第 23 卷 第 4 期 2003 年 4 月
煤气与热力 Gas & Heat
Vol . 23 No . 4 Apr. 2003
文章编号:1000 - 4416 (2003) 04 - 0200 - 04
X
城市燃气站房防爆泄压的分析
摘要:计算了常用的 3 种城市燃气不同空气系数下的理论燃烧温度和爆炸压力。针对目前国内城 市燃气站房防爆泄压存在的问题 , 利用有约束可燃气体爆炸泄压模型 , 对有密封材料泄压面积的最大爆炸压力进行了详细的分析和讨论 , 论述了合理布置可燃气体站房泄压面积的方法。 关键词:燃气输配; 泄压面积; 密封材料; 爆破常数; 最大爆炸压力; 防爆 中图分类号:TU996 ; O389
文献标识码:A
田贯三1 , 李振鸣2 , 王焱兴3
(1. 清华大学建筑技术科学系 ,北京 100084 ;
2. 山东建筑工程学院 ,山东济南 250014 ; 3. 佳木斯煤气公司 ,黑龙江佳木斯 154002)
Analysis on Explosive Pressure Relief for Urban Gas Supply Houses
TIAN Guan san , LI Zhen ming , WANG Yan xing
(1. Qinghua University , Beijing 100084 , China ; 2. Shandong Architecture and Engineering Institute ,
’ 250014 , China 2; 3. Jiamusi 2 , 2 154002 ,
China ) Ji nan Gas Company Jiamusi
Abstract : The theoretical combustion temperature and explosive pressure are calculated with different air con 2 centration for three kinds of urban gas. By using the model of bounded explosion ,the maximum explosion pres2 sure of the gas supply house with explosive pressure relief area is discussed in detail . The reasonable design methods are presented for designing the explosive pressure relief area.
Key words : gas transmission and distribution ; pressure relief area ; seal material ; explosion constant ;maxi2 mum explosive pressure ; explosion prevention
1
2
3
1 引 言 2 城市燃气爆炸压力的计算
2. 1 理论燃烧温度的计算
城市燃气供应系统的各种站房 , 如加压机房、计
量间、气化间、混气间、灌瓶间、调压室等 , 都属于甲 类危险性建筑。当这些建筑为封闭式时 , 按国家标 准《建筑设计防火规范》规定 , 应设置必要的泄压设 施。但目前许多燃气站房在设置泄压面积的大小、 形式和位置存在许多问题 , 因此许多可燃气体站房 发生爆炸时 , 站房的结构严重破坏 , 本文对这些问题 进行分析研究。
城市燃气主要有天然气、人工煤气和液化石油 气(LPG) 。对这 3 种燃气从爆炸下限到化学计量比 所对应的燃烧温度进行了计算 , 结果见图 1 ,2 。3 种 可燃气体达到爆炸下限时 , 焦炉煤气与空气混合物 的空气系数α = 5. 04 ,天然气与空气混合物的空气 系数α = 1. 97 ,LPG 与空气混合物的空气系数α = 2. 05 。图 1 ,2 为不同空气系数时的理论燃烧温度 , 由于焦炉煤气的空气系数变化范围大 , 因此燃烧温
第 4 期 田贯三等:城市燃气站房防爆泄压的分析 ·201 ·
