Пособие по применению нпб 105-95 “определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности” при рассмотрении проектно-сметной документации

6. ТИПОВЫЕ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ КАТЕГОРИЙ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

6.1. Помещения с горючими газами

Пример 1

1. Исходные данные.

1.1. Аккумуляторное помещение объемом V_п = 27,2 м³ оборудуется аккумуляторными батареями СК-4 из 12 аккумуляторов и СК-1 из 13 аккумуляторов.

1.2. Максимальная абсолютная температура воздуха согласно СНиП 2.01.01-82 [1] в районе строительства 38 °С (г. Екатеринбург).

1.3. Обоснование расчетного варианта наиболее неблагоприятного в отношении взрыва периода.

1.3.1. При расчете избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта принимается наиболее неблагоприятный в отношении взрыва период, связанный с формовкой и зарядкой полностью разряженных батарей с напряжением более 2,3 В на элемент и наибольшим значением зарядного тока, превышающим в четыре раза максимальный зарядный ток.

1.3.2. Происходит зарядка аккумуляторных батарей с максимальной номинальной емкостью (А · ч). Количество одновременно заряжаемых батарей устанавливается в зависимости от эксплуатационных условий, мощности и напряжения внешнего источника тока. Продолжительность поступления водорода в помещение соответствует конечному периоду зарядки при обильном газовыделении и принимается равным 1 ч (Т = 3600 с).

1.3.3. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура наружного воздуха в населенном пункте (климатической зоне) согласно СНиП 2.01.01-82 [1].

1.4. Расчет поступающего в помещение водорода при зарядке аккумуляторных батарей.

1.4.1. Масса водорода, выделившегося в одном элементе при установившемся динамическом равновесии между силой зарядного тока и количеством выделяемого газа, составляет

кг · А^-1 · с^-1,

где F = 9,65 · 10⁴ А · с · моль^-1 - постоянная Фарадея; А - атомная единица массы водорода, равная 1 а.е.м = 1 · 10^-3 кг - моль^-1; Z = 1-валентность водорода; I - сила зарядного тока, А; Т - расчетное время зарядки, с.

1.4.2. Объем водорода, поступающего в помещение при зарядке нескольких батарей, м³, можно определить из выражения

,

где r_г - плотность водорода при расчетной температуре воздуха, кг · м ^-3; I_i - максимальный зарядный ток i-й батареи, А; n_i - количество аккумуляторов i-й батареи.

Плотность водорода определяется по формуле

, кг · м^-3,

где М - масса одного киломоля водорода, равная 2 кг · кмоль^-1; V₀ - объем киломоля газа при нормальных условиях, равный 22,413 м³ · кмоль^-1; a = 0,00367 град^-1 - коэффициент температурного расширения газа; t_p - расчетная температура воздуха, °С.

Максимальная сила зарядного тока принимается по ГОСТ 825-73 "Аккумуляторы свинцовые для стационарных установок".

1.5. Стехиометрическая концентрация водорода С_ст рассчитывается по формуле (3) НПБ 105-95

(об.);

.

1.6. Плотность водорода при расчетной температуре воздуха будет равна

кг · м^-3.

1.7. Объем водорода, поступающего в аккумуляторное помещение при зарядке двух батарей СК-4 и СК-1, составит

кг · м^-3.

1.6. Свободный объем аккумуляторного помещения составит

V_cв = 0,8 · V_п = 0,8 · 27,2 = 21,76 м³

2. Избыточное давление взрыва DР водорода в аккумуляторном помещении согласно формуле (2) Пособия (V_н = т/r_г) будет равно

кПа

Так как расчетное избыточное давление взрыва более 5 кПа, то аккумуляторное помещение следует относить к категории А.

3. Расчет избыточного давления взрыва водорода DР в аккумуляторном помещении с учетом работы аварийной вентиляции (по п. 3.7 НПБ 105-95 [2], продолжительность поступления водорода з объем помещения Т= 3600 с).

3.1. При кратности воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, равной 8 ч^-1, объем водорода, поступающего в помещение, составит

м³.

