CN111881588A - 基于最小点火能的爆炸风险量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最小点火能的爆炸风险量化方法,包括以下步骤:1)获取可爆物的最小点火能的原始数据;2)对获取的可爆物最小点火能的原始数据进行标准化处理,得到可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重,并将爆炸风险权重的值作为可爆物在对应浓度下的爆炸风险值;3)对可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,得到可爆物浓度与爆炸风险值之间的函数关系;4)模拟可爆物在不同工况条件下的浓度分布场,得到对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场;5)根据获得的可爆物浓度分布场对爆炸风险值进行局部或整体积分,得到局部或整体爆炸风险积分值,该爆炸风险积分值用于量化在某一工况条件下的不同时刻对应的爆炸风险的大小。

Description

基于最小点火能的爆炸风险量化方法
技术领域
本发明属于防爆安全技术领域,具体的为一种基于最小点火能的爆炸风险量化方法。
背景技术
可燃可爆的物质种类繁多,包括粉尘(如铝粉、镁粉、煤粉等)、可燃气体(如甲烷、氢气等)等,这些可爆物大面积和空气接触会引发爆炸的危险,如何对其发生扩散后的爆炸风险进行量化尤为重要。
公开号为CN110059949A的中国专利申请公开了一种基于突变理论的的铝粉爆炸风险评估方法,该方法首先通过对影响铝制品厂的相关主要影响因素进行初步测评与计算,然后通过风险评估系统进行二次评估。风险等级评价系统借助于突变理论构建层次结构模型,对评价目标进行多层次分解,实现了工厂安全等级评价与动态评价。
公开号为CN105893758A的中国专利申请公开了一种WMNT瓦斯爆炸灾害风险评价方法,该方法通过确定风险指标体系中的各指标的权重向量,得到计算指标隶属度矩阵,进而判断瓦斯爆炸灾害的风险等级。
公开号为CN110738412A的中国专利申请公开了一种居民户内燃气爆炸风险评估方法及装置,该方法获取户内燃气系统缺陷的风险值S、人员安全意识影响值E,承灾体易损性分析值B、控制力系数K、应急救援补偿因子γ、累计隐患修正因子τ、季度修正因子μ,建立居民户内燃气爆炸风险计算模型
Figure BDA0002610129160000011
进而评估居民户内燃气爆炸风险。
以上对于铝粉及燃气的爆炸风险的评价方法均是通过建立多个风险评价指标,对评价指标划分权重或者建立风险计算模型,从全局的角度对燃气爆炸风险进行量化,但是并没有从可爆物自身性质的角度分析其爆炸的风险大小。具体的,可爆物发生爆炸需要满足三个条件:
①、可爆物与空气混合;
②、可爆物与空气混合后,浓度达到该可爆物的爆炸极限范围内;
③、遇到明火。需要指出的是,可爆物(粉尘、可燃气体等)在爆炸极限以内的爆炸风险与该可爆物浓度并不是呈线性关系。
在爆炸极限内,可爆物浓度和爆炸风险可以用最小点火能进行量化。最小点火能(Minimum Ignition Energy,MIE)是指能够引起粉尘云或可燃气体与空气混合物燃烧或爆炸的最小火花能量,是衡量可爆物发生爆炸的重要参数,能够用于反映可爆物的爆炸性质。对于释放能量很小的撞击摩擦火花、静电火花,其能量是否大于最小点火能量,是判定其能否作为火源引发火灾爆炸事故的重要条件。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于最小点火能的爆炸风险量化方法,能够从可爆物自身爆炸性质的角度出发量化可爆物在空间内的爆炸风险大小。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于最小点火能的爆炸风险量化方法,包括以下步骤:
1)获取可爆物的最小点火能的原始数据;
2)对获取的可爆物最小点火能的原始数据进行标准化处理,得到可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重,并将爆炸风险权重的值作为可爆物在对应浓度下的爆炸风险值;
3)对可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,得到可爆物浓度与爆炸风险值之间的函数关系;
4)模拟可爆物在不同工况条件下的浓度分布场,得到对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场;
5)根据获得的可爆物浓度分布场对爆炸风险值进行局部或整体积分,得到局部或整体爆炸风险积分值,该爆炸风险积分值用于量化在某一工况条件下的不同时刻对应的爆炸风险的大小。
进一步,所述步骤2)中,采用极差变换法对获取的最小点火能的原始数据进行标准化处理;极差变换法的方法为:将决策矩阵Y=(yij)n×m转换成规范化的决策矩阵R=(rij)n×m,且对于负向指标的规范化方式为:
Figure BDA0002610129160000021
