（安全技术及工程专业论文）余热锅炉饱和水蒸汽爆炸风险评价模式研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i sa n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fb l e v ea n dt h ec a l c u l a t em e t h o do ft h e a c c i d e n tc o n s e q u e n c e b yt a k i n gt h es p e c i a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o nc o n d i t i o no ft h e w a s t e h e a tb o i l e ri n t oa c c o u n t t h et h e s i sc o n f i r m e dt h er e a s o n so fw a s t e - h e a tb o i l e r b l e v e b yi n t r o d u c i n gan e wp a r a m e t e r , t h et h e s i sm o d i f i e dt h eo l dc a l c u l a t e m e t h o da n dt h e nf o r m e dt h ea s s e s s m e n tm o d eo fw a s t e h e a tb o i l e rb l e v e t h e t h e s i sg o ts e v e r a lc o n c l u s i o n sa sf o l l o w e d ： 1 t h em a i nr e a s o n so ft h ew a s t e h e a tb o il e rb l e v ea r ea c i dc a u t e r i z a ! ：i o na n d a b r a s i o n j e tf i r e ，p o o lf i r e ，v a p o rc l o u de x p l o s i o nw o u l dn o to c c u ra f t e rt h e w a s t e h e a tb o i l e rb l e v e t h ee n e r g yo ft h ee x p l o s i o nw o u l dd i f f u s ea ss h o c kw a v e 2 w h e nt h ew a s t e h e a tb o i l e rb l e v e h a p p e n s p a r to ft h eb o i l e dw a t e ra b s o r b t h es u r p l u se n e r g ya n dt h e ne v a p o r a t e d t h eo t h e rp a r to ft h ew a t e ra sr e m a i n ，b u tt h e t e m p e r a t u r et u r n e dm u c hl o w e rt h a nb e f o r e b yi n t r o d u c i n gan e wp a r a m e t e r t h eo l d c a l c u l a t em e t h o dh a db e e nm o d i f i e d 3 f o r m e dt h ea s s e s s m e n tm o d eo fw a s t e h e a tb o i l e rb l e v ew h i c hi n v o l v ef o u r a s p e c t s ：c o n f i r m i n gt h ea c c i d e n tm o d e ，c h o o s i n gt h ec a l c u l a t em e t h o d ，a n a l y z i n gt h e a c c i d e n tc o n s e q u e n c ea n da n a l y z i n gt h er i s ko ft h ea c c i d e n t 4 u s i n gt h ef o r m e dm o d ea b o v ea s s e s s e daw a s t e - h e a tb o i l e rb l e v e k e yw o r d s ：w a s t e h e a tb o i l e r , b l e v e ，a c c i d e n tm e c h a n i s m ，r i s ka s s e s s m e n tm o d e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 叁盗墨墨盘垒 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 学位论文版权使用授权书 月如日 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼墨苎盘望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：州年 | 孩 v 月7 髫日 参、厂 藐 、盼矿炉 、k龙巧斫 ， 饥 名 期 师 字 导 签 第一帝绪论 1 1引言 第一章绪论 随着世界能源价格的不断上涨，越来越多的企业开始重视企业内部能源的循 环利用问题。