Система обеспечения взрывобезопасности в объемах с оборудованием, работающим во взрывоопасной газовой среде

Изобретение относится к области пожаровзрывобезопасности и может использоваться в энергетике и на транспорте при проектировании объемов (помещений, отсеков и др.), в которых может скапливаться взрывоопасная газовая смесь (воздух и горючий газ либо пары горючей жидкости). К таким объектам относятся хранилища горючих веществ, помещения энергоустановок, отсеки транспортных средств и т.д. Суть предлагаемого решения состоит в следующем. При воспламенении горючей газовой смеси даже со стехиометрическим соотношением горючего и окислителя детонационная волна возникает не сразу. Для ее формирования в газе необходимо некоторое минимальное расстояние, на котором отдельные волны сжатия, генерируемые пламенем, складываются в общий скачок уплотнения - детонационную волну. В отличие от волны сжатия детонационная волна практически мгновенно разогревает газовую смесь за своим фронтом. Благодаря этому она двигается со сверхзвуковой скоростью, а давление во фронте волны существенно выше, чем при обычном режиме горения газов. Рост давления во фронте такой волны происходит практически мгновенно, на расстоянии в несколько длин свободного пробега молекул газа. Именно поэтому в систему введены технологические перегородки, таким образом чтобы расстояние по прямой между любыми двумя точками в оставшемся свободном пространстве объема не превышало длины преддетонационного участка в стехиометрической смеси упомянутой газовой среды с кислородом при атмосферном давлении, если объем сообщается с атмосферой, и при максимально допустимом для объема давлении, если объем герметичен. Таким образом, предлагаемая система обеспечения взрывоопасности позволяет исключить возможность детонации горючей газовой смеси в объемах, практически категория по ПВБ такого объема снижается с категории "ВО" до категории "ПО". 2 ил.

 

Изобретение относится к области пожаровзрывобезопасности и может использоваться в энергетике и на транспорте при проектировании объемов (помещений, отсеков и др.), в которых может скапливаться взрывоопасная газовая смесь (воздух и горючий газ либо пары горючей жидкости). К таким объектам относятся хранилища горючих веществ, помещения энергоустановок, отсеки транспортных средств и т.д.

Протечки в оборудовании, работающем с горючими газами и жидкостями, зачастую приводят к образованию пожаро- и взрывоопасных газовых смесей в замкнутых объемах, где размещается данное оборудование. Степень опасности подобных объектов оценивается категориями пожароопасности ("ПО") и взрывоопасности ("ВО"), а их эксплуатация требует выполнения многочисленных условий по безопасности (ГОСТ 12.1.010-76 и др.).

Наибольшую опасность при этом представляют взрывоопасные ("ВО") объемы, поскольку там может возникнуть детонация. Нагрузки, реализующиеся при этом, гораздо больше, чем в режиме "спокойного" горения газов. Одним из наиболее распространенных средств обеспечения пожаровзрывобезопасности (ПВБ) в подобных случаях является заполнение объема, содержащего горячую газовую смесь, инертным газом от отдельного его источника по магистрали с запорной арматурой, срабатывающей по сигналу датчиков, анализирующих состав газов в объеме. Заполнение объема инертным газом ведут до тех пор, пока концентрация горючего газа в нем не упадет ниже минимального предела воспламенения этого газа [1]. Данное техническое решение принято за аналог. К его недостаткам следует отнести следующие:

- процесс заполнения объема инертным газом требует определенного времени, в течение которого может произойти взрыв. Особенно важно это для больших объемов, время заполнения которых велико;

- если горючий газ имеет широкие концентрационные пределы воспламенения (например, водород), инертного газа требуется много. Система хранения инертного газа должна иметь поэтому большую емкость, то есть либо большой объем, либо высокое рабочее давление, что не всегда приемлемо, особенно на транспорте;

- для герметичного объема (отсека, помещений и т.д.) давление большого количества инертного газа может привести к недопустимому повышению давления в этом объеме и его разрушению;

- при заполнении инертным газом объема со сложной внутренней "архитектурой" в его отдельных частях может сохраниться взрывоопасная газовая смесь, не разбавленная инертным газом.

