Расчет избыточного давления, температуры и состава продуктов сгорания при горении газовоздушной смеси, возникающем при аварийной разгерметизации трубопровода в производственном помещении.

Содержание

1 Краткая теория. 3

2 Расчет избыточного давления, температуры и состава продуктов сгорания при горении газовоздушной смеси, возникающем при аварийной разгерметизации трубопровода в производственном помещении. 6

2.1 Задание на расчетно-графическую работу. 6

3 Ход решения. 7

4 Исходные данные. 8

5 Вычисления. 8

Выводы.. 14

Краткая теория

При расчете значений критериев пожарной опасности при сгорании газопаровоздушных смесей в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант развития пожара (в период пуска, остановки, загрузки, выгрузки, складирования, ремонта, аварии аппаратов или технологического процесса), при котором в помещение поступает (или постоянно находится) максимальное количество наиболее опасных в отношении последствий сгорания газопаровоздушных смесей и пожара веществ и материалов.

Количество поступивших в помещение веществ, которые могут образовать горючие газовоздушные или паровоздушные смеси, определяют, исходя из следующих предпосылок:

– происходит расчетная авария одного из аппаратов;

– все содержимое аппарата поступает в помещение;

– происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих аппарат по прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов.

Расчетное время отключения трубопроводов определяют в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки, и оно должно быть минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства, характера технологического процесса и вида расчетной аварии.

Быстродействующие клапаны-отсекатели должны автоматически перекрывать подачу газа или жидкости. При нарушении электроснабжения:

– происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости;

– происходит также испарение жидкостей из емкостей, эксплуатируемых с открытым зеркалом жидкости, и со свежеокрашенных поверхностей;

– длительность испарения жидкости принимают, равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.

Свободный объем помещения определяют как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. Если свободный объем помещения определить невозможно, то его допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения.

Определение пожароопасных свойств веществ и материалов проводят на основании результатов испытаний или расчетов по стандартным методикам с учетом параметров состояния (давление, температура и т.д.). Допускается использование справочных данных, опубликованных головными научно-исследовательскими организациями в области пожарной безопасности или выданных Государственной службой стандартных справочных данных.

Допускается использование показателей пожарной опасности для смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту.

Расчет избыточного давления для горючих газов, паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей.

Избыточное давление Dp, кПа, для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов С, N, O, Cl, Br, I, F, рассчитывают по формуле:

где p – максимальное давление, развиваемое при сгорании стехиометриче­ской газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, опреде­ляемое экспериментально или по справочным данным. При отсутствии дан­ных допускается принимать p , равным 900 кПа.

p – начальное давление, кПа (допускается принимать равный 101,325 кПа).

m – масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в по­мещение.

Z – коэффициент участия горючего при сгорании газопаровоздушной смеси, который допускается принимать Z по таблице.

V_св – свободный объем помещения, м³

ρ_в – плотность воздуха, ρ_в = 1,293 кг/м³;

ρ_m – плотность горючего газа (для 1,25 кг/м³);

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиаба­тичность процесса горения. Допускается принимать К_н = 3.

В качестве расчетной температуры следует принимать максимально воз­можную температуру воздуха в помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможную температуру воздуха по технологическому регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры определить не удается, допускается принимать ее равной 61 градусу по Цельсию.

Расчет избыточного давления, температуры и состава продуктов сгорания при горении газовоздушной смеси, возникающем при аварийной разгерметизации трубопровода в производственном помещении.

Задание на расчетно-графическую работу

Через помещение, свободный объем которого V_св = 85 м³ проходит тру­бопровод с проходным сечением диаметром d_тр = 100 мм, по которому транс­портируется газ с расходом q = 0,1¸0,2 м³/с при нормальных условиях и с максимальным давлением P_m = 125 кПа. Трубопровод оснащен системой ав­томатического отключения со временем срабатывания t = 50 сек и с обеспече­нием резервирования ее элементов. Длина отсекаемого участка трубопровода L_тр = 10 м.

Максимально возможная температура для данной климатической зоны t_p = 61°C.

Рассчитать избыточное давление, температуру и состав продуктов сго­рания при горении газовоздушной смеси, возникающем при аварийной раз­герметизации трубопровода в производственном помещении.

