3. Методика определения максимальных размеров взрывоопасных зон при испарении СУГ из проливов

По формуле (4.1) находим G_V:

кг·м^-2·с^-1.

По формуле (4.3) находим G_I:

кг·м^-2·с^-1.

Массовая скорость истечения жидкой фазы равна:

W_I = G_I · F = 6,6 · 10³ · 0,1 = 660 кг · С^-1.

Массовая скорость истечения паровой фазы равна:

W_V = G_V · F= 2,4 · 10³ · 0,1 = 240 кг · С^-1.

 

5. Методика определения размеров взрывоопасных зон при истечении СУГ из трубопровода

Настоящая методика получена на основании обработки экспериментальных данных по размерам взрывоопасных зон и приведена в работе [12].

Горизонтальный размер взрывоопасной зоны по направлению ветра Х_НКПР, образующейся при истечении СУГ из трубопровода, вычисляют по формуле

Х_НКПР = 40 · (G/U)0,5, (5.1)

где G - массовая скорость поступления горючего газа в окружающее пространство, кг · с^-1 (принимается постоянной и вычисляется в соответствии с разделом 4); U - скорость ветра, м · с^-1.

Формула получена по результатам экспериментов и применима при U ³ 1 м · с^-1.

 

Пример. Рассчитать максимальный размер взрывоопасной зоны при истечении жидкого пропана из трубопровода для условий примера раздела 4.

Данные для расчета

Основные данные для расчета указаны в примере раздела 4. Массовая скорость истечения жидкой фазы 660 кг · с^-1 при площади сечения трубопровода 0,1 м², скорость ветра U = 5 м · с^-1.

Расчет

По формуле (5.1) находим Х_НКПР.

м.

 

6. Методика определения параметров ударной волны при сгорании газовоздушных облаков

Настоящая методика приведена в работе [10].

6.1. Величину избыточного давления DР, кПа, развиваемого при сгорании газовоздушных облаков, определяют по формуле

, (6.1)

где P₀ - атмосферное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа); r - расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, м; т_пр - приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле

т_пр = (Q_cг/Q_o) · m · Z, (6.2)

где Q_cг - удельная теплота сгорания газа или пара, Дж·кг^-1 (определяется по справочным данным); Z - коэффициент участия горючего во взрыве, 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.

6.2 Величину импульса волны давления i, Па · с, вычисляют по формуле

. (6.3)

 

Пример. Рассчитать избыточное давление и импульс волны давления при выходе в атмосферу пропана, хранящегося в сферической емкости объемом 600 м³, на расстоянии 500 м от нее.

Данные для расчета

Объем емкости 600 м³. Температура 20 °С. Плотность сжиженного пропана 530 кг · м^-3. Степень заполнения емкости 80 % (по объему). Удельная теплота сгорания пропана 4,6 · 10⁷ Дж · кг^-1. Принимается, что в течение времени, необходимого для выхода сжиженного газа из емкости, весь пропан испаряется.

Расчет

Находим величину т_пр по формуле (6.2):

т_пр = 4,6 · 10⁷/4,52 · 10⁶ · (0,8 · 530 · 600) · 0,1 = 2,59 · 10⁵ кг.

Находим величину избыточного давления DР по формуле (6.1):

DР = 101·[0,8·(2,59·10⁵)^0,33/500 + 3·(2,59·10⁵)^0,66/500² + 5·(2,59·10⁵)/500³] = 16,2 кПа.

Находим импульс волны давления i по формуле (6.3): i = 123·(2,59·10⁵)^0,66/500 = 1 000 Па·с.

 

7. Методика определения интенсивности теплового излучения при пожарах проливов СУГ

Основные положения настоящей методики приведены в работах [10, 13-15].

7.1. Величину интенсивности теплового излучения q, кВт · м^-2, рассчитывают по формуле

q = E_f · F_q · t, (7.1)

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

7.2. Значение E_f принимается на основе экспериментальных данных. При их отсутствии допускается принимать величину E_f равной 100 кВт · м^-2.

7.3. Рассчитывают эффективный диаметр d, м, пролива:

, (7.2)

где F - площадь пролива, м².

Величину F определяют, исходя из топографии местности и наличия обвалования. Допускается определять F из условия, что 1 л жидкости разливается на 0,15 м².

7.4. Вычисляют высоту пламени Н, м:

, (7.3)

где т - удельная массовая скорость выгорания СУГ, кг · м^-2 · с^-1 (допускается при отсутствии экспериментальных данных принимать равной 0,1 кг · м^-2 · с^-1); r_В - плотность окружающего воздуха, кг · м^-3; g = 9,81 м · с^-2 - ускорение свободного падения.

7.5. Определяют угловой коэффициент облученности F_q:

, (7.4)

где

, (7.5)

, (7.6)

, (7.7)

, (7.8)

, (7.9)

, (7.10)

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

7.6. Определяют коэффициент пропускания атмосферы:

. (7.11)

 

Пример. Рассчитать интенсивность теплового излучения от пожара пролива жидкого изопентана площадью 300 м² на расстоянии 40 м от центра пролива.

Данные для расчета

Массовая скорость выгорания m = 0,06 кг · м^-2 · с^-1, g = 9,81 м · c^-2, r_B = 1,2 кг · м^-3, E_f = 100 кВт · м^-2.

Расчет

По формуле (7.2) находим d:

м.

По формуле (7.3) находим Н:

м.

Находим угловой коэффициент облученности F по формулам (7.4) - (7.10):

h = 2 · 26,5/19,5 = 2,72,

S = 2 · 40/19,5 = 4,10,

.

Определяем коэффициент пропускания атмосферы t по формуле (7.11):

.

По формуле (7.1) находим q:

q = 100 · 0,0975 · 0,979 = 9,5 кВт · м^-2.

 

8. Методика определения параметров ударной волны при взрыве резервуара в очаге пожара и теплового излучения при возникновении "огненного шара"

 

Основные зависимости настоящей методики приведены в работах [10, 16].

8.1. Расчет величин избыточного давления в положительной фазе волны и импульса положительной фазы волны.

Параметрами волны давления, образующейся при разрушении резервуара с СУГ в очаге пожара, являются избыточное давление в положительной фазе DР и импульс положительной фазы волны i.

Величины DР, кПа, и i, Па·с, вычисляют по формулам

; (8.1)

; (8.2)

где Р₀ - атмосферное давление. кПа. допускается принимать равным 101 кПа;

r - расстояние до разрушающегося технологического оборудования, м;

т_пр - приведенная масса, кг, вычисляется по формуле

где Е_иэ - энергия, выделяющаяся при изэнтропическом расширении среды, находящейся в резервуаре, Дж; Q₀ -константа, равная 4,52·10⁶ Дж · кг^-1.

Величина Е_иэ определяется по формуле

Е_иэ = т · (U₁ - U₂), (8.3)

где т - масса вещества в резервуаре, кг; U₁, U₂ - удельная внутренняя энергия вещества до и после BLEVE, Дж · кг^-1.

Удельная внутренняя энергия определяется по формуле

U = h - р · v, (8.4)

где h - удельная энтальпия среды, Дж · кг^-1; р - давление среды, Па; v - удельный объем среды, м³ · кг^-1.

Для расчета энергетических параметров U и h будем использовать p-h диаграммы для пропана и н-бутана (рис. 8.1, 8.2). Точка на этой диаграмме, отвечающая начальному состоянию среды непосредственно перед возникновением BLEVE, определяется следующим образом.

Рассчитывается удельный объем среды, находящийся в резервуаре:

v = V/m, (8.5)

где V - объем резервуара, м³.

Задается температура жидкой среды T₁, при которой происходит BLEVE, соответствующая давлению срабатывания предохранительного клапана р₁. С учетом параметров Т₁ и р₁ по рис. 8.1 определяются соответствующие значения удельных объемов жидкой v_f и паровой v_g фаз соответственно.

Точка, отвечающая начальному состоянию среды, лежит внутри полуострова на диаграмме (рис. 8.1).

Степень сухости пара X определяется по формуле

. (8.6)

С помощью диаграммы (рис. 8.1, 8.2) находится параметр h, и по формуле (8.4) вычисляется внутренняя энергия U₁.

Параметры конечного, состояния парогазовой среды определяются в точке пересечения изэнтропы с изобарой р = 0,1 МПа (атмосферное давление). Величина удельного объёма v₂ с учетом полученных параметров v_f, v_g, h₂, x₂ определяется по формуле

V₂ = V_f + X₂· (V_g - V_f).

Внутренняя энергия конечного состояния U₂ определяется по формуле (8.4), энергия, выделяющаяся при изэнтропическом расширении, - по формуле (8.3).

 

Допускается рассчитывать величины DР и i по формулам (6.1) и (6.3), вычисляя т_пр с помощью выражения

m_пр = m · С_эфф (Т_ж - Т_кип) / Q₀, (8.7)

где m - масса СУ Г в резервуаре, кг; С_эфф - эффективная теплоемкость, равная 500 Дж · кг^-1 · К^-1); Т_ж - температура жидкой фазы в момент разрыва резервуара, К; Т_кип - нормальная температура кипения СУГ, К; Q₀ - константа, определенная в разделе 6 и равная 4,52·10⁶ Дж·кг^-1.

