工业锅炉爆炸事故后果模拟
发布时间：2021-03-19 05:00
锅炉作为一种能量转化设备,广泛地应用于我国国民经济生活之中。不过,由于我国工业锅炉数量逐渐增多,工业锅炉爆炸事故的次数也随之逐渐增多,造成严重的经济损失和人员伤亡,甚至引起严重的二次爆炸。因此,本文针对工业锅炉爆炸事故后果进行研究,对于探究锅炉爆炸载荷对工业锅炉房的围护结构体系的冲击作用提供一定的理论依据。本文首先分析了典型的工业锅炉内部结构,根据锅炉爆炸机理的差异性,将锅炉爆炸事故归纳为炉膛爆燃事故和锅炉汽水爆炸事故,并分别阐述了炉膛爆燃事故、锅炉汽水爆炸事故的成灾机制及爆炸事故后果的主要表现形式。然后运用FLACS软件模拟炉膛内可燃气体的爆燃过程,探究了燃气浓度、燃气种类和锅炉额定功率对可燃气体爆炸强度的影响。模拟结果表明,炉膛内可燃气体爆炸强度随燃气浓度的增加呈现先增加后减小的规律,在化学计量浓度chy约1.0～1.1倍处达到最大值;不同燃气种类在炉膛内爆燃产生的爆炸强度相差比较大,爆炸强度指标随锅炉额定功率的增加而增加。再对锅炉沸腾液体蒸汽爆炸的爆炸能量进行分析,采用TNT当量法、TNO多能模型来探究了锅炉水容量、锅炉额定蒸汽压力对锅炉汽水爆炸所形成的爆炸冲击波的峰值超压和冲量...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文技术路线图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-12-图2-5炉膛爆燃机理2.2.2锅炉汽水爆炸机理对于中小锅炉而言，其汽水系统的爆炸事故的主要诱因往往是由缺水和超压。本小节分别从锅炉缺水和超压两个方面揭示其中的爆炸机理。（1）锅炉缺水爆炸机理：当锅炉在运行过程中，长时间处于严重缺水的干烧现象，就会导致锅炉处于一个高温炙热的状态，导致锅筒和烟管等的抗拉强度、刚度、弹性模量和抗失稳能力均会大幅度下降。如果此时，对锅炉进行补水，锅炉内的高温钢板遇到冷水后，会急剧收缩导致锅炉失稳，同时，冷水因受热也会瞬间汽化，从而产生大量的水蒸汽。此过程中，如果锅炉壳壁承受的弯曲应力不均匀，会在相对薄弱的位置出现破裂，导致锅炉内部的能量得以瞬间释放，进而发生锅炉汽水爆炸事故。（2）锅炉超压爆炸机理：由于锅炉部件出现磨损、腐蚀等现象，导致锅炉受压部件的承压能力低于工作压力。此时，锅炉处于额定设计压力下的运行状态，锅炉的薄弱位置依然会出现破裂，导致锅炉内大量的高温高压的水蒸汽瞬间喷出，由于不均匀的喷射，导致锅炉本体抛离原地数十米的距离。另外，当锅炉长期处于超过额定压力下运行时，一旦安全阀门失效或者操作失误，就会导致锅炉的运行压力不断升高；当超过锅炉部件的极限承受压力时，也会发生锅炉超压爆炸。锅炉超压爆炸事故与锅炉缺水导致的爆炸事故虽在爆炸诱因方面略有不同，但其本质均为将锅筒（汽包）内的汽水混合物暴露在大气压力下，使高温、高压的汽水混合物急剧蒸发膨胀，迅速释放出汽水混合物中的全部能量，转化为机械能的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-20-似看作绝热过程；（2）炉膛发生爆燃时，产生的大量烟气来不及排出炉膛，可将炉膛视为一个密闭空间；（3）在整个爆燃反应的过程中不存在泄压、换热问题。3.2.1炉膛几何尺寸根据单回程螺纹烟管4.2MW卧式燃油（气）锅炉本体结构的设计图纸（详见图3-6）以及在工厂车间实地测量的相关尺寸数据，采用FLACS中的前处理软件CSAD构建炉膛结构的三维模型，如图3-1所示。图3-1炉膛三维模型图1─炉胆；2─烟管；3─回燃室；4─泄压区域；炉膛模型的尺寸说明：炉胆为锅炉的燃烧室，燃油（气）在炉胆内完成燃烧过程，形成烟气，其直径为0.95m，长度为3.750m。炉胆的前端为燃烧器的喷嘴安装位置，也就是燃油（气）的点火区域。高温高压的烟气从炉胆后部离开后进入回燃室，其形状由一个高度为0.662m的长方体和两个半径为0.635m的半圆形圆柱体组成。烟气在回燃室进行折返，进入烟管，其直径为57mm，长度为3.5m，共计57根。回燃室的后端为泄压区域，专门用于安装防爆门的位置，其直径为1.06m，长度为100mm。3.2.2参数设置通过对参数的设置，模拟炉膛内积存的大量燃气爆燃过程，所以将整个炉膛空间设置为充满着爆炸性混合气体模式，同时默认燃料区域内的可燃混合气体均匀分布，其浓度保持不变。当火焰传播时，可燃混合气体处于紊流状态。为模拟紊流火焰传播时，需初始条件设置为低湍流条件。点火位置需设置在点火区域内。相关参数如下所示：（单位：m）（1）监测点布置坐标：1P（-3.75，0，0）、2P（-1.8，0，0）、3P（0.3，0，0）；
