Расчет пожарных категорий - определение размеров взрывоопасных зон



Расчет пожарных категорий не мыслим без определения класса зоны. Это важное и нужное мероприятие позволяет определить то электрооборудование, которое допустимо применять в том или ином помещении, чтобы избежать взрыва или пожара. При этом размеры этих зон определяются следующим образом, если избыточное давление взрыва газо-паро-пылевоздушной смеси превышает 5кПа, то считается, что взрывоопасная зона занимает весь объем помещения, где проводится расчет пожарных категорий. Если нет, то ее размер определяется по ПУЭ.

 

Оставляя в настоящий статье без должного внимания вопрос о том, как определить размер взрывоопасной зоны по ПУЭ, а саму взрывоопасную зону по Техническому регламенту (а они на секундочку разные и ни в одном документе не указано как они могут сопоставляться) обратимся к интересному вопросу наших коллег из Воронежа: а как, на основе чего вообще определены эти размеры и, какая методика расчета может быть использована для того, чтобы устранить, в том числе, и названное выше противоречие, ведь де-юре нельзя использовать размеры зон, указанные в ПУЭ для тех, которые определены по Федеральному закону 123-ФЗ. Поэтому, опять же теоретически, эти зоны нужно рассчитывать и определять каждый раз.

 

 

 

Поэтому вопрос методики их расчета стал очень актуальным, и, для тех пожарных специалистов, которых интересует расчет пожарных категорий и взрывоопасных зон мы представляем выдержку из работы профессора Черкасова Владимира Николаевича.

 

В своей работе, написанной еще в 1965 году он описал эксперимент по определению размеров взрывоопасных зон ЛВЖ и горючих газов.

 

Профессором Владимиром Николаевичем Черкасовым было исследовано распределение взрывоопасных концентраций и зон взрывоопасности горючих смесей при непрерывном выбросе их в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При решении практических задач процессов атмосферной диффузии часто применяется теория Сэттона [34]. Так, по Сэттону, для случая изотропной турбулентности определение приземной объемной концентрации от помещенного на высоте h точечного источника на расстоянии X в направлении по ветру и на расстоянии у в направлении поперек ветра можно произвести по формуле

 

 

  (27)

Где

х(х,у) - приземная объемная концентрация от помещенного на высоте h точечного источника в г/м³ или мг/л

Q - удельный расход паров или газов в г/сек, удваиваемый за счет отражения от земли:

C - обобщенный коэффициент диффузии в м^n/2(для изотропной турбулентности С=С_х=С_у=С_Zопределяется из опыта на основании экспериментальных данных

u - средняя скорость ветра в м/сек,

y - расстояние от оси струи в направлении поперек.ветра в м;

h - высота точечного источника над поверхностью земли в м;

n - безразмерный параметр, связанный с устойчивостью атмосферы, или показатель турбулентности.

 

Величина этого параметра изменяется в пределах от 0 до 1 (в условиях очень турбулентной атмосферы n приближается к нулю, а в условиях слабой турбулентности n стремится к своему верхнему пределу, равному 1). При условиях, соответствующих малым градиентам температуры по вертикали, величина п в среднем равна 0,25 [34].

 

В нашу задачу входило исследование не приземной концентрации, а распределения концентраций на уровне точки выброса паров и газов по оси их струи в направлении по ветру. Поэтому, принимая у = 0 и h = 0, а также заменяя значения %=G, x=S, преобразуем формулу (27) в следующую:

 

           (28)

Однако для получения концентрации по формуле (28) необходимо определить значения коэффициентов С² и n. Если, как уже указывалось, коэффициент n можно принять равным 0,25, то значение коэффициента С² можно определить только на основании данных экспериментального исследования распределения концентраций в реальных условиях выброса горючих паров и газов в атмосферу.

 

Поэтому при решении вопросов о зонах взрывоопасности горючих паров и газов большое внимание было уделено экспериментальным исследованиям распределения их концентраций, причем эксперименты проводили в реальных условиях выброса горючих смесей в атмосферу на действующих промышленных объектах.

 

Исследования зон взрывоопасности проводили при выбросе горючих паров и газов из дыхательных и предохранительных клапанов резервуаров с ЛВЖ, отдельно стоящих свечей, газоотводных и продувочных труб, вентиляционных шахт и коробов и т.д. Таким образом, экспериментами были охвачены наиболее характерные и часто встречающиеся устройства для выброса горючих смесей в атмосферу.