Величину Т_ж допускается вычислять, исходя из давления срабатывания предохранительного клапана резервуара р_к, полагая давление насыщенных паров СУГ равным р_к и находя отсюда с использованием справочных данных величину Т_ж.

 

 

Рис. 8.1. Диаграмма энтальпия - давление для пропана

 

 

Рис. 8.2. Диаграмма энтальпия - давление для бутана

 

8.2. Расчет интенсивности теплового излучения и времени существования "огненного шара".

Интенсивность теплового излучения "огненного шара" q, кВт · м^-2, рассчитывается по формуле

q = E_f · F_q · t (8.8)

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

Величину E_f определяют на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать E_f равной 450 кВт · м^-2.

Значение F_q находят по формуле

, (8.9)

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

, (8.10)

где т - 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

. (8.11)

Коэффициент пропускания атмосферы t рассчитывают по формуле

(8.12)

 

Пример 1. Расчет параметров ударной волны при BLEVE.

Данные для расчета

Рассчитать параметры положительной фазы волны давления на расстоянии 750 м от эпицентра аварии, связанной с развитием BLEVE на железнодорожной цистерне вместимостью 50 м³ с 10 т жидкого пропана.

Расчет

Энергия, выделившаяся при расширении среды в резервуаре, определяется по формуле (8.3):

E = m·(U₁ - U₂),

где m = 4 · 10⁴ кг - масса пропана в цистерне; U₁, U₂ -удельная внутренняя энергия вещества до и после BLEVE, Дж · кг^-1.

U = h - P · V,

где h - удельная энтальпия среды, Дж · кг^-1; Р - давление среды, Па; V - удельный объем среды, м³ · кг^-1.

Для расчета параметров U и h воспользуемся Р - h-диаграммами на рисунках 8.1 и 8.2.

Определим удельный объем среды:

V₁ = V/m = 5·10^-3 м³ · кг^-1.

Давление срабатывания клапана 2,0 МПа, что соответствует температуре жидкой фазы 50 °С, при этом удельный объем жидкой и паровой фаз равен:

V_f =2,2 · 10^-3 м³ · кг^-1;

V_g = 2,2 · 10^-2 м³ · кг^-1.

По формуле (8.6) определим степень сухости пара Х₁:

Удельная энтальпия среды до BLEVE равна h₁ = 294 кДж^-1. Тогда

U₁ = h₁ - P₁ · V₁ = 2,94 · 10⁵ - 2 · 10⁶ · 5 · 10^-3 = 284 кДж.

Параметры конечного состояния среды:

h₂ = 84 кДж;

V_f = 1,72 · 10^-3 м³ · кг^-1;

V_g = 0,4 м³ · кг^-1;

Величина удельного объема среды в момент аварии определяется по формуле

V₂ = V_f + X₂ (V_g - V_f) = 0,06 м³ · кг^-1.

Удельная внутренняя энергия вещества в момент BLEVE равна:

U₂ = h₂ - P₂ · V₂ = 84 · 10³ - 1 · 10⁵ · 0,06 = 78 кДж.

Получим величину Е:

Е = 10 · 10³ · (284 - 78) · 10³ = 2,06 · 10⁹ Дж.

Находим приведенную массу т_пр:

т_пр = E/Q₀ = 2,06 · 10⁹ / (4,52 · 10⁶) = 456 кг.

Вычислим величины DР и i по формулам (8.1) и (8.2):

DР = 101·(0,8 · 456^0,33/750 + 3 · 456^0,66/750² + 5 · 456/750³) = 0,86 кПа;

i = 123 · 456^0,66/750 = 9,3 Па · с.

 

Пример 2. Рассчитать параметры ударной волны при взрыве резервуара хранения СУГ под давлением на расстоянии 500 м от резервуара с определением т_пр по формуле (8.7).

Данные для расчета

Сферический резервуар с пропаном объемом 600 м³, оснащенный предохранительным клапаном с давлением срабатывания 2,16 МПа (абс.). Нормальная температура кипения минус 43 °С (230 К). Степень заполнения резервуара a = 0,8 при температуре 20 °С. Плотность пропана при 20 °С составляет 499 кг · м^-3.

Расчет

Определяем массу пропана в резервуаре:

m = rVa = 499 · 600 · 0,8 = 2,4 · 10⁵ кг.