的变化范围大 , 而其余两种燃气的理论燃烧温度 的变化范围小。
可燃气体混合物的爆炸压力与初始压力、温
度、浓度、组分以及容器的形状、大小有关。如果已 计算出理论燃烧温度 , 则绝热定容爆炸压力就可以 利用理想气体状态方程计算得到:
n f Tf
p f = pi n i T i
(1)
式中: p i , n i , T i ———分别为初始状态气体的压力
(kPa) 、量(mol) 、温度( K) ;
图 1 焦炉煤气的理论燃烧温度
p f , nf , Tf ———分别为终止状态气体的压力
(kPa) 、量(mol) 、温度( K) 。
由于一般的混合气体爆炸前后量变化很小 , 所 以实际上定容爆炸压力主要取决于燃烧温度。城市 燃气空气混合物的最高理论火焰温度大约为 8～9 倍初始温度 , 因而定容爆炸压力(绝对压力) 大约为 0. 8～0. 9 MPa 。图 3 为 3 种城市燃气在不同的理论
燃烧温度下的爆炸压力 , 爆炸压力与理论燃烧温度有关 , 焦炉煤气理论燃烧温度变化范围大 , 其爆炸压力范围变化就大 , 而其他两种燃气则小。
图 2 天然气和LPG 的理论燃烧温度
2. 2 爆炸压力的计算
图 3 3 种燃气的爆炸压力
在分析可燃气体站房的爆炸压力时 , 将可燃气 体站房产生的爆炸看作是定容绝热过程。理论上定 容爆炸是指在刚壁容器内瞬时整体点火 , 且系统绝 热 , 即不考虑容器壁的冷却效应与气体泄漏带走的 热损失情况下的爆炸 , 因此定容爆炸压力是最高爆
料 , 分为有约束泄压模型和无约束泄压模型。燃气
炸压力。实际上 , 瞬时整体点火是不可能的 , 一般是
站房泄压口一般都覆盖有封口材料 , 属于有约束密
在容器中心点火。这种情况下测得的峰值压力接近
闭空间泄压问题。
于定容爆炸压力 , 因此只有火焰接近于容器壁时 , 才 会产生壁面导热冷却效应 , 虽然此压力维持时间极
3 泄压计算模型
泄压计算模型根据泄压口上是否覆盖有封口材
3. 1 密封材料最大爆破压力与泄压面积的关系
对于周边压紧的泄压口密封材料 , 其破裂压力
短 , 并很快衰减下去 , 但是压力峰值接近定容爆炸压 与材料强度、厚度与当量直径的关系满足下式:
力。
·202 ·
p =
d
煤气与热力
(2)
2003 年
拟计算 , 采用在安全设计中最典型的密封端点火、泄压圆管中的亚音速泄压模型 , 其计算结果与实际吻合[1 ,2 ] 。其压力发展方程为:
p c - pb
式中: p ———泄压密封材料两边的压力差 ,kPa ;
δ ———密封材料的厚度 ,mm ;
σ ———密封材料的抗拉强度 ,kPa ;
d ———泄爆口当量直径 ,mm 。
( p c - p 0 )
0. 032 R 0 T 0 KV L p0 Av
= V r Tf α1 K r ( pf - p0 )
(4)
在使用式(2) 时 , 进行如下简化:假设压力差 p
式中: p c
等于密封材料最大爆破压力(绝压 ,kPa) 减去系统初始压力(绝压 ,kPa) , 泄压口当量直径可用泄压口面积的平方根代替 , 则式(2) 可写为:
p =
K 压力 ,kPa ;
P P P
R 0 气体常数 ,J (kg·K) ; T 0 系统初始温度 , 即环境温度 , K;
= p b - p 0 (3)
A v
式中: K b ———由实验确定的密封材料爆破常数 ,
kPa ·m ;
A v ———泄爆口面积 ,m ; pb 密封材料最大
2
)
918 mol·K m ·Pa ·s ;
泄压圆管长度(对矩形建筑物可取其长 L
0. 5
K V
爆炸气体亚音速流过泄压口的系数 ,
( 2
0. 5
度) ,m ;
泄压建筑物空间体积 ,m 3 ; V r
爆破压力(绝压) ,kPa ;
p 0 ———系统初始压力 , 即大气压 ,kPa 。
K b 值与密封材料的抗拉强度及厚度有关 , 国外许
α
T f
1
爆炸气体温度 , K;
气体湍流度(无因次量) ,由实验测定; ,m s 。
K r
多实验室测定了常用泄压材料的 K b 值 ( 见表 1)
[1 ]
。式(3) 适用于泄压口为方形、圆形和矩形的密封
