10. Методи розрахунку значень критеріїв вибухопожежної і пожежної небезпеки зовнішніх установок
10.1. Методи розрахунку значень критеріїв вибухопожежної і пожежної небезпеки для горючих газів та парів
10.1.1. Вибір та обґрунтування розрахункового варіанту
10.1.1.1. Як розрахунковий варіант слід обирати найбільш несприятливий варіант аварії або період нормальної роботи апаратів, при якому у вибуху бере участь найбільша кількість найбільш небезпечних речовин чи матеріалів.
10.1.1.2. Кількість речовин, які надійшли, і які можуть утворювати горючі газоповітряні або пароповітряні суміші, визначається, виходячи з наступних передумов:
відбувається розрахункова аварія одного з апаратів згідно з пунктом 10.1.1.1 (залежно від того, який з підходів до визначення розрахункового варіанту аварії прийнятий за основу);
весь вміст апарата надходить до навколишнього простору;
відбувається одночасно витік речовин із трубопроводів, які живлять апарат за прямим та зворотнім потоками, протягом часу, який необхідний для перекривання трубопроводів.
Розрахунковий час перекривання трубопроводів визначається в кожному конкретному випадку, виходячи з реальної обстановки, і має бути мінімальним з урахуванням паспортних даних на запірні пристрої, характеру технологічного процесу та виду розрахункової аварії.
Розрахунковий час перекривання трубопроводів слід приймати рівним:
часу спрацювання (приведення в дію) системи автоматики відключення (перекривання) трубопроводів – згідно з паспортними даними установки, якщо ймовірність відмови системи автоматики не перевищує 10-6 на рік або забезпечується резервування її елементів;
120 с, якщо ймовірність відмови системи автоматики перевищує 10-6 на рік та у системі автоматики не забезпечується резервування її елементів;
300 с, у разі ручного перекривання.
Не допускається використання технічних засобів для перекривання трубопроводів, для яких час перекривання перевищує наведені вище значення.
Швидкодіючі клапани-відсікачі мають автоматично перекривати подавання газу (рідини) у разі порушення електрозабезпечення або при спрацюванні автоматичної пожежної сигналізації;
відбувається випаровування з поверхні рідини, що розлилася; площа випаровування при розливі на горизонтальну поверхню визначається (у разі відсутності довідникових або інших експериментальних даних), виходячи з розрахунку, що 1 л сумішей і розчинів, що містять 70% і менше (по масі) розчинників, розливається на площі 0,1 м2, а інших рідин - на 0,15 м2;
відбувається також випаровування рідин з відкритої поверхні ємностей технологічного обладнання та з поверхонь, на які за технологічним процесом нанесена горюча рідина, що на час аварії знаходиться у стадії висихання;
тривалість випаровування рідини приймається рівною часу її повного випаровування, але не більше 3600 с.
10.1.1.3. Маса газу m, кг, що надійшов у навколишній простір під час розрахункової аварії, визначають за формулою:
m =(Va +Vт)·ρГ, (27)
де - об’єм газу, що вийшов з апарата, м3;
VТ - об’єм газу, що вийшов з трубопроводу, м3;
ρГ - густина газу, кг×м-3.
При цьому
Va= 0,01·Рі·V,(28)
де Рі - тиск в апараті, кПа;
V - об’єм апарата, м3;
Р0 - атмосферний тиск, що дорівнює 101,3 кПа.
Vт=V1т+V2т, (29)
де V1т - об’єм газу, що вийшов із трубопроводу до його перекривання, м3;
V2т - об’єм газу, що вийшов із трубопроводу після його перекривання, м3;
V1т = q×τ, (30)
де q - витрати газу, які відповідно до технологічного регламенту залежать від тиску в трубопроводі, його діаметра, температури газового середовища тощо, м3 × с-1;
τ - час, який визначається за пунктом 10.1.1.2, с.
V2T = p (r21L1+r22L2+...+r2nLn) (31)
де Р2 - максимальний тиск у трубопроводі за технологічним регламентом, кПа;
r - внутрішній радіус трубопроводів, м;
L - довжина трубопроводів від аварійного апарата до засувок, м;
Р0 - атмосферний тиск, що дорівнює 101,3 кПа.
10.1.1.4. Маса парів рідини m, кг, які надійшли до навколишнього простору при наявності декількох джерел випаровування (поверхня розлитої рідини, свіжопофарбована поверхня, відкриті ємності тощо), визначається за формулою:
m=mр+ mємк+ mсв+ mпер,(32)
де mр - маса рідини, що випарувалася з поверхні розливу, кг;
mємк - маса рідини, що випарувалася з поверхонь відкритих ємностей, кг;
mсв - маса рідини, що випарувалася із свіжопофарбованих поверхонь, кг;
mпер - маса рідини, що випарувалася у навколишній простір у випадку її перегрівання, кг.
При цьому, кожну із складових (mр, mємк, mсв.) у формулі (32) визначають з рівняння:
m=W×Fв ×τ, (33)
де W - інтенсивність випаровування, кг×с-1×м-2;
Fв - площа випаровування, м2, що визначається відповідно до пункту 10.1.1.2. залежно від маси рідини mп, яка вийшла у навколишній простір;
τ - тривалість надходження парів легкозаймистих та горючих рідин до навколишнього простору згідно з пунктом 10.1.1.2., с.