余热锅炉是企业用于凹收废热的最常见设备。将余热锅炉用于工艺 过程废热的回收既降低了企业的运行成本，又可以减少能源的需求从而促进生产 过程中温室气体的减排，故余热锅炉的使用在为企业带来经济效益的同时其社会 效益也是不容忽视的。 目前，余热锅炉应用行业很多，结构形式也比较多，其主要功能是用工艺过 程产生的废热加热水或其他热媒，产生蒸气供取暖、发电或工艺过程使用。本质 上，余热锅炉内部就是一个高温、高压气液相共存的状态，与常见液化气体( 如 液氨、液氯、乙烯、l p g ) 所处环境相当类似。一旦操作维护不当或管理上存有 漏洞时则极有可能发生爆炸。其内部存在的巨大能量，在容器发生破裂后，随即 被释放，对周围的人和设备造成严重伤害。 普通锅炉设备一般独立设置于锅炉房内，锅炉房的火灾危险性一般按照丙、 丁类进行设计，其防护间距可以参照g b 5 0 0 1 6 - 2 0 0 6 建筑设计防火) ! i ! 范中有 关厂房、装置的防火间距的要求进行平面前j 置设计，从而避免凶锅炉出现爆炸事 故后波及其他工艺设施造成较大的继发事故。 余热锅炉在结构上不设置燃烧器，其热源来自工艺过程所产生的废热，这种 热源供给形式决定了余热锅炉必然设置于工艺系统内部，附属于产热的生产装 置，余热锅炉与生产工艺设备之间可谓“亲密接触”。一旦余热锅炉因各种原因发 生爆炸事故，事故不仅会造成所附属的产热工艺装置的损害也将对周围的工艺装 置造成损害从而引发大规模的继发性事故。 余热锅炉不设置燃烧器，其可能发生爆炸事故的部位是锅筒。以水为介质的 余热锅炉锅简内水以高温高压气液共存状念存在，其爆炸形式可归类为沸腾液体 膨胀蒸气爆炸( b l e v e - - b o i l i n gl i q u i de x p a n d i n gv a p o re x p l o s i o n ) 。 在目自 国家大力发展循环经济的政策促使下，余热锅炉已经大量应用于水 泥、制酸、冶炼、化工等行业。，有鉴于余热锅炉设置位置的特殊性以及锅筒 b l e v e 爆炸所产生的巨大破坏力，国内外的学者对于余热锅炉的系统安全性进 行了大量研究工作，研究内容主要集中在余热锅炉系统安全性评价方法研究， b l e v e 成灾机制研究和b l e v e 能量计算模型的研究这三个方面。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 沸腾液体膨胀蒸汽爆炸( b l e v e ) 成灾机制研究进展 ( 1 ) 液体过热理论 在b l e v e 的发生机理研究中，r e i d r c 最早提出了液体过热理论。这一 理论是r e i d r c 在缺乏实验数据的情况下在1 9 7 9 年通过理论分析提出来的。 r e i d 认为，对于一个密闭的存放过热液体的压力容器，因为某种原因容器出现 开口，导致迅速的降压，液体处于过热状态，可以达到很高的过热程度。理论上 过热程度有一个可能达到的理论极限一该过热极限可以从理论算出或从实验中 测量得到。当达到这个过热极限时，会造成在液体主体( b u l ko f l i q u i d ) 发生自发 第一帝绪论 的均相核化，从而导致液体以极高的速率发生相变，在短时间内形成大量蒸汽。 如果没有达到过热极限，储罐内的液体只会发生般的沸腾，而不会发生蒸汽爆 炸。 然而，一些研究者比如m c d e v i t 等研究发现，容器内液体温度是否高于环境 压力下相应的过热极限，并不是b l e v e 发生的必要条件。不过，液相区域的温 度确实可以影响b l e v e 爆发的激烈程度。如果达到了大气压力下的这一理论上 的过热极限，b l e v e 会最强烈，这一点仍被许多研究者所接型卜引。 r e i d 的过热理论建立在b l e v e 的发生是均相核化的发生引起的这一理论基 础之上的。但实际上，在现实世界中，均相核化沸腾很难达到，往往是异柏核化 沸腾。通常情况下，盛放过热液体的容器内表面都不可能完全光滑，同时液体中 也存在有不溶性的气体及一些固体粒子。这些情况都会导致异相核化的发生，从 而沸腾会在较低的过热度下进行。h i s e o k e ，b a r b o n e ，b i r k ，c u n n i n g h a m 在不 同尺度实验条件下的丙烷b l e v e 实验研究发现，在很广泛的尺度范围内( 直径在 2 0 m m 到6 0 0 m m ，体积在2 6 0 m l 到4 0 0 m l 范围内1 ，异相沸腾都起着主要的作用。 所以目前，大多数研究者研究重点放在异相沸腾引发的b l e v e 的机理上。 r e i d 的研究为后人指出了b l e v e 发生的理论上限，同时他的过热度影响 b l e v e 发生强度的观点也得到了广泛认可。尽管在达到过热极限是否为液化气 发生b l e v e 的必要条件问题上还有争论，但基本达成共识的是，当液化气体达 到理论上的过热极限时，b l e v e 的超压及其造成的损失最大。 ( 2 ) 沸腾及核化机理 气化相变传热有两种方式：沸腾与蒸发。以形成气泡来完成传热的称为沸腾。 沸腾传热是两相流传热的主要形式。沸腾传热既然是以气泡形式进行的，气泡产 生、形成、生长以及其运动方式，便是影响沸腾传热的重要机制，称其为气泡的 行为与性状。研究气泡的行为和性状是研究沸腾传热的重要任务，归纳起来，主 要是热力学和动力学两大方面1 4 剖。 1 ) 曲界面的平衡条件 当气体和液体两相分界面且界面处于平衡状态时，( 比如液体中静止的气泡) 满足杨一拉普拉斯公式( y o u n g l a p l a c ee q u a t i o n ) ： 旷p f ：丝 式1 1 凤一n 。一 瓦 p 其中，p ，为蒸汽压，研为球形界面外液体压强，p 为球半径，仃为表面张 力。这表明，气泡半径越小，气泡内的蒸汽压与液体压力之差越大。 2 ) 气泡的形成 液体沸腾时，气泡存在和发展的条件为： p 风：且式1 2 贮胪翥t _引2 i i尺l 也 p 异 p o 称为平衡半径或中肯半径，盯为表面张力，v t 为液体比容，r 为通用气 体常数，t 为平衡温度，p 一为饱和蒸汽压，以为气泡内平衡蒸汽压。p 必须大 第一章绪论 于平衡半径时气泡才能生长和发展。由上面公式可以看出： 产生的气泡半径越小，要求液体的过热度越高。 实际的沸腾现象总是不平衡的，只有半径比平衡半径较大的气泡才能构不 断发展增大，而较小的气泡将会逐渐萎缩，以至消失。非常纯净的液体中最初形 成的气泡是很小的，所以需要较高的过热度才能达到沸腾。一般情况下，沸腾的 发生往往借助液体的不凝结气体( 如液体中溶解的空气) 或加热表面的凹凸部分 就成为气化核心。 综上所述，液体的过热和气化核心的存在是沸腾时气泡形成和发展的条件。 3 ) 均相核化 均相核化是指当液体整体温度逐渐上升，且处于无干扰状态的时候，过热度 随着液体的温度升高而越来越高，平衡气泡尺寸也越来越小；当平衡气泡尺寸接 近分子尺寸时，气泡在汽化核心的基础上开始不断生长，这种核化过程称为均相 核化。由均相核化引起的沸腾，成为均相沸腾。由于引起均柏核化的泡化核心半 径非常小，和分子半径是一个数量级的，这种情况对于大分子介质( 如高分子有 机物) 较易出现，对一般介质而言，这种均相沸腾是很难达到的。 4 ) 异相核化 促成液体在较低过热度下能沸腾的原因，是由许多特定因素造成的。一般有 如下因素： 气液界面与加热壁面的接触角大于0 0 。 加热金属壁面不是绝对光滑的，上面存在许多坑穴瘢痕，统称为空穴。空 穴的存在相当于增大了有效接触角。或者壁面存在突起部分，相当于存在气泡核 心。 液体介质中溶有不凝结气体。 溶液中存在污染物，固体悬浮粒子提供了一个可能的气泡核心，从而可能 在较低的过热度下发生核化，从而发生沸腾。这些因素被成为异相核化条件。有 这些条件引发的核化称为异相核化。异帕核化引起的沸腾，称为异相沸腾。一般 情况下的沸腾都是异相沸腾。 但实际上，水在常压下，达到1 1 0 时，即可出现明显的气泡沸腾。由此可 见，通常见到的水的沸腾，不属于均相核化。这是由于工程上的金属面不是绝对 光滑的，上面存在许多坑穴瘢痕，由于空穴的存在，而使得壁面上产生气泡，是 促成水的异棚核化的主要因素。 ( 3 ) 两相流基本方程 两相流和单相流相比，多出一个相和相i 、口j 界面，因此流场的组成，从宏观方 面看，包括三部分。以气液两相流柬说，包括气相、液相和气液界面。界面对两 相流的流动特性和传热特性有很大影响。流场中的界面在数量和分柿上经常变 化。在等温两相流中，随流动的进行，压力呈现变化。两相界面的大小和分白状 况即发生变化。 直到目前，两相流的研究，还是以实验为主。山于现象的复杂，影响因素 很多，许多问题很难通过解析分析得出结论。近年来计算数学和计算工具的发展， 促进了两相流的解析分析研究。解析分析可以考虑更多的因素，可以取得流场的 局部特性，更准确地反映实际情况。但所取得的往往是离散的数据，要想得到参 数的关联，以便描述现象的规律，还需进行相关的机理分析和数据拟合处理，才 能取得描述过程机理的关联式。所以也可以这样说，目日订两相流的研究，是建立 在实验研究，数值计算和数据处理的基础上的i 7 1 。 第一章绫论 描述单项介质流动的流动方式常用层流和紊流来区分，也称为流动机制。对 于两相( 或多相) 流动，则用流动方式来拙述流动分咖，即项分布。称为流型； 用流动机制来描述每相的层流和紊流，称为流动机制。流型与流动机制是相互关 联的。气相为层流，液相为湍流时，大半是气泡状两相流动：气相为湍流，液相 为层流时，往往是雾滴状流动。 1 2 2 沸腾液体膨胀蒸汽爆炸( b l e v e ) 后果计算模型研究进展 目前国内外对于沸腾液体膨胀整齐爆炸( b l e v e ) 后果i 卜算模型的研究大 部分集中于可燃液化气体发生b l e v e 爆炸的能量及继发事故后果评估方画，并 针对不同的事故模式提出了包括b l e v e 爆炸能量计算模型的一系列的事战后果 评估计算模型。