Другой близкой к предлагаемому решению является система, предотвращающая взрыв газов за счет вентилирования "ВО" помещения. Такая система содержит средства вентилирования объема и датчики опасных концентраций газов, по сигналу которых включается вентиляция. При этом система вентиляции объема должна быть надежной и гарантировать отсутствие локальных скоплений взрывоопасной газовой смеси. Удельные газы могут при этом выбрасываться в окружающую среду либо дожигаться в самой вентиляционной системе. Такое техническое решение принято за прототип [1]. К его недостаткам можно отнести то, что:

- разработка сложной системы вентиляции достаточно трудоемка, а ее работа требует расхода энергии;

- ни одна из таких систем не гарантирует от локальных скоплений взрывоопасной газовой смеси, особенно в нештатных ситуациях;

- определение возможных зон скопления взрывоопасной смеси в помещении достаточно сложно и не всегда однозначно (например, для транспортных объектов, которые могут менять свою ориентацию в пространстве);

- при первом взрыве система ПВБ и система вентиляции могут быть повреждены, и последующее накопление горючего газа в объеме будет бесконтрольным.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка такой системы обеспечения взрывобезопасности, которая бы исключала возможность детонации. Тем самым категория данного объема по ПВБ фактически понижается с "ВО" до "ПО", хотя формально и остается прежней (так как согласно ГОСТ категорийность по ПВБ определяется возможностью образования газовой смеси с опасной концентрацией горючего, а не взрывной волны).

Задача решается тем, что взрывобезопасность объема с оборудованием, работающим во взрывоопасной газовой среде, обеспечивается системой, содержащей устройства для контроля состава газовой среды и для вентиляции, в которую введены технологические перегородки, при этом оборудование и технологические перегородки размещены в объеме таким образом, чтобы расстояние по прямой между любыми двумя точками в оставшемся свободном пространстве объема не превышало длины преддетонационного участка в стехиометрической смеси, упомянутой газовой среды с кислородом при атмосферном давлении, если объем сообщается с атмосферой, и при максимально допустимом для объема давлении, если объем герметичен.

Суть предлагаемого решения состоит в следующем. При воспламенении горючей газовой смеси даже со стехиометрическим соотношением горючего и окислителя детонационная волна возникает не сразу. Для ее формирования в газе необходимо некоторое минимальное расстояние, на котором отдельные волны сжатия, генерируемые пламенем, складываются в общий скачок уплотнения - детонационную волну [2]. В отличие от волны сжатия детонационная волна практически мгновенно разогревает газовую смесь за своим фронтом. Благодаря этому она двигается со сверхзвуковой скоростью, а давление во фронте волны существенно выше, чем при обычном режиме горения газов. Рост давления во фронте такой волны происходит практически мгновенно, на расстоянии в несколько длин свободного пробега молекул газа.

Благодаря этим свойствам детонации именно она представляет основную опасность при горении газов и благодаря ей происходят основные поломки оборудования и разрушение материалов. Тот же факт, что для формирования детонационной волны необходимо определенное минимальное расстояние (так называемый преддетонационный участок), дает возможность не допустить ее формирования за счет "затеснения" объема. Такое возможно, если расстояние между двумя любыми точками в свободном пространстве данного объема не превышает длины преддетонационного участка (ПДУ) в газовой смеси, заполняющей этот объем.

Известно, что главными факторами, определяющими длину ПДУ, является относительная концентрация горючего в смеси и давление газовой смеси. И то и другое определяет расстояние между молекулами реагирующих газов. Рост давления в смеси, очевидно, уменьшает эту величину, а минимальный ПДУ соответствует стехиометрической смеси горючего и окислителя [3]. На фигуре для кислородо-водородной смеси дана экспериментальная зависимость длины ПДУ от состава смеси, ее давления и температуры. Видно, что температура газов практически не влияет на длину ПДУ, в то время как состав горючей смеси и давление являются для длины ПДУ основными аргументами [3].

