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燃氣鍋爐爐膛爆燃強度的計算

文檔作者：丁崇功文檔來源：西北建筑工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年08月08日
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第l9卷第3期 煤氣與熱力 ·41·
燃氣鍋爐爐膛爆燃強度的計算
I f J ．
， 。工基功
f一 ?一 (西北建筑 學(xué)院， 安710061)
丁 z2。
T。c P 7廠
摘要應(yīng)用氣體動力學(xué)理論，研究分析可燃氣體在鍋爐妒膛內(nèi)爆燃模型，探索其爆燃強度
的計算方法，為燃氣鍋爐本體設(shè)計和制造提供有關(guān)技術(shù)資料
關(guān)鍵詞堂 塑 堡絲堡墮 墮 熾 麓
中圖分類號TU822 2
1 前 言
燃用氣體燃料對能源綜臺利用，改善人們生活
質(zhì)量，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)品數(shù)
量、減少能耗、降低成本，減少地面環(huán)境污染、保護大
氣環(huán)境等方面，均具有十分顯著的效果。現(xiàn)代化的
燃氣設(shè)施，如家用燃氣灶具、燃氣熱水器、燃氣空調(diào)
機、燃氣工業(yè)爐、燃氣鍋爐等，將得到普及和推廣。
燃氣器具有使用方便、燃燒熱強度大、熱效率
高、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點，但也存在著缺點，如易爆、有毒
等。因此在燃用氣體燃料時，應(yīng)掌握其基本特性，采
取行之有效的安全技術(shù)措施，以防事故發(fā)生，特別要
防止發(fā)生爆炸事故。由于燃燒設(shè)備種類繁多．各具
特色，本文僅就燃氣鍋爐爐膛爆燃強度的計算方法
進行研究，為燃氣鍋爐的設(shè)計和制造提供參考。
2 爐膛爆燃現(xiàn)象及其后果
爐膛爆燃往往是在鍋爐點火或燃燒過程中突然
滅火時發(fā)生，這兩種爆燃現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是不同的。
當冷爐或熱備爐點火時，由于點火前通風吹掃
不徹底，以致泄漏到爐膛內(nèi)的燃氣與空氣混合氣體
達到爆炸極限，一遇明火，立即爆燃；燃燒過程中，由
于種種原因造成爐膛滅火，如未及時發(fā)現(xiàn)，燃氣繼續(xù)
進人爐膛(爐前燃氣安全控制系統(tǒng)不健全或失靈)，
燃氣一空氣混合氣體的濃度達到爆炸極限，爐膛溫
收稿日期：1998—08—28
度又很高，引起爆燃
國內(nèi)外燃氣鍋爐爐膛爆燃現(xiàn)象并不少見，但真
正構(gòu)成爐膛爆炸事故的也不很多，這與爐膛爆燃強
度和鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。
3 爐膛爆燃強度計算方法
3．1 基本方程
燃燒是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，爆燃本身亦
屬燃燒。但就燃燒速度和溫度而言，兩者無法相比。
正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ナ峭ㄟ^氣體的傳熱、傳質(zhì)進行
的；而爆燃的火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龤怏w絕熱壓縮所
形成的沖擊波的作用，使未燃混合氣體溫度升高而
引起化學(xué)反應(yīng)，從而使燃燒波不斷向未燃混合氣體
推進的過程。所以爆燃速度快、溫度高，而且產(chǎn)生很
高的壓力(即爆燃強度)。
爆燃強度受各種因素的制約和影響，不可能用
一個簡單公式計算出來。但鑒于爆燃前燃氣一空氣
混合氣體和爆燃后的產(chǎn)物均為可壓縮氣體，為此可
利用氣體動力學(xué)理論來分析研究。
燃氣鍋爐爐膛斷面一般為正方形或圓形，其高
度遠遠大于當量直徑，為此可將氣體在爐膛內(nèi)流動
視為一元流動；爆燃瞬間各參數(shù)的變化是隨時間而
變化的，這也是爆燃與正常燃燒不同之處。由此可
見，爆燃過程的狀態(tài)參數(shù)是距離和時間的函數(shù)，屬一
元非恒定流，即：
? ? ～ ? 一 ． ? ? ． ．． 。． ． ．．． ．。．j．． ． 【 一?——
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· 42 煤氣與熱力 1999年5月
u=U(X，t)， P：P(x，t)， p=p(x，t)。
爆燃前氣體在爐膛內(nèi)雖然不是靜止的，但其流
