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燃气锅炉炉膛爆燃强度的计算

文档作者：丁崇功文档来源：西北建筑工程学院		点击数：	更新时间： 2024年08月08日
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第l9卷第3期 煤气与热力 ·41·
燃气锅炉炉膛爆燃强度的计算
I f J ．
， 。工基功
f一 ?一 (西北建筑 学院， 安710061)
丁 z2。
T。c P 7厂
摘要应用气体动力学理论，研究分析可燃气体在锅炉妒膛内爆燃模型，探索其爆燃强度
的计算方法，为燃气锅炉本体设计和制造提供有关技术资料
关键词堂 塑 堡丝堡堕 堕 炽 麓
中图分类号TU822 2
1 前 言
燃用气体燃料对能源综台利用，改善人们生活
质量，实现生产自动化、提高产品质量、增加产品数
量、减少能耗、降低成本，减少地面环境污染、保护大
气环境等方面，均具有十分显著的效果。现代化的
燃气设施，如家用燃气灶具、燃气热水器、燃气空调
机、燃气工业炉、燃气锅炉等，将得到普及和推广。
燃气器具有使用方便、燃烧热强度大、热效率
高、易于调节等优点，但也存在着缺点，如易爆、有毒
等。因此在燃用气体燃料时，应掌握其基本特性，采
取行之有效的安全技术措施，以防事故发生，特别要
防止发生爆炸事故。由于燃烧设备种类繁多．各具
特色，本文仅就燃气锅炉炉膛爆燃强度的计算方法
进行研究，为燃气锅炉的设计和制造提供参考。
2 炉膛爆燃现象及其后果
炉膛爆燃往往是在锅炉点火或燃烧过程中突然
灭火时发生，这两种爆燃现象产生的原因是不同的。
当冷炉或热备炉点火时，由于点火前通风吹扫
不彻底，以致泄漏到炉膛内的燃气与空气混合气体
达到爆炸极限，一遇明火，立即爆燃；燃烧过程中，由
于种种原因造成炉膛灭火，如未及时发现，燃气继续
进人炉膛(炉前燃气安全控制系统不健全或失灵)，
燃气一空气混合气体的浓度达到爆炸极限，炉膛温
收稿日期：1998—08—28
度又很高，引起爆燃
国内外燃气锅炉炉膛爆燃现象并不少见，但真
正构成炉膛爆炸事故的也不很多，这与炉膛爆燃强
度和锅炉结构有关。
3 炉膛爆燃强度计算方法
3．1 基本方程
燃烧是一个复杂的物理、化学过程，爆燃本身亦
属燃烧。但就燃烧速度和温度而言，两者无法相比。
正常燃烧的火焰传播是通过气体的传热、传质进行
的；而爆燃的火焰传播是依靠燃烧气体绝热压缩所
形成的冲击波的作用，使未燃混合气体温度升高而
引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混合气体
推进的过程。所以爆燃速度快、温度高，而且产生很
高的压力(即爆燃强度)。
爆燃强度受各种因素的制约和影响，不可能用
一个简单公式计算出来。但鉴于爆燃前燃气一空气
混合气体和爆燃后的产物均为可压缩气体，为此可
利用气体动力学理论来分析研究。
燃气锅炉炉膛断面一般为正方形或圆形，其高
度远远大于当量直径，为此可将气体在炉膛内流动
视为一元流动；爆燃瞬间各参数的变化是随时间而
变化的，这也是爆燃与正常燃烧不同之处。由此可
见，爆燃过程的状态参数是距离和时间的函数，属一
元非恒定流，即：
⋯ ⋯ ～ ⋯ 一 ． ⋯ ⋯ ． ．． 。． ． ．．． ．。．j．． ． 【 一⋯——
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· 42 煤气与热力 1999年5月
u=U(X，t)， P：P(x，t)， p=p(x，t)。
爆燃前气体在炉膛内虽然不是静止的，但其流
动速度与爆燃瞬问速度相比可忽略不计，即u1=0，
爆燃后的气体实际上也静止了，即 =0。爆燃瞬问
气体流动元的传播是个很复杂的变化过程，俄罗斯
学者Kc一曾经指出，在可压缩气流中，爆炸波的
传播不是仅有一个间断(特征线)，而是三个问断。
根据这一理论，将炉膛内可燃气体一空气混台
气体爆燃状态用x，t平面座标图描绘(见图1)。
t 2、 ／
、 、|
／ 、n ／^
? ／
＼ ／／
O^一强问断；0B_I稳定间断； c0D一弱间断
图1 可螺l气体一空气混合气体爆燃状态图
从而建立起气体流动元的基本方程：
(1)运动方程：
aU aU l aD
一 蓉
(2)连续性方程：
害蓄 +u塞蓉 +塞磊 P ：o
(3)热流方程(爆燃瞬间与外界无热交换，属绝
热过程，熵不变)：
鲁( )+u ( )：o
以上各式中：
r一距离，m；
一气流速度，m／s；
p_-绝对压力，Pa；
体密度，k∥m3；
卜一时间，s；
K一绝热指数，K=1．66(单原子气体)，K：1．4
(双原子气体)，K：1．29(多原子气体)。
从工程热力学可知：
气体的当地音速a √K
以CK= a2：K 代入上述基本方程
．
．
．
a2：K卫：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
