基于计算分析的燃气爆炸危险区域等级划分

1 概述

爆炸危险环境是指在大气条件下，气体、蒸气、粉尘、薄雾、纤维或飞絮与空气形成的混合物引燃后，能够保持燃烧自行传播的环境。爆炸危险区域划分通常用于确定在该区域内所选用电气设备的防爆安全性能要求。在城镇燃气领域，根据相关规范对输配系统生产区域用电场所的爆炸危险环境区域等级和范围进行划分，以及燃气的点燃温度组别，选择相适应的防爆电气型式，以保证该场所发生燃气泄漏时不会因电气设备可能产生的火花引发爆炸安全事故。上述应用基于较为简化的定性分析，并根据规范提供的典型场景图例进行爆炸危险区域划分，便于具体工程设计的执行。

基于燃气泄漏扩散和通风效果定量分析进行爆炸危险区域划分的方法，不局限于参考套用典型场景图例，适用于各种不同场景，有利于提高防爆分区划分的科学合理性。本文仅针对计算分析方法在燃气爆炸危险区域划分的应用进行探讨，不研究上述区域内的电气防爆设计。本文中的压力均指绝对压力。

2 爆炸危险区域划分方法

GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》规定了在生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸危险环境的爆炸危险区域划分及电力装置设计。GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(2020年版)附录D、附录E分别规定了燃气输配系统生产区域和液化石油气站用电场所的爆炸危险区域等级和范围划分要求。GB 3836.14—2014《爆炸性气体环境 第14部分：场所分类》规定了可能出现可燃气体、蒸气或薄雾的危险场所分类，作为正确选择和安装这些危险场所用电气设备的基础。

我国在爆炸危险区域划分的技术标准制定过程中参考了一些国际标准和国外影响力较大的标准，比如国际电工委员会标准IEC 60079-10-1《爆炸性环境 第10-1部分 区域分类—爆炸性气体环境》、美国国家防火协会标准NFPA 497《化学加工区电气装置 可燃液体、气体或蒸气及危险场所划分推荐做法》、美国石油学会标准APIRP 500《石油设施电气装置场所I级1区和2区区域划分推荐做法》

。

国内外相关标准对于爆炸性气体环境危险区域划分的原理均基于可燃气体释放源在空间内的释放扩散和通风稀释效果的研判，但应注意此项理论不适用于灾难性故障，比如管道、容器、设备的破裂和损坏等。具体方法如下。首先需要确定空间内是否存在可燃气体释放源，并按照释放源的释放频繁程度和持续时间确定释放源等级，比如GB 50058—2014第3.2.3条将可燃物质释放源分为3个等级：连续级释放源是连续释放或预计长期释放的释放源；一级释放源是正常运行时，预计可能周期性或偶尔释放的释放源；二级释放源是正常运行时预计不可能释放，当出现释放时，仅是偶尔和短期释放的释放源。然后分析释放源所在空间的通风条件，综合考虑释放源级别和通风条件来最终确定爆炸危险区域的类别等级。比如GB 50058—2014第3.2.5条规定，存在连续级释放源的区域可划为0区，存在一级释放源的区域可划为1区，存在二级释放源的区域可划为2区，且当通风良好时，可降低爆炸危险区域等级，通风不良时，则应提高爆炸危险区域等级。

为简化工作、便于执行，GB 50058—2014和GB 50028—2006的附录以示例图的方式给出了爆炸危险区域的划分依据，示例图中明确了室内外不同介质特性和通风条件下的爆炸危险区域等级和具体范围，其中对于存在释放源的室内场所，该房间及与其有门窗直接连通的其他房间全部划分为同一危险区域和等级，通过门、窗、洞口与该房间直接连通的室外区域一定范围内也需划入危险区域；对于存在释放源的室外场所，以装置或设备为释放源中心，在一定的半径和高度范围内划定危险区域和等级。

