Определение уровня взрывоопасности технологических объектов (аппаратурно-технологических блоков), использующих газообразный водород

Свойства водорода Н₂: горючий газ; мол. масса  2,016; температура кипения  минус 252,8°С. Плотность по воздуху  0,0695. Теплота сгорания  241,6 кДж/моль. Температура самовоспламенения  510°С. Пределы распространения пламени в воздухе 4,1275% об. (4,196% об. в кислороде). Максимальное давление взрыва  730 кПа.

Для определения уровня взрывоопасности технологических объектов⁷ (аппаратурно-технологических блоков  АТБ), использующих газообразный водород, необходимо рассчитать их общий энергетический потенциал Е (кДж):

Е = Е₁^ + Е₂^ (3.1)

где Е₁^  сумма энергий адиабатического расширения и сгорания газовой фазы (ГФ), находящейся непосредственно в аварийном блоке, кДж;

Е₂^  энергия сгорания ГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов и/или АТБ, кДж.

Сумма энергий адиабатического расширения и сгорания ГФ Е₁^ (кДж) определяется по формуле:

Е₁^ = А + G₁^q^ (3.2)

где А – энергия сжатой ГФ, содержащейся непосредственно в АТБ и поступающей от смежных блоков, рассматриваемая как работа ее адиабатического расширения при аварийной разгерметизации блока (АРБ), кДж;

G₁^  масса ГФ, непосредственно находящаяся в АТБ и поступающая в него при АРБ от смежных объектов, кг;

q^  удельная теплота сгорания ГФ, кДж/кг.

Для ее определения энергии сжатой ГФ А (кДж) используют формулу:

А = ₁ Р_абс V (3.3)

где Р_абс – абсолютное давление в АТБ, МПа;

V  геометрический объем ГФ в системе (АТБ), м³;

₁ – безразмерный коэффициент, учитывающий давление и показатель адиабаты (k) ГФ блока; принимается по табл.3.1.

Таблица 3.1.

Величины коэффициента ₁

в зависимости от показателя адиабаты и давления в системе

Показатель адиабаты k	Коэффициент 1 при давлении в системе, МПа
	0,07-0,5	0,5- 1,0	1,0- 5,0	5,0-10,0	10,0-20,0	20,0-30,0	30,0-40,0	40,0-50,0	50,0-75,0	75,0-100,0
1,1	1,60	1,95	2,95	3,38	3,80	4,02	4,16	4,28	4,46	4,63
1,2	1,40	1,53	2,13	2,68	2,94	3,07	3,16	3,23	3,36	3,42
1,3	1,21	1,42	1,97	2,18	2,36	2,44	2,51	2,54	2,62	2,63
1,4	1,08	1,24	1,68	1,83	1,95	2,00	2,08	2,08	2,12	2,13

При значениях Р < 0,07 МПа и РV < 0,02 МПа_*м³ энергия адиабатического расширения А ввиду малых ее значений в расчет не принимается (Р  регламентное давление в АТБ).

Масса ГФ G₁^ (кг) определяется по формуле:

G₁^ = V_o^ ^ (3.4)

V_o^ = Р_абс V^ Т_о / Р_о Т (3.5)

где V_o^  объем ГФ, приведенный к нормальным условиям (Т_о = 293 К, Р_о = 0,1 МПа), м³;

^плотность ГФ при нормальных условиях в среднем по АТБ и по i-ым поступающим в него при АРБ потокам, кг/м³;

Т, Т_о  абсолютная температура регламентная и нормальная, К.

Энергия сгорания ГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов и АТБ Е₂^ (кДж) рассчитывается по формуле:

_n

Е₂^ =  G_i^ q^ (3.6)

ⁱ⁼¹

G_i^ = w_i^ s_i^ _i^ _i^ (3.7)

w_i^ = {[2k/(k–1)]Р_{абс i}V_i^[1–(Р_о/Р_{абс i})^{(k–1) / k}]}^1/2 (3.8)

где G_i^  масса ГФ i-го потока, кг;

s_i^  площадь сечения, через которое возможно истечение ГФ при АРБ, м²;

_i^  плотность ГФ i-го потока при АРБ, кг/м³;

_i^  время с момента АРБ до полного срабатывания отключающий аварийный блок арматуры, с;

w_i^  скорость истечения ГФ в рассматриваемый блок из смежных блоков, м/с.

Для практического применения при определении скорости адиабатического истечения ГФ w_i^ (м/с) можно использовать формулу:

w_i^ = (2 ₂ Р_{абс i} v_i)^1/2 (3.9)

где v_i  удельный объем в реальных условиях, м³/кг;

₂ – безразмерный коэффициент, учитывающий давление и показатель адиабаты ГФ блока, принимается по табл.3.2.

Таблица 3.2.

Величины коэффициента ₂

в зависимости от показателя адиабаты и давления в системе

Показатель адиабаты k	Коэффициент 2 при давлении в системе, МПа
	0,07-0,5	0,5- 1,0	1,0- 5,0	5,0-10,0	10,0-20,0	20,0-30,0	30,0-40,0	40,0-50,0	50,0-75,0	75,0-100,0
1,1	1,76	2,14	3,25	3,72	4,16	4,42	4,56	4,71	4,91	5,10
1,2	1,68	1,84	2,54	3,21	3,52	3,68	3,79	3,98	4,02	4,10
1,3	1,57	1,85	2,36	2,83	3,07	3,16	3,25	3,30	3,40	3,46
1,4	1,515	1,74	2,35	2,56	2,74	2,81	2,87	2,91	2,97	3,02

Примечание: Для водорода k можно принять равным 1,4.

Зная общий энергетический потенциал Е технологического объекта или АТБ, использующего газообразный водород, можно рассчитать избыточное давление взрыва ΔР (кПа) по формуле:

ΔР = Е Р₀ Z / V_св _в C_р T₀ К_н (3.10)

где Е  общий энергетический потенциал, кДж; Р₀  начальное давление в рассматриваемой системе, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); Z  коэффициент участия горючего во взрыве, для водорода принимается равным 1; V_св  свободный объем помещения, определяемый как разность между геометрическим объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием, м³; если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения; _в  плотность воздуха до взрыва при начальной температуре Т₀, кг/м³; С_р  теплоемкость воздуха, кДж/(кг К ); допускается принимать равной 1,017 кДж/кг К; Т₀  начальная температура воздуха до взрыва, К; К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения; допускается принимать равным 3.

Величина избыточного давления взрыва ΔР используется при категорировании помещений по взрывопожароопасности в соответствии с НПБ 105-03.

По величине Е можно рассчитать производные величины – относительный энергетический потенциал Q_в взрывоопасности АТБ и массу горючей парогазовой среды m (кг), приведенную к единой удельной энергии сгорания:

Q_в = Е^1/3 / 16,534 (3.11)

m = Е / 4,6_*10⁴ (3.12)

где 4,6_*10⁴ – единая удельная энергия сгорания, кДж/кг.

По значению величин Q_в и m определяется категория взрывоопасности объектов, установок, аппаратурно-технологических блоков в соответствии с табл.3.3.

Таблица 3.3.

Зависимость взрывоопасности объектов от величины относительного энергетического потенциала и приведенной массы парогазовой среды

Категория взрывоопасности объектов	Относительный энергетический потенциал Qв	Приведенная масса парогазовой среды m, кг
I	Qв > 37	m > 5000
II	27 ≤ Qв ≤ 37	2000 ≤ m ≤. 5000
III	Qв < 27	0 ≤ m < 2000

Определив категорию взрывоопасности, можно рекомендовать соответствующие защитные устройства.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.