（安全技术及工程专业论文）处理可燃气体设备安全设计与软件开发.pdf

谷祖虹：处理可燃气体设备安全设计与软件开发 s e c u r j t yd 船j g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ff j a m m a b l eg a sd e v j c 船 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee c o n o m i c a la i l de 塌c i c n la p p r o a c ht op r e v e md e n a g r a t i o no fn a m m a b l eg a s i nc l o s e dv e s s e l s ，w h i c hc o u l dd e s t r d yt h ev e s s e la i l dc a u s es e r j o u sl i f ea n d p r o p e r t yd a m a g e s ， i st oi n s t a l lm p t u r ed i s k s t h c r c f o f e ，t h ei n v e s t i g a t i o ni t ov e n t i n gp r o c e s so fd e f l a 伊a t i o n ， w h i c hi so fg r e a ti m p o r t a c ef o rf l 】- n h e rs t u d y0 nd e s i g nm e t h o d sf o rs a f e t yv e t i i l g ，c a nb e c a r r i e do u tt h r o u 曲e x p e r i m e n t a l s t i l d y a l l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n h m i t e db yf i e l d ， m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s 蛐do u t l a yp r o b l e m ，i ti si m p o s s i b l et og e tu n i v e r s a ll a w sf 幻m c x p c r i m e n ts t u d y h o w e v e r 谢t l l t h ed e v e l o p m e n to f m p u t e rt e c h n o l o g y ，n u m e r i c a l s i m u l a t i 0 h a sb e e np r 0 v e dt 0b em o f e 蛐dm o r ee f f e c t i v ea l l da c c i l f a t es 0t t l a ti tc o u l d s u p p o r tp m c t i c a le n 百n c e r i n gw e l l b a s e do nl ik e s h a i l s n - c o n s t r a i n tm o d c lo fg a s e o u sv e n t e dd e n a 擎a t i o n ，b yr e f i n i i l g l o c a t i o no fi g n i t i o n ，f l a m ea r e a ，b u m i i l gv e l o c i t ya n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o no fv e n t ，am a t h m o d e l0 fg a s e o u sv e n t e dd e n a 野a t i o nf o rn a m m a b l eg a s e sw a sa d v a l l c e d r u n g e - k u “a a l g o r i t h mi sa d o p t e di np m g r a mt on m e r i c a l l yc a l c u l a t et h ep m c e s so fv 锄t e dg 髂e o u s d e n a g 矾t i o n si nt h ec y l i n d f i c a lv e s s e l s t e s t e db ye x p e r i m e m a ld a t a 丘o ml i t e m t u r e s ，t h e c o m p u t e ds y s t e mb u i l ti n t l l i s p a p c ri sp i o v e d t ob e o fg o o d c o m m o n a l i t y ，a n dt t l e h l p u t a t i o n a lm i s t a k ei sa m u d2 0 