CC BY
120
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
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
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МИНИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ ДОВЗРЫВНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ С ГАЗОБАЛЛОННЫМИ АВТОМОБИЛЯМИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМИ ПРОПАН-БУТАН
Проведен анализ существующих нормативно-технических документов по определению порядка установки и особенностей монтажа автоматических стационарных газоанализаторов довзрывных концентраций. Предложена методика расчета минимального количества датчиков газоанализаторов (или мест отбора проб) для объектов хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей, использующих пропан-бутан, а также даны рекомендации по особенностям проведения монтажа датчиков для данных помещений.
Большинство производственных процессов связано с использованием горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей. В зависимости от количества данных веществ, которые могут поступить в помещение при аварии, производственные помещения могут быть отнесены к взрывопожаро-опасной категории А [1]. По правилам пожарной безопасности к помещениям категории А предъявляются наиболее серьезные требования для компенсирования их повышенной пожарной опасности. Одним из таких требований является необходимость оборудования взрывопожароопасных помещений газоанализаторами довзрывных концентраций. Данное требование, в частности, относится к объектам хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей, использующих пропан-бутан [2-3]. Однако данные нормативные документы не содержат указаний по определению необходимого количества датчиков газоанализаторов и по особенностям их монтажа и эксплуатации. По этим вопросам [2] имеет ссылку на документ, используемый в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, — ТУ-газ-86 [4]. Помимо этого требования к установке газоанализаторов содержатся в РД БТ 39-0147171-003 [5], который также являет-
ся ведомственным документом министерств нефтяной и газовой промышленности. Некоторые положения данных документов представлены в табл. 1.
Анализ положений, приведенных в табл. 1, показывает, что применительно к объектам хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей на пропан-бутане, проектировщики должны руководствоваться двумя положениями:
1) оборудование указанных помещений датчиками довзрывных концентраций производить из расчета один датчик на 100 м2 площади помещения;
2) высота расположения датчиков не должна превышать 0,5 м над полом.
Положения документов [4-5] в основном написаны исходя из особенностей технологического оборудования нефтегазовой промышленности и физических свойствах газов. Применительно к объектам хранения, технического обслуживания и технического ремонта, эти положения желательно подтвердить экспериментально и обосновать расчетами.
С этой целью предлагается методика для расчета минимального количества датчиков стационарных газоанализаторов довзрывных концентраций
Таблица 1. Некоторые положения ТУ-газ-86 и РД БТ 39-0147171-003, касающиеся установки в помещениях датчиков до-взрывных концентраций
Порядок установки и особенности монтажа газоанализаторов до-взрывных концентраций
ТУ-газ-86 [4]
РД БТ 39-0147171-003 [5]
Порядок определения необходимого количества датчиков газоанализаторов
Порядок размещения датчиков газоанализаторов по помещению
1. "...в местах наиболее возможного выделения и скопления газов и паров.".
2. В компрессорных — один датчик у каждого компрессорного агрегата.
3. В помещениях насосных сжиженных углеводородных газов — один датчик на насос или группу насосов.
4. В складских помещениях при хранении в них горючих газов — одно пробоотборное устройство на 100 м2, но не менее 1 датчика на помещение.
1. Размещать датчики следует ".в зависимости от их плотности, количества, а также конструктивных особенностей оборудования.".
2. В компрессорных — ".в районе наиболее вероятных источников утечек перекачиваемой среды (сальники, уплотнители и т.п.) на расстоянии не более 1 м (по горизонтали) от них".
3. Пробоотборные устройства следует размещать по высоте помещений в соответствии с плотностью паров:
"— при выделении легких газов с плотностью по воздуху менее 1 — над источником;
— при выделении газов с плотностью по воздуху от 1 до 1,5 — на высоте источника или ниже его;
— при выделении газов с плотностью по воздуху более 1,5 — не более 0,5 м над полом".
1. В помещениях, в которых возможно проникновение взрывоопасных газов извне, а также при хранении в них легковоспламеняющихся жидкостей и горючих газов, следует устанавливать один датчик на каждые 100 м2, но не менее одного датчика на помещение.
2. В компрессорных и насосных — один датчик у каждого перекачивающего агрегата. При групповом размещении агрегатов — один датчик на 100 м2.
1. Размещать датчики в помещениях следует в соответствии с плотностями газов
и паров с учетом поправки на температуру воздуха:
" — над источником (при выделении легких газов с плотностью по воздуху менее 0,8);
— на высоте источника или ниже него (при выделении газов с плотностью по воздуху от 0,8 до 1,5);
— не более 0,5 м над полом (при выделении газов и паров с плотностью по воздуху более 1,5)".
2. В компрессорных и насосных датчики устанавливать ".в местах наиболее веро ятных источников выделения взрывоопас ных газов и паров, но не далее 3 м от источника (по горизонтали)".
для производственных помещений с газобаллонными автомобилями, использующими сжиженный углеводородный газ. В основу методики положена модель Гаусса шлейфообразного истечения газа из точечного источника в окружающую среду. Основные положения предлагаемой методики.
1. В производственных помещениях с газобаллонными автомобилями полная разгерметизация газовых баллонов и мгновенное поступление про-пан-бутановой смеси в помещение маловероятно. Наиболее вероятный вариант аварии — утечка газа вертикально вниз с массовой скоростью, не превышающей 0,001 кг/с [6-8].
2. При поступлении пропан-бутановой смеси в процессе утечки из газового оборудования газобаллонных автомобилей, концентрации газа в объеме помещения распределяются по нормальному закону распределения, использованному Гауссом в модели шлейфообразного истечения газа из точечного источника в окружающую среду.
3. В производственных помещениях с газобаллонными автомобилями необходимо фиксировать концентрации пропан-бутана при поступлении его в количестве, превышающем 20% от массы газа, при взрыве которой в данном помещении образуется расчетное избыточное давление АР = 5 кПа [1].
4. Необходимо фиксировать концентрации пропан-бутана в объеме помещения при концентрации 0,4% об. и выше.
Данные положения основаны на том, что предлагается фиксировать и реагировать на поступление пропан-бутана, масса которого превысит количество газа, которое равно 10% от массы газа, при взрыве которой в объеме данного помещения образуется давление АР = 5 кПа. Десятикратного запаса, который создается при таком подходе, вполне достаточно, чтобы исключить образование взрывоопасной смеси пропан-бутана с воздухом путем включения аварийной вентиляции. При таком подходе остается вероятность образования локальных
взрывоопасных объемов пропан-бутана с воздухом вблизи источников поступления газа, но количество газа, сосредоточенное в них, не представляет опасности для помещения.
Для изучения процесса распределения пропан-бутана в объеме закрытого помещения были проведены экспериментальные исследования концентраций пропан-бутана в помещении объемом 44 м3 при подаче газа вертикально вверх и вниз с высоты 0,04 м, при разных температуре и влажности воздуха с массовой скоростью подачи газа 0,001 кг/с [7-9]. В данных работах получены выражения, описывающие распределение максимальных концентраций пропан-бутана для каждого из перечисленных условий проведения экспериментов, и проведен анализ полученных результатов. Как следует из выводов, полученных в [7-9], наиболее вероятным вариантом аварии в помещениях с газобаллонными автомобилями, использующими пропан-бутан, будет являться авария, при которой газ поступает вертикально вниз с массовой скоростью, не превышающей 0,001 кг/с при температуре +8°С. Для данного варианта аварии наиболее подходит выражение, полученное в [9], которое описывает распределение максимальных концентраций пропан-бутана при данных условиях. Данное выражение имеет вид:
с =| • 10,6 + 1,8 | ехр {-
■2,11 —
177,51 -
21Ь
% об.,
(1)
где Ь, Б, Н — длина, ширина и высота помещения, м;
рг — плотность газа, кг/м3;
т — масса газа, поступившая в помещение, кг;
Уп — свободный объем помещения, м3.
Выражение (1) справедливо для случая 0,02 < < (100тР г^п )
<0,5 СНкпр и для помещений в форме прямоугольного параллелепипеда с отношением длины к ширине не более 5 (СНкпр — нижний концентрационный предел распространения пламени, % об.).
поле распределения максимальных концентраций на уровне пола помещения объемом 44 м3 при подаче 0,1 кг газа, рассчитанных по выражению (1), показано на рис. 1.
Для сравнения на рис. 2 приведено поле распределения концентраций для этого же помещения и при тех же условиях, но полученных экспериментальным путем [9].
Анализ рис. 1-2 показывает, что выражение (1) довольно точно описывает распределение концентраций пропан-бутановой смеси при его подаче вниз с высоты 0,04 м с массовой скоростью подачи
Рис. 1. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по полученной формуле (1) для массы пропан-бутана 0,1 кг
Рис. 2. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по экспериментальным данным. Условия проведения эксперимента: масса пропан-бутана — 0,1 кг, подача газа вниз, Теоз^ — +8°С, влажность — 95%
0,001 кг/с. Распределение концентраций пропан-бутановой смеси в объеме закрытого помещения имеет сложный характер. Поле концентраций, полученное экспериментальным путем, отличается от рассчитанного по выражению (1). Однако с достаточной степенью точности можно принять данное выражение для расчета концентраций пропан-бута-новой смеси при аварийных утечках газа на объектах хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей. расчеты, проведенные с помощью выражения (1), будут иметь определенный запас безопасности. Это связано с тем, что данное выражение получено на основе экспериментальных данных, полученных в
2
2
2
помещении повышенной герметичности [9]. Поэтому концентрации пропан-бутана в реальных производственных помещениях с газобаллонными автомобилями будут несколько ниже расчетных.
Масса пропан-бутановой смеси, при взрыве которой будет создано расчетное избыточное давление АР = 5 кПа, будет зависеть от объема помещения. Данная зависимость для постоянной температуры воздуха +8°С представлена на рис. 3.
Зная минимальную массу пропан-бутановой смеси, поступившую в помещение, по выражению (1) можно определить, на каком расстоянии от источника поступления газа образуется концентрация, равная 0,4% об. Согласно принятой методике, это минимальная концентрация, которую должны определять датчики газоанализаторов. Практически это расстояние является радиусом действия датчиков. Получить выражение для определения расстояния, на котором будет находиться концентрация той или иной величины, можно, выразив из выражения (1) одну из координат х, у. Данное выражение для концентрации 0,4% об. имеет вид:
X 0,4 = 0,7Ь
530шг1Усв + 1,8
1п
0,4
м,
(2)
особенностей помещения. На рис. 4 приведена зависимость изменения радиуса действия датчиков от свободного объема помещения, построенная с использованием типовых чертежей автостоянок. Масса пропан-бутана, использованная для расчетов при построении рис. 4 по условию предлагаемой методики, определена по рис. 3.
Анализ плана постройки гаражей-стоянок за 2000-2005 гг., разработанного Правительством Москвы, показывает, что около 80% построенных за последние 5 лет в Москве автостоянок составляют многоуровневые автостоянки на 100-300 машино-мест. Это автостоянки с относительно небольшим свободным объемом этажа. Количество автостоянок с объемом этажа более 4000 м3 незначительно. Поэтому предлагается радиус действия датчиков газоанализаторов до объема помещения 4100 м3 включительно определять по рис. 4; сверх указанного объема — как для объема 4100 м3 — 24 м.
По предлагаемой методике площадь, на которую распространится определенная масса пропан-бутановой смеси, будет зависеть от места возникновения утечки газа (рис. 5).
Соответственно и площадь, которую может контролировать датчик газоанализатора, будет раз-
где шг — масса газа пропан-бутана, кг (определяется по рис. 3); Ь — ширина помещения, м. Анализ выражения (2) показывает, что радиус действия датчиков газоанализаторов не является постоянным и будет зависеть от массы газа, свободного объема помещения и ширины помещения. Это связано с тем, что по условию датчики должны реагировать на минимальную концентрацию не ниже 0,4% об., а данная концентрация будет образовываться на различных расстояниях от места утечки газа в зависимости от массы газа и конструктивных
30 &24-
1 188 12-й
2 60
0123456789 10 Свободный объем помещения, тыс. м3
Рис. 3. Зависимость изменения массы пропан-бутановой смеси, при взрыве которой образуется расчетное избыточное давление АР = 5 кПа, от свободного объема помещения: 1 — масса пропан-бутана; 2 — 1/5 массы пропан-бутана
32
2 24
¡Я св
ек ди
16
2
8 — 1
0 0,6 1,2 1,8 2,4 3,0 3,6 4,2 4,8 5,4 6,0 Свободный объем помещения, тыс. м3
Рис. 4. Зависимость изменения радиуса действия датчика газоанализатора (1) для определения концентрации пропан-бутана от свободного объема помещения: 2 — аппроксимирующая прямая
15 м 15 м г 15 м
•<-•-- о -►
2
40 м
Рис. 5. Площадь, на которую распространится пропан-бутановая смесь в помещении размером 20x40x3 м, ограниченная концентрацией 0,4% об. при одинаковой массе газе, но разных местах утечки газа: а — в центре помещения; б — у середины меньшей стены; в — у середины большей стены
0
6
а
а
ной. поэтому для определения площади, защищаемой одним датчиком, предлагается принять вариант в (рис. 5), так как он имеет наименьшую площадь. Тогда площадь, защищаемая одним датчиком, будет определяться выражением:
Бзащ. д = 0,5Х0,4 , м2,
(3)
где X0 4 — радиус действия датчика, определяемый по рис. 4.
Минимальное количество датчиков для помещений с газобаллонными автомобилями будет определяться выражением:
ЬБ
N д =
(4)
защ. д
Минимальное количество датчиков в помещении должно быть не менее двух или одного пробо-отборного устройства.
Необходимое количество датчиков для помещений автостоянок различного объема, определенное по действующей и предлагаемой методике приведено в табл. 2.
Анализ табл. 2 показывает, что разница в количестве датчиков, определенных по двум методикам, возрастает с увеличением объема помещения. Это связано с тем, что для помещений большего объема количество пропан-бутановой смеси, которая будет представлять опасность (по условию 10% от массы газа, при взрыве которой АР — 5 кПа), будет значительно больше, чем для помещений меньшего объема. Соответственно, большее количество пропан-бутановой смеси займет большую площадь помещения. причем по полученным выражениям (1)-(3) можно рассчитать характер данной зависимости. Она следующая: при увеличении площади пола помещения в два раза; площадь, на которую распространится; принятое по условию количество пропан-бутановой смеси увеличится в четыре раза. Принятая в ТУ-газ-86 [4] методика данное положение не учитывает. Применительно к пропан-бута-новой смеси положения этой методики означают, что датчики газоанализаторов имеют радиус дейст-
Таблица 2. Требуемое количество датчиков газоанализаторов для защиты помещений разного объема с возможным поступлением пропан-бутановой смеси
Размер этажа автостоянки по чертежу, м Требуемое количество датчиков по ТУ-газ-86 [4] Требуемое количество датчиков по предлагаемой методике
10x50x3 5 4
20x40x3 8 3
30x30x3 9 3
36x66x3 24 3
вия 5,6 м для помещений любого объема. В помещении объемом 2400 м3 такую площадь займет про-пан-бутановая смесь, ограниченная концентрацией 0,4% об., масса которой составит около 0,1 кг. Это составляет 1,5% от массы газа, при взрыве которой АР — 5 кПа, т.е. при таком подходе создается запас безопасности в 67 раз. Это нецелесообразно по экономическим причинам. Задача исключения образования взрывоопасной смеси пропан-бутана с воздухом в помещениях автостоянок будет выполнена, если датчики будут реагировать на массу про-пан-бутановой смеси, равную 10% от массы газа, при взрыве которой в данном помещении будет создано расчетное давление, равное АР — 5 кПа.
В помещении автостоянок с газобаллонными автомобилями на пропан-бутане датчики довзрыв-ных концентраций следует размещать так, чтобы защищаемая ими площадь была максимальной. Поэтому от стен и углов их следует располагать на расстоянии несколько меньшем радиуса действия датчика так, чтобы поля действия датчиков перекрывались между собой, не оставляя "свободного" пространства на полу помещения.
Высота расположения датчиков не должна превышать 0,1 м от уровня пола. Это обусловлено тем, что для пропан-бутановой смеси концентрации на уровне пола и на высоте 0,3 м могут отличаться друг от друга в 6 и более раз. Пример изменения концентраций пропан-бутановой смеси в одной и той же точке помещения на различной высоте показан на рис. 6.
До настоящего времени для контроля за загазованностью производственных помещений наибольшее распространение имеют термохимические газоанализаторы с принудительной подачей анализируемой среды по газоподводящим линиям. Такие системы газового анализа имеют ряд недостатков.
б о
я и
аци р
т н
е ц
н
¡2
2,5 2,01,51,00,50
Время, мин
Рис. 6. Зависимости изменения концентраций пропан-бутановой смеси от времени в одинаковой точке помещения на различной высоте датчика: 1 — 0,0 м; 2 — 0,1 м; 3 — 0,2 м; 4 — 0,3 м. Объем помещения — 350 м3; подаваемая масса газа — 0,7 кг; подача газа вниз с высоты 0,04 м
А
\ _]! 0000000
0 0 0 0 0
А
А-А
Б-Б
2
Рис. 7. Схема корпуса для размещения датчиков газоанализаторов на пропан-бутан в помещениях хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей: 1 — болт; 2 — крышка корпуса; 3 — датчик газоанализатора; 4 — болт крепления крышки корпуса и основания; 5 — отсоединяемая часть основания; 6 — основание корпуса
В частности, размещение пробоотборных воронок в помещениях автостоянок представляет значительные трудности, а также необходимость наличия линии сжатого воздуха с давлением 0,25-0,60 МПа. На рынке систем контроля воздуха имеется большое количество многоканальных стационарных газоанализаторов отечественного и импортного производства, которые оснащены термокаталитическими конвективно-диффузионными датчиками. Погрешность измерения данных газоанализаторов, как правило, составляет 5-10%, они просты и надежны в эксплуатации. Примеры указанных газоанализаторов: газоаналитическая система СКВА-01 с датчиками ГР 1.0, стационарная система МХ 32 с датчиками ОЬС 20/20Б, газоанализатор-сигнализатор ГА30ТЕСТ-3001/3003, сигнализатор термохимический "Щит-2" и др. В производственных помещений с газобаллонными автомобилями целесообразно использовать эти системы.
В производственных помещениях с газобаллонными автомобилями места размещения датчиков могут находиться в непосредственной близости от путей движения автотранспорта, а также могут подвергаться воздействию струй воды в процессе уборки помещений. Поэтому для размещения в этих помещениях на высоте до 0,1 м от уровня пола датчиков газоанализаторов необходимо предусмотреть меры, которые защитят датчики от повреждения в случае наезда автотранспорта, а также от попадания воды на чувствительный элемент датчика.
Для этой цели предлагается использовать специальный корпус для размещения в нем термокаталитического датчика. Схема корпуса представлена на рис. 7.
Выводы
1. Существующая методика оснащения производственных помещений датчиками довзрывных концентраций не учитывает особенности технологического процесса и физико-химические свойства пропан-бутановой смеси.
2. Рекомендуется минимальное количество датчиков газоанализаторов для объектов хранения, технического обслуживания и технического ремонта газобаллонных автомобилей на пропан-бутане проводить по методике:
- по аппроксимирующей прямой на рис. 4 определить радиус действия датчика газоанализатора (при свободном объеме помещения 4100 м3 и больше принимать радиус, равный 24 м).
- по выражению (3) определить площадь, защищаемую одним датчиком;
- по уравнению (4) определить минимальное количество датчиков в помещении (но не менее двух).
3. Производственные помещения с газобаллонными автомобилями рекомендуется оснащать термокаталитическими датчиками довзрывных кон-
ООЖАРООЗРЬЮОБЕЗООАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №2
29
центраций, которые следует размещать на высоте до 0,1 м от уровня пола, с использованием специального корпуса, защищающего датчики от повреждений при наезде автотранспорта и от воздействия воды.
4. При оснащении производственных помещений с газобаллонными автомобилями на пропан-бутане системами контроля воздуха на наличие в
нем пропан-бутановой смеси позволяет исключить возможность образования в этих помещениях взрывоопасных объемов газа при утечке. Это делает возможным определить для этих помещений категорию В по взрывопожарной и пожарной опасности, по аналогии с помещениями с автомобилями на бензине при условии выполнения компенсирующих мероприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. НПБ 105-03. Определение категорий зданий, помещений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
2. ВСН 01-89. Предприятия по обслуживанию автомобилей.
3. Перечень категорий помещений и сооружений автотранспортных предприятий по взрывопожарной и пожарной опасности и классов взрывоопасных и пожароопасных зон по правилам устройства электроустановок (Утв. Минавтотрансом РСФСР в 1989 г.).
4. ТУ-газ-86. Требования к установке сигнализаторов и газоанализаторов.
5. РД БТ 39-0147171-003. Требования к установке датчиков стационарных газоанализаторов в производственных помещениях и на наружных площадках предприятий нефтяной и газовой промышленности.
6. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. Пожарная опасность газобаллонных автомобилей // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14,№ 1.—С. 33-37.
7. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. Образование взрывоопасных объемов при аварийном поступлении пропан-бутановых смесей в помещение // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2005. — Т. 14, № 6. — С. 39-42.
8. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. К вопросу о категорировании помещений для хранения и технического обслуживания газобаллонных автомобилей // Пожаровзрывобез-опасность. — 2006. — Т. 15,№ 1.—С. 25-29.
9. 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 помещения с газобаллонными автомобилями // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. —Т. 14, № 5. — С. 68-74.
Поступила в редакцию 14.01.06.
