CN114733105B - 一种有限空间防火用注氮量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有限空间防火用注氮量的计算方法，包括，获取有限空间内的氧气含量值，其特征在于，还包括以下步骤：判断所述有限空间内的氧气含量值是否大于阈值，如果所述有限空间内的氧气含量值小于阈值，继续进行监控；如果所述有限空间内的氧气含量值大于等于阈值执行下一步骤；计算氮气体积变化率；计算氮气体积分数达到阈值所用注氮时间；计算有限空间内的注氮量。本发明提出的一种有限空间防火用注氮量的计算方法，综合考虑了注氮和漏风导致的氮气盈亏模式，计算得到的注氮量更加准确，使注氮量达到有限空间防火的实际需求。

Description

一种有限空间防火用注氮量的计算方法

技术领域

本发明涉及防火工程的技术领域，特别是一种有限空间防火用注氮量的计算方法。

背景技术

火灾是地下煤矿的主要灾害之一。采空区遗留的浮煤在漏风供氧条件下与氧气发生缓慢氧化反应，持续一定时间则发生自燃，导致工作面有毒有害气体超标，严重影响生产安全。针对采空区自燃的预防和控制措施包括注氮措施、注浆措施、阻化剂防灭火技术。相比而言，氮气防灭火技术因具有抑爆、工艺可靠、对井下设备无腐蚀、防灭火效果显著等优势，而被广泛采用。而注氮防火效果与注氮量、注氮位置和采空区漏风量均有关。目前注氮量的确定有两种方法：一种是用标准《煤矿用氮气防灭火技术规范》中的公式直接计算，另一种是采用数值方法，主要通过设定不同注氮量和注氮位置进行模拟解算得出不同工况下的氧气浓度分布，比较优劣后确定。但无论采用哪种方法，初定注氮量的主要依据均为《煤矿用氮气防灭火技术规范》中的注氮量公式。因此，注氮量公式的准确性对于注氮防灭火具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种有限空间防火用注氮量的计算方法，综合考虑了注氮过程和漏风过程导致的氮气盈亏条件，使计算得到的注氮量更加准确，以满足注氮量的实际需求。

本发明的目的是提供一种有限空间防火用注氮量的计算方法，包括获取有限空间内的氧气含量值，还包括以下步骤：

步骤1：判断所述有限空间内的氧气含量值是否大于阈值，如果所述有限空间内的氧气含量值小于阈值，继续进行监控；如果所述有限空间内的氧气含量值大于等于阈值执行步骤2；

步骤2：计算氮气体积变化率；

步骤3：计算氮气体积分数达到阈值所用注氮时间；

步骤4：计算有限空间内的注氮量。

优选的是，所述步骤2还设定经历时间Δt，氮气体积分数从C₀升高到C，氮气的体积变化为ΔV，根据体积守恒定律得到如下公式：

ΔV＝Q_NΔt+C₀Q₀Δt-C(Q_N+Q₀)Δt

其中，ΔV为Δt时间内氮气体积变化量，Q_N为注氮量，Q₀为有限空间漏风量，C₀为漏风中新进入有限空间的气体中氮气体积分数，C为注氮过程中有限空间任意时刻氮气的体积分数，(Q_N+Q₀)为有限空间在漏风换气时向外界排放的流量。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤2还包括设定有限空间内温度、气压与外界相同，两边分别除以有限空间的体积，得到方程式：

其中，V_c为有限空间的体积。

在上述任一方案中优选的是，所述氮气体积分数变化率的计算公式为

由此推导得到如下方程式：

在上述任一方案中优选的是，假设整个过程经历了从t₁时刻到t₂时刻，氮气体积分数也从C₁升高到C₂，将所述Δt的计算公式变为定积分的形式的方程式，

在上述任一方案中优选的是，要使所述Δt的公式中的积分函数在积分域上可积，积分函数必须是单调函数，即一阶导数要大于零，则有：

即：

(Q_N+Q₀)C-(Q_N+C₀Q₀)>0。

在上述任一方案中优选的是，将所述Δt的公式积分，得到氮气体积分数达到阈值所用注氮时间的方程式：

在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括分别计算注氮过程和漏风过程对氮气体积分数的影响。

在上述任一方案中优选的是，所述注氮对氮气体积分数的影响的情况为：单纯因注氮过程导致空气中氧气体积分数下降(同时氮气体积分数上升)，令其中Q₀＝0，即有限空间无漏风导致的换气，则得到特定注氮量条件下所需注氮时间公式：

