两个误区:
1.接触或者靠近带电设备才会被伤害;
2.高压电的安全距离应该略大于击穿距离。
这一节,我们使用数据来说明这一问题。
对人体造成伤害的电击危害可以分为跨步电压和接触电压两类。
事实证明,对人体造成伤害的绝大部分都是跨步电压。
跨步电压距离高压设备的距离要比我们想象的大的多。
电击对人体的伤害都来自通过人体的电流。
即使电流非常微小,也会对人体造成伤害。
通过人体的电流大小不同,人体的反应不同(表1.1)。
表1.1:
电流通过人体时的反应
通过人体的电流(mA)
人体反应
0.6-2.0
微弱的麻刺
2.0-4.0
强烈的麻刺
4.0-8.0
发生肌肉痉挛
8.0-10.0
难以脱离带电物体,接触部位疼痛
20-25
迅速麻痹,不能摆脱带电题,剧痛,呼吸困难
40-80
呼吸困难,心房震颤
90以上
麻痹可达3s以上,心脏停止跳动
从表中可以看出,高压电通过人体时,0.1A大小的电流足以致命。
《电力设施保护条例实施细则》中规定了各种用电情况下的水平安全距离最小安全操作距离。
这一数值要比击穿距离大得多。
高压电最小的安全操作距离为4m,击穿距离将在1.3节中介绍。
表1.2:
高压电安全距离表
电压(kV)
水平安全距离(m)
最小安全操作距离(m)
1
1
4
1-10
1.5
6
35
3
8
66
4
8
154
5
8
330
6
10
500
8
10
1.1.2实验工作现状
同时其操作方法的专业性也比较强。
一般实验人员都不具有高压电操作资质。
盲目操作十分容易发生危险。
高校实验室面向所有学生开放,这使得实验室的工作环境更加复杂。
使用高压设备必须做好绝缘工作。
1.1.3装置绝缘与安全防护
良好的绝缘不仅是保护设备与线路的正常运行的重要手段而且是防止人身触电事故发生的最基本最可靠的方法。
在强电作用下,绝缘物质可能被击穿而丧失其绝缘性能。
气体绝缘物质与液体绝缘物质被击穿后,一旦去掉外界因素(强电场)后即可自行恢复其应有的电气绝缘性能;但固体绝缘物质被击穿后则不可逆地完全丧失了其电气绝缘性能。
因此电气线路与设备的绝缘选择必须与电压等级相配合,而且须与使用环境及运行条件相适应,以保证绝缘的安全作用。
常见的高压绝缘用具包括高压绝缘手套、绝缘靴、绝缘鞋、绝缘垫、绝缘台等。
这些用具都有其对应的绝缘等级。
1.2常见高压电保护方式
绝缘不是唯一的高压保护方式。
工程中,高压电的保护方式有很多,但是,并非每一种方法都可以应用于实验中。
1.2.1设备接地
接地(Ground/GND)是为防止触电或保护设备的安全而把设备的金属底盘或外壳接上地线,利用大地作电流回路接地线的一种安全措施。
一般情况下,所有的带电设备都需要接地,一方面能引出静电,另一方面也可以保护人员。
另一类接地的重要原因是为了防雷击。
对于高压电设备,它们的接地方法与防雷接地十分类似。
实验设备用电来源常常是220V/380V工频电,一般设备都配有三相或者五相插头,设备可以直接与地线相连。
然而将几十千伏的高压电接入居民电网中是非常危险的。
在这种情况下,我们应当在合理位置埋入接地柱来对高压设备进行接地。
直流电接地有明显的缺陷,电势±U的两个电极间的电压为2U,当对其中一段接地后,两电极的电压降低为U,电势能损失一半。
即便如此,很多直流电依然使用接地的方法以保障设备安全。
1.2.2固体绝缘
使用绝缘材料对可能产生高电压导电材料进行包裹是最简单的保护方法之一。
一般说来,固态绝缘材料以各类胶带、绝缘外壳、绝缘柄为主;而液态绝缘材料通常是指各类绝缘密封胶,这些液态绝缘胶往往以固态形式工作。
介电强度(DielectricStrength)是用来判断某种绝缘材料绝缘性能的一项重要材料参数。
它的定义是:
试样被击穿时,单位厚度承受的最大电压,单位常用kV/mm。
物质的介电强度越大,它作为绝缘体的绝缘效果越好。
