CC BY
24
УДК 614.841.48
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕМОВ ПРОПАН-БУТАНА ПРИ ЕГО ПОСТУПЛЕНИИ В ЗАКРЫТЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ С ГАЗОБАЛЛОННЫМИ АВТОМОБИЛЯМИ
Г. В. Васюков
подполковник внутренней службы, адъюнкт Академии Государственной противопожарной службы МЧС России
A. Я. Корольченко
доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, директор Института инженерной безопасности в строительстве
B. В. Рубцов
полковник внутренней службы, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, член-корреспондент МАНЭБ, начальник кафедры Академии Государственной противопожарной службы МЧС России
А. С. Стороженко
инженер Научно-производственной фирмы "Инкрам"
Рассмотрено влияние температуры и влажности воздуха на формирование локальных взрывоопасных объемов пропан-бутана, а также на значение коэффициента Z участия данного газа во взрыве. Предложена методика определения коэффициента Z с учетом указанных факторов, а также даны его значения для приближенных расчетов.
Васюков Глеб Викторович
Корольченко Александр Яковлевич
Рубцов Владимир Валентинович
Стороженко Антон Сергеевич
Категория помещений с газобаллонными автомобилями (ГБА) по взрывопожарной и пожарной опасности определяется по методике, изложенной в нормах [1]. Данная методика едина для любых горючих газов (ГГ), в том числе и для пропан-бутана, который используется в большинстве ГБА. Однако она не учитывает некоторые факторы, оказывающие существенное влияние на величину расчетного избыточного давления АР, возникающего при взрыве газовоздушной смеси, сосредоточенной в локальном взрывоопасном объеме (ЛВО), а именно:
• различия физико-химических и пожароопасных свойств ГГ;
• сложный характер распределения ГГ в ЛВО;
• количество ГГ, находящихся при концентрации выше верхнего концентрационного предела распространения пламени (ВКПР). Подробно эти вопросы рассмотрены авторами в
работе [2]. Однако на формирование ЛВО горючих
газов существенное влияние оказывают и другие факторы — температура и влажность воздуха в помещении и способ подачи газа, которые в конечном итоге влияют на величину АР, а значит и на категорию помещения по взрывопожарной и пожарной опасности. Принятая в НПБ [1] методика расчета не учитывает зависимость АР от указанных факторов. В настоящей статье рассмотрено влияние температуры и влажности воздуха на формирование ЛВО пропан-бутана при его поступлении в закрытые помещения.
Для изучения воздействия данных факторов на формирование ЛВО пропан-бутана были проведены экспериментальные исследования его концентраций в помещении объемом 44 м3 и размером 4x5x2,2 м при температурах +8 и +20°С и влажности воздуха 95 и 69% соответственно. Все проемы в помещении были закрыты заслонками, анеплотно-сти заделаны монтажной пеной. Для измерения концентраций пропан-бутана в объеме помещения
Рис. 1. Схема расположения датчиков газоанализатора у поверхности пола
использовалась многоканальная газоаналитическая система СКВА-01 с термокаталитическими датчиками ГР-01 (16 шт.). Данная газоаналитическая система предусматривает обработку сигнала от датчиков и вывод его на компьютер с возможностью записи показаний через любой промежуток времени и одновременным построением графика изменения концентраций на всех датчиках во времени. Абсолютная погрешность измерений СКВА-01 составляет 5%. Датчики в помещении у поверхности пола были расположены на высоте 0,05 м. Они устанавливались на различных уровнях по высоте — 0,15,0,2 и 0,5 м — в зависимости от условий эксперимента. Схема расположения датчиков у поверхности пола представлена на рис. 1.
Система подачи газа состояла из газового баллона объемом 50 л, тарированных ротаметра и расходомера "0а11ш-2000" с пределами измерения расхода газа 0,04-6 м3/ч. Газ подавался вертикально вниз, высота источника поступления — 0,04 м.