其中,yij为获取的可爆物最小点火能的原始数据;rij为可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重。
进一步,所述步骤3)中,仅对处于爆炸极限范围内的可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,对于处于爆炸极限范围以外的可爆物浓度,不会引起爆炸,将爆炸极限范围外的可爆物浓度对应的爆炸风险值定为0。
进一步,所述步骤4)中,对模拟结果进行可视化处理,并根据对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场将爆炸风险值的结果以云图的形式进行可视化显示。
本发明的有益效果在于:
本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法从可爆物的最小点火能出发,通过对可爆物最小点火能进行标准化处理并得到可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重,从而拟合得到可爆物浓度与爆炸风险值之间的函数关系,将该函数关系代入到对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场中,通过积分的方式能够获得某一工况条件下的某一时刻对应的爆炸风险的大小,即本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法能够从可爆物自身爆炸性质的角度出发量化可爆物在空间内的爆炸风险大小。
本发明还具有以下优点:
1、本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法具有方法路线完整、简单易操作、可重复性强的优点,可以具体地量化可爆物扩散后发生爆炸风险的大小,该方法在量化爆炸风险大小上具有科学性和准确性;
2、采用极差变换法将最小点火能原始数据转换得到可爆物浓度对应的爆炸风险值,该方法最大限度地保持了原始数据转换的合理性、可靠性。实现了爆炸风险值的无量纲归一化,进而满足爆炸风险评价的要求;
3、本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法具有普适性,对于爆炸风险受最小点火能影响的可爆物质均适用,例如铝粉、煤粉等粉尘,甲烷等可燃气体均可适用;对同种可爆物,可以得到在不同工况条件(不同温度、压力等)下对应的爆炸风险值分布;可广泛适用于民用建筑、工业车间、农业设施、基础设施、地下空间等不同场景下的可爆物扩散所形成的爆炸风险量化;
4、本发明中采用的可爆物浓度的最小点火能实验数据,随着最小点火能测试装置精度的增加,得到更为精确的最小点火能实验数据,可同步得到更为精确的爆炸风险值的大小。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法实施例的流程图;
图2为甲烷体积分数与爆炸风险值的分布关系及函数拟合图;
图3为300s时刻车间内甲烷浓度场分布切片云图;
图4为300s时刻车间内爆炸风险值分布切片云图(位置对应图3);
图5为车间内甲烷体积分数积分值以及爆炸风险积分值图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示,为本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法实施例的流程图。本实施例以某车间内发生大量燃气泄漏为例,量化分析在不同时刻燃气泄漏扩散对应的爆炸风险大小。具体的,本实施例的基于最小点火能的爆炸风险量化方法,包括以下步骤:
1)获取可爆物的最小点火能的原始数据。可爆物的最小点火能的原始数据可以通过权威国际期刊等多种现有的方式获取,也可通过现有技术直接测量获取,不再累述。本实施例为燃气在某车间内发生泄漏事故,燃气主要成分为甲烷,本实施例选取甲烷在常温常压下的最小点火能实验数据。本实施例根据在权威国际期刊Combustion and Flame中找到常温常压下甲烷的最小点火能随甲烷体积浓度变化的散点数据图,通过数据提取软件GetData Graph Digitizer对文献中的实验数据进行提取,最终获得甲烷在常温常压下的最小点火能的原始数据。
2)对获取的可爆物最小点火能的原始数据进行标准化处理,得到可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重,并将爆炸风险权重的值作为可爆物在对应浓度下的爆炸风险值。具体的,本实施例采用极差变换法对获取的甲烷在常温常压下的最小点火能的原始数据进行标准化处理;极差变换法的方法为:
将决策矩阵Y=(yij)n×m转换成规范化的决策矩阵R=(rij)n×m
且对于负向指标的规范化方式为:
Figure BDA0002610129160000041
其中,yij为获取的可爆物最小点火能的原始数据;rij为可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重。
