Разработка вопросов безопасности в проектах. Ч.3. Практикум

Практическое занятие 11 ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ПОЖАРА РАЗЛИТИЯ

11.1. Общие сведения

Основным поражающим фактором пожаров является термическое воздействие, обусловленное тепловым излучением пламени.

Термическое воздействие определяется плотностью потока поглощенного излучения qпогл, кВт/м2, и временем теплового излучения τ, с.

Плотность потока поглощенного излучения qпогл, кВт/м2, связана с плотностью потока падающего излучения qпад, кВт/м2, соотношением qпогл =eqпад , где e – степень черноты (поглощательная способность) тепловоспринимающей поверхности. Чем ниже степень черноты (больше отражательная способность), тем меньше при прочих равных условия значение qпогл (далее q, кВт/м2).

Человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожи превышает 45 °С. Время достижения «порога боли» τ, с, определяется по формуле

Различают три степени термического ожога кожи человека (табл. 11.1).

При использовании детерминированного подхода к определению степени термического поражения можно использовать приведенные значения плотности теплового потока, представленные в табл. 11.2.

42

При пожарах в резервуарных парках наибольшую опасность представляет термическое воздействие на соседние резервуары. Оно может вызвать как взрыв резервуара (с возможным образованием огненного шара), так и их повреждение с последующей утечкой и возгоранием содержимого (табл. 11.3).

Таблица 11.3

Зависимость времени воспламенения τ резервуара с нефтепродуктами

от плотности потока теплового излучения q

В случае применения вероятностного подхода к определению поражающего фактора теплового воздействия на человека значения Рпор, %, определяются по приложению с использованием следующих формул для определения пробит-функции Pr (табл. 11.4).

43

Таблица 11.4

Формулы для пробит-функций при различных степенях термического поражения

Примечания:

1.q – плотность потока поглощенного излучения, кВт/м2;

2.τ – время термического воздействия, с.

Время термического воздействия τ, с, для случаев пожара разлития и горения здания (сооружения, штабеля и т.п.) определяется по формуле

где τ0 – характерное время обнаружения пожара, с, допускается принимать τ0 = 5 с; х – расстояние от места расположения человека до зоны, где

плотность потока теплового излучения не превышает 4 кВт/м2, м; u – скорость движения человека, м/с, допускается прини-

мать u = 5 м/с.

Для случая огненного шара время термического воздействия принимается равным времени существования огненного шара.

11.2. Расчет параметров пожара разлития

При нарушении герметичности сосуда, содержащего сжиженный горючий газ или жидкость, часть жидкости (или вся жидкость) может заполнить поддон или обваловку, растечься по поверхности грунта или заполнить какую-либо естественную впадину.

44

Если поддон или обваловка имеет вертикальный внутренний откос, то глубину заполнения h, м, можно определить по формуле

где mж – масса разлившейся жидкости, кг;

rж – плотность разлившейся жидкости, кг/м3; Fпод – площадь поддона, м2.

При авариях в системах, не имеющих защитных ограждений, происходит растекание жидкости по грунту (полу) и (или) заполнение естественных впадин. Обычно при растекании по грунту площадь разлива ограничена естественными и искусственно созданными границами (дорогами, дренажными канавами и т.п.), а если информация об этом отсутствует, то толщина разлившегося слоя принимается h = 0,05 м и площадь разлива Fраз, м2, определяется по формуле

m

Fраз = hrж . (11.4)

ж

Пламя пожара разлития при расчетах представляют в виде наклоненного по направлению ветра цилиндра конечного размера (рис. 11.1), причем угол наклона θ зависит от безразмерной скорости ветра Wв:

Геометрические параметры пламени пожара разлития нахо-

45

rп, – плотность пара, кг/м3;

а, b и с – эмпирические коэффициенты, а = 55; b = 0,67, с = –0,21.

Рис. 11.1 Расчетная схема пожара разлития wв – скорость ветра, L – высота пламени пожара,

D – диаметр зеркала разлива, R – расстояние от центра пожара разлития до объекта, S – расстояние между центрами элементарных площадок, расположенных на боковой поверхности пламени пожара разлития и объекта,

n – нормаль к поверхности

Эмпирические коэффициенты в формуле Томаса получены на основании результатов экспериментов, выполненных для широкого диапазона изменения параметров (при

этом должны выполняться следующие условия: 10-3 ≤ DL ≤10 ; 10-6 ≤ rв mвыгg D <10-2 ).

