Процедура расчета, реализованная на ПЭВМ, представлена на блок-схеме (рисунок Г.1). Результаты расчета границы облака для двух значений времени t0 + 10 с и t0 + 300 с представлены на рисунке Г.2.
Рисунок Г.1.
Алгоритм расчета параметров паровоздушного облака.
t0 - время начала истечения.
Рисунок Г.2.
Границы паровоздушного облака по НКПВ на различные моменты времени от начала истечения.
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
(рекомендуемое)
МЕТОД РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВРЕМЕНИ СУЩЕСТВОВАНИЯ «ОГНЕННОГО ШАРА».
Д.1. Расчет интенсивности теплового излучения «огненного шара» q, кВт/м2, проводят по формуле
,(Д.1)
где Ef - среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт/м2;
Fq - угловой коэффициент облученности;
?? - коэффициент пропускания атмосферы.
Д.2. Ef определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать Ef равным 450 кВт/м2.
Д.3. Fq рассчитывают по формуле
,(Д.2)
где Н - высота центра «огненного шара», м;
Ds - эффективный диаметр «огненного шара», м;
r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м.
Д.4. Эффективный диаметр «огненного шара» Ds рассчитывают по формуле
Ds = 5,33 т0.327,(Д.3)
где т - масса горючего вещества, кг.
Д.5. H определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать H равной Ds/2.
Д.6. Время существования «огненного шара» ts, с, рассчитывают по формуле
ts = 0,92 m0,303.(Д.4)
Д.7. Коэффициент пропускания атмосферы ?? рассчитывают по формуле
.(Д.5)
Пример - Определить время существования «огненного шара» и интенсивность теплового излучения от него на расстоянии 500 м при разрыве сферической емкости с пропаном объемом 600 м3 в очаге пожара.
Данные для расчета.
Объем сферической емкости 600 м3. Плотность жидкой фазы 530 кг/м3. Степень заполнения резервуара жидкой фазы 80 %. Расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара» 500 м.
Расчет.
Находим массу горючего т в «огненном шаре» по формуле
т = V ?? ?? = 600 · 530 · 0,8 = 2,54·105 кг,
где V - объем резервуара, м3 (V = 600 м3);
?? - плотность жидкой фазы, кг/м3 (?? = 530 кг/м3);
?? - степень заполнения резервуара (?? = 0,8). По формуле (Д.3) определяем эффективный диаметр «огненного шара» Ds
Ds = 5,33 (2,54·105)0,327 = 312 м.
По формуле (Д.2), принимая Н = Ds/2 = 156 м, находим угловой коэффициент облученности Fq
.
По формуле (Д.5) находим коэффициент пропускания атмосферы ??:
.
По формуле (Д.1), принимая Ef = 450 кВт/м2, находим интенсивность теплового излучения q
q = 450 · 0,037 · 0,77 = 12,9 кВт/м2.
По формуле (Д.4) определяем время существования «огненного шара» ts
ts = 0,92 · (2,54 · 105)0,303 = 40 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
(рекомендуемое)
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЫ ДАВЛЕНИЯ ПРИ СГОРАНИИ ГАЗОПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ.
Е.1. Исходя из рассматриваемого сценария аварии, определяют массу т, кг, горючих газов и (или) паров, вышедших в атмосферу из технологического аппарата (приложение А).
Е.2. Избыточное давление ??р, кПа, развиваемое при сгорании газопаровоздушных смесей, рассчитывают по формуле
,(Е.1)
где p0 - атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);
r - расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, м;
mпр - приведенная масса газа или пара, кг, рассчитанная по формуле
,(Е.2)
где Qсг - удельная теплота сгорания газа или пара, Дж/кг;
Z - коэффициент участия, который допускается принимать равным 0,1;
Q0 - константа, равная 4,52·106 Дж/кг;
mг,п - масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг.
Е.3. Импульс волны давления i, Па·с, рассчитывают по формуле
.(E.3)
Пример - Рассчитать избыточное давление и импульс волны давления при выходе в атмосферу пропана, хранящегося в сферической емкости объемом 600 м3, на расстоянии 500 м от нее.
Данные для расчета.
Объем емкости 600 м3. Температура 20 °С. Плотность сжиженного пропана 530 кг/м3. Степень заполнения емкости 80 % (по объему). Удельная теплота сгорания пропана 4,6·107 Дж/кг. Принимается, что в течение времени, необходимого для выхода сжиженного газа из емкости, весь пропан испаряется.
Расчет.
Находим приведенную массу mпр по формуле (Е.2):
mпр = 4,6·107/4,52·106 (0,8 · 530 · 600) · 0,1 = 2,59·105 кг.
Находим избыточное давление ??р по формуле (E.1):
??р = 101 [0,8 (2,59·105)0,33/500 + 3 (2,59·105)0,66/5002 + 5 (2,59·105)/5003] = 16,2 кПа.
Находим импульс волны давления i по формуле (Е.З):
i = 123 (2,59·105)0,66/500 = 1000 Па·с.