 

Чтобы определить влияние на процесс распределения концентраций паров и газов различных конструктивных оформлений концов газоотводных труб, опыты проводили при свободном выбросе струи по вертикали, а также при наличии на концах труб защитных колпаков и изогнутых концов труб под углом 90—120°, препятствующих выбросу.

 

Влияние удельного веса выбрасываемых паров и газов на процесс распределения концентраций учитывалось тем, что опыты проводили при выбросе веществ как тяжелее воздуха (бензин, псевдобутилен, стирол), так и легче его (водород, природный газ) при разных значениях избыточных давлений. При опытах учитывалось также и влияние на зоны взрывоопасное метеорологических условий (главным образом, скорости ветра).

 

 

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОН ВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРИ ХРАНЕНИИ ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ

 

Исследование зон взрывоопасности легковоспламеняющихся жидкостей проводилось при выделении паров бензина через дыхательные и предохранительные клапаны и открытые замерные люки наземных вертикальных резервуаров типа РВС-5000. Это объясняется тем, что бензин является весьма распространенной легковоспламеняющейся жидкостью, а хранение его связано со значительной пожаро- и взрывоопасностью.

 

Из существующих методов определения концентраций паров и газов в воздухе за основу был принят экспрессный способ с использованием специального газоанализатора типа ПГФ2М-ИЗГ «Эфир», градуированного на бензины.

 

Концентрации паров бензина определяли, как по горизонтали, так и по вертикали через каждые 0,5 м от места их выделения в точках, указанных на рис. 29, причем в каждой точке производили не менее пяти замеров.

 

 

Эксперименты проводили при наиболее благоприятных для образования зон взрывоопасности режимах работы резервуаров и метеорологических условиях. Например, концентрации по вертикали в точках 16—86 (рис. 29) измеряли при скорости ветра порядка 0,2 м/сек измерения же концентраций в горизонтальных направлениях в точках 1—11 и 1а—7а проводили при скорости ветра до 2 м/сек.

 

На резервуаре были установлены три дыхательных клапана типа ДК-200 и три предохранительных клапана типа ПКС-200. Производительность насоса, работавшего на заполнение резервуара, была равна 800 м³/ч.

 

Зоны взрывоопасности определялись для автомобильных бензинов марок А-66 и А-72, у которых наименее значительны нижние концентрационные пределы взрыва (НПВ). По результатам измерений были построены графики зависимости средних значений концентраций паров бензина G от расстояния (5 или h) до места выхода (выброса), т.е. G=f(S) по горизонтали (рис. 30, а и б, кривые 1) и G = f(h) по вертикали (рис. 30, в, кривая 1).

 

 

Полученные экспериментальные кривые распределения концентраций паров бензина хорошо аппроксимируются следующими эмпирическими формулами:

 

  мг/л (29)

 

— для случая распределения концентраций паров бензина по горизонтали (см. рис. 29, точки 1—11) при выбросе их из дыхательного и предохранительного клапанов резервуара;

 

мг/л (30)

 

— для случая распределения концентраций паров бензина по вертикали над клапанами (см. рис. 29, точки 16—86).

 

 

Концентрации паров бензина, определяемые по графикам или формулам (29) и (30), соответствуют доверительной вероятности α =0,5. Но так как вопрос о зонах взрывоопасное связан с обеспечением пожаро- и взрывобезопасности установок и хранилищ бензина, то кроме средних значений концентраций G был определен также их верхний доверительный интервал G_ист, соответствующий доверительной вероятности α = 0,99.

 

Верхний доверительный интервал концентраций был определен по формуле (31):

 

  (31)

 

G_{(S или h)ист} истинные значения величин концентраций паров бензина в данных точках, соответствующие заданной доверительной вероятности (α = 0,99);

 

G_{(S или h)опыт} -средние значения концентраций паров бензина в данных точках, полученные опытным путем (рис. 30 а,б, и в, кривые 1);

 

t_α  коэффициент, зависящий от заданной доверительной вероятности а и числа степеней свободы (n— 1) и определяемый из таблиц критерия Стьюдента ([35], приложение VII); в нашем случае =3,75;

 

средняя квадратичная ошибка среднего арифметического значения концентраций в данной точке.