GB 3836.14—2014等同采用IEC 60079-10-1：2008，GB 3836.14—2014提出爆炸危险区域范围是爆炸性物质在空气中扩散到其体积分数低于爆炸下限之前形成的爆炸性环境，危险区域范围依据计算或估算确定，并给出了爆炸危险环境释放源和通风的多项指标计算方法。多项指标包括释放源的释放速率、达到危险浓度的释放时间、稀释危险物质所需的新鲜空气流速、爆炸气体的假定体积、危险场所通风换气效率等。其理论逻辑是爆炸危险环境的通风条件对释放源产生稀释作用的效果越有效，危险区域的范围就越小，通风的可用性将影响爆炸危险环境的形成，也会影响到区域类型等级的划分。在实际执行过程中，该标准存在两方面问题导致难以完成计算分析，一是未给出释放源释放距离的计算方法，无法支撑其提出的需通过计算确定危险范围量化指标的基本理念；二是缺少部分关键参数选取或计算的依据，包括释放源孔径的选取依据，以及评估通风可用性时确定通风速度、稀释效果等的依据。

IEC 60079-10-1：2020对相关计算方法和参数的选取进行了修改完善，本文关于燃气爆炸危险环境分区计算的探讨主要基于该标准。

L*、a、b值测定结果如图4。烘焙0～40 min过程中，a值呈现先升高再降低而后继续升高的趋势，且a不带壳＞a带壳；b值持续降低，30 min后降低速度趋于平缓；L*值持续降低，30 min后降低速度趋于平缓，且L*带壳＞L*不带壳。说明烘焙过程中伴随着呈色物质的分解和生成，且对不带壳种籽衣影响更为剧烈。Davis等[24]研究了烘焙（166 ℃，0～77 min）对花生种籽衣颜色的影响，表明在烘焙过程种籽衣颜色明显变暗，并推测是由烘焙过程中美拉德反应引起的。

3 燃气爆炸危险环境分区的计算

3.1 释放源等级

燃气工艺系统中较为典型的释放源包括：管道法兰、螺纹、卡套等机械接口的密封面，阀门、压缩机、泵等工艺设备的密封件。安全放散阀阀口、气瓶灌装口、管道或设备的焊接接口一般不作为释放源考虑。燃气工艺系统中典型释放源的分级如下。

斜撑杆配合稳固滑块进行调整支撑，主要辅助承受边相导线自重。支架整体安装在电杆后，可承受导线部分重量，减少导线与绝缘子连接部位所受剪切力。

① 连续级释放源

固定顶储罐中液相燃气的上表面。

② 一级释放源

a. 预计正常运行期间可能释放燃气的烃泵、压缩机、阀门的密封点；

b. 预计正常运行操作时可能释放燃气的气体取样点、气瓶灌装口；

随着社会信息化水平的不断提高，各种高新技术被广泛应用于建筑物中，使建筑物满足最基本的居住办公等生活需要后，更加智能高效和节能。根据GB/T 50314—2006《智能建筑设计标准》中的定义，智能建筑是指以建筑物为基本载体，并将现今信息网络技术、材料、系统及各种功能集成到建筑中，使建筑具备感知、传输和记忆等能力，在满足人们日常生活办公需求的同时，具有更加安全、便捷和环保的功能。

GB 3836.14—2014没有提供释放孔径推荐值，需查询其他标准或参考经验数据、借助故障树分析等方法来确定

。

③ 二级释放源

a. 预计正常运行期间不会释放燃气的烃泵、压缩机、阀门的密封点；

b. 预计正常运行期间不会释放燃气的法兰、连接件和其他附件；

通风稀释效果可通过图1进行评估。

3.2 释放速率

释放速率是影响危险区域范围的最重要因素，释放速率越高，危险区域的范围越大。燃气泄漏释放时，可能形成高速喷射流或低速扩散流的状态，具体主要取决于燃气释放压力和释放孔径。燃气的相对密度、燃气与所处环境中空气的混合程度及空气流动情况对泄漏燃气形成爆炸危险条件具有关键影响。