材料 , 试验结果表明 , 对面积从 7 cm2 到 9. 3 m2 的
4 影响最大爆炸压力的因素
图 4 为利用式(4) 计算的几种封口泄压的最大爆炸压力与泄压面积的关系。可以看出最大爆炸压力与封口材料的爆破常数和泄压面积有关。同一种封口材
泄压面积都适用。
表 1 几种泄压材料的爆破常数 K b
料的厚度不同 , 其爆破常数也不同 , 因此泄压面积相同时 , 其最大爆炸压力也不同。表 2 为燃气
爆炸点附近爆炸超压对建筑物破坏情况和对人体的伤害情况[3 ] 。由图 4 和表 2 可以看出 , 对于用较厚玻璃的门窗作泄压面积 , 泄压面积与体积的比值为 0. 2 时 ,不能起到保护站房的目的。因此在设计泄
压面积时 , 要注意封口材料的爆破常数 , 根据爆破
常数确定泄压面积。
3. 2 有泄压封口密闭空间爆炸压力的发展
建筑物泄压面设有密封口的封闭空间在点火爆
炸开始时 , 封口不能立即打开 , 爆炸压力持续上升 ,
当压力达到式(3) 确定的值时 , 封口才能破裂 , 爆炸
气体外泄。因此有封口空间的泄爆压力取决于泄压
面积、材料强度和厚度 , 比无封口空间泄爆压力高 ,
爆炸反应速度比无封口的空间增长得快。
5 防爆面积的设计
目前许多燃气站房的泄压面积虽然达到《建筑 设计防火规范》的要求 , 但由于选择泄压封口材料爆 破常数过大 , 泄压作用达不到设计的要求 , 发生爆炸
事故时不能保护建筑结构 , 同时还存在建筑结构和
泄压位置布置设计不合理的问题。在设计可燃气体
站房要注意以下问题。
一般来说 , 封口式泄压空间爆炸压力发展的模 5. 1 防爆建筑物的布置
第 4 期
田贯三等:城市燃气站房防爆泄压的分析
·203 ·
时 , 使本来较为密闭的空间暂时或持久地向无危险的方向敞开的措施 , 以便降低爆炸压力 , 减少爆炸造成的损失。
(1) 泄压材料应选择质轻、爆破常数小、耐大气
腐蚀性强、不可燃、价格较低的材料 , 四周固定强度要小。
(2) 泄压面积设计以站房设计能承受的最大超
压确定最大爆炸压力 , 然后利用式(3) 和(4) 根据所选的密封材料的爆破常数计算。
1 —3 mm 厚玻璃; 2 —2. 5 mm 厚纹玻璃; 3 —2. 8 mm 厚油毡; 4 —1. 5 mm 厚油毡
(3) 泄压位置的确定: 尽可能使火焰面后的已
燃气体尽快排出 , 这样可使该气体的爆炸作用对未燃气体的影响减至最小 , 因而泄压口应布置在容易存在点火源的各个部位。
图 4 最大爆炸压力与泄压面积的关系
气体爆炸封口(盖板) , 尤其是处于火焰后面和
表 2 爆炸超压对建筑物破坏和对人体的伤害情况
火焰附近的气体爆炸泄压盖板 , 应该在发生爆炸较早的时间开启。
6 结
语
采用封口式泄压面积的可燃气体站房 , 其最大爆炸压力与泄压口密封材料的爆破常数、泄压面积及泄压面积的位置有关。不同的密封材料或同一种
密封材料不同的厚度 , 其爆破常数不同。
可燃气体站房泄压面积的大小应根据可燃气体
(1) 建筑尽可能紧凑而方便; (2) 尽量减小或
爆破常数及建筑物所能承受的最大超压确定 , 泄压 面的位置应设在易发生爆炸的部位 , 对体积较大的可燃气体站房泄压面积应分散布置。
消除可积存可燃气体的死角;
(3) 一般不能采用地下仓库结构; (4) 对不同功
参考文献:
[1 ] 赵衡阳. 气体和粉尘爆炸原理[M] . 北京:北京理工大
能的用房采用分离性的建筑结
(5) 屋顶尽量采用钢结构 ,少采用砖混结构。 (6) 不宜设置地沟 ,如果必须设置时 ,其盖板应
构 , 危险大的工序实行隔离操作;
[ 2 ]
学出版社 ,1996.
严密 , 并应采用不可燃材料紧密填实。
5. 2 泄压面积设计
[3 ]
Bowes P C. Self heating : evaluating and controlling the hazards[M] . London : H M Stationary Office ,1984. (西德) 纳伯尔特 K,雄恩 G(著) ,李合得(译) . 可燃气
2
体和蒸气的安全参数手册[ M ] . 北京 : 机械工业出版
泄压面积的作用是在爆炸初始阶段或爆炸扩展
社 ,1983.