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
(рекомендуемое)
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЫ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВЗРЫВЕ РЕЗЕРВУАРА С ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТЬЮ ИЛИ СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕГО ОЧАГА ПОЖАРА.
Ж.1. При попадании замкнутого резервуара со сжиженным газом или жидкостью в очаг пожара может происходить нагрев содержимого резервуара до температуры, существенно превышающей нормальную температуру кипения, с соответствующим повышением давления. За счет нагрева несмоченных стенок сосуда уменьшается предел прочности их материала, в результате чего при определенных условиях оказывается возможным разрыв резервуара с возникновением волн давления и образованием «огненного шара». Расчет параметров «огненного шара» изложен в приложении Д. Порядок расчета параметров волн давления изложен ниже. Разрыв резервуара в очаге пожара с образованием волн давления получил название BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion - взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости).
Ж.2. Возможность возникновения BLEVE для конкретного вещества, хранящегося в замкнутой емкости, определяют следующим образом.
Ж.2.1. Рассчитывают ?? по формуле
,(Ж.1)
где Ср - удельная теплоемкость жидкой фазы, Дж/кг;
Т - температура жидкой фазы, соответствующая температуре насыщенного пара при давлении срабатывания предохранительного клапана, К;
Ткип - температура кипения вещества при нормальном давлении, К;
L - удельная теплота испарения при нормальной температуре кипения Ткип, Дж/кг.
Ж.2.2. Если ?? < 0,35, BLEVE не происходит. При ?? 0,35 вероятность возникновения данного явления велика.
Ж.3. Параметрами волны давления, образующейся при BLEVE, являются избыточное давление в положительной фазе волны ??р и безразмерный импульс положительной фазы волны i.
??р, кПа, и i, Па·с, рассчитывают по формулам:
,(Ж.2)
(Ж.3)
где р0 - атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);
r - расстояние до разрушающегося технологического оборудования, м;
mпр - приведенная масса, кг, рассчитанная по формуле
mпр = Еиэ /Q0,(Ж.4)
где Еиэ - энергия, выделяющаяся при изоэнтропическом расширении среды, находящейся в резервуаре, Дж;
Q0 - константа, равная 4,52·106 Дж/кг.
Ж.4. Еиэ, Дж, рассчитывают по формуле
Еиэ = Сэфф m (T – Tкип),(Ж.5)
где т - масса вещества в резервуаре, кг;
Сэфф - константа, равная 500 Дж/(кг·К);
Т - температура вещества в резервуаре в момент его взрыва, К;
Ткип -температура кипения вещества при атмосферном давлении, К.
При наличии в резервуаре предохранительного клапана Т, К, допускается рассчитывать по формуле
,(Ж.6)
где А, В, Cа - константы Антуана вещества;
рк - давление срабатывания предохранительного клапана, кПа.
Константа А должна соответствовать давлению, выраженному в килопаскалях.
Пример - Расчет параметров ударной волны при BLEVE.
Данные для расчета.
Рассчитать параметры положительной фазы волны давления на расстоянии 750 м от эпицентра аварии, связанной с развитием BLEVE на железнодорожной цистерне вместимостью 50 м3 с 10 т жидкого пропана. Цистерна имеет предохранительный клапан на давление срабатывания 2,0 МПа.
Расчет.
Энергию, выделившуюся при расширении среды в резервуаре, рассчитывают по формуле (Ж.5).
Еиэ = Сэфф m (T – Tкип),
где т = 4·104 кг - масса пропана в цистерне;
Сэфф - константа, равная 500 Дж/(кг·К);
Ткип = -43 + 273 = 230 К - температура кипения пропана при постоянном давлении.
Т, К, находим по формуле (Ж.6)
,
где рк = 2,000 кПа, А = 5,949, В = 812,648, Са = 247,55.
Отсюда
Получим Еиэ
Еиэ = 4·104 (332 - 230) 500 = 2,06·109 Дж.
Находим приведенную массу тпр, кг, по формуле (Ж.4)
тпр = 2,06·109/(4,52·106) = 456 кг.
Вычислим ??р и i по формулам (Ж.2) и (Ж.З)
??р = 101 (0,8 · 456033/750 + 3 · 4560,66/7502 + 5 · 4563/750) = 0,86 кПа,
i = 123 · 4560,66/750 = 9,7 Па·с.
ПРИЛОЖЕНИЕ И
(рекомендуемое)
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ИСПАРЕНИЯ ГОРЮЧИХ НЕНАГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ И СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ.
И.1. Интенсивность испарения W, кг/(с·м2), определяют по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых выше температуры окружающей среды ЛВЖ, при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле 1)
,(И.1)
___________
1) Формула применима при температуре подстилающей поверхности от минус 50 до плюс 40 °С.
где ?? - коэффициент, принимаемый по таблице И.1 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения;
М - молярная масса, г/моль;
рн - давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости tp, определяемое по справочным данным, кПа.