動速度與爆燃瞬問速度相比可忽略不計，即u1=0，
爆燃后的氣體實際上也靜止了，即 =0。爆燃瞬問
氣體流動元的傳播是個很復(fù)雜的變化過程，俄羅斯
學(xué)者Kc一曾經(jīng)指出，在可壓縮氣流中，爆炸波的
傳播不是僅有一個間斷(特征線)，而是三個問斷。
根據(jù)這一理論，將爐膛內(nèi)可燃氣體一空氣混臺
氣體爆燃狀態(tài)用x，t平面座標圖描繪(見圖1)。
t 2、 ／
、 、|
／ 、n ／^
? ／
＼ ／／
O^一強問斷；0B_I穩(wěn)定間斷； c0D一弱間斷
圖1 可螺l氣體一空氣混合氣體爆燃狀態(tài)圖
從而建立起氣體流動元的基本方程：
(1)運動方程：
aU aU l aD
一 蓉
(2)連續(xù)性方程：
害蓄 +u塞蓉 +塞磊 P ：o
(3)熱流方程(爆燃瞬間與外界無熱交換，屬絕
熱過程，熵不變)：
魯( )+u ( )：o
以上各式中：
r一距離，m；
一氣流速度，m／s；
p_-絕對壓力，Pa；
體密度，k∥m3；
卜一時間，s；
K一絕熱指數(shù)，K=1．66(單原子氣體)，K：1．4
(雙原子氣體)，K：1．29(多原子氣體)。
從工程熱力學(xué)可知：
氣體的當?shù)匾羲賏 √K
以CK= a2：K 代入上述基本方程
．
．
．
a2：K衛(wèi)：K．cK-pK
： KDK一1cK
P
21ha=(K一1)l∞+Klnc+lnk
．
，l =~_l hna—Xl|lc一~_llnK
又- K p=K =Xp1一 ～C K ·c
√善
21na=K
K
ll
np+lnc+Ink
．
·
．
hlp：K2
_
K1lna—X In
c一 inK
則運動方程式右邊吉 可表達為：
一 一
D 孤一Kp孤一K ax
f 2K 1 aa K 1 aC＼
一K＼K—l Ⅱ孤K一1 C 孤，
2a aa a2 1 ac
i 一i
熱流方程可表達為：
+u ：o
連續(xù)性方程可表達為：
Pp + +Pp ＆ ：0
即警+u +墓：o
(、 K 一1 at一 K 一 1 at)，
+u、K
2
一l
~
孤
lna
一、K—l孤一i麗 K )J + 8o=0
2 l aa 2 l aa K l
-l -】 一i
(害+u塞)+ 8o：o
K去 魚a + u +i8o：0 一1 a t‘K—l a孤‘孤一
兩邊均乘以 ，得：
a
8o
T +粵+u ：0
變換新變量后的基本方程式為：
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第19卷第3期 煤氣與熱力 ·43·
3．2
aU
．
aU 2a aa a2 l ac
夏 K-一1夏一 u
—K +粵+ ”磊 ：0
謇+u耋=o
計算公式
將基本方程積分，使其滿足(x，t)平面內(nèi)特征線
的條件，可以得到如下計算公式：
(1)滿足強間斷的條件
：u】 i 2 1
．
2
一a2)= 2 1- 2一a})(1)
=pI+ pI( 一a2) 【麗杰K-1 ’ 2~、aNj 2 (23)
N= (只適用于爆燃情況)
其中：So—爆燃瞬間火焰?zhèn)鞑ニ俣龋琺／s。
通過模擬實驗確定，對于各種可燃氣體一空
氣混合氣體，建立s 與y (濃度)的關(guān)系曲線。
(2)滿足穩(wěn)定間斷條件
[ ]=0，即 = (4)
[P ]=0，即 =P (5)
(3)滿足弱間斷條件
在 COD范圍
u+ a=常數(shù)
在OC線上
u= 0 高 高8．2
在OD線上
u =
a 8．2
2 r 2 r
” i
又 ‘u a= a2(OD線、OC線同在
COD，應(yīng)滿足其條件)。
2 2 ，
- ’ 西
即 √ √ c
(4)流動元穿過弱間斷熵不變，得：
¨_
P2
：
P2 (7)
一
(5)從工程熱力學(xué)可知，爆燃后的氣體狀態(tài)方程
為：
P2=Z~RT2 (8)
式中：R一氣體常數(shù)，kJ／kg·K；
Z一壓縮因子。
按Tr= 和P =
查通用性圖表得z。
其中：P 一臨界壓力，Pa；
一臨界溫度，K。
爆燃溫度B與燃氣性質(zhì)、濃度以及達到爆炸極
限的燃氣量(即占爐膛容積的百分數(shù))有關(guān)，通過模
擬實驗確定。對于各種可燃氣體一空氣混合氣體，
建立 —y 、B—vT(容積百分數(shù))關(guān)系曲線。
由式(1)～(8)可求得8個未知數(shù)：u 、P 、to 、 、
P2、＆、也、P2。
P2即為本文所研究的爆燃強度。
4 計算結(jié)果分析
(1)爆燃強度與燃氣特性有關(guān)
1)不同種類的燃氣密度不同。如人工煤氣的
密度約O．45 kg／m3，天然氣的密度約O．72 kr,／m3，液
化石油氣的密度約2．2 l 。
2)不同性質(zhì)的燃氣絕熱指數(shù)不同。如人工煤
氣主要可燃組分CO、H2等雙原子氣體，K=1．4；天
然氣、液化石油氣均為多原子氣體，K：1．29。
