甲乙類可燃氣體廠房泄壓面積計算的探討

合理設計甲、乙車間的壓裂面、壓裂材料和壓口位置，是減少員工損失和財產損失的有效途徑。科學確定占地面積的壓裂材料是否能有效釋放壓力，對合理投資安全帶的壓壓部門有重要影響。現行國家標準GB50016-2006《建筑設計防火規范》對甲乙類廠房可燃氣體及可燃蒸氣有爆炸危險的廠房的泄壓面積給出的推薦計算公式是基于密閉容器內可燃氣體爆炸泄壓的“立方體定律”和相似原理進行推導的,公式的具體推導過程可參閱相關文獻。目前,在實際建設工程消防設計和審核過程中,設計人員對GB50016-2006《建筑設計防火規范》給出的廠房泄壓面積計算方法提出了一些質疑。以V=1000m3的正方體的噴漆車間為例,假設該車間只有一面外墻可供泄壓,依據GB50016-2006可計算出該噴漆車間所需最小泄壓面積為A=10×0.11×V2/3,顯然該值超出了可供泄壓用的一面外墻的面積。隨著NFPA68-2007《爆燃泄壓防爆標準》和EN14994-2007《氣體爆炸泄壓保護系統》標準的修訂,國外相關研究機構和人員越來越關注新型泄壓材料、防爆泄壓構件及性能化防爆技術的推廣和應用。因此,有必要結合國外廠房防爆泄壓設計的相關標準對GB50016-2006給出的泄壓面積計算方法進行探討。1計算結果見表3目前,有很多關于計算可燃氣體廠房泄壓面積的數學模型,且大部分經驗模型都是由中小容器的實驗數據推導而來。歸納起來,這些模型主要有三類:關聯模型、唯相模型和數值模型。筆者主要結合NFPA68-2007和EN14994-2007標準中的關聯模型與GB50016-2006給出的計算方法進行探討。NFPA68-2007與之前的1998版和2002版相比較,在泄壓面積的計算方法上變化較大,分別給出了低強度封閉空間和高強度封閉空間泄壓面積的計算公式及其適用條件。低強度封閉圍護結構(Pred≤10kPa)所需最小泄壓面積計算,如式(1)～式(3)所示。A=C?AsΡ1/2redA=C?AsP1/2red(1)ΜΤ=[6.67?(Ρ0.2red)?(n0.3)?(VΚ0.5G)]1.67MT=[6.67?(P0.2red)?(n0.3)?(VK0.5G)]1.67(2)ΔAi=0.0075?A?Μ0.6?Κ0.5Gn0.3?V?Ρ0.2redΔAi=0.0075?A?M0.6?K0.5Gn0.3?V?P0.2red(3)如泄壓面板的質量M>MT且KG≤13MPa·m/s,應按公式(3)對低強度封閉空間增加泄壓面積。高強度封閉圍護結構(Pred>10kPa)所需最小泄壓面積計算,如式(4)所示。A={[0.127log10(KG)-0.0567]P-0.582red?0.582red}V2/3+[0.175P-0.572red?0.572red(Pstat-10)]V2/3(4)當長徑比大于2時,應按公式(5)增加泄壓面積。ΔA=Av?ΚG?(LD-2)2750ΔA=Av?KG?(LD?2)2750(5)式中:A為泄壓面積,m2;C為燃料特性參數,kPa1/2;As為封閉空間的內表面積,m2;Pred為封閉空間最大內部超壓,kPa1/2;MT為泄壓面板的臨界質量,kg;n為泄壓面板的數量;KG為氣體爆炸指數;V為封閉空間的體積,m3;Pstat為靜態動作壓力,kPa;L/D為長徑比;Su2為可燃氣體的燃燒速率,m/s;K為泄壓效率。式(2)也是EN14994-2007采取的計算形式,但是對其應用范圍了作了更為嚴格的規定,要求封閉圍護結構的體積、長徑比和最大內部超壓分別不能超過1000m3、2和0.2MPa。研究人員證明了當長徑比大于2時,封閉圍護結構最大內部超壓與氣體燃燒速率、封閉圍護結構的長徑比和平均泄壓面板質量有著密切關系,用公式(6)表示。Pred=Pstat+[0.023Su2·K·W·(L/D)1/3]/V1/3(6)2本文研究了當前國家標準中壓力泄漏計算方法的探討2.1思想上+c型現行國家標準GB50016-2006對可燃氣體或可燃蒸氣廠房的泄壓面積給出的定義為:廠房的泄壓比(泄壓面積與容積之比)與廠房容積之積,并給出如式(7)所示計算公式。A=10C1V2/3(7)式中:A為泄壓面積,m2;C1為廠房容積為1000m3的泄壓比,無量綱參數,可查表;V為廠房的容積,m3。事實上,式(7)還用公式A=C1?3√10003√V?VA=C1?1000√3V√3?V來完整地表示其物理意義。對于生產特定物質的甲類或乙類廠房,式(7)還可以用相關文獻提出的K=A/V2/3來表示。無量綱參數K可依據從中小尺寸球形容器中得來的實驗數據,經換算用于較大球形結構空間泄壓面積的計算,但Solberg等人指出該公式僅僅適用于容積不超過30m3的球形空間。此外,從式(7)還可以看出,對于一定容積的甲乙類廠房,其泄壓面積取決于容積為1000m3的同類廠房的泄壓比。