Метод не распространяется на системы, склонные к детонации или объемному самовоспламенению.
Т.1 Сущность метода
Безопасную площадь разгерметизации определяют по расчетным формулам на основе данных о параметрах оборудования, показателях пожаровзрывоопасности горючих смесей, условиях возникновения и развития процесса.
Метод устанавливает зависимость безопасной площади разгерметизации от объема оборудования или помещения и максимально допустимого давления внутри него, давления и температуры технологической среды, термодинамических и термокинетических параметров горючей смеси, условий истечения, степени турбулентности.
Т.2 Формулы для расчета безопасной площади разгерметизации технологического оборудования с газопаровыми смесями
Т.2.1 Безопасную площадь разгерметизации технологического оборудования с газопаровыми смесями определяют по следующим безразмерным критериальным соотношениям:
, (Т.1)
для сосудов, рассчитанных на максимальное относительное давление взрыва 1 <£ 2 (при одновременном выполнении условия pm > 2р') в знаменателе формулы (Т.1) сомножитель ( — 1) отсутствует, и
, (Т.2)
для сосудов, выдерживающих давление взрыва в диапазоне относительных значений 2 < <
В формулах (Т.1) и (Т.2) приняты следующие обозначения (индексы i, и, е, т относятся соответственно к начальным параметрам, параметрам горючей смеси, характеристикам горения в замкнутом сосуде, максимальным допустимым значениям):
— относительное максимально допустимое давление в сосуде, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению;
рm— абсолютное максимально допустимое давление внутри сосуда, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению. Па;
рi— абсолютное начальное давление горючей смеси в аппарате, при котором происходит инициирование горения, Па;
р' — абсолютное давление в пространстве, в которое происходит истечение, в момент достижения максимального давления взрыва внутри аппарата (атмосфера, буферная емкость и т.п.), Па;
— относительное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде;
рe— абсолютное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси рi, Па;
Еi— коэффициент расширения продуктов сгорания смеси;
c — фактор турбулентности, представляющий собой в соответствии с принципом Гуи-Михельсона отношение действительной поверхности фронта пламени в аппарате к поверхности сферы, в которую можно собрать продукты сгорания, находящиеся в данный момент времени внутри сосуда.
Комплекс подобия W представляет собой с точностью до постоянного множителя произведение двух отношений — эффективной площади разгерметизации к внутренней поверхности сферического сосуда равного объема и скорости звука в исходной смеси к начальной нормальной скорости пламени:
, (Т.3)
где — число «пи»;
m — коэффициент расхода при истечении свежей смеси и (или) продуктов сгорания через устройство взрыворазрежения (предохранительная мембрана, клапан, разгерметизатор и т.п.);
F — площадь разгерметизации (сбросного сечения), м2;
V — максимальный внутренний объем сосуда, в котором возможно образование горючей газопаровой смеси, м3;
R — универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж / (кмоль · К);
— температура горючей смеси. К;
Mi— молекулярная масса горючей смеси, кг/кмоль;
— нормальная скорость распространения пламени при начальных значениях давления и температуры горючей смеси, м/с.
Т.2.2 Формулы (Т.1) и (Т.2) могут быть использованы как для определения безопасной площади разгерметизации F при проектировании аппаратов по максимально допустимому относительному давлению взрыва в нем (прямая задача), так и для определения максимально допустимого начального давления горючей смеси рiв аппарате, рассчитанном на максимальное давление рm, с уже имеющимся сбросным люком площадью F, например при анализе аварий (обратная задача).
Т.2.3 Формулы (Т. 1) и (Т.2) охватывают весь диапазон возможных давлений в оборудовании с различной степенью негерметичности 1 <£ .
Т.2.4 Точность определения диаметра сбросного сечения по инженерным формулам (Т.1), (Т.2) в сравнении с точным компьютерным решением системы дифференциальных уравнений динамики развития взрыва составляет около 10 %.
Т.3 Степень влияния различных параметров на безопасную площадь разгерметизации технологического оборудования с газопаровыми смесями
Т.3.1 В настоящем методе реализован подход к расчету площади сбросного сечения, заключающийся в учете влияния различных параметров и условий на безопасную площадь разгерметизации посредством соответствующего изменения эффективного значения фактора турбулентности (отношение фактора турбулентности к коэффициенту расхода).
Т. 3.2 Расчет безопасной площади разгерметизации проводится, как правило, для наиболее опасных (околостехиометрического состава) смесей, если не доказана невозможность их образования внутри защищаемого объекта.
Т.4 Зависимость фактора турбулентности от условий развития взрыва в технологическом оборудовании с газопаровыми смесями при точечном источнике зажигания
Т.4.1 Зависимость фактора турбулентности от условий развития горения, исходя из сегодняшнего уровня знаний, может быть представлена для полых объектов формулой
, (Т.4)
где а1, а2, а3, а4— эмпирические коэффициенты, определяемые по таблице Т.1.
Таблица Т.1— Эмпирические коэффициенты для расчета фактора турбулентности1)
|
Условия развития горения |
Эмпирические коэффициенты |
|||
|
|
а1 |
а2 |
а3 |
а4 |
|
Объем сосуда V до10 м3, степень негерметичности F/V0,667 до 0,25 |
0,15 |
4 |
1,0 |
0,0 |
|
Объем сосуда V до 200 м3, 1 <£ 2: |
|
|
|
|
|
начально открытые сбросные сечения начально закрытые сбросные сечения |
0,00 0,00 |
0 0 |
2,0 8,0 |
0,0 0,0 |
|
Объем сосуда V до 200 м3, 2 £<: |
|
|
|
|
|
начально открытые сбросные сечения начально закрытые сбросные сечения |
0,00 0,00 |
0 0 |
0,8 2,0 |
1,2 6,0 |
|
Объем сосуда V до 10 м3; степень негерметичности F/V0,667 до 0,04; наличие сбросного трубопровода, 1 << 2: |
|
|
|
|
|
без орошения истекающих газов с орошением истекающих газов |
0,00 0,15 |
0 4 |
4,0 1,0 |
0,0 0,0 |
|
1) Для отсутствующих в таблице условий развития горения, например для оборудования объемом более 200 м3, фактор турбулентности определяют экспертно. В таких случаях (объекты объемом более 200 м3, объекты с внутренними элементами и струйным и другими видами зажигания, а также инерционными сбросными элементами и т.п.) определение безопасной площади разгерметизации следует осуществлять с использованием программ расчета динамики взрыва |
||||
Для полых аппаратов объемом менее 1 м3 фактор турбулентности c составляет от 1 до 2.
С ростом объема аппарата фактор турбулентности увеличивается и для полых аппаратов объемом около 10 м3 составляет от 2,5 до 5 в зависимости от степени негерметичности (отношение F/V 0,667 ) аппарата.
Для сосудов объемом до 200 м3 различной формы с незначительными встроенными внутрь элементами фактор турбулентности не превышает, как правило, 8.
Т.4.2 Влияние формы аппарата
Для аппаратов с соотношением длины к диаметру до 5:1 можно считать, что форма аппарата не влияет на значение фактора турбулентности, т.к. увеличение поверхности пламени из-за его вытягивания по форме аппарата компенсируется уменьшением поверхности в результате более раннего касания пламени стенок сосуда.
Т.4.3 Влияние начальной герметизации аппарата
Для полых аппаратов объемом до 200 м3 с начально открытыми сбросными сечениями, например люками, значение фактора турбулентности, как правило, не превышает 2, для аппаратов с начально закрытыми сбросными сечениями (мембраны, разгерметизаторы и т.д.) не превышает 8.
Т.4.4 Влияние степени негерметичности аппарата F/V 0,667
Увеличение степени негерметичности F/V 0,667 в 10 раз от 0,025 до 0,25, что равнозначно увеличению площади разгерметизации в 10 раз для одного и того же аппарата, приводит к возрастанию фактора турбулентности в 2 раза (для аппаратов объемом около 10 м3 с 2,5 до 5).
Т.4.5 Влияние максимально допустимого давления в аппарате (коррелирует с влиянием давления разгерметизации).
При увеличении относительного максимально допустимого давления внутри аппарата (прочности аппарата) в диапазоне 1 <£ 2 фактор турбулентности не изменяется. С ростом относительного максимально допустимого давления выше > 2 (до =) для начально открытых сбросных сечений фактор турбулентности снижается с 2 до 0,8, для начально закрытых — с 8 до 2. Этот результат согласуется с физическими представлениями о том, что при большем значении давления, которое выдерживает аппарат, меньше площадь сбросного сечения, а следовательно, фронт пламени подвергается меньшему возмущающему воздействию.
Т.4.6 Влияние условий истечения
Если истечение горючей смеси и продуктов сгорания осуществляется через сбросной трубопровод, расположенный за разгерметизирующим элементом и имеющий диаметр, приблизительно равный диаметру сбросного отверстия, то значение фактора турбулентности вне зависимости от объема сосуда до 10—15 м3 принимается равным 4 (для сосудов со степенью негерметичности F/V 0,667 около 0,015— 0,035, когда оснащение сосудов сбросным трубопроводом оправдано по соображениям разумного соотношения характерных размеров сосуда и трубопровода) при условии < 2.
При оснащении системы разгерметизации оросителем или другим аналогичным устройством, установленным в трубопроводе непосредственно за разгерметизатором для подачи хладагента в истекающую из аппарата смесь, фактор турбулентности принимается таким же, как при истечении непосредственно из аппарата в атмосферу. Эффект интенсификации горения в аппарате при сбросе газов через трубопровод исчезает при увеличении давления разгерметизации до 0,2 МПа при начальном давлении 0,1 МПа.
Т.4.7 Влияние условий разгерметизации «Мгновенное» вскрытие сбросного сечения повышает вероятность возникновения вибрационного горения внутри аппарата. Амплитуда в акустической волне вибрационного горения может достигать ±0,1 МПа. Перемешивание смеси, например вентилятором, приводит к уменьшению колебаний давления.
Т.4.8 Влияние препятствий и турбулизаторов
Вопрос о влиянии различных препятствий, расположенных на пути распространения пламени, и турбулентности в смеси перед фронтом пламени является одним из определяющих в выборе фактора турбулентности. Наиболее правильным методом определения фактора турбулентности при наличии внутри аппарата сложных препятствий и турбулизованной смеси может считаться метод, основанный на сравнении расчетной и экспериментальной динамики роста давления (зависимость давление — время).
Имеющиеся данные указывают, что ускорение пламени на специальных препятствиях достигает c » 15 и более уже в сосудах объемом около 10 м3.
Для углеводородовоздушных смесей турбулентное распространение пламени с автономной генерацией турбулентности внутри зоны горения характеризуется максимальным фактором турбулентности, около c = 4.
При искусственно создаваемой изотропной турбулентности максимальное значение фактора турбулентности при точечном зажигании не превышает 4—6. Дальнейшее увеличение степени изотропной турбулентности приводит к гашению пламени.
Для сосудов со встроенными и подвижными элементами, влияние которых на значение фактора турбулентности не может быть в настоящее время оценено, например с использованием литературных данных или экспертным методом, выбор фактора турбулентности должен ограничиваться снизу значением c = 8.
Т.4.9 Коэффициент расхода m
Коэффициент расхода m является эмпирическим коэффициентом, учитывающим влияние реальных условий истечения на расход газа, определенный по известным теоретическим модельным соотношениям.
Для предохранительных мембран и разгерметизирующих устройств с непосредственным сбросом продуктов сгорания в атмосферу, как правило, m = 0,61. При наличии сбросных трубопроводов m от 0,4 до 1 (включая случай с подачей хладагента в трубопровод непосредственно за мембраной).
Значение коэффициента расхода возрастает в указанном диапазоне с увеличением скорости истечения и температуры истекающего газа с ростом фактора турбулентности.
Произведение коэффициента расхода на площадь разгерметизации mF представляет собой эффективную площадь разгерметизации.
Т.4.10 Аналог принципа Ле Шателье-Брауна Согласно критериальному соотношению (Т.1) относительное избыточное давление
~. (Т.5)
Теоретические и экспериментальные исследования процесса сгорания газа в негерметичном сосуде позволили установить аналог принципа Ле Шателье-Брауна: газодинамика горения газа в негерметичном сосуде реагирует на внешнее изменение условий протекания процесса в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Так увеличение с целью снижения давления площади разгерметизации Fв 10 раз в сосуде объемом порядка 10 м3 сопровождается увеличением фактора турбулизации в 2 раза. Физическое объяснение наблюдаемого явления достаточно простое: с увеличением площади разгерметизации возрастает возмущающее воздействие на фронте пламени.
