甲乙类可燃气体厂房泄压面积计算的探讨

甲乙类可燃气体厂房泄压面积计算的探讨

合理设计甲、乙车间的压裂面、压裂材料和压口位置，是减少员工损失和财产损失的有效途径。科学确定占地面积的压裂材料是否能有效释放压力，对合理投资安全带的压压部门有重要影响。现行国家标准GB50016-2006《建筑设计防火规范》对甲乙类厂房可燃气体及可燃蒸气有爆炸危险的厂房的泄压面积给出的推荐计算公式是基于密闭容器内可燃气体爆炸泄压的“立方体定律”和相似原理进行推导的,公式的具体推导过程可参阅相关文献。目前,在实际建设工程消防设计和审核过程中,设计人员对GB50016-2006《建筑设计防火规范》给出的厂房泄压面积计算方法提出了一些质疑。以V=1000m3的正方体的喷漆车间为例,假设该车间只有一面外墙可供泄压,依据GB50016-2006可计算出该喷漆车间所需最小泄压面积为A=10×0.11×V2/3,显然该值超出了可供泄压用的一面外墙的面积。随着NFPA68-2007《爆燃泄压防爆标准》和EN14994-2007《气体爆炸泄压保护系统》标准的修订,国外相关研究机构和人员越来越关注新型泄压材料、防爆泄压构件及性能化防爆技术的推广和应用。因此,有必要结合国外厂房防爆泄压设计的相关标准对GB50016-2006给出的泄压面积计算方法进行探讨。1计算结果见表3目前,有很多关于计算可燃气体厂房泄压面积的数学模型,且大部分经验模型都是由中小容器的实验数据推导而来。归纳起来,这些模型主要有三类:关联模型、唯相模型和数值模型。笔者主要结合NFPA68-2007和EN14994-2007标准中的关联模型与GB50016-2006给出的计算方法进行探讨。NFPA68-2007与之前的1998版和2002版相比较,在泄压面积的计算方法上变化较大,分别给出了低强度封闭空间和高强度封闭空间泄压面积的计算公式及其适用条件。低强度封闭围护结构(Pred≤10kPa)所需最小泄压面积计算,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)如泄压面板的质量M>MT且KG≤13MPa·m/s,应按公式(3)对低强度封闭空间增加泄压面积。高强度封闭围护结构(Pred>10kPa)所需最小泄压面积计算,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)当长径比大于2时,应按公式(5)增加泄压面积。ΔA=Av⋅ΚG⋅(LD-2)2750ΔA=Av⋅KG⋅(LD−2)2750(5)式中:A为泄压面积,m2;C为燃料特性参数,kPa1/2;As为封闭空间的内表面积,m2;Pred为封闭空间最大内部超压,kPa1/2;MT为泄压面板的临界质量,kg;n为泄压面板的数量;KG为气体爆炸指数;V为封闭空间的体积,m3;Pstat为静态动作压力,kPa;L/D为长径比;Su2为可燃气体的燃烧速率,m/s;K为泄压效率。式(2)也是EN14994-2007采取的计算形式,但是对其应用范围了作了更为严格的规定,要求封闭围护结构的体积、长径比和最大内部超压分别不能超过1000m3、2和0.2MPa。研究人员证明了当长径比大于2时,封闭围护结构最大内部超压与气体燃烧速率、封闭围护结构的长径比和平均泄压面板质量有着密切关系,用公式(6)表示。Pred=Pstat+[0.023Su2·K·W·(L/D)1/3]/V1/3(6)2本文研究了当前国家标准中压力泄漏计算方法的探讨2.1思想上+c型现行国家标准GB50016-2006对可燃气体或可燃蒸气厂房的泄压面积给出的定义为:厂房的泄压比(泄压面积与容积之比)与厂房容积之积,并给出如式(7)所示计算公式。A=10C1V2/3(7)式中:A为泄压面积,m2;C1为厂房容积为1000m3的泄压比,无量纲参数,可查表;V为厂房的容积,m3。事实上,式(7)还用公式A=C1⋅3√10003√V⋅VA=C1⋅1000√3V√3⋅V来完整地表示其物理意义。对于生产特定物质的甲类或乙类厂房,式(7)还可以用相关文献提出的K=A/V2/3来表示。无量纲参数K可依据从中小尺寸球形容器中得来的实验数据,经换算用于较大球形结构空间泄压面积的计算,但Solberg等人指出该公式仅仅适用于容积不超过30m3的球形空间。此外,从式(7)还可以看出,对于一定容积的甲乙类厂房,其泄压面积取决于容积为1000m3的同类厂房的泄压比。从对小尺寸容器和建筑内部可燃气体及可燃蒸气爆炸的研究已经发现,泄压面积的大小与容器(建筑)内部最大超压有关,而容器(建筑)内部超压又取决于容器(建筑)的性质、内部结构、火源的位置、大小、形状、泄压口的位置及形状。