多元混合气体爆炸极限预测方法研究及应用开题报告

一、前言

1．课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势

1.1 课题研究的意义

可燃性气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一。自1857年英国发生城市煤气管道爆炸以来，许多学者就开始了对气体爆炸的研究工作^[1]。近年来，各种工业场所可燃性气体（液体蒸汽）火灾爆炸事故已屡见不鲜，严重威胁着煤矿安全生产、天然气运输、石油化工等行业，给人民生命财产带来极大危害。为有效地预防和控制事故的发生，就必须深入研究其爆炸机理。研究结果表明，如果爆炸性气体浓度处于爆炸极限范围内，则会导致爆炸的发生。爆炸极限与其组成成分及各成分百分含量、压力、温度、受限空间等因素都有关系，而且其关系非常复杂。工业生产中很难确定可燃、可爆炸气体的安全浓度范围，但是如果对可燃性气体(液体蒸汽)的爆炸进行定性、定量分析，了解其形成条件，研究和发现可燃性气体(液体蒸汽)爆炸的规律，精确地描述整个爆炸过程，可有效地提出减灾防灾措施，最大程度减小由于爆炸引起的连锁反应所造成的人员和经济损失。因此爆炸极限作为评价可燃气体危险性的重要参数，是确保安全使用可燃气体的一个重要依据，爆炸极限的获取能够指导使用者在安全范围内有效使用可燃气体。

1.2 国内外研究现状

20世纪70年代以后,随着石油化工和煤炭行业的蓬勃发展,大批贮气设施的建设和各大煤矿的开采,气、油罐和瓦斯爆炸事故的频繁发生,引起了世界各国的广泛关注^[3,4]。

1.2.1 国外研究情况

有关可燃性气体爆炸极限的研究,国外进行得比较早。

（1）最早提出测定气体与可燃蒸汽爆炸极限的是美国矿山局的Coward 及Jone 发表的《气体和蒸汽气燃烧范围》的报告,其中介绍了一种测定气体爆炸极限的装置,此装置常被后人作为试验的标准装置使用^[5,6]。

（2）1965年美国矿山局的Zabetakis 发表了《可燃性气体及蒸汽的可燃特性》一文,指出Coward 使用的装置所存在的问题,并设计了采用电火花点火、直径5cm、长125～150cm 的垂直玻璃管,利用传播法进行常压下气体爆炸极限的测定^[7]。

（3）日本、前苏联等一些国家也在美国矿山局装置的基础上进行改进并制作了一些装置，这些装置的特点是:爆炸容器为管状,采用电火花点火,能广泛进行气体爆炸极限的测试,但不适于研究气体的爆炸特性(爆炸压力和压力上升速率)。

（4）1996年AdolfKUhnerAG设计20 L球形爆炸测试装置，既能测试可燃气体(液体蒸汽)爆炸极限，又能测试最小点火能，并且配气系统采用循环混合使配气更均匀，整个系统由计算机控制，能测试室温到230℃内可燃气体(液体蒸汽)的爆炸特性^[9]。

（5）T.K.Subramaniam 和Joseph V. CangelosiE (1989) ^[10]对可燃性气体空气混合物用氮气进行稀释,当爆炸上下限会聚到一点,利用此时的氧浓度来表示最大安全百分氧浓度,并预测了最大安全百分氧浓度的值。

1.2.2 国内研究情况

国内的一些研究机构也对可燃性气体爆炸特性的测定做了大量研究^[3]。

（1）天津大学的田贯三^[15]等人设计了采用电极放电点火、长1400mm、内径60 mm、底部装有泄压塞的硬质玻璃爆炸反应器^[15,16],用于测定可燃性环保制冷剂的爆炸极限。

（2）西安交通大学鞠飙等人设计了一套精度较高的可对温度在10～80 ℃、压力在0.1～1mpa内的可燃气体的爆炸极限测定的爆炸反应器,用于测定可燃性环保制冷剂的爆炸极限。

（3）华北工学院张景林等人利用设计的实验装置，对液化石油气、甲醇裂解气等进行抑爆技术的研究,测定了一些可燃性气体的爆炸特性参数和可燃性气体最大试验安全间隙等。

（4）浙江师范大学胡耀元^[18,19]为测定氮肥工业多元爆炸性混合气体设计了一套精度较高的实验系统，研究混合气体的浓度爆炸极限、爆炸形态与波形及其影响因素。

（5）邬烈豪利用柯瓦德爆炸三角形来说明煤矿井下瓦斯爆炸界限与氧含量的关系。万成略、汪莉就焦炉煤气安全含氧量进行了研究^[20],用化学计算法和作图法简便计算理论氧浓度和临界氧浓度,提出焦炉煤气含氧量安全限值接近4%。

