基于MATLAB的可燃混合气体爆炸危险性判定

摘 要：利用计算机工具快速、形象、准确判定可燃气体爆炸危险性在防灾、救灾、制定安全技术措施过程中具有非常重要的意义。本文简要介绍了爆炸三角形理论判定可燃气体爆炸危险性的方法。设计了利用计算机判定可燃混合气体爆炸危险性的程序计算步骤，根据计算步骤编制了MATLAB程序，并开放了源代码，并结合矿井束管监测监控设备能够对矿井可燃性气体爆炸起到提前预测预报。
关键词：MATLAB 程序 爆炸三角形
一、爆炸三角形简介
可燃气体爆炸危险性判定常采用爆炸三角形法，如下图所示。图中A点代表纯净空气，其中21%的氧气；F点代表100%可燃气体；L点为爆炸下限点；U点为爆炸上限点；C点为失爆点或临界点；P点为实际组分点；当混入空气P点向A点移动；当混入可燃气体P点向F点移动；当混入惰性气体P点向原点移动；CL为爆炸下界线；CU为爆炸上界线；CB为FC的延长线；CD为AC的延长线；AF为空气线。L、U点纵坐标可以通过AF线性插值得到；B点纵坐标可以通过FC线性外插值得到；D点横坐标通过AC线性外插值得到；线段CL、CU、CB、CD将三角形AFO分为四个区域。其中：1区为爆炸区，位于此区可燃气体爆炸危险性最大；2区为富燃料区，位于此区可燃气体不具有爆炸性，但当有空气混入的情况下可移入1区，当有惰性气体加入的情况下可移入4区；3区为富氧区，位于此区可燃气体不具有爆炸性，但当有可燃气体混入的情况下可移入1区，当有惰性气体加入的情况下可移入4区；4区为失爆区，可燃气体失去爆炸性。

图1：爆炸三角形
对于单组份可燃气体可以通过爆炸极限的实验数据确定L、U、C点坐标，从而绘制以上图形，根据P点所处位置判定爆炸危险性。而对于可燃混合气体必须计算混合气体爆炸上下限及失爆点坐标。
二、可燃混合气体爆炸极限计算
可燃混合气体爆炸极限由Le Chatelier方程计算[1]：

式中，LFLmix和UFLmix为可燃混合气体爆炸下限和爆炸上限，%；n为可燃组分数量；yi为组分i占总可燃组分体积分数，%；LFLi和UFLi为组分i在空气中的爆炸下限和爆炸上限，%。
爆炸极限数据通常是在25℃，101.325kPa实验条件下测试得到的，而爆炸极限随温度、压力的变化而变化。当温度和压力偏离上述实验条件时应进行温度校正和压力校正。
通常情况下，爆炸范围随温度的升高而增加。对于可燃气体有以下两组温度校正公式[1~2]：

式中，LFL和UFL分别为可燃气体爆炸下限和爆炸上限，%；LFLr和UFLr分别为温度修正后的可燃气体爆炸下限和爆炸上限，%；△Hc为燃烧热，kJ/mol；T为温度，℃。
压力对LFL的影响很小，而随着压力的增加UFL增加的很快，从而扩大了爆炸范围。可燃气体的UFL随压力变化的经验表达式为[1]：
UFLp=UFL+20.6(logP+1)
式中，P为绝对压力，MPa；UFLp为压力修正后的可燃气体爆炸上限，%。
三、可燃混合气体失爆点坐标计算
混合气体失爆点可燃气体浓度（横坐标）计算公式如下[3]：

LFCmix为混合气体失爆点可燃气体浓度，%；xi为组分i占混合气体体积分数，%；xr为总可燃组分占混合气体体积分数，%；LFCi为组分i失爆点可燃气体浓度，%。
混合气体失爆点氧浓度（纵坐标）计算公式如下：