Величину mпер визначають при Та> Ткип за формулою:
(34)
де mп - маса перегрітої рідини, що вийшла назовні, кг;
Ср - питома теплоємність рідини при температурі перегрівання рідини Та, Дж·кг-1·К-1;
Та - температура перегрітої рідини відповідно до технологічного регламенту в технологічному апараті або обладнанні, К;
Ткип - нормальна температура кипіння рідини, К;
Lвип - питома теплота випаровування рідини при температурі перегріву рідини Та, Дж × кг-1.
Якщо аварійна ситуація пов'язана з можливим надходженням рідини у розпиленому стані, то вона має бути врахована у формулі (32) шляхом введення додаткової складової, що враховує загальну масу рідини, яка надійшла від пристроїв, що розпилюють, виходячи з тривалості їхньої роботи.
10.1.1.5. Масу mп рідини, що вийшла, кг, визначають відповідно до пункту 10.1.1.2.
10.1.1.6. Інтенсивність випаровування W визначають за довідниковими та експериментальними даними. Для ЛЗР, не нагрітих вище температури оточуючого середовища, у разі відсутності даних, допускається розраховувати W за формулою:
,(35)
де М - молярна маса, г×моль-1;
Рн - тиск насиченої пари при розрахунковій температурі рідини, яка розрахована за довідниковими даними відповідно до вимог пункту 5.4, кПа, або за формулою (14).
10.1.1.7. Для зріджених вуглеводневих газів (ЗВГ), у разі відсутності даних допускається розраховувати питому масу випаруваного ЗВГ mзвг з проливу, кг×м-2, за формулою:
(36)
де М - молярна маса ЗВГ, кг × моль-1;
Lвип - мольна теплота випаровування ЗВГ при початковій температурі ЗВГ ТГ, Дж×моль-1;
То - початкова температура матеріалу, на поверхню якого розливається ЗВГ, К;
ТГ - початкова температура ЗВГ, К;
lтм - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, на поверхню якого розливається ЗВГ, Вт×м-1×К-1;
- коефіцієнт температуропроводності матеріалу, на поверхню якого розливається ЗВГ, м2×с-1;
Стм - теплоємність матеріалу, на поверхню якого розливається ЗВГ, Дж×кг-1 К-1;
ртм - густина матеріалу, на поверхню якого розливається ЗВГ, кг×м-3;
τ - поточний час, с, який приймається рівним часу повного випаровування ЗВГ, але не більше 3600 с;
- число Рейнольдса;
U - швидкість повітряного потоку, м×с-1;
- характерний розмір розливу ЗВГ, м;
vп - кінематична в'язкість повітря, м2×с-1;
lп - коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт×м-1× К-1.
Формула (36) справедлива для ЗВГ з температурою Тг £ Ткип. При температурі ЗВГ Тг > Ткип додатково розраховується маса перегрітих ЗВГ mпер за формулою (34).
10.1.2. Розрахунок горизонтальних розмірів зон, що обмежують газо- і пароповітряні суміші з концентрацією горючої речовини вище нижньої концентраційної межі поширення полум’я (далі – СНКМП), у разі аварійного надходження горючих газів і парів легкозаймистих рідин, не нагрітих вище температури оточуючого середовища, до відкритого простору
10.1.2.1. Горизонтальні розміри зони, м, які обмежують область концентрацій, що перевищують нижню концентраційну межу поширення полум'я (Снкмп), обчислюють за формулами:
для горючих газів (ГГ):
,(37)
для парів легкозаймистих рідин (ЛЗР), не нагрітих вище температури оточуючого середовища:
,(38)
,(39)
де mГ - маса ГГ, що надійшли до відкритого простору під час аварійної ситуації, кг;
ρг - густина ГГ при розрахунковій температурі й атмосферному тиску, кг×м-3 ;
mп - маса парів ЛЗР, що надійшли до відкритого простору за час повного випаровування, але не більше 3600 с, кг;
рп - густина парів ЛЗР при розрахунковій температурі й атмосферному тиску, кг×м-3;
Рн - тиск насичених парів ЛЗР при розрахунковій температурі, кПа;
К- коефіцієнт, що приймається рівним К= τ/3600 для ЛЗР;
τ - тривалість надходження парів ЛЗР до відкритого простору, с;
Снкмп - нижня концентраційна межа поширення полум'я ГГ або парів ЛЗР, % (об.);
M - молярна маса, кг×кмоль-1;
Vо - мольний об’єм, рівний 22,413 м3×кмоль-1;
tр - розрахункова температура, оС.
За розрахункову температуру слід приймати максимально можливу температуру повітря у відповідній кліматичній зоні або максимально можливу температуру повітря за технологічним регламентом з урахуванням можливого підвищення температури у випадку аварійної ситуації. Якщо такого значення розрахункової температури tр, за будь-якими причинами визначити не вдається, допускається приймати її рівною 61 оС.
10.1.2.2. За початок відліку горизонтального розміру зони приймають зовнішні габаритні розміри апаратів, установок, трубопроводів тощо. У всіх випадках значення Rнкмп повинно бути не менше 0,3 м для ГГ і ЛЗР.
10.1.3. Розрахунок надлишкового тиску та імпульсу хвилі тиску у разі згоряння сумішей горючих газів і парів з повітрям у відкритому просторі
10.1.3.1. Виходячи з розглянутого варіанту аварії, визначається маса m, кг, горючих газів і (або) парів, що потрапили до атмосфери з технологічного апарата відповідно до пунктів 10.1.1.3 - 10.1.1.7.
10.1.3.2. Величину надлишкового тиску DР, кПа, що розвивається у разі згоряння газопароповітряних сумішей, визначають за формулою:
DР=Р0 ×(0,8mпр0,33/r+3mпр0,66/r 2+5mпр/r 3),(40)
де Ро - атмосферний тиск, кПа (допускається приймати таким, що дорівнює 101 кПа);
r- відстань від геометричного центра газопароповітряної хмари, м;
mпр - приведена маса газу або пари, кг, обчислюється за формулою:
mпр=(Qзг/Q0)×m×Z,(41)
де Qзг - питома теплота згоряння газу або пари, Дж×кг-1;
Z- коефіцієнт участі горючих газів і парів у горінні, який допускається приймати рівним 0,1;
Qо - константа, рівна 4,52×106 Дж×кг-1;
m - маса горючих газів і (або) парів, які надійшли в результаті аварії до навколишнього простору, кг.
10.1.3.3. Величину імпульсу хвилі тиску і, Па·с, обчислюють за формулою:
i =123×mпр0,66/r . (42)
де mпр - приведена маса газу або пари, кг;
r- відстань від геометричного центра газопароповітряної хмари, м.
10.2. Метод розрахунку значень критеріїв пожежної небезпеки для горючого пилу
10.2.1. Як розрахунковий варіант аварії для визначення критеріїв пожежної небезпеки для горючого пилу слід вибирати найбільш несприятливий варіант аварії або період нормальної роботи апаратів, при якому в горінні пилоповітряної суміші бере участь найбільша кількість речовин або матеріалів, які є найбільш небезпечні щодо наслідків такого горіння.
10.2.2. Кількість речовин, які потрапили до приміщення з установки і можуть утворювати горючі пилоповітряні суміші, визначають, виходячи з того, що в момент розрахункової аварії відбулася планова (ремонтні роботи) або раптова розгерметизація одного з технологічних апаратів, за якої відбулося аварійне викидання до навколишнього середовища пилу, який обертався в апараті.
10.2.3. Розрахункову масу пилу, що надійшов до навколишнього простору у разі розрахункової аварії, визначають за формулою:
mр =mзв +mав, (43)
де mр - розрахункова маса горючого пилу, який надійшов до навколишнього простору, кг;
mзв - розрахункова маса пилу, який перейшов у стан аерозолю, кг;
mав - розрахункова маса пилу, який надійшов в результаті аварійної ситуації, кг.
10.2.4. Величина mзв визначається за формулою:
mзв=Кг ×Квп×mп, (44)
де Кг - частка горючого пилу в загальній масі відкладень пилу;
Квп - частка відкладеного поблизу апарата пилу, який здатен перейти у стан аерозолю в результаті аварійної ситуації. У разі відсутності експериментальних даних про величину Квп допускається приймати Квп = 0,9;
mп - маса пилу, який відклався поблизу апарата до моменту аварії, кг.
10.2.5. Величина mав визначається за формулою:
mав=(mап +q×τ)×Кп, (45)
де mап – маса горючого пилу, що викидається до навколишнього простору у разі розгерметизації технологічного апарата, кг, у разі відсутності обмежуючих викид пилу інженерних пристроїв слід вважати, що у момент розрахункової аварії відбувається аварійне викидання у навколишній простір усього пилу, який знаходився в апараті;
q- витрата, з якою продовжується надходження пилоподібних речовин до аварійного апарата по трубопроводах до моменту їх перекривання, кг×с-1;
τ - розрахунковий час перекривання, с, який визначається у кожному конкретному випадку, виходячи з реальної обстановки, слід приймати таким, що дорівнює часу спрацьовування системи автоматики, якщо ймовірність її відмовлення не перевищує 0,000001 на рік або забезпечується резервування її елементів (але не більше 120 с); 120 с, у разі якщо ймовірність відмовлення системи автоматики перевищує 0,000001 на рік і не забезпечується резервування її елементів; 300 с у разі ручного перекривання;
Кп - коефіцієнт пилення, який представляє собою відношення маси пилу у стані аерозолю до всієї маси пилу, який вийшов з апарата. У разі відсутності експериментальних даних щодо значення Кп допускається приймати його: 0,5 - для пилу з дисперсністю не менше 350 мкм; 1,0 - для пилу з дисперсністю менше 350 мкм.
10.2.6. Надлишковий тиск DР для горючого пилу розраховується у такий спосіб:
визначають приведену масу горючого пилу mпр, кг, за формулою:
