6. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ НАРУЖНИХ УСТАНОВОК

Выбор и обоснование расчетного варианта

36. 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 Q_w и расчетного избыточного давления Р при сгорании газопаровоздушных смесей в случае реализации указанного варианта максимально, то есть:

G=Q_w * P=max. (26)

Расчет величины G производится следующим образом:

а) рассматриваются различные варианты аварии и определяются из статистических данных или на основе годовой частоты аварий со сгоранием газопаровоздушных смесей Q_wi для этих вариантов;

б) для каждого из рассматриваемых вариантов определяются по изложенной ниже методике значения расчетного избыточного давления P_i;

в) вычисляются величины G_i=Q_wi * P_i для каждого из рассматриваемых вариантов аварии, среди которых выбирается вариант с наибольшим значением G_i;

г) в качестве расчетного для определения критериев пожарной опасности принимается вариант, в котором величина G_i максимальна. При этом количество горючих газов и паров, вышедших в атмосферу, рассчитывается, исходя из рассматриваемого сценария аварии с учетом пунктов 38-43.

37. 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. В этом случае количество газов и паров, вышедших в атмосферу, рассчитывается в соответствии с пунктами 38-43.

38. Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие газовоздушные или паровоздушные смеси, определяется, исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного из аппаратов согласно п. 36 или п. 37 (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.

39. Масса газа m, кг, поступившего в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле

m =(V_a +V_т)*p_г, (27)

где V_a - объем газа, вышедшего из аппарата, м³; V_т - объем газа вышедшего из трубопровода, м³; pг - плотность газа, кг*м^-3.

При этом

V_a=0,01*Р₁*V, (28)

где Р₁ - давление в аппарате, кПа; V -объем аппарата, м³;

V_т=V_1т+V_2т, (29)

где V_1т - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³;

V_2т - объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³;

V_1т = q*Т, (30)

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, определяемое по п. 38, с;

(31)

где Р₂ - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r - внутренний радиус трубопроводов, м; L - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

40. 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=m_р+m_емк+m_св.окр+m_пер, (32)

где m_р - масса жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг; m_емк - масса жидкости, испарившейся с поверхностей открытых емкостей, кг; m_св.окр - масса жидкости, испарившейся с поверхностей, на которые нанесен применяемый состав,кг; m_пер - масса жидкости, испарившейся в окружающее пространство в случае ее перегрева, кг.

При этом каждое из слагаемых (m_р, m_емк, m_св.окp) в формуле (32) определяют из выражения

m=W*F_и*Т, (33)

где W - интенсивность испарения, кг*с^-1*м^-2; F_и - площадь испарения, м², определяемая в соответствии с п. 38 в зависимости от массы жидкости m_п, вышедшей в окружающее пространство; Т- продолжительность поступления паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в окружающее пространство согласно п.38, с.

Величину m_пер определяют по формуле (при Т_а> Т_кип)

(34)

где m_п - масса вышедшей перегретой жидкости, кг; С_р -удельная теплоемкость жидкости при температуре перегрева жидкости Т_а, Дж*кг^-1*К^-1; Т_а - температура перегретой жидкости в соответствии с технологическим регламентом в технологическом аппарате или оборудовании, К; Т_кип - нормальная температура кипения жидкости, К; L_исп - удельная теплота испарения жидкости при температуре перегрева жидкости Т_а, Дж *кг^-1.

Если аварийная ситуация связана с возможным поступлением жидкости в распыленном состоянии, то она должна быть учтена в формуле (32) введением дополнительного слагаемого, учитывающего общую массу поступившей жидкости от распыляющих устройств, исходя из продолжительности их работы.

41. Масса m_п вышедшей жидкости, кг, определяется в соответствии с п. 38.

42. Интенсивность испарения W определяется по справочным и экспериментальным данным. Для ненагретых ЛВЖ при отсутствии данных допускается рассчитывать W по формуле

(35)

где М -молярная масса, г*моль^-1; Р_н- давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, определяемое по справочным данным в соответствии с требованиями п. 3, кПа.

43. Для сжиженных углеводородных газов (СУГ) при отсутствии данных допускается рассчитывать удельную массу испарившегося СУГ m_суг из пролива, кг*м^-2, по формуле

(36)

где М - молярная масса СУГ, кг*моль^-1; L_исп - мольная теплота испарения СУГ при начальной температуре СУГ Т_ж, Дж*моль^-1; Т_о - начальная температура материала, на поверхность которого разливается СУГ, К; Т_ж - начальная температура СУГ, К; _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; С_тв - теплоемкость материала, на поверхность которого разливается СУГ, Дж*кг^-1*К^-1; р_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; v_в -кинематическая вязкость воздуха, м²*с^-1; _в - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт*м^-1*К^-1.