本文编号：3089146
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
本文技术路线图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-12-图2-5炉膛爆燃机理2.2.2锅炉汽水爆炸机理对于中小锅炉而言，其汽水系统的爆炸事故的主要诱因往往是由缺水和超压。本小节分别从锅炉缺水和超压两个方面揭示其中的爆炸机理。（1）锅炉缺水爆炸机理：当锅炉在运行过程中，长时间处于严重缺水的干烧现象，就会导致锅炉处于一个高温炙热的状态，导致锅筒和烟管等的抗拉强度、刚度、弹性模量和抗失稳能力均会大幅度下降。如果此时，对锅炉进行补水，锅炉内的高温钢板遇到冷水后，会急剧收缩导致锅炉失稳，同时，冷水因受热也会瞬间汽化，从而产生大量的水蒸汽。此过程中，如果锅炉壳壁承受的弯曲应力不均匀，会在相对薄弱的位置出现破裂，导致锅炉内部的能量得以瞬间释放，进而发生锅炉汽水爆炸事故。（2）锅炉超压爆炸机理：由于锅炉部件出现磨损、腐蚀等现象，导致锅炉受压部件的承压能力低于工作压力。此时，锅炉处于额定设计压力下的运行状态，锅炉的薄弱位置依然会出现破裂，导致锅炉内大量的高温高压的水蒸汽瞬间喷出，由于不均匀的喷射，导致锅炉本体抛离原地数十米的距离。另外，当锅炉长期处于超过额定压力下运行时，一旦安全阀门失效或者操作失误，就会导致锅炉的运行压力不断升高；当超过锅炉部件的极限承受压力时，也会发生锅炉超压爆炸。锅炉超压爆炸事故与锅炉缺水导致的爆炸事故虽在爆炸诱因方面略有不同，但其本质均为将锅筒（汽包）内的汽水混合物暴露在大气压力下，使高温、高压的汽水混合物急剧蒸发膨胀，迅速释放出汽水混合物中的全部能量，转化为机械能的
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-20-似看作绝热过程；（2）炉膛发生爆燃时，产生的大量烟气来不及排出炉膛，可将炉膛视为一个密闭空间；（3）在整个爆燃反应的过程中不存在泄压、换热问题。3.2.1炉膛几何尺寸根据单回程螺纹烟管4.2MW卧式燃油（气）锅炉本体结构的设计图纸（详见图3-6）以及在工厂车间实地测量的相关尺寸数据，采用FLACS中的前处理软件CSAD构建炉膛结构的三维模型，如图3-1所示。图3-1炉膛三维模型图1─炉胆；2─烟管；3─回燃室；4─泄压区域；炉膛模型的尺寸说明：炉胆为锅炉的燃烧室，燃油（气）在炉胆内完成燃烧过程，形成烟气，其直径为0.95m，长度为3.750m。炉胆的前端为燃烧器的喷嘴安装位置，也就是燃油（气）的点火区域。高温高压的烟气从炉胆后部离开后进入回燃室，其形状由一个高度为0.662m的长方体和两个半径为0.635m的半圆形圆柱体组成。烟气在回燃室进行折返，进入烟管，其直径为57mm，长度为3.5m，共计57根。回燃室的后端为泄压区域，专门用于安装防爆门的位置，其直径为1.06m，长度为100mm。3.2.2参数设置通过对参数的设置，模拟炉膛内积存的大量燃气爆燃过程，所以将整个炉膛空间设置为充满着爆炸性混合气体模式，同时默认燃料区域内的可燃混合气体均匀分布，其浓度保持不变。当火焰传播时，可燃混合气体处于紊流状态。为模拟紊流火焰传播时，需初始条件设置为低湍流条件。点火位置需设置在点火区域内。相关参数如下所示：（单位：m）（1）监测点布置坐标：1P（-3.75，0，0）、2P（-1.8，0，0）、3P（0.3，0，0）；
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