粉塵泄爆計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究

李英團(tuán)

上海利柏特工程技術(shù)有限公司 （上海 201100）

爆炸性粉塵廣泛存在于煤炭、化工、醫(yī)藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等生產(chǎn)過(guò)程，所涵蓋的物料也十分廣泛，如金屬（如鎂粉、鋁粉），煤炭，糧食（如小麥、淀粉），飼料（如血粉、魚(yú)粉），農(nóng)副產(chǎn)品（如棉花、煙草），林產(chǎn)品（如紙粉、木粉），合成材料（如塑料、染料）等。這些粉塵經(jīng)常分散于空氣或氧氣環(huán)境中形成“粉塵云”，在一定的濃度范圍內(nèi)，遇到點(diǎn)火源（如明火、靜電、高溫）便會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，瞬間釋放大量的熱，同時(shí)在整個(gè)“粉塵云”空間內(nèi)迅速傳播，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生具有很大破壞力的高溫高壓現(xiàn)象，即粉塵爆炸。

粉塵爆炸往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷亡事故，因此在生產(chǎn)過(guò)程中首先采取防止粉塵爆炸的措施（如氮封、避免揚(yáng)塵、抑爆、消除靜電、避免高溫等）。然而有時(shí)受限于生產(chǎn)工藝，無(wú)法避免爆炸性粉塵環(huán)境的形成，又或者付出的代價(jià)過(guò)高，這種情況下，對(duì)一些經(jīng)常有爆炸性粉塵環(huán)境產(chǎn)生的密閉空間，可以安裝一定面積的泄爆片。泄爆片在爆炸初期（即爆炸產(chǎn)生的壓力不高時(shí)）便會(huì)被開(kāi)啟，爆炸沖擊波可以通過(guò)泄爆口排放至安全區(qū)，避免了密閉空間內(nèi)部高溫高壓的積聚，起到保護(hù)設(shè)備和人員的目的。

1 粉塵泄爆原理及其計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

在粉塵爆炸過(guò)程中：一方面，粉塵爆炸產(chǎn)生大量高溫氣體，使容器內(nèi)壓力迅速升高；另一方面，泄爆片動(dòng)作后，氣體通過(guò)泄爆口外排，使壓力迅速下降。在一定條件下，如果泄爆片的泄放能力使得降壓速率大于或等于升壓速率，或者雖然降壓速率仍小于升壓速率，但絕對(duì)升壓速率大大降低，使得整個(gè)爆炸過(guò)程的壓力峰值不超過(guò)容器允許的工作壓力，從而保證容器不被破壞。升壓速率取決于可燃爆粉塵的性質(zhì)和初始狀態(tài)，降壓速率取決于泄放口的泄放能力，主要與泄爆面積有關(guān)，因此泄爆面積的計(jì)算是選取泄爆片的依據(jù)和關(guān)鍵。

目前，工程設(shè)計(jì)中常用的粉塵泄爆計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 15605—2008《粉塵爆炸泄壓指南》（以下簡(jiǎn)稱GB/T 15605）和NFPA 68-2018《爆燃通風(fēng)防爆標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱NFPA 68）。值得注意的是，這2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都僅適用于爆燃過(guò)程的泄爆計(jì)算，都采用了經(jīng)驗(yàn)公式法。根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，經(jīng)驗(yàn)公式的表達(dá)式各有不同，但所需要的計(jì)算參數(shù)類型基本一致，僅是參數(shù)的適用范圍略有不同，具體見(jiàn)表1。

從表1 可以看出，無(wú)論采用哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，泄爆計(jì)算都需要有基本的物性參數(shù)、容器參數(shù)和操作參數(shù)。另外，在容器泄爆面積計(jì)算中所采用的有效長(zhǎng)徑比，不僅2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算原則不同，且同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在不同工況下的計(jì)算也有差別，很容易混淆，下文將進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 基本計(jì)算參數(shù)和取值范圍

2 不同標(biāo)準(zhǔn)“有效長(zhǎng)徑比”的計(jì)算對(duì)比

2.1 計(jì)算公式

根據(jù)GB/T 15605—2008，有效長(zhǎng)徑比指任何形狀的容器或筒倉(cāng)泄壓時(shí)，有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLeff與有效直徑Deff的比值，NFPA 68-2018 在6.4 節(jié)有類似定義。二者的基本計(jì)算公式歸納對(duì)比如下。

（1）GB/T 15605—2008

有效長(zhǎng)徑比=Leff/Deff

式中：Leff為有效火焰長(zhǎng)度，m；Deff為有效直徑，m；Aeff為有效橫截面積，m2；Veff為有效火焰體積，m3。

（2）NFPA 68-2018

有效長(zhǎng)徑比=H/Dhe

式中：H為最大火焰長(zhǎng)度，m；Dhe為有效水力學(xué)直徑，m；Aeff為有效面積，m2；p為容器周長(zhǎng)，m；Veff為容器有效容積，m3。

值得注意的是，無(wú)論是GB/T 15605—2008 還是NFPA 68-2018，用于計(jì)算有效長(zhǎng)徑比的有效火焰體積Veff與容器的容積V都不是同一個(gè)概念。

2.2 案例

一個(gè)帶錐的圓筒形粉料倉(cāng)，設(shè)計(jì)在筒體頂部泄壓，其尺寸如圖1 所示，分別用GB/T 15605—2008和NFPA 68—2018 計(jì)算其有效長(zhǎng)徑比。

圖1 筒體頂部泄壓示意圖

（1）GB/T 15605—2008 有效長(zhǎng)徑比的計(jì)算（根據(jù)附錄C）

Leff=1/3 錐體高+圓柱體高=0.667+4=4.667 m，Veff=1/3 錐體容積+圓柱體容積=0.766+10.179=10.945 m3，則：Aeff=Veff/Leff=10.945/4.667=2.345 m2，Deff=（Aeff/π）0.5=（4×2.345/π)0.5=1.728 m。

所以，Leff/Deff=4.667/1.728=2.70。

（2）NFPA 68-2018 有效長(zhǎng)徑比的計(jì)算（根據(jù)6.4 節(jié)和附錄A.6.4）

H=容器垂直高=6 m，Veff=容器總?cè)莘e=錐體容積+圓柱體容積=2.3+10.179=12.479 m3，則：Aeff=Veff/H=12.479/6=2.08 m2，Dhe=4Veff/p=（4×Aeff/π）0.5=（4×2.08/π）0.5=1.626 m。

所以，H/Dhe=6/1.626=3.69。

該案例表明，對(duì)同一設(shè)備采用不同標(biāo)準(zhǔn)得出的有效長(zhǎng)徑比差別較大，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的數(shù)值不能混用。

2.3 常見(jiàn)工況有效長(zhǎng)徑比的計(jì)算

對(duì)幾種常見(jiàn)工況的有效長(zhǎng)徑比計(jì)算進(jìn)行歸納（見(jiàn)表2），以便于設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)比查看。

表2 幾種常見(jiàn)工況的有效長(zhǎng)徑比計(jì)算

從案例和表2 可以看出，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有效長(zhǎng)徑比的區(qū)別主要在于：（1）GB/T 15605—2008 的Leff取值1/3 錐體高+筒體高，而NFPA 68-2018 的H取值整個(gè)錐體高+筒體高；（2）GB/T 15605—2008 的Veff取值1/3 錐體容積+圓柱體容積，而NFPA 68-2018 的Veff取值整個(gè)錐體容積+圓柱體容積。對(duì)此，GB/T 15605—2008 在附錄C.1 給出了解釋：由于火焰在錐體中不能充分伸展，有效火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xLeff為錐體高度的1/3 加上圓筒高度；而NFPA 68-2018 則沒(méi)有考慮這一因素。當(dāng)然，由于2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基本泄爆面積計(jì)算公式有所不同，有效長(zhǎng)徑比對(duì)泄爆面積的影響仍需要通過(guò)具體的計(jì)算分析。

續(xù)表

3 有效長(zhǎng)徑比對(duì)泄爆面積的影響

為了比較根據(jù)2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的有效長(zhǎng)徑比對(duì)泄爆面積大小的影響，在泄爆面積基本計(jì)算參數(shù)（詳見(jiàn)表1）的允許取值范圍內(nèi)，保證2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入?yún)?shù)一致。以2.3 所述的6 種常見(jiàn)工況（即無(wú)泄壓導(dǎo)管容器）的泄爆面積計(jì)算作為實(shí)例進(jìn)行比較，有關(guān)泄爆面積的計(jì)算公式在GB/T 15605—2018 的5.2.3 節(jié)和NFPA 68-2018 的8.2.1 節(jié)，8.2.2 節(jié)均有詳細(xì)介紹。

以平均粒徑25 μm 的聚丙烯粉料為例，其最大爆炸壓力為0.84 MPa，爆炸指數(shù)為10.1 MPa·m/s；容器設(shè)計(jì)壓力取0.09 MPa，容器尺寸參數(shù)參照2.3，容器內(nèi)操作壓力為0.01 MPa；泄爆片靜開(kāi)啟壓力為0.06 MPa，且采用輕質(zhì)泄爆片（本身的慣性影響可以忽略）。所需的泄爆面積計(jì)算總結(jié)如表3 所示。

從表3 的計(jì)算結(jié)果可以得出：

表3 不同有效長(zhǎng)徑比下的泄爆面積

（1）無(wú)論國(guó)標(biāo)還是美標(biāo)，對(duì)同一工況而言，輸入的有效長(zhǎng)徑比越大，得出的泄爆面積也越大；

（2）采用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的泄爆面積不因輸入的有效長(zhǎng)徑比差異較大而有較大差異，即泄爆面積對(duì)有效長(zhǎng)徑比不敏感；

（3）對(duì)于圓筒形除塵器，參照美標(biāo)，不同有效長(zhǎng)徑比得出相同的泄爆面積，是因?yàn)閷?duì)于有效長(zhǎng)徑比小于2 的工況，美標(biāo)在計(jì)算中不再考慮有效長(zhǎng)徑比因素。

（4）對(duì)同一工況，即使國(guó)標(biāo)采用較小的長(zhǎng)徑比，其計(jì)算出的泄爆面積仍明顯大于采用較大長(zhǎng)徑比的美標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了粉塵爆炸及其泄爆原理和常用的兩個(gè)粉塵泄爆計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。列表總結(jié)了2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所需的基本輸入?yún)?shù)并詳細(xì)比對(duì)了容易引起混淆的有效長(zhǎng)徑比的計(jì)算。

通過(guò)6 種常用泄爆工況的計(jì)算實(shí)例，可知美標(biāo)的有效長(zhǎng)徑比計(jì)算值普遍大于國(guó)標(biāo)，且同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，采用較大的有效長(zhǎng)徑比計(jì)算出的泄爆面積也較大，因此不同標(biāo)準(zhǔn)的有效長(zhǎng)徑比值不可通用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用較大有效長(zhǎng)徑比值的美標(biāo)得出的泄爆面積反而明顯小于國(guó)標(biāo)，這是因?yàn)樾贡娣e對(duì)有效長(zhǎng)徑比參數(shù)不敏感（美標(biāo)在長(zhǎng)徑比小于2 時(shí)甚至在計(jì)算公式中不考慮這一因素）。2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的泄爆面積差異主要在于各自的經(jīng)驗(yàn)公式不同，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行泄爆面積計(jì)算前，首先應(yīng)明確項(xiàng)目所采用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，否則得出的泄爆面積將差異較大。