其中，C₁为注氮前有限空间内氮气体积分数，C₂为氧气浓度下降到防火指标时对应的氮气体积分数。

在上述任一方案中优选的是，所述漏风对有限空间中氮气体积分数的影响的情况为：在氧气浓度下降后，漏风会补足氧气的亏欠，假设该过程不注入氮气，仅漏风导致的换气起作用，令q＝0，则得到公式：

其中，t′₁为漏风换气的起始时间，t′₂为漏风换气的终末时间，C′₁为该过程初始状态有限空间的氮气体积分数，C′₂为该过程氧气浓度回升后有限空间中氮气体积分数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤4还包括计算注氮和漏风两个因素对氧气体积分数的影响相互抵消时分别所需时间，通过对比时间的长短来判定注氮是否达到有限空间的防火效果。当两过程用时相等时，氮气的水平将处于一定水平保持不变，此时注氮和漏风对氮气浓度来说达到了平衡状态。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤4还包括计算抵消漏风升氧作用所需要的注氮量，公式为：

本发明提出了一种有限空间防火用注氮量的计算方法，本方法提高了注氮量计算的科学性，使用该公式能更准确地计算防火用注氮量，可降低因使用现有简易公式计算不准确而导致有限空间内易燃物自燃及火灾风险，从而避免对有限空间造成经济损失。

附图说明

图1为按照本发明的有限空间防火用注氮量的计算方法的一优选实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

如图1所示，执行步骤100，获取有限空间内的氧气含量值。

执行步骤110，判断所述有限空间内的氧气含量值是否大于阈值，如果所述有限空间内的氧气含量值小于阈值，继续执行步骤100。如果所述有限空间内的氧气含量值大于等于阈值执行步骤120。

执行步骤120，计算氮气体积变化率。

设定经历时间Δt，氮气体积分数从C₀降低到C，氮气的体积变化为ΔV，根据体积守恒定律得到如下公式：

ΔV＝Q_NΔt+C₀Q₀Δt-C(Q_N+Q₀)Δt

其中，ΔV为Δt时间内氮气体积变化量，Q_N为注氮量，Q₀为有限空间漏风量，C₀为漏风新进入有限空间的气体中氮气体积分数，C为注氮过程中有限空间任意时刻氮气的体积分数，(Q_N+Q₀)为有限空间在漏风换气时向外界排放的流量，即有限空间向外漏出的流量。

设定有限空间内温度、气压与外界相同，两边分别除以有限空间的体积，得到方程式：

其中，V_c为有限空间的体积。

所述氮气体积分数变化率的计算公式为

由此推导得到如下方程式：

执行步骤130，计算氮气体积分数达到阈值所用注氮时间。假设整个过程经历了从t₁时刻到t₂时刻，氮气体积分数也从C₁升高到C₂，将所述Δt的计算公式变为定积分的形式，

要使所述Δt的公式中的积分函数在积分域上可积，积分函数必须是单调函数，即一阶导数要大于零，则有：

即：

(Q_N+Q₀)C-(Q_N+C₀Q₀)>0。

将所述Δt的公式积分，得到氮气体积分数达到阈值所用注氮时间的公式

执行步骤140，计算有限空间内的注氮量。分别计算注氮和漏风对氮气体积分数的影响。

注氮对氮气体积分数的影响的情况为：单纯因注氮导致空气中氧气体积分数下降，令其中Q₀＝0，即有限空间无漏风时，公式为：

其中，C₁为注氮前有限空间内氮气体积分数，C₂为氧气浓度下降到防火指标时对应的氮气体积分数。

漏风对有限空间中氮气体积分数的影响的情况为：在氧气浓度处于低水平时，漏风会补足氧气的亏欠，假设该过程不注入氮气，仅漏风导致的换气起作用，令q＝0，则得到公式：

其中，t′₁为漏风换气的起始时间，t′₂为漏风换气的终末时间；C′₁为该过程初始状态有限空间的氮气体积分数，C′₂为该过程氧气浓度回升后有限空间中氮气体积分数。

计算注氮和漏风两个因素对氧气体积分数的影响相互抵消时分别所需时间，通过对比时间的长短来判定注氮是否达到有限空间的防火效果。当两过程用时相等时，氮气的水平将处于一定水平保持不变，此时注氮和漏风对氮气浓度来说达到了平衡状态。因此，抵消漏风升氧作用所需要的注氮量的计算公式为：

