Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Распространение пожара на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

устройства, обеспечивающие необходимый сброс массы парогазовой смеси при определенном давлении срабатывания, системы взрывоподавления или используют оборудование, рассчитанное на давление взрыва.

Простота конструкции, быстрота срабатывания и дешевизна взрывных предохранительных устройств способствовали их широкому распространению в промышленности. Такое устройство надежно защитит аппарат при выполнении двух условий:

–  срабатывание произойдет при заданном давлении; –  будет обеспечена необходимая пропускная способность.

В качестве взрывных предохранительных устройств наиболее широко применяются мембранные устройства и взрывные клапаны.

Мембранные предохранительные устройстваустанавливают на патруб-

ках или трубопроводах, непосредственно присоединенных к оборудованию, с учетом наиболее вероятного направления распространения взрывной волны. Они обеспечивают полную герметичность оборудования (до срабатывания), практически не подвержены коррозии, хорошо работают в средах, склонных к полимеризации и кристаллизации, не имеют ограничений по пропускной способности. Существенный недостаток мембранных устройств – нарушение герметичности оборудования при их срабатывании, выброс достаточно большого количества вредных продуктов в атмосферу. Для установки новой мембраны необходима временная остановка аппарата.

Мембранныеустройстваклассифицируютпохарактеруразрушениямем-

бран (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Мембранные предохранительные устройства: а – с разрывной мембраной; б – со срезной мембраной; 1 – мембрана; 2, 3 – прижимные кольца

Разрывные мембраны (рис. 10.11, а) работают на разрыв, поэтому их изготовляют из тонколистового металлопроката (алюминия, никеля, меди и

191

Пожарная безопасность технологических процессов

других пластичных материалов) с плоской или выпуклой в сторону сбросного трубопровода поверхностью.

Срезные мембраны (рис. 10.11, б) срезаются по периметру острой кромки прижимного кольца 2.

Существуют также мембранные устройства с ломающимися, хлопающими, выщелкивающими, отрывными мембранами и др.

Взрывные предохранительные клапаны применяют для защиты труб-

чатых печей, топок котлов, газогенераторов и аналогичных аппаратов. На рис. 10.12 показан взрывной клапан с шарнирно-откидной дверцей.

Рис. 10.12. Взрывной предохранительный клапан откидного типа: 1 – корпус аппарата; 2 – клапан (откидная дверца); 3 – шарнир

Висходномположениидверцаклапаназакрыта.Герметичностьклапана обеспечивается прижатием дверцы к седлу под действием собственного весаили противовеса.При взрывномповышении давления средыв аппарате дверца клапана откидывается на шарнире и после сброса избыточного давления опускается и вновь закрывает выпускное отверстие.

Взрывные предохранительные устройства обычно оборудуют сброснымитрубопроводамидля отводапродуктов взрыва в безопасноеместо. Главное требование к сбросным трубопроводам: небольшое гидравлическое сопротивление потоку сбрасываемых газов. Основные параметры взрывных предохранительных устройств и общее их количество определяются расчетом.

Основным расчетным параметром взрывного предохранительного устройства является площадь проходного сечения сбросного отверстия в стенкеаппаратаS, м2, которую для критического режимаистечения продуктов сгорания определяют по формуле

, (10.11)

192

Распространение пожара на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

где F–поверхностьфронтапламени,м2;u –нормальнаяскоростьраспростра- нения пламени в данной смеси, м/с; ε – степень расширения газов при сгорании; ρ0 – начальная плотность горючей смеси, кг/м3; р0 и р – начальное давление и давление срабатывания мембраны соответственно, Па; α – коэффициент истечения газа через сбросное отверстие;k – показатель адиабаты;М– молярная масса, кг/кмоль; R – универсальная газовая постоянная, кДж / (кмоль·К); Т − температура продуктов сгорания, К.

Толщину мембраныΔ, м, определяют по выражению

где D − диаметр мембраны, м; δ − относительное удлинение материала мембраны при разрыве; kt – коэффициент, зависящий от материала мембраны и рабочей температуры в защищаемом аппарате; – временное сопротивление материала при растяжении, Па.

В ГОСТ Р 12.3.047-2012 (приложение Н) изложен метод определения требуемой безопасной площади разгерметизации оборудования в зависимости от объема оборудования и максимально допустимого давления внутри него, давления и температуры технологической среды, термодинамических и термокинетических параметров горючей смеси, условий истечения и степени турбулентности.