科技经济导刊 2016.02 期 工程科技与产业发展
国内外有爆炸危险厂房的泄压面积计算方法探讨
李 明
摘 要：分别介绍了国内现行的 GB 50016-2014《建
筑设计防火规范》、美国消防协会 NFPA 68-2013
《爆燃泄压防爆标准》和英国 EN 14994-2007《气体爆炸泄压保护系统》中对有爆炸危险厂房泄压面积计算公式的表达形式、适用条件和应用范围，对不同标准中给出的计算公式进行对比分析，为工程项目防爆泄压设计提供参考。
关键词：爆炸；泄压面积；建规；NFPA ；CEN
中图分类号：O643.2+21 文献标识码：C 文章编号：
2096-1995（2016）02-0059-02
李 超
（中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州 450000）
1 引言
等量的同一爆炸介质在密闭的小空间和在开敞的空 地上爆炸，其爆炸威力和破坏强度是不同的。在密闭的 空间里，爆炸破坏力将大很多，因此，有爆炸危险的厂 房需要考虑设置必要的泄压设施。
合理设计有爆炸危险厂房的泄压面积、泄压材料及 泄压口的位置是减少人员伤亡和财产损失的有效途径， 而科学确定该类厂房的泄压面积对于泄压材料能否有效 泄压和合理投资有至关重要的影响
［1］
爆标准》的相关规定和公安部天津消防研究所的有关研 究试验成果，给出了泄压面积的计算方法：厂房的泄压 面积宜按下式计算，但当厂房的长径比大于 3 时，宜将 建筑划分为长径比不大于 3 的多个计算段，各计算段中 的公共截面不得作为泄压面积，具体参见 GB 50016- 2014 中的第 3.6.4 条规定中的相关规定。
3 美国消防协会《爆燃泄压防爆标准》中泄压 面积的计算方法
3.1 标准版本
美国消防协会标准 NFPA 68《爆燃泄压防爆标准》 从 1954 年的第一版至今已有 60 余年的历史，随着消防 理论和技术的发展而不断更新完善，其最新版本标准号
为 NFPA 68-2013。NFPA 68《爆燃泄压防爆标准》 引入了先进的消防理论和大量基础试验数据，在国际上 具有较高的权威性和参考价值。
NFPA 68-2013 与之前的 2007 版和 2002 版相比， 在气体混合物爆炸泄压面积的计算方法上有了较大的变
。我国对这方面的
研究起步较晚，现行的国家标准 GB 50016-2014《建筑 设计防火规范》给出了泄压面积的计算方法，对工程消 防设计起到了积极的指导意义。然而，在实际建设工程 消防设计和审核过程中，设计人员对该标准提出了一些 质疑，如标准未充分考虑厂房的几何参数和结构强度对 泄压面积的影响等。
美国、英国、日本等国家对于防爆泄压方面有着较 为深入细致的研究和悠久的标准编制历史，如美国消防
协会的标准 NFPA 68《爆燃泄压防爆标准》和英国的 化：（1）在 2007 版低强度封闭空间和高强度封闭空间 EN 14994《气体爆炸泄压保护系统》。国外相关研究 的泄压面积采取不同的计算公式的基础上，对于低强度
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，有必要对国内外 厂房防爆泄压设计的相关标准进行对比探讨。
封闭空间和高强度封闭空间的界定上发生了变化，其界 限值由 0.1bar 提升为 0.5bar ；（2）高强度封闭围护结 构所需的最小泄压面积的计算公式发生了较大的变化。
3.2 计算方法
NFPA 68-2013《爆燃泄压防爆标准》中，对低强
度封闭空间和高强度封闭空间的气体爆炸泄压面积分别 该版标准首次引入了紊流燃烧速度强化因子（Turbulent Flame Enhancement Factor）λ
［4］
2 我国《建筑设计防火规范》中泄压面积的计 算方法
2.1 计算原理
火规范》对有爆炸危险的厂房的泄压面积给出了推荐的 计算公式，该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
2.2 计算方法
［2］
我国现行的国家标准 GB 50016-2014《建筑设计防 采取不同的计算公式，其界限值为 Pred=0.5bar。同时，
。泄压面积的确定和
。 爆炸时火焰的传播速度有很大的关系。对于特定的可燃
