打磨车间粉尘控制技术数值模拟_谭聪.pdf
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1、Failure event characteristics and causeanalysis of urban gas medium and lowpressure pipeline networks andsystemsZHANG Tao1,QI Xiaolin1,LIU Hui2,LI Bin3,WU Shengnan3,DONG Shaohua3,ZHANG Hang4(1 Beijing Gas Group Company Limited,Beijing 100035,China;2 Beijing Gas Group esearch Institute,Beijing 100011
2、,China;3 College of Safety and Ocean Engineering,ChinaUniversity of Petroleum,Beijing,Beijing 102249,China;4CollegeofMechanicalandStorageandTransportationEngineering,China University of Petroleum,Beijing,Beijing102249,China)Abstract:To explore the statistical patterns of failure events inurban gas m
3、edium and low pressure pipeline networks,thispaper classifies failure events into two categories,namely indoorevents and external events,according to the locations of failureBased on the statistical data of failure events of urban gasmedium and low pressure pipeline networks and systems in a cityfro
4、m 2015 to 2020,the characteristics and causes of indoor andexternal events are analyzed in terms of pressure level,years ofservice,failure-prone components and depth of burial of failurepoints,respectively The results of the analysis show that thehighest incidence of indoor incidents occurs in March
5、,August,and November each year,with more serious casualties in 2018and 2020.Failure-prone components include flanges,valves,and gas appliancesIn external incidents,62.2%of thepipeline networks are in service for more than 15 years,and thefailure-prone componentsarethepipemaster,condensatecylinder,an
6、d pressure regulator The failure points are mostlyfound in the area with a burial depth of 0 2 m Statisticalanalysis of the causes revealed that the main consequences ofindoor incidents are leakage,gas outage,combustion,andexplosion,triggered mainly by third-party damage and equipmentfailure The mai
7、n consequence of external incidents is leakage,of which 70.35%are caused by corrosion The calculation of thefailure probability shows that the most significant causes ofaccidents over the years are corrosion,equipment failure,andthird-party damage Taking into account the influence of networkmaterial
8、s and diameters,the state of corrosion protection andcathodic protection,geological conditions,and operation on thecorrosion of gas networks,measures are proposed for the designphase,operation phase,and maintenance phase,respectivelyIn addition,measures are proposed to reduce equipment failureand av
