Предельно допустимая пожарная нагрузка (ПДНП)

Актуальность разработки данного понятия и методик количественной оценки ПДПН обуславливается сложностью обеспечения абсолютной чистоты очистки места аварии, а также необходимостью механизации процесса очистки и ликвидации ручного труда во вредных условиях.

Известно, что 90-95 % загрязнений обычно удаляется с поверхности в первую половину времени очистки. Экспериментально установлено, что не только при механической очистке, но и при вентиляции, пропарке, гидравлической очистке 3-10 % технологических остатков очищаются за такое же по продолжительности время, как и основная масса углеводородных отложений. Для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия (сил адгезии) нужны очень большие энергетические затраты, поэтому ручным способом полностью удалить технологические отложения практически невозможно.

Исследования в области определения пожарной опасности тонких пленок горючих жидкостей, а также и аналитическое изучение воспламенения пленок органических жидкостей, двухфазных сред и конденсированных веществ, свидетельствуют о существовании толщины слоя горючего вещества, не способного к воспламенению. Такой слой называется критическим по условиям воспламенения. При разработке критериев предельно допустимой пожарной нагрузки (ПДПН) анализируются следующие принципы (условия) пожарной безопасности:

1) допускается возможность локального горения на определенной площади в течение времени, не создающего воздействия опасных факторов пожара на людей, с нормированной вероятностью и не наносящего повреждений технологическому аппарату;

2) исключается возможность возникновения и распространения горения по поверхности горючих остатков.

Предварительные расчеты по методике, разработанной применительно к замкнутым помещениям с различной степенью герметизации, выполненной профессором Кошмаровым Ю.А., доцентами Гусько И.Д. и Лимоновым В.Г. подтвердили возможность образования вакуума на стадии затухания горения.

Исходя из анализа результатов исследований, можно сделать выводы, что при кратковременном горении внутри технологического оборудования создаются условия затухания и образуется вакуум порядка 200 кПа, что может привести к повреждению технологических аппаратов. Поэтому при обосновании ПДПН целесообразно исходить из принципа исключения возможности возникновения и распространения горения по поверхности горючих органических остатков.

В качестве критерия оценки готовности резервуара к огневым работам принимают невоспламеняемую толщину слоя технологических остатков. Для определения толщины слоя органических остатков применяют специальные приборы толщинометры, а при их отсутствии используется весовой метод. Весовой метод оценки поверхности позволяет путем взвешивания органических остатков, снятых с единицы площади поверхности, определить толщину остаточного слоя.

Количественно ПДПН представляет собой массу нефтеостатка, находящуюся на единице площади загрязненной поверхности. Величина ПДПН связана с d_кр соотношением:

. (10.10)

Условие пожаробезопасности (10.2) запишется в виде:

, (10.11)

где m_ост – остаточная загрязненность поверхности; m_пдпн - ПДПН.

Налипаемость горючих жидкостей на вертикальную стенку в процессе опорожнения составляет в среднем (5,0 - 100)·10^-3 кг/м² . Воспламенение паров жидкости от источника зажигания возможно при условии φ_s > φ_н. В случае φ_s < φ_н, требуется дополнительная энергия для разогрева нефтепродукта и повышения φ_s.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

dQ = dQ₁ + dQ₂ + dQ₃ + dQ₄, (10.12)

где Q – количество подведенной теплоты к элементарной площадке;
Q₁ – количество теплоты, аккумулированное в слое нефтепродукта;
Q₂, Q₃ – количество теплоты, отведенное к нефтепродукту и теплопроводному материалу; Q₄ – теплота испарения.

Раскрыв значения составляющих, будем иметь:

.(10.13)

Воспламенение пленок наступает при Т ≈ T_вос. В рассматриваемом случае ∆Т = Т_вос - Т₀ незначительно, поэтому при выводе можно допустить постоянство С_р и λ. Произведем преобразования на основе теоретических положений расчета огнепреградителей, разработанных академиком
Д.Б. Зельдовичем и А.С. Соколиком. В преобразованиях допускаем равенство δ = r, т.к. критическая невоспламеняемая толщина слоя нефтепродукта мала и колеблется от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Уравнение (10.13) запишем в форме

(q_из - ∆Н_тМ)dτ = 2πρ_р (Т_вос – Т₀)dδ³ + 3πδλ(Т_вос – Т₀)dτ. (10.14)

Решение (10.14) имеет вид

τ = , (10.15)

где q = q_из - Н_тМ; b = 3πλ(T_вос-T₀).

Расчет по формуле (10.15) требует определения значения δ_кр. Рассмотрим уравнение теплового баланса при горении тонкого слоя нефтепродукта, которое применительно к стационарному процессу можно представить в виде:

βΔΗ_х = (λ_н/δ) · (Т_п – Т₀) + ρ_нΔН_т , (10.16)

где β – доля теплоты, поступающей к слою нефтепродукта.

Составим безразмерные параметры

, , Ňu = . (10.17)

Параметр У представляет собой безразмерную толщину слоя;
θ – безразмерное время горения слоя, а безразмерный параметр (Ňu) характеризует долю аккумулированного в тонком слое углеводородных отложений тепла. Приведем уравнение (10.16) к безразмерному виду

β Ňu - Ňu . (10.18)

Разделяя переменные, получим

dθ = Ňu У dУ / (β Ňu У – 1). (10.19)

Проинтегрируем (10.19) и получим

θ = (У – 1) / β + 1/(β² Ňu) · 1n | (β Ňu – 1) / (β Ňu – 1) |, (10.20)

где Ňu ≠ 1/β – область существования решений для полученного уравнения.

Величина параметра возрастает с увеличением продолжительности горения слоя нефтепродукта. В свою очередь, время горения возрастает с увеличением начальной толщины слоя нефтепродукта. Горение тонких слоев нефтепродуктов наблюдалось при ≥ 43. По мере уменьшения начальной толщины слоя нефтеостатка (δ_o) время выгорания слоя уменьшается. При этом параметр стремится к критической величине _кр , характеризующей срыв горения или вырожденный режим зажигания. С уменьшением толщины слоя для поддержания горения из-за увеличения теплоотвода требуется увеличение доли его подвода к поверхности слоя, что приведет к снижению температуры во фронте горения, а β → 1/ _кр характеризует предельную величину снижения температуры в зоне химической реакции, при которой будет происходить срыв горения.

Таким образом, решение (10.20) при ≈ _кр → 1/ β можно записать в виде

δ_кр = . (10.21)

Время возникновения горения при контакте с источником зажигания можно рассчитать по формуле (10.15), а q по формуле 10.26.

М_пдпн = 43 . (10.22)

Наиболее близкие результаты расчетов к экспериментальным данным получаются по расчетной формуле (10.22). Эта формула, кроме того, является наиболее простой и удобной для использования. Входящие в (10.22) значения определяют по справочным данным.

Коэффициент безопасности K_б.м принят на основе результатов исследований равным 10.