4. Порядок определения и упрощенные методы расчета параметров взрывопожарной опасности горючих пылей

4.1. В соответствии с положениями приложения А [1] определяется масса взвешенной в объеме помещения горючей пыли m (кг), образовавшейся в результате аварийной ситуации.

4.2. Избыточное давление взрыва ∆Р (кПа) для горючих пылей согласно п. А.2.2 [1] при значении Z = 0,5 определяется по формуле

0246S10-12291

(43)

где H_т - теплота сгорания вещества, МДж ∙ кг^-1.

4.3. Расчет стехиометрической концентрации твердого горючего с известной химической брутто-формулой, включающей, например, атомы С, Н, N, О, Р, Аl в воздухе, производится на основе химического уравнения окисления данного вещества воздухом с брутто-формулой (О₂ + 3,77N₂) до следующих соответствующих продуктов взаимодействия: СО₂, Н₂О, N₂, Р₂О₅, Al₂O₃ и др. Перечень упомянутых продуктов взаимодействия атомов можно найти в книге В.Т. Монахова [4].

Для твердого вещества с неизвестной химической брутто-формулой величину стехиометрической концентрации ρ_st,X можно определить экспериментально, например, в стандартных опытах по определению теплоты сгорания, где потребуется дополнительно измерить уменьшение массы кислорода ∆m_О в камере для сжигания в атмосфере кислорода пробной навески данного вещества ∆m_X: ρ_st,X = (∆m_X / ∆m_О) ∙ М_О, где М_О ≈ 0,24 кг ∙ м^-3 - масса кислорода в 1 м³ воздуха нормального состава при комнатной температуре.

4.4. Определяется категория помещения по взрывопожарной и пожарной опасности на основании полученного значения величины избыточного давления взрыва ∆Р (кПа). Если ∆Р > 5 кПа, то помещение относится к взрывопожароопасной категории Б. Если ∆Р ≤ 5 кПа, то помещение не относится к взрывопожароопасной категории Б и дальнейшее определение категории помещения в зависимости от пожароопасных свойств и количеств обращающихся в помещении веществ и материалов осуществляется в соответствии с требованиями п. 5.2 [1].

5. Типовые примеры расчетов категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности

5.1. Помещения с горючими газами

Пример 1

1. Исходные данные.

1.1. Аккумуляторное помещение объемом V_п = 27,2 м³ оборудуется аккумуляторными батареями СК-4 из 12 аккумуляторов и СК-1 из 13 аккумуляторов.

1.2. Максимальная абсолютная температура воздуха согласно [3] в районе строительства 38 °С (г. Екатеринбург).

1.3. Обоснование расчетного варианта наиболее неблагоприятного в отношении взрыва периода.

1.3.1. При расчете избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта принимается наиболее неблагоприятный в отношении взрыва период, связанный с формовкой и зарядом полностью разряженных батарей с напряжением более 2,3 В на элемент и наибольшим значением зарядного тока, превышающим в четыре раза максимальный зарядный ток.

1.3.2. Происходит заряд аккумуляторных батарей с максимальной номинальной емкостью (А ∙ ч). Количество одновременно заряжаемых батарей устанавливается в зависимости от эксплуатационных условий, мощности и напряжения внешнего источника тока. Продолжительность поступления водорода в помещение соответствует конечному периоду заряда при обильном газовыделении и принимается равной 1 ч (T = 3600 с).

1.3.3. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура наружного воздуха в населенном пункте (климатической зоне) согласно СНиП 23-01-99^* [3].

1.4. Расчет поступающего в помещение водорода при заряде аккумуляторных батарей.

1.4.1. Масса водорода, выделившегося в одном элементе при установившемся динамическом равновесии между силой зарядного тока и количеством выделяемого газа, составляет:

0246S10-12291

где F = 9,65 ∙ 10⁴ А ∙ с ∙ моль^-1 - постоянная Фарадея; А - атомная единица массы водорода, равная 1 а.е.м = 1 ∙ 10^-3 кг ∙ моль^-1; Z = 1 - валентность водорода; I - сила зарядного тока, А; T - расчетное время заряда, с.

1.4.2. Объем водорода, поступающего в помещение при заряде нескольких батарей, м³, можно определить по формуле

0246S10-12291

где ρ_г - плотность водорода при расчетной температуре воздуха, кг ∙ м^-3 ; I_i - максимальный зарядный ток i-й батареи, А; n_i - количество аккумуляторов i-й батареи. Плотность водорода определяется по формуле

0246S10-12291

где M - масса одного киломоля водорода, равная 2 кг ∙ кмоль^-1; V₀ - объем киломоля газа при нормальных условиях, равный 22,413 м³ ∙ кмоль^-1; α = 0,00367 град^-1 - коэффициент температурного расширения газа; t_p - расчетная температура воздуха, °С.

Максимальная сила зарядного тока принимается по ГОСТ 825-73 «Аккумуляторы свинцовые для стационарных установок».

1.5. Стехиометрическая концентрация водорода С_ст рассчитывается по формуле А.3 [1]:

0246S10-12291

 

0246S10-12291

1.6. Плотность водорода при расчетной температуре воздуха будет равна:

0246S10-12291

1.7. Объем водорода, поступающего в аккумуляторное помещение при зарядке двух батарей СК-4 и СК^-1, составит: У

0246S10-12291

1.8. Свободный объем аккумуляторного помещения составит:

0246S10-12291

2. Избыточное давление взрыва ∆Р водорода в аккумуляторном помещении согласно формуле (2) Пособия будет равно:

0246S10-12291

Так как расчетное избыточное давление взрыва более 5 кПа, то аккумуляторное помещение следует относить к категории А.

3. Расчет избыточного давления взрыва ∆Р водорода в аккумуляторном помещении с учетом работы аварийной вентиляции или постоянно работающей общеобменной вентиляции, отвечающей требованиям п. А.2.3 [1] (продолжительность поступления водорода в объем помещения Т = 3600 с).

3.1. При кратности воздухообмена, создаваемого аварийной вентиляцией, равной 8 ч^-1, объем водорода, поступающего в помещение, составит:

0246S10-12291

Избыточное давление взрыва ∆Р при этом будет равно:

0246S10-12291

3.2. При оборудовании аккумуляторного помещения аварийной вентиляцией или постоянно работающей вентиляцией с кратностью воздухообмена А = 8 ч^-1, отвечающей требованиям п. А.2.3 [1], СП 7.13130.2009 [5] и ПУЭ [6], допускается не относить аккумуляторное помещение к категории А.

Согласно п. 5.2 и табл. 1 [1] при расчетном давлении взрыва, не превышающем 5 кПа, аккумуляторное помещение следует относить к категории В1 - В4 в зависимости от пожарной нагрузки, находящейся в аккумуляторном помещении.

Пример 2

1. Исходные данные.

1.1. Пост диагностики автотранспортного предприятия для грузовых автомобилей, работающих на сжатом природном газе. Объем помещения V_п = 300 м³. Свободный объем помещения V_св = 0,8 ∙ V_п = 0,8 ∙ 300 = 240 м³. Объем баллона со сжатым природным газом V = 50 л = 0,05 м³. Давление в баллоне Р₁ = 2 ∙ 10⁴ кПа.

1.2. Основной компонент сжатого природного газа - метан (98 % (об.). Молярная масса метана M = 16,04 кг ∙ кмоль^-1.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва ∆Р в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одного баллона со сжатым природным газом и поступление его в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (г. Москва) согласно СНиП 23-01-99^* [3] t_р = 37 °С.

Плотность метана при t_p = 37 °С составит:

0246S10-12291

3. Масса поступившего в помещение при расчетной аварии метана m определяется по формулам (А.6) и (А.7) [1]:

0246S10-12291

 

0246S10-12291

4. Избыточное давление взрыва ∆Р, определенное по формуле (9) Пособия, составит:

0246S10-12291

5. Расчетное избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, следовательно, помещение поста диагностики относится к категории А.