9、oid damage by third parties following the 3E principleKey words:safety engineering;accident area;accident accountanalysis;failure probability;accident preventionmeasures文章编号:1009-6094(2023)07-2352-08打磨车间粉尘控制技术数值模拟*谭聪1,谢艳芝1,任金瑶1,蔡静静1,崔向兰2(1 郑州大学力学与安全工程学院,郑州 450001;2 北京市化工职业病防治院,北京 100093)摘要:在金属制品打磨过程
10、中会产生大量金属粉尘,不仅危害工人健康,还严重威胁安全生产。为了改善金属打磨作业过程中粉尘质量浓度超标的问题,提出了 3 种通风除尘方案,并采用数值模拟方法对打磨作业场所气流组织及粉尘扩散规律进行了模拟,对 3 种方案的除尘效果进行了分析。数值模拟结果表明,3 种方案均有效降低了工作场所的粉尘质量浓度,其中风幕和排风罩配合使用的方案不但除尘效果较好,而且对生产工序影响较小,还能提高工人的舒适度,是较优的通风除尘方案,可在实际生产中推广使用。关键词:安全卫生工程技术;打磨车间;粉尘扩散;数值模拟;通风除尘中图分类号:X965文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094
11、.2022.0162*收稿日期:2022 01 27作者简介:谭聪,讲师,从事安全工程与职业危害控制研究,。基金项目:郑州大学大学生创新创业训练计划项目(2021cxcy630)0引言随着国民经济的迅速发展,生产加工工艺水平不断提高,对零器件精度、密封性和舒适性的要求使打磨工艺的应用越来越频繁。在打磨过程中砂轮高速旋转,速度可达 60 m/s,其中工件与砂轮摩擦,产生大量金属粉尘。此外,磨具的自砺作用也会产生大量的粉尘,使作业场所粉尘污染情况严重。据测定,干式打磨产生的粉尘中,小于 5 m 的颗粒平均占 90%,如果不及时清除,操作人员长期吸入粉尘,导致粉尘颗粒过量沉积,可造成肺部病变,引起尘
12、肺、硅肺等职业病。而且大量的铝等金属粉尘很容易形成爆炸性环境,引起设备内部和工作场所发生粉尘爆炸事故。国内外专家学者对工业生产粉尘控制进行了一定的研究。2019 年,黄武等1 开创性地采用电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对打磨粉尘微观特性进行了研究,为打磨作业职业病筛查和通风系统设置提供了重要支撑。蒋仲安等2 3 和高康宁等4 以高斯扩散模型为基础,建立了打磨车间2532第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul,2023粉尘扩散分布
13、数学模型,为打磨车间粉尘扩散数值模拟仿真奠定了基础。此外,Wu 等5 利用基于图像传输的粉尘质量浓度视觉测量系统,对不同断面粉尘质量浓度进行测量,研究了车间内粉尘质量浓度分布规律。包阔等6 通过对硅钢车间除尘系统、含尘气流组分与物性参数等进行测试和分析,优化了除尘技术方案,提高了除尘效率。Li 等7 结合相似原理和气固两相流理论研究了热喷涂过程中超细颗粒的控制措施。林浩宇等8 采用计算流体动力学中的风流 粉尘耦合数值模拟方法,得出组合式打磨台最佳总排风量和台面与壁面的最佳配风比。Liu 等9 研究了隧道中风幕的抑尘性能,分析了风幕发生器的径向和轴向压力风量以及除尘风机的排风量对粉尘扩散运动和污
14、染作用的影响。这些研究为研发高效除尘设备、制定打磨区的通风控制参数提供了重要理论依据和技术支撑。1904 年,风幕的概念被首次提出10,此后风幕阻流技术广泛应用到生产、生活多个领域。本文在前人研究的基础上,提出采用排风罩和风幕配合使用的除尘方案,采用数值模拟的方法,与打磨作业常用通风除尘方案对比分析,验证该方案的除尘效果,以期提出一种除尘效果好、对生产工序影响较小,还能提高工人舒适度的打磨作业通风控尘方案,从而为打磨车间粉尘控制提供理论依据和技术支撑。1数值模拟基本方程打磨车间的通风除尘系统中,最大空气流动速度远小于声速340 m/s,因此打磨车间及通风系统内的空气可看做不可压缩气体。通风过程
15、是无化学反应、无能量传递的过程,气流中粉尘颗粒相体积率远小于 10%,因此选用离散相模型。为了便于模拟和分析,打磨作业看做连续作业,尘源强度视为常量,除尘效果仅考虑车间内粉尘质量浓度分布达到稳定状态时的情况,即模拟过程为稳态。在计算流体动力学中,根据质量守恒、动量守恒、标准 湍流方程和颗粒相的作用力平衡方程,建立用于描述粉尘颗粒运移扩散的控制方程组11 12。1)质量守恒方程为t+xi(ui)=0(1)2)动量守恒方程为t(ui)+xj(uiuj)=pxi+ijxj+gi(2)3)湍流方程如下。方程:xi(ui)=xi+t()xi+G(3)方程:xi(ui)=xi+t()xi+C1G C22(
16、4)t=C2,G=tujxiuixj+ujx()i4)颗粒作用力平衡方程为dupdt=FD(u up)+g(p)p(5)FD=0.75CD up updp式中 为气体密度,kg/m3;u 为流体速度,m/s;ui、uj为流体在 i、j 方向上的速度,m/s;xi、xj为 i、j 方向上的坐标,m;p 为流体压力,Pa;ij为应力张量,N/m2;g 为重力体积力,gi为 i 方向的重力体积力,N/kg;为湍动能,m2/s2;为湍动能耗散率,m2/s3;G为湍动能变化率;为层流黏性系数,t为湍流黏性系数,Pas;CD为阻力系数;up为颗粒运动速度,m/s;p为颗粒密度,kg/m3;dp为颗粒直径,
17、m;t 为时间,s;C1、C2、C、和 为常数,分别取 1.44、1.92、0.09、1.3 和 1.0。2几何模型的建立及模拟参数设置2.1模型建立某打磨车间实际由备料区、运输轨道、打磨台等组成,备料区和运输轨道内的物体摆放复杂,且对打磨区粉尘的扩散运动影响较小,因此建模过程中可忽略。该打磨车间长为10 m,宽为6 m,高为4 m,内部设置有两个相同尺寸的工作台,长为 2 m,宽为 1m,高为 0.8 m。车间设置有前后两扇门,尺寸均为高 2 m、宽 1.5 m。车间一侧墙面设置有两扇窗户,均为高 1.5 m、宽 1 m。为了模拟车间实际通风情况,打磨台上方有两处排风扇进行排风。车间示意图见
