粉塵泄爆計算標準對比研究

李英團

上海利柏特工程技術有限公司 （上海 201100）

爆炸性粉塵廣泛存在于煤炭、化工、醫藥加工、木材加工、糧食和飼料加工等生產過程，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、魚粉），農副產品（如棉花、煙草），林產品（如紙粉、木粉），合成材料（如塑料、染料）等。這些粉塵經常分散于空氣或氧氣環境中形成“粉塵云”，在一定的濃度范圍內，遇到點火源（如明火、靜電、高溫）便會發生劇烈的化學反應，瞬間釋放大量的熱，同時在整個“粉塵云”空間內迅速傳播，短時間內產生具有很大破壞力的高溫高壓現象，即粉塵爆炸。

粉塵爆炸往往會導致嚴重的人身傷亡事故，因此在生產過程中首先采取防止粉塵爆炸的措施（如氮封、避免揚塵、抑爆、消除靜電、避免高溫等）。然而有時受限于生產工藝，無法避免爆炸性粉塵環境的形成，又或者付出的代價過高，這種情況下，對一些經常有爆炸性粉塵環境產生的密閉空間，可以安裝一定面積的泄爆片。泄爆片在爆炸初期（即爆炸產生的壓力不高時）便會被開啟，爆炸沖擊波可以通過泄爆口排放至安全區，避免了密閉空間內部高溫高壓的積聚，起到保護設備和人員的目的。

1 粉塵泄爆原理及其計算標準

在粉塵爆炸過程中：一方面，粉塵爆炸產生大量高溫氣體，使容器內壓力迅速升高；另一方面，泄爆片動作后，氣體通過泄爆口外排，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，但絕對升壓速率大大降低，使得整個爆炸過程的壓力峰值不超過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和初始狀態，降壓速率取決于泄放口的泄放能力，主要與泄爆面積有關，因此泄爆面積的計算是選取泄爆片的依據和關鍵。

目前，工程設計中常用的粉塵泄爆計算標準主要有GB/T 15605—2008《粉塵爆炸泄壓指南》（以下簡稱GB/T 15605）和NFPA 68-2018《爆燃通風防爆標準》（以下簡稱NFPA 68）。值得注意的是，這2 個標準都僅適用于爆燃過程的泄爆計算，都采用了經驗公式法。根據所采用的標準不同，經驗公式的表達式各有不同，但所需要的計算參數類型基本一致，僅是參數的適用范圍略有不同，具體見表1。

從表1 可以看出，無論采用哪個標準，泄爆計算都需要有基本的物性參數、容器參數和操作參數。另外，在容器泄爆面積計算中所采用的有效長徑比，不僅2 個標準的計算原則不同，且同一個標準在不同工況下的計算也有差別，很容易混淆，下文將進行詳細分析。

表1 基本計算參數和取值范圍

2 不同標準“有效長徑比”的計算對比

2.1 計算公式

根據GB/T 15605—2008，有效長徑比指任何形狀的容器或筒倉泄壓時，有效火焰傳播距離Leff與有效直徑Deff的比值，NFPA 68-2018 在6.4 節有類似定義。二者的基本計算公式歸納對比如下。

（1）GB/T 15605—2008

有效長徑比=Leff/Deff

式中：Leff為有效火焰長度，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

有效長徑比=H/Dhe

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

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

2.2 案例

一個帶錐的圓筒形粉料倉，設計在筒體頂部泄壓，其尺寸如圖1 所示，分別用GB/T 15605—2008和NFPA 68—2018 計算其有效長徑比。

圖1 筒體頂部泄壓示意圖

（1）GB/T 15605—2008 有效長徑比的計算（根據附錄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 有效長徑比的計算（根據6.4 節和附錄A.6.4）

H=容器垂直高=6 m，Veff=容器總容積=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，對同一設備采用不同標準得出的有效長徑比差別較大，2 個標準計算出的數值不能混用。

2.3 常見工況有效長徑比的計算

對幾種常見工況的有效長徑比計算進行歸納（見表2），以便于設計過程對比查看。

表2 幾種常見工況的有效長徑比計算

從案例和表2 可以看出，2 個標準有效長徑比的區別主要在于：（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取值整個錐體容積+圓柱體容積。對此，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，有效火焰傳播距離Leff為錐體高度的1/3 加上圓筒高度；而NFPA 68-2018 則沒有考慮這一因素。當然，由于2 個標準的基本泄爆面積計算公式有所不同，有效長徑比對泄爆面積的影響仍需要通過具體的計算分析。

續表

3 有效長徑比對泄爆面積的影響

為了比較根據2 個標準計算出的有效長徑比對泄爆面積大小的影響，在泄爆面積基本計算參數（詳見表1）的允許取值范圍內，保證2 個標準的輸入參數一致。以2.3 所述的6 種常見工況（即無泄壓導管容器）的泄爆面積計算作為實例進行比較，有關泄爆面積的計算公式在GB/T 15605—2018 的5.2.3 節和NFPA 68-2018 的8.2.1 節，8.2.2 節均有詳細介紹。

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，爆炸指數為10.1 MPa·m/s；容器設計壓力取0.09 MPa，容器尺寸參數參照2.3，容器內操作壓力為0.01 MPa；泄爆片靜開啟壓力為0.06 MPa，且采用輕質泄爆片（本身的慣性影響可以忽略）。所需的泄爆面積計算總結如表3 所示。

從表3 的計算結果可以得出：

表3 不同有效長徑比下的泄爆面積

（1）無論國標還是美標，對同一工況而言，輸入的有效長徑比越大，得出的泄爆面積也越大；

（2）采用同一個標準計算出的泄爆面積不因輸入的有效長徑比差異較大而有較大差異，即泄爆面積對有效長徑比不敏感；

（3）對于圓筒形除塵器，參照美標，不同有效長徑比得出相同的泄爆面積，是因為對于有效長徑比小于2 的工況，美標在計算中不再考慮有效長徑比因素。

（4）對同一工況，即使國標采用較小的長徑比，其計算出的泄爆面積仍明顯大于采用較大長徑比的美標。

4 結語

介紹了粉塵爆炸及其泄爆原理和常用的兩個粉塵泄爆計算標準。列表總結了2 個標準所需的基本輸入參數并詳細比對了容易引起混淆的有效長徑比的計算。

通過6 種常用泄爆工況的計算實例，可知美標的有效長徑比計算值普遍大于國標，且同一個標準下，采用較大的有效長徑比計算出的泄爆面積也較大，因此不同標準的有效長徑比值不可通用。進一步研究發現，采用較大有效長徑比值的美標得出的泄爆面積反而明顯小于國標，這是因為泄爆面積對有效長徑比參數不敏感（美標在長徑比小于2 時甚至在計算公式中不考慮這一因素）。2 個標準的泄爆面積差異主要在于各自的經驗公式不同，在工程設計中進行泄爆面積計算前，首先應明確項目所采用的計算標準，否則得出的泄爆面積將差異較大。