Matlab仿真技术在锅炉爆炸定量安全评价中的应用

2012-07-03路银川

制造业自动化 2012年4期

陈良，路银川

（中州大学，郑州 450044）

0 引言

安全评价也称为安全性评价、危险评价或风险评价。通过安全评价可以找出生产过程中潜在的危险有害因素，认识潜在事故的严重程度，并确定降低危险的方法[1]。

随着计算机技术水平的提高，安全评价中定量计算的要求增高，计算难度增大，数据量增多，这些不利因素限制了安全评价行业中定量分析的广泛应用。Matlab作为一种简单、高效、功能强大的计算和绘图语言，不但易学易用，而且能够满足安全评价中科学计算和绘图的需要。

1 锅炉爆炸机理

锅炉作为种国民经济各部门生产生活中不可缺少的热能动力设备，是生产水蒸汽和高温热水的设备。然而，锅炉作为一种特殊设备，具有事故率较高、事故后果较为严重的特点。因此，防止锅炉事故尤其是爆炸事故的发生，运用安全评价的手段对锅炉进行安全分析与评价十分必要。

锅炉爆炸，是锅炉大型受压元件破裂时水汽介质释放热能形成的，通常称作水蒸汽爆炸，属于物理型爆炸范畴。锅炉在运行过程中，由于受压元件的某些部位超过了材料的极限强度，薄弱处发生断裂，储存在锅炉中的饱和水蒸汽就会立即从破口处冲出来，瞬间锅内压力降至外界大气压力。由于气压骤减，使锅内一部分饱和水剧烈汽化、膨胀，造成压力再次升高，裂口进一步扩大。

锅炉爆炸时所释放的能量大部分以冲击波的形式作用于周围环境，造成建筑物的破坏及人员伤亡[2]。爆炸发生时，周围的空气受到冲击而发生扰动，状态（压力、密度、温度等）发生突跃变化，这种扰动在空气中传播就成为冲击波。多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。因此，超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的伤害或破坏。不同的冲击波超压对周围的人和物的危害不同。一定超压的冲击波对人体的伤害作用见表1[3]。

表1 冲击波超压对人体的伤害作用

2 实例分析

2.1 模拟对象介绍

本文针对某发电有限责任公司两台自然循环蒸汽锅炉，型号为DG1025/18.2-Π4-540/540，进行物理爆炸的事故模拟。

锅炉汽包压力为P=18.2MPa，总长22.25m，汽包直边段长L=20.168m，内直径Di=1.792m。锅炉汽包的事故放水进口设置于正常水位线处，在汽包中心线以下100mm，经计算汽包容积为53.879m3，蒸汽空间容积V=31.802m3，水空间容积22.078m3，对应汽包压力的水的质量为W=11830kg。

2.2 爆炸能量计算

锅炉爆炸的能量E主要包括两部分：干饱和水蒸汽的爆炸能量Eg和高温饱和水的爆炸能量Ew。

1）干饱和水蒸汽的爆炸能量Eg计算

因干饱和水蒸汽爆炸时仅在瞬间发生泄压，来不及与外界发生热量交换，因此是一绝热膨胀过程，其爆炸能量为理想气体绝热膨胀所产生的能量E：

式中Eg为气体的爆破能量，kJ ；P为容器内气体的绝对压力，MPa ；V为容器的容积，m3，k为气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比；对于干饱和蒸汽k =1.135。

2）高温饱和水的爆炸能量Ew计算

锅炉破裂后，原来处于气液平衡的饱和液体在压力下降到大气压力时温度超过了大气压力下的沸点（也称过热），过热状态的水急剧蒸发沸腾，体积激烈膨胀而引发爆炸。高温饱和水的爆炸能量：

式中Ew为高温饱和水的爆破能量，kJ；H1为爆炸前压力和温度下饱和水的焓，kJ/kg；H2为在大气压力下饱和水的焓，kJ/kg；s1为爆炸前压力和温度下饱和水的熵，kJ/kg .℃；s2为在大气压力下饱和水的熵，kJ/kg .℃；T1为介质在大气压力下的沸点，kJ/kg.℃；W为饱和水的质量，kg。在实际应用时，饱和水的爆破能量可按下列经验公式近似计算：

式中，Vw为爆炸前锅筒容纳饱和水的体积，m3；Cw为饱和水的爆炸能量系数，KJ/m3。查《不同压力下单位体积饱和水及饱和蒸汽爆炸能量》得18.2MPa下的饱和水的Cw为1.92×105KJ/m3。

2.3 爆炸冲击波超压计算

将锅炉爆炸能量换算成TNT当量q，1Kg TNT炸药的爆炸当量为4500KJ，即：

式中：q为TNT当量，kg。

实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果目标与爆炸中心距离R与目标与基准爆炸中心的相当距离R0之比与爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量q与基准炸药量q0之比的三次方根相等：

P为目标处的超压，MPa；P0为基准目标处的超压，MPa；为炸药爆炸试验的模拟比。

表2 1000kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压

2.4 爆炸死亡人数的计算

通过爆炸的事故后果模型得出计算位置处的冲击波超压数值，进而由冲击波超压概率方程确定死亡率。

冲击波超压伤害概率方程通常使用Purdy等人的经典概率方程：

式中：ΔP冲击波超压，MPa；Y冲击波超压概率。

按式（6）求出冲击波超压概率Y，然后根据Y与死亡率的换算关系[4]，求出死亡率。本例中人口密度选择均匀分布0.04人/m2。

2.5 锅炉爆炸事故危害半径的近似计算

1）锅炉爆炸能量的计算：根据公式（1）（2）分别计算出干饱和蒸汽和饱和水的爆炸能量，锅炉总的爆炸能E为两者之和。

2）将锅炉爆炸能量换算成TNT当量q：根据公式（4）其关系为q = E/4 500。

3）根据公式(5)求出爆炸的模拟比α。

4）求出1000 kg TNT爆炸试验中的相当距离Ro = R/α。

5）根据Ro值在表2中找出距离在Ro处的超压ΔPo (中间值用插入法)，此即所求距离为R处的超压。

6）根据超压ΔPo值，从表1中找出对人员的伤害作用。

按上述步骤计算出的有关数值见表3。

表3 锅炉爆炸事故危害半径近似计算结果表

2.6 Matlab得到的仿真结果

该实例，Matlab软件得到的仿真结果如图1、图2所示。

图1 采用matlab设计的计算界面

由图1得出，利用Matlab软件得到了锅炉爆炸死亡半径内的死亡人数是1.2798，死亡半径54.796米，重伤半径73.5671米，轻伤半径94.7074米，与理论计算得到的结果一致。

3 结束语

运用Matlab仿真技术对实际存在的锅炉爆炸事故进行了仿真模拟，使一个原本复杂的理论计算问题以很直观的状态呈现出来。计算模拟过程简单，快捷，重要的是matlab软件容易掌握，为实践中进行定量评价提供了依据。事故的模拟分析结果对企业减少安全投资、增加安全设施的针对性、减轻事故损失以及在编制应急救援预案方面有积极作用，在重大危险源监控和管理过程中，事故的模拟分析结果也有重要的意义。