Формула 38 справедлива для СУГ с температурой Т_ж<Т_кип. При температуре СУГ Т_ж > Т_кип/ дополнительно рассчитывается масса перегретых СУГ m_пер по формуле 34.

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
44. Горизонтальные размеры зоны, м, ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени (С_нкпр), вычисляют по формулам:

-для горючих газов (ГГ):

(37)

- для паров ненагретых легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ):

, (38)

,

где m_г - масса поступивших в открытое пространство ГГ при аварийной ситуации, кг; р_г - плотность ГГ при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг*м^-3; m_п - масса паров ЛВЖ, поступивших в открытое пространство за время полного испарения, но не более 3600 с, кг; р_п - плотность паров ЛВЖ при расчетной температуре и атмосферном давлении, кг*м^-3; Р_н - давление насыщенных паров ЛВЖ при расчетной температуре, кПа; К - коэффициент, принимаемый равным К=Т/3600 для ЛВЖ; Т- продолжительность поступления паров ЛВЖ в открытое пространство, с; С_нкпр - нижний концентрационный предел распространения пламени ГГ или паров ЛВЖ, % (об.); M - молярная масса, кг*кмоль^-1; V₀ - мольный объем, равный 22,413 м³*кмоль^-1; t_р - расчетная температура, ^oС. В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в соответствующей климатической зоне или максимальную возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры t_р по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61 ^oС.

45. За начало отсчета горизонтального размера зоны принимают внешние габаритные размеры аппаратов, установок, трубопроводов и т.п. Во всех случаях значение R_нкпр должно быть не менее 0,3 м для ГГ и ЛВЖ.

Расчет избыточного давления и импульса волны давления при сгорании смесей горючих газов и паров с воздухом в открытом пространстве
46. Исходя из рассматриваемого сценария аварии, определяется масса m, кг, горючих газов и (или) паров, вышедших в атмосферу из технологического аппарата в соответствии с пунктами 38-43.

47. Величину избыточного давления Р, кПа, развиваемого при сгорании газопаровоздушных смесей, определяют по формуле

, (39)

где Р₀ - атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); r- расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, м; m_пр -приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле

m_пр=(Q_сг/Q₀)*m*Z, (40)

где Q_сг - удельная теплота сгорания газа или пара, Дж*кг^-1; Z- коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который допускается принимать равным 0,1; Q₀ - константа, равная 4,52*106 Дж*кг^-1; m - масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг.

48. Величину импульса волны давления i, Па*с, вычисляют по формуле

i =123*m_пр^0,66/r. (41)

МЕТОД РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ГОРЮЧИХ ПЫЛЕЙ
49. В качестве расчетного варианта аварии для определения критериев пожарной опасности для горючих пылей следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в горении пылевоздушной смеси участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий такого горения.

50. Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие пылевоздушные смеси, определяется, исходя из предпосылки о том, что в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в окружающее пространство находившейся в аппарате пыли.

51. Расчетная масса пыли, поступившей в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле

М=М_вз +М_ав, (42)

где М - расчетная масса поступившей в окружающее пространство горючей пыли, кг, М_вз - расчетная масса взвихрившейся пыли, кг; Мав - расчетная масса пыли, поступившей в результате аварийной ситуации, кг.

52. Величина М_вз определяется по формуле

М_вз=К_г *К_вз*М_п, (43)

где К_г - доля горючей пыли в общей массе отложений пыли; К_вз - доля отложенной вблизи аппарата пыли, способной перейти во взвешенное состояние в результате аварийной ситуации. В отсутствие экспериментальных данных о величине К_вз допускается принимать К_вз = 0,9; М_п - масса отложившейся вблизи аппарата пыли к моменту аварии, кг.

53. Величина М_ав определяется по формуле

М_ав=(М_ап +q*Т)*К_п, (44)

где М_ап - масса горючей пыли, выбрасываемой в окружающее пространство при разгерметизации технологического аппарата, кг; при отсутствии ограничивающих выброс пыли инженерных устройств следует полагать, что в момент расчетной аварии происходит аварийный выброс в окружающее пространство всей находившейся в аппарате пыли; q- производительность, с которой продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг*с^-1; Т -расчетное время отключения, с, определяемое в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки. Следует принимать равным времени срабатывания системы автоматики, если вероятность ее отказа 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; К_п - коэффициент пыления, представляющий отношение массы взвешенной в воздухе пыли ко всей массе пыли, поступившей из аппарата. В отсутствие экспериментальных данных о величине К_п допускается принимать: 0,5 - для пылей с дисперсностью не менее 350 мкм; 1,0 - для пылей с дисперсностью менее 350 мкм.