一般我们可以使用实验中获得的这一参数的最小值来表征介电强度这一物理量。
实验室中常见的材料的介电强度如下表:
表1.3:
常见绝缘材料介电强度(常温下)
名称
介电强度kV/mm
名称
介电强度
绝缘胶带
50
环氧树脂(EXPOXY)
101
703绝缘密封胶
19
有机玻璃(PMMA)
2
704绝缘密封胶
22
聚碳酸酯(PC)
4.61
聚四氟乙烯密封带
18
聚乙烯(PE)
7002
98%EVA热熔胶
51
聚丙烯(PP)
1062
注1:
笔者在实验室中使用高压电测量的结果,这一结果仅代表试样材料在此电压下不会发生击穿;
注2:
该材料理论值
上表中的部分数值使用本文中的高压电极测试得出,由于过低的实验距离会导致空气击穿,所以一部分材料的测量值受限。
从表中可以看出,虽然绝大部分的绝缘材料都有着优异的绝缘性能,但是在高电压的条件下,使用部分材料(如EVA,有机玻璃,聚碳酸酯等),设备需要臃肿的外壳。
不仅如此,一旦使用导电材料包裹物脱离,或者包裹不完全,将会导致导体暴露于空气中。
这是非常危险的。
1.2.3气体绝缘
工业设备中,将SF6气体灌装于设备中,仅需要0.7MPa的压力,就可以达到大约100倍于常压空气的介电强度。
由于这一方法的便捷与高效,高压气体密封被广泛应用于电气工程中。
这些应用范围包括:
1.气体绝缘高压输电线路(GIL)
2.高压开关切换控制设备(GIS)
3.气体绝缘变压设备(GIT)
1.3实验装置的气体绝缘方法
Paschen在1889年根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出Paschen定律:
两电极间开始形成电弧或放电的击穿电压应当是气体的压力和电极距离乘积的函数。
(1)
a,b常数,由气体的性质确定;
d,电极距离,单位mm;
P,气体压力,单位MPa
V,击穿电压,单位kV
Paschen定律不适用于电极距离特别小的情况下,一般说来距离大于1mm均适用。
按照Paschen定律可以得到,在气体压力0
提高气体压力是降低击穿距离的有效手段。
高压气体绝缘就是依据此定律设计的。
但是实验设备的绝缘与高压设备并不相同。
如何解决实验装置的气体承压问题呢?
这一节我们将提出一种更为简便的气体承压方式。
即依工作要求与绝缘要求,在实验装置工作时自动充入CO2气体,根据装置工作电压大小,自动控制内部绝缘气体压力。
这一方法实现了以下设计要求:
1.3.1绝缘气体简易
一般说来用于作为高电压保护气体元素的电负性比较强。
这是因为具有较强的电负性的元素捕获电离电子的能力比较强。
最常见也被忽略的保护气体是空气,空气的介电强度可以达到3.3kV/mm,但是空气的湿度会严重影响绝缘效果,并且氧气很有可能导致装置发生腐蚀。
SF6(六氟化硫)是工业中最常见的也是唯一的保护气体,但是由于SF6会对大气层造成极大破坏,SF6的使用受到了极大限制。
受制于绝缘气体的性能限制,寻找替代SF6的气体,是极为迫切的需求。
表1.4:
常见元素电负性(常温常压下)
元素名称
氢
氧
氮
氟
氯
化学式
H
O
N
F
Cl
相对电负性
2.1
3.5
3.0
4.0
3.0
实际上,在使用高压气体绝缘的初期,气体介质一般是氮气与二氧化碳。
与SF6相比,他们虽然没有强大的绝缘效果,但是他们的价格便宜,易于获取,还能得到令人满意的绝缘效果。
这里,我们选择二氧化碳作为装置中的绝缘气体,除了它具有一定的绝缘性能外,还考虑到以下几个原因:
1.易于获取,CO2的制备与罐装几乎可以被配送至任何地点,包括野外试验场所;
2.价格便宜,每公斤CO2的价格不足1元,绝大多数时候我们可以忽略此费用;
3.便于储存,从45L气瓶到液态储罐都可以贮存液态CO2;
4.安全无毒,无论是CO2本身还是CO2电解产生的产物都是无毒的,而N2与碳可能产生毒性极强的氰化物。
