К вопросу о категорировании помещений для хранения и технического обслуживания газобаллонных автомобилей Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

Адъюнкт Академии ГПС МЧС РФ, подполковник вн. сл.

Г. В. Васюков

Д-р техн. наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой пожарной безопасности МГСУ, директор ИИБС

А. Я. Корольченко

Канд. техн. наук, ст. науч. сотр., член-корр. МАНЭБ, начальник кафедры Академии ГПС МЧС РФ, полковник вн. сл.

В. В. Рубцов

УДК 614.841.48

К ВОПРОСУ О КАТЕГОРИРОВАНИИ ПОМЕЩЕНИИ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Проведена количественная оценка влияния направления потока пропан-бутановой смеси на формирование локальных взрывоопасных объемов газа при его поступлении в закрытые помещения. Предложена методика расчета коэффициента участия Т пропан-бутана во взрыве с учетом направления потока газа. Приведены значения коэффициента Т для приближенных расчетов избыточного давления взрыва в помещениях с газобаллонными автомобилями.

В работе [1] было показано, что направление потока пропан-бутановой смеси оказывает существенное влияние на формирование локального взрывоопасного объема при поступлении газа в закрытое помещение. Однако для применения выявленной зависимости необходимо провести ее количественную оценку.

Масса пропан-бутана, содержащаяся в локальном взрывоопасном объеме при разных направлениях подачи газа, количественно оценена с помощью методики интегрирования локального взрывоопасного объема, который рассчитывается по формулам (4)-(5) [1]. Подробно данная методика рассматривалась авторами ранее [2]. В настоящей статье использованы конечные уравнения этой методики.

Уравнение для определения коэффициента Z будет иметь вид:

Z =

рС 0LSHn 50 тгК 2Л/К3

r1e

r2 e

+ — [erf (r2 ) " erf(r1 )]

(1)

где г1 и г2 — радиусы сфер, ограничивающих области верхнего (СВКПР) и нижнего (СНКПР) концентрационных пределов распространения пламени;

ri = л ln

С 0

С

ВКПР

= . iln- С0

С

(2)

(3)

НКПР

erf (r) — интеграл вероятности ошибки;

2 r t2

erf (r) =^J e ~t dt; (4)

С0 — предэкспоненциальный множитель урав нения (1), % об. [3]; т

С 0 = 100

р V

к i;

(5)

К1, К2, К3 — константы уравнения (1) [3].

Подставив в уравнение (1) соответствующие значения С0, К2, К3 из выведенных в [1] выражений (4)-(5), получим уравнения для расчета коэффициента Z для случаев подачи газа вниз и вверх с высоты 0,04 м с массовой скоростью 0,001 кг/с через отверстие диаметром 6 мм при Теозд = 20 °С и влажности 69 %. Зависимости изменения коэффициента Z от массы пропан-бутана, подаваемого в исследуемое помещение размерами 4x5x2,2 м, для случаев подачи газа вниз и вверх, вычисленные с использованием формул (4)-(5) [1], а также по методике, принятой в НПБ 105-03, приведены на рис. 1.

r

2

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №1

25

0,6 0,4

-

3 2

—■-■-—1

II II

0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,5 Масса пропан-бутана, кг

РИС. 1. Зависимости изменения коэффициента 2от массы пропан-бутана для помещения размером 4x5x2,2 м, вычисленные: 1 — по методике, принятой в НПБ 105-03; 2 — по формуле (4) [1] при подаче газа вниз; 3 — по формуле (5) [1] при подаче газа вверх

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Масса пропан-бутана, кг

РИС. 2. Зависимости изменения коэффициента 2 от массы пропан-бутана для помещения автостоянки с размером этажа 21,6x45x3 м, вычисленные по предлагаемой методике с использованием: 1 — формулы (4) [1] при подаче газа вниз; 2 — формулы (5) [1] при подаче газа вверх

2

Зависимости изменения 2, представленные на рис. 1, получены для помещения малого объема. Экспериментальные исследования [4, 5], в которых определена степень участия горючего газа во взрыве при аварийном поступлении в объем помещения, показали, что при одинаковых относительных значениях задаваемых параметров, влияющих наобра-зование локального взрывоопасного объема горючего газа, относительная масса горючего, сосредоточенная в нем, уменьшается с увеличением объема помещения.

Следовательно, формулы (4)-(5), выведенные в [1] и полученные по результатам обработки экспериментальных данных полей концентраций в помещении объемом 44 м3, с некоторым запасом в сторону увеличения массы пропан-бутана, находящегося в локальном взрывоопасном объеме, а значит и коэффициента 2, можно применять и для расчета 2 в помещениях большего объема.

Зависимости изменения коэффициента 2 от массы пропан-бутана для помещения автостоянки с размером этажа 21,6x45x3 м со свободным объемом 2550 м3, вычисленные по предлагаемой методике с использованием формул (4)-(5) [1] для случаев подачи газа вниз и вверх, показаны на рис. 2.

Как видно из рис. 1-2, характер изменения коэффициента 2 от массы газа для пропан-бутана при подаче его вертикально вверх или вертикально вниз существенно различается. При подаче газа вниз значения 2 с увеличением массы подаваемого газа плавно возрастают по закону, близкому к логарифмической функции. При максимуме, равном 0,4, наблюдается некоторое уменьшение значения 2, связанное с увеличением массы пропан-бутана, концентрация которого выше ВКПР. При подаче газа вверх до определенной, достаточно значительной массы пропан-бутана взрывоопасная концентрация не образуется. Однако после достижения

этой массы коэффициент 2 резко возрастает по закону, близкому к линейному, достигая значения, равного 1. Так, для помещения автостоянки с размером этажа 21,6x45x3 м со свободным объемом 2550 м3 взрывоопасная концентрация не образуется при массе пропан-бутана до 22,8 кг. Однако при дальнейшем ее увеличении на 17 кг коэффициент 2 принимает значение, равное 1 (см. рис. 2). Это означает, что вся масса пропан-бутана, поступившая в помещение, будет находиться в области взрывоопасных концентраций.

Такое различие в характере распределения концентраций пропан-бутана при подаче его вертикально вниз и вверх с высоты 0,04 м связано с тем, что при подаче вверх он поднимается до определенной высоты, преодолевая силы тяжести и сопротивления воздуха. Высота подъема пропан-бутана будет пропорциональна скорости его истечения из источника поступления газа. Двигаясь вверх, молекулы пропан-бутана будут активно перемешиваться с воздухом. Одним из основных процессов, который будет воздействовать на их перемешивание, является процесс диффузии (турбулентной и молекулярной). В фиксированном объеме молекулярная и турбулентная диффузия приводит к изменению концентрации газа. Распределение газа по объему и его изменение во времени в закрытом помещении можно выразить уравнением диффузии [6]:

^ = А дг

д 2С дх 2

В

д 2С

у Я 2

ду

В,

д 2С дг 2

_дО_ дУ„„

(6)

где С — объемная концентрация газа в газовоздушной смеси;

В — коэффициент диффузии при различных направлениях подачи газа; Q — объемный расход вещества; Q = д -Ьнепл С; д — расход пропан-бутана от источника поступления газа;

26

ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15

Ьнепл — расход газа через неплотности помещения;

х, у и 2 — пространственные координаты; г - время;

Усм — объем смеси.

Процесс молекулярной диффузии можно выразить уравнением

Е2 = 2В,

(7)

где Е — квадрат пространственного смещения частицы газа;

В — коэффициент молекулярной диффузии, см2/с; В = кТВ; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; В — подвижность частицы газа, равная отношению скорости движения к величине приложенной силы: В = У/Г.

При молекулярной диффузии сила Г представляет собой силу сопротивления Гс, определяемую по уравнению Стокса.

Процесс турбулентной диффузии можно выразить уравнением

дС_ дг

д_ дх

дС дх

д_ ду

дС

-=-\»х — | + у ^у 1+"^—|, (8)

д_ дг

дС дг

где цх, цу — горизонтальный и вертикальный коэффициенты диффузии.

Молекулярная диффузия проходит в неподвижной системе и протекает относительно медленно. Поэтому большее влияние на изменение концентрации пропан-бутана при его подаче вверх будет оказывать турбулентная диффузия, величина которой в этом случае значительно выше, чем при подаче вниз. Следовательно, при подаче вверх газ будет распространяться в значительно большем объеме помещения, размер которого будет пропорционален скорости истечения газа. Активное перемешивание пропан-бутана с воздухом при истечении его вверх будет способствовать тому, что концентрации в пределах объема распространения газа будут стремиться к среднеобъемным, т. е. газ будет распределен по объему относительно равномерно. Поэтому при определенной массе пропан-бутана концентрация газа становится взрывоопасной сразу в относительно большом объеме, а до достижения этой массы он относительно равномерно распределяется по объему при концентрациях ниже НКПР.

При подаче пропан-бутана вниз с высоты 0,04 м величина турбулентной диффузии значительно меньше, чем при подаче его вверх. Достигнув пола, пропан-бутан будет "стелиться" по его поверхности, вытесняя воздух. Перемешивание его с воздухом будет происходить за счет молекулярной и тур-

80

60

40

20 -

1 2 3 4 5 6

Объем помещения, тыс. м

7 8 9

3

РИС. 3. Зависимость минимальной массы пропан-бутана, при которой образуется взрывоопасная концентрация, при подаче газа вверх с высоты 0,04 м при Теозд = 20 °С и влажности 69 % от объема помещения

булентной диффузии, но их суммарная величина будет значительно меньше, чем величина турбулентной диффузии в случае подачи газа вверх. Поэтому при подаче пропан-бутана вниз с высоты 0,04 м он будет занимать значительно меньший объем, чем при подаче вверх. Таким образом, при одинаковой массе пропан-бутана, но при разных направлениях подачи газа, распространение его в разных объемах будет неодинаковым: в большем объеме концентрации будут ниже, а в меньшем — наоборот, выше.

При подаче пропан-бутана вверх масса газа, при которой не образуется взрывоопасная концентрация, будет тем больше, чем значительнее объем помещения и выше скорость истечения газа. Воспользовавшись уравнением (5) [1], можно рассчитать, при какой минимальной массе пропан-бутана будет образовываться взрывоопасная концентрация в помещениях различного объема при массовой скорости истечения газа 0,001 кг/с через отверстие диаметром 6 мм при Теозд = 20 °С и влажности 69 %. Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Из анализа рис. 3 следует, что при истечении менее 21 кг пропан-бутана вверх с высоты 0,04 м с массовой скоростью не менее 0,001 кг/с через отверстие диаметром 6 мм в помещение со свободным объемом более 2500 м3 взрывоопасная концентрация не образуется. Такое количество пропан-бутана (21 кг) содержат полностью заправленные 50-литровые газовые баллоны, наиболее распространенные на легковых газобаллонных автомобилях. Грузовые газобаллонные автомобили оборудуются несколькими газовыми баллонами вместимостью 80-120 л. В баллонах вместимостью 100 л содержится 42 кг пропан-бутана. При таком количестве пропан-бутана при его истечении вверх взрывоопасная концентрация не образуется в помещении объемом более 5000 м3.

Необходимо отметить, что выражения (4)-(5) [1], по которым построены зависимости на рис. 1-3,

ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15

27

получены на основе экспериментальных значений концентраций пропан-бутана в помещении небольшого объема (44 м3). Герметичность данного помещения была повышена путем заделки всех проемов. Неплотности были устранены с помощью монтажной пены. Таким образом, герметичность данного помещения будет примерно в 3-4 раза выше герметичности реального производственного помещения, например закрытой автостоянки. Ранее было проанализировано [3] изменение концентрации пропан-бутана во времени в помещении объемом 44 м3 с повышенной герметичностью и в реальном производственном помещении размером 19,5x5,6x3,5 м — складе баллонов. В обоих случаях газ подавался вниз с высоты 0,04 м с массовой скоростью 0,001 кг/с. Анализ показал, что в действующем производственном помещении объемом 350 м3 при подаче в него 0,7 кг пропан-бутана его концентрация в течение 6 мин снизилась до 0,05 % об., а в помещении с повышенной герметичностью, где проводились опыты, при подаче 0,1 кг пропан-бутана концентрация оставалась взрывоопасной в течение более 27 мин. Соответственно, значения коэффициента участия пропан-бутана во взрыве в закрытых производственных помещениях (в том числе закрытых автостоянках), по которым построены зависимости рис. 1-3, будут ниже. Это обусловлено "размыванием" поля концентраций и частичным выносом массы газа за пределы закрытого помещения воздушными потоками, которые в производственных помещениях достигают значительных размеров.

Таким образом, наиболее неблагоприятным вариантом аварии, связанной с утечкой пропан-бутана в закрытом помещении, является случай, когда поток газа направлен вниз с небольшой высоты. При этих условиях пропан-бутан "стелется" по поверхности пола, незначительно смешиваясь с воздухом, что способствует образованию локального взрывоопасного объема даже при небольшой массе газа, поступившей в помещение. И наоборот, наиболее безопасным вариантом аварии является случай, при котором поток пропан-бутана направлен вверх. При этом он активно перемешивается с воздухом и заполняет значительный объем помещения при концентрациях ниже нижнего концентрационного предела воспламенения. Однако такая ситуация будет наблюдаться только в том случае, если масса пропан-бутана, поступившая в помещение, не превысит определенной критической массы, при превышении которой образуется значительно больший локальный взрывоопасный объем, чем при первом варианте аварии.

В НПБ 105-03 [7] принят вариант аварии, при котором все содержимое газового баллона одновременно поступает в помещение (полная разгермети-

зация корпуса баллона). В случае с газобаллонными автомобилями такой вариант аварии маловероятен. Это подтверждает анализ статистических данных по пожарам на газобаллонных автомобилях [8].

Наиболее вероятным вариантом аварии с газобаллонными автомобилями будет случай, когда происходит незначительная утечка пропан-бутана через неплотности в соединениях газового оборудования. Массовая скорость его утечки при этом будет невелика. Направление потока газа при утечке из газового оборудования будет промежуточным между направлениями вертикально вверх и вниз. Утечка газа из газового оборудования автомобиля с направлением вертикально вверх и вниз маловероятна, поэтому процесс формирования локальных взрывоопасных объемов при утечке пропан-бутана из оборудования газобаллонных автомобилей будет сочетать механизмы их. Степень влияния каждого из рассмотренных механизмов будет зависеть от угла потока газа.

Необходимо отметить, что газовое оборудование легковых газобаллонных автомобилей находится внутри их кузова, поэтому поток газа любого направления при утечке, достигнув стенок кузова автомобиля, будет заполнять его внутреннее пространство (багажник, салон, моторный отсек) и выходить наружу через неплотности кузова. Поскольку пропан-бутан имеет молекулярную массу выше массы воздуха, он будет "стелиться" по полу под кузовом автомобиля. Процесс формирования локальных взрывоопасных объемов в случае с легковыми газобаллонными автомобилями будет близок к рассмотренному выше процессу формирования локального взрывоопасного объема при подаче газа вертикально вниз.

Газовые баллоны грузовых газобаллонных автомобилей находятся снаружи кузова. Конструкция большинства газовых баллонов грузовых газобаллонных автомобилей предусматривает установку вокруг запорной арматуры закрываемого крышкой корпуса. Поэтому и в случае с грузовыми газобаллонными автомобилями процесс формирования локального взрывоопасного объема пропан-бутана при его утечке из газового оборудования будет близок к процессу формирования локального взрывоопасного объема при подаче газа вертикально вниз.

Выводы

1. При известном направлении поступления пропан-бутановой смеси в закрытые помещения расчет коэффициента участия газа во взрыве целесообразно проводить с учетом выражений (4)-(5) [1], а также по методике интегрирования локального взрывоопасного объема.

28

ПОЖАРООЗРЫООБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №1

2. Наиболее вероятным вариантом развития аварии в помещениях с газобаллонными автомобилями является случай, при котором будет происходить поступление пропан-бутана с незначительной массовой скоростью по направлению вниз.

3. Для приближенных расчетов избыточного давления взрыва пропан-бутана в помещениях с газобаллонными автомобилями целесообразно использовать значение коэффициента участия 2 =0,3.

4. В качестве компенсирующего мероприятия, снижающего вероятность образования взрыво-

опасных концентраций пропан-бутана при его утечке в закрытых автостоянках с газобаллонными автомобилями, рекомендуется замена кирпичных организующих перегородок на перегородки из воздухопроницаемых конструкций с целью увеличения свободного объема помещения.

5. Для помещений с газобаллонными автомобилями целесообразно определить категорию "В" по взрывопожарной и пожарной опасности по аналогии с помещениями с автомобилями на бензине, при условии выполнения компенсирующих мероприятий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. Образование взрывоопасных облаков при аварийном поступлении пропан-бутановых смесей в помещение // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2005. — Т. 14, № 6. — С. 39-42.

2. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. О теории образования локальных взрывоопасных объемов пропан-бутана при его поступлении в помещения с газобаллонными автомобилями // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 4. — С. 23-29.

3. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. Влияние температуры и влажности воздуха на формирование локальных взрывоопасных объемов пропан-бутана при его поступлении в закрытые помещения с газобаллонными автомобилями // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 5. — С. 68-74.

4. Рабинков В. А. Условия образования взрывоопасных газовоздушных смесей в производственных помещениях промышленных зданий: Дис. ... канд. техн. наук. — М., 1982. — 260 с.

5. Стрельчук Н. А., Пчелинцев В. А., Никитин А. Г. Взрывоопасность производств химической промышленности, связанных с образованием горючих газов // Ж. Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. — 1982. — Т. 27, №1. — С. 57-60.

6. Комаров А. А.,Чиликина Г. В. Условия формирования взрывоопасных облаков в газифициро-ванныхжилых помещениях// Пожаровзрывобезопасность. — 2002. — Т. 11, № 4. — С. 24-28.

7. НПБ 105-03. Определение категорий зданий, помещений и наружных установок по взрыво-пожарной и пожарной опасности.

8. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. Пожарная опасность газобаллонных автомобилей // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14,№1.—С. 33-37.

Поступила в редакцию 25.10.05.

ПОЖАРООЗРЫООБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №1

29