Таким образом, если максимальное расстояние между любыми двумя точками в свободном пространстве объема (не занятом оборудованием) меньше длины ПДУ в газовой смеси со стехиометрическим содержанием горючего и кислорода и при максимальном допустимом в объеме давлении, при воспламенении газа в объеме детонации не возникнет, даже если концентрация горючего газа это допускает.

Например, как видно из графиков на фиг.1, в объеме, где могут находиться кислород и водород, детонация исключена, если расстояние между двумя любыми точками в свободном пространстве не превышает ˜0,7 м (если давление атмосферное). При этом состав смеси уже не имеет значения, поскольку такой ПДУ относится к стехиометрическому составу (минимум на кривой).

Силовые импульсные нагрузки, действующие в этом случае, будут почти на порядок меньше тех, что реализуются при детонации газов. При этом динамическое нагружение конструкций будет гораздо более "плавным", т.е. длительность импульсов давления будет на порядок меньше. Это и является положительным эффектом данного технического решения, поскольку существенно снижают требования по прочности к самому помещению и оборудованию, в нем находящемуся.

Схема предлагаемой системы дана на фиг.2, где обозначено:

1 - объем с оборудованием, работающим во взрывоопасной газовой среде;

2 - рабочее оборудование (для примера изображены баллоны с газом);

3 - устройство контроля состава газовой среды;

4 - устройство вентиляции объема;

5 - технологические перегородки.

В качестве примера оборудования, размещенного в объеме на фиг.2, изображены баллоны с природным газом (метан). Поскольку же свободного пространства остается достаточно много и при протечке баллонов это пространство может заполниться взрывоопасной смесью метана с воздухом, в объеме дополнительно установлены технологические перегородки 5, препятствующие формированию детонационной волны. Их форма, размер и количество в каждом конкретном случае могут быть различны. Таким образом, "загромождение" внутреннего пространства объема со взрывоопасной газовой смесью помогает гарантированно избежать возникновения там детонации в случае пожара. При этом для "затеснения" внутреннего пространства объема размещенного там оборудования 1 может быть недостаточно. В этом случае целесообразно добавить внутрь объема дополнительные технологические перегородки 5 с тем, чтобы "выбрать" лишнее пространство. Они могут быть выполнены в виде полых герметичных (в том числе надувных) вставок. Подобные "вкладыши", кроме того, уменьшают и общее количество горючих газов в помещении. Если они выполнены полыми или надувными, их можно заполнить азотом или фреоном, используемым для подавления пламени.

Таким образом, предлагаемая система обеспечения взрывоопасности позволяет исключить возможность детонации горючей газовой смеси в объемах. Практически категория по ПВБ такого объема снижается с категории "ВО" до категории "ПО".

Список литературы

1. "Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов и средств их тушения". Справочник. М., Химия, 1990 г.

2. B.C.Щетинков. Физика горения газов.

3. Физика быстропротекающих процессов. Пер. под. ред. Н.А.Златина, т.3, Москва, Мир, 1971 г., стр.222.

Система обеспечения взрывобезопасности в объемах с оборудованием, работающим во взрывоопасной газовой среде, содержащая устройства для контроля состава газовой среды и для вентиляции объема, отличающаяся тем, что в нее введены технологические перегородки, при этом оборудование и технологические перегородки размещены в объеме таким образом, что расстояние по прямой между любыми двумя точками в оставшемся свободном пространстве объема не превышает длины преддетонационного участка в стехиометрической смеси упомянутой газовой среды с кислородом при атмосферном давлении, если объем сообщается с атмосферой, и при максимально допустимом для объема давлении, если объем герметичен.