Исследования проводились при двух различных условиях: 1) температуре +8°С и влажности 95%; 2) температуре +20°С и влажности 69%. В этих режимах в помещение подавалось строго нормированное количество пропан-бутана: 50,75,100,125 и 150 г. В результате анализа максимальных концентраций на одних и тех же датчиках, образовавшихся при одинаковой массе газа, но разных температуре и влажности воздуха, было установлено, что концентрации в опытах значительно отличаются друг от друга. Это различие во всех точках помещения имеет общую закономерность — концентрации, полученные при температуре +20°С и влажности 69%, в среднем в 1,5 раза меньше концентраций, образующихся при температуре +8°С и влажности 95%. Примеры изменения концентраций при разных температуре и влажности воздуха показаны на рис. 2.
Различие концентраций в одних и тех же точках объема помещения при разных температуре и влаж-
ю
о
я и
я
а р
т н е я н
¡2
а
1
Г ТО
М т ^ V
Л/1 »14 ' С
гч гч гч г^
Время
Ю
о
я и
и р
т н е я н
¡2
б
1
2
J
гч гч гч г^
Время
Рис. 2. Изменение концентрации пропан-бутана во времени на датчиках №2 (а) и №13 (б) (см. рис. 1) при одинаковой массе газа, равной 100 г, но разных условиях: 1 — Т = +8°С, влажность 95%; 2 — Т = +20°С, влажность 69%
ности воздуха позволяет предположить, что и ЛВО, образующиеся в указанных условиях, также будут различные, а значит и масса пропан-бутана, сосредоточенная в этих объемах, будет различна. Поскольку масса газа в ЛВО неодинакова, разным будет и коэффициент Z участия пропан-бутана во взрыве в случае различия температуры и влажности воздуха.
Чтобы проверить данное предположение были использованы принятая в нормах [1] математическая модель для распределения газов в закрытых помещениях, основанная на модели шлейфообраз-ного истечения Гаусса из точечного источника в окружающую среду [3], и полученный массив экспериментальных значений концентраций. Концентрации ГГ в объеме закрытого помещения согласно данной модели можно определить, используя выражение:
С = 100
" 21 |
р гуг 2
К1 ехр < -
-К,\ -
К,1-
н у
ь,
% об.
(1)
где т — масса газа, поступившая в помещение, кг; рг — плотность газа, кг/м3; Уп — объем помещения, м3; К1 К2, К3 - константы;
Ь, 5, Н- длина, ширина и высота помещения соответственно, м.
5
4
3
2
1
0
6
5
4
3
2
0
2
2
Для определения коэффициентов К1, К2, К3 был использован массив экспериментальных значений концентраций пропан-бутана в объеме помещения при различных температуре и влажности воздуха. После применения логарифмирования по основанию е уравнения (1) и дифференцирования полученного выражения по коэффициентам К1, К2, К3 были получены три уравнения.
Для определения коэффициентов К2, К3 необходимо найти величину предэкспоненциального множителя С0 выражения (1):
C 0 = 100
Р гУг
K1.
(2)
Определение С0 производилось эмпирически, на основе положения, что С0 численно равно максимальной концентрации в точке с координатами х = 0, у = 0, 2 = 0. Экспериментальные значения максимальных концентраций пропан-бутана в месте подачи газа при различной массе газа и разных температуре и влажности воздуха представлены в табл. 1.
В результате регрессионного анализа данных,
Таблица 1. Максимальные значения концентраций пропан-бутана в месте подачи газа при различных температуре и влажности воздуха для помещения размером 4x5x2,2 м
Масса Т = +8°С, влажность 95% Т = +20°С, влажность 69%
пропан-бутана, г Концентрация, % об.
50 2,4
75 1,8
100 2,9 2,1
125 2,3
150 3,6
представленных в табл. 1, с использованием программы "Advanced Grapher" были получены уравнения, описывающие изменение концентрации пропан-бутана в месте подачи газа при различных температуре и влажности воздуха с величиной стандартного отклонения, не превышающей 0,021. Данные уравнения для помещения размерами 4x5x2,2 м имеют вид: • при Т = +8°С, влажности 95%:
С = 12m + 1,8; • при Т = +20°С, влажности 69%: С =8m +1,3.
(3)
(4)
Графики прямых, аппроксимирующих экспериментальные значения концентраций в месте выпуска газа, представлены на рис. 3.