则运动方程式右边吉 可表达为：
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
热流方程可表达为：
+u ：o
连续性方程可表达为：
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丽 K )J + 8o=0
2 l aa 2 l aa K l
-l -】 一i
(害+u塞)+ 8o：o
K去 鱼a + u +i8o：0 一1 a t‘K—l a孤‘孤一
两边均乘以 ，得：
a
8o
T +粤+u ：0
变换新变量后的基本方程式为：
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第19卷第3期 煤气与热力 ·43·
3．2
aU
．
aU 2a aa a2 l ac
夏 K-一1夏一 u
—K +粤+ ”磊 ：0
謇+u耋=o
计算公式
将基本方程积分，使其满足(x，t)平面内特征线
的条件，可以得到如下计算公式：
(1)满足强间断的条件
：u】 i 2 1
．
2
一a2)= 2 1- 2一a})(1)
=pI+ pI( 一a2) 【丽杰K-1 ’ 2~、aNj 2 (23)
N= (只适用于爆燃情况)
其中：So—爆燃瞬间火焰传播速度，m／s。
通过模拟实验确定，对于各种可燃气体一空
气混合气体，建立s 与y (浓度)的关系曲线。
(2)满足稳定间断条件
[ ]=0，即 = (4)
[P ]=0，即 =P (5)
(3)满足弱间断条件
在 COD范围
u+ a=常数
在OC线上
u= 0 高 高8．2
在OD线上
u =
a 8．2
2 r 2 r
” i
又 ‘u a= a2(OD线、OC线同在
COD，应满足其条件)。
2 2 ，
- ’ 西
即 √ √ c
(4)流动元穿过弱间断熵不变，得：
¨_
P2
：
P2 (7)
一
(5)从工程热力学可知，爆燃后的气体状态方程
为：
P2=Z~RT2 (8)
式中：R一气体常数，kJ／kg·K；
Z一压缩因子。
按Tr= 和P =
查通用性图表得z。
其中：P 一临界压力，Pa；
一临界温度，K。
爆燃温度B与燃气性质、浓度以及达到爆炸极
限的燃气量(即占炉膛容积的百分数)有关，通过模
拟实验确定。对于各种可燃气体一空气混合气体，
建立 —y 、B—vT(容积百分数)关系曲线。
由式(1)～(8)可求得8个未知数：u 、P 、to 、 、
P2、＆、也、P2。
P2即为本文所研究的爆燃强度。
4 计算结果分析
(1)爆燃强度与燃气特性有关
1)不同种类的燃气密度不同。如人工煤气的
密度约O．45 kg／m3，天然气的密度约O．72 kr,／m3，液
化石油气的密度约2．2 l 。
2)不同性质的燃气绝热指数不同。如人工煤
气主要可燃组分CO、H2等双原子气体，K=1．4；天
然气、液化石油气均为多原子气体，K：1．29。
3)各种燃气爆燃火焰传播速度 也是不同
的。
4)各种燃气的音速a亦不相同。
(2)爆燃强度与混合气体的浓度有关
众所周知，在炉膛内产生爆燃，必须同时具备两
个条件，其一是燃气一空气混合物在爆炸极限范围
内；其二是一定的温度。
各种燃气各有其爆炸上、下限。如氢( )爆炸
上限75％ ，下限4．0％；甲烷(C也)爆炸上限15％ 、
下限5％等。爆燃时可燃气体浓度越大，爆燃温度
就会越高，所以爆燃强度也就越大。
(下转第54页)
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· 54· 煤气与热力 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页)
(3)爆燃强度与炉膛内同时参与爆燃的混合气
体容积有关。
炉膛内局部区域的混合气体达到爆炸极限而引
起爆燃，与整个炉膛全部充满达到爆炸极限的混合
气体而产生爆燃，其爆燃强度是不相同的，参与爆燃
的量越多，爆燃温度越高，所以爆燃强度也就越大。
5 结 语
燃气锅炉炉膛爆燃时，由于爆燃强度不同，其后
果也不相同。有的造成炉墙倒塌等恶性事故，有的
产生轻微破坏，有的则无任何影响。
不管后果如何，就爆燃现象本身而言，存在着很
大的危险性，应从以下几个方面采取防范措施：
(1)在锅炉运行方面，应严格执行运行操作规
程、安全规程和岗位责任制，杜绝发生爆燃现象；
(2)锅炉设计制造方面，要根据炉膛爆燃强度
计算结果，进行锅炉结构和防爆设计；
(3)在锅炉房设计方面，应设计可靠的燃烧自
动控制和安全控制装置及系统，以确保使用安全。
参考文献
匕]丑E咖q K．，H 订 删驯mⅢ蜘丑】 雠肌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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