Температуру жидкости Т_ж, соответствующую давлению срабатывания предохранительного клапана r_к = 2,16 МПа, находим по справочнику [1]:

Т_ж = 333/С(60°С).

По формуле (8.7) находим т_пр:

т_пр = 2,4 · 10⁵ · 500 · (333 - 230) / 4,52 · 10⁶ = 2,73 · 10³ кг.

По формулам (6.1) и (6.3) определяем параметры ударной волны Dр и i:

Dр = 101 [0,8 · (2,73 · 10³)^0,33/500 + 3 · (2,73 · 10³)^0,66/500 + 5 (2,73 · 10³)/500³ = 2,51 кПа;

i = 123 · (2,73 · 10³)^0,66/500 = 48,1 Па · c.

 

Пример 3. Определить время существования "огненного шара" и интенсивность теплового излучения от него на расстоянии 500 м при разрыве сферической емкости с пропаном объемом 600 м³ в очаге пожара.

Данные для расчета

Объем сферической емкости 600 м³. Плотность жидкой фазы 530 кг · м^-3. Степень заполнения резервуара жидкой фазы 80 %. Расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром "огненного шара" 500 м.

Расчет

Находим массу горючего m в "огненном шаре":

m = V·r·a = 600 · 530 · 0,8 = 2,54 · 10⁵ кг,

где V - объем резервуара, м³ (V = 600 м³); r - плотность жидкой фазы, кг · м^-3 (r = 530 кг · м^-3); a - степень заполнения резервуара (a = 0,8).

По формуле (8.10) определяем эффективный диаметр "огненного шара" D_s:

D_s = 5,33 · (2,54 · 10⁵)^0,327 = 312 м.

По формуле (8.9), принимая Н = D_s/2 = 156 м, находим угловой коэффициент облученности F_q:

По формуле (8.12) находим коэффициент пропускания атмосферы t:

По формуле (8.8) находим интенсивность излучения q:

q = 450 · 0,037 · 0,77= 12,9 кВт · м^-2.

По формуле (9.11) определяем время существования "огненного шара" t_s:

t_s = 0,92 · (2,54 · 10⁵)^0,303 = 40 с.

 

 

Рис. 9.1. Схема для расчета геометрических параметров

факелов при истечении паровой фазы СУГ

 

9. Методика определения параметров факелов пламени СУГ

Основные положения настоящей методики приведены в работах [12, 17].

9.1. Расчет геометрических параметров факелов при истечении паровой фазы СУГ проводится на основе схемы, показанной на рис. 9.1.

Приведенный метод дает удовлетворительные результаты для угла отклонения факела от вертикали, когда скорость ветра больше 5 м · с^-1.

При меньших значениях скорости ветра этот угол следует считать равным нулю.

9.2. Геометрические параметры газовых факелов в случае истечения паровой фазы СУГ вычисляются по формулам (для скорости ветра не менее 5 м · с^-1):

; (9.1)

; (9.2)

; (9.3)

; (9.4)

; (9.5)

; (9.6)

; (9.7)

где U_a - скорость ветра, м · с^-1; U_j - скорость истечения паровой фазы СУГ, принимаемая равной скорости звука, м · с^-1; d_o - диаметр отверстия истечения, м; r_j - плотность истекающей паровой фазы за срезом сопла (при атмосферном давлении), кг · м^-3, определяемая по формуле

, (9.8)

r_а - плотность воздуха, кг · м^-3; g - показатель адиабаты истекающей паровой фазы (допускается принимать равным 1,2); P₀ - атмосферное давление, Па; q - угол наклона оси факела к вертикали, град; M_j - молярная масса истекающей паровой фазы, кг · кмоль^-1; М_а - молярная масса воздуха, кг · кмоль^-1; L_BV- высота центра верхнего основания факела над горизонтом, м; W₁, W₂ - диаметры нижнего и верхнего оснований факела, м.

9.3. Высота и диаметр факела, образующегося при истечении жидкой фазы СУГ, описываются формулами

, (9.9)

где D₁ - эффективный диаметр отверстия истечения, м;

; (9.10)

; (9.11)

, (9.12)

где r_ж - плотность жидкой фазы, кг · м^-3; G₁ - расход жидкой фазы через отверстие истечения, кг · c^-1; F - площадь отверстия истечения жидкой фазы, м²; L_ф - высота факела, м; g - ускорение свободного падения, м · с^-2; b - диаметр факела, м.