u s e ri n t e r f a c ew a sd e s i g n e d 姐ds y s t e mo fn u m e r j c a ls i m u l a t i o nw a se s t a b l i s h e db y l a n g u a g co fm a t l a b i nt h i ss y s t e m ，o n c ed e s i g np a r a m e t e r sp r e s e n t e do ni n t e d l a c ea r e i n p u t t e d ，v a r i o u s l 【i n d so f 肌m e r i 嘲s i m u l a t i o n s0 fg a s e o u sv e n t e d d c n a g r a t i o n sw i t h d i f 托r e n ti n j t j a lc o n d i t i o n sc a nb ep e r f o m e d f u n h e 舯o r c ，v 盯i e t yo f p a r a m e t e rs u bm o d u l eo f n 锄m a b l eg a s e sw a sp r o v i d e dt 0h e l pu s e r sp e r f o ms e l f - d e f i n i t i o ns i m u l a t i o n 1 na d d i t i o n ， t h ei m p a c tf o r c ep r o d u c e dd u r i n gt h ep m c e s so fv e n t i i l gw a sa l s oc a l c u l a t e d r e s u i t so ft h ep r o c e c l u r ei n d i c a t e dt h a ti nt h ep r o c e s so fg a s e o u sv e n t e dd e n a g m t i o n ， c o m p a r c dt oc l o s e de n d 柚dv e n ti g n i t c d ，t l l em a x j m a lp f e s s u r eo fv e n t e dd e f l a 掣a t i o ni st h e h i g t l e s t ，a n dl e f ta n dr 主班tf | 枷ep l a l l eh a dd i f 诧r e n tn a m ep r o p a g a t i o nv e l o c i t y t h es o no f f l a m m a b l em e d j u m sh 8 d 掣e a ti n f l u e n c eo nc l o s e dd e f l a 挚a t i o n ，b u ta l m o s tn oi m p a c to n v e n t e dd e f l a g r a t i o n a tl a s t ，b ya n a l y z i n gv e n t e dd c f l a 掣a t i o nt i m eu s i gm ep r o c e d u t ea d v a n c e dh e r e ，af o m u l a f o rv e n t e dd e n a g r a t i o nt i m ei sp r e s e n t e d k e y w o r d s ： n a m m a b l eg a s e s ；v e n t e dd e n a g r a t i o n ；c y h n d c a iv e s s e i s ；i m p a c tf o r c e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：笙塑! ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垒垫生互 导师签名：查盘 ! 年月上生日 人连理一r 人学硕士学位论文 引言 近代，随着科学技术的飞速发展，工业生产突飞猛进，各种社会财富与| 二i 俱增，极 大地方便和丰富了人们的物质文化生活；但一些潜在的工业灾害事故也随之增加，破坏 威力也呈刁i 断加剧之势，人们也为此付出了极大的代价。科技减灾己经成为当日n 普遍关 注的课题，科技减灾包括减轻自然灾害和减轻技术灾害。技术灾害是指人类在生产活动 中导致的灾害，比如工业灾害。工业生产过程中向坏境泄漏、任意排放有害物质，火灾 和爆炸等，都可看作1 ：业灾害。随着国民经济的发展，工业项目不断更新，生产方式日 新月异，人们在生产活动中遇到的灾害不可避免地不断发生。 作为工、j p 爆炸灾害之1 的工矿业火灾大都起因于可燃气体的爆炸，工业爆炸不仅涉 及的范围“，而且产生的危害极大。据统计，全世界每年的工业爆炸灾害事故高达数百 起，且时常发生在工业界的众多行业如冶金、石油、煤炭、轻工、兵工、粮食、化工以 及制药等等。