CC BY
18
Пожарная безопасность зданий, сооружений, объектов
УДК 614.841.12
ПРОБЛЕМА КАТЕГОРИРОВАНИЯ ПОМЕЩЕНИИ
ПРИ ОБРАЩЕНИИ В НИХ ПЕРЕГРЕТЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
Пузач Сергей Викторович
Базилевич Алексей Яковлевич
Карпенко Денис Геннадьевич
Смагин Александр Владимирович
С. В. Пузач
начальник кафедры инженерной теплофизики и гидравлики Академии ГПС МЧС России, подполковник внутренней службы
А. Я. Базилевич
генеральный директор
ООО "Научно-производственная фирма «Р-СКИФ»"
Д. Г. Карпенко
преподаватель кафедры организации ГПН Академии ГПС МЧС России, ст. лейтенант внутренней службы
А. В. Смагин
начальник кабинета Академии ГПС МЧС России
Рассматривается проблема категорирования помещений при обращении в них перегретых теплоносителей. Предложена математическая модель расчета тепломассообмена при натекании теплоносителя в помещение, которая может стать основой для разработки методики расчета и быть включенной в соответствующие технические регламенты. Приведен пример использования модели для определения параметров термогазодинамики в помещении при натекании дифе-нильной смеси.
Производственные процессы с обращением в них перегретых теплоносителей используются в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Они ведутся при высоких температурах (до 400°С), в большинстве случаев превышающих температуру вспышки высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ). При этом в аварийных ситуациях возможно поступление в объем помещения нагретого теплоносителя, его испарение и образование взрывоопасных пароаэрозолевоздушных смесей с воздухом. Взрывопожароопасность будет характеризоваться рядом параметров, определяемых условиями аварийной ситуации и характером поступления нагретого до высоких температур теплоносителя [1-6].
В результате экспериментальных и теоретических исследований пожароопасные свойства ВОТ изучены достаточно глубоко [7-16], однако в существующей научной литературе и нормативно-тех-
нических документах не приводятся в полной мере расчетные методы определения параметров взры-вопожароопасности. Поэтому возникает проблема при определении интенсивности испарения и массы испарившейся жидкости для ЛВЖ, нагретых выше температуры окружающей среды, что не позволяет категорировать такие помещения [4].
Требования технологической взрывобезопасно-сти регламентируются нормами [6], из расчетов по ним определяются недостающие параметры [4]. Согласно этому документу степень взрывоопасно-сти технологических блоков характеризуется суммарным энергетическим потенциалом, который используется для определения массы парогазового облака, приведенного к тротиловому эквиваленту. По этим значениям производится категорирование технологических блоков по взрывоопасности.
Существуют два подхода к нормированию в области обеспечения пожаровзрывобезопасности — детерминированный (нормы и правила) [4-6] и ве-
роятностный (государственные стандарты) [1-3]. Методика расчета возможности безопасной эвакуации людей, изложенная в ГОСТ [1], является основным условием выполнения обязательных требований (отсутствие угрозы жизни и здоровью людей) [17].
При применении действующих методик по определению параметров пожаровзрывоопасности (для пожарного надзора — НПБ [4], для Госгортех-надзора — правил [6]) возникают разногласия. Из-за этой несогласованности страдает в первую очередь собственник объекта.
Основным препятствием к решению данной проблемы являются недостаточная изученность процессов формирования и горения локальных
взрывоопасных смесей и отсутствие расчетных методов определения параметров взрывопожаро-опасности. Решение этой задачи представляется наиболее актуальным. В основу его положено определение динамики размеров зон, ограниченных концентрационными пределами горения при выходе перегретой жидкой фазы из аппарата в помещение, и, следовательно, массы смеси, которая участвует в горении.
Основой математической модели является метод расчета, подробно описанный в работах [18-21]. При этом численным способом решаются нестационарные трехмерные дифференциальные уравнения законов сохранения массы, импульса и энергии
0 5 10 15 20 х, м
РИС. 1. Поля температур (а), массовых концентраций ди-фенила (б) и скоростей (в), а также схемы течения (г) в продольном сечении через 2сот начала натекания смеси в помещение
0 5 10 15 20 х,м
РИС. 2. Поля температур (а), массовых концентраций ди-фенила (б) и скоростей (в), а также схемы течения (г) в продольном сечении через 5сот начала натекания смеси в помещение
пожаровзрывобезопасность б'2005
для газовой смеси (уравнения Навье-Стокса в форме Рейнольдса), а также уравнения неразрывности для ее компонентов (кислород, азот и дифенильная смесь). Используется *-е-модель турбулентности со следующим набором эмпирических констант: С1 = 1,44; С2 = 1,92; а* = 1,0; ае = 1,3; Сц = 0,09.