 

 

По полученным значениям G_{(S или h)ист} были построены кривые распределения концентраций паров бензина, соответствующие доверительной вероятности а =0,99 (рис. 30,а,б и в, кривые 2).

 

 

При определении размеров зон взрывоопасности учитывали также коэффициент надежности, который по аналогии с коэффициентом, применяемым в вопросах взрывозащиты, был принят равным 3 и определялся из следующего соотношения:

 

 (32)

 

Учитывая изложенное, зона взрывоопасности паров бензина была принята равной 2 м по горизонтали и 1 м по вертикали от места выделения паров бензина. Установленные размеры зоны взрывоопасности могут быть справедливыми для резервуаров любой емкости, так как они определялись не только по верхнему доверительному интервалу концентраций, но и с учетом коэффициента надежности, равного 3.

 

Были исследованы также зоны взрывоопасности при выбросе паров псевдобутилена и стирола через газоотводные трубы, свечи и промышленную вентиляцию. При этих опытах ни в одной экспериментальной точке взрывоопасных концентраций обнаружено не было.

 

 

3. Исследование зон взрывоопасности газов

 

Исследование зон взрывоопасности газов проводили при выбросе водорода и природного газа через свечи и газоотводные трубы. Опыты по замерам концентраций водорода, которые легче воздуха в 14,5 раза проводили при выбросе 15 м³/с и избыточном давлении 100 мм.вод.ст., при средней скорости ветра 1м/сек и температуре воздуха 28°С. Величину концентраций водорода определяли по вертикали через каждые 0,5 м в направлении оси струи. Опыты проводили газоанализатором типа ПГФ-11-54 с градуировкой на водород.

 

При этом было установлено, что если в точках, превышающих место выброса водорода на 0,5 и 1 м, средние концентрации меньше нижнего предела взрыва водорода (4% объемных) соотвественно в 1,3 и 1,9 раза, то в точке, отстоящей на 1,5 м, концентрации меньше уже в 36,3 раза. В точке, отстоящей по вертикали на 2 м, газоанализатор показаний не давал, так же как и в горизонтальном направлении от точки выброса, т. е. концентрации водорода выходили за пределы чувствительности прибора.

 

Таким образом, максимальной зоной взрывоопасности для водорода (при условиях выброса, соответствующих опыту) следует считать зону с превышением над местом выброса на 1,5 м. Такой вывод о размерах зоны взрывоопасности, очевидно, будет правильным и для случаев большей производительности выброса по сравнению с выбросом при опыте, но для избыточных давлений до 100 мм вод. ст.

 

Опыты по определению зон взрывоопасности при выбросе в атмосферу природного газа проводились на газораспределительной станции и газгольдерном пункте. Природные газы (саратовский, ставропольский и дашавский) состоят из 94—98% метана, в связи с чем плотность их по отношению к воздуху составляет 0,55. Нижний предел взрыва природных газов равен 3,8% объемных.

 

В первом случае выброс газа происходил из газовой магистрали диаметром 500 мм через свечу диаметром 100 мм. Опыты проводили как при свободном выбросе газа, так и при наличии защитного колпака, препятствующего свободному выбросу.

 

Концентрации газа при свободном выбросе измеряли в точках, расположенных через каждый метр по высоте от среза конца свечи; среднее значение концентраций газа в каждой точке оценивали по восьми замерам. Выброс газа производился при избыточных давлениях 0,2 и 0,3 атм. При проведении опытов скорость ветра менялась в пределах 1—2 м/сек, а температура воздуха была равной 27° С. Определение концентраций газа производили газоанализатором типа ПГФ2М-ИІА «Метан».

 

Во втором случае (при опытах на газгольдерном пункте) выброс газа производился через свечу диаметром 100 мм из батареи горизонтальных газгольдеров при избыточном давлении газа 0,5 атм. Всего было проведено три варианта опытов (рис. 31 а, б и в).

 

 

В первом опыте осуществлялся свободный выброс газа; во втором на свече имелся защитный колпак, препятствующий свободному выбросу газа, и в третьем опыте на конце свечи была укреплена специальная насадка, направляющая струю газа под углом 120° к вертикали.

 

При проведении опытов скорость ветра составляла r среднем 1 м/сек, а температура воздуха была равна 24° С. Измерения концентраций производили в точках, расположенных через каждый метр по вертикали и горизонтали от места выброса.

 

По результатам исследований концентраций газа были построены графики распределения средних значений концентраций как по вертикали так и по горизонтали от места выброса.

 

 

Так как значения величин концентраций газа, определяемые по графикам, соответствуют доверительной вероятности α = 0,5, то был определен также их верхний доверительный интервал G_ист соответствующий доверительной вероятности  α =0,99.

 

Концентрации газа, соответствующие верхнему доверительному интервалу G_ист, определяли по формуле (31). По полученным значениям G_ист были построены графики распределения концентраций, соответствующие доверительной вероятности  α = 0,99 (рис. 32, кривые 1, 2, 3 и рис. 33, кривая 2).

 

 

На рис. 33 кривая 1 соответствует доверительной вероятности α=0,5.

 

 

Размеры зон взрывоопасности определяли по концентрациям газа, соответствующим верхнему доверительному интервалу G_ист с учетом коэффициента надежности, равным 3 в формуле (32).

 

Исследования зон взрывоопасности горючих смесей паров и газов показывают, что особенно сильное влияние на размеры зон взрывоопасности при всех прочих равных условиях оказывает конструктивное выполнение устройств для выброса горючих паров и газов в атмосферу. Так, например, особенно при свободном выбросе (рис. 31, а) горючих паров и газов легче воздуха зону взрывоопасности следует учитывать только по вертикали, причем она будет иметь тем большие размеры, чем выше избыточное давление, при котором происходит выброс газа (рис. 32). Поэтому этот способ выброса паров и газов, как правило, следует избегать, особенно при избыточном давлении более 500 мм вод. ст.

 

Когда на газоотводных трубах имеются защитные колпаки (рис. 31,6), зона взрывоопасности значительно уменьшается. Однако в этом случае следует учитывать зону взрывоопасности также и по горизонтали. Этот вариант выброса позволяет получить минимальные размеры зон взрывоопасности.

 

При наличии на концах труб и свечей специальной насадки или изгиба труб (рис. 31,в), направляющих струю паров и газов под углом 90—120° к вертикали, основное значение имеет размер зоны по горизонтали. Причём в зависимости от избыточного давления при выбросе паров и газов размеры такой зоны могут быть весьма значительными (например, до 20 м для случая выброса природного газа под избыточным давлением 0,5 атм).

 

Такой вариант конструктивного выполнения устройств для выброса (особенно при избыточном давлении 0,5 атм и более) в большинстве случаев следует считать не удовлетворяющим условиям пожаро- и взрывобезопасности, так же как и практическому решению вопросов молниезащиты.

 

 

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НОРМИРОВАНИЮ ЗОН ВЗРЫВООПАСНОСТИ И МОЛНИЕЗАЩИТЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВЫБРОСА ГОРЮЧИХ ПАРОВ И ГАЗОВ В АТМОСФЕРУ

 

На основании исследований рекомендуется учитывать следующие размеры зон взрывоопасности:

 

а) для веществ тяжелее воздуха (бензин и др.) при выбросе их через устройства, имеющие на концах труб защитные колпаки, и при избыточном давлении до 500 мм вод. ст. зона взрывоопасности имеет размеры: 1 м по вертикали над точкой выброса и 2 м по горизонтали от точки выброса;

 

б) для веществ легче воздуха (водород, природный газ и др.) при свободном выбросе и при избыточном давлении до 100 мм вод. ст. зона взрывоопасности имеет размеры 1,5 м по вертикали над точкой выброса;

 

в) для веществ как тяжелее, так и легче воздуха при выбросе с обязательным наличием на концах труб защитных колпаков и при избыточном давлении до 0,5 атм зона взрывоопасности имеет размеры: 4 м по вертикали над точкой выброса и 8 ж по горизонтали от точки выброса.

 

Исследования зон взрывоопасности горючих паров и газов и рекомендации по их нормированию представляют значительный интерес также и с точки зрения обоснования зон взрывоопасности, принятых для наружных взрывоопасных установок класса В-І,. «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ). Размеры зон взрывоопасности по ПУЭ превышают размеры, полученные нами при экспериментальном исследовании. Таким образом, результаты исследований подтверждают надежность норм ПУЭ по зонам взрывоопасности для наружных установок класса В-І г.

 

Как мы видим, расчет пожарных категорий, основанный на научном подходе, должен включать в себя и понимание процесса образования паро-газовоздушной смеси и опасности ее концентрации.

Администратор
28.07.2015