近些年我国的经济进入高速增长期，随着生产规模的扩大，以及一些新产 业和新技术的出现，使爆炸灾害的潜在可能性增加，事故的危害程度进一步增大。特别 是近时期，我国的化工厂和煤矿爆炸事件屡有报道，例如2 0 0 0 年抚顺石化公司空分车 阔内发生可燃气体爆炸，导致多人死亡和精馏塔报废的严重后果；2 0 0 2 年辽宁辽阳化纤 公司硫化床内发生化学爆燃，造成8 人死亡 2 0 0 2 年金陵石化烷基苯厂发生加热炉爆燃 事故，虽然没有造成人员伤亡，但其爆燃冲击波对附近的建筑物造成了严重的影响；2 0 0 4 年山西平窑煤矿瓦斯爆炸，死伤近百人，直接经济损失近千万；2 0 0 5 年阜新矿难，以死 2 1 4 人的规模，震惊全国。类似的例子举不胜举，若不及早治理势必影响和阻碍相关工 业的发展。据统计，在石油化工、塑料、橡胶合成及天然气等行业，可燃气体爆燃在事 故总数中所占的比例分别高达4 6 ，4 2 和6 0 ，而且单次事故造成的人员伤亡和财产损 失也大大高于其它事故。 对于工业可燃气体爆炸灾害的研究既具有重要的工业背景，也具有很高的理论价 值。由于爆炸过程是一个复杂的物理化学现象，研究它需要涉及诸如化学动力学、燃烧 学、爆炸力学、气体动力学、计算流体力学等学科，而且就其爆炸灾害的本质，还需要 考虑其相当敏感的众多影响因素，以及各种输运现象的相互作用与耦合，另外还涉及到 压缩波向激波的转变，爆燃向爆轰的转变等。这类问题在理论研究上都涉及到一些相关 学科的基本理论，因而其研究势必有助于相关学科的丌拓和发展。 目j j ，国内外对可燃气体爆炸的研究工作已有很多。国外，挪威的c m r 、荷兰的 t n 0 、丹麦的s h e l ig l o b a ls o l u t i o n s 等专业研究机构得以先后成立，九十年代它们联合 欧共体的一些其它研究机构，先后进行了m e r g e ( m o d e l i n ga i l de x p e f i m e n t a lr e s e a r c h i n t og a se x p l o s i o n s ) ，e m e r g e ( e x t e n d e dm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n t og a s e x p l o s i o n s ) 等项目的研究；国内，部分高校和科研单位也相继开展了此方面的研究工 谷 h 虹：处理可燃气体设备安牟 趺计i 软件) f 发 作，并取得了一定的进展，单位主要有：中国科学院、中国科技人学、中国矿业大学、 南京理工大学、北京理工大学、大连理工火学等。困内外在爆炸基础研究方面的发展趋 势是：重视爆炸动力学演化机理和规律的研究，建立准确描述爆炸过程的理论数学模型， 利用大型流体动力学软件或自行研制开发的软件模拟爆炸过程，揭示爆炸过程的基本规 律，并将其研究成果应用于事故后果分析和工业装置防爆抑爆的安全设计。 本文从工程应用的实际性角度考虑，研究了柱形容器内可燃混合气的爆燃泄放过 程，计算了压力，泄放面积，火焰传播速度等各参数值，并对于由于泄放气体的流动对 设备尤其是支座产生的冲击力进行了计算。同时编制了界面方便，便于使用的计算软件。 人连理i ：人学硕七学位论文 1 文献综述 1 1 可燃气体燃烧爆炸 1 1 1 燃烧爆炸的基本理论 根据爆炸源本身的特点，可将爆炸源分为两类：理想爆源和非理想爆源“。 理想爆源是点爆炸源，主要有三个特点：爆炸能量密度较大，爆源体积较小，在 爆炸分析中可以作为点源处理；爆炸过程中能量释放速度较快，在爆炸瞬间能够达到 较高的爆炸压力，通常可达到几十兆帕，如凝聚相爆炸可在数微秒内发展成爆轰；爆 炸波是以空气冲击波的形式传播的，通常用特征长度三。来表示爆炸源的特征。 铲( ( 1 1 ) 式中：e 。足爆源的总能量，n 是大气压力。对凝聚相炸药爆炸，爆源半径r 。与爆源特 征长度上。之比一般为o o l 量级。凝聚相炸药在起爆后数微秒内就发展成爆炸的最高形 式一爆轰。凝聚相炸药的爆炸参数已能精确计算和实验测量。 不具备理想爆源特点的爆源即为非理想爆源。如工业中可燃气体就属于非理想爆 源，爆源半径月。与爆炸源特征长度三。之比约为0 1 0 5 数量级，其爆炸释放能量远低 于凝聚相炸药，爆炸传播过程很复杂，受爆源性质、环境条件、点火源等多种因素的影 响。和理想爆源相比，非理想爆源有三个特点：爆源体积较大，不能作为点源处理： 能量释放速率比理想爆源低得多，火部分情况下属于爆燃，较少情况下发展为爆轰； 爆炸压力卜升速率相对较慢，与爆源体积的三次方根成反比。爆炸压力较低，如密闭 情况下气体爆炸的最终压力一般为o 7 1 o m p a 。 可燃气体的燃烧爆炸可分为四种模式：定压燃烧、定容爆炸、爆燃和爆轰。 定压燃烧是无约束的敞开型燃烧。由于燃烧产物能及时向后排放，因此压力始终保 持与初始环境压力相平衡，因此系统的压力是恒定的。定压燃烧的一个特征参量为定压 燃烧速度，或叫基本燃烧速度。它取决于燃料的输运速率和反应速率。对大多数烃类燃 料与空气的混合物，在化学计量浓度下，其典型的基本燃烧速度为o 5 i i l s 量级。而与 氧的混合物，其基本燃烧速度值比与空气混合物要高约一个数量级。 