1.3.2依条件加载压力
设备的承压能力与设备外壳的材料,设备体积,以及外壳厚度有关。
大多数情况下,为了保证设备的绝缘性能,设备外壳使用的材料并非金属材料。
即使使用金属材料,它的材料厚度也是不可能达到4mm,即GB150-2011要求的最低压力。
为了规避国标的要求,设备承受的最大压力乘以体积也不能大于2.5MPa·L。
可以说在通常情况下这种设备应当是常压设备或者承载有一定压力的设备。
承压设备的压力不能太大,一方面是承受压力所限,另一方面也是为了方便达到一定的气密性。
虽然在绝大部分高压实验装置中,连续使用时间并不长,但是气密性依然应当得以保证。
不同实验时,电压大小不同、放电功率不同,在不同实验中,充入的气体压力应当不同。
这样,可以最大程度的降低实验设备的危险性。
1.3.3间歇性工作
承压实验装置与工程中高压气体密封装置的最大不同在于实验装置的间歇性工作这一特性。
以最小点火能装置为例,在整个试验中,实际的通电时间仅为1分钟左右。
在空闲时间内在箱体内保留绝缘气体,只会提高设备整体的密封要求与制造成本。
而在所有的工作情况下都充入相同压力的气体,不仅浪费,而且承压容器本身也成为一个潜在的危险源。
合理的加压方式应当是实验开始前加压,实验结束后卸载气体,保证在实验结束后的设备安全。
1.3.4实时安全
高电压实验装置不适宜全天候工作,但是实验装置必须保证全天候安全。
保证全天候安全性的最好方法是让实验装置在空闲时不工作,既不充压也不充气;在工作时按照要求达到介质压力与绝缘性能的平衡,显然,这需要间歇性工作与按条件加压的同时配合以保证工作的安全性。
1.4燃烧与爆炸的实验研究
燃烧与爆炸一直是化工机械、安全工程、动力工程、航天发动机等学科的重要研究内容。
爆炸过程伴随着剧烈的化学反应。
爆炸可以在一瞬间产生极大的推力,如何产生可控制的爆炸是发动机、航天推进器工作的关键机理。
然而,未预知,非可控的DDT过程产生的破坏是毁灭性的。
安全生产中应当极力避免爆炸现象的产生。
1.4.1生产中的安全事故
2008年8月26日,宜州市广为股份有机厂爆炸事故导致20人遇难,60人受伤;
2013年11月22日,青岛输油管道爆炸事故造成62人死亡、9人失踪,136人受伤;
2014年4月16日,江苏省南通市如皋市东陈镇双马化工有限公司发生爆炸;
2014年6月19日,南京扬子石化厂区,原油罐发生爆炸。
安全是所有企业生产,盈利的前提。
爆炸导致的安全事故一直是危害石油化工行业的正常生产运行罪魁祸首。
一方面,事故对生命财产造成的伤害难以衡量。
在不同的生产条件下,对爆炸过程发展的预测非常重要。
另一方面,生产中的现实情况十分复杂,解决这些问题往往需要简单实用的手段。
我们更倾向于了解,哪些结构应当避免,哪些措施最为有效。
我们需要更为深刻地对爆炸过程以及相关参数的研究与探索。
1.4.2燃烧与爆炸
爆炸过程涉及可压缩流体的流动,化学反应流,分子扩散,热传导,流体粘性等诸多问题,使得爆炸的机理研究极为困难。
因此它也成为最少被人了解的问题之一。
受限于湍流机理问题的研究,爆炸问题的数值模拟非常困难,很难得到准确的数值解。
相对于数值分析而言,实验具有相当的直观性,实验研究是目前爆炸研究的最重要方法。
国内外相学者在这一领域做出了很多工作。
1.4.3电极点火装置
凡是涉及燃烧与爆炸的实验,点火都是实验的前提。
常见的点火方式包括化学点火与电极点火。
1化学点火
化学点火是利用化学点火头完成的,它的特点是能量大,能量控制准确。
但它不能模拟最常见的静电点火现象,并且对于小能量点火也无能为力。
但是因为化学点火可以轻易达到几十焦耳的能量,它是粉尘爆炸点火的利器。
2电极点火
电极点火是利用高压电击穿空气瞬间产生高温与激波扩散的点火方法,常见的电极点火结构包括特斯拉线圈与马克思发生器。