① 释放孔径

释放速率与释放孔径相关，对孔径的不适当估计可能导致对危险区域范围的严重误判，需要谨慎估算释放孔径。实际情况下，燃气工艺系统的大多数释放源孔口是不规则形状，IEC 60079-10-1：2020给出了常见泄漏释放源孔口等效面积的推荐值，见表1，并提出在计算释放速率时乘以流量系数作为补偿，以修正按照规则圆孔计算释放速率可能引起的数据失真。

2.抓住重点，跟踪监督，强化外部项目经济活动的有效制约和监管。外部项目部经济活动频繁，环节众多，要使外部项目始终处于严密监管状态，必须把合同管理、分包管理、物资采购和设备租赁、资金管理作为监管重点，严格监督检查，查找管理漏洞，做到项目各类重大经济活动始终处于受控运行。

表1中的区间值选取可根据具体条件酌情确定，比如在远低于设计压力的工况下，选择区间范围内的低值为宜；腐蚀性环境及存在振动、温度急剧变化等不利条件时，选择区间范围内的高值为宜。

c. 预计正常运行期间可能释放燃气的泄压阀阀口。

② 释放速率

人力资源信息化建设是一项需要巨大资金投入的大工程，企业应在充分认清自身经济实力的前提下，有计划分步骤地实施人力资源管理信息化，坚决杜绝半途而废，雷声大雨点小等情况的发生。 在企业信息化建设过程中，要根据企业规模的扩大，适时调整信息化机构的建设，并增加相应的投入，以保证企业信息化水平始终适应企业发展需要，还要以实用为前提，以建立多功能、全方位、反应灵敏信息资源网络系统的原则，不做形象工程，确保资金充足的前提下，将每一分钱用在刀刃上。

燃气在容器或管道内部的压力

高于临界压力

时，气体孔口释放为阻塞流状态，理论释放速度等于气体声速；压力

不高于临界压力

时，气体释放为非阻塞流状态，理论释放速度为亚声速。临界压力按下式计算：

(1)

式中

——临界压力，Pa

——摩尔气体常数，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

——多变指数

(2)

式中

——摩尔质量，kg/mol

——比定压热容，J/(kg·K)

——环境压力，Pa

燃气在非阻塞流状态亚声速释放，释放质量流量按下式计算：

如果不定期描迹，钛合金中硅含量的测定结果会漂移，测定准确度下降，主要是随着分析环境和时间变化(分光装置中温度变化等)，光谱中硅元素的谱峰会出现偏差。定期描迹，通过转盘移动描迹位置，固定狭缝位置，调整峰位置偏差。若计算出的描迹值与上次相比偏差大于±2时，则需要重新描迹。

(3)

式中

——燃气释放质量流量，kg/s

——流量系数，近似圆形的释放源规则孔口取0.95～0.99，不规则释放源孔口取0.50～0.75

——释放源孔口等效面积，mm

2008年普京转任俄总理，但其政党政治改革战略得以延续，继任总统梅德韦杰夫以深化政治体制改革的方式在普京诸项改革所取得的成效的基调上进一步推进了政党的现代化建设。2012年俄罗斯迈入新普京时代后，同年4月《政党法》修正案正式生效，政治体制改革在稳健步调下继续实行，2014年经俄国家杜马的最终审议，新《俄罗斯国家杜马代表选举法》通过并于2016年得以落地实施，以此来增强议员的地区代表性，国家杜马代表选举制度因而获得了进一步完善。

——室内空间的宽度(或长度)，m

——燃气在

、

条件下的压缩因子

——燃气温度，K

燃气在阻塞流状态声速释放，释放质量流量按下式计算：

(4)

释放流量按下式计算：

(5)

式中

——释放流量，m

/s

——环境条件下燃气密度，kg/m

(6)

