Образование взрывоопасных объемов при аварийном поступлении пропан-бутановых смесей в помещение Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 614.841.48

ОБРАЗОВАНИЕ ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕМОВ ПРИ АВАРИЙНОМ ПОСТУПЛЕНИИ ПРОПАН-БУТАНОВЫХ СМЕСЕЙ В ПОМЕЩЕНИЕ

Васюков Глеб Викторович

Королъченко Александр Яковлевич

Рубцов Владимир Валентинович

Г. В. Васюков

адъюнкт Академии ГПС МЧС России, подполковник внутренней службы

A. Я. Корольченко

докт. техн. наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой пожарной безопасности МГСУ, директор ИИБС

B. В. Рубцов

канд. техн. наук, ст. науч. сотр., член-корреспондент МАНЭБ, начальник кафедры Академии ГПС МЧС России, полковник внутренней службы

Проанализирован характер распределения концентраций пропан-бутана в помещении объемом 44 м3 при направлении потока газа вертикально вверх и вертикально вниз. Получены уравнения, описывающие распределение концентраций пропан-бутана для этих условий. Установлено, что при определении расчетного избыточного давления взрыва пропан-бутановой смеси в помещениях. в которые возможно ее поступление, целесообразно учитывать направление потока газа.

Производственные помещения, в которых обращаются горючие газы или легковоспламеняющиеся жидкости, относятся к категории А или В по взрывопожарной и пожарной опасности. Критерием определения категории с 1987 г. является расчетное избыточное давление взрыва, которое создается при аварийном поступлении горючего газа или паров легковоспламеняющейся жидкости. Помещение следует относить к взрывопожарной категории, если расчетное давление превышает 5 кПа.

Методика категорирования помещений определена в нормах [1]. Она одинакова для всех горючих газов, в том числе и для пропан-бутана, который используется для газобаллонных автомобилей. Принятая методика с достаточно высокой точностью позволяет рассчитать избыточное давление АР, которое возникнет при взрыве газовоздушной смеси, образовавшейся при аварийном поступлении любого горючего газа в помещение.

Однако некоторые факторы, оказывающие существенное влияние на величину АР, а значит и на категорию помещений с газобаллонными автомобилями, данная методика не учитывает [2, 3]. Так, на формирование локального взрывоопасного объема горючего газа значительное влияние оказывает направление его подачи, что не отражено в нормах [1].

В данной статье рассмотрено влияние направления потока газа на формирование локального взрывоопасного объема пропан-бутана при его поступлении в закрытые помещения. В ходе исследования

этого явления экспериментально определены концентрации пропан-бутана в объеме помещения 44 м3 размером 4х5х2,2 м при подаче газа вертикально вниз и вертикально вверх, источник поступления смеси в обоих случаях находился на высоте

0,04 м. Оборудование, которое использовалось в экспериментальных исследованиях, подробно описано авторами в работе [3].

Опыты проводились при истечения пропанбутана через отверстие диаметром 6 мм с массовой скоростью 0,001 кг/с . Температура и относительная влажность воздуха в экспериментах были одинаковыми и составляли +20°С и 69% соответственно. При этих условиях в помещение подавалось нормированное количество пропан-бутана: 50, 75, 100,125,150 и 200 г. При анализе на одних и тех же датчиках максимальных концентраций, образовавшихся при одинаковой массе газа, но разных направлениях потока, установлено, что концентрации в этих опытах значительно отличаются друг от друга. Четко проявляется общая закономерность: концентрации пропан-бутана при подаче газа вверх в среднем в три раза меньше образующихся при подаче газа вниз в одних и тех же точках объема помещения. Примеры указанных различий показаны на рис. 1.