Произвести оценку возможной степени поражения здания при необхо­димости обозначить меры по повышению безопасности сооружения.

Ход решения

3.1 Теоретический объем сухого воздуха (м³/м³) необходимый для полного сгорания сухого газообразного топлива:

V⁰=0,0478[0,5(CO+H₂)+1,5H₂S+2CH₂+S(m+n/4)C_mH_n-O₂]

3.2 Объем газа поступившего в помещение в результате аварийной ситуации:

V_m=V_1m+V_2m

V_1m=qt

V_2m=pr L

3.3 Коэффициент избытка воздуха образовавшейся в помещении газовоздуш­ной смеси:

a=V r /( V_mr_mL₀)

3.4 Объемная концентрация газа в помещении:

С=

3.5 Объем газа в помещении при коэффициенте избытка воздуха равном 1:

V =

3.6 Стехиометрическая концентрация газа:

С =

3.7 Масса газа поступившая в помещение при a=1:

m =V r

3.8 Избыточное давление в помещении:

Исходные данные

Тип газа: CH₄

Время срабатывания системы автоматики t = 50 с

Свободный объем помещения V_св = 85 м³

Энтальпия S = -74,95 кДж/кмоль

Максимальное давление в трубопроводе P_m = 125 кПа

Вычисления

5.1 Теоретический объем сухого воздуха (м³/м³) необходимый для полного сгорания единицы сухого газообразного топлива:

V⁰ = 0,0478×[0,5×(0+0)+1,5×0+2×0+å(1+4/4)×100 – 0] = 9,56 м³/м³

5.2 Объем газа поступившего в помещение в результате аварийной ситуации:

При q = 0,1 м³/с

V_1m = 0,1×50 = 5,0 м³

V_2m = 3,14×0,05²×10 = 0,0785 м³

V_m = 5+0,0785 = 5,0785 м³

При q = 0,2 м³/с

V_1m = 0,2×50 = 10 м³

V_2m = 3,14×0,05²×10 = 0,0785 м³

V_m = 10+0,0785 = 10,0785 м³

5.3 Стехиометрический коэффициент метана

Для расчета стехиометрического коэффициента, запишем реакцию горения метана:

CН₄+2O₂ ® СО₂ +2Н₂О

M(CН₄) = 12+4 = 16 г/моль

M(2O₂) = 16×2×2 = 64 г/моль

Таким образом, для сжигания 16 кг метана требуется 64 кг кислорода, а для сжигания 1 кг метана 4 кг кислорода соответственно. Так как кислород составляет 23,2% воздуха, можно рассчитать стехиометрический коэффициент для СН₄:

L₀ = 4×100/23,2 = 17,24 кг/кг

5.4 Коэффициент избытка воздуха образовавшейся в помещении газовоз­душной смеси

При q = 0,1 м³/с

a = 85×1,293/(5,0785×0,717×17,241) = 1,75

При q = 0,2 м³/с

a = 85×1,293/(10,0785×0,717×17,241) = 0,882

5.5 Объемная концентрация газа в помещении:

При q = 0,1 м³/с

С₁ = (5,0785/(5,0785+85))×100% = 5,634% об.

При q = 0,2 м³/с

С₂ = (10,0785/(10,0785+85))×100% = 10,61% об.

5.6 Сравнив данные, рассчитанные в пункте 5.5, с таблицей 1, в которой приведены объемные концентрационные пределы воспламенения и плотность горючих газов, можно сделать вывод о том, что полученные данные (5,634-10,61%) входят в диапазон объемных концентрационных пределов воспламенения (5,3–13,9%), следовательно, данная газовоздушная смесь при данных условиях воспламеняется.

Таблица 1 – Объемные концентрационные пределы воспламенения и плотность горючих газов

5.7 При помощи программы АСТРА выполнен расчет температуры горе­ния и концентрации образовавшихся продуктов сгорания для диапазона из­менения коэффициента избытка воздуха a = 0,8¸1,8 с шагом 0,1. Результаты расчета зависимостей температуры горения, концентраций углекислого газа, воды и удельной теплоемкости от ко­эффициента избытка воздуха приведены в таблице 2. Графики зависимостей температуры горения, удельной теплоемкости, концентраций O₂ и Н₂О от ко­эффициента избытка воздуха представлены на рисунках 1 – 4 соответственно.