3)对可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,得到可爆物浓度与爆炸风险值之间的函数关系。具体的,仅对处于爆炸极限范围内的可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,对于处于爆炸极限范围以外的可爆物浓度,不会引起爆炸,将爆炸极限范围外的可爆物浓度对应的爆炸风险值定为0。
本实施例采用数据分析与绘图软件Origin对转化得到的爆炸风险值进行多项式拟合,此处通过调整多项式的阶数使拟合函数曲线符合散点数据分布。由于甲烷的爆炸极限在6.34%-16.74%的体积浓度范围内,在此浓度范围外的甲烷将不会引起爆炸,故将爆炸极限浓度范围外的爆炸风险值定为0。则可得到甲烷在常温常压下的爆炸风险值(ERV)的函数表达式为
Figure BDA0002610129160000051
4)用CFD软件对不同工况条件下的可燃可爆物(粉尘、可燃气体等)进行扩散通风气流组织的数值模拟,得到可爆物在不同工况条件下的浓度分布场及对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场。本实施例采用流体仿真软件Fluent对该车间发生燃气泄漏进行通风气流组织的数值模拟,得到车间内不同时刻的甲烷浓度分布场,如图3所示。
优选的,还可对模拟结果进行可视化处理,并根据对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场将爆炸风险值的结果以云图的形式进行可视化显示。即将模拟结果导入到后处理软件Tecplot中进行模拟结果后处理,甲烷体积浓度与爆炸风险值的函数关系定义为新的变量,通过软件将爆炸风险值(ERV)的结果以云图的形式展示出来,如图4所示。
5)根据获得的可爆物浓度分布场对爆炸风险值进行局部或整体积分,得到局部或整体爆炸风险积分值,该爆炸风险积分值用于量化在某一工况条件下的不同时刻对应的爆炸风险的大小。
本实施例以甲烷为例,对常温常压下的甲烷爆炸风险进行了量化,然而,本领域技术人员应当知道,本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法还可适用于多种可爆物,这些可爆物的物质爆炸特性受最小点火能影响显著,例如,铝粉、镁粉等扩散后形成的粉尘云以及可燃气体与空气的混合物等。当然,本领域技术人员应当知道,本发明基于最小点火能的爆炸风险量化方法可适用于同种可爆物在不同工况条件(不同温度、压力等)下的爆炸风险量化,量化需要该可爆物在相应温度、压力下的最小点火能实验数据值。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种基于最小点火能的爆炸风险量化方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)获取可爆物的最小点火能的原始数据;
2)对获取的可爆物最小点火能的原始数据进行标准化处理,得到可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重,并将爆炸风险权重的值作为可爆物在对应浓度下的爆炸风险值;
3)对可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,得到可爆物浓度与爆炸风险值之间的函数关系;
4)模拟可爆物在不同工况条件下的浓度分布场,得到对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场;
5)根据获得的可爆物浓度分布场对爆炸风险值进行局部或整体积分,得到局部或整体爆炸风险积分值,该爆炸风险积分值用于量化在某一工况条件下的不同时刻对应的爆炸风险的大小。
2.根据权利要求1所述基于最小点火能的爆炸风险量化方法,其特征在于:所述步骤2)中,采用极差变换法对获取的最小点火能的原始数据进行标准化处理;极差变换法的方法为:将决策矩阵Y=(yij)n×m转换成规范化的决策矩阵R=(rij)n×m,且对于负向指标的规范化方式为:
Figure FDA0002610129150000011
其中,yij为获取的可爆物最小点火能的原始数据;rij为可爆物在不同浓度下的爆炸风险权重。
3.根据权利要求1所述基于最小点火能的爆炸风险量化方法,其特征在于:所述步骤3)中,仅对处于爆炸极限范围内的可爆物浓度与对应的爆炸风险值进行数据拟合,对于处于爆炸极限范围以外的可爆物浓度,不会引起爆炸,将爆炸极限范围外的可爆物浓度对应的爆炸风险值定为0。
4.根据权利要求1-3任一项所述基于最小点火能的爆炸风险量化方法,其特征在于:所述步骤4)中,对模拟结果进行可视化处理,并根据对应工况条件下不同时刻的可爆物浓度分布场将爆炸风险值的结果以云图的形式进行可视化显示。
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