Поскольку концентрации пропан-бутановой смеси в одних и тех же точках объема помещения при разных направлениях потока различны, значит и масса пропан-бутана, сосредоточенная в этих объемах, будет неодинакова. Следовательно, раз-

я

и

ц

а

р

т

СЕ

е

ц

СЕ

£

Время

б

о

я

и ц а р т

к

ї2

Время

РИС. 1. Изменение концентрации пропан-бутана во времени на датчиках №2 (а) и №4 (б) [3, рис. 1] при одинаковой массе газа (100 г), но разных направлениях потока газа: 1 — вниз, 2 — вверх. Высота размещения датчика 5 см, температура воздуха +20°С, относительная влажность 69%

ным будет и коэффициент Z участия пропан-бутана во взрыве при различных направлениях подачи газа.

Для проверки данного положения были использованы принятое в нормах [1] уравнение, описывающее распределение горючего газа в закрытых помещениях и основанное на модели шлейфообразного истечения Гаусса из точечного источника в окружающую среду [4], и полученный массив экспериментальных значений концентраций. Для пропан-бутана коэффициенты К2 и К3 уравнения (1) работы [3] были определены по методике, изложенной в этой же работе, для случаев подачи газа вертикально вверх и вертикально вниз при температуре воздуха +20°С и влажности 69%. Необходимо было рассчитать и величину предэкспоненциального множителя С0 в уравнении (1) [3]:

C0 = 100

m

p 2Vn

(1)

где т — масса газа, поступившая в помещение, кг;

рг — плотность газа, кг/м3;

Уп — объем помещения, м3;

К — константа.

Значение С0 определили эмпирически при условии, что С0 численно равен максимальной концентрации в точке с координатамих = 0,у = 0,2 = 0. Экспериментальные значения максимальных концент-

ТАБЛИЦА 1. Максимальные значения концентраций пропан-бутана в месте подачи газа при разных направлениях потока, температура воздуха +20°С, влажность 69%, размер помещения 4х5х2,2 м

Масса пропан-бутана, г Направление потока газа

вверх вниз

Концентрация, % об.

50 0,7

75 1,8

100 0,9 2,1

125 2,3

150 1,0

200 1,2

раций пропан-бутана в месте подачи газа при различных массе и направлениях потока представлены в табл. 1.

С помощью программы “Advanced Grapher” проведен регрессионный анализ данных в табл. 1. По результатам анализа получены уравнения, описывающие изменение концентрации пропан-бутана от массы газа в месте его подачи в двух случаях: поток газа направлен вверх и вниз. Данные уравнения для помещения размером 4х5х2,2 м при указанных выше условиях имеют вид:

• подача газа вниз

С = 8т +1,3; (2)

• подача газа вверх

С = 3,2т + 0,5. (3)

Величина стандартного отклонения в формуле (2) не превышает 0,021, в равенстве (3) — 0,026. Прямые, аппроксимирующие экспериментальные значения концентраций в месте подачи газа, представлены на рис. 2.

При подстановке полученных значений С0, К2 и К3 для разных направлений потока в уравнение (1) работы [3], выведены формулы для определения концентраций пропан-бутана в объеме помещения при следующих условиях: влажность 69%, подача газа вертикально вниз и вертикально вверх с высо-

я

и

ц

а

р

т

СЕ

е

ц

СЕ

£

Масса газа, г

РИС. 2. Прямые, аппроксимирующие экспериментальные значения максимальных концентраций в месте подачи пропан-бутана при разных направлениях потока

ты 0,04 м. С учетом коэффициента безопасности Кб = 1,25 эти формулы имеют вид:

С = | • 7 + 1,3 I ехр ^-

С =

100т

р г^п

3,5 + 0,5 I ехр < -

1,71 — 1 + 1,6 Г 7

3,5'!

, % об.;

171!

, % об.

(4)

(5)

где Ь, Б, Н — длина, ширина и высота помещения соответственно, м; х, у, г — координаты.

Чтобы определить, насколько точно выражения (4) и (5) позволяют прогнозировать значения концентраций пропан-бутана в объеме закрытого

помещения при разных направлениях потока, можно сравнить схемы помещений с линиями изоконцентраций, определенных экспериментальным путем и рассчитанных по полученным формулам. Для примера на рис. 3 и 4 приведены указанные схемы для массы пропан-бутана 0,1 кг.

Сравнение рис. 3, а и 4, а, показывает, что при одинаковой массе пропан-бутана, но разных направлениях потока газа, поля концентраций значительно отличаются друг от друга. Это положение не учитывается в нормах [1], где принято единое уравнение для расчета концентраций любых горючих газов, на котором основывается методика определения коэффициента ^ Вид данного уравнения и схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по нему для массы газа 0,1 кг, приведены авторами в [3, уравнение (7), рис. 8].

Анализ рис. 3 и 4 показывает:

• поля концентраций пропан-бутана при его поступлении в помещение размером 4х5х2,2 м

РИС. 3. Схемы помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по экспериментальным данным (а) и полученной формуле (4) (б). Масса пропан-бутана 0,1 кг. Подача газа вниз. Температура воздуха +20°С, влажность 69%. Высота источника поступления газа 0,04 м

РИС. 4. Схемы помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по экспериментальным данным (а) и полученной формуле (5) (б). Масса пропан-бутана 0,1 кг. Подача газа вверх. Температура воздуха +20°С, влажность 69%. Высота источника поступления газа 0,04 м

2

2

а

а

5:^ 4

г 3 2 1 0

РИС. 5. Значения максимальных концентраций пропан-бутана на плоскости пола помещения размером 4х5х2,2 м, рассчитанные: а — по формуле (4), подача газа вниз; б — по формуле (5), подача газа вверх. Масса газа 0,1 кг, температура воздуха +20°С, влажность 69%

РИС. 6. Значения максимальных концентраций пропан-бутана на плоскости пола помещения размером 4х5х2,2 м, рассчитанных по формуле (7) [3] при массе газа 0,1 кг

при одинаковых условиях, за исключением направления потока газа, значительно отличаются друг от друга;

• уточненные формулы (4) и (5) позволяют достаточно точно рассчитать концентрации про-

пан-бутана в объеме данного помещения при подаче газа вертикально вниз и вертикально вверх с высоты 0,04 м при температуре воздуха +20°С и влажности 69%;

• формула (7) [3], имеет значительно большую погрешность при расчете концентраций в объеме рассматриваемого помещения по сравнению с уравнениями (4) и (5).

Оценить количество горючего газа, которое будет содержаться в локальном взрывоопасном объеме при подаче 0,1 кг пропан-бутана и разных направлениях потока, можно, используя построение в трехмерном пространстве решений формул (4) и (5). Поле концентраций пропан-бутана в системе координат (х, у — ширина и длина помещения, ось 2 — концентрация, % об.) для 0,1 кг газа при разных направлениях потока показано на рис. 5.

Для сравнения на рис. 6 приведено поле концентраций пропан-бутана, рассчитанное для массы газа 0,1 кг по формуле (7) [3].

Анализ рис. 5и6 подтверждает предположение, что количество пропан-бутана, содержащееся в локальном взрывоопасном объеме, который образуется при поступлении в помещение 0,1 кг газа при разных направлениях потока, будет различным. Результаты рассчитанных концентраций смеси в закрытом помещении, основанные на принятой в нормах [1] общей для всех горючих газов формуле (7), существенно отличаются от значений концентраций, полученных по уравнениям (4) и (5), и от экспериментальных данных в сторону завышения.

В результате проведенного анализа можно заключить, что при определении расчетного избыточного давления взрыва пропан-бутановой смеси в помещениях, куда возможно ее поступление, целесообразно учитывать направление потока газа, для чего необходимо провести количественную оценку этого фактора.

г

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Басюков 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. Басюков 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. Смолин И. М. Закономерности формирования локальных скоплений горючих газов и паров при их аварийном поступлении в производственные помещения: Дис. ... канд. техн. наук. —

М., 1986. — 222 с.

Поступила в редакцию 18.11.05.