Таблица 2 – Результаты расчета зависимостей температуры горения, концентраций кислорода, воды и удельной теплоемкости от коэффициента избытка воздуха

α	T, К	Cр, кДж/(кг×К)	C , моль/кг	C , моль/кг
0,8	2839,6	1,78	0,41	10,93
0,9	2838,1	1,73	0,84	10,36
1,0	2817,1	1,69	1,33	9,77
1,1	2786,0	1,65	1,87	9,20
1,2	2749,1	1,62	2,40	8,68
1,3	2708,4	1,59	2,92	8,21
1,4	2665,0	1,57	3,42	7,79
1,5	2619,7	1,55	7,40	3,89
1,6	2572,8	1,53	7,05	4,34
1,7	2524,8	1,50	4,76	6,74
1,8	2475,9	1,49	5,16	6,44

Рисунок 1 – График изменения температуры горения с увеличением коэффициента избытка воздуха

Рисунок 2 – График изменения удельной теплоемкости при постоянном давлении с увеличением коэффициента избытка воздуха

Рисунок 3 – График изменения концентрации кислорода с увеличением коэффициента избытка воздуха

Рисунок 4 – График изменения содержания водяного пара с увеличением коэффициента избытка воздуха

5.8 Объем газа в помещении при коэффициенте избытка воздуха равном 1:

V = 85×1,293/(0,717×17,241) = 8,89 м³

5.9 Стехиометрическая концентрация газа:

С = (8,89/(8,89+85))×100% = 9,4685% об.

5.10 Масса газа, поступившая в помещение при a = 1:

m = 8,89 ×0,717 = 6,374кг

5.11 Избыточное давление в помещении:

5.12 Сравнив полученное избыточное давление в помещении Dp=4,41 кПа с таблицей 3, в которой представлены предельно допустимые избыточные дав­ления при сгорании газо- паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве, можно сделать вывод о том, что рассчитанное давление лежит в пределах 3–5 кПа. Данное значение избыточного давления соответствует малым повреждениям, т.е. будет разбита часть остекления.

Таблица 3 – Предельно допустимое избыточное давление при сгорании газо- паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или в открытом пространстве

5.13 Для организации безопасной работы трубопровода, необходимо принять следующие меры: необходимо сократить время срабатывания системы автоматики.

Необходимо, чтобы объемная концентрация газа CН₄ была ниже низшего предела воспламенения для CН₄ £5,3% oб., тогда

V_m×100 ≤ 5,3× (V_m+85)

94,7×V_m ≤ 450,3

V_m ≤ 4,755

Следовательно, допустимый объем для безопасной работы трубопровода должен быть меньше значения, равного 4,755 м³.

V_m = V_1m+V_2m

V_1m = qt

V_2m = pr L

То есть,

V_m = (qt + pr L ) ≤ 4,755 м³

Рассчитаем допустимое время срабатывания системы при q = 0,2:

0,2t+0,0785 ≤ 4,755

t ≤ 23,38 с

Таким образом, необходимо уменьшить время срабатывания автоматического отключателя до 23,38 секунд, вместо изначально заданных 50 секунд. Тогда при утечке метана из трубопровода, не возникнут условия, необходимые для воспламенения смеси.

Выводы

В расчетно-графической работе были рассчитаны избы­точное давление, изменение температуры и состав продуктов сгорания при горении газовоздушной смеси, исследованы зависимости изменения концен­трации кислорода О₂, воды Н₂О, температуры горения и удельной теплоемкости от коэффициента избытка воздуха и построены графики зависимости. Из графиков видно, что температура сначала возрастает, а затем начинает убывать при a ≈ 0,85, содержание водяного пара в продуктах горения убывает, а удельная теплоемкость при постоянном давлении и содержание кислорода возрастают с увеличением коэффициента избытка воздуха. Произведена оценка степени возможного поражения здания и обозна­чены меры по организации безопасной работы объекта.

Полученное в расчетах избыточное давление, равное Dp = 4,41 кПа, лежит в пределах 3–5 кПа. Данное значение избыточного давления соответствует малым повреждениям, т.е. будет разбита часть остекления.

Установлено, что для организации безопасной работы трубопровода, необходимо сократить время срабатывания системы автоматики до 23,38 секунд, вместо изначально заданных 50 секунд для того, чтобы при утечке метана из трубопровода не произошло воспламенения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: