粉尘泄爆计算标准对比研究

李英团

上海利柏特工程技术有限公司 （上海 201100）

爆炸性粉尘广泛存在于煤炭、化工、医药加工、木材加工、粮食和饲料加工等生产过程，所涵盖的物料也十分广泛，如金属（如镁粉、铝粉），煤炭，粮食（如小麦、淀粉），饲料（如血粉、鱼粉），农副产品（如棉花、烟草），林产品（如纸粉、木粉），合成材料（如塑料、染料）等。这些粉尘经常分散于空气或氧气环境中形成“粉尘云”，在一定的浓度范围内，遇到点火源（如明火、静电、高温）便会发生剧烈的化学反应，瞬间释放大量的热，同时在整个“粉尘云”空间内迅速传播，短时间内产生具有很大破坏力的高温高压现象，即粉尘爆炸。

粉尘爆炸往往会导致严重的人身伤亡事故，因此在生产过程中首先采取防止粉尘爆炸的措施（如氮封、避免扬尘、抑爆、消除静电、避免高温等）。然而有时受限于生产工艺，无法避免爆炸性粉尘环境的形成，又或者付出的代价过高，这种情况下，对一些经常有爆炸性粉尘环境产生的密闭空间，可以安装一定面积的泄爆片。泄爆片在爆炸初期（即爆炸产生的压力不高时）便会被开启，爆炸冲击波可以通过泄爆口排放至安全区，避免了密闭空间内部高温高压的积聚，起到保护设备和人员的目的。

1 粉尘泄爆原理及其计算标准

在粉尘爆炸过程中：一方面，粉尘爆炸产生大量高温气体，使容器内压力迅速升高；另一方面，泄爆片动作后，气体通过泄爆口外排，使压力迅速下降。在一定条件下，如果泄爆片的泄放能力使得降压速率大于或等于升压速率，或者虽然降压速率仍小于升压速率，但绝对升压速率大大降低，使得整个爆炸过程的压力峰值不超过容器允许的工作压力，从而保证容器不被破坏。升压速率取决于可燃爆粉尘的性质和初始状态，降压速率取决于泄放口的泄放能力，主要与泄爆面积有关，因此泄爆面积的计算是选取泄爆片的依据和关键。

目前，工程设计中常用的粉尘泄爆计算标准主要有GB/T 15605—2008《粉尘爆炸泄压指南》（以下简称GB/T 15605）和NFPA 68-2018《爆燃通风防爆标准》（以下简称NFPA 68）。值得注意的是，这2 个标准都仅适用于爆燃过程的泄爆计算，都采用了经验公式法。根据所采用的标准不同，经验公式的表达式各有不同，但所需要的计算参数类型基本一致，仅是参数的适用范围略有不同，具体见表1。

从表1 可以看出，无论采用哪个标准，泄爆计算都需要有基本的物性参数、容器参数和操作参数。另外，在容器泄爆面积计算中所采用的有效长径比，不仅2 个标准的计算原则不同，且同一个标准在不同工况下的计算也有差别，很容易混淆，下文将进行详细分析。

表1 基本计算参数和取值范围

2 不同标准“有效长径比”的计算对比

2.1 计算公式

根据GB/T 15605—2008，有效长径比指任何形状的容器或筒仓泄压时，有效火焰传播距离Leff与有效直径Deff的比值，NFPA 68-2018 在6.4 节有类似定义。二者的基本计算公式归纳对比如下。

（1）GB/T 15605—2008

有效长径比=Leff/Deff

式中：Leff为有效火焰长度，m；Deff为有效直径，m；Aeff为有效横截面积，m2；Veff为有效火焰体积，m3。

（2）NFPA 68-2018

有效长径比=H/Dhe

式中：H为最大火焰长度，m；Dhe为有效水力学直径，m；Aeff为有效面积，m2；p为容器周长，m；Veff为容器有效容积，m3。

值得注意的是，无论是GB/T 15605—2008 还是NFPA 68-2018，用于计算有效长径比的有效火焰体积Veff与容器的容积V都不是同一个概念。

2.2 案例

一个带锥的圆筒形粉料仓，设计在筒体顶部泄压，其尺寸如图1 所示，分别用GB/T 15605—2008和NFPA 68—2018 计算其有效长径比。

图1 筒体顶部泄压示意图

（1）GB/T 15605—2008 有效长径比的计算（根据附录C）

Leff=1/3 锥体高+圆柱体高=0.667+4=4.667 m，Veff=1/3 锥体容积+圆柱体容积=0.766+10.179=10.945 m3，则：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 有效长径比的计算（根据6.4 节和附录A.6.4）

H=容器垂直高=6 m，Veff=容器总容积=锥体容积+圆柱体容积=2.3+10.179=12.479 m3，则：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。

该案例表明，对同一设备采用不同标准得出的有效长径比差别较大，2 个标准计算出的数值不能混用。

2.3 常见工况有效长径比的计算

对几种常见工况的有效长径比计算进行归纳（见表2），以便于设计过程对比查看。

表2 几种常见工况的有效长径比计算

从案例和表2 可以看出，2 个标准有效长径比的区别主要在于：（1）GB/T 15605—2008 的Leff取值1/3 锥体高+筒体高，而NFPA 68-2018 的H取值整个锥体高+筒体高；（2）GB/T 15605—2008 的Veff取值1/3 锥体容积+圆柱体容积，而NFPA 68-2018 的Veff取值整个锥体容积+圆柱体容积。对此，GB/T 15605—2008 在附录C.1 给出了解释：由于火焰在锥体中不能充分伸展，有效火焰传播距离Leff为锥体高度的1/3 加上圆筒高度；而NFPA 68-2018 则没有考虑这一因素。当然，由于2 个标准的基本泄爆面积计算公式有所不同，有效长径比对泄爆面积的影响仍需要通过具体的计算分析。

续表

3 有效长径比对泄爆面积的影响

为了比较根据2 个标准计算出的有效长径比对泄爆面积大小的影响，在泄爆面积基本计算参数（详见表1）的允许取值范围内，保证2 个标准的输入参数一致。以2.3 所述的6 种常见工况（即无泄压导管容器）的泄爆面积计算作为实例进行比较，有关泄爆面积的计算公式在GB/T 15605—2018 的5.2.3 节和NFPA 68-2018 的8.2.1 节，8.2.2 节均有详细介绍。

以平均粒径25 μm 的聚丙烯粉料为例，其最大爆炸压力为0.84 MPa，爆炸指数为10.1 MPa·m/s；容器设计压力取0.09 MPa，容器尺寸参数参照2.3，容器内操作压力为0.01 MPa；泄爆片静开启压力为0.06 MPa，且采用轻质泄爆片（本身的惯性影响可以忽略）。所需的泄爆面积计算总结如表3 所示。

从表3 的计算结果可以得出：

表3 不同有效长径比下的泄爆面积

（1）无论国标还是美标，对同一工况而言，输入的有效长径比越大，得出的泄爆面积也越大；

（2）采用同一个标准计算出的泄爆面积不因输入的有效长径比差异较大而有较大差异，即泄爆面积对有效长径比不敏感；

（3）对于圆筒形除尘器，参照美标，不同有效长径比得出相同的泄爆面积，是因为对于有效长径比小于2 的工况，美标在计算中不再考虑有效长径比因素。

（4）对同一工况，即使国标采用较小的长径比，其计算出的泄爆面积仍明显大于采用较大长径比的美标。

4 结语

介绍了粉尘爆炸及其泄爆原理和常用的两个粉尘泄爆计算标准。列表总结了2 个标准所需的基本输入参数并详细比对了容易引起混淆的有效长径比的计算。

通过6 种常用泄爆工况的计算实例，可知美标的有效长径比计算值普遍大于国标，且同一个标准下，采用较大的有效长径比计算出的泄爆面积也较大，因此不同标准的有效长径比值不可通用。进一步研究发现，采用较大有效长径比值的美标得出的泄爆面积反而明显小于国标，这是因为泄爆面积对有效长径比参数不敏感（美标在长径比小于2 时甚至在计算公式中不考虑这一因素）。2 个标准的泄爆面积差异主要在于各自的经验公式不同，在工程设计中进行泄爆面积计算前，首先应明确项目所采用的计算标准，否则得出的泄爆面积将差异较大。