（6）张增亮^[21]等人通过实验研究了煤气的最大允许氧含量的规律,指出爆炸极限和最大允许氧含量两者从不同角度界定了可燃气体(蒸汽) 的爆炸范围。谭迎新、傅志远等人分别对在固定浓度下的最小氧含量和人工煤气、液化石油气的临界氧浓度进行了实验测定,并对可燃性气体(蒸汽) 临界氧浓度的影响因素进行了研究。

1.2.3 发展趋势

目前, 开展的对可燃性气体爆炸方面的实验、理论和数值模拟的研究还不能准确地预测实际生产过程中某些可燃气体的爆炸极限,对多元可燃性气体(如煤气、天然气、瓦斯等) 爆炸极限的研究更是相对较少,虽然在理论上可以估算混合气体的爆炸极限,但与实际情况相距甚远。因此,在今后应当将如下方面作为研究方向:

（1）借助于化学动力学和爆炸力学,进一步研究多元可燃性气体的爆炸机理,尤其要掌握外界因素对爆炸的影响,建立多元可燃性气体爆炸的数学模型和普适性的经验计算式。

（2）测定多元可燃性气体的爆炸极限,研究温度、压力、惰性气体含量及点火能量对爆炸极限的影响和多元可燃性气体的最小点火能力。

（3）加强多元可燃性气体爆炸的数值模拟研究。数值模拟可以克服实验技术上存在的困难,目前关键是解决可燃气体体积分数与爆炸极限间建模方法的选择问题。

2．课题的研究目标、内容和待解决的关键问题

2.1 课题的研究目标

课题研究的主要目标是通过建模解决传统方法对烷烃碳氢化合物爆炸极限预测准确度低以及将可燃气体从单个拓展到多元混合气进行更为深入的研究。并通过所建立的预测模型对天然气爆炸极限进行预测，最终结合爆炸三角形法完成天然气安全存储以及置换路径的设计问题。

2.2 课题内容

课题内容包括：

（1）熟悉爆炸极限的经典理论知识。

（2）掌握最新的爆炸极限预测方法。

（3）掌握偏最小二乘法及BP神经网络相关知识。

（4）利用MATLAB软件进行算法程序编写，并整理处理结果。

（5）将所得出的最佳方法在储罐置换和存储混合气安全方面进行应用。

2.3待解决的关键问题

（1）进行实验完成多元混合气爆炸极限的多组数据采集问题；

（2）通过 MATLAB软件建立PLSR以及BP神经网络建立起爆炸极限的预测模型；

（3）通过最终处理结果检验各模型是否合理，以及各模型泛化能力的比较问题；

（4）储罐置换和存储混合气安全路径的设计以及优化问题。

二、研究方案的确定

2.1研究的方法

（1）Le chatlier公式法；

（2）偏最小二乘法建模；

（3）BP神经网络建模；

（4）爆炸三角形计算法。

Le chatlier公式法是最为经典的爆炸极限的预测方法，偏最小二乘法是集多元线性回归分析、典型相关分析和主元分析的基本功能为一体在线性回归中较为经典的方法。而BP神经网络只要能提供足够多的样本模式对网络进行训练，它便能完成由n维输入空间到m维输出空间的非线性映射，是非线性回归中较为经典的方法。这三种方法能够较为全面的对多元混合气各气体体积分数与爆炸极限间的关系进行研究。爆炸三角形计算法能够清晰地对可燃气体的存储置换路径进行设计与分析。

2.2研究的最初结论

（1）多元混合气中可燃气体体积浓度与爆炸上限间存在非线性关系。

（2）非线性模型的预测结果要好于偏最小二乘线性回归的预测结果，建立神经网络非线性模型更为合理。

（3）模型建立后，给定各组分可燃气体体积浓度就可以较为准确的预测出混合气体的爆炸上限。

（4）BPNN模型克服了Le chatlier等一些公式法对非烷烃碳氢化合物不适用的局限性，并且提高了预测精度。

三、已进行的准备及资料搜集情况

在图书馆及中国智网上找了与课题相关的资料，《偏最小二乘原理及应用》，《防火防爆技术》，《液化石油气点火能试验及爆炸火焰传播分析》，《惰性气体对可燃气体爆炸反应进程的阻尼效应研究》等。认真阅读了所下载文献，初步了解前人的经验。同时认真完成了外文文献的翻译工作，为之后课题的研究打好基础。

四、阶段性研究计划与预期研究成果。

五、主要参考文献

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