Пример 3

1. Исходные данные.

1.1. Помещение участка наращивания кремния. Наращивание поликристалла кремния осуществляется методом восстановления тетрахлорида кремния в атмосфере водорода на двух установках с давлением в их реакторах P₁ = 200 кПа. Водород подается к установкам от коллектора, расположенного за пределами участка, по трубопроводу из нержавеющей стали диаметром d = 0,02 м (радиусом r = 0,01 м) под давлением P₂ = 300 кПа. Суммарная длина трубопровода от автоматической задвижки с электроприводом, расположенной за пределами участка, до установок составляет L₁ = 15 м. Объем реактора V = 0,09 м³. Температура раскаленных поверхностей реактора t = 1200 °С. Время автоматического отключения по паспортным данным Т_а = 3 с. Расход газа в трубопроводе q = 0,06 м³ ∙ с^-1. Размеры помещения L×S×H = 15,81 ∙ 15,81 ∙ 6 м. Объем помещения V_п = 1500 м³. Свободный объем помещения V_св = 0,8 ∙ 1500 = 1200 м³. Площадь помещения F = 250 м².

1.2. Молярная масса водорода M = 2,016 кг ∙ кмоль^-1. Нижний концентрационный предел распространения пламени водорода C_НКПР = 4,1 % (об.). Стехиометрическая концентрация водорода С_cт = 29,24 % (об.). Максимальное давление взрыва водорода Р_max = 730 кПа. Тетрахлорид кремния - негорючее вещество. Образующиеся в результате химической реакции вещества - негорючие.

2. Обоснование расчетного варианта аварии.

При определении избыточного давления взрыва в качестве расчетного варианта аварии принимается разгерметизация одного реактора и выход из него и подводящего трубопровода водорода в объем помещения. За расчетную температуру принимается максимальная абсолютная температура воздуха в данном районе (г. Воронеж) согласно [3] t_p = 41 °С. Плотность водорода при t_р = 41 °С 0246S10-12291

. Расчетное время отключения трубопровода по п. А.1.2 в) [1] T_а = 120 с.

3. Масса поступившего в помещение при расчетной аварии водорода m определяется по формулам (А.6) - (А.10) [1]:

V_а = 0,01 ∙ 200 ∙ 0,09 = 0,18 м³;

V_1т = 0,06 ∙ 120 = 7,2 м³;

V_2т = 0,01 ∙ 3,14 ∙ 300 ∙ 0,01² ∙ 15 = 0,014 м³;

V_т = 7,2 + 0,014 = 7,214 м³;

m = (0,18 + 7,214) ∙ 0,0782 = 0,5782 кг.

4. Коэффициент участия водорода во взрыве Z определяется в соответствии с приложением Д [1].

4.1. Средняя концентрация водорода C_ср в помещении составит:

0246S10-12291

 

C_ср = 0,62 % (об.) < 0,5 ∙ С_НКПР = 0,5 ∙ 4,1 = 2,05 % (об.).

Следовательно, можно определить значение коэффициента участия водорода во взрыве Z расчетным методом.

4.2. Значение предэкспоненциального множителя С₀ составит:

0246S10-12291

4.3. Расстояния Х_НКПР, Y_НКПР и Z_НКПР составят:

0246S10-12291

 

0246S10-12291

4.4. Расчетное значение коэффициента участия водорода во взрыве Z будет равно:

0246S10-12291

5. Избыточное давление взрыва ∆Р согласно формуле (А.1) [1] составит:

0246S10-12291

6. Расчетное избыточное давление взрыва не превышает 5 кПа. Помещение участка наращивания кремния не относится к категории А. Согласно п. 5.2 и табл. 1 [1] при расчетном давлении взрыва, не превышающем 5 кПа, данное помещение следует относить к категории В1 - В4 в зависимости от пожарной нагрузки, находящейся в помещении участка наращивания кремния.