9.4. Тепловое излучение факелов на различных расстояниях от места истечения рассчитывают в соответствии с разделом 7. При этом эффективные высота L_эфф (м) и диаметр d_эфф (м) факела при истечении паровой фазы вычисляются по формулам

; (9.13)

. (9.14)

 

Пример. Рассчитать геометрические параметры факела при истечении паровой и жидкой фазы пропана из резервуара хранения СУГ под давлением.

Данные для расчета

Температура 20 °С. Давление в резервуаре 0,83 · 10⁶ Па, при этом скорость истечения равна скорости звука в газообразном пропане. Диаметр отверстия истечения d₀ = 0,01 м. Скорость ветра U_a = 10 м · с^-1.

Расчет

Находим скорость звука в пропане по формуле (9.7):

где g - показатель адиабаты (g = 1,2); Р₀ - давление (Р₀ = 10⁵ Па); r_j - плотность газообразного пропана при температуре T = 293,15 К и атмосферном давлении;

;

r_В - плотность воздуха при температуре Т₀ = 273,15 К (r_В = 1,29 кг · м^-3); М, М_В - молярные массы пропана и воздуха (М = 44,096 г ·моль^-1, М_В = 29,5 г · моль^-1);

кг · м^-3;

м · с^-1.

Отсюда u_j = V_ЗB = 258 м · с^-1.

Находим параметр R_V по формуле (9.5):

Находим параметр D_s по формуле (9.6):

м.

Находим малый W₁ и большой W₂ диаметры факела по формулам (9.2) и (9.3):

м;

м;

По формуле (9.2) находим высоту факела над срезом отверстия истечения:

м.

По формуле (9.1) находим угол наклона факела к вертикали:

Для определения размеров жидкостного факела воспользуемся величиной G_I из примера раздела 4. При этом G₁/F = 6,6 · 10³ кг · м^-2 · c^-1, r_ж = 499 кг · м^-3.

По формуле (9.12) находим величину u:

u = 6,6 · 103/499 = 13,2 м · с^-1.

По формуле (9.11) находим D₁:

м.

Высоту факела L_ф находим по формуле (9.9):

м.

Диаметр факела b находим по формуле (9.10):

м.

 

 

Литература

 

1. Справочник по сжиженным углеводородным газам .-Л.: Недра, 1986.- 543 с.

2. СНиП 2.04.08-87 Газоснабжение.

3. ВУПП-88 Ведомственные указания по противопожарному проектированию предприятий, зданий и сооружений нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

4. СНиП 2.09.03-85 Сооружения промышленных предприятий.

5. ГОСТ 12.1.011-87 ССБТ Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний.

6. Указания по тушению пожаров на открытых технологических установках по переработке горючих жидкостей и газов. - М.: ГУПО МВД СССР, 1981.

7. Временные рекомендации по тушению пожаров на объектах переработки и хранения сжиженных углеводородных газов с помощью передвижной пожарной техники. -М.: ВНИИПО, 1975.

8. Математическая модель испарения сжиженных углеводородных газов со свободной поверхности / Шебеко Ю.Н., Шевчук А.П., Смолин И.М. и др. // Химическая промышленность. - 1992. - N 7. - С. 404-408.

9. Шебеко Ю.Н., Шевчук А.П., Смолин И.М. Расчет влияния обвалования на растекание горящей жидкости при разрушении резервуара // Химическая промышленность. - 1994. - N 4.

10. НПБ 107-97 Определение категорий наружных установок по пожарной опасности.

11. Sallet D.W. Critical two-phase flow rates of liquefied gases // J. Loss Prevention in the process industries, 1990. -Vol. 3. - N 1. - P. 38-42.

12. Взрывоопасные зоны и горение компактных струй сжиженного газа при аварийном истечении: Экспресс-информ. Сер. 3. Пожарная профилактика в технологических процессах и строительстве. -М.: ВНИИПО, 1975. - Вып. 36.

13. Paul A. Croce and Krishna S. Mudan. Calculating Impacts for Large Open Hydrocarbon Fires // Fire Safety Journal, 11 (1986), 99-112.

14. Krishna S. Mudan. Thermal radiation hazards from hydrocarbon pool fires // Prog. Energy. Combast. Sci. -1984. - Vol.10. - P. 59-80.

15. Теплообмен излучением: Справочник. - M.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

16. Шебеко Ю.Н., Шевчук А.П., Смолин И.М. О возможности предотвращения взрыва резервуара с перегретой жидкостью в очаге пожара путем использования предохранительных устройств//Химическая промышленность - 1994. - N 12.

17. Chamberlain G.A. Developments in design methods for predicting thermal radiation from fiares. // Chem enq Des.- Vol. 65, July 1987.