2.1. Приклади розрахунків категорій приміщень за вибухопожежною і пожежною небезпекою

Задача з визначення категорії приміщення з горючим газами. Визначити категорію компресорного відділення розмірами 12х6х6 м, в якому знаходяться апарат з етиленом об’ємом 10 м³ та система підвідних і відвідних трубопроводів діаметром 90 мм. Довжина підвідного трубопроводу до засувки становить 0,5 м, а відвідного – 4,5 м. Тиск у системі становить 244,42 кПа, продуктивність компресора - 5×10^-3 м^3×с^-1, кратність аварійної вентиляції – 8 год^-1, вимкнення ручне, температура повітря у приміщенні – 20^оС.

Розв’язання:

1. Визначаємо густину газу при технологічних режимах ведення процесу за формулою:

де М - молекулярна маса етилену (С₂Н₄), кг/кмоль;

2. Знаходимо масу етилену, що надходить до приміщення під час аварії, за формулою:

де об’єм етилену, що надходить до приміщення з апарата під час аварії, визначаємо за формулою:

а об’єм етилену, що надходить до приміщення з трубопроводів, визначаємо за формулою:

При цьому об’єм газу, що вийшов з трубопроводу до його перекривання становить:

а об’єм газу, що вийшов з трубопроводу після його перекривання, становить:

3. Визначаємо масу етилену, що буде приймати участь в утворенні вибухонебезпечної концентрації з врахуванням роботи аварійної вентиляції, за формулорю:

,

де К - коефіцієнт, що враховує роботу вентиляції, становить:

4. Визначаємо вільний об’єм приміщення:

5. Знаходимо коефіцієнт кисню в реакції горіння етилену за формулою:

.

6. Визначаємо стехіометричну концентрацію горючої речовини за формулою:

% об.

7. Знаходимо надлишковий тиск вибуху у приміщенні компресорної за формулою:

кПа.

Висновок: Отже, приміщення компресорного відділення слід віднести до категорії «А» за вибухопожежною небезпекою.

Задача з визначення категорії приміщення з легкозаймистими рідинами. Визначити категорію приміщення складу ацетону, в якому зберігається 10 бочок з ацетоном, кожна об’ємом по 0,08 м³. Розміри приміщення 12х6х6 м. Об’єм приміщення 432 м³. Вільний об’єм приміщення 345,6 м³. Площа приміщення складає 72 м².

Розв’язання:

1. Визначимо фізико-хімічні та пожежонебезпечні властивості речовин і матеріалів, що обертаються у приміщенні складу.

Ацетон (С₃Н₆О). Молекулярна маса ацетону складає 58,08 кг/кмоль, густина – 790,8 кг/м³.

Ацетон - легкозаймиста рідина, температура спалаху -18 ⁰С, константи рівняння Антуана: А=6,37551; В=1281,721; С_а=237,088.

2. Обґрунтування розрахункового варіанта аварії.

При визначенні надлишкового тиску вибуху у якості розрахункового варіанта аварії приймається розгерметизація однієї бочки та розлив ацетону на підлозі приміщення, виходячи з того, що 1 л ацетону розливається на 1 м² підлоги приміщення.

За розрахункову температуру приймається абсолютна температура повітря у даному районі згідно вимог будівельних норм, що дорівнює 32 ⁰С.

3. Визначаємо значення густини парів ацетону при розрахунковій температурі за формулою:

,

де М- молекулярна маса ацетону, кг/кмоль;

4. Визначаємо тиск насиченої пари ацетону (Р_н) за розрахунковою температурою рідини за формулою:

де: А, В, С_а - константи Антуана (довідникові дані).

5. Знаходимо інтенсивність випаровування ацетону (W) за формулою:

де h - коефіцієнт, який приймають за таблицею 2.1 залежно від швидкості повітряного потоку, що створюється аварійною вентиляцією, та температури повітряного потоку над поверхнею випаровування (у разі відсутності аварійної вентиляції h дорівнює 1);

Таблиця 2.1 – Значення коефіціенту η в залежності від швидкості повітряного потоку та температури повітря в приміщенні

Швидкість повітряного потоку в приміщенні	Значення коефіціенту η при температурі повітря в приміщенні t,°C
		10	15	20	30	35
0		0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
0,1		3,0	2,6	2,4	1,8	1,6
0,2		6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
0,5		6,6	5,7	5,4	3,6	3,2
1,0		10,0	8,7	7,7	5,6	4,6

6. Знаходимо площу випаровування ацетону, виходячи з того, що стався розлив однієї бочки ацетону:

Так як площа приміщення складу становить 72 м², що менше розрахованої площі розливу ацетону, приймаємо площу розливу рівною площі підлоги приміщення.

7. Визначимо масу парів ацетону, що надійдуть до приміщення при повному випаровуванні всієї місткості бочки:

8. Визначаємо масу парів ацетону, що надійдуть до навколишнього простору приміщення складу при випаровуванні з поверхні розливу, за формулою:

де - тривалість випаровування, с. Приймаємо не більше 3600 с.

Таким чином, за розрахунками при аварійній ситуації випаровується вся маса ацетону, що розливається з бочки, тобто 63,264 кг.

,

де - маса рідини, що випарувалася з поверхні розливу, кг.

9. Визначаємо стехіометричну концентрацію парів ацетону за формулою:

,

де

10. Визначаємо надлишковий тиск вибуху в приміщенні складу ацетону за формулою:

Висновок: Таким чином, приміщення складу ацетону відноситься до категорії «А» за вибухопожежною небезпекою, так як в приміщенні обертається ЛЗР з температурою спалаху менше 28 ⁰С і надлишковий тиск вибуху перевищує 5 кПА.

Задачі з визначення категорії приміщення з горючими рідинами.

Задача 1. Визначити категорію приміщення пресової ділянки розмірами 12х6х5 м. Коефіцієнт вільного об’єму приміщення становить 70 %, Вентиляція в приміщенні відсутня. Температура повітря в приміщенні 20^оС. Тиск масла в гідросистемі становить 20 кг/см². Внутрішній діаметр трубок системи становить 10 мм. Робоча рідина – масло АМГ-300Т.

Розв’язання:

1. Визначимо фізико-хімічні та пожежонебезпечні властивості речовин і матеріалів, що обертаються у виробничому приміщенні.

Масло АМГ-300Т – Молекулярна маса невідома. Густина рідини – 970 кг/м³. Температура спалаху -170 ⁰С. Теплота згоряння за ДСТУ ISO 1928:2006 - 40224 Дж/кг.

2. Обґрунтування розрахункового варіанта аварії.

При визначенні надлишкового тиску вибуху у якості розрахункового варіанта аварії приймається розгерметизація трубки гідросистеми з викидом масла під тиском з утворенням аерозолю.

3. Визначаємо значення густини повітря у виробничому приміщенні за формулою:

4. Визначаємо масу рідини, що переходить у стан аерозолю під час аварії (аварійний витік з отвору під тиском) за формулою:

де - швидкість витікання рідини з аварійного отвору, м/с. Визначаємо за формулою:

де - внутрішній радіус трубок, м;

- час знаходження крапель рідини у виді аерозолю, с. Приймаємо час 5 с;

- густина рідини, кг/м³;

– робочий тиск масла в системі, кПа.

5. Визначаємо вільний об’єм приміщення за формулою:

6. Визначаємо надлишковий тиск вибуху аерозолю за формулою:

Висновок: Таким чином, приміщення пресової ділянки відноситься до вибухопожежонебезпечної категорії Б, бо в ньому обертається горюча рідина з температурою, нижчою за температуру спалаху і за умов утворення аерозолю під час його займання розвивається надлишковий тиск вибуху, що перевищує 5 кПа.

При визначенні категорії приміщень з горючими рідинами в якості розрахункового вибирається найбільш несприятливий варіант аварії, за яким приймає участь апарат, що має найбільшу небезпеку. При цьому приймається, що увесь вміст апарата надходить до приміщення і утворює пожежну навантагу. Площа пожежної навантаги визначається з врахуванням особливостей технології, під площею пожежної навантаги розуміється площа розливу горючої рідини з апарата, що обмежена бортикам, піддонами, зливними ємностями тощо.

Задача 2. Визначити категорію машинного відділення цеху розподілу, компресії повітря та компресії продуктів розподілу повітря. В приміщенні знаходяться горючі речовини (турбінні, індустріальні та інші масла з температурою спалаху понад 61⁰С, що обертаються у відцентрових та поршневих компресорах. Кількість масла в компресорі складає 15 кг. Кількість компресорів 5. За технологічними умовами площа розташування пожежного навантаження складає 6–8 м². В приміщенні машинного відділення мінімальна відстань від поверхні пожежної навантаги до нижнього поясу ферм перекриття Н складає близько 9 м.

Розв’язання:

1. Визначення категорії машинного відділення здійснюємо для найбільш небезпечного випадку, коли кількість масла у кожному компресорі складає 15 кг, а інша пожежна навантага відсутня.