特斯拉线圈结构简单、能量较小,马克思发生器的能量可控,理论上可以做到几十焦耳的能量。
与化学点火相比,电极点火具有以下特点:
①能量可控,根据放电电路中的电容与电压的大小可以确认放电能量的理论值;
②电极距离可控,根据Paschen公式,电极间距离可以通过放电电压控制;
③模拟静电过程,静电是一类重要的非预测点火源,电极点火可以模拟静电放电的过程。
④实现微弱能量放电,放电过程的击穿距离仅仅与电压大小有关,只要电流够小,就可以产生足够微弱的点火能量。
1.5承压式电极点火装置
承压式电极点火装置(以下简称点火装置)的每一部分都不是发明,它是结合比较成熟的技术设计出来的一个点火装置。
它具有以下特点:
1.5.1实用性
几乎所有的发动机、燃烧器与爆炸装置均需要点火,因此这一装置可以应用于各种各样的实验设备中,这些设备包括
燃烧器,包括预混燃烧、非预混燃烧等各种无法自发燃烧的设备;
发动机,包括常规民用发动机,航天发动机,脉冲爆震式发动机等;
爆燃试验装置,包括哈特曼(Hartmann)管,20L球,最大安全间隙(MESG)装置等;
爆轰试验装置,包括直接起爆轰装置,爆燃转爆轰(DDT)试验装置,爆轰临界测量装置。
1.5.2简易性
点火装置的控制由计算机完成,整套设备集中在两个设备箱内,实验箱的体积与重量均不大,连线简单,可适用于各种场合的实验中。
1.5.3安全性
整套装置中使用了气体密封绝缘,并且具有以下安全性功能:
能量手动卸载,实验中自动控制系统失灵时,仅需要手动逐渐降低升压器电压,电容能量就会卸载到升压器内部40MΩ的负载电阻上;
能量自动卸载,实验中途断电导致无法完成时,电容中充入的能量会在30秒内释放在密封箱内100MΩ的负载电阻上;
电容物理防爆,所有电容均使用高可靠性聚苯乙烯电容,电容外包裹不少于6mm防爆层;
防充电过载,所有高压充电时间由电脑控制均不大于60秒(高能量设备除外),这一时间仅为国标规定120秒的一半;
电磁屏蔽,高能量点火装置四壁嵌入金属丝网,防止对周围电脑、手机等设备的损害;
智能防短路,升压器采用脉冲逆变式升压,电压逐渐升高。
在高电压状态下,一旦出现短路,热量全部消耗在负载电阻上,并且电压会保持在3kV左右,以防电流过载。
1.5.4低成本
整套实验设备除脉冲逆变装置的升压电路,其余均使用基本电气元件,连接制作。
整套设备不错在二次加工成本。
常规点火部分成本如下表所示:
表1.5:
承压式电极点火装置配件价格表
名称
数量
单价/元
价格/元
升压电路
1个
560
560
电容组
1套
980
980
PCB电路板
1个
8
8
绝缘密封箱
1个
80
80
接线柱
40个
0.2
8
EVO热熔胶
30个
0.8
24
负载电阻
2个
40
80
高压导线
15米
5
60
电位器
2个
8
16
数字液晶屏
1个
30
30
高压橡胶插头
8个
16
128
密封接头
1包
20
20
20kV常开继电器
2个
220
440
24v继电器
2个
5
10
导线夹
4对
24
96
总价1.2.3
-
-
2540
注1:
压力表、采集卡、控制板均为实验室原有设备,这里不计入总价;
注2:
剥线器、热熔胶枪、电烙铁等工具为实验室原有,不计入总价
注3:
焊锡、绝缘胶带,四氟带,螺丝,用量较少的廉价耗材不计入总价
常规点火部分的总造价为2540元,这要比商用点火设备动则上万元报价低得多。
但是自制点火系统需要电工基础并且具备一定动手能力。
设计制造时应当考虑实际情况进行选择。
1.5.5多功能
在设计制造中,我们尽可能使得系统变得开放,以能实现更多的功能,虽然这在一定程度上可能会导致设计、制造的麻烦,但我们依然
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