式中

——环境温度，K

4月22日，水利部抗震救灾前方领导小组成立临时党支部，由水利部抗震救灾前方领导小组组长、国家防办副主任李坤刚担任临时党支部书记。

GB 3836.14—2014中释放速率计算公式未体现流量系数，仅举例说明了不考虑释放源几何形状的计算通常将得出保守的结果。

3.3 通风稀释效果

燃气释放源所在环境的通风条件对释放源周围爆炸性气体的稀释效果起关键作用。比如对于一定释放速率的释放源，如果环境通风条件很好且通风效率足够高，释放气体体积分数可能无法达到爆炸下限，则爆炸危险区域的范围能够减小到可以忽略的程度，并被视为非危险区域。

通风条件的稀释效果由两项参数决定——稀释释放源所需新风的最小体积流量、通风速度。

① 稀释释放源所需新风的最小体积流量

It is worth noting that there is also the Hadamard shift invariance relationship in the whole array,which is composed of two NLAs Xaand Ya.Hence,by defining two selection matrices

采用统计软件SPSS17.0进行统计分析,计数资料(n,%)x2检验,计量资料(均数±标准差)t检验,P<0.05差异具有统计学意义。

用于稀释释放源气体达到爆炸下限时所需新风的最小体积流量按下式计算：

(7)

式中

,min

——稀释释放源所需新风的最小体积流量，m

/s

——爆炸下限

② 通风速度

a.释放源处于室外露天环境时

释放源处于室外露天环境时，通风速度取风速，可基于气象统计数据确定，但是风速的气象统计数据测量点位置一般高于燃气工艺装置，且释放源所处的实际环境可能存在建构筑物、自然地貌障碍等遮挡，相对复杂的工艺装置本身也可能影响局部空气流动，采用风速的气象统计数据时需要考虑折减系数，具体取值存在一定的难度。IEC 60079-10-1：2020给出了室外通风不受阻区域风速推荐取值(见表2)以及室外通风受阻区域风速推荐取值(见表3)。

b.释放源处于室内环境时

事实上，重庆市对数字出版业的资金支持力度整体不强，且较为分散，无法形成合力，共同推进数字出版业的发展。

释放源处于室内环境时，通风速度可按下式计算：

(8)

式中

——通风速度，m/s

0

——单位时间通风换气量，m

/s

——容器或管道内的燃气压力，Pa

——室内空间的高度，m

(9)

式中

——室内通风换气次数，次/h

——室内空间容积，m

通风对释放气体产生的稀释效果可通过稀释度进行评估，稀释度分为3个等级：高稀释度：释放源附近的气体浓度快速降低，释放停止后，危险区域基本不具有持续性；中稀释度：释放源附近的气体浓度可以得到控制，危险区域形成稳定的边界，释放停止后，爆炸危险环境不会过度持续；低稀释度：释放源在释放过程中显著聚积，或释放停止后爆炸危险环境显著持续存在。

③ 稀释度

c. 预计正常运行期间不会释放燃气的放散口、通气口或其他开口。

稀释释放源所需新风的最小体积流量与释放源的释放流量成正比，因此图1直观体现了释放源释放流量和通风速度对实际通风稀释效果的影响。当释放流量足够大时，即使有较高的通风速度也不能使通风稀释达到很好的效果。

稀释度还应考虑释放源气体平均背景体积分数

，室外环境或高度通风的室内环境可忽略释放源气体平均背景体积分数。更小的

表明更理想的通风稀释效果。释放源气体平均背景体积分数

按下式计算：

(10)

式中

——释放源气体平均背景体积分数

——通风混合系数，取值1.0～5.0

但是近些年来，随着社会发展速度的加快，为了满足现代企业对信息化发展的需求，编程语言必须在现有基础上实现便捷性和安全性的发展，扩大编程语言的使用范围，为编程语言的进一步发展提供良好的发展环境，真正实现其可持续发展。