ю о
4-
« я
и &
н к aj Я
я &
2 -
1
0
50
200
250
100 150 Масса газа, г
Рис. 3. Графики прямых, аппроксимирующих экспериментальные значения максимальных концентраций в месте подачи пропан-бутана при различных температуре и влажности воздуха
Подставив выражения для С0 и значения К1, К2, К3 для различных температур и влажностей воздуха в формулу (1), получаем уравнения для определения концентраций пропан-бутана в объеме помещения при Т = +8°С и влажности 95%, Т =+20°С и влажности 69%:
C =\l^°m • 10,6 + 1,8 I exp
р гуп
+ 2,1 \ -
C =\p00m . 7 + 1,3 | exp y
S
■3,5 \ — ]2 + 96,7 f± ]2
(5)
(6)
Чтобы определить, насколько точно полученные выражения рассчитывают концентрации пропан-бутана в объеме закрытого помещения при различных температуре и влажности воздуха, можно сравнить схемы помещений, где проводились опыты, с линиями изоконцентраций, полученными экспериментальным путем и рассчитанными по приведенным выше формулам. Для примера на рис. 4-7 представлены указанные схемы, построенные при массе пропан-бутана 0,1 кг.
Выражение для расчета концентраций любых ГГ, на котором основывается методика определения коэффициента 2, принятая в нормах [1], имеет вид:
C = 3,77 • 10
У
Р V
■ exp •
1,1314L
1,1314S
0,0253H
% об.
(7)
Поле концентраций пропан-бутана, которое получится при расчете для рассмотренных выше условий по формуле (7), показано на рис. 8.
5
3
m
2
2
2
Рис. 4. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по экспериментальным данным. Условия проведения эксперимента: масса пропан-бутана — 0,1 кг, подача газа вниз, Т = +8°С, влажность 95%
Рис. 7. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по полученной формуле (6). Масса пропан-бутана — 0,1 кг; подача газа вниз
Рис. 5. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по полученной формуле (5). Масса пропан-бутана — 0,1 кг; подача газа вниз
Рис. 8. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по формуле (7), принятой в нормах [1]. Масса пропан-бутана — 0,1 кг
%
Рис. 6. Схема помещения с линиями изоконцентраций на уровне пола, построенными по экспериментальным данным. Условия проведения эксперимента: масса пропан-бутана — 0,1 кг, подача газа вниз, Т =+20°С, влажность 69%
Из анализа рис. 4 - 8 следует:
• поля концентраций пропан-бутана при его поступлении в помещение размерами 4x5x2,2 м при всех одинаковых условиях, за исключением температуры и влажности воздуха, значительно отличаются друг от друга;
• уточненные формулы (5) и (6) достаточно точно рассчитывают концентрации пропан-бутана в объеме данного помещения при разных значениях температуры и влажности воздуха;
• принятая в НПБ [1] формула (7) имеет значительно большую погрешность по сравнению с уравнениями (5) и (6) при расчете концентраций в объеме рассматриваемого помещения. Оценить количество ГГ, которое будет содержаться в ЛВО при подаче 0,1 кг газа и разных условиях (Т = +8°С и влажность 95%; Т = +20°С и влажность 69%) можно, используя построение в трехмерном пространстве решений выражений (5) и (6).
5 4
z 3 2 1 0
Рис. 9. Максимальные концентрации пропан-бутана на плоскости пола помещения размером 4x5x2,2 м, рассчитанные: а — по формуле (5) при Т = +8°С, влажности 95%; б — по формуле (6) при Т = +20°С, влажности 69%. Масса газа — 0,1 кг; подача газа вниз
Рис. 10. Максимальные концентрации пропан-бутана на плоскости пола помещения размером 4x5x2,2 м, рассчитанные по формуле (7) норм [1] при т = 0,1 кг
Поле концентраций пропан-бутана в системе координат, где оси х, у — ширина и длина помещения соответственно, ось 2 — концентрация в % об., для 0,1 кг газа при разных температуре и влажности воздуха показано на рис. 9.
Для сравнения на рис. 10 приведено поле концентраций пропан-бутана, рассчитанное для т = 0,1 кг по формуле (7), принятой в нормах [1].
Анализ рис. 9 и 10 подтверждает, что количество пропан-бутана, содержащееся в ЛВО, который образуется при условии поступления в помещение 0,1 кг газа при разных температуре и влажности воздуха, будет различным. Результаты вычисления концентраций пропан-бутана в закрытом помещении, полученные по принятой в нормах [1] общей для всех ГГ формуле (7), значительно отличаются от значений, полученных по уравнениям (5) и (6), и от экспериментальных данных в сторону завышения.
Для количественной оценки массы пропан-бутана, содержащейся в ЛВО при разных температуре
1,0
N 0,8-н
1 0,6 я я
¡2
0
о—в—«>
- <s / 3 —в-в-
1 1
0
0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,50 Масса пропан-бутана, кг
Рис. 11. Зависимости коэффициента 2 от массы пропан-бутана для помещения размером 4x5x2,2 м, вычисленные: 1 — по методике [1]; 2 — по формуле (5) при Т = +8°С и влажности 95%; 3 — по формуле (6) при Т = +20°С и влажности 69%
и влажности воздуха, была использована методика интегрирования ЛВО, рассчитанного по полученным формулам (5) и (6). Подробно эта методика рассматривалась авторами в работе [2]. В данной статье будут применены конечные выражения указанной методики.
Выражение для определения коэффициента 2 будет иметь вид:
р C 0 LSH п
Z = -;= X
• 50K 2sJk3
r^e 2 vn
JL__ + __ [ erf(r2) - erf(ri)]
л
(8)
где r1 и r2 — радиусы сфер, ограничивающих СВКПР
и С
НКПР !
r1 = лАп (C0/CВКПР ); r2 = л/1п (C0/CНКПР );
erf(r) — интеграл вероятности ошибки, _2_ " 4П
1
erf(r) = J
dt;
(9) (10)
(11)
Сп
предэкспоненциальныи множитель урав-
нения (1), вычисляемый по формуле (2); К2, К3 - константы уравнения (1). Подставив в выражение (8) значения соответствующих величин С0, К2, К3 из полученных формул (5) и (6), имеем уравнения для расчета коэффициента 2 для различных условий: Т =+8°С и влажность 95%; Т = +20°С и влажность 69%. Зависимости коэффициента 2 от массы пропан-бутана, подаваемой в помещение размером 4x5x2,2 м, где проводились опыты при различных температуре и влажности воздуха, вычисленные с использованием формул (5) и (6), а также по методике, принятой в НПБ [1], показаны на рис. 11.
Значения 2 на рис. 11 получены для помещения малого объема. Экспериментальные исследо-
z
z
вания [4,5], где определялась степень участия ГГ во взрыве при аварийном поступлении в объем помещения, показали, что при одинаковых относительных значениях задаваемых параметров, влияющих на образование ЛВО ГГ, с увеличением объема помещения относительная масса горючего, сосредоточенная в ЛВО, уменьшается. Следовательно, формулы (5) и (6), полученные по результатам обработки экспериментальных данных полей концентраций в помещении объемом 44 м3, с некоторым запасом в сторону увеличения массы пропан-бутана, находящегося в ЛВО, а значит и коэффициента Z, можно применить и для расчета Z в помещениях большего объема.
Зависимости коэффициента Z от массы пропан-бутана для помещения автостоянки с размером этажа 21,6x45x3 м со свободным объемом 2550 м3, вычисленные по предлагаемой методике с использованием формул (5) и (6), показаны на рис. 12.
Из анализа рис. 12 следует, что при разной температуре и влажности воздуха доля участия во взрыве пропан-бутана при одинаковой массе газа, поступившего в помещение, будет различна. Повышение температуры и снижение влажности уменьшают долю участия пропан-бутана во взрыве и наоборот. Это можно объяснить тем, что при более высокой температуре увеличивается активность молекул газа и возрастает молекулярная диффузия, которая способствует более активному перемешиванию газа в объеме помещения. Таким образом, пропан-бутан при более высокой температуре распространяется в большем объеме помещения по отношению к объему, в котором бы он распространился при более низкой температуре при одинаковом количестве газа, поступившего в помещение. Следовательно, газ, занимающий больший объем, будет находиться при более низких концентрациях по отношению к такому же количеству газа, находящемуся в меньшем объеме. Поэтому при более высокой температуре масса газа, находящегося при концентрации между НКПР и ВКПР, будет
1,0 N 0,80,60,40,2-
ЕЕ
и Я Я К
0
0
100
20 30 40 50 60 70 Масса пропан-бутана, кг
Рис. 12. Зависимости коэффициента Z от массы пропан-бутана для помещения автостоянки с размером этажа 21,6x45x3 м, вычисленные по предлагаемой методике: 1 — по формуле (5) при Т = +8°С и влажности 95%; 2 — по формуле (6) при Т = +20°С и влажности 69%
меньше по отношению к массе газа при более низкой температуре.