实施例二

根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》MT/T701-1997，制氮设备或装置的供氮能力应按矿井注氮工作面防火注氮需要选取，供氮能力可按式(a)计算(1个工作面注氮量)

式中：

Q_N——注氮量，m³/min；

Q₀——采空区氧化带内漏风量，m³/min；

C₁——采空区氧化带内平均氧浓度，％；

C₂——采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧浓度，％；

C_N——注入氮气的氮气浓度，％；

K——备用系数，取1.2～1.5。

该公式对问题的描述过于简单，导致在实际使用时计算结果存在明显的偏差，主要问题包括：

(1)仅考虑了注氮过程对氮气百分数的提升作用，未考虑漏风对已进入采空区氮气的稀释作用。

(2)未考虑采空区的气体质量守恒定律，因注入氮气的存在，实际漏风过程排出气体流量大于从工作面进入采空区的漏风量，为漏风风量与注入氮气的流量之和。如模型中所示，如果进入气体为Q₀ m³/h，则排出的气体体积应为(Q₀+Q_N)m³/h。

为了解决上述问题，本发明提出一种新氮气注入公式。

如公式a的推导过程，假设整个过程中所涉及气体均处于同一种温度和压力状态下。

先假设氮气中没有氧气，即注入量Q_N的氮气为纯氮气。同时假设漏风量为Q₀。注意新公式的推导使用的符号系统与公式(a)中符号代表的物理意义不同，公式(a)中的C₁、C₂为氧气浓度，而新公式符号系统中的C₁、C₂为氮气的浓度。

同时考虑氮气注入和漏风换气两个过程对氮气体积分数的影响，假设经历时间Δt，氮气体积分数从C₀升高(或降低)到C，氮气的体积变化为ΔV，根据体积守恒定律可以推出以下方程式：

ΔV＝Q_NΔt+C₀Q₀Δt-C(Q_N+Q₀)Δt (1)

式中：Δt为无限短的时间，h；ΔV为Δt时间内氮气体积变化量，m³；Q_N为注氮量，m³/h；Q₀为有限空间漏风量，m³/h；C₀为新风中氮气体积分数，％；C为注氮过程中任意时刻氮气的体积分数，％；(Q_N+Q₀)为采空区在漏风换气时向工作面泄漏的流量，m³/h。

根据假设，采空区温度、气压与外界相同，两边分别除以V_c，得出方程式：

式中：V_c为采空区体积，m³。

根据过程描述可知，上式左侧为氮气体体积变化率，记为ΔC，并将其代入式(2)并整理得：

假设整个过程经历了从t₁时刻到t₂时刻，氮气体体积分数也从C₁增大(或减小)到C₂，将上式写成定积分的形式，则有：

要使上式积分函数在积分域上可积，积分函数必须是单调函数，即一阶导数要大于零，则有：

也就是说

即

(Q_N+Q₀)C-(Q_N+C₀Q₀)>0 (7)

由于实际中针对不同的个案有不同的Q_N/Q₀值，单调性条件分析起来比较复杂，在此不作分析。当然，在具体个案中，满足单调性条件的情况下可以使用该公式。

将公式(4)积分，结果见式(8)。

为便于分析，现将注氮和漏风对氮气体积分数的影响分开考虑。

第一种情况：单纯因注氮导致采空区空气中氮气的体积分数上升，即氧气体积分数下降，令式(8)中Q₀＝0，即采空区无漏风导致的换气。则公式简化为：

式中：C₁为氮气在有限空间向内泄漏空气中的体积分数，对应氧气浓度下降的初始状态，％；C₂为氧气浓度下降到防火指标时对应的氮气体积分数，％。

注氮过程中，随着氮气的补入，氮气体积分数上升，所以C₁<C₂。

第二种情况：在氧气浓度下降后，漏风会补足氧气的亏欠。假设该过程无氮气注入，仅漏风导致的换气对氮气的体积分数起作用。令式(8)中q＝0，则公式简化为：

式中：C′₁为初始状态的氮气体积分数，与所定防火指标的氧气浓度对应，％；C′₂为采空区氧气浓度回升后氮气体积分数，％。

根据公式(10)，如果C₀→C′₂，则有(t′₂-t′₁)→∞，这意味着氧气浓度恢复到空气中的正常浓度，即氮气体积分数与空气中正常的氮气体积分数相等，该过程需要经历无限长的时间。但显然C′₁>C′₂>C₀，C₀为空气中氮气的正常浓度，因此在计算时并不需要无限长时间。于是上式可以写作