Рассматривается следующий расчетный вариант аварии: происходит полная разгерметизация испарителя, в помещение максимальным размером 26x15x12 м выходят пары дифенильной смеси, на пол выливается жидкость из системы. Системы механической вентиляции и пожаротушения не включены, т.е. происходит свободное распространение паров дифенильной смеси в помещении. Масса ди-
2, м
10
8 6 4 2
0
2, м
10
8 6 4 2
2, м
0.1
10
8 6 4 2
0
2, м
10
X, м г
РИС. 3. Поля температур (а), массовых концентраций ди-фенила (б) и скоростей (в), а также схемы течения (г) в продольном сечении через 12 с от начала натекания смеси в помещение
фенильной смеси, поступающей в помещение за 12 с (время срабатывания клапанов, перекрывающих поступление дифенильной смеси на участок аварии), равна 274 кг. Температура дифенильной смеси составляет 300°С.
Массовые концентрационные пределы горения принимались равными: нижний предел Хнкпв = 0,02; верхний предел Хвкпв = 0,18.
На рис. 1-3 представлены поля температур (°С), массовых концентраций дифенила и скоростей (м/с), а также схемы течения в продольном сечении помещения технологического блока в различные моменты времени от начала натекания дифенильной смеси в помещение.
2, м_
2, м
10 8 6 4
2
0
2, м
10
8
6 4
2
0 2 4 6 8 10 12 14 у, м
2, м г
6 8 10 12 14 у, м
б
6 8 10 12 14 у, м
е
г 1.2
1.2 1.г
—■-1—-1- "тл
2
4
6
8
10
12
14 у, м
РИС. 4. Поля температур (а), массовых концентраций дифенила (б), скоростей (в) и плотности (г) в поперечном сечении через 2 с от начала натекания смеси в помещение
а
0
Поля температур, массовых концентраций ди-фенила, скоростей и плотности смеси в по-
перечном сечении помещения технологического блока в различные моменты времени от начала на-текания дифенильной смеси в помещение приведены на рис. 4-6.
На рис. 1, а -6, а, жирными линиями выделены изотермы с температурой 70°С (срабатывание тепловых извещателей или спринклерных оросителей). На рис. 1, б — 6, б, жирными линиями показаны нижний и верхний массовые концентрационные пределы горения смеси воздуха и паров дифенила.
Зависимости суммарной массы msum дифенильной смеси, поступающей в помещение, а также мас-
сы m
гор
находящейся внутри диапазона концентраций, при которых возможно горение, от времени представлены на рис. 7.
На рис. 8 приведена зависимость от времени доли кгор = тгор /msum суммарной массы дифениль-ной смеси, находящейся в помещении, которая может участвовать в возможном горении.
Через 12 с от начала натекания, когда вся масса дифенильной смеси, находящейся в испарителе, поступает в помещение (msum = 274 кг), тгор = = 110,76 кг.
Таким образом, в возможном горении через 12 с от начала аварии может участвовать 40,4% всей массы дифенильной смеси, находящейся внутри аварийного участка.