Турбінне масло – горюча рідина. Нижча температура згоряння складає 41,87 МДж/кг.

Приймаємо, що площа пожежної навантаги складає 10 м².

2. Визначаємо пожежну навантагу (Q) та питому пожежну навантагу (q) за формулами:

3. Питома пожежна навантага на площі 10 м² перевищує 180 МДж/м². Отже, приміщення машинного відділення можна віднести до категорії «В».

Висновок: Отже, приміщення машинного відділення відноситься до категорії «В», так як відстань між ділянками розливу пожежної навантаги не перевищує мінімальну граничну відстань.

Задача з визначення категорії приміщення з горючим пилом. Визначити категорію приміщення шліфувального відділення меблевої фабрики за вибухопожежною і пожежною небезпекою. Розміри виробничого приміщення: 30х20х5 м. У відділенні експлуатується 5 шліфувальних верстати продуктивністю 4 вироби за годину кожний (площа кожного виробу становить 1,8 х 2 м). Деревина для виробів – береза. Під час шліфування виробів з їхньої поверхні знімається шар деревини товщиною 0,5 мм.

У виробничому приміщенні працює місцева витяжна вентиляція з ручною системою керування, яка вилучає до 75% пилу, що виділяється під час процесу шліфування. 70% деревного пилу, що виділяється під час шліфування, осідає на важкодоступних для прибирання місцях. Циклон для уловлювання пилу розташований за межами будівлі.

Шліфувальне відділення працює в одну 8-и годинну зміну 5 днів на тиждень. Прибирання пилу у відділенні ручне, сухе. 1 раз на добу. Генеральне прибирання здійснюється 1 раз на місяць. Температура у приміщенні 20^оС.

Розв’язання:

1. Визначаємо фізико-хімічні та пожежонебезпечні властивості речовин і матеріалів, що обертаються у виробничому приміщенні.

Пил, що виділяється при шліфуванні виробів із дерева – березовий пил. Густина пилу – 640 кг/м³. Дисперсність пилу – частинки менше 350 мкм – 100%. Теплота згоряння за ДСТУ 1928:2006 становить 1,67 10⁷ Дж/кг.

2. При визначенні надлишкового тиску вибуху горючого пилу у якості розрахункового варіанта аварії приймається вибух пилу, який накопичується на ділянці шліфування протягом місяця. Для розрахунку надлишкового тиску вибуху використовуємо формулу.

3. Спочатку визначимо густину повітря у приміщенні за формулою:

4. Визначаємо вільний об’єм приміщення за формулою:

5. Визначаємо масу пилу берези густиною 640 кг/м³, що виділяється одним верстатом за годину роботи, якщо за годину обробляється 4 вироби з поверхнею обробки 1,8 х 2 м та товщиною 0,5 мм:

6. Визначаємо масу пилу берези, що виділяється 5 верстатами за 1 зміну між поточними прибираннями пилу, за формулою:

де - маса пилу, що виділяється одним верстатом за одну годину, кг;

_{N - кількість верстатів, що обробляють вироби, шт.;}

_{τ - кількість годин 1 зміни, год.}

7. Визначаємо масу пилу берези, що виділяється 5 верстатами між генеральними прибираннями пилу, за формулою:

_{де М2 - маса пилу, що виділяється верстатами за 1 зміну між поточними прибираннями, кг;}

_{Nзмін - кількість змін (за місяць) між генеральними прибираннями. Приймаємо 22 зміни, виходячи з того, що за 1 тиждень 5 змін.}

8. Визначаємо масу пилу, що осідає між генеральними прибираннями на важкодоступних місцях, за формулою:

де – частка пилу, що потрапляє до об’єму приміщення і який видаляється витяжними вентиляційними системами. У нашому випадку ця частка становить 0,75;

_{β1 - частка пилу, який потрапляє до об’єму приміщення та осідає на важкодоступних місцях між генеральними прибираннями. Приймаємо рівною 0,7.}

9. Визначаємо масу пилу, що осідає між прибираннями на легкодоступних місцях, за формулою:

де - частка пилу, який потрапляє до об’єму приміщення та осідає на легкодоступних місцях між прибираннями. Приймаємо рівною 0,3.

10. Визначаємо масу пилу, що відкладається у приміщенні до аварії, за формулою:

де К_г - частка горючого пилу в загальній масі відкладень пилу. Приймаємо рівною 1;

К_пр - коефіцієнт ефективності прибирання пилу, який приймається у разі прибирання пилу вручну: у разі сухого прибирання - 0,6.

11. Визначаємо масу відкладеного пилу, що перейде у завислий стан (стан аерозолю) під час аварії, за формулою:

де К_зв - частка пилу, що відклався у приміщенні і здатний перейти у стан аерозолю в результаті аварійної ситуації. У разі відсутності експериментальних даних щодо значення К_зв, допускається приймати К_зв = 0,9; - маса пилу, що відклалась у приміщенні до моменту аварії, кг.

12. Визначаємо масу пилу, що виділяється з обладнання при аварійній ситуації. Враховуючи те, що в якості розрахункового варіанта аварії приймається вибух пилу, який накопичується на ділянці шліфування протягом місяця, визначимо масу пилу, що накопичується у приміщенні в результаті роботи 5 верстатів протягом 300 с (до ввімкнення аварійної витяжної вентиляції), за формулою:

де q_в - продуктивність, з якою продовжує надходити горючий пил до приміщення при роботі 5 верстатів, кг×с^-1;

τ – час, протягом якого надходить пил до ввімкнення аварійної вентиляції, с;

- маса горючого пилу, що виділяється при роботі 1-го верстата, кг;

N - кількість верстатів, шт;

_{α - частка пилу, що потрапляє до об’єму приміщення і який видяляється витяжними вентиляційними системами. У нашому випадку ця частка становить 0,75.}

13. Визначаємо загальну масу пилу деревини, що приймає участь в утворенні вибухонебезпечних пилоповітряних сумішей.

14. Визначаємо надлишковий тиск вибуху пилу деревини на ділянці шліфування за формулою:

Висновок: Таким чином, приміщення ділянки шліфування меблевого виробництва відноситься до категорії «Б» за вибухопожежною небезпекою.

2.2. Приклади визначення категорій будинків та протипожежних відсіків за вибухопожежною та пожежною небезпекою

Задача 1. Визначити категорію виробничої чотирьохповерхової будівлі загальним об’ємом приміщень 8000 м³. У будівлі знаходяться приміщення категорії А з сумарним об’ємом 400 м³.

Розв’язання:

1. Перевіримо, який відсоток складає сумарний об’єм приміщень категорії А від загального об’єму будівлі. За розрахунками – 5%.

Висновок: Отже, будівля відноситься до категорії «А», так як сумарний об’єм приміщень з категорією А складає 5 % від загального об’єму будівлі.

Задача 2. Визначити категорію виробничої будівлі загальним об’ємом 30000 м³. Приміщення категорії А та Б у будівлі відсутні. Сумарний об’єм приміщень категорії В складає 1800 м³, категорії Г - 2000 м³.

Розв’язання:

1. Спочатку перевіримо, чи відноситься будівля до категорії В. Для цього перевіримо, який відсоток складає сумарний об’єм приміщень категорії В від загального об’єму будівлі. За розрахунками – 6 %. Отже, будівля не відноситься до категорії В, так як у будівлі відсутні приміщення категорії А та Б і сумарний об’єм приміщень категорії В не перевищує 10% від загального об’єму будівлі.

2. Визначаємо, чи відноситься будівля до категорії Г. Для цього перевіримо, який відсоток складає сумарний об’єм приміщень категорії В та Г від загального об’єму будівлі. За розрахунками – 12,66%.

Висновок: Отже, будівля відноситься до категорії Г.

2.3. Приклади розрахунків визначення категорій зовнішніх установок за вибухопожежною та пожежною небезпекою

Задача 1. Визначити категорію зовнішньої установки, у якій знаходиться резервуар з метаном об’ємом 20 м³ з підвідним трубопроводом внутрішнім діаметром 80 мм і довжиною до засувки 5 м та відвідним трубопроводом з внутрішнім діаметром 80 мм і довжиною до засувки 3 м. Тиск у системі 7 атм. Продуктивність компресора 0,2 м³/с. Температура повітря і газу становить 30⁰С. Відключення трубопроводів автоматичне, забезпечено резервування елементів автоматики.

Розв’язання:

1. Визначаємо показники пожежної небезпеки речовин і матеріалів, що обертаються на установці.

Метан – горючий газ. Молекулярна маса становить 16 кг/кмоль. Нижня концентраційна межа поширення полум’я складає 5,28 % (об.). Максимальний тиск вибуху метану становить 720 кПа. Теплота згоряння – 50125 кДж/кг.

2. Обгрунтування розрахункового варіанта аварії.

При визначенні надлишкового тиску вибуху у якості розрахункового варіанта аварії приймається розгерметизація резервуара з метаном та вихід з нього і трубопроводів газу з утворенням газоповітряної пожежовибухонебезпечної суміші.

3. Визначаємо густину метану при розрахунковій температурі за формулою:

,

де М- молекулярна маса водню, кг/кмоль;

4. Розрахунок маси метану, що надходить до навколишнього простору при розрахунковій аварії, виконуємо за формулою:

де V_a - об’єм газу, що вийшов з апарата, визначається за формулою:

а об’єм газу, що надходить до навколишнього простору з трубопроводів, визначаємо за формулою:

де – об’єм газу, що вийшов з трубопроводу до його перекривання за 3 с, становить:

а об’єм газу, що вийшов з трубопроводу після його перекривання, становить:

5. Визначаємо приведену масу горючого газу за формулою:

6. Визначаємо надлишковий тиск вибуху на відстані 30 м від зовнішньої установки за формулою:

7. Розраховуємо горизонтальний розмір зони, яка обмежує область концентрацій, що перевищують нижню концентраційну межу поширення полум'я за формулою:

Висновок: Таким чином, зовнішня установка відноситься до категорії А_з за вибухопожежною і пожежною небезпекою.

Задача 2. Визначити, до якої категорії відноситься спиртосховище відкритого типу, яке має обвалування розмірами 4 х 5 м. Об’єм резервуара, в якому знаходиться технічний етиловий спирт, становить 2,1 м³. Ступінь заповнення резервуара 95%. Температура рідини 35⁰С (середня температура у ліній період).

Розв’язання:

1. Визначаємо показники пожежної небезпеки етилового спирту, що знаходиться в резервуарі спиртосховища.

Етиловий спирт – легкозаймиста рідина. Молекулярна маса становить 46,07 кг/кмоль. Нижня концентраційна межа поширення полум’я складає 3,6 % (об.). Константи рівняння Антуана: А= 7,81; В=1918,51; С_а =252,12. Теплота згоряння 30,56 10⁶ Дж/кг.

2. Обгрунтування розрахункового варіанта аварії.

Вихідною умовою при визначенні категорії зовнішньої установки - спиртосховища відкритого типу за вибухопожежною та пожежною небезпекою є аварійна ситуація за якою виникає розгерметизація резервуара із спиртом, розлив його в об’єм обвалування з площею розливу, що дорівнює площі обвалування, випаровування та утворення з повітрям пожежовибухонебезпечної суміші.

3. Визначаємо максимальну площу випаровування етилового спирту. Враховуючи те, що етиловий спирт розливається в об’єм обвалування розмірами 4 х 5 м, площа поверхні випаровування рідини, дорівнює площі розливу:

4. Визначаємо тиск насичених парів етилового спирту (Р_н) при розрахунковій температурі 35⁰С:

де – тиск насиченої пари при розрахунковій температурі, Па;

A, B, C_a – константи Антуана, що залежать від властивостей рідини, приймаються за довідником;

t_р – розрахункова температура,⁰С.

5. Визначаємо інтенсивність випаровування етилового спирту за формулою:

кг с^-1м^-2.

М - молекулярна маса етанолу, кг/кмоль;

Р_н – тиск насиченої пари при розрахунковій температурі, Па.

6. Кількість парів етилового спирту, що випаровується з площі розливу за 1 годину:

де W_в – інтенсивність випаровування етанолу, кг с^-1м^-2.

τ_р - час повного випаровування розлитої рідини з площі поверхні, приймається рівним 3600 с.

7. Визначаємо приведену масу парів спирту за формулою:

8. Визначаємо надлишковий тиск вибуху на відстані 30 м від зовнішньої установки за формулою:

9. Визначаємо густину парів спирту при розрахунковій температурі за формулою:

де М- молекулярна маса етилового спирту, кг/кмоль;

10. Виконаємо розрахунок горизонтальних розмірів зон, що обмежують пароповітряну суміш з концентрацією парів етилового спирту вище нижньої концентраційної межі поширення полум’я. В даному випадку аварійне надходження горючих парів ЛЗР (спирту) до відкритого простору відбувається при температурі, що не перевищує температуру навколишнього середовища.

Отже, горизонтальний розмір зони, який обмежує область концентрацій, що перевищують нижню концентраційну межу поширення полум'я не перевищує 30 м.

Висновок: Таким чином, спиртосховище відкритого типу відноситься до категорії А_з , так як в ньому обертається легкозаймиста рідина з температурою спалаху не більше 28^оС і розрахунковий надлишковий тиск у разі згоряння пароповітряної суміші на відстані 30 м від зовнішньої установки перевищує 5 кПа.