通风混合系数

体现了释放源气体与空气的混合程度，混合程度高意味着通风向室外带出释放源气体更多，通风效果更好。释放源气流受阻不明显时，可视为高效混合，

取值1.0；释放源气流受阻严重时，视为低效混合，

取值5.0。

理想情况下，将释放源气体体积分数控制在爆炸下限以下即可避免爆炸危险环境形成，为便于分析

的危险程度，可假定爆炸下限以下的任意体积分数为预期控制危险体积分数临界值

，与计算得到的

进行比较。当

>

时，表明预期室内通风的稀释度低，爆炸风险高于预期，此时不适合使用图1评估稀释效果。

喜姑与二狗伢的结合，完全是靠了山歌为媒，自那回在屋后菜园里与二狗伢对了歌又对了嘴，两人就一发而不可收了，没过多久，喜姑的肚子悄悄地鼓了起来，她的父母见女儿生米煮成熟饭，而且还坐了喜，彩礼都来不及要，赶紧把女儿嫁了。

实践中，可根据具体情况参考专业技术规范提出的几项关键体积分数取值选择

。比如：GB 50058—2014第3.1.3条第3款第4项规定，爆炸性气体体积分数接近爆炸下限的50%时，监测装置应能可靠地发出信号；第3.2.2条第2款规定，可燃物质可能出现的最高体积分数不超过爆炸下限10%的区域可划分为非爆炸危险区域。GB 50028—2006第9.4.20条规定，爆炸危险场所燃气浓度报警器报警体积分数应取爆炸下限的20%。

3.4 通风可用性

通风可用性分为3个等级：良好：通风持续可靠存在；正常：正常运行期间基本保持通风，可能出现突发性的暂时中断；差：不符合“良好”和“正常”等级的通风，但预计不会长期停止。

通风可用性主要表现通风是否足够稳定、可靠。比如：室内自然通风可用性不能视为良好，这是因为室内获得持续自然通风必须在建筑物外墙或屋顶适宜的位置开设永久性的孔口，且自然通风效果很大程度上取决于室外气温和风力等不可控因素。室内能够保证连续启动的机械通风可用性至少可视为正常，当设置有备用风机且能够保障供电时，视为通风可用性良好；如果能够在通风失效时连锁切断进入室内的气源，也可视为通风可用性良好。室外露天环境中的释放源气体喷射释放时，由于稀释扩散的空间足够大，即使环境风速较低，也可视为通风可用性良好。

IEC 60079-10-1：2020关于通风条件的计算评估内容与GB 3836.14—2014存在一定差异，特别是评估通风稀释效果时，IEC 60079-10-1：2020提供了上述新方法。GB 3836.14—2014则通过计算假设体积

与释放源所在空间容积

的对比来评估稀释度，由于缺少风速

推荐值，假设体积

难以计算，且在评估室外环境稀释度时，缺少空间容积

的计算方法，实际应用难度很大。IEC 60079-10-1：2020解决了以往存在的问题。

3.5 危险区域划分

① 危险区域范围

释放源气体可能形成的危险区域范围主要取决于气体的释放速率，释放后的气流状态可分为：高速喷射释放，通常为阻塞流声速释放；低速喷射扩散释放，通常为非阻塞流亚声速释放，释放源附近存在障碍物导致高速射流碰撞减速时，可视为此种类型；地面蒸发扩散释放(本文未进行探讨)。高速喷射和低速喷射扩散释放时，稀释释放源所需新风的最小体积流量按式(7)计算，释放气体达到爆炸下限的危险区域半径可通过图2进行估算，但应注意图2是在忽略背景体积分数的条件下基于流体动力学仿真模拟(CFD)绘制，不适用于室内释放源中稀释、低稀释情况。

② 危险区域类型等级

危险区域类型等级取决于释放源等级、稀释度和通风可用性，高、中、低稀释度环境不同释放源等级和通风可用性条件的危险区域类型等级划分见表4～6。

3.6 稀释室内释放源气体所需时间估算

释放停止后，将室内释放源气体从平均背景体积分数

稀释至预期控制的危险体积分数临界值

所需的理论时间可按下式估算：

(11)