18、图 1。在建立几何模型前要充分考虑打磨车间整体结构、车间工件摆放情况、打磨区现有通风设备和主要研究对象打磨台处粉尘等条件,结合数值模拟软件的特点,保留主要影响因素,忽略次要因素或给予适当的简化,使数值模拟结果符合实际,减小误差。1)打磨车间气体视为不可压缩气体、常物性、定常流。为了模拟车间风流速度场及粉尘扩散规律的35322023 年 7 月谭聪,等:打磨车间粉尘控制技术数值模拟Jul,2023图 1打磨车间几何模型图Fig 1Geometric model of grinding workshop特征,确定模型为三维,流动为湍流。2)打磨车间主要完成产品工件抛光打磨工作,没有明显的热源,砂轮
19、磨削运动及其他机械摩擦产生的热量在计算过程中可忽略。因此,打磨车间可视为恒温状态。3)车间工人实际为间歇性工作,因此尘源的产生时间是不连续的,并且工作区域尘源的粉尘质量浓度也不恒定,而要完全模拟实际工作中粉尘在时间和质量浓度上的变化有困难,因此简化为尘源处连续产生一定质量浓度的粉尘,也即该区域发尘量是稳定的。4)作业人员主要在固定的打磨台操作,也即为粉尘来源,因此假设尘源为面尘源,并将该区域产生的粉尘平均分布到 0.3 m 0.3 m 的面积内。根据打磨车间内部设备布局和相关尺寸,建立1 1的三维几何模型。因模型具有不规则边界,所以网格划分以四面体为主,在适当的位置包括六面体、锥形等网格,在软
20、件中选择 Tet/Hybrid。为了得到更高的计算精度,在打磨台尘源处进行局部加密,采用尺寸为 0.1 m 的四面体网格划分。模型其他部分网格尺寸为 0.2 m。共得到 175 819 个单元,最小体积为 5.533 214 105m3,最大体积为 4.101 136 103m3,满足模拟计算要求。2.2模型参数及边界条件设置依据上述几何模型和工作场所实际通风情况,设置的 Fluent 求解参数和边界条件见表 1,尘源参数见表 2。2.3模型验证为了验证数值模拟结果的准确性,选择实际打磨车间,按照 GBZ/T 192.12007工作场所空气中表 1模拟参数及边界条件设置Table 1Calcu
21、lation model and boundary condition setting计算条件参数设定求解器基于压力时间稳态湍流模型 双方程模型离散相模型打开排风扇表压 100 Pa出口边界压力出口压力速度耦合SIMPLE压力离散方式标准格式动量离散格式一阶迎风格式收敛标准0.001表 2尘源参数设定Table 2Dust source parameter setting尘源参数参数设定尘源类型面尘源粉尘材质铝粒径分布 分布尘源速度30 m/s质量流率105kg/s最小粒径106m最大粒径105m平均粒径5 106m分布指数3.5积分尺度0.15粉尘测定 的要求进行粉尘质量浓度测定,在车间中部
22、呼吸带高度沿车间长度走向布置测点。数值模拟结果和实际测量结果数据见图 2。通过图 2 可以看出,数值模拟结果与现场实际测量数据在数值上有一定的差异,分析原因一方面是由于实际测量过程存在一定的误差,另一方面几何模型的简化也对结果有一定的影响。但两者分布规律基本相同,表明本文数值模拟结果在定性分析方面具有一定的可信度。3模拟结果及分析3.1仅使用排风罩粉尘分布数值模拟通风除尘设计方案为在打磨台处安装局部排风4532Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期罩,通过罩口的抽吸作用捕集粉尘来降低打磨台周围粉尘质量浓度。排风罩尺寸为长 2 m、高 1 m,排风管直径为 0.2 m
23、,风速为10 m/s,设计方案见图3。3.1.1打磨车间粉尘粒子运动轨迹打磨台施加排风罩后,在排风罩抽力的作用下,粉尘粒子受风流的影响扩散情况也会发生变化,因此选取车间粒子轨迹图观察粉尘离开尘源后的运移扩散规律,使用 DPM 模型追踪了 200 个尘粒的运动轨迹。从图 4 可以观察到,施加排风罩后,大部分粉尘颗粒直接被排风罩收集并排至室外,也有一些粉尘因磨削具有较高的初速度,在风流的综合影响下扩散至排风扇高处,之后从排风扇口排出。由于两个打磨台靠墙一侧及墙角壁面处风速低,且因车间风流的转向有涡流出现,一些粉尘粒子在此处盘旋较长时间才从车间排出。整体来看,由于局部排风罩直接对粉尘颗粒的捕集,尘粒
24、从车间排至室外的时图 2实测数据与模拟数据对比Fig 2Comparison between measured dataand simulated data图 3仅采用排风罩车间几何模型Fig 3Geometric model of workshop withusing exhaust hood间大大缩短,而且只有少部分粉尘扩散至呼吸带高度。因此,这种除尘方式的效果十分明显。3.1.2车间粉尘质量浓度分布规律为了进一步研究排风罩除尘降尘的效果,选取呼吸带高度 Z=1.5 m、Z=1.6 m 两个水平截面和Y=4.0 m、Y=4.5 m 两个竖直截面分析粉尘质量浓度的变化,模拟结果如图 5 所示
25、,坐标轴设定的粉尘质量浓度范围为 0 6 mg/m3。从图 5 的 Z=1.5 m 截面可以看出,当工人在打磨操作时,打磨台上方呼吸带高度粉尘质量浓度基本已经降至 3 mg/m3以下,除了罩口前侧质量浓度在 3 4 mg/m3,其他部分粉尘质量浓度均小于 1.5mg/m3,满足工作所要求的卫生标准。相比其他区域,排风罩及其后方壁面附近粉尘质量浓度偏高,在3 6 mg/m3,两打磨台靠墙一侧也有局部位置粉尘图 4仅采用排风罩后打磨车间粉尘粒子轨迹图Fig 4Track diagram of dust particles in grindingworkshop after using exhaus
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