Методы расчета значений критериев пожарной опасности наружных установок
Выбор и обоснование расчетного варианта
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 ΔР при сгорании газопаровоздушных смесей в случае реализации указанного варианта максимально, то есть:
(73)
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.
Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие газовоздушные или паровоздушные смеси, определяется, исходя из следующих предпосылок:
а) происходит расчетная авария одного из аппаратов (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.
Масса газа m, кг, поступившего в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле
m =(Va+Vт)· r г, (74)
где Va – объем газа, вышедшего из аппарата, м3; Vт – объем газа вышедшего из трубопровода, м3; r г - плотность газа, кг× м-3.
При этом
Va=0,01· Р1· V, (75)
где Р1 – давление в аппарате, кПа; V – объем аппарата, м3;
Vт=V1т+V2т, (76)
где V1т – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3; V2т – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3;
V1т= q× T, (77)
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, с;
(78)
где Р2 – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r – внутренний радиус трубопроводов, м; L – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.
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, (79)
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 (79) определяют из выражения
m=W× Fи × Т, (80)
где W – интенсивность испарения, кг× с-1× м-2; Fи – площадь испарения, м2, в зависимости от массы жидкости mп, вышедшей в окружающее пространство; Т – продолжительность поступления паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в окружающее пространство, с.
Величину mпер определяют по формуле (при Та> Ткип)
(81)
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 (79) введением дополнительного слагаемого, учитывающего общую массу поступившей жидкости от распыляющих устройств, исходя из продолжительности их работы.
Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле
, (82)
где М – молярная масса, г× моль-1; РН – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, определяемое по справочным данным, кПа.
Для сжиженных углеводородных газов (СУГ) при отсутствии данных допускается рассчитывать удельную массу испарившегося СУГ mсуг из пролива, кг× м-2, по формуле
(83)
где М – молярная масса СУГ, кг× моль-1; Lисп – мольная теплота испарения СУГ при начальной температуре СУГ Тж, Дж× моль-1; Т0 – начальная температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, К; Тж – начальная температура СУГ, К; l ТВ – 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; r тв – 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; l в – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт× м-1× К-1.
Формула 83 справедлива для СУГ с температурой Тж £ Ткип. При температуре СУГ Тж > Ткип дополнительно рассчитывается масса перегретых СУГ mпер по формуле 81.
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
Горизонтальные размеры зоны, м, ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени (φнкпр), вычисляют по формуле для горючих газов (ГГ):
(84)
где тг – масса поступившего в открытое пространство ГГ при аварийной ситуации, кг;
φНКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени ГГ или паров, % об;
ρг – плотность горючего газа при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг/м3.
для паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ):
(85)
где тп – масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг;
ρп – плотность паров ЛВЖ при расчетной температуре, кг/м3;
РS – давление насыщенных паров ЛВЖ, кПа;
К – коэффициент (К = τ/3600);
τ – продолжительность поступления паров ЛВЖ при испарении, с;
φНКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени ГГ или паров, % об;
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.