3)各種燃氣爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣?也是不同
的。
4)各種燃氣的音速a亦不相同。
(2)爆燃強度與混合氣體的濃度有關(guān)
眾所周知，在爐膛內(nèi)產(chǎn)生爆燃，必須同時具備兩
個條件，其一是燃氣一空氣混合物在爆炸極限范圍
內(nèi)；其二是一定的溫度。
各種燃氣各有其爆炸上、下限。如氫( )爆炸
上限75％ ，下限4．0％；甲烷(C也)爆炸上限15％ 、
下限5％等。爆燃時可燃氣體濃度越大，爆燃溫度
就會越高，所以爆燃強度也就越大。
(下轉(zhuǎn)第54頁)
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· 54· 煤氣與熱力 1999年5月
GREY T0P0L0GY METH0D IN F0RECAS汀ING
SH0RT TERM HEATING L0AD
Hu Weiibin Yang Cha~gzhi Sun Yijlan
(Env／romaenta／Department ofHunan University，Changsha 410082，‰ )
ABSIRACT Accordms to Grey Forecasting theo~,，this paper presents a set of forecasting method aiming at file
seasonal and periodical characteristic of short term heating load——Irrproved Grey Topology Mefi~od．It can automatically
select aforecastingmodel with the help of Grey Relation Degree．On the base of Non—uniqueness flreoty，file author
西ves 8／1 explanation of nullforecastingmints and successfully appliesto predictthefluctuatingtrendof shortterm heating
l0ad．
KEY WORDS HeatiJ1g Load，Grey Topology Method，GM(1，1)，Grey Relation Degree
(上接第43頁)
(3)爆燃強度與爐膛內(nèi)同時參與爆燃的混合氣
體容積有關(guān)。
爐膛內(nèi)局部區(qū)域的混合氣體達到爆炸極限而引
起爆燃，與整個爐膛全部充滿達到爆炸極限的混合
氣體而產(chǎn)生爆燃，其爆燃強度是不相同的，參與爆燃
的量越多，爆燃溫度越高，所以爆燃強度也就越大。
5 結(jié) 語
燃氣鍋爐爐膛爆燃時，由于爆燃強度不同，其后
果也不相同。有的造成爐墻倒塌等惡性事故，有的
產(chǎn)生輕微破壞，有的則無任何影響。
不管后果如何，就爆燃現(xiàn)象本身而言，存在著很
大的危險性，應(yīng)從以下幾個方面采取防范措施：
(1)在鍋爐運行方面，應(yīng)嚴格執(zhí)行運行操作規(guī)
程、安全規(guī)程和崗位責任制，杜絕發(fā)生爆燃現(xiàn)象；
(2)鍋爐設(shè)計制造方面，要根據(jù)爐膛爆燃強度
計算結(jié)果，進行鍋爐結(jié)構(gòu)和防爆設(shè)計；
(3)在鍋爐房設(shè)計方面，應(yīng)設(shè)計可靠的燃燒自
動控制和安全控制裝置及系統(tǒng)，以確保使用安全。
參考文獻
匕]丑E咖q K．，H 訂 刪馴mⅢ蜘丑】 讎肌ctmotugcx~叩洲
r．T．T H ．M ．1995．
CALCULATION 0F EXPL0S10N INTENSITY
IN GAS B0ILER’S CHAMBER
Dmg Cbonggong
(Northwestern Institute ofArchitectural Engineering，Xi'an 710061，Ch／na)
ABSTRACt The article utilized theory of Os dynamics to research and analyze gas explosion model in boiler’s
chamber to investigate calculatian means of explosion intensity．
in it．to supply technique specification for the design and
manufacture of gas boiler．

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