公式(9)、(11)可以分别应用于两种场合。第一种，可以计算注氮和漏风两个因素对氧气(或氮气)体积分数的影响相互抵消时分别所需时间，通过对比时间的长短来判定注氮是否达到了预期效果。

第二种，用于计算抵消漏风对有限空间的升氧作用所需要的注氮量，此时t₂-t₁＝t′₂-t′₁，C₁＝C′₂，C₂＝C′₁。式(9)和式(11)两式联立得出注氮量公式

实施例三

依据杭来湾矿井，2021年3月份实测工作面平均配风量为1897m³/min，设计取值Q₀＝18.97m³/min；C₁为采空区氧气浓度10％；C₂为煤自燃临界氧浓度，与煤质、自然类型、赋存条件相关，取值7％；C_N为注氮浓度97％；K为富余系数1.2。Q₀为采空区漏风量，m³/h，占工作面通风量的1/100。

根据公式(a)：

代入数据算得Q_N＝1024.2m³/h。

式中：Q_N为注氮设计流量，m³/h；Q₀为采空区漏风量，m³/h；占工作面通风量的1/10。

此例中，如果假设注氮浓度C_N为100％，则注氮量为495.9m³/h。

采用新公式(12)进行计算，并假设注氮浓度为100％。注意公式中C₁、C₂与公式(a)中的意义不同。则有

已知空气中除氮气和氧气外，其他物质占体积1％，在计算过程中忽略此部分物质，不影响计算结果。根据该公式的定义，该公式中的C₁、C₂为氮气的浓度，因为注氮前后空气中氧气的体积分数分别为10％、7％，所以C₁＝1-0.1＝0.9、C₂＝1-0.07＝0.93。C₀为漏风换气新风中氮气的浓度，在此为0.79。

经计算得Q_N＝1681.4m³/h。

由于注氮和漏风对氮气的浓度的升降来说是两个相反的过程，原有公式只考虑了一个方面——即注氮对采空区氮气的提升作用，没有考虑漏风过程中会降低氮气浓度，所以公式(a)得出的风量较小；而新公式考虑了漏风造成的氮气损失，因此得出的风量大于公式(a)得出的风量。

两公式得出的风量差占新公式计算结果的百分比：

由于两公式风量差别很大，使用原公式计算注氮量可能会导致不能达到防火指标，从而潜在的增大了煤的自燃火灾风险。

由于新公式综合考虑了注氮和漏风导致的氮气盈亏模式，因此比原有公式更准确。

实施例四

某实验室面积40m²，高度2.5m，新风量为100m³/h。室内使用的氩气压力为0.2MPa，流量1m³/h。假设实验员忘记关闭阀门导致氩气发生泄漏，评估实验室现有通风换气系统对抑制氮氩气体积分数上升(或氧气浓度下降)是否有效。实验室外门窗的泄漏量较小，可忽略不计。

已知室外新风氧气体积分数为20.9％，氮气为78.1％，空气中其他部分为稀有气体和二氧化碳，约1％。假设室内氧气浓度变化仅受氩气泄漏和新风补入的影响，假定初始室内空气中氧气体积分数稍低于室外，为20.8％，氩气泄漏过程中逐渐下降至18％(缺氧浓度)，相应地室内空气中氮氩气体体积分数从78.2％上升至81％。

计算氮氩混合气体积分数上升的过程所需时间，即室内环境达到缺氧条件所需时间。将相关参数代入公式(9)，得出

计算得到t＝6.9h。

计算通风换气条件下氧气回升到正常状态所需要的时间，即氮氩混合气体积分数下降的过程。将相关参数代入公式(11)，得出

计算得到t′₂＝3.4h。

计算氧气下降与回升过程用时相同条件下的需用风量。将相关参数代入公式

中(其中，q为泄露流量，m³/s)，得出

计算得Q＝48.4m³/h。

从上面的结果可知，单纯氩气泄漏的影响下，氧气体积分数从20.8％降低至18％用时6.9h，而通过补入新风来恢复到最初水平，新风量100m³/h的工况下需用时3.4h。二者相比，通风换气用时更少。从需用风量的计算来看，仅需要48.4m³/h就能达到保持氧气含量的要求，风量比现有风量节省一半。