46

Скорость выгорания жидкостей определяют, как правило, экспериментальным путем. Для экспертной оценки скорости выгорания mвыг, кг/(м2 · с), можно воспользоваться эмпирической формулой

QP

mвыг =C rж L H , (11.7)

исп

где rж – плотность жидкости, кг/м3;

QHP – низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; Lисп – скрытая теплота испарения жидкости, Дж/кг;

С – коэффициент пропорциональности, значение которого, равное 1,25 10–6 м/с, получено путем обработки многочисленных экспериментальных данных по выгоранию большинства органических жидкостей и их смесей.

Плотность газа (или пара) можно определить по формуле

где М – молярная масса , кг/кмоль;

V0 – мольный объем, V0 = 22,4 м3/кмоль;

tр – расчетная температура, °С, при отсутствии данных допускается принимать tр = 61 °С.

Плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку, расположенную на уровне грунта (рис. 11.1), qпад, кВт/м2, вычисляется по формуле

где qсоб – средняя по поверхности пламени плотность потока собственного излучения, кВт/м2;

j – угловой коэффициент излучения с площадки на боковой поверхности пламени пожара разлития на единичную площадку, расположенную на уровне грунта (см. рис. 11.1, на котором S – расстояние между центрами элементарных площадок, расположенных на боковой поверхности пламени пожара разлития и объекта, м), определяется по рис. 11.2;

47

R – расстояние от центра пожара разлития до объекта, м; r – радиус зеркала разлива, м.

Рис. 11.2. Зависимость углового коэффициента излучения j с цилиндрического пламени пожара разлития

на элементарную площадку от R/r

Для ориентировочных расчетов можно принять значения qсоб, приведенные в табл. 11.5.

Пример 11.1. На нефтеперекачивающей станции расположен резервуар РВС-20000 в обваловке, имеющей квадратную форму со стороной l = 80 м. Высота обваловки hоб = 3 м рассчитана на удержание всего объема нефти, находящейся в резерву-

48

аре, при аварийном разлитии. Радиус резервуара Rрез = 22,81 м, высота Нрез = 11,9 м. Фактический объем резервуара

Vфакт = 19 450 м3, резервуар заполнен нефтью на 80 % (при этом объем нефти Vнеф = 0,8 · 19 450 = 15 560 м3). Температура нефти равна средней максимальной температуре tн = 22,4 °С, массовая

скорость выгорания нефти mвыг = 0,04 кг/(м2 · с).

В результате разрушения резервуара и разлива нефти возник пожар. Скорость ветра равна 3 м/с.

Рассчитать геометрические параметры пламени пожара разлития и определить безопасное для персонала расстояние с помощью детерминированного и вероятностного методов.

Решение

1. По условию при полном разрушении резервуара нефть полностью заполняет обваловку, имеющую площадь Fобв:

Fобв =l2 =802 =6400 м2.

2. Найдем геометрические размеры пламени пожара разлития, условно принимаемого в виде наклонного цилиндра, предварительно определив диаметр зеркала разлива D, м, плотность паров нефти ρп, кг/м3, и безразмерную скорость ветра Wв.

Диаметр зеркала разлива

D =4 Fробв =43,146400 =90 м, а радиус зеркала разлива

r = 902 =45 м.

Плотность паров нефти ρп определяем по формуле (11.8), принимая молярную массу нефти II группы М = 240 кг/кмоль:

Теперь по формуле (11.6) найдем

49

т.е. высота пламени пожара разлития составит

L =90 0,48 =43 м.

3. По формуле (11.5) определим косинус угла наклона пламени пожара разлития:

cosθ=0,75 1,96-0,49 =0,5393,

т.е. угол наклона факела пожара разлития θ = 57°.

4. Определим безопасное для персонала расстояние с помощью детерминированного метода. Плотность потока теплового излучения пламени пожара разлития, падающего на элементарную площадку, qпад, кВт/м2, найдем по формуле (11.9), предварительно определив угловые коэффициенты излучения j по рис. 11.2 для различных значений расстояния R, м, от центра пламени, приняв для простоты расчета график зависимости, соответствующий отношению L / r = 43/45 ≈ 1, а значение средней по поверхности пламени плотности потока собственного излучения qсоб = 60 кВт/м2 (см. табл. 11.5). Результаты расчетов сведены в табл. 11.6.

Таблица 11.6

Результаты расчета с применением детерминированного метода

Из результатов расчетов следует, что безопасным для персонала будет расстояние от центра пламени 250 м, на котором плотность падающего теплового потока будет меньше 4,0 кВт/м2 (см. табл. 11.2).

5. Определим безопасное для персонала расстояние с помощью вероятностного метода. Вероятность летального пораже-

50