下面以一个液化石油气储罐发生破裂为例，来说明不同条件下可 能出现的一系列灾害形式。 l g p 储罐 发生破裂 立即点燃 图i 1l g p 储罐b l e v e 事故模式图 火球域蒸气 云爆炸 蒸汽云爆炸 闪火 无火火 抛射物伤害 ( 1 ) b l e v e 爆炸能量计算模型 b l e v e 爆炸实在很短时| 日j 内进行的，所以它可以近似看成一个绝热过程。 有压力的饱和液体绝热膨胀为常压时所做之功，亦即处于过热状态的液体的爆炸 能量，其能量值可以按下式计掣8 j ： 丘= 【( 一f 2 ) 一( s s 2 ) 兀】形 式1 3 厶一过热状态下液体的爆炸能量，蚝m 一在容器破裂前的压力或温度下饱和液体的焓，k c a l k g f 2 一在大气压力下饱和液体的焓，k c a l k g s 在容器破裂前的压力或温度下饱和液体的熵，k c a l ( k g k ) 墨一在大气压力下饱和液体的熵，k c a l ( k g k ) 瓦一介质在大气压力下的沸点，k 形一饱和液体的重量，k g 4 第一章绪论 ( 2 ) 蒸气云爆炸计算模型 1 ) t n t 当量法 由于对固体炸药的研究已经比较成熟，早期的学者在预测可燃蒸气云的爆炸 场时采用t n t 当量法：采用能量相当的法则，将气云的爆炸转化为当量t n t 爆 炸，然后用t n t 爆炸的结果与规律进行蒸气云爆炸威力和效果的预测，转化公 式为【9 1 1 1 ： 玎j z t n t = a ，尝 虮4 式中：a e 一能量当量经验系数。 纺一可燃蒸气物质的燃烧热，k j k g 一可燃蒸气物质的质量，k g 编，一l k gt n t 炸药爆炸所产生的能量，k j 彬w 得出后，相应的冲击波特征可以通过查表的方法或套用计算1 n t 爆炸 冲击波的公式求得。这种方法特点是比较简单，使用方便，但是可信度太低。t n t 法缺陷的根源有二： t n t 爆炸产生的冲击波是理想冲击波，而可燃蒸气爆炸在通常情况下很 难形成激波，它属于非理想爆炸f i 州引。他们的冲击波波形相差非常大，t n t 爆 炸形成的冲击波超压随着距离的增加而减弱的速度较蒸气云爆炸快，t n t 爆炸 破坏主要靠超压值，超压值大作用时间短；而气体爆炸破坏靠冲量，超压值小作 用时间长。 t n t 爆炸是近似点源、能量瞬时释放的爆炸，是大体积大体积的燃烧加 速爆炸，它受到整个气云浓度分仰场的限制，爆炸气云中各部分是否都在爆炸极 限浓度之内，以及燃烧的传播过程中是否受到障碍物的约束都会对爆炸威力产生 影响。而正是由于这些因素，气云中的燃料仪有很少一部分燃烧为爆炸提供能量。 2 ) t n o 多能模型1 3 1 为了克服t n t 当量法的缺陷，尽可能反映蒸气云爆炸的实际规律，由荷兰 应用研究院在大量实验研究和数值研究的基础上提出了多能法。 在蒸气云受到部分约束的情况下，燃烧产物的自由膨胀受到阻碍，比较容易 产生较强爆炸波。在其他条件相同的情况下，约束越严重，燃烧产生的爆炸波越 强。多能法的基本思想是，只有在部分约束相当强的地区的蒸气云爆炸才能产生 强的爆炸波，而其他地区的蒸气云只是单纯燃烧掉，不会对爆炸波的产生作出显 著贡献。由于部分约束的程度不可能完全相同，很明显，不能象丁n t 当量法那 样，用单纯的爆炸波来实现上述思想。如果对各个受到部分约束的爆源产生的爆 炸波单独建模，预测结果会更加准确。 多能法中假设爆炸波是由半球形、具有稳定火焰速度、由烃一空气混合物爆 炸产生的。通过数值模拟，得到了爆炸波特性曲线。爆炸波初始强度是一个可变 参数，取值为1 到1 0 之问的任意整数。1 代表最弱的初始强度，1 0 代表最强的 初始强度。根据初始强度和爆源能量的不同选用一组不同的爆炸波特性曲线，从 第一章绪论 而确定不同区域的蒸气云爆炸波参数，再根据爆炸波参数的大小估计目标的伤害 程度。与其他蒸气云爆炸模型相比，多能法具有如下优点： 考虑了蒸气云的爆炸机理，即蒸气云爆炸只有在火焰容易加速的条件下， 或者说蒸气云爆炸只有在受到部分约束的条件下，才能产生较强的爆炸波。 具有灵活性，能根据蒸气云所处环境的不同选取不同的爆炸波模型。 但多能法的缺点也十分明显，主要包括： 应如何根据部分约束的程度和方式来选取爆炸波仞始强度，多能法没有提 供可操作的规则； 在存在多个具有部分约束的区域时，没有明确的处理各区爆炸产生的爆炸 波效应之间相互关系的办法； 没有说明燃料本身的反应活性如何影响初始强度的选取。 两种早期的研究模型都为蒸气云爆炸事故后果模拟研究做出了贡献，许多科 研人员在实验和理论研究方面又进行了大量的工作。 实验研究方面b u l l 等与1 9 7 7 年【1 4 1 、b e n e i c k 于1 9 7 9 1 1 5 1 年分别测得了等化学 比甲烷空气混合物的临界起爆能。