Расчёт взрывоопасности компресорного цеха

 

5. Расчет вероятности возникновения пожара или взрыва в отделении компрессии метана

 

Возникновение взрыва в  компрессоре обусловлено одновременного появления в цилиндре горючего газа, окислителя и источника зажигания.

По условиям технологического процесса в цилиндре компрессора постоянно обращается водород, поэтому вероятность его появления в компрессоре равна единице, т.е.:

 

Q_к (

ГВ) = Q_к (ГВ₁) = Q_к (λ₁) = 1

 

Появление окислителя (воздуха) в цилиндре компрессора возможно при заклинивании всасывающего клапана. При этом в цилиндре создается разряжение, обуславливающее подсос воздуха через сальниковые уплотнения. Для отключения компрессора при заклинивании всасывающего клапана предусмотрена система контроля давления, которая отключает компрессор через 6 секунд после заклинивания клапана. Обследование показало, что за год наблюдалось 7 случаев заклинивания клапанов компрессора. Вероятность разгерметизации компрессора в этом случае равна:

 

,

 

где – коэффициент безопасности, принимаем =1, т.к. в течение года было 7 случаев заклинивания клапанов с одинаковым временем отключения компрессора;

– анализируемый период времени, год;

- время существования i-го  пожаровзрывоопасного события, мин;

m – общее количество событий;

 j – порядковый номер события.

Анализируемый компрессор в течение года находился в  рабочем состоянии 4000 ч, что свидетельствует о равной периодичности его нахождения под разрежением и давлением. Вероятность его нахождения под разрежением равна:

 

.

 

Откуда вероятность  подсоса воздуха в компрессор составит:

 

Q_К (

) = Q_К (S₁)· Q_К (S₂) = 2.3∙10^-1∙1,3∙10^-6 = 2,99·10^-7.

 

Таким образом, вероятность  появления в цилиндре компрессора  достаточного количества окислителя будет:

 

Q

(OK) = Q (OK ) = Q (b ) = 2,99·10 .

 

Откуда вероятность  образования горючей среды в  цилиндре компрессора составит:

 

Q_К (ГС) = Q_К (ГВ)·Q_К (ОК) =1∙2,99·10^-7 =2,99·10^-7.

 

Источником зажигания  водородной смеси в цилиндре компрессора могут быть только искры механического происхождения, возникающие при разрушении узлов и деталей поршневой группы из-за потери прочности материала или при ослаблении болтовых соединений.

Статистические данные показывают, что за анализируемый  период времени наблюдался один случай разрушения деталей поршневой группы, в результате чего в цилиндре компрессора в течение 2 мин наблюдалось искрение. Поэтому вероятность появления в цилиндре компрессора фрикционных искр равна:

 

 

 

Оценим энергию искр, возникающих при разрушении деталей поршневой группы компрессора. Зная, что скорость движения этих деталей  составляет w = 20 м /с, а их  масса m≥ 10 кг, найдем энергию соударения:

 

.

 

Известно, что фрикционные  искры твердых сталей при энергиях соударения порядка 1000 Дж поджигают смеси с минимальной энергией зажигания 0,28 мДж.

Минимальная энергия зажигания водородной смеси равна 0,017 мДж, а энергия соударения тел значительно превышает 1000 Дж

(Е = 2000 Дж), следовательно:

 

Q_{К ·}(

=1.

 

Тогда вероятность появления  в цилиндре компрессора источника  зажигания равна:

 

Q_К (ИЗ) = Q_К (ТИ_З)·Q_К (В) =3,8∙10^-6·1 =3,8∙10^-6.

 

Таким образом, вероятность взрыва водородной смеси внутри компрессора будет равна:

 

Q_i (ВТА) = Q_К (ГС)·Q_К (ИЗ) =2,99·10^-7·3,8∙10^-6= 0,874∙10^-12

 

Наблюдение за производством  показало, что 3 раза за год (с= 3) отмечалась разгерметизация коммуникаций с водородом, и газ выходил в объем помещения. Рассчитаем время образования взрывоопасной концентрации в локальном облаке, занимающем 5% объема цеха.