气体，其层流火焰的基础传播速度可通过 NFPA 68-
现行国家标准 GB 50016-2014 中的第 3.6.4 条规 2013 的附录查取。但在实际中，爆燃反应是一种火焰表 定，参照了美国消防协会标准 NFPA 68《爆燃泄压防 面现象，由于火焰的紊流增加了火焰面积和反应速率，
［5］
导致紊流燃烧速度要大于层流燃烧速度。紊流燃烧速度强化因子 λ 的引入，充分考虑了在爆燃泄压过程中火焰紊流和不稳定性对燃烧速度的影响，从而使计算值更接近实际情况。
4 英国《气体爆炸泄压保护系统》中泄压面积的计算方法
4.1 标准版本
EN 14994-2007《气体爆炸泄压保护系统》由欧洲
标准协会（CEN ）于 2006 年编制，有英语、法语和德语三个官方版本，被欧洲大部分国家采用
［6］
。
4.2 计算方法
EN 14994-2007《气体爆炸泄压保护系统》对泄压面积的计算
方法与美国消防协会 NFPA 68-2007《爆燃泄压防爆标准》中对高强度封闭围护结构的泄压面积计算方法基本相同。
5 对比探讨
5.1 发展变化
美国消防协会 NFPA 68《爆燃泄压防爆标准》自
1954 年第一版至今已有 60 余年的发展历史，期间进行了 8 次改版，仅 2000 年后就进行了 3 次改版，2002 版、
2007 版和最新的 2013 版均较之前的版本有较大幅度的改动。我国 GB 50016《建筑设计防火规范》中对于爆炸泄压的规定也随着版本的变更有较大变化。由此可见，无论是有着较长标准编制历史的美国消防协会和欧洲标准协会，还是作为后起之秀的中国，其对于爆炸泄压标准的制定都随着消防科学理论和技术的发展而不断更新，且更新频率越来越快，技术手段越来越丰富。这就要求作为工程设计人员，
应对消防设计给予较高的重视，紧跟当前国际先进的消防理念和最新技术，努力提高消防设计的可靠性和经济性。
5.2 计算方法
从气体爆炸泄压面积的计算公式可以看出，《建筑设计防火规
范》中的计算方法十分简洁，仅考虑了厂房容积、长径比和泄压比这三个参数。《爆燃泄压防爆标准》和《气体爆炸泄压保护系统》中的计算方法则比较繁琐，但考虑的因素更加全面。《爆燃泄压防爆标准》充分考虑了厂房的几何参数（包括有效容积、燃烧距离、有效面积、水力直径和长径比等）、厂房和泄压面材料的结构强度、爆燃泄压过程中火焰的动力学参数、爆炸前空间的压力和温度和厂房内设备和内部结构的表面积等因素；而《气体爆炸泄压保护系统》除了考虑厂房的几何参数、厂房和泄压面材料的结构强度、爆炸前空间的压力和温度以及爆燃气体性质外，还考虑了泄压装置的效率。
此外，《爆燃泄压防爆标准》和《气体爆炸泄压保护系统》对气体混合物爆炸、粉尘或复合混合物爆炸以及大长径比空间的泄压问题分别进行规定，使标准规定和计算公式更有针对性，计算结果也更符合实际。相比之下，我国《建筑设计防火规范》中的相关规定则较为简单，计算公式也较为单一，其危险等级的划分和泄压比的取值，则较多的参考了美国和日本较早版本标准中的规定值。因此，其针对性较前两者有一定的差距。
5.3 适用范围
我国《建筑设计防火规范》中泄压面积计算公式，并没有明确的适用范围，基本可以认为是通用的。《爆燃泄压防爆标准》和《气体爆炸泄压保护系统》则对计算公式的适用范围有明确的规定，包括可燃物类型，爆炸类型，围护结构的强度，空间的大小及形状等。值得注意的是，对于氢气等基础燃烧速度较大的可燃物，其对该标准的适应性是值得商榷的。主要因为燃烧速度过快的可燃物，其燃烧状态很容易从爆燃转化为爆轰。而《爆燃泄压防爆标准》和《气体爆炸泄压保护系统》这两个标准均只适用于爆燃的情况。
6 结束语
相对于国内现行标准 GB 50016-2014《建筑设计防火规范》，美国消防协会 NFPA 68-2013《爆燃泄压防爆标准》和欧洲标准协会 EN 14994-2007《气体爆炸泄压保护系统》在防爆泄压方面的理论和计算有其自身的特点和优势，可为消防设计人员的防爆泄压设计提供参考。
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消防科学与技术，2012，31（2）：129-131.
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