Необходимо отметить, что коэффициенты К2, К3, выражение для С0, входящие в формулы (5) и (6), получены путем обработки экспериментальных данных концентраций, которые образовывались при подаче пропан-бутана в помещение относительно малого объема (44 м3), где все неплотности были устранены с использованием монтажной пены. Коэффициент негерметичности данного помещения будет отличаться в 3 - 4 раза от коэффициента негерметичности реального производственного помещения, например закрытой автостоянки. Сравнить негерметичность действующего производственного помещения и помещения, где проводились опыты, можно по изменению концентрации пропан-бутана во времени для этих помещений (рис. 13 и 14).
б о
я
и ц
а р
т н
е ц
н
¡2
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
5\
3
2
4 1
6 "»Гл. . . -
Время
Рис. 13. Зависимость изменения концентрации пропан-бутана от времени на датчиках №№1 - 6 (см. рис. 1) на уровне пола в помещении размером 19,5x5,6x3,5 м при подаче 0,7 кг газа: 1 — датчик №1; 2 — датчик №2; 3 — датчик №3; 4 — датчик №4; 5 — датчик №5; 6 — датчик №6
Время
Рис. 14. Зависимость изменения концентрации пропан-бутана от времени на датчике №2 на уровне пола в помещении, где проводились опыты при массе газа: 1 — 50 г; 2 — 100 г; 3 —150 г
0
1
Из анализа рис. 13-14 следует, что в производственном помещении объемом 350 м3 при подаче в него 0,7 кг пропан-бутана концентрация газа в течение 6 мин снизилась до 0,05% об., а в помещении, где проводился эксперимент, при подаче в него 0,1 кг пропан-бутана концентрация в течение более 27 мин оставалась взрывоопасной.
Таким образом, значения коэффициента 2, полученные с использованием формул (5) и (6), в реальных производственных помещениях будут иметь значительно меньшие значения.
Выводы
1. Расчет коэффициента 2 для пропан-бутана целесообразно проводить с учетом температуры и влажности воздуха.
2. Для приближенных расчетов с учетом коэффициента безопасности Кб = 1,5 принимать значение 2 для пропан-бутана при температуре воздуха в помещении до +20°С и влажности до 70% равным 0,4. При температуре выше +20°С и влажности ниже 70% принимать 2 =0,3.
3. Для более точных расчетов коэффициента 2 для пропан-бутана в закрытых помещениях целесообразно использовать предлагаемую методику с применением интегрирования ЛВО и формулу (5) для температуры воздуха до +20°С и влажности до 70%, а также формулу (6) — для температуры выше +20°С и влажности ниже 70%.
4. В качестве компенсирующего мероприятия, снижающего возможность образования ЛВО пропан-бутана в помещениях с ГБА, целесообразно применять повышение температуры воздуха в помещении.
ЛИТЕРАТУРА
1. НПБ 105-03. Определение категорий зданий, помещений и наружных установок по взрыво-пожарной и пожарной опасности.
2. Васюков Г. В., Корольченко А. Я., Рубцов В. В. О теории образования локальных взрывоопасных объемов пропан-бутана при его поступлении в помещения с газобаллонными автомобилями // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 4. — С. 23 - 29.
3. Смолин И. М. Закономерности формирования локальных скоплений горючих газов и паров при их аварийном поступлении в производственные помещения //Дис.... канд. техн. наук. — М., 1986. — 222 с.
4. Рабинков В. А. Условия образования взрывоопасных газовоздушных смесей в производственных помещениях промышленных зданий //Дис.... канд. техн. наук. — М., 1982. — 260 с.
5. Стрельчук Н. А., Пчелинцев В. А., Никитин А. Г. Взрывоопасность производств химической промышленности, связанных с образованием горючих газов //Ж. Всес. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. — 1982. — Т. 27, № 1. — С. 57 - 60.
Поступила в редакцию 11.08.05.