Определяем режим истечения водорода из трубопровода при разгерметизации фланцевых соединений. При этом считаем, что течение газа во фланцевых соединениях адиабатическое, т.к. за короткое время протекания газовых частиц через сопло (соединения) теплообмен с окружающей средой практически не устанавливается.

Находим отношение давлений среды на выходе из сопла (Р_атм) и на входе в него (Р_раб):

 

,

где Р_атм — атмосферное давление, Па;

 P_раб — рабочее давление в трубопроводах с водородом, Па.

Найденное значение ε сравниваем с так называемым критическим отношением давлений, которое согласно ГОСТ 12.2.085 - XX определяется по выражению:

 

,

 

где К = 1,41- показатель адиабаты.

Исходя из того, что  адиабатное истечение газа характеризуется  £ (0,057 £ 0,527) теоретическая скорость движения газа (водорода), выходящего из цилиндрического или суживающегося конического сопла, будет равна критической скорости и определяется по выражению:

 

,

 

где R = 4120 - удельная газовая постоянная, Дж /(кг ∙ К);

      Т = 303 К– температура водорода в компрессоре.

 

 м/с.

 

 

 Находим площадь  щели F при разгерметизации фланцевого соединения трубопровода диаметром d = 150 мм и толщиной щели δ = 0,5 мм:

 

м².

 

Расход водорода через такое отверстие составит:

 

.

 

Тогда время образования локального взрывоопасного облака, занимающего 5% от объема цеха при работе аварийной вентиляции, составит:

 

 

где  V - объём помещения, м³;

 

V = l×b×h = 30·18·6 = 3240 м³,

 

b - кратность воздухообмена аварийной вентиляции;

  = 4,12 - нижний концентрационный предел воспламенения водорода.

Согласно НПБ 105-03 из всей массы водорода, вышедшего в объем помещения, около 100% участвует в образовании локального взрывоопасного облака, то время образования этого облака и время его существования после устранения утечки водорода будет:

 

,

где Z – коэффициент участия горючего вещества во взрыве (расчет приведён в пункте 7).

Время истечения водорода при имевших место авариях за анализируемый период времени (год) было равно 3, 4, 5 мин. Тогда общее время существования взрывоопасного облака, занимающего 5% объема помещения и представляющего опасность при взрыве для целостности строительных конструкций и жизни людей, с учетом работы аварийной вентиляции составит:

 

,

 

где m- общее количество событий;

 

.

 

Откуда вероятность  появления в объеме помещения, достаточного для образования горючей смеси количества водорода, равна:

 

,

 

где t_b - коэффициент значения, которого в зависимости от числа степеней свободы (m-1), при доверительной вероятности b = 0,95, (принимается по таблице 1):  

 

Таблица 1

 

m-1	1	2	От 3  до 5	От 6 до 10	От 11 до 20	20
	12.71	4.3	3.18	2.45	2.2	2.0

 

– среднеквадратичное отклонение точечной оценки среднего времени существования пожаровзрывоопасного события:

 

 

 

Учитывая, что в объеме помещения постоянно имеется  окислитель (воздух), получим:

 

Q_п(ОК)= Q_п(ОК₁)= Q_п(В_з)=1.

 

Тогда вероятность образования горючей смеси водорода с воздухом в объеме помещения будет равна:

 

Q_п(ГС_в)= Q_п(ГВ_в)· Q_п(ОК)=4,7 ·10^-5·1 =4,7·10^-5.

 

Основными источниками  зажигания взрывоопасного водородного облака в помещении могут быть электроприборы (в случае их несоответствия категории и группе взрывоопасной среды), открытый огонь (при проведении огневых работ), искры от удара (при различных ремонтных работах) и разряд атмосферного электричества.

Пожарно-техническим обследованием отделения компрессии установлено, что 6 светильников марки ВЗГ в разное время года в течение 90, 120, 100, 130, 80, 70 часов эксплуатировались с нарушением щелевой защиты.

