粉塵爆炸泄壓面積計(jì)算及影響因素分析

劉利利 舒遠(yuǎn) 劉寧寧

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇徐州 221008； 2.徐州八方安全設(shè)備有限公司 江蘇徐州 221141)

0 引言

粉塵泄爆裝置是保護(hù)承壓設(shè)備安全的一種重要的安全裝置[1]，安裝在密閉設(shè)備上，一旦密閉設(shè)備發(fā)生粉塵爆炸，泄壓裝置打開預(yù)設(shè)的泄壓口，釋放未燃混合物與燃燒產(chǎn)物，防止壓力上升超過設(shè)備強(qiáng)度以保護(hù)設(shè)備。

粉塵泄爆裝置的有效性，一是取決于泄爆裝置動(dòng)作的及時(shí)性；二是取決于泄爆裝置充足的泄放面積，因此，采用動(dòng)作迅速、開啟壓力誤差小、泄放面積充足的泄爆裝置對(duì)保護(hù)設(shè)備至關(guān)重要。

泄放面積的大小是選擇泄壓裝置時(shí)必須確定的一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，泄放面積的大小取決于粉塵的爆炸特性(最大爆炸壓力、粉塵爆炸指數(shù)等)、粉塵的狀態(tài)(濃度、湍流和分布等)、設(shè)備的參數(shù)(形狀、體積、長徑比、設(shè)備強(qiáng)度等)、泄放裝置的參數(shù)(泄放效率、質(zhì)量等)。

1 粉塵爆炸泄壓面積計(jì)算

1.1 粉塵防爆標(biāo)準(zhǔn)體系

20世紀(jì)初，歐美等國家開始對(duì)粉塵爆炸展開研究[2]，20世紀(jì)40年代中期，德、美等國建立了粉塵防爆相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，20世紀(jì)70至80年代，粉塵防爆研究發(fā)展加快，開展了一系列大中型爆炸試驗(yàn)，防爆方法與標(biāo)準(zhǔn)趨于一致，IEC與ISO防爆標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)。20世紀(jì)90年代后，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)形成了統(tǒng)一的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。我國于50年代開始對(duì)煤礦粉塵爆炸進(jìn)行研究，但企業(yè)防爆研究始于80年代初，并于90年代初制定了一系列國家標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)外涉及到粉塵泄放面積計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)較多[3]，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 15605等，美國國家防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA68、NFPA61、NFPA69等，德國工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI3673、VDI2263，歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN14491、EN13821等，無論哪一種標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)際適用條件做出了限定，然而，在生產(chǎn)運(yùn)用中，這些限定條件不一定都能滿足，需將實(shí)際使用條件與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合，確定合適的泄放面積。

1.2 泄壓面積計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)NFPA 68提供了兩種計(jì)算方法[4]，一是公式法，根據(jù)粉塵泄壓模型及參數(shù)的適用條件選擇合適的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；二是圖算法，根據(jù)容腔的容積、長徑比、靜開啟壓力、粉塵的爆燃指數(shù)、泄爆壓力值等通過圖得到因子A、因子B、因子C、因子D，進(jìn)而計(jì)算出所需的泄放面積。其中圖算法沒有考慮容器內(nèi)湍流增強(qiáng)、泄壓導(dǎo)管、初始?jí)毫ι叩纫蛩亍?/p>

標(biāo)準(zhǔn)NFPA 68提出的公式法需考慮多種影響因素，當(dāng)滿足點(diǎn)火前初始?jí)毫initial≤0.2 barg、容器長徑比不大于2等限定條件時(shí)，所需泄壓面積最小值的計(jì)算方法見式(1)：

(1)

式中,Av0為泄壓面積,m2；Pstat為泄壓裝置的靜開啟壓力,barg；Kst為爆燃指數(shù)，bar-m/s；V為容腔體積,m3；Pmax為最大爆炸壓力,barg；Pred為最大泄爆壓力,barg。

式(1)提供了用于計(jì)算粉塵爆炸時(shí)必要泄爆面積的計(jì)算方法，根據(jù)相關(guān)參數(shù)即可計(jì)算出所需的泄放面積并根據(jù)泄放面積選擇合適尺寸的泄爆裝置。然而在工程應(yīng)用中，實(shí)際工況是復(fù)雜多樣的，很難保證實(shí)際工況完全滿足式(1)的限定要求，這就需要根據(jù)實(shí)際的使用工況，充分考慮泄爆裝置慣性質(zhì)量、點(diǎn)火前初始?jí)毫?、容腔長徑比、是否存在高速湍流等影響因素，并計(jì)算出需要額外增加的泄壓面積，最終得到所需的泄放面積。

VDI 3673在滿足長徑比不大于20，泄放效率等于1等限定條件下提供了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(2)和式(3)[5]：

當(dāng)pred,max<1.5 bar時(shí)

(2)

當(dāng)pred,max≥1.5 bar時(shí)

A=B

(3)

C=(-4.305·logpred,max+0.758)

式中，A為泄壓面積，m2；B、C為中間參數(shù)；L/DE為容腔長徑比。

式(2)、式(3)根據(jù)最大泄爆壓力的范圍提供了計(jì)算泄壓面積的方法。

以上兩種計(jì)算方法都可以算出爆炸泄放面積，使用時(shí)可根據(jù)不同工況、不同適用條件選擇合適的計(jì)算方法。實(shí)際生產(chǎn)中，由于粉塵爆炸的影響因素多種多樣，且極其復(fù)雜，粉塵爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性也比較廣，許多影響因素的定量描述難以精確控制，因此，難以通過計(jì)算得到精確的泄放面積，需盡可能詳細(xì)地考慮各種因素的影響。

1.3 計(jì)算舉例

本文以除塵器為模型進(jìn)行計(jì)算舉例，由于實(shí)際工況中除塵器結(jié)構(gòu)多變，計(jì)算時(shí)需將其簡化，如圖1所示為一個(gè)簡化后的除塵器模型圖，尺寸：筒體直徑D1=2 m，潔凈室高度H1=1 m，含塵室高度H2=5 m，錐斗底部直徑D1=0.5 m，錐斗高度H3=0.8 m，除塵器內(nèi)濾袋直徑φ=0.1m，濾袋高度Hf=3 m，濾袋數(shù)量n=20。假設(shè)除塵器中的粉塵為復(fù)合飼料，查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出其爆炸指數(shù)Kmax=39 bar-m/s，最大爆燃?jí)毫max=7.6 barg，取泄壓效率EF=1，靜開啟壓力Pstat=0.1 barg，最大泄爆壓力Pred=0.2 barg，泄爆裝置安裝高度Hd=2.5 m，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 68的計(jì)算方法，計(jì)算出最小泄放面積：Av0=0.207 m2，而采用VDI計(jì)算方法，得出最小泄放面積Av0=0.312 m2。由此可見，兩種計(jì)算方法相較而言，當(dāng)容器長徑比不大于2時(shí)，采用NFPA 68計(jì)算方法計(jì)算得到的泄放面積相對(duì)較小。

圖1 除塵器簡化模型

2 泄壓面積影響因素分析

2.1 泄壓裝置慣性質(zhì)量的影響

無論是NFPA 68還是VDI 3673，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式都是假定了泄放裝置屬于低慣性質(zhì)量的裝置，慣性質(zhì)量對(duì)于泄放效率的影響可以忽略不計(jì)[6-8]。VDI 3673假定泄放裝置是用幾乎沒有慣性的薄膜或爆破片，其質(zhì)量密度小于0.5 kg/m2，此時(shí)泄放效率EF=1。

NFPA 68規(guī)定泄壓裝置的慣性質(zhì)量大于計(jì)算值MT時(shí)，需要對(duì)泄壓面積進(jìn)行調(diào)整:

(4)

式中，MT為慣性質(zhì)量臨界值，kg/m2；n為泄爆裝置數(shù)量。

對(duì)于一定的靜開啟壓力，泄壓裝置的慣性質(zhì)量越大，其完全打開需要的時(shí)間越長，反之，慣性質(zhì)量較低的泄壓裝置打開的速度較快，泄壓效率更高。同時(shí)，泄壓裝置的慣性質(zhì)量越大，泄爆壓力Pred也會(huì)增大，對(duì)于設(shè)備的強(qiáng)度一定的情況下，可能會(huì)存在損壞的結(jié)果。

2.2 泄壓導(dǎo)管的影響

在工程實(shí)際中，排放物質(zhì)可能存在有毒、有害的情況，一旦這些物質(zhì)被排放到有人員活動(dòng)的封閉環(huán)境或建筑物內(nèi)，很可能對(duì)人或環(huán)境造成極大的危害，因此需要設(shè)置泄放導(dǎo)管將排放物引至安全區(qū)域[9-12]。當(dāng)采用泄壓管道的長度超過泄放口徑的水力學(xué)直徑時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(1)將不再適用，此時(shí)所需的泄放面積增大，需對(duì)原始的計(jì)算公式進(jìn)行修正，且泄壓管道的長度需滿足一定的條件。

如果增加泄壓管道，可能在泄壓管道中形成二次爆炸，降低了泄爆口兩側(cè)的壓差，當(dāng)泄壓管道的斷面積大于泄爆口的直徑時(shí)，在泄爆過程中產(chǎn)生的最大泄爆壓力要比泄壓管道斷面與泄爆口面積相當(dāng)時(shí)稍有增大，因此，若增加泄放管道，泄壓管道尺寸應(yīng)與泄爆口尺寸相當(dāng)，且泄放管道應(yīng)盡可能短和直，因?yàn)樾狗殴艿郎系娜魏螐澒芏伎赡苁剐狗胚^程中的壓力劇烈增大，而且這種增大的數(shù)值很難準(zhǔn)確預(yù)測。如果彎頭無法避免，則泄壓管彎頭應(yīng)盡可能呈鈍角(即彎頭的曲率盡可能大)，如圖2所示。

圖2 帶彎管的泄壓導(dǎo)管(曲率半徑與管徑比值>2)

2.3 初始?jí)毫Φ挠绊?/h3>

實(shí)驗(yàn)證明，可燃性氣體或可燃性粉塵-氣體混合物在圍包體內(nèi)的點(diǎn)火前壓力會(huì)對(duì)控爆壓力產(chǎn)生一定的影響[13-15]。因而，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備的初始?jí)毫Υ笥?.2 barg時(shí)，必須滿足下列條件，才能運(yùn)用爆炸泄壓措施，對(duì)泄壓面積按照式(5)進(jìn)行修正。

(1)泄爆板的單位質(zhì)量密度小于由式(4)計(jì)算而得的MT，且≤40 kg/m2。

(2)若設(shè)置泄壓導(dǎo)管，則泄壓導(dǎo)管的長徑比應(yīng)小于等于1。

(3)設(shè)備中流體的軸向速度和切向速度小于等于20 m/s。

(5)

式中，Avep為修正后的泄放面積，m2；Pstat為泄放裝置的靜開啟壓力，barg；Pinitial為被保護(hù)設(shè)備的初始?jí)毫?，Peffective為1/3的Pinitial。

2.4 容器長徑比的影響

細(xì)長容器如料倉的長徑比L/D應(yīng)根據(jù)容器的大致形狀、通風(fēng)口的位置、料倉延伸的形狀以及距離點(diǎn)火源的最遠(yuǎn)距離來確定[4]?；鹧婵裳仄湟苿?dòng)的最大距離H應(yīng)根據(jù)沿中心軸從設(shè)備最遠(yuǎn)端到通風(fēng)口相對(duì)端的最大距離來確定。當(dāng)有多個(gè)通風(fēng)口時(shí)，應(yīng)根據(jù)最遠(yuǎn)的通風(fēng)口確定設(shè)備的H和L/D值。試驗(yàn)表明，容器的長徑比L/D及泄放口的設(shè)置位置將影響到爆燃火焰在設(shè)備內(nèi)的傳播速度并最終影響控爆壓力[16-18]。因而，NFPA 68提出當(dāng)容器長徑比大于2且小于等于6時(shí)，需對(duì)式(1)的計(jì)算進(jìn)行修正，對(duì)頂部給料的儲(chǔ)罐、料斗和筒倉，如果利用所有校正因子后計(jì)算得到的基本泄壓面積不超過容器的斷面積，當(dāng)長徑比不大于8時(shí)也可采用以下方法對(duì)泄放面積進(jìn)行修正。

(6)

式中，Av1為對(duì)長徑比L/D修正后的泄放面積，m2。

3 結(jié)語

本文首先分析了粉塵防爆的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，然后對(duì)兩種主要標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法進(jìn)行了比較，得出了當(dāng)長徑比不大于2的情況下，根據(jù)NFPA 68計(jì)算出的泄放面積相對(duì)較小的結(jié)論。同時(shí)分析了實(shí)際應(yīng)用工況中多種影響泄放面積的因素以及如何處理這些影響因素。粉塵防爆是涉粉企業(yè)需要考慮的一個(gè)重要方面，泄放面積的計(jì)算關(guān)系到選用的泄放設(shè)備的泄放能力是否能夠滿足控爆壓力的要求，最終關(guān)系到爆炸發(fā)生時(shí)泄壓裝置是否可以對(duì)設(shè)備產(chǎn)生有效的保護(hù)，需全面考慮各種影響因素，以選用正確合理的計(jì)算方法，得到可靠合理的結(jié)果[19-20]。此外，安全泄放是系統(tǒng)性的工程，在不同場合需選用不同的安全泄壓設(shè)備以滿足不同工況的要求，對(duì)于安全泄壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及不同防爆泄壓方式的選用將在以后的工作中進(jìn)行探討[20-24]。