因此,在计算厂房的泄压面积时不能仅仅考虑容积为1000m3厂房的泄压比。2.2泄压比的讨论泄压比是GB50016-2006中计算泄压面积的一个重要参数,文献曾利用NFPA68(1981版和1990版)中的燃料特性参数推导出容积为1000m3的厂房的泄压比,认为推导的数值接近实验值。对比中用了两个重要假设:(1)1000m3的封闭空间为正方体结构,即长径比为1;(2)封闭空间最大内部超压取7kPa。但Kasmani等人通过实验证明了在小尺寸圆柱形容器中,容器容积、内部结构及其生产工艺设备对其内部超压有较大影响,即内部超压将会以2～7倍的速度递增。因此,笔者分析了长径比和最大内部超压对1000m3的封闭空间泄压面积的影响。2.2.1基本燃料特性燃料特性参数是公式(1)中的一个重要参数,NFPA68-2007总结了近些年可燃气体爆炸规律的研究成果,首次给出了该参数的计算,见式(8)。C=2.32×10-5×Su2+2.32×10-4×Su+0.0056(8)式中:C为燃料特性参数,kPa1/2;Su为层流火焰的基本燃烧速率,cm/s。式(8)仅用于计算基本燃料速率不大于60cm/s的可燃气体及可燃蒸气的燃料特性参数,可由图1选取。此外,笔者对比分析了NFPA68中直接取值和通过公式(8)计算的典型气体特性参数的值,见表1所示。通过表1可以看出,对于同一种可燃气体的燃料特性参数,2007版通过公式计算得到的值要稍大于2002版中的给定值。需要注意的是,对于一些基本燃烧速率接近60cm/s的可燃气体,通过依据公式(8)计算其燃料特性参数值远大于2002版中的数值,因此通过计算确定厂房的泄压面积更为科学。但是,对于层流火焰基本燃烧速率大于60cm/s的氢气、乙炔、乙烯等常见可燃气体,2002版和2007版并未给出其燃料特性参数值,主要是因为当火焰传播速度过快时,这些可燃气体更容易从爆燃向爆轰转变。2.2.2封闭空间泄压比的确定公式(2)反映出对于内部有特定爆炸性物质的封闭空间(1000m3),其泄压比主要取决于封闭空间的内表面积及其内部最大爆炸压力的上升,而封闭空间的内表面积及其最大压力的上升都与其长径比和内部是否有障碍物有密切关系。(1)封闭空间横截面积之比国外研究人员对长径比的定义为容器最长几何尺寸与水力学当量直径之比,用公式(9)和公式(10)表示。现行GB50016-2006对长径比的定义为:建筑平面几何外形尺寸中的最长尺寸与其横截面周长的积和4.0倍的该建筑横截面积之比,可用公式(11)表示。公式(1)对封闭空间的长径比有一定限制要求,当泄压口位于封闭空间的狭长的一端时,对于无障碍封闭空间其长径比必须小于3;对于有障碍的封闭空间其长径比必须小于2。主要是因为封闭空间内部有障碍物时可燃气体或可燃蒸气爆炸的最大压力上升速度更快,对封闭空间结构造成的破坏更大,需限制其长径比。λ=LDλ=LD(9)D=4AcsΡD=4AcsP(10)λ=L⋅Ρ4Acsλ=L⋅P4Acs(11)式中:λ为长径比,无量纲参数;L为封闭空间几何外形中的最长尺寸,m;Acs为最长尺寸对应的横截面积,m2;P为最长尺寸对应的横截面周长,m。(2)最大内部超压以容积为1000m3的甲苯厂房为例,最小泄压比取0.11,依据公式(7)可计算该厂房所需最小泄压面积为110m2。图2是依据公式(1)和公式(8)计算的厂房为正方体结构时其泄压面积与最大内部超压之间的关系,可以看出最大内部超压为7kPa时,所需泄压面积接近依据公式(7)计算出的泄压面积。但是,如考虑厂房使用功能或建筑整体结构需要减小泄压面积时,可以通过提高建筑墙体的抗爆强度来实现。从图3可以看出,在同一最大内部超压条件下,随着厂房长径比的增加,泄压面积呈缓慢的增加趋势,但增加不会超过20m2。最大内部超压为7kPa时,厂房所需最小泄压面积约为102m2,但是厂房为正方体结构在实际工程中并不多见,因此还是要考虑增加其泄压面积。此外,最大可能地降低封闭空间内部最大超压是厂房性能化泄压设计的一个重要理念,研究人员已经证明了可以通过将矿物岩棉、硅酸铝纤维板等可以降低可燃气体火焰传播速度的吸音材料敷设在墙壁上来实现这一目标。3主要计算结果(1)基于“立方体”定律和相似原理进行推导的厂房泄压面积的计算公式必须满足不同体积厂房内部最大内部超压相等时才是成立的,这就要求厂房内部可燃气体的燃烧速率、厂房的长径比、厂房内部工艺设备的布局和泄压面板的质量是一致的。(2)只有满足1000m3的封闭空间为正方体结构并且封闭空间最大内部超压取7kPa时,基于NFPA68中的泄压面积计算公式和燃料特性参数值推导的泄压比才是比较接近现行国家标准给出的泄压比