为了研究蒸气云爆炸机理，尤其是障碍物 和约束对燃烧转爆轰的影响，已进行了大量的实验室研究和野外试验研究，其中 l i n d 于1 9 7 5 年1 1 引、l i n d & w h i t s o n 子1 9 7 7 年17 1 、m o e n 等于1 9 8 2 年1 1 引、r o d e a n 等于1 9 8 1 年【1 9 】、z e e u w e n 等于1 9 8 3 年【2 们、h a r r i s o n & e y r e 于1 9 8 6 年【2 i 】进行的 实验具有代表性。他们的实验对象为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丁烯、乙炔、天 然气或环氧乙烷与空气形成的近等化学比混合气体。最大混合气体量达到4 0 0 0 立方米。 在实验研究的同时，研究人员进行了大量的理论研究和数值模拟工作，提出 了一些蒸气云爆炸模型，其中s t r e h l o w 2 2 j 等于1 9 7 9 年提出的球星火焰模型、荷 兰应用科学研究院( t n o ) 的w i e k e m a t 2 3 】于1 9 8 0 年提出的半球模型以及前述的 由v a nd e nb e r 9 1 2 4 j 等提出的多能法是蒸气云爆炸模型的典型代表。利用这些模型 可以预测蒸气云爆炸产生的冲击波参数。但是由于实验数据的缺乏，它们的有效 性有待进一步的验证。而且由于输入参数可变性大，又没有可行的用户指南，它 们的应用受到了限制。目前随着计算机技术的发展使进行大型计算的成本大幅降 低，对于蒸气云点燃爆炸的机理以及发生发展过程的研究逐渐向c f d 模拟技术 上发展。采用c f d 方法解决气体爆炸流场中各参量的程序有：e x s i m ( t e l e m a r k t e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc e n t r e ) 、f l a c s ( c h r i t i a nm i c h e l s e n r e s e a r c h ) 、r e a g a s ( p r i n sm a u r i t sl a b o r a t o r yt n o ) 和c o b r a ( b r i t i s hg a s ， r e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y ) 2 5 】。 ( 3 ) 火球计算模型2 6 1 1 ) 火球直径和火球最大直径和持续时问与火球中的可燃气体质量成比例关 系： 臻。= a w 6 式1 5 ，：f 肜d式1 6 式中系数a 、b 、c 、d 在不同的计算模型中取值不同，w 即为火球中可燃气 体的质量。各种典型模型的计算模型见下表。 6 第一帝绪论 表1 1典型的火球直径及持续时间模型 模型名称 哦戤= a 形6 t = c d ab cd - _ _ l l i i l _ _ l - l _ _ i _ _ _ _ _ _ l _ - l _ l - - _ - _ _ - - _ _ - 一i i i _ - - - _ _ - - l _ i _ _ - _ _ - _ _ _ - - l _ i _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ 一 l i h o u & m a u n d 3 5l0 3 3 3 o 3 20 3 3 0 c c p s6 4 80 3 2 5 0 8 2 50 2 6 0 w i l l i a m s o n & m a n n 5 8 80 3 3 31 0 9 0 6 1 7 r o b e r t s 5 8 01 3 0 4 5 01 3 m o o r h o u s e p i r t c h a r d 5 3 30 3 2 7 1 0 9o 3 2 7 h a s e g a w a & s a t o 5 2 8 0 2 7 71 10 0 0 0 9 7 f a y & l e i w s 6 2 80 3 3 02 5 3 0 0 17 0 1 l o 5 8 01 1 3 0 4 5 01 3 h r g r e e n b e r g & j j c r a m e r 5 3 3 o 3 2 71 0 8 9 o 3 2 7 2 ) 火球表面热辐射模型 近地面火球模型是假设火球中心在地面水平，此模型适合于快速b l e v e 。 发生时，初始可燃液化气体喷射对火球中心抬升高度t i e d , ，火球表面热辐射通量 e 计算模型如下 e = e m 。( 1 一e o 侣胁“) 式1 7 。为火球表面最大辐射通量( 可取值为2 0 0 、2 7 0 、3 5 0 、4 6 9 ) ，k w m 2 。 目标r 处接受的热辐射通量g ( r ) q ( r ) = e d - 0 0 5 8 1 n r ) v 式1 8 目标r 处接受的热辐射剂量q ( ，) ( k j m 2 ) 即为目标处接受的热通量g ( ，- ) 与 作用时问t 的乘积： q ( ，) = q ( r ) t 式1 9 式中1 0 0 5 8 i n r 大气传递系数； ，目标离火球中心距离，m ； v 一视觉系数，可由有关模璎计算确定 抬升火球模型中抬升高度及视觉系数的确定是关键，由于火球从产生到达到 最大直径之间的时间间隔非常短( 一般为几秒，甚至更短) ，在建立抬升红球模 型时，假设火球迅速达到最大直径，忽略火球产生到达到最大直径之l 日j 的时问i 、h j 隔。抬升火球的最大直径及持续时间模型阳近地面火球模型，其中目标处视觉系 数： y = ( h d 。+ o 5 ) 4 - ( 日d m “+ o 5 ) 2 + ( 厂口嘣) 2 引2 式1 1 0 式中：h 一火球中心离地面的抬升高度( 由a d m 缸确定) ； 7 第一章绪论 a 抬升系数( 同级平均值为o 7 5 ) 目标r 处接受的热辐射量q ( r ) ： g ( 厂) = e ( 1 - 0 0 5 8 i n r ) v 式1 1 1 目标r 处接受的热辐射剂量模型q ( ，) ： q ( r 1 = q ( r ) t 式1 1 2 9 5 期i 、日j 我国北京理工大学承担了易燃易爆有毒重大危险源辨识评价技术 的研究这一课题，最后形成的研究成果易燃易爆重大危险源伤害模型研究 技术报告中也对b l e v e 形成的火球灾害的半径，持续时问以及距离事故中心 某点的热通量和热剂量的计算模型进行了论述，其基本研究成果与前述模型的基 本理论相同，都认为事故形成火球的半径以及持续时间只与火球中的可燃物质质 量成比例关系，并在大量实验数据的基础上取得了计算所需的参数值【z 。 火球半径的计算公式： r = 2 9 w 3式1 1 3 火球持续时间计算公式： f20 4 5 w 式1 1 4 在我国开发的模型中火球中可燃物质的质量并没有按照危险度最大原则按 照发生事故容器中全部可燃物质的质量进行设定而是更合理的对不同储存形式 单独设定了计算系数，其中对于单罐储存w 取罐容量的5 0 ；对双罐储存，w 取罐容量的7 0 1 对多罐储存，w 取罐容量的9 0 。 我国自己研发的火球辐射热通量模型在实用性方面也相比以前的模型做出 了一定的改进，通过大量数据的统计分析，将不同形式储罐泄漏后发生火球灾害 时火球表面的热辐射通量明确给出，有利于风险分析评价人员对计算模型的正确 选择和使用。火球辐射热通量模型如下： 撕脚( 1 - 0 0 5 8 1 n r ) 蠢舞 引- 1 5 式中： g ( ，) 一目标接收到的辐射通量； e 一火球表面的辐射通量，对柱形罐可取7 0 0 0 w m 2 ；对球形罐可取2 0 0 0 0 0 w w m 2 ； r 一目标到火球中心的水平距离( m ) ( 4 ) 抛射物计算模型【2 8 j 压力容器爆炸时碎片具有很大的动能并向四周飞散当碎片击中人员或设备、 建筑物时，将发生伤害或破坏。 压力容器内介质为液体时，容器爆炸瞬l h j 碎片具有的能量较小，可以不考虑 其影响。当容器内介质为液化气体时，碎片具有较大的破坏力。 压力容器爆炸时碎片的初速度为： 2 式中：一压力容器本体质量，k g f 一碎片破裂能屈服系数； a p 一爆炸前后的压力差，p a ； y 一比热容比； 式1 1 6 v 一压力容器内气体体积，m 3 受空气阻力影响，碎片飞行距离s 后，其速度变为： v = v o e x p ( 一景风鼬 式7 v o 一碎片的初速度，m s ； 么一碎片面积，m 2 ； m 一碎片质量，k g ； 风一空气密度，k g m 3 s 一碎片飞行距离，m 高速飞行的碎片撞击到设备、建筑物，碎片的打击深度取决于碎片具有的动 能和结构的强度。可以按下式计算碎片的打击深度x x = i 8 5 1 0 一c 矿3 3 v 1 ” 式1 1 8 q 一贯透常数，其取值见表 m 一碎片质量，k g ； 1 ，一碎片打击时的速度，m s 9 第一章绪论 科克斯( c o x ) 等建议按下式计算打击深度x x = 比m ”v 啦 式1 1 9 m 一碎片质量，k g ； 1 ，一碎片打击时的速度，r n s k 、n 2 一被打击物体的参数，其取值情况j ! i 表 表1 3 被打击物体的有关参数 物料k- ， 混凝土1 8 1 0 。5 0 41 5 砖结构 231004i 5 软钢0610033 1 0 1 3目前国内外研究存在的问题 由于余热锅炉爆炸事故具有财产损失大、人员伤亡多、社会影响大等特点， 因而对其事故机理、爆炸风险分析及事故后果预测的研究一直是国内外研究人员 在b l e v e 爆炸研究领域内的研究热点，对此进行了大量的实验研究，建立了相 关的模型，取得了一系列进展。目前对b l e v e 爆炸事故机理以及事故后果预测 方面，国内外的研究者大多以液化可燃液体储罐为研究对象，忽视了对余热锅炉 饱和水发生b l e v e 的机理以及事故后果预测模型的研究。故本文认为目前国内 外的研究在以下几点上还存在缺陷： ( 1 ) 结合余热锅炉的特殊结构分析引发余热锅炉饱和水蒸汽爆炸的原因。 余热锅炉虽然属于工业锅炉的一种但是在结构和运行环境方面与普通工业 锅炉存在差异，这种差异的存在使得在安全运行控制方面余热锅炉有着不同于普 通工业锅炉的控制点。这一问题值得我们进行深入研究。 ( 2 ) 爆炸能量的计算是对爆炸事故后果进行模拟的基础，但目前b l e v e 爆炸能量计算模型均按照事故最大化原则将全部过热液体量作为计算参数代入 公式计算，这样的取值方式有悖于事故发生的真实情景，不能实现对事故后果的 1 0 第一章绪论 客观估计，导致夸大事故后果的严重程度。基于以上考虑，现有的b l e v e 爆炸 能量计算模型需要进行修正。 ( 3 ) 国内外对于b l e v e 爆炸事故的研究大多集中在事故后果计算模型的 研究中，但是如何使用这些研究成果，并结合事故发生地的实际情况评估事故风 险的研究工作目前开展的还比较少，没有考虑建立针对特定设备发生b l e v e 爆 炸事故风险评价的固定模式，具体到余热锅炉b l e v e 爆炸事故风险评估模式方 面更是无从谈起。 1 4 本文研究的目的和意义 随着国家建设循环经济政策的深入，越来越多的余热锅炉会被应用于水泥、 冶炼、制酸、石化等行业。余热锅炉的应用既解决了能源浪费问题，又可以为企 业节约生产成本，是目前废热回收领域应用最广泛、最有效的手段。天津某硫酸 制造企业将余热锅炉应用于焚硫炉烟气废热的回收，在回收废热的同时将烟气温 度降至催化氧化工艺所要求的温度，这就是说在实现工艺过程的同时实现了能源 的回收，回收的热能所产生的蒸汽推动汽轮机发电，所产生的电能可以供给整套 制酸装置用电的8 0 。 但是余热锅炉一般属于高压、中压压力容器，它在造福于企业的同时又给企 业的安全管理工作带来了挑战。余热锅炉b l e v e 爆炸事故机理是怎样的? 如何 客观评估余热锅炉爆炸事故造成影响的范围并指导新建余热锅炉项目的选址? 如何预防余热锅炉爆炸事故的发生? 如何事先对受余热锅炉爆炸事故影响较大 的设备、场所进行适当防护等问题都成为摆在安全生产管理人员，政府和科研人 员面前的重要问题。因此，建立一个针对余热锅炉的风险分析模式就显得尤为重 要和紧迫。 1 5 本文的研究内容 ( 1 ) 余热锅炉系统的危险性分析 总结余热锅炉系统的原理、结构和运行控制方式，对余热锅炉系统在特殊运 行环境下存在的危险性进行分析，确定余热锅炉系统爆炸事故的成灾机制。 ( 2 ) 余热锅炉b l e v e 爆炸研究 在总结b l e v e 爆炸成灾机制理论研究和后果计算模型研究的基础上，分析 余热锅炉发生b l e v e 爆炸的事故后果，选择合适的后果计算模型并对模型，并 对可以用于余热锅炉系统b l e v e 爆炸事故能量计算模型进行优化，使其可以更 加客观的预测和重现事故场景。 ( 3 ) 余热锅炉饱和蒸汽爆炸风险评价模式构建 分析建立余热锅炉系统饱和水蒸汽爆炸风险评价模式的要素，找出各要素之 间的关系，充实各要素所包含的内容，以各要素之间存在的逻辑关系使各要素之 间构成一个整体，形成固定的风险评估模式。 ( 4 ) 案例研究 将所建立的评估模式应用于某硫酸制造企业燃硫炉余热锅炉的风险分析和 选址合理性评估。 第一章绪论 1 6 本文拟解决的关键问题 ( 1 ) 由于余热锅炉系统不设燃烧器，其主要热源均来自各种工业过程产生 热烟气，这是余热锅炉区别于普通锅炉的最大特点。故研究影响余热锅炉安全运 行的主要因素成为本文研究的一个关键问题。 ( 2 ) 余热锅炉b l e v e 爆炸事故威力巨大，如何客观的评估爆炸事故后果 也成为本文研究的关键问题之一。 ( 3 ) 要建立适用于余热锅炉的j x l 险评价和选址安全性评估模式，对该模式 构成要素的研究和探讨也尤为重要。 第二章余热锅炉系统b l e v e 爆士1 ：事放成灾机制 第二章余热锅炉系统b l e v e 爆炸事故成灾机制 2 1 余热锅炉系统应用原理、组成结构及运行控制 2 1 1 余热锅炉系统原理 ( 1 ) 余热锅炉传热原理弘叫 传热过程是余热锅炉工作的主要过程之一，传热过程的正常与否，对锅炉的 安全经济运行有直接的影响。热量总是自发地、不断地由高温热源传向低温热源， 由高温物体传给低温物体，而不会自发反向传播。热量的传播方式有传导、对流、 敷设三种，三者传热的机理和规律各不相同。 传导是物体直接接触的各部分之间由高温部分向低温部分的热量传递。对流 放热是流体在流动中与和它直接接触的固体壁面问进行的热量传递。辐射换热是 物体的热能不断地以电磁波的形式向四面八方发射的热传递王见象。针对余热锅炉 而言，其热传导出现在余热回收系统所附属的发热设备的烟道内，烟气热量通过 受热面向工质传热的过程是一个复杂的换热过程，上述三种传热方式同时都在起 作用。烟道中的高温烟气与受热面接触时同时以两种传热形式进行传热过程即辐 射换热和对流放热，随着烟气温度的降低，辐射换热所占份额越来越小。热量通 过金属壁向介质传递，依靠导热及对流换热方式进行。 ( 2 ) 余热锅炉产汽原理 在余热锅炉正常运行中，锅炉内工质受热汽化的过程近似于一个定压加热过 程，即工质的压力基本不变( 实际上因存在流阻，工质在流动时有少量压降) ， 而温度、比容及状态不断变化的过程。这个过程可以分为三个阶段。 1 ) 水的预热阶段 由热力学可知，水的沸腾是在特定温度下进行的，这个温度称为水的饱和温 度。水的饱和温度随水面上的气压儿改变，水承受的压力越高，相应的饱和温度 也越高。锅炉给水温度一般低于所承受压力之下的饱和温度，这样的水叫未饱和 水。未饱和水在锅炉中逐步受热升温，直至升到饱和温度，水在这个阶段吸收的 热量叫预热热。水的初始温度距饱和温度越远，过冷度越大，则水达到饱和需要 吸收的预热热越多。 2 ) 饱和水的沸腾汽化阶段 水升温至相应压力下的饱和温度之后，即不再继续升温，此时的水如继续吸 热，则就会部分转变为蒸汽。这部分蒸汽的温度与水的温度千h 同，是饱和温度下 的蒸汽，叫饱和蒸汽。水吸热越多，转变为蒸汽的份额就越大。在水全部转变成 蒸汽之前，不管蒸汽的份额有多大，都是饱和蒸汽与饱和水共存的状态，此状态 之下的水汽叫湿饱和蒸汽。换言之，湿饱和蒸汽是饱和蒸汽与饱和水的混合物。 湿饱和蒸汽中蒸汽质最占汽水混合物总质量的比例，叫湿蒸汽的干度，以x 表示。 在饱和温度下，如果饱和水全部转变成了蒸汽，其干度x = l ，则被称作干饱和蒸 汽。l k g 饱和水全部转变为饱和蒸汽所需要吸收的热量叫气化潜热。汽化潜热随 压力的升高而减小为o 。因而低压下将l k g 饱和水全部汽化比高压下将l k g 饱和 水全部汽化需要加入更多热量。 3 ) 饱和蒸汽的过热阶段 很多工业锅炉和余热锅炉是向用户提供饱和蒸汽的，对这些锅炉而言，不存 在饱和蒸汽的过热阶段，但饱和蒸汽遇冷即凝结成水，应用受到限制。所以，很 多工业锅炉和余热锅炉都要生产过热蒸汽，即对饱和蒸汽继续加热，使其温度高 第二二章余热锅炉系统b l e v e 爆炸事故成灾机制 于相应压力下的饱和温度。高出饱和温度的部分交蒸汽的过热度。过热度因工程 需要而异，小则几十摄氏度，大则数百摄氏度。具有。定过热度的热蒸汽叫过热 蒸汽。 在水管锅炉中，上述工质受热的三个阶段，实在流过不同受热面时完成的。 即水在流经省煤器时被余热升温，之后送入上锅筒；水由上锅筒经水冷壁系统、 对流管束循环流动时受热汽化；饱和蒸汽流经过热器时继续受热成为过热蒸汽。 相应的可以把省煤器叫做预热受热面，把水冷壁和对流管束叫做蒸发受热面，把 过热器叫做过热受热面。 ( 3 ) 余热锅炉水循环原理 余热锅炉水循环指水和蒸汽混合物在锅炉蒸发受热面中的循环流动，分为自 然循环和强制循环两种。依靠水和汽水混合物的密度差维持的循环叫自然循环； 依靠回路中水泵的压头维持的循环叫强制循环。j 下常的水循环可以保证锅炉蒸发 受热面的可靠冷却，是锅炉安全运行的基本条件之一。 自然循环是最常见的余热锅炉水循环方式，在循环回路中进行。在锅筒和集 箱之间，连接有很多受热的管子和少数不受热的管子，组成封闭凹路。受热管通 常是水冷壁管，在研究水循环时称为上升管；不受热的管子叫下降管。上升管中 一部分水因受热汽化，则罐内汽水混合物的密度要比下降管中水的密度小。由于 上升管与下降管在锅筒与集箱l 、日j 连通，上端有共同的自由水面，从水面沿上升管 及下降至集箱有共同的高度，这样就在上升管与下降管中因密度差而产生了一个 压差。这个压差推动上升管中的汽水混合物向上运动，下降管中的水向下运动。 由于锅水在上升管中不断受热，下降管中水与上升管中汽水混合物的密度差一直 存在，所以运动也就持续不停，形成了循环。 2 1 2 余热锅炉系统组成结构 余热锅炉一般分为烟道式和管壳式两大类。 余热锅炉系统一般由蒸发器、汽包、过热器、节能器、前后烟箱、烟道组成。 如下图所示是一台卧式烟管废热锅炉的结构图1 3 0 1 。 i 一时捆：2 一甜精撼叠土一 3 - - m 蕾4 1 1 i4 一蝓水n 。5 一蒜 出 口i6 - - t ： 童it 一连接隆兰，8 一 安全一n ( 共2 十) 。9 一詹f t ，i o 一 詹膏糟，“一智j i 。l 扣譬式生崖。 13 一播抟i ：1 li 一膏i1 p 防矗琳髂 厦：1 6 一毒臂 图2 1 典型余热锅炉结构图 2 1 3 余热锅炉系统安全运行控制 影响余热锅炉安全运行的儿个重要问题包括腐蚀问题、积灰问题、磨损问题、 密封问题、膨胀问题。对于这几个问题应该在锅炉设计时可以通过优化设计参数 和优化锅炉结构的方式进行预防。 1 4 第二二章余热锅炉系统b l e v e 爆炸事故成灾机制 ( 1 ) 腐蚀问题l 川j 余热锅炉热源来自于各种工业过程的高温烟气，某些工艺过程的烟气中酸性 气体的含量较高，如果蒸汽参数选择不合理就会造成余热锅炉的低温腐蚀。所以 在进行余热锅炉产汽压力的确定时应保证选择的蒸汽压力对应的水蒸气温度高 于烟气的酸露点，从而从根本上避免低温腐蚀状况的发生。事实上，真正对锅炉 各受热面构成低温腐蚀的危险是在锅炉的停运时期，此时若不对锅炉设备进行保 温、保压，各受热面温度降至环境温度，而环境中的空气进入锅炉内部后，空气 中的水蒸汽与受热面表面积灰( 除灰装置再先进也不能全部清除所有积灰) 中的 硫生成硫酸，腐蚀受热面。 ( 2 ) 积灰问题 为了防止积灰，构成各烟道的膜式壁节距依据不同的烟温来调整，使整个余 热锅炉所有的膜式壁平均壁温都处在一个合理的范围内，这样即使各膜式壁沾上 灰渣也容易清除。另外可以在设计时考虑设置弹簧震打装置，利用弹簧锤打装置 来除去积灰，以确保锅炉受热面的传热效果。 ( 3 ) 磨损问题 由于余热锅炉受热面所处的烟气环境含尘量较高，而受热面的磨损速率大约 与烟气流速的三次方成正比，故降低烟速能大大延长锅炉的工作寿命，保证锅炉 的安全运行。 ( 4 ) 密封问题 为了确保余热锅炉的密封，可将水平烟道、对流室烟道均设计成全