Таблица И.1
Скорость воздушного потока в помещении, м/с |
Значение коэффициента ?? при температуре t, °С, воздуха в помещении |
||||
|
10 |
15 |
20 |
30 |
35 |
0,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,1 |
3,0 |
2,6 |
2,4 |
1,8 |
1,6 |
0,2 |
4,6 |
3,8 |
3,5 |
2,4 |
2,3 |
0,5 |
6,6 |
5,7 |
5,4 |
3,6 |
3,2 |
1,0 |
10,0 |
8,7 |
7,7 |
5,6 |
4,6 |
И.2. Для сжиженных углеводородных газов (СУГ) при отсутствии данных допускается рассчитывать удельную массу паров испарившегося СУГ mСУГ, кг/м2, по формуле 1)
_____________
1) Формула применима при температуре подстилающей поверхности от минус 50 до плюс 40 °С.
,(И.2)
где М - молярная масса СУГ, кг/моль;
Lисп - мольная теплота испарения СУГ при начальной температуре СУГ Тж, Дж/моль;
Т0 - начальная температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, соответствующая расчетной температуре tр, К;
Тж - начальная температура СУГ, К;
??тв - коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, Вт/(м·К);
а - эффективный коэффициент температуропроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, равный 8,4·10-8 м2/с;
t - текущее время, с, принимаемое равным времени полного испарения СУГ, но не более 3600 с;
Re = - число Рейнольдса (v - скорость воздушного потока, м/с; d - характерный размер пролива СУГ, м; ??в - кинематическая вязкость воздуха при расчетной температуре tp, м2/с);
??в - коэффициент теплопроводности воздуха при расчетной температуре tp, Вт/(м·К).
Примеры - Расчет параметров испарения горючих ненагретых жидкостей и сжиженных углеводородных газов.
1. Определить массу паров ацетона, поступающих в объем помещения в результате аварийной разгерметизации аппарата.
Данные для расчета.
В помещении с площадью пола 50 м2 установлен аппарат с ацетоном максимальным объемом Vап = 3 м3. Ацетон поступает в аппарат самотеком по трубопроводу диаметром d = 0,05 м с расходом q, равным 2·10-3 м3/с. Длина участка напорного трубопровода от емкости до ручной задвижки L1 = 2 м. Длина участка отводящего трубопровода диаметром d = 0,05 м от емкости до ручной задвижки L2 равна 1 м. Скорость воздушного потока ?? в помещении при работающей общеобменной вентиляции равна 0,2 м/с. Температура воздуха в помещении tp =20 °С. Плотность ?? ацетона при данной температуре равна 792 кг/м3. Давление насыщенных паров ацетона при tp равно 24,54 кПа.
Расчет.
Объем ацетона, вышедшего из напорного трубопровода, Vн.т составляет
,
где ?? - расчетное время отключения трубопровода, равное 300 с (при ручном отключении).
Объем ацетона, вышедшего из отводящего трубопровода Vот составляет
Объем ацетона, поступившего в помещение
Исходя из того, что 1 л ацетона разливается на 1 м2 площади пола, расчетная площадь испарения Sр = 3600 м2 ацетона превысит площадь пола помещения. Следовательно, за площадь испарения ацетона принимается площадь пола помещения, равная 50 м2.
Интенсивность испарения равна:
Масса паров ацетона, образующихся при аварийной разгерметизации аппарата т, кг, будет равна
т = 0,655·10-3 · 50 · 3600 = 117,9 кг.
2. Определить массу газообразного этилена, образующегося при испарении пролива сжиженного этилена в условиях аварийной разгерметизации резервуара.
Данные для расчета.
Изотермический резервуар сжиженного этилена объемом Vи.р.э = 10000 м3 установлен в бетонном обваловании свободной площадью Sоб = 5184 м2 и высотой отбортовки Ноб = 2,2 м. Степень заполнения резервуара ?? = 0,95.
Ввод трубопровода подачи сжиженного этилена в резервуар выполнен сверху, а вывод отводящего трубопровода снизу.
Диаметр отводящего трубопровода dтp = 0,25 м. Длина участка трубопровода от резервуара до автоматической задвижки, вероятность отказа которой превышает 10-6 в год и не обеспечено резервирование ее элементов, L = 1 м. Максимальный расход сжиженного этилена в режиме выдачи Gж.э = 3,1944 кг/с. Плотность сжиженного этилена ??ж.э при температуре эксплуатации Тэк = 169,5 К равна 568 кг/м3. Плотность газообразного этилена ??г.э при Тэк равна 2,0204 кг/м3. Молярная масса сжиженного этилена Мж.э = 28·10-3 кг/моль. Мольная теплота испарения сжиженного этилена Lисп при Тэк равна 1,344·104 Дж/моль. Температура бетона равна максимально возможной температуре воздуха в соответствующей климатической зоне Tб = 309 К. Коэффициент теплопроводности бетона ??б = 1,5 Вт/(м·К). Коэффициент температуропроводности бетона а = 8,4·10-8 м2/с. Минимальная скорость воздушного потока ??min = 0 м/с, а максимальная для данной климатической зоны ??max = 5 м/с. Кинематическая вязкость воздуха vв при расчетной температуре воздуха для данной климатической зоны tp = 36 °С равна 1,64·10-5 м2/с. Коэффициент теплопроводности воздуха ??в при tp равен 2,74·10-2 Вт/(м·К).