定容爆炸是燃料混合物在给定体积的刚性容器中均匀地同时点火时所发生的燃烧 过程。此为理想的模型，实际情况是不大可能均匀同时点火的，常见的是局部点火，扩 展到整体。由于爆炸过程进行的很快，密闭容器中局部点火所形成的参数与定容爆炸参 数相差无几，可用定容爆炸模型来处理。在定容爆炸过程中，容器体积保持不变，密度 也不变，而压力随燃烧释放的化学能的增加而增加。对大多数烃类燃料和空气的混合物， 谷甜t 虹：处理口，燃气体i 5 箭业余设计1 j 软件开发 在化学计量浓度下，定容爆炸的压力大约为初始压力的7 8 倍。关于叮燃气体定容爆 炸强度方面的研究工作已做了很多，提出了等温模型、绝热模型、一般模型等，其爆炸 压力的计算精度己达到1 0 左右。 爆燃和爆轰是两种不同的燃烧模式，爆燃相对于波| j 未反应物来说是亚音速传播 的，其典型的传播速度为每秒几米量级；而爆轰相对于波i ； 未反应物来说是超音速传播 的，其典型速度为每秒几千米量级。 爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成的，是一种不稳定状态的燃烧波。它可 以因约束的减弱，排气及时而使压力波减弱，直至压力波消失而沦为定压燃烧。相反如 果爆燃的后边界约束增强，压力波强度增强，火焰加速，直至火焰阵面追赶上前驱压力 波阵面，火焰阵面和压力阵面合二为一，成为一个带化学反应区的冲击波，就是爆轰波。 爆燃波是一个膨胀波，跨过波面，压力和密度都是下降的；而爆轰波与之相反，跨过波 阵面压力和密度是增加的。 爆轰是气体或粉尘燃烧爆炸的最高形式。对大多数碳氢化物和空气化学计量浓度混 合物，爆轰速度大多在1 8 0 0 i t l s 量级，典型的爆轰压力为1 5 m p a 量级，而纯氧中爆轰 压力可提高一倍左右。对于确定的初始条件，稳定爆轰速度有唯一值。对于凝聚相爆炸 产生的爆轰波及爆炸场已进行了大量的试验研究、理论研究和数值模拟研究。经典的爆 轰理论有c j 理论、z n d 模型、b d z i l 稳态二维爆轰模型。c j 理论假设爆轰过程的化学 反应是在一个无限薄的间断面上完成的，因此在数学模型中就可不考虑化学反应的详细 过程，从而建立了最早的基于流体力学和热力学的c j 条件。c j 理论用于理想爆轰的计 算误差只有1 2 。为了揭示爆轰波的结构，z n d 模型提出了前导冲击波的概念，成 为c j 理论的重要发展。b d z i l 考虑了边界效应，并成功的应用于二维空间，形成了稳态 二维爆轰理论。在工程中，相似理论及霍盒森定律已得到很好的应用。t n t 炸药的爆炸 威力已预测得相当精确。可见，理想爆轰问题至少是在工程应用中己基本得到解决，当 然非理想爆轰问题还处于大力研究阶段。 1 1 2 气体爆炸必要条件 气体爆炸必须有三个基本条件： ( 1 ) 助燃性气体： ( 2 ) 有合适浓度的可燃性气体； ( 3 ) 要有点火源，且达到能够引燃气体的最小能量。 1 1 3 气体爆炸特征 气体爆炸过程具有以下三个主要特征： ( 1 ) 放热性。气体爆炸过程中由于燃烧会产生大量的热量，这些热量大部分用来加 热末燃气体，使未燃气体温度升高而被点燃。放热性是气体爆炸过程存在的必要条件， 人连理r 人学硕士学位论文 也是最显著的特征之一。 ( 2 ) 反应的快速性。气体爆炸与燃烧过程的区别就在于爆炸过程具有较高的燃烧速 度。物质燃烧时燃烧速度比较慢，燃烧所产生的热量可通过热传导或辐射的形式散失掉， 而爆炸则几乎是在瞬问完成，所产生的热量在爆炸过程中基本上与外界没有交换，表现 出极高的化学反应速度。 ( 3 ) 气体产物的形成。气体爆炸瞬间通常会产生强烈压缩状念的气体产物，这些气 体产物在膨胀过程中将化学能转化为机械能或气体运动的动能，气态物质的存在是气体 爆炸效应产生的先决条件。 1 1 4 气体爆炸过程中燃烧与流动的正反馈关系 气体爆炸过程是一个化学反应流动过程。几乎所有的气体爆炸过程中气体流动状态 是湍流流动，圈内外众多研究学者均将气体爆炸作为湍流燃烧过程处理。由于气体湍流 流动增加了燃烧波面与未燃气体的接触面积，从而增加了气体化学反应速度。另一方面， 较快的化学反应速度反过来又影响气体流动过程。因此，在气体爆炸过程中，气体反应 过程和流动过程是密切相关的，燃烧和气体流动是相互耦合、相互正反馈的关系”1 ，图 1 1 表示了这种i f 反馈关系。 图1 1 气体爆炸过程中燃烧与流动的止反馈关系 f i g 1 1i n t e r r e l a t i o n o f c o m b u s t i o na n d n o w i n g a se x p l o s i o np r o c e s s 在理论研究方面，特别是数值模拟研究方面，只有建立能够全面描述气体爆炸过程 中燃烧与流动的1 卜反馈关系的理论模型，才能实现对气体爆炸过程的理论求解。 1 1 5 气体爆炸机理 ( 1 ) 链式反应理论 链式反应理论是出前苏联科学家谢苗洛夫提出来的。