Вероятность нахождения электросветильников в неисправном  состоянии равна:

 

 

Так как (m-1) = 6-1 = 5, то t_b = 3,18 (табл.2):

 

 

Так как температура  колбы электролампочки мощностью 150 Вт равна 350°С, а температура самовоспламенения водорода 510°С, следовательно, нагретая колба не может быть источником зажигания водородной смеси.

Установлено, что за год  в помещении четыре раза проводились газосварочные работы по 6, 8, 10, 4 часов каждая. Поэтому вероятность появления в помещении открытого огня будет равна:

 

 

Так как температура  пламени газовой горелки и  время ее действия значительно превышают температуру самовоспламенения и время, необходимое для зажигания водородной смеси, то вероятность реализации события:

 

.

 

Ремонтные работы с применением  искроопасного инструмента в  помещении за анализируемый период времени не проводились:

 

Q_п(ТИ_з)= Q_п(f₁)=0.

 

Определяем вероятность  появления в помещении разряда  атмосферного электричества.

Помещение расположено  в местности с продолжительностью грозовой деятельности 45 ч∙год^-1, поэтому среднее число ударов молнии в год на 1 км равно 6, т.е. n_у = 6 км^-2·год^-1.

Так как цех компрессии представляет объект прямоугольной  формы, то число ударов молнии в здание равно: 

 

где L – ширина помещения, м;

H – высота помещения, м;

S – длина помещения, м.

Тогда вероятность прямого  удара молнии в объект по выражению:

 

 

Вычисляем вероятность  отказа исправной молниезащиты типа Б здания компрессорной по выражению:

 

 

Вероятность поражения  здания молнией равна:

 

Q_п(С₁)= Q_п(t₁)·Q_п(t₂) =0,05∙2,115∙10^-3=1,057∙10^-3.

 

Пожарно-техническим  обследованием установлено, что  защитное заземление в здании, находится в исправном состоянии, а, следовательно, вероятность вторичного воздействия молнии на объект и заноса высокого потенциала в течение года равно нулю, т.е. Q_п (С₂) = 0, Q_п (С₃) = 0.

Тогда:

 

Q_п(ТИ₁)= Q_п(С₁)= 1,057∙10^-3.

 

Учитывая, что от прямого  удара молнии воспламеняются все  горючие смеси, что энергия искрового  разряда при вторичном воздействии  молнии превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих веществ с минимальной энергией зажигания до 0,25 Дж, что при заносе высокого потенциала энергия возможных искровых разрядов достигает значений 100 Дж и более, имеем:

 

Q_п(В₁)=1.

 

Откуда:

 

Q_п(ИЗ/ГС)= Q_п(ТИ_п)· Q_п(В_п ^k)=[ Q_п(ТИ₁)+ Q_п(ТИ₄)]· Q_п(В₁),

 

=(1,057∙10^-3+6,9∙10^-3)∙1=8∙10^-3.

 

Таким образом, вероятность  взрыва водородной смеси в объеме помещения будет равна:

 

Q(ВО)= Q_п(ГС_В)· Q_п(ИЗ/ГС)=8∙10^-3∙4,7·10^-5 =3,76∙10^-7

 

Рассчитываем вероятность  возникновения пожара в помещении  компрессорной. Наблюдение за объектом позволило установить, что примерно 200 ч/год в помещении компрессорной в нарушении ППБ хранились разнообразные горючие материалы (ветошь и т. п.), не предусмотренные технологическим регламентом.

Поэтому вероятность  появления в помещении горючих веществ, с учетом исходных данных, равна:

 

 

Вероятность образования  в цехе пожароопасной среды равна:

 

Q(ГС_п)= Q_п(ГВ_п)· Q_п(ОК)=2,3·10^-2·1=2,3·10^-2.

 

Из зафиксированных  тепловых источников, которые могут  появиться в цехе, источником зажигания для твердых горючих веществ является только открытый огонь и разряды атмосферного электричества. Вероятность возникновения пожара в отделении компрессии равна: