Проектирование систем инженерного
оборудования и систем безопасности |
|
|
НОРМЫ ПОЖАРНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ «Определение
категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной
опасности» НПБ 105-03
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
НАРУЖНИХ УСТАНОВОК
МЕТОД
РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПАРОВ
36. Выбор
расчетного варианта следует осуществлять с учетом годовой частоты реализации и
последствий тех или иных аварийных ситуаций. В качестве расчетного для
вычисления критериев пожарной опасности для горючих газов и паров следует
принимать вариант аварии, для которого произведение годовой частоты реализации
этого варианта Qw и расчетного избыточного давления DР при сгорании
газопаровоздушных смесей в случае реализации указанного варианта максимально,
то есть:
G=Qw×DP=max. (26)
Расчет
величины G производится следующим образом:
а)
рассматриваются различные варианты аварии и определяются из статистических данных
или на основе годовой частоты аварий со сгоранием газопаровоздушных смесей Qwi
для этих вариантов;
б) для
каждого из рассматриваемых вариантов определяются по изложенной ниже методике
значения расчетного избыточного давления DPi;
в)
вычисляются величины Gi=Qwi·DPi для каждого
из рассматриваемых вариантов аварии, среди которых выбирается вариант с
наибольшим значением Gi;
г) в
качестве расчетного для определения критериев пожарной опасности принимается
вариант, в котором величина Gi максимальна. При этом количество
горючих газов и паров, вышедших в атмосферу, рассчитывается, исходя из
рассматриваемого сценария аварии с учетом пунктов 38-43.
37. При
невозможности реализации описанного выше метода в качестве расчетного следует
выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы
аппаратов, при котором в образовании
горючих газопаровоздушных смесей участвует наибольшее количество газов и паров,
наиболее опасных в отношении последствий сгорания этих смесей. В этом случае
количество газов и паров, вышедших в атмосферу, рассчитывается в соответствии с
пунктами 38-43.
38.
Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие
газовоздушные или паровоздушные смеси, определяется, исходя из следующих
предпосылок:
а)
происходит расчетная авария одного из аппаратов согласно п. 36 или п. 37 (в
зависимости от того, какой из подходов к определению расчетного варианта аварии
принят за основу);
б) все
содержимое аппарата поступает в окружающее пространство;
в)
происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат по
прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для отключения
трубопроводов.
Расчетное
время отключения трубопроводов определяется в каждом конкретном случае, исходя
из реальной обстановки, и должно быть минимальным с учетом паспортных данных на
запорные устройства, характера технологического процесса и вида расчетной
аварии.
Расчетное
время отключения трубопроводов следует принимать равным:
- времени
срабатывания систем автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным
данным установки, если вероятность отказа системы автоматики не превышает 0,
000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов (но не более 120 с);
- 120 с,
если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не
обеспечено резервирование ее элементов;
- 300 с
при ручном отключении.
Не
допускается использование технических средств для отключения трубопроводов, для
которых время отключения превышает приведенные выше значения.
Под
“временем срабатывания” и “временем
отключения” следует понимать промежуток времени от начала возможного
поступления горючего вещества из трубопровода (перфорация, разрыв, изменение
номинального давления и т.п.) до полного прекращения поступления газа или
жидкости в окружающее пространство. Быстродействующие клапаны-отсекатели должны
автоматически перекрывать подачу газа или жидкости при нарушении
электроснабжения.
В
исключительных случаях в установленном порядке допускается превышение
приведенных выше значений времени отключения трубопроводов специальным решением
соответствующих министерств или ведомств по согласованию с Госгортехнадзором
России на подконтрольных ему производствах и предприятиях и МЧС России;
г)
происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости; площадь испарения при
разливе на горизонтальную поверхность определяется (при отсутствии справочных
или иных экспериментальных данных), исходя из расчета, что 1 л смесей и
растворов, содержащих 70% и менее (по массе) растворителей, разливается на
площади 0,10 м2, а остальных жидкостей - на 0,15 м2;
д)
происходит также испарение жидкостей из емкостей, эксплуатируемых с открытым
зеркалом жидкости, и со свежеокрашенных поверхностей;
е)
длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения,
но не более 3600 с.
39. Масса
газа m, кг, поступившего в окружающее пространство при расчетной аварии,
определяется по формуле
m
=(Va +Vт)·pг, (27)
где Va -
объем газа, вышедшего из аппарата, м3; Vт - объем газа вышедшего из
трубопровода, м3; pг - плотность газа, кг×м-3.
При этом
Va=0,01·Р1·V, (28)
где Р1
- давление в аппарате, кПа; V -объем
аппарата, м3;
Vт=V1т+V2т, (29)
где V1т
- объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3;
V2т -
объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3;
V1т = q× Т, (30)
где q -
расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в
зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды
и т.д., м3 × с-1; Т - время, определяемое по п. 38, с;
(31)
где Р2
- максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r - внутренний радиус трубопроводов, м; L - длина трубопроводов от аварийного
аппарата до задвижек, м.
40. Масса
паров жидкости m , кг, поступивших в окружающее пространство при наличии
нескольких источников испарения (поверхность разлитой жидкости, поверхность со
свеженанесенным составом, открытые емкости и т.п.), определяется из выражения
m=mр+mемк+mсв.окр+mпер, (32)
где mр
- масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг; mемк - масса
жидкости, испарившейся с поверхностей открытых емкостей, кг; mсв.окр
- масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав,
кг; mпер - масса жидкости,
испарившейся в окружающее пространство в случае ее перегрева, кг.
При этом
каждое из слагаемых (mр, mемк, mсв.окp) в формуле (32) определяют из выражения
m=W×Fи
×Т, (33)
где W -
интенсивность испарения, кг×с-1×м-2; Fи - площадь испарения, м2,
определяемая в соответствии с п. 38 в зависимости от массы жидкости mп , вышедшей в окружающее
пространство; Т- продолжительность
поступления паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в окружающее
пространство согласно п.38, с.
Величину
mпер определяют по формуле (при Та> Ткип)
(34)
где mп
- масса вышедшей перегретой жидкости, кг; Ср -удельная теплоемкость
жидкости при температуре перегрева жидкости Та , Дж×кг-1× К-1 ; Та - температура
перегретой жидкости в соответствии с технологическим регламентом в
технологическом аппарате или оборудовании, К; Ткип - нормальная
температура кипения жидкости, К; Lисп - удельная теплота испарения
жидкости при температуре перегрева жидкости Та , Дж × кг-1.
Если
аварийная ситуация связана с возможным поступлением жидкости в распыленном
состоянии, то она должна быть учтена в формуле (32) введением дополнительного
слагаемого, учитывающего общую массу поступившей жидкости от распыляющих
устройств, исходя из продолжительности их работы.
41. Масса
mп вышедшей жидкости, кг, определяется в соответствии с п. 38.
42.
Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным
данным. Для ненагретых ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать
W по формуле
, (35)
где М
-молярная масса, г×моль-1; Рн - давление насыщенного пара при расчетной
температуре жидкости, определяемое по справочным данным в соответствии с
требованиями п. 3, кПа.
43. Для
сжиженных углеводородных газов (СУГ) при отсутствии данных допускается
рассчитывать удельную массу испарившегося СУГ mсуг из пролива, кг×м-2, по
формуле
(36)
где М -
молярная масса СУГ, кг × моль-1; Lисп - мольная теплота испарения СУГ при
начальной температуре СУГ Тж, Дж×моль-1; То - начальная
температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, К; Тж
- начальная температура СУГ, К; lтв - коэффициент
теплопроводности материала, на поверхность которого разливается СУГ, Вт×м-1×К-1;
- коэффициент температуропроводности материала, на
поверхность которого разливается СУГ, м2×с-1; Ств
- теплоемкость материала, на поверхность которого разливается СУГ, Дж×кг-1×К-1; ртв
- плотность материала, на поверхность которого разливается СУГ, кг×м-3; t - текущее время,
с, принимаемое равным времени полного испарения СУГ, но не более 3600 с; - число Рейнольдса; U
- скорость воздушного потока, м×с-1; - характерный размер пролива СУГ, м; vв -
кинематическая вязкость воздуха, м2×с-1; lв - коэффициент
теплопроводности воздуха, Вт×м-1×К-1.
Формула 38
справедлива для СУГ с температурой Тж £ Ткип. При
температуре СУГ Тж > Ткип
дополнительно рассчитывается масса перегретых СУГ mпер по формуле 34.
Расчет
горизонтальных размеров зон, ограничивающих газо- и паровоздушные смеси с
концентрацией горючего выше НКПР, при аварийном поступлении горючих газов и
паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей в открытое пространство
44. Горизонтальные размеры зоны, м,
ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел
распространения пламени (Снкпр),
вычисляют по формулам:
-для горючих газов (ГГ):
, (37)
- для паров ненагретых
легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ):
, (38)
,
где mг - масса поступивших в открытое пространство ГГ при
аварийной ситуации, кг; рг
- плотность ГГ при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг×м-3 ; mп - масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое
пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг; рп - плотность паров ЛВЖ при
расчетной температуре и атмосферном давлении, кг×м-3; Рн -
давление насыщенных паров ЛВЖ при расчетной температуре, кПа; К - коэффициент, принимаемый равным К=Т/3600
для ЛВЖ; Т- продолжительность
поступления паров ЛВЖ в открытое пространство, с; Снкпр - нижний концентрационный предел распространения
пламени ГГ или паров ЛВЖ, % (об.); M
- молярная масса, кг×кмоль-1; V0 - мольный объем, равный 22,413 м3×кмоль-1; tр - расчетная температура, 0С. В качестве
расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха
в соответствующей климатической зоне или максимальную возможную температуру
воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения
температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры tр по каким-либо причинам определить
не удается, допускается принимать ее равной 61 0С.
45. За начало отсчета
горизонтального размера зоны принимают внешние габаритные размеры аппаратов,
установок, трубопроводов и т.п. Во всех случаях значение Rнкпр должно быть не менее 0,3 м для ГГ и ЛВЖ.
Расчет
избыточного давления и импульса волны давления при сгорании смесей горючих
газов и паров с воздухом в открытом пространстве
46. Исходя из рассматриваемого
сценария аварии, определяется масса m, кг, горючих газов и (или) паров,
вышедших в атмосферу из технологического аппарата в соответствии с пунктами
38-43.
47. Величину избыточного давления DР, кПа, развиваемого при сгорании газопаровоздушных
смесей, определяют по формуле
DР=Р0
×(0,8mпр0,33/r+3mпр0,66/r 2+5mпр/r 3), (39)
где Р0 - атмосферное
давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); r- расстояние от
геометрического центра газопаровоздушного облака, м; mпр
-приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле
mпр=(Qсг/Q0)×m×Z, (40)
где Qсг - удельная
теплота сгорания газа или пара, Дж×кг-1;
Z- коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который допускается
принимать равным 0,1; Q0 - константа, равная 4,52×106 Дж×кг-1;
m - масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в
окружающее пространство, кг.
48. Величину импульса волны давления
i, Па × с, вычисляют по формуле
i =123×mпр0,66/r . (41)
МЕТОД РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
ДЛЯ ГОРЮЧИХ ПЫЛЕЙ
49. В качестве расчетного варианта аварии
для определения критериев пожарной опасности для горючих пылей следует выбирать
наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов,
при котором в горении пылевоздушной смеси участвует наибольшее количество
веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий такого
горения.
50. Количество поступивших веществ,
которые могут образовывать горючие пылевоздушные смеси, определяется, исходя из
предпосылки о том, что в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные
работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за
которой последовал аварийный выброс в окружающее пространство находившейся в
аппарате пыли.
51. Расчетная масса пыли,
поступившей в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по
формуле
М=Мвз +Мав, (42)
где М - расчетная масса поступившей
в окружающее пространство горючей пыли, кг, Мвз - расчетная масса
взвихрившейся пыли, кг; Мав - расчетная масса пыли, поступившей в
результате аварийной ситуации, кг.
52. Величина Мвз
определяется по формуле
Мвз=Кг ×Квз×Мп, (43)
где Кг - доля горючей пыли в общей массе отложений
пыли; Квз - доля отложенной вблизи аппарата пыли, способной перейти
во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. В отсутствие
экспериментальных данных о величине Квз допускается принимать Квз = 0,9; Мп - масса отложившейся
вблизи аппарата пыли к моменту аварии, кг.
53. Величина Мав
определяется по формуле
Мав=(Мап +q×Т)×Кп, (44)
где Мап - масса горючей
пыли, выбрасываемой в окружающее пространство при разгерметизации
технологического аппарата, кг; при отсутствии ограничивающих выброс пыли
инженерных устройств следует полагать, что в момент расчетной аварии происходит
аварийный выброс в окружающее пространство всей находившейся в аппарате пыли;
q- производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в
аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг×с-1; Т -расчетное время отключения, с,
определяемое в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки. Следует
принимать равным времени срабатывания системы автоматики, если вероятность ее
отказа не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов
(но не более 120 с); 120 с, если вероятность отказа системы автоматики
превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов; 300 с при
ручном отключении; Кп - коэффициент пыления, представляющий
отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из
аппарата. В отсутствие экспериментальных данных о величине Кп
допускается принимать: 0,5 - для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм; 1,0 -
для пылей с дисперсностью менее 350 мкм.