式中

——将室内释放源气体从平均背景体积分数

稀释至预期控制的危险体积分数临界值

所需的理论时间，s

——释放源停止后的事故通风换气次数，次/h

4 计算分析实例

某城市人工煤气管网完成天然气转换后，将原有的中-低压区域调压室改造为天然气次高-中压调压室，采用上述计算分析方法划分该设施室内爆炸危险区域等级。

调压室室内空间长6 m、宽4 m、高3.5 m，室内通风换气次数2次/h。调压器入口公称直径150 mm，入口压力1.5 MPa，出口公称直径350 mm，出口压力0.3 MPa，阀口节流孔径120 mm。管道之间采用焊接连接，管道与调压器之间采用法兰连接。

调压装置正常运行期间不会产生释放源，因此没有连续级和一级释放源，非正常情况下潜在的二级释放源包括法兰密封面、调压器和阀门的活动阀杆密封件。由于二级释放源在正常运行时预计不会出现，因此在分析释放源时不考虑多点同时释放的情况，只分析室内最大释放源。表1中因腐蚀等因素可能导致扩大的孔口释放源在实际运行时较常见且危害较大，因此假设调压室内可能的最大释放源为调压入口侧的球阀阀杆密封件。

计算参数如下：环境压力

=101 325 Pa，环境温度

=293 K。释放源气体为天然气，CH

体积分数按100%计算，摩尔质量

=0.016 kg/mol，压力

=1 601 325 Pa，温度

=293 K，比定压热容

=2 328 J/(kg·K)，爆炸下限为5%。释放源孔口等效面积

=2.5 mm

，孔口较不规则，流量系数

=0.75。室内自然通风产生的混合效果一般，通风混合系数

=3.0，通风换气次数

=2.0次/h。预期控制危险体积分数临界值

按气体爆炸下限的20%取值，即

=1%。通风可用性正常，

=12 次/h。

① 释放源计算

按式(2)计算得到气体多变指数

=1.29，按式(1)计算临界压力

=184 891 Pa，按式(6)计算

=0.67 kg/m

。

因为

>

，气体为阻塞流声速释放，按式(4)计算质量流量

=5.12×10

kg/s，按式(5)计算体积流量

=7.69×10

m

/s。

② 通风稀释计算

按式(7)计算稀释释放源气体所需新风最小体积流量

,min

=0.15 m

/s。

计算得到室内空间容积

=84 m

，按式(9)计算得单位时间通风换气量

0

=46.67×10

m

/s。

按式(10)计算释放源气体平均背景体积分数

=49%，远大于

，评估通风稀释效果为低稀释度。

③ 危险区域划分

调压室室内释放源为二级，通风稀释度低，通风可用性正常，根据表6，室内爆炸危险区域划分为1区。

④ 事故通风稀释所需时间

假设调压室设有紧急切断装置和事故通风装置，切断释放源后，事故通风换气次数

=12次/h，按式(11)估算将室内释放源气体从平均背景体积分数

稀释至预期控制危险体积分数临界值

所需的理论时间

=3 510 s。

5 结语

可燃气体释放源的物理特性、爆炸下限、压力、温度参数，释放源的几何形状与尺寸，释放源所在空间通风稀释效果和通风可用性均对爆炸危险程度和范围产生影响。IEC 60079-10-1：2020提出通过基于上述参数进行量化计算来划分爆炸危险区域等级，比示例图法具有更强的适应性和科学合理性，有利于在保证安全的前提下选用更加经济的防爆电气设备，并有助于评估释放源的爆炸危害和区域内的通风稀释效果，从而采取一定的措施限制爆炸危险环境中爆炸条件的形成和减轻爆炸危险程度。

[1] 项云林. 北美爆炸性危险场所新分类方法介绍[J]. 电气防爆，2005(3)：23-28.

[2] 李向光，付薇，李宝云. 浅谈国内外爆炸危险环境的电气设计[J]. 电气防爆，2014(4)：26-29.