Безопасную площадь разгерметизации технологического оборудования F с газопаровыми смесями определяют по следующим безразмерным критериальным соотношениям:

–  для аппаратов, рассчитанных на максимальное относительное давление взрыва 1 < πm < 2 (при одновременном выполнении условия рm > 2р'):

–  для аппаратов, выдерживающих давление взрыва в диапазоне относительных значений 2 < πm < πn:

гдеπm =рm / рi –относительноемаксимальнодопустимоедавлениеваппарате, котороенеприводиткегодеформациии(или)разрушению;рm –абсолютное максимально допустимое давление внутри аппарата, которое не приводит к его деформации и (или) разрушению, Па; рi – абсолютное начальное давление горючей смеси в аппарате, при котором происходит инициирование

193

Пожарная безопасность технологических процессов

горения, Па; р' – абсолютное давление в пространстве, в которое происходит истечение, в момент достижения максимального давления взрыва внутри аппарата (атмосфера, буферная емкость и т. п.), Па; πе = ре / рi – относительное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом аппарате; ре – абсолютное максимальное давление взрыва данной горючей смеси в замкнутом аппарате при начальном давлении смеси рi, Па; Ei – коэф- фициентрасширенияпродуктовсгораниясмеси;χ–фактортурбулентности, представляющий собой в соответствии с принципом Гуи – Михельсона отношение действительной поверхности фронта пламени в аппарате к поверхности сферы, в которую можно собрать продукты сгорания, находящиеся в данный момент времени внутри сосуда; индексы i, е, m относятся к начальным параметрам, параметрам горючей смеси, максимальным допустимым значениям соответственно.

Комплекс подобия W с точностью до постоянного множителя представляет собой произведение двух отношений: эффективной площади разгерметизации к внутренней поверхности сферического аппарата равного объема и скорости звука в исходной смеси к начальной нормальной скорости пламени:

, (10.15)

гдеπ0 –число«пи»,равное3,14;μ–коэффициентрасходаприистечениисве- жей смеси и (или) продуктов сгорания через предохранительную мембрану; F – площадь разгерметизации (сбросного сечения), м2; V – максимальный внутренний объем аппарата, в котором возможно образование горючей газопаровой смеси, м3; R – универсальная газовая постоянная, кДж / (кмоль·К); Тui – температура горючей смеси, К; Mi – молярная масса горючей смеси, кг / кмоль; Sui – нормальная скорость распространения пламени при начальных значениях давления и температуры горючей смеси, м/с.

Формулы (10.13) и (10.14) могут быть использованы как для определения безопасной площади разгерметизации F при проектировании аппаратов по максимально допустимому относительному давлению взрыва в нем πm (прямая задача), так и для определения максимально допустимого начального давления горючей смеси рi в аппарате, рассчитанном на максимальное давлениерm,сужеимеющимсясброснымлюкомплощадьюF,напримерпри анализе аварий (обратная задача).

Формулы (10.13) и (10.14) охватывают весь диапазон возможных давлений в оборудовании с различной степенью негерметичности 1 < πm < πn.

194

Распространение пожара на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

Расчет безопасной площади разгерметизации проводится, как правило, для наиболее опасных (стехиометрического состава) смесей.

Зависимость фактора турбулентности от условий развития горения для полых объектов имеет вид

Примечание. Для оборудования объемом более 200 м3, оборудования с внутренними элементами и струйным и другими видами зажигания, а также инерционными сбросными элементами определение безопасной площади разгерметизации следует осуществлять с использованием расчета динамики взрыва.

Для полых аппаратов объемом менее 1 м3 фактор турбулентности χ составляет от 1 до 2.

С ростом объема аппарата фактор турбулентности увеличивается и для полых аппаратов объемом около 10 м3 составляет от 2,5 до 5 в зависимости от степени негерметичности (отношение F / V 0,667) аппарата.

Для сосудов объемом до 200 м3 различной формы с незначительными встроенными внутрь элементами фактор турбулентности, как правило, не превышает 8.

Для аппаратов с соотношением длины к диаметру до 5:1 можно считать, что форма аппарата не влияет на значение фактора турбулентности, так как увеличение поверхности пламени из-за его вытягивания по форме

195

Пожарная безопасность технологических процессов

аппарата компенсируется уменьшением поверхности в результате более раннего касания пламени стенок сосуда.

Для полых аппаратов объемом до 200 м3 с начально открытыми сбросными сечениями, например люками, значение фактора турбулентности, как правило, не превышает 2; для аппаратов с начально закрытыми сбросными сечениями (мембраны, откидные дверки и т. д.) не превышает 8.

Увеличение степени негерметичности F / V 0,667 от 0,025 до 0,25, что равнозначно увеличению площади разгерметизации в 10 раз для одного и того же аппарата, приводит к возрастанию фактора турбулентности в 2 раза (для аппаратов объемом около 10 м3 – с 2,5 до 5).

При увеличении относительного максимально допустимого давления внутри аппарата (прочности аппарата) в диапазоне 1 < πm < 2 фактор турбулентности не изменяется. С ростом относительного максимально допустимого давления выше πm > 2 (до πm = πе) для начально открытых сбросных сечений фактор турбулентности снижается с 2 до 0,8, для начально закрытых – с 8 до 2. Этот результат согласуется с физическими представлениями о том, что при большем значении давления, которое выдерживает аппарат, меньше площадь сбросного сечения, а следовательно, фронт пламени подвергается меньшему возмущающему воздействию.

Коэффициент расхода μ является эмпирическим коэффициентом, учитывающим влияние реальных условий истечения на расход газа для предохранительных мембран, как правило, μ = 0,61. При наличии сбросных трубопроводов – μ от 0,4 до 1 (включая случай с подачей хладагента в трубопровод непосредственно за мембраной).

Значение коэффициента расхода возрастает в указанном диапазоне с увеличением скорости истечения и температуры истекающего газа с ростом фактора турбулентности.

Произведениекоэффициентарасходаμнаплощадьразгерметизации F представляет собой эффективную площадь разгерметизации.

Нормальная скорость распространения пламени Sui, м/с, при давлении и температуре, соответствующих началу развития процесса горения, может быть определена экспериментально или взята из научно-технической литературы, прошедшей оценку достоверности приведенных в ней данных. Если данные по нормальной скорости при характерных для технологического процесса давления р и температуре Т отсутствуют, то в ограниченном диапазоне экстраполяции можно воспользоваться формулой

196

Распространение пожара на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

где Su0 – известное значение нормальной скорости при давлении р0, Па, и температуре Т0, К; n и m – соответственно барический и температурный показатели.

В диапазоне давлений от 0,04 МПа до 1,00 МПа и температур от 293 К до 500 К для стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изопропанола и бензола с воздухом барический показатель с ростом давления и температуры свежей смеси увеличивается и находится в диапазоне от 3,1 до 0,6. При значениях давления и температуры, близких к атмосферным, барический и температурный показатели для горючих паровоздушных смесей могут быть приняты в первом приближении соответственно равными п = – 0,5 и m = 2,0.

Коэффициент расширения Еi определяют по выражению

где Тbi и Мbi – соответственно температура, К, и молярная масса продуктов сгорания горючей смеси, кг / кмоль.

10.4.2. Ограничение аварийного растекания горючих жидкостей

Ограничение растекания горючих жидкостей и сжиженных горючих газов на полу помещений и территории наружных установок при аварийной разгерметизации оборудования обеспечивают различными устройствами, способами и защитными преградами, к которым относятся:

–  запорная и предохранительная арматура (скоростные отсекатели потока, обратные клапаны);

–  ограничение производственных площадей; –  планировка полов и производственных площадок с уклоном в сто-

рону приемных трапов и колодцев промканализации, сточных желобов, лотков, рвов, аварийных емкостей и т. д.;

–  пороги с пандусами в производственных помещениях, бортики вокруг аппаратов и окантовка производственных площадок наружных установок по периметру бордюрным камнем;

–  внутризаводские дороги с кюветами, насыпями или валами; –  защитные земляные обвалования и стены из негорючих материалов

вокруг групп резервуаров, отдельно стоящих резервуаров или другого емкостного оборудования.

При определении расчетной высоты защитных преград учитывают объемгорючейжидкости,выходящейизаварийногооборудования,допустимуюплощадьпролива,конфигурациюпреграды.Защитныепреградысооружают с определенным запасом по высоте.

197

Пожарная безопасность технологических процессов

При размещении резервуара на более высоких отметках по отношению к промышленным установкам, предприятиям, населенным пунктам, автодорогам, рекам и тому подобным объектам наряду с основным ограждением применяют дополнительные защитные сооружения: рвы, стены, отводные каналы (траншеи), открытые земляные амбары.

В ГОСТ Р 12.3.047-2012 (приложение К.1) приводится метод расчета площади сливного отверстия в ограничивающем растекание жидкости устройстве (поддоне, отсеке, огражденном бортиками участке цеха, производственной площадке и т. п.), при котором исключается перелив жидкости через борт ограничивающего устройства и растекание жидкости за его пределами. В расчете учитывают поступление горючей жидкости в поддон из аппарата в момент его аварийного вскрытия, воды от установки пожаротушения и выгорание жидкости с поверхности поддона.

Для расчета приняты следующие допущения:

–  при возникновении аварийной ситуации герметичность стенок аппарата не нарушается;

–  разрушаются только патрубки, лежащие ниже уровня жидкости в аппарате, образуя сливные отверстия, равные диаметру патрубков;

–  вероятность одновременного разрушения двух патрубков мала; –  давление паров над поверхностью жидкости в аппарате в процессе

слива жидкости не меняется.

Скорость истечения жидкости из аппарата Q, м/с, через отверстия, равные сечению трубопроводов, расположенных на аппарате, определяют по формуле

где φ = 0,65 – коэффициент истечения жидкости через отверстие; σi – площадь сечения i-го трубопровода, м2; g – ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; Нi – высота уровня жидкости над i-м трубопроводом, м.

По наибольшему из вычисленных начальных расходов Qм выбирают площадь отверстия в аппарате F0 и высоту уровня жидкости над ним Н0.

Исходя из конструктивных особенностей, выбирают площадь поддо-

на Fп, м2.

Определяют коэффициент m, характеризующий отношение объема жидкости в аппарате к объему жидкости в поддоне:

где Fа – площадь поперечного сечения аппрата, м2; hmax – максимально допустимый уровень жидкости в поддоне, м.

198

Распространение пожара на производстве и способы обеспечения пожарной безопасности

Объем жидкости, поступающей в поддон за единицу времени от установки пожаротушения (с учетом выгорания части горючей жидкости)Q, м3/с:

гдеI –интенсивностьорошенияводой,подаваемойизустановокпожаротуше- ния,площадиподдона,кг / (м2·с);ρ–плотностьогнетушащейжидкости,кг/м3.

При отсутствии данных скорость выгорания W следует принять равной нулю.

Еслит< 1,топлощадьсливногоотверстия f, м2,определяютпо формуле

. (10.22)

Если т > 1, то площадь сливного отверстия определяют следующим образом.

Определяют напор Нр, м, создаваемый сжатыми газами в аппарате:

где ρ – плотность воды, кг/м3. Вычисляют значение параметра

, (10.24)

где Qmax – максимальный расход жидкости из аппарата, м3/с.

В табл. 10.4 приведена зависимость параметра b от параметра а.

199

Пожарная безопасность технологических процессов

Окончание табл. 10.4

Сечение отходящих от поддона трубопроводов fт выбирают, исходя из условия fт > f.

контрольные вопросы

1.Перечислите условия, способствующие распространению пожара на производстве.

2.Перечислите основные мероприятия по ограничению количества горючих веществ и материалов на стадии проектирования производства.

3.Каким производствам отдают предпочтение при выборе способа производства?

4.Чему отдают предпочтение при разработке технологической схемы процесса и выборе технологического оборудования?

5.Перечислите основные направления ограничения количества горючих веществ и материалов при эксплуатации производства.

6.Поясните суть ограничения количества горючих веществ и материалов, одновременно обращающихся в технологическом процессе.

7.Поясните суть ограничения количества изделий, одновременно находящихся в производстве.

8.Нарисуйте схему самотечной системы аварийного слива горючей жидкости из аппарата и поясните ее работу.

9.Запишите условие безопасной аварийной эвакуации жидкости из аппарата, поясните каждую его составляющую.

10.Как определить продолжительность опорожнения аппарата?

11.Поясните работу системы аварийного сброса газов и паров из технологических аппаратов в факельную систему.

12.Перечислите требования к системе аварийного стравливания.

200