由此得到以下结论：

1)氧气体积分数盈亏博弈模型的建立，阐释了氩气泄漏、通风二者单独作用下对氧气浓度的具体影响过程，并建立了二者之间的联系，为缺氧环境风险分析提供了理论依据，公式简单有效。

2)氧气保持需用风量公式的提出，为通风设计者提供了精确计算通风量的一种方法。公式的应用不仅有助于减少惰性气体使用场所因新风量设计不当造成的安全生产事故，也可减少利用传统设计方法导致的风量过大问题，达到节能减排的目的。

3)实际中不同房间存在不同的空气对流条件，且对流强度越大，气体混合的越快，用时也越短，此情况与瞬时扩散的假设有出入。鉴于此，理论公式对容积较小、空气对流良好的房间适用性更强，比如有限空间；对于容积较大且空气对流较差的房间，计算结果与实际相比会有一定的偏差，应慎重使用。

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (5)

1.一种有限空间防火用注氮量的计算方法，包括获取有限空间内的氧气含量值，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1：判断所述有限空间内的氧气含量值是否大于阈值，如果所述有限空间内的氧气含量值小于阈值，继续进行监控；如果所述有限空间内的氧气含量值大于等于阈值执行步骤2；

步骤2：计算氮气体积变化率；

设定经历时间Δt，氮气体积分数从C₀增加到C，氮气的体积变化为ΔV，根据体积守恒定律得到如下方程式：

ΔV＝Q_NΔt+C₀Q₀Δt-C(Q_N+Q₀)Δt

其中，ΔV为Δt时间内氮气体积变化量，Q_N为注氮量，Q₀为有限空间漏风量，C₀为漏风过程中新进入有限空间气体中氮气体积分数，C为注氮过程中有限空间任意时刻氮气的体积分数，(Q_N+Q₀)为有限空间在漏风换气时向外界排放的流量；

设定有限空间内温度、气压与外界相同，两边分别除以有限空间的体积，得到有限空间内氮气的体积变化率的方程式：

其中，V_c为有限空间的体积；

所述氮气体积分数变化率的计算式为

由此推导得到如下方程式：

假设整个过程经历了从t₁时刻到t₂时刻，氮气体积分数也从C₁升高到C₂，将所述Δt的计算公式变为定积分的形式，

步骤3：计算氮气体积分数达到阈值所用注氮时间；将所述Δt的公式积分，得到氮气体积分数达到阈值所用注氮时间的公式：

步骤4：计算有限空间内的注氮量，其中含有计算抵消漏风导致的升氧作用所需要的注氮量，公式为：

2.如权利要求1所述的有限空间防火用注氮量的计算方法，其特征在于，所述步骤4包括分别计算注氮过程和漏风过程对氮气体积分数的影响。

3.如权利要求2所述的有限空间防火用注氮量的计算方法，其特征在于，所述注氮对氮气体积分数的影响的情况为：单纯因注氮导致空气中氧气体积分数下降，令其中Q₀＝0，即有限空间无漏风导致的换气，则得到一定注氮量条件下所需注氮时间公式：

其中，C₁为注氮前有限空间内氮气体积分数，C₂为氧气浓度下降到防火指标时对应的氮气体积分数。

4.如权利要求3所述的有限空间防火用注氮量的计算方法，其特征在于，所述漏风对有限空间中氮气体积分数影响的情况为：在氧气浓度下降后，漏风会补足氧气的亏欠，假设该过程不注入氮气，仅考虑漏风导致的换气作用影响，令q＝0，则得到公式：

其中，t₁ ^′为漏风换气的起始时间，t₂ ^′为漏风换气的终末时间，C₁ ^′为该过程初始状态有限空间的氮气体积分数，C₂ ^′为该过程氧气浓度回升后有限空间中氮气体积分数。

5.如权利要求4所述的有限空间防火用注氮量的计算方法，其特征在于，所述步骤4还包括计算注氮过程和漏风过程两个因素对氧气体积分数的影响相互抵消时分别所需时间，通过对比时间的长短来判定注氮是否达到有限空间的防火效果；当两过程用时相等时，氮气的水平将处于一定水平保持不变，此时注氮和漏风对氮气浓度来说达到了平衡状态。

Images