54. Избыточное давление DР для горючих пылей рассчитывается следующим
образом:
а) определяют приведенную массу
горючей пыли mпр , кг, по формуле
mпр=M×Z×Hт/Hто, (45)
где
M - масса горючей пыли, поступившей в результате аварии в окружающее
пространство, кг; Z- коэффициент участия
пыли в горении, значение которого допускается принимать равным 0,1. В отдельных
обоснованных случаях величина Z может
быть снижена, но не менее чем до 0,02; Hт
- теплота сгорания пыли, Дж×кг-1; Hто - константа,
принимаемая равной 4,6 × 106Дж×кг-1;
б) вычисляют расчетное избыточное
давление DР, кПа, по формуле
DР=Р0×(0,8mпр0,33/r+3mпр0,66/r2+5mпр/r3), (46)
где r - расстояние от центра
пылевоздушного облака, м. Допускается отсчитывать величину r от геометрического
центра технологической установки; Р0 - атмосферное давление, кПа.
55. Величину импульса волны давления
i, Па×с, вычисляют по формуле
i=123mпр0,66/r. (47)
МЕТОД РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
56. Интенсивность теплового
излучения рассчитывают для двух случаев пожара (или для того из них, который
может быть реализован в данной технологической установке):
- пожар проливов ЛВЖ, ГЖ или горение
твердых горючих материалов (включая горение пыли);
- “огненный шар” - крупномасштабное
диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью
или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара.
Если возможна реализация обоих
случаев, то при оценке значений критерия пожарной опасности учитывается
наибольшая из двух величин интенсивности теплового излучения.
57. Интенсивность теплового
излучения q, кВт×м-2, для пожара пролива жидкости или при
горении твердых материалов вычисляют по формуле
q=Еf Fq×t, (48)
где Еf - среднеповерхностная
плотность теплового излучения пламени, кВт×м-2; Fq- угловой
коэффициент облученности; t - коэффициент пропускания атмосферы.
Значение Еf принимается
на основе имеющихся экспериментальных данных. Для некоторых жидких
углеводородных топлив указанные данные приведены в табл. 8.
При отсутствии данных допускается
принимать величину Еf равной: 100кВт×м-2 для СУГ, 40 кВт×м-2
для нефтепродуктов, 40 кВт×м-2 для твердых материалов.
Таблица 8
Среднеповерхностная
плотность теплового излучения пламени в зависимости от диаметра очага и
удельная массовая скорость выгорания для некоторых жидких углеводородных топлив
Топливо |
Еf , кВт × м-2 |
М, КГ×М-2×с-1 |
||||
|
d= 10 м |
d= 20 м |
d= 30 м |
d= 40 м |
d= 50 м |
|
CПГ (Метан) |
220 |
180 |
150 |
130 |
120 |
0,08 |
СУГ (Пропан-бутан) |
80 |
63 |
50 |
43 |
40 |
0,10 |
Бензин |
60 |
47 |
35 |
28 |
25 |
0,06 |
Дизельное топливо |
40 |
32 |
25 |
21 |
18 |
0,04 |
Нефть |
25 |
19 |
15 |
12 |
10 |
0,04 |
Примечание. Для диаметров очагов
менее 10 м или более 50 м следует принимать величину Еf такой же, как и для очагов диаметром 10 м и
50 м соответственно |
Рассчитывают эффективный диаметр пролива d, м, по
формуле
(49)
где F площадь пролива, м2.
Вычисляют высоту пламени Н, м, по формуле
, (50)
где М -
удельная массовая скорость выгорания топлива, кг×м-2×с-1; рВ - плотность
окружающего воздуха, кг×м-3; g = 9,81 м×с-2 -
ускорение свободного падения.
Определяют угловой коэффициент
облученности Fq по формулам:
(51)
где Fv , Fн -
факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно,
определяемые с помощью выражений:
; (52)
;(53)
А=(h2+S2+1)/(2×S); (54)
B=(1+S2)/(2× S); (55)
S=2r/d; (56)
h=2H/d, (57)
где r - расстояние от геометрического центра пролива до
облучаемого объекта, м.
t=ехр [-7,0×10-4×(r-0,5d)]. (58)
58. Интенсивность
теплового излучения q, кВт×м-2,
для “огненного шара” вычисляют по формуле (48).
Величину Еf
определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать
Еf равным 450 кВт×м-2.
Значение Fq
вычисляют по формуле
(59)
где Н - высота
центра “огненного шара”, м; Ds - эффективный диаметр “огненного шара”, м; r - расстояние от
облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром
“огненного шара”, м.
Эффективный диаметр
“огненного шара” Ds определяют по формуле
Ds=5,33m0,327, (60)
где m - масса
горючего вещества, кг.
Величину Н
определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать величину Н
равной Ds/2.
Время существования
“огненного шара” ts , с, определяют по формуле
ts=0,92m0,303. (61)
Коэффициент
пропускания атмосферы t рассчитывают по формуле
. (62)
Copyright © secpro |