根据链式反应机理，爆炸性混 合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心，活性分子自由基与 另一分子作 j ，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反应，形成一系列的连锁反应， 从宏观上看，爆炸性混合物在点上着火后，热量及活性中心都向外传播，促进相邻一 层混合物发牛化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层 混合物的反应，如此循环往复，直到全部反应物均反应完为止。1 。 链式反应又分为直链反应和支链反应两种“1 。氯和氢的反应是典型的直链反应。直 眷祖虹：处埋可燃气体议备虫牟= 设计o 软件开发 链反应的基本特点有：每一个活性分子( 自由基) 与作用分子反应后，仅生成一个新的 活性粒子，自由基与价饱和的分子反应时自山基不消失：自由基或原了与价饱和的分 子反应时活化能很低。 甲烷在空气中的反应是典型的支链反应。支链反应的特点在于：在反应中一个自由 基能生成一个以上的自由基。不论是何种链式反应都由三个阶段构成：即链的引发，链 的传递( 包括链的支化) 和链的终止。 ( 2 ) 热爆炸理论 热爆炸是指爆炸性物质受热而发生化学反应，并自动加速直到爆炸的一种现象。爆 炸性物质在发生放热的化学反应时，系统的温度随之提高，同时由于各种传热形式的存 在系统要相应地损失一部分热量。热量产生的速率和温度的关系是非线性的指数关系， 而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或线性的关系，一旦系统产生的热量不 能够全部传递出去或损失掉，系统就会出现热积累使温度继续升高。这种热失衡现象的 结果是使反应速度加快，释放更多的热量，热量积累和热量损失的失衡更加恶化，系统 温度进一步提高，如此循环，好像系统在自我加热。如果自热过程未被控制，一旦系统 温度升高到满足点火条件时，系统就会出现起燃或起爆，从而导致燃烧或爆炸的发生。 事实上，不是所有的爆炸现缬可以仅用一种理论加以解释，爆炸现象是一种非常复杂的 现象，其产生机理和影响因素非常复杂。至于在何种情况下发生热反应，何种情况下发 生链式反应，要根据具体情况而定。甚至同一种爆炸性混合物有时在不同条件下，发生 爆炸的机理有时也会有所不同。1 。 1 1 6 气体爆炸的基本参数 ( i ) 燃烧速度和火焰速度 燃烧速度s 。是指火焰在未燃混合气体中的传播速度，它与反应物质有关，是反应物 质的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫基本燃烧速度。大量实验证明，燃料与氧 气混合物的基本燃烧速度比燃料与空气混合物的基本燃烧速度高一个数量级，如甲烷一 氧气混合物的基本燃烧速度为4 5 州s ，而甲烷一空气混合物的基本燃烧速度则只为 o 4 0 m s 。 火焰速度s 。是指火焰相对子静止坐标系的速度，取决于火焰阵面日口气流的扰动情 况，可用高速摄影法、电离探针法和光导纤维探头法以及热电偶探测法直接测出。火焰 速度在每秒数米到数百米之间变动，当火焰加速为爆轰时，则可达到1 8 0 0 2 0 0 0 耐s ”。 设未燃气体的流动速度为”。，则： s 。= s + ( 】2 ) ( 2 ) 定容爆炸压力 理论上定容爆炸压力是指在刚性容器内瞬时整体点火，且系统绝热的情况下所能迟 人连理，l ：人学硕士学位论文 到的最高爆炸压力。实际上，瞬时整体点火是不可能的，一般在球形容器中心点火时测 得的峰值压力接近于定容爆炸压力。 对球形密闭容器，理论定容爆炸压力波形如图1 3 中的虚线d 所示，它对应与瞬时 整体点火，且系统绝热的情况。实际上，这种理想化的波形是不存在的，这是由于既不 可能瞬时整体点火，也不可能是理想的绝热系统。对于中心点火的过程，压力随着燃烧 过程的发展丽增大，若没有热损失，则压力极限值能维持( 如图中曲线6 所示) 。由于 实际情况巾都有热交换，所以压力未达到理论极限值就衰减( 如图中曲线c 所示) 。曲线 c 是实际可测到的密闭容器的压力波形，从此压力波形可看出，爆炸过程分三个阶段： 爆炸压力上升阶段、爆炸压力高值区及爆炸压力衰减区。 尸 图1 2 压力波形 f 1 9 1 2p r e s s u f ew a v e 图1 3 爆炸压力上升速率的定义 f 唔1 3d 瓿n i t i o n o f 嗽i o o f e x p l o s i o n p r e s s u r er i s e ( 3 ) 爆炸压力上升速率 爆炸压力上升速率定义为压力一时间曲线上升段拐点处的切线斜率，即压力差除以 时削差的商( 见图1 3 ) 。爆炸压力上升速率是衡量爆炸强度的标准。 ( d ) 火焰温度 表1 1 儿种混合气的火焰温度 t a b 1 1 f l a m e t e m p e r a t u r e o f s o m e m i x e d g a s e s 燃料名称燃料浓度( ) 火焰温度( 足) 乙烯 乙炔 丙烷 j 二烯 6 5 7 7 4 0 3 5 2 3 8 0 2 6 0 0 2 2 5 0 2 3 8 0 绝热火焰温度利用现有化学热力学和化学平衡的知识和数据，可以计算得到。不同 归匠 ： 一 乌| 址 二 溪一 。一 一 谷祖虹：处理可燃气体设桥安余设计o j 软件开发 燃料有不同的火焰温度r ，常见的可燃气体混合物最高火焰温度在2 5 0 0 k 龙右，表1 1 列出了几种可燃混合气的实测火焰温度值。 ( 5 ) 点火能量 点火能量对气体爆炸形式有重要影响。在工业安全技术中，气体爆炸的最小点火能 量m m 是模拟气体点火敏感度的一个参量。 可燃气体的最小点火能量很低，通常在毫焦数量级，因此极易被点燃。比如常见烃 类气体与空气混合物的最小点火能量约为0 2 5 m j 量缴，而常见粉尘云的最小点火能量 在5 0 m j 量级，即可燃气体的最小点火能量比粉尘的要小2 3 个量级，十日对来说前者的 点火敏感度要高得多，相应的危险性也大得多，这是气体爆炸的一个重要特点。当点火 能量不太大时，即只要保持不产生爆轰的情况下，点火能量对气体爆炸压力的影响较小。 1 1 7 影响气体爆炸的因素 容器内可燃气体爆炸事故中最常见的形式是爆燃，即火焰阵面相对于未燃气体以亚 音速传播，通常情况下不会演变成爆轰。影响可燃气体的爆炸压力和火焰速度的主要因 素有很多，如可燃气体的性质，可燃气体的浓度，初始状态，点火能量、点火位置，容 器特性，周围环境的影响，泄放条件等等。 ( 1 ) 可燃气体的性质 可燃气体爆炸的可能性以及爆炸后产生的后果在很大程度上取决于气体的性质。由 a r r h e n i u s 定律可知，活化能是衡量物质反应能力的主要参数。活化能越小，反应的阻力 越小，反应物分子越容易达到活化状念，因此反应速度就越快，即气体活性越强，爆炸 时产生的爆炸超压和火焰速度越大，产生爆轰的可能性也越大。目前的研究成果还没有 按爆炸危害对可燃气体进行标准分类，m e r c x ”1 等选取了几种气体作参照物，把可燃气 体根据其反应活性对爆炸威力的影响定性地分为低、中、高三类，见表1 2 。 表1 2 可燃气体反麻活性的参j ! c c 分类1 8 t a b 1 2t h es o r to f a c t i v i t i e sf o rn a m m a b l eg a s e s 【8 反应活性可燃气体 低 中乙烷 高 氮，甲烷，氯乙烯 丙烷，乙烯， 烷，高烷烃 氢，乙炔，苯 ( 2 ) 可燃气体的浓度 燃料与空气的混合物并非在任何混合比例下都能发生爆炸，而只是在可燃气体的浓 度适合时，即在爆炸上、下极限之间才能发生爆炸，爆炸极限范围越宽，气体爆炸危险 性越大；另外，混合比例不同，燃烧速度也不同，当可燃气体的浓度越接近爆炸上、 大连理一| = 人学硕士学位论文 下极限，燃烧速度越低，爆炸压力越小。在密闭容器中，当燃料以上、下极限的比例与 空气混合发生爆炸时，其爆炸压力是初始压力的4 5 倍；当燃料与空气以化学配比混 合爆炸时，爆炸压力一般为初始压力的7 9 倍“。 燃料与窄气混合物的燃烧速度和反应热均随浓度而变化。将1 1 1 5 倍的化学计 量浓度定义为最佳浓度，此时爆炸则燃烧速度及爆炸反应热均达到极值。从安全角度考 虑，最佳浓度为最危险浓度，在此浓度下，爆炸威力最大，破坏效应最严重。 ( 3 ) 初始状态 目d u 对可燃气体爆燃泄放中的某些机理问题尚不清楚，因此尚不能从理论上推导出 初始压力对爆燃泄放超压的影响，只能根据大量的计算数据和实验数据来分析。 c o u s i n s “用= 1 i 同大小形状的容器，分别以丙烷一空气和氢气一空气为介质，在两个不同 的初始压力卜 做了多次实验，得到一些数据曲线，但他们并没有去探讨初始压力对泄放 压力的影响。h o w a r d 等人总结了c o u s i n s 的实验数据后指出，在相同的泄放面积和相同 的泄放三力比下，最大爆炸压力与初始压力之间存在如下关系： 每= c 爷 。， 他指h 刈于丙烷一空气介质来说，z 的值大，对于氢气一空气介质来说，x 的值小。 并因此得出初始压力对爆燃泄放压力的影响随爆燃介质燃烧速度的增大而减少“。 ( 4 ) 点火能量、点火位置 点火能量是可燃气体发生爆炸的要素之一，一般将点火能量分为强点火和弱点火。 强点火，如用雷管、炸药等点燃可燃气体，则会直接发生爆轰，也就是燃料一空气炸弹 的爆炸情况，这超出了- t 业上可燃气体爆炸的研究范围。工业上可燃气体爆炸的点火源 大多是静电、火花塞等，点火能量一般不超过1 0 m j ，均属于弱点火范围，在这样的条 件下，点火能量对气体爆炸威力的影响很小。研究者“”曾对2 8 d m 3 容器内的9 5 的甲烷 一空气混合物进行了爆炸实验，分别用电火花、l o o m g 火棉、2 5 0 m g 火棉和4 0 0 m g 发 光粉点火，结果表明，| j i 三种点火方式对爆炸强度没有显著影响，只是缩短了起爆时问， 只有很强的第4 种点火方式才使爆炸强度明显升高。因此，对于工业上可燃气体爆炸在 分析中普遍采用较低的点火能量作为实际条件处理。 点火位置不同可以引起爆炸压力数量级的变化。一般情况下，可燃气体在容器壁面 处被点燃，爆炸压力比中心点火时要小。 ( 5 ) 容器几何尺寸 由于可燃气爆燃过程进行的很快，热损失较小，一般认为容器几何尺寸对最大爆燃 压力无影响，但对最大升压速率有影响。对于球形容器，容器体积与最大升压速率满足 立方根定律： 符祖虹：处理口r 燃气体设稀安伞设计i 软件开发 ( 导) 。3 _ 常数= 墨j ( 1 4 ) u l 即最大压力上升速率与容器容积的立方根的乘积等于常数。