從對小尺寸容器和建筑內部可燃氣體及可燃蒸氣爆炸的研究已經發現,泄壓面積的大小與容器(建筑)內部最大超壓有關,而容器(建筑)內部超壓又取決于容器(建筑)的性質、內部結構、火源的位置、大小、形狀、泄壓口的位置及形狀。因此,在計算廠房的泄壓面積時不能僅僅考慮容積為1000m3廠房的泄壓比。2.2泄壓比的討論泄壓比是GB50016-2006中計算泄壓面積的一個重要參數,文獻曾利用NFPA68(1981版和1990版)中的燃料特性參數推導出容積為1000m3的廠房的泄壓比,認為推導的數值接近實驗值。對比中用了兩個重要假設:(1)1000m3的封閉空間為正方體結構,即長徑比為1;(2)封閉空間最大內部超壓取7kPa。但Kasmani等人通過實驗證明了在小尺寸圓柱形容器中,容器容積、內部結構及其生產工藝設備對其內部超壓有較大影響,即內部超壓將會以2～7倍的速度遞增。因此,筆者分析了長徑比和最大內部超壓對1000m3的封閉空間泄壓面積的影響。2.2.1基本燃料特性燃料特性參數是公式(1)中的一個重要參數,NFPA68-2007總結了近些年可燃氣體爆炸規律的研究成果,首次給出了該參數的計算,見式(8)。C=2.32×10-5×Su2+2.32×10-4×Su+0.0056(8)式中:C為燃料特性參數,kPa1/2;Su為層流火焰的基本燃燒速率,cm/s。式(8)僅用于計算基本燃料速率不大于60cm/s的可燃氣體及可燃蒸氣的燃料特性參數,可由圖1選取。此外,筆者對比分析了NFPA68中直接取值和通過公式(8)計算的典型氣體特性參數的值,見表1所示。通過表1可以看出,對于同一種可燃氣體的燃料特性參數,2007版通過公式計算得到的值要稍大于2002版中的給定值。需要注意的是,對于一些基本燃燒速率接近60cm/s的可燃氣體,通過依據公式(8)計算其燃料特性參數值遠大于2002版中的數值,因此通過計算確定廠房的泄壓面積更為科學。但是,對于層流火焰基本燃燒速率大于60cm/s的氫氣、乙炔、乙烯等常見可燃氣體,2002版和2007版并未給出其燃料特性參數值,主要是因為當火焰傳播速度過快時,這些可燃氣體更容易從爆燃向爆轟轉變。2.2.2封閉空間泄壓比的確定公式(2)反映出對于內部有特定爆炸性物質的封閉空間(1000m3),其泄壓比主要取決于封閉空間的內表面積及其內部最大爆炸壓力的上升,而封閉空間的內表面積及其最大壓力的上升都與其長徑比和內部是否有障礙物有密切關系。(1)封閉空間橫截面積之比國外研究人員對長徑比的定義為容器最長幾何尺寸與水力學當量直徑之比,用公式(9)和公式(10)表示。現行GB50016-2006對長徑比的定義為:建筑平面幾何外形尺寸中的最長尺寸與其橫截面周長的積和4.0倍的該建筑橫截面積之比,可用公式(11)表示。公式(1)對封閉空間的長徑比有一定限制要求,當泄壓口位于封閉空間的狹長的一端時,對于無障礙封閉空間其長徑比必須小于3;對于有障礙的封閉空間其長徑比必須小于2。主要是因為封閉空間內部有障礙物時可燃氣體或可燃蒸氣爆炸的最大壓力上升速度更快,對封閉空間結構造成的破壞更大,需限制其長徑比。λ=LDλ=LD(9)D=4AcsΡD=4AcsP(10)λ=L?Ρ4Acsλ=L?P4Acs(11)式中:λ為長徑比,無量綱參數;L為封閉空間幾何外形中的最長尺寸,m;Acs為最長尺寸對應的橫截面積,m2;P為最長尺寸對應的橫截面周長,m。(2)最大內部超壓以容積為1000m3的甲苯廠房為例,最小泄壓比取0.11,依據公式(7)可計算該廠房所需最小泄壓面積為110m2。圖2是依據公式(1)和公式(8)計算的廠房為正方體結構時其泄壓面積與最大內部超壓之間的關系,可以看出最大內部超壓為7kPa時,所需泄壓面積接近依據公式(7)計算出的泄壓面積。但是,如考慮廠房使用功能或建筑整體結構需要減小泄壓面積時,可以通過提高建筑墻體的抗爆強度來實現。從圖3可以看出,在同一最大內部超壓條件下,隨著廠房長徑比的增加,泄壓面積呈緩慢的增加趨勢,但增加不會超過20m2。最大內部超壓為7kPa時,廠房所需最小泄壓面積約為102m2,但是廠房為正方體結構在實際工程中并不多見,因此還是要考慮增加其泄壓面積。此外,最大可能地降低封閉空間內部最大超壓是廠房性能化泄壓設計的一個重要理念,研究人員已經證明了可以通過將礦物巖棉、硅酸鋁纖維板等可以降低可燃氣體火焰傳播速度的吸音材料敷設在墻壁上來實現這一目標。3主要計算結果(1)基于“立方體”定律和相似原理進行推導的廠房泄壓面積的計算公式必須滿足不同體積廠房內部最大內部超壓相等時才是成立的,這就要求廠房內部可燃氣體的燃燒速率、廠房的長徑比、廠房內部工藝設備的布局和泄壓面板的質量是一致的。(2)只有滿足1000m3的封閉空間為正方體結構并且封閉空間最大內部超壓取7kPa時,基于NFPA68中的泄壓面積計算公式和燃料特性參數值推導的泄壓比才是比較接近現行國家標準給出的泄壓比