Избыточное давление взрыва DP при этом будет равно

кПа

3.2. При оборудовании аккумуляторного помещения аварийной вентиляцией с кратностью воздухообмена А = в ч^-1, отвечающей требованиям п. 3.7 НПБ 105-95, СНиП 2.04.05-91 * [3] и ПУЭ [4], допускается не относить аккумуляторное помещение к категории А.

Согласно п. 2.2 и табл.1 НПБ 105-95 при расчетном давлении взрыва менее 5 кПа аккумуляторное помещение следует относить к категории В4.

Пример 2

1. Исходные данные.

1.1. Пост диагностики автотранспортного предприятия для грузовых автомобилей, работающих на сжатом природном газе. Объем помещения V_п = 300 м³ Свободный объем помещения V_св = 0,8 · V_п = 0,8 · 300 = 240 м³. Объем баллона со сжатым природным газом V = 50 л = 0,05 м³. Давление в баллоне P₁ = 2 · 10⁴ кПа.

1.2. Основной компонент сжатого природного газа - метан (98 % (об.)). Молярная масса метана М = 16,04 кг · кмоль^-1.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва DР в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одного баллона со сжатым природным газом и поступление его в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (Москва) согласно СНиП 2.01.01-82 t_р = 37 °С.

Плотность метана при t_p = 37 °С

кг · м^-3.

3. Масса поступившего в помещение при расчетной аварии метана т определяется по формулам (6) и (7) НПБ 105-95:

V_a = 0,01 · 2 · 10⁴ · 0,05 = 10м³;

m =10 · 0,6301 = 6,301 кг.

4. Избыточное давление взрыва DР, определенное по формуле (9) или номограмме (рис. 19) Пособия, составит

DР = 2,36 · 10³ · 6,301/240 = 62 кПа.

По номограмме при m/Vcв · 10⁴ = 6,301/240 · 10⁴ = 262,5

DР > 12кПа.

5. Расчетное избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, следовательно, помещение поста диагностики относится к категории А.

Пример 3

1. Исходные данные.

1.1. Помещение участка наращивания кремния. Наращивание поликристалла кремния осуществляется методом восстановления тетрахлорида кремния в атмосфере водорода на двух установках с давлением в их реакторах P₁ = 200 кПа. Водород подается к установкам от коллектора, расположенного за пределами участка, по трубопроводу из нержавеющей стали диаметром d = 0,02 м (радиусом r = 0,01 м) под давлением Р₂ = 300 кПа. Суммарная длина трубопровода от автоматической задвижки с электроприводом, расположенной за пределами участка, до установок составляет L₁ = 15 м. Объем реактора V = 0,09 м³ Температура раскаленных поверхностей реактора t = 1200 °С. Время автоматического отключения по паспортным данным Т_а = 3 с. Расход газа в трубопроводе q = 0,06 м³ · с^-1. Размеры помещения LxSxH = 15,81 х 15,81 х 6 м. Объем помещения V_п = 1500 м³. Свободный объем помещения V_cв=0,8 · 1500 = 1200 м³. Площадь помещения F = 250 м².

1.2. Молярная масса водорода М = 2,016 кг · кмоль^-1. Нижний концентрационный предел распространения пламени водорода С_НКПР = 4,1 % (об.). Стехиометрическая концентрация водорода С_ст = 29,24 % (об.). Максимальное давление взрыва водорода Р_mах = 730 кПа. Тетрахлорид кремния - негорючее вещество. Образующиеся в результате химической реакции вещества - негорючие.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одного реактора и выход из него и подводящего трубопровода водорода в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (г. Воронеж) согласно СНиП 2.01.01-82 t_p=41 °С. Плотность водорода при t_p = 41 °С

кг · м^-3.

Расчетное время отключения трубопровода по п. 3.2 в) НПБ 105-95 Т_а = 120 с.

3. Масса поступившего в помещение при расчетной аварии водорода т определяется по формулам (6) - (10) НПБ 105-95:

V_a = 0,01 · 200 · 0,09 = 0,18 м³;

V_1т = 0,06 · 120 = 7,2 м³;

V_2т = 0,01 · 3,14 · 300 · 0,01² · 15 = 0,014 м³;

V_т = 7,2 + 0,014 = 7,214 м³;

m = (0,18+7,214) · 0,0782 = 0,5782 кг.

4. Определение коэффициента участия водорода во взрыве Z проводим в соответствии с приложением НПБ 105-95.

4.1. Средняя концентрация водорода в помещении C_ср составит

(об.).

С_ср = 0,62 % (об.) < 0,5 · С_НКПР = 0,5 · 4,1 = 2,05 % (об.), следовательно, можно определить значение коэффициента участия водорода во взрыве Z расчетным методом.

4.2. Значение предэкспоненциального множителя С₀ составит

(об.).

4.3. Расстояния Х_НКПР, у_НКПР и Z_НКПР составят:

м;

м.

4.4. Расчетное значение коэффициента Z будет равно

.

5. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (1) НПБ 105-95 составит

кПа.

6. Расчетное избыточное давление взрыва менее 5 кПа. Помещение участка наращивания кремния не относится к категории А. Согласно п. 2.2 и табл. 1 НПБ 105-95 при расчетном давлении взрыва менее 5 кПа данное помещение следует относить к категории В4.

6.2. Помещения с легковоспламеняющимися жидкостями

Пример 4

1. Исходные данные.

1.1. Помещение складирования ацетона. В помещении хранится десять бочек с ацетоном, каждая объемом по V_а = 80 л = 0,08 м³. Размеры помещения LxSxH = 12 х 6 х 6 м. Объем помещения V_п = 432 м³. Свободный объем помещения V_cв = 0,8 · 432 = 345,6 м³. Площадь помещения F = 72 м²

1.2. Молярная масса ацетона М = 58,08 кг · кмоль^-1. Константы уравнения Антуана: А=6,37551; В = 1281,721; С_А = 237,088. Химическая формула ацетона С₃Н₆О. Плотность ацетона (жидкости) r_ж = 790,8 кг · м^-3. Температура вспышки ацетона t_всп = -18 °С.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одной бочки и разлив ацетона по полу помещения, исходя из расчета, что 1 л ацетона разливается на 1 м² пола помещения. За расчетную температуру принимается абсолютная температура воздуха в данном районе (г. Мурманск) согласно СНиП 2.01.01-82 t_p = 32 °С.

3. Определение параметров взрывопожарной опасности проводим с использованием номограмм Пособия.

3.1. В соответствии с рис. 2 Пособия для t_p = 32 °С определяется значение параметра х_t=0,896.

3.2. Рассчитывается значение параметра М · х_t = 58,08 · 0,896 = 52,0.

3.3. Согласно рис. 6 Пособия для значения параметра М · x_t = 52,0 определяется значение плотности паров ацетона при расчетной температуре r_п = 2,32 кг · м^-3

(расчетное кг · м^-3)

3.4. Рассчитывается значение параметра t_p + С_А = 32 + 237,088 » 270 (269,088).

3.5. Согласно рис. 7 Пособия для значения параметров t_p + С_А = 270 и В_х = 1000 определяется значение параметра = 3,7.

Искомое значение параметра

х_в = (1281,721/1000) · 3,7 » 4,7 (4,724).

3.6. Согласно рис. 8 Пособия для значения параметров х_в = 4,7 и А = 6,4 (6,37551) определяется значение параметра IgР_Н = 1,68.

3.7. Согласно рис. 9 Пособия для значения параметра IgР_Н = 1,68 определяется значение давления насыщенных паров ацетона Р_Н ш 47 кПа (IgР_Н = 6,37551 - 1281,7217(32 + 237,088) = = 1,612306, откуда расчетное значение Р_Н = 40,95 кПа). Следовательно, графическое определение при больших значениях давления насыщенных паров ацетона Р_Н дает довольно завышенные значения с определенным запасом по сравнению с расчетом по формуле Антуана.

3.8. Согласно рис. 11 Пособия для значения молярной массы ацетона М = 58 (58,08) определяем значение параметра = 7,62. Далее рассчитываем значение параметра

х_h = 10^-3 · h · · Р_Н = 10^-3 · · Р_Н (при h = 1,0) = 10^-3 · 7,62 · 47 » 0,36 (0,358).

3.9. Согласно рис. 15 Пособия для значения параметра х_h = 0,36 определяем значение интенсивности испарения ацетона W = 3,6 · 10^-4 кг · м^-2 · с^-1

(расчетное значение W = 10^-6 · · 40,95 = 3,1208 · 10^-4 кг · м^-2 · с^-1).

4. Расчетная площадь разлива содержимого одной бочкг. ацетона составляет

F_и = 1,0 · V_a = 1,0 · 80 = 80 м².

Поскольку площадь помещения F = 72 м² меньше рассчитанной площади разлива ацетона F_и= 30 м², то окончательнопринимаем F_и = F = 72 м².

5. Масса паров ацетона, поступивших в помещение, т рассчитывается по формуле (12) НПБ 105-95

m = 3,6 · 10^-4 · 72 · 3600 = 93,312 кг.

Масса разлившегося ацетона m_п составляет

т_п = V_a · r_ж = 0,08 · 790,8 = 63,264 кг.

Поэтому принимаем, что при расчетной аварийной ситуации испаряется вся масса разлившегося из бочки ацетона, т. е. m = т_п = 63,264 кг.

Для расчетного значения W = 3,1208 · 10^-4 кг · м^-2 · с^-1 масса паров ацетона, поступивших в помещение, составит

m = 3,1208 · 10^-4 · 72 · 3600 = 80,891 кг.

В этом случае также испарится только масса разлившегося ацетона и m = m_п = 63,264 кг.

6. Рассчитаем параметр:

.

7. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (20) или номограмме (рис, 21) Пособия будет равно

DР = 959,3 · 63,264/(345,6 · 2,3190) = 75,7 кПа.

По номограмме при DР > 12 кПа.

8. Расчетное избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, следовательно, помещение складирования ацетона относится к категории А.

Пример 5

1. Исходные данные.

1.1. Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки. В помещении находится топливный бак с дизельным топливом марки "3" (ГОСТ 305-82) объемом V_a = 6,3 м³ Размеры помещения LxSxH = 4,0 х 4,0 х 3,6 м. Объем помещения V_п = 57,6 м³ Свободный объем помещения V_cв = 0,8 · 57,6 = 46,08 м³ Площадь помещения F = 16 м². Суммарная длина трубопроводов диаметром d₁ = 57 мм = 0,057 м (r₁=0,0285 м), ограниченная задвижками (ручными), установленными на подводящем и отводящем участках трубопроводов, составляет l₁ = 10 м. Расход дизельного топлива в трубопроводах q = 1,5 л · с^-1 = 0,0015 м³ · с^-1.

1.2. Молярная масса дизельного топлива марки "3" М = 172,3 кг · кмоль^-1. Брутто-формула C_12,343H_12,889. Плотность жидкости при температуре t = 25 °С r_ж = 804 кг · м^-3. Константы уравнения Антуана: А = 5,07828; В = 1255,73; С_А = 199,523. Температура вспышки t_всп > 40 °С. Теплота сгорания Н_т = = 4,359 · 10⁷ Дж · кг^-1 =43,59 МДж · кг^-1. Нижний концентрационный предел распространения пламени С_НКПР = 0,6 % (об.).

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация топливного бака и выход из него и подводящих и отводящих трубопроводов дизельного топлива в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха согласно СНиП 2.01.01-82 в данном районе (г.Благовещенск) t_р = 41 °С. Плотность паров дизельного топлива при t_р = 41 °С

кг · м^-3.

Расчетное время отключения трубопроводов по п. 3.2 в) НПБ 105-95 Т_а = 300 с, длительность испарения по п. 3.2 е) НПБ 105-95 Т= 3600 с.

3. Объем V_ж и площадь разлива F_и поступившего при расчетной аварии дизельного топлива определяются в соответствии с положениями п. 3.2 НПБ 105-95:

V_ж = V_a + q · Т_а + p · · L₁ = 6,3 + 0,0015 · 300 + 3,14 · 0,0285² · 10 = 6,776 м³ = 6776 л;

F_и = 1,0 · 6776 = 6776 м²

Поскольку площадь помещения F = 16 м² меньше рассчитанной площади разлива дизельного топлива F_и = 6776 м², то окончательно принимаем F_и = F = 16 м²

4. Определяем давление насыщенных паров дизельного топлива Р_Н при расчетной температуре t_р = 41 °С:

IgР_Н = 5,07828 - 1255,73 / (199,523 + 41)= - 0,142551

Р_Н = 0,72 кПа.

5. Интенсивность испарения дизельного топлива W составит

W = 10^-6 · 1,0 · · 0,72 = 9,45 · 10^-6 кг · м^-2 · с^-1.

6. Масса паров дизельного топлива, поступивших в помещение, будет равна

m = 9,45 · 10^-6 · 16 · 3600 = 0,5443 кг.

7. Определение коэффициента участия паров дизельного топлива во взрыве Z проводим в соответствии с пп. 1,2 приложения НПБ 105-95.

7.1. Средняя концентрация паров дизельного топлива С_ср в помещении составит

(об.).

С_ср = 0,18 % (об.) < 0,5 · С_НКПР = 0,5 · 0,6 = 0,3 % (об.), следовательно, можно определить значение коэффициента Z расчетным методом.

7.2. Значение С_н будет равно

С_н = 100 · 0,72/101 = 0,71 % (об.).

7.3. Значение стехиометрической концентрации паров дизельного топлива С_ст согласно формуле (3) НПБ 105-95 исходя из химической брутто-формулы дизельного топлива составит

b = 12,343 + 23,889/4 = 18,32;

С_ст = 100/(1 + 4,84 · 18,32) = 1,12 % (об.).

7.4. Значение параметра С* будет равно

С* = 1,19 · 1,12 = 2,13% (об.).

7.5. Поскольку С_н = 0,71 % < С* = 2,13 % (об.), то рассчитываем значение параметра X:

Х = С_н/С* = 0,71/2,13 = 0,33.

7.6. Согласно номограмме чертежа (п. 2) приложения НПБ 105-95 при значении Х = 0,33 определяем значение коэффициента участия паров дизельного топлива во взрыве (Z = 0).

8. Избыточное давление взрыва DР согласно формуле (1) НПБ 105-95 составит

кПа.

9. Расчетное избыточное давление взрыва менее 5 кПа. Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки не относится к категориям А и Б. Согласно п. 2.2 и табл. 1 НПБ 105-95 проведем проверку принадлежности помещения к категориям В1 - В4.

10. В соответствии с п. 3.20 НПБ 105-95 определим пожарную нагрузку Q и удельную пожарную нагрузку g:

G = V_ж · r_ж = 6,776 · 804 = 5448 кг;

Q = G · = 5448 · 43,59 = 237478 МДж;

S = F = 16 м²;

МДж · м^-2.

11. Удельная пожарная нагрузка более 2200 МДж · м^-2. Помещение промежуточного топливного бака резервной дизельной электростанции унифицированной компоновки согласно табл. 4 НПБ 105-95 относится к категории В1.

Пример 6

1. Исходные данные.

1.1. Помещение сушильно-пропиточного отделения электромашинного цеха. В помещении находится два бака для покрытия лаком БТ-99 полюсных катушек способом окунания с подводящими и отводящими трубопроводами. Размеры помещения LхSxH = 32 х 10 х 8 м. Объем помещения V_п = 2560 м³. Свободный объем помещения V_св = 0,8 · 2560 = 2048 м³. Площадь помещения F = 320 м² Объем каждого бака V_aп = 0,5 м³. Степень заполнения бака лаком e = 0,9. Объем лака в баке V_a = e · V_aп = 0,9 - 0,5 = 0,45 м³. Длина и диаметр подводящего (напорного) трубопровода между баком и насосом L₁ = 10 м и d₁ = 25 мм = 0,025 м соответственно. Длина и диаметр отводящего трубопровода между задвижкой и баком L₂ = 10 м и (d₂ = 40 мм = 0,04 м соответственно. Производительность насоса q = 6,5 · 10^-5 м³ · с^-1. Время отключения насоса Т_а = 300 с. В каждый бак попеременно загружается и выгружается единовременно по 10 шт. полюсных катушек, размещаемых в корзине. Открытое зеркало испарения каждого бака F_емк = 1,54 м². Общая поверхность 10 свежеокрашенных полюсных катушек F_св.окр = 6,28 м.