LOCmix为混合气体失爆点氧浓度，%；Nex为使混合气体惰化应加入的惰性气体体积百分比，%；Ni为使单位体积组分i可燃气体惰化应加入的惰性气体体积量；
四、计算程序编制
（一）程序计算步骤
①对爆炸极限进行温度修正；
②对爆炸极限进行压力修正；
③计算总可燃组分占混合气体体积分数xr；
④计算各组分占总可燃组分体积分数yi,i=1,2,...n；
⑤根据Le Chatelier方程计算可燃混合气体爆炸下限LFLmix和爆炸上限UFLmix；
⑥计算混合气体失爆点可燃气体浓度LFCmix；
⑦计算混合气体惰化应加入的惰性气体体积百分比Nex；
⑧计算混合气体失爆点氧浓度LOCmix；
⑨线性插值得点L、U、B纵坐标，D点横坐标；
⑩绘图：如图1所示，绘制空气线AF；绘制爆炸三角形；绘制线段BC、CD；绘制实际组分点。
（二）MATLAB程序代码
根据程序计算步骤编制混合气体爆炸危险性判定程序，M文件explosion.m如下[4]：
clear;clc;%程序从这里开始
T=55;
P=0.12;
O2=6;
X=[8;3;5;];
LFL=[5.0;4.0;12.5];
UFL=[15.0;75.0;74.0];
LFC=[6.1;4.3;13.9;];
N=[6;16.55;4.12];
LFLT=LFL.*(1-721*(T-25)/1e+6);
UFLT=UFL.*(1+721*(T-25)/1e+6);
UFLTP=UFLT+(20.6*(log10(P)+1))*ones(size(LFL,1),1);
XT=sum(X);

Y=100*X./XT;
LFLmix=100/(sum(Y./LFLT));
UFLmix=100/(sum(Y./UFLTP));
LFCmix=XT/(sum(X./LFC));
Nex=LFCmix/XT*(sum(N.*X));
LOCmix=0.2903*(100-Nex-LFCmix);
F=[0,100];
O=[21,0];
LUO=interp1(F,O,[LFLmix,UFLmix],'linear');
BO=interp1([LFCmix,100],[LOCmix,0],0,'linear','extrap');
DF=interp1([21,LOCmix],[0,LFCmix],0,'linear','extrap');
out=[X,LFL,UFL,LFC,N,LFLT,UFLT,UFLTP,Y]
plot(F,O);hold on;
plot([LFLmix,UFLmix,LFCmix,LFLmix],[LUO,LOCmix,LUO(1)]);hold on;
plot([0,LFCmix],[BO,LOCmix]);hold on;
plot([LFCmix,DF],[LOCmix,0]);hold on;
plot(XT,O2,'+');hold on;%程序到这里结束
五、软件前景及实践应用
（一）前景
基于MATLAB的可燃混合气体爆炸危险性判定模拟软件，我们可以判定矿井主要可燃气体的爆炸危险程度，并结合我国矿井中普遍安装使用的束管监测监控系统能够实时预报各个监测点的瓦斯爆炸危险程度，及早地预报防止瓦斯爆炸事故的发生。
（二）判定软件的实践应用
某混合气体试样化验结果为CH48%，H23%，CO5%， O26%，N278%，确定其在55℃、120KPa时的爆炸上下限，爆炸三角形及混合气体爆炸性。
程序所需输入数据、部分输出数据如下表所示：
表1：程序输入输出数据

程序运行界面如图2所示：

图2：程序运行界面
由图2：实际组分点（+号所在位置）位于富燃料区，不具有爆炸性，但当有空气混入的情况下有可能进入爆炸区。
六、结论
利用计算机工具快速、形象、准确判定可燃气体爆炸危险性在防灾、救灾、制定安全技术措施、应急预案编制过程中具有非常重要的意义。
（1）本文简要介绍了爆炸三角形理论判定可燃气体爆炸危险性的方法，可燃气体爆炸极限温度、压力修正方法，可燃混合气体爆炸极限和失爆点坐标计算方法。
（2）设计了利用计算机判定可燃混合气体爆炸危险性的程序计算步骤，根据计算步骤编制了MATLAB程序，并开放了源代码，可供参考。
（3）MATLAB被称作第四代计算机语言，利用MATLAB编制可燃气体爆炸危险性判定程序具有编程简单、绘图方便、可视化效果好的特点。
[参考文献]
[1]蒋军成,潘旭海译.化工过程安全理论及应用(原著第二版) [M].北京:化学工业出版社,2006.
[2]周利华.矿井火区可燃性混合气体爆炸三角形判断法及其爆炸危险性分析[J].中国安全科学学报,2001,11(2)
[3]周心权,吴兵.矿井火灾救灾理论和实践[M].北京:煤炭工业出版社,1996.
[4]邓薇. MATLAB函数速查手册[M]. 北京:人民邮电出版社,2008.
（作者单位：神华亿利黄玉川煤矿 内蒙古鄂尔多斯）