z, м_
10 8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
10
12 14 y, м б
6 8 10 12 14 y, м
е
6 8 10 12 14 y, м
г
10 12 14 y, м
РИС. 5. Поля температур (а), массовых концентраций ди-фенила (б), скоростей (в) и плотности (г) в поперечном сечении через 5 с от начала натекания смеси в помещение
10
8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
0
z, м
10
8 6 4
2
0
246
10
12 14 y, м б
10
12 14 y, м е
10
12 14 y, м г
2
4
6
8
10
12 14 у, м
РИС. 6. Поля температур (а), массовых концентраций ди-фенила (б), скоростей (в) и плотности (г) в поперечном сечении через 12 с от начала натекания смеси в помещение
а
8
2
4
6
8
2
4
6
8
2
4
2
4
6
8
2
4
0
2
4
6
8
300
250
200
150
100
50
т, c
РИС. 7. Зависимость массы дифенильной смеси от времени с начала натекания: 1 — суммарной тшт, поступающей в помещение; 2 — находящейся внутри диапазона концентраций, при которых возможно горение (тгор)
гор
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
РИС. 8. Зависимость от времени доли кгор суммарной массы дифенильной смеси, находящейся в помещении, которая может участвовать в возможном горении
0
Выводы
Решение проблемы определения параметров пожаровзрывоопасности помещений при обращении в них перегретых теплоносителей требует разработки методики расчета, которая должна быть включена в соответствующие технические регла-
менты. Основой для указанной методики может служить использованная в данной работе математическая модель расчета тепломассообмена при нате-кании теплоносителя в помещение, которая позволяет определять пожароопасную долю массы перегретого теплоносителя, находящегося внутри аварийного участка.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общиетребования.
2. ГОСТ Р 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов.
3. ГОСТ 12.1.004-84. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
4. НПБ 105-03. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.
5. Правила устройства электроустановок. Разд. VIII. Электрооборудование специальныхустано-вок / Под. ред. С. Г. Королева. 5-е изд. — М.: Атомиздат, 1980.
6. ПБ 09-170-97. Общие правила взрывоопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.
7. Баратов А. Н., Кривец О. П. Взрывоопасность органических теплоносителей // Проблема безопасности при чрезвычайных ситуациях. — 1990. — Вып. 6.
8. Баратов А. Н., Рабинков В. А., Кривец О. П. К вопросу об оценке взрывоопасности объектов с наличием высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) // Охрана труда в технологических процессах строительного производства: Сб. науч. тр. — Казань: КИСИ, 1988.
9. Баратов А. Н. и др. Провести исследования и разработать методику оценки взрывопожаро-опасности производственный помещений, связанных с возможностью возникновения горючих аэровзвесей, в том числе при выбросе жидкостей, нагретых выше температуры вспышки: Науч.-техн. отчет. — М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1989.
10. Бесчастнов М. В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. — М.: Химия, 1991.
11. Пчелинцев В. А., Никитин А. Г., Хузиахметов Р. А. Оценка взрывопожароопасности производств, связанных с применением легковоспламеняющихся жидкостей в нагретом состоянии. — М.: ЖВХО им. Д. И Менделеева, 1985.
12. Шебеко Ю. Н., Смолин И. М., Малкин В. Л. и др. Определение характеристик испарения высокотемпературных теплоносителей // Обеспечение пожарной безопасности объектов защиты: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО, 1989.
13. Смолин И. М., Шебеко Ю. Н., Малкин В. Л. и др. Закономерности испарения нагретых высокотемпературных органических теплоносителей со свободной поверхности // Обеспечение пожарной безопасности объектов защиты: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО, 1989.
14. БатунерЛ. И, Позин М. Б. Математические методы в химической технике. —Л.: Госхимиздат, 1963.
15. Смолин И. М., Малкин В. Л. Методика исследования пожаровзрывоопасности высокотемпературных органических теплоносителей // Пожарная опасность веществ и технологических процессов: Сб. науч. тр. — М.: ВНИИПО, 1988.
16. Баратов А. Н., Пчелинцев В. А. Пожарная безопасность. — М.: АСВ, 1997.
17. Федеральный закон "О техническом регулировании" // Собрание законодательства Российской Федерации. — 2002. — № 52. — Ч.1. — Ст. 5140.
18. Пузач С. В. Математическое моделирование распространения водорода в помещении // Известия РАН. Энергетика. — 2001. — № 2. — С. 145-152.
19. Пузач С. В., Пузач В. Г. Некоторые трехмерные эффекты тепломассообмена при пожаре в помещении // Инженерно-физический журнал. — 2001. — Т. 74, № 1. — С. 35-40.
20. Пузач С. В. Математическое моделирование тепломассообмена при решении задач пожа-ровзрывобезопасности. Монография. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. — 150 с.
21. Базилевич А. Я., Пузач С. В., Карпенко Д. Г. и др. Особенности разработки противопожарных мероприятий при строительстве зданий многофункционального назначения со сложной геометрией // Пожаровзрывобезопасность. — 2004. — Т. 13,№ 1.—С. 20-29.
Поступила в редакцию 21.10.05.