54. Избыточное давление Р для горючих пылей рассчитывается следующим образом:

а) определяют приведенную массу горючей пыли m_пр, кг, по формуле

m_пр=M*Z*H_т/H_то, (45)

где M - масса горючей пыли, поступившей в результате аварии в окружающее пространство, кг; Z- коэффициент участия пыли в горении, значение которого допускается принимать равным 0,1. В отдельных обоснованных случаях величина Z может быть снижена, но не менее чем до 0,02; H_т - теплота сгорания пыли, Дж*кг^-1; H_то - константа, принимаемая равной 4,6*106Дж*кг^-1;

б) вычисляют расчетное избыточное давление Р, кПа, по формуле

Р=Р₀*(0,8m_пр^0,33/r+3m_пр^0,66/r²+5m_пр/r³), (46)

где r - расстояние от центра пылевоздушного облака, м. Допускается отсчитывать величину r от геометрического центра технологической установки; Р₀ - атмосферное давление, кПа.

55. Величину импульса волны давления i, Па*с, вычисляют по формуле

i=123m_пр^0,66/r. (47)

МЕТОД РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
56. Интенсивность теплового излучения рассчитывают для двух случаев пожара (или для того из них, который может быть реализован в данной технологической установке):

- пожар проливов ЛВЖ, ГЖ или горение твердых горючих материалов (включая горение пыли);

- "огненный шар" - крупномасштабное диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара.

Если возможна реализация обоих случаев, то при оценке значений критерия пожарной опасности учитывается наибольшая из двух величин интенсивности теплового излучения.

57. Интенсивность теплового излучения q, кВт*м^-2, для пожара пролива жидкости или при горении твердых материалов вычисляют по формуле

q=Е_f F_q*, (48)

где Е_f - среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени, кВт*м^-2; F_q- угловой коэффициент облученности; - коэффициент пропускания атмосферы.

Значение Е_f принимается на основе имеющихся экспериментальных данных. Для некоторых жидких углеводородных топлив указанные данные приведены в табл. 8.

При отсутствии данных допускается принимать величину Е_f равной: 100кВт*м^-2 для СУГ, 40 кВт*м^-2 для нефтепродуктов, 40 кВт*м^-2 для твердых материалов.

Таблица 8

Среднеповерхностная плотность теплового излучения пламени в зависимости от диаметра очага и удельная массовая скорость выгорания для некоторых жидких углеводородных топлив

_________
Примечание. Для диаметров очагов менее 10 м или более 50 м следует принимать величину Е_f такой же, как и для очагов диаметром 10 м и 50 м соответственно

Рассчитывают эффективный диаметр пролива d, м, по формуле

(49)

где F площадь пролива, м².

Вычисляют высоту пламени Н, м, по формуле

, (50)

где М - удельная массовая скорость выгорания топлива, кг*м^-2*с^-1; р_В - плотность окружающего воздуха, кг*м^-3; g = 9,81 м*с^-2 - ускорение свободного падения.

Определяют угловой коэффициент облученности F_q по формулам:

, (51)

где F_v, F_н - факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, определяемые с помощью выражений:

, (52)

, (53)

А=(h²+S²+1)/(2*S); (54)

B=(1+S²)/(2*S); (55)

S=2r/d; (56)

h=2H/d, (57)

где r - расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта, м.

Определяют коэффициент пропускания атмосферы по формуле

=ехр[-7,0*10-4*(r-0,5d)] (58)

58. Интенсивность теплового излучения q, кВт*м^-2, для "огненного шара" вычисляют по формуле (48).

Величину Е_f определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать Е_f равным 450 кВт*м^-2.

Значение F_q вычисляют по формуле

, (59)

где Н - высота центра "огненного шара", м; D_s - эффективный диаметр "огненного шара", м; r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром "огненного шара", м.

Эффективный диаметр "огненного шара" D_s определяют по формуле

D_s=5,33m^0,327, (60)

где m - масса горючего вещества, кг.

Величину Н определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать величину Н равной D_s/2.

Время существования "огненного шара" t_s, с, определяют по формуле

t_s=0,92m^0,303 (61)

Коэффициент пропускания атмосферы t рассчитывают по формуле

, (62)