如果符合下列条件：可 燃气体的最佳混合浓度相同：可燃气与空气混合物的湍流度相同：点燃源相同；容器的 形状相同。那么k 。可以视为一个特定的物理常数，并通常称此值为混合气体的爆炸特 征值，且工业上通常也以此值来衡量爆炸危险程度的一个重要参数。表1 3 表明几种典 型的可燃气体与空气混合物在使用火花隙点燃时( e 。1 0 j ) 的k 。值。 表1 3 一些混台气的爆炸特征值世。 t a b 1 3e x p l o s i o ne i g e n v a l u e 燃料名称 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 甲苯 乙苯 氢气 k go f s o m em i x e dg a s e s 足“( 1 0 6 p a m s ) 5 5 1 0 6 7 5 9 2 5 6 9 4 5 5 0 ( 6 ) 周围环境的影响 实践证明，可燃气体若在有障碍物或外部有约束的区域发生爆炸，则爆炸时产生的 爆炸压力和火焰速度要增大许多，它潜在的危害就要大得多。因此，在预测可燃气体爆 炸危害的时候，一定要考虑可燃气体受约束的程度。 ( 7 ) 泄放条件的影响 当对容器内可燃气体的爆炸进行泄放时，泄放条件即泄放面积和泄放压力也会对爆 炸压力和火焰速度产生影响。当泄放口直径小时，排放的能力低，在泄放口丌启时火焰 尚未充分扩展，故泄放中火焰峰面产生较大的扭曲变形，泄放气流扰动强烈促使燃烧速 度增加导致升压速率上升，容器内压力升高。当泄放口直径小、泄放压力提高时，出现 最大爆炸超压与泄放压力成直线关系。但无论如何，在泄放压力相同的条件下，泄放口 直径小时的最大爆炸超压值总比泄放口直径大的时候高，也可以说泄放面积大，超压值 降低幅度大”“。总结来说，在泄放压力相同时，爆燃泄放超压随泄放口直径的增大而降 低。泄放面积接近或达到平衡泄放条件所需的面积时，超压与泄放压力成线性关系：在 较小泄放口直径时，当泄放压力值又偏低的情况下，超压与泄放压力关系变得复杂且不 稳定。 人连理，l ：人学硕士学位论文 1 2 可燃气体爆燃泄放 所谓爆炸泄放，是指在密闭容器内一旦发生气体或粉尘爆炸，容器规定部位就会自 动敞丌，为容器内的介质形成个泄放通道“。这一功能通常是由设晟在容器上的泄放 装置( 如爆破片、爆炸泄放阀等) 来完成。 1 2 1 可燃气体爆燃泄放设计准则 根= | j 安全泄放装置的泄放能力不同，可以将泄放分为平衡泄放和非平衡泄放。若泄 放装置的排放能力j 下好等于由于爆炸产生的所需泄放量，则在泄放装置动作后，设备内 的压力就不会再继续升高，这种情况称为平衡泄放。 爆炸过程中，燃烧爆炸使容器内的压力增加：爆炸泄放时，由于气体经安全泄放装 置放出，压力势必下降。如果泄放装最提供的泄放口径足够大的话，泄放出去的气体量 可以抵消爆炸压力的上升，其条件为混合气体爆燃超压过程中的压力上升速度( 竿) 。 完全能被泄放口排出气体产生的压力下降速度( 等) 下降所平衡，即： 哆一。册 ( 1 _ s ) 同时，在爆燃超压泄放过程中，容器内的最大压力尸。可接近泄放装置的动作压力 n ，即： 尸。= n( 1 6 ) 如粜泄放装置动作后的泄放能力小于容器所需的泄放量，尽管泄放已经开始，但容 器内的压力还会继续上升至一定的泄放压力p 。，这个压力值超过安全装簧的动作压力 n 。于是，在设计压力容器时，就不得不提高设计压力，以保证设备安全，亦即容器 的设计压力必须高于泄放过程中产生的最高压力p 。这种情况称为非平衡泄放。 1 2 2 可燃气体爆燃泄放设计方法 山于可燃气体爆燃泄放过程复杂，影响因素较多，有关泄放的研究尚未形成公认的 结论。通常情况下用于可燃气体泄放面积计算的方法主要有两种：一是线解法；二是公 式计算法。 ( 1 ) 线解法 目前可以用于线解法的数据基本上都是经验值且大多是在初始状态为常温常压的 条件下得到的。这些数据通常是通过在小容器内进行一系列的爆燃泄放实验，获得不同 泄放压力下爆燃泄放最大压力与泄放面积的关系曲线，然后再将这种关系转换成爆燃泄 放最大压力j r ) 。与某种相似准数之间的关系，以方便于对相同条件下较大容器的泄放设 符 h 虹：处理町燃气体设备安伞设汁0 软什开发 计。使用相似准数设计即承认了爆燃过程的几何相似。 迄今为止各国研究者提出的相似准数典型的分为四种： c o u s i n s 和c o t t o n 在实验的基础上提出了以泄放比卢为泄放面积相似准数的设计方 法，卢是泄放面积与容器容积的比值，即：芦= 罟。这种方法适用于非平衡泄放。但是， y 用此方法所确定的泄放面积被许多研究者证明与实际所需面积相差较大，当容积相差较 大时更为严重。此法比较适合于容器容积不火、计算精度不高的条件。 h a m s 和b r i s c o e 提出了根据因子t 来计算泄放面积的设计方法。七是容器横截面积 与泄放面积的比值，即：= 兰。此方法没有考虑可燃气体的物性参数及泄放压力，只 m 适用于戊烷一空气混合物以及爆燃泄放过程压力一时问曲线与其接近的可燃物的泄放 设计：泄放装置动作压力必须与该实验值一致。 b r a d l e y 和m i b c h e s o n 提出口参数作为设计准数。口是无量纲面积与无量纲燃烧速率 的比值，即：口= ；。该方法可以保证气体为平衡泄放，是一种比较通用、比较方便的 方法。 b a i l l m e c h t 提出了用! 牛准数来计算泄放面积的方法。该方法体现了非平衡设计思 矿1 想，其缺点是每个设计图只适用于一种气体，缺乏必要的通用性，并月没有考虑初压问 题。 使用线解法进行设计必须是在与实验条件相近的情况下，当设计条件与实验条件相 差较大时并不适用。 ( 2 ) 公式计算法 在工程实践上通常采用一些比较简单的方程来对超压进行计算。目前，可燃气体爆 燃泄放计算存在多种不同的计算方法，各种方法的适用范围及计算精度均有较大差别。 使用时需参考使用范围。 1 3 研究现状与发展 对于爆炸的研究工作目前可分为两方面，一方面主要研究凝聚相炸药和燃料一空气 炸药( 简称f a e ) 的爆炸威力，用于军事领域开发先进武器”“；另一方面主要研究可燃气 体的爆炸威力，用于工业防爆，提出防爆措施。关于工业可燃性气体爆炸威力及其防治 方面的研究，国内外的研究者的研究方向又各有不同。对于可燃介质的研究可以分为可 燃气体，可燃气云以及粉尘；对于爆燃种类的研究可分为单纯爆燃过程和爆燃转爆轰过 程；对于过程的研究有密闭容器爆燃，无约束爆燃泄放研究和有约束爆燃泄放研究，密 闭爆燃为爆燃泄放研究作基础，通过爆燃泄放过程的理论分析与实验研究，确定工业生 人连理i ：人学硕士学位论文 产中设备的适宜的爆炸泄放方法和泄放面积；对于爆燃泄放过程流场的研究有容器内流 场参数研究和容器外流场参数的研究，以及爆燃泄放时有可能产生的外流场二次爆炸现 象的研究；刈于气体爆炸所受空间限制的分类，可分为单个容器和连同容器的研究“； 对于单个容器又u 分为一足对于不同形状容器如球形容器，柱形容器，立方形容器和管 状容器的研究，二是对容器内部有障碍物和无障碍物的研究。本论文是对柱形容器可燃 气爆燃泄放过程进行研究。 1 3 1 实验研究 实验研究的目的，一是为理论研究提供基础数据或验证理论结果的正确性，二是希 望通过真实的气体爆炸实验得出具有工程意义的结论。目前已进行气体爆炸实验的介质 种类达数十种，包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔等，也包括一些混合气，如甲烷与 丙烷的混合气、液化石油气( l p g ，8 8 丙烷，1 0 丙烯，2 丁烷) 等，基本上涉及了工业生 产和生活中气体爆炸事故的各种危险气体。已进行的可燃气体爆炸的实验结果表明可燃 气体的种类、浓度对爆炸威力都有影响。研究发现可燃气体的反应活性不同，产生的爆 炸威力有很大差别。 ( 1 ) 密闭空间爆炸实验研究 2 0 l 和1 m 3 爆炸球是国际上通用的密闭装置内气体或粉尘爆炸压力测试装置。国外 关于容器或管道气体爆炸的研究起步较早，已取得了大量的研究成果。 b a n k n e c h t ”73 对封闭容器内的可燃气体爆燃进行了大量的实验研究，探讨了容器体 积对可燃气体爆燃强度的影响，提出了立方根定律，该定律己被国际标准i s 0 6 1 8 4 “e x p l o s i o np r o t c c t i o ns y s t 锄”所采用。 s m i m o v “”等对不同尺寸的圆筒形容器内的可燃气体爆炸进行了实验研究，得到了 如下结论：容器内爆炸压力与容器体积无关，其最终爆炸压力为初始压力的7 1 0 倍； 对于同体积的容器，燃料活性越高，最大压力上升速率越大。 图l _ 4 高速摄影观察到的火焰形状 f g 1 4f l a m ef i g u r eo b s e r v e d b yh i g l ls p e e dp h o t o g r a p h y 谷 r 虹：处理可燃气体l 啦备尘伞设计j 软件开发 k h o h ”“等人通过高速摄影法对方管内容器爆炸时的火焰形状进行了观测，如图 1 5 所示。其结果表明，当在容器内充满均匀的燃料一空气混合物的一端点火后，点燃 后将形成一层近似的球面火焰，然后能量不断输送给邻近的未混合气层，使其温度升高 并着火，形成新的火焰。 由于在工业生产中可燃气体爆燃很多是发生在有障碍物的设备内，如塔、反应器等， 因此，近些年来，国内外对障碍物在气体爆炸过程的影响进行了较多的研究。如r i t s u 3 对管道内可燃气体爆燃强度进行了研究定性描述了障碍物形状对爆燃压力的影响。 i b n a h i m ”“介绍了套新的实验装置，综合研究了障碍物尺寸、阻塞率和泄放压力对预泥 火焰爆燃过程超压的影响。实验设置的是单层的障碍物，阻塞率从1 0 到7 5 。实验发 现，障碍物的阻塞比不同，火焰的形状和传播速度也不同。最大超压通常随阻塞率的升 高而升高。中国矿业大学林柏泉等1 利用瓦斯爆炸实验管道研究了障碍物对火焰、爆炸 波传播的影响。他们设计了长2 4 m ，截面8 0 m m 8 0 m m 的方管组成的实验装置。在管内 不同位置处分别放置平板障碍物或塑料膜片，研究这些障碍物或约束物对气体爆炸的影 r 响。他得出的结论为，火焰传播到长径比妄= 5 0 处时的火焰速度：没有障碍物，为3 6 r i 】s ： u 2 块障碍物时，达到9 8 1 l l s ；4 块障碍物时，达到1 2 0 耐s ；6 块障