Б.4 Оценка уровня вентиляции и его влияния на класс зоны

Вентиляция оказывает влияние на размеры области, в которой существует взрывоопасная смесь, и время ее существования. Ниже приведен метод оценки влияния уровня вентиляции на размеры взрывоопасной зоны и время существования взрывоопасной смеси.

Сущность описываемого метода расчетной оценки размеров взрывоопасной зоны заключается в определении гипотетического объема, за пределами которого средняя концентрация взрывоопасной смеси при условии мгновенного и однородного перемешивания горючего газа и свежего воздуха у источника утечки составляет менее определенной доли от НКПВ в зависимости от принятого коэффициента безопасности. Применимость предлагаемого метода ограничивается наружными установками и помещениями, оборудованными вентиляцией. В случае, если помещение, в котором установлено оборудование не имеет вентиляции, размеры взрывоопасной зоны должны определяться в соответствии с требованиями ГОСТ Р 12.3.047 (приложение Б).

Необходимо отметить, что приводимый метод не является точным. Несмотря на это, использование коэффициентов безопасности гарантирует, что ошибка в полученных результатах приведет к повышению безопасности.

Применение метода проиллюстрировано на ряде гипотетических примеров.

Прежде всего для оценки уровня вентиляции требуется определить максимальную интенсивность утечки горючего газа или пара для источника утечки горючего вещества. Это должно проводиться на основании экспериментальных данных, расчетов или оправданных предположений.

а) Расчет гипотетического объема V_г

Теоретически необходимый минимальный расход вентиляционного воздуха для разбавления определенного объема горючего газа до требуемой концентрации ниже нижнего концентрационного предела воспламеняемости можно рассчитать по формуле

, (Б.1)

где - минимальный объемный расход свежего воздуха, м³/с;

- максимальная интенсивность утечки горючего вещества в источнике, кг/с;

НКПР - концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения, кг/м³;

Т - окружающая температура, К.

Примечание - Для преобразования объемной концентрации, соответствующей НКПР (объемные %) в весовую концентрацию, соответствующую НКПР (кг/м³), используют следующее выражение, действительное для нормальных атмосферных условий (см. 1):

НКПР (кг/м³) - 0,416 ´ 10^-3 ´ М ´ (НКПР) (объемные %),

где М - молярная масса, кг/кмоль.

При общей вентиляции зоны для заданной величины кратности воздухообмена в единицу времени с гипотетический объем V_г взрывоопасной смеси вокруг источника утечки определяют по формуле

, (Б.2)

где с - кратность воздухообмена, с^-1;

k - коэффициент безопасности по отношению к НКПР (как правило k = 0,25 для постоянной утечки и утечки первой степени и К = 0,5 для утечки второй степени).

Выражение (Б.2) действительно для мгновенного перемешивания горючего газа и свежего воздуха до однородной смеси у источника утечки. На практике подобные идеальные условия, как правило, не встречаются в связи с наличием возможных препятствий воздушному потоку, что ухудшает вентиляцию отдельных областей зоны.

Таким образом, эффективность воздухообмена у источника утечки будет ниже, чем величина с в выражении (Б.4), что приводит к увеличению объема V_г. Для учета этого обстоятельства в формулу (Б.2) вводят дополнительный коэффициент f и получают следующее выражение

, (Б.3)

где f - коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси; f находится в пределах от f = 1 (идеальная ситуация) до f = 5 (типичный случай, т. е. имеется преграда воздушному потоку).

Величина V_г представляет собой объем, за пределами которого средняя концентрация взрывоопасной смеси газа или пара составляет менее 0,25 или 0,5 от НКПР, в зависимости от величины коэффициента безопасности k (выражение Б.2). Это означает, что для самых худших случаев оценки гипотетического объема концентрация газа или пара будет значительно ниже, т. е. в реальности объем взрывоопасной смеси, в котором концентрация выше НКПР будет значительно меньше V_г.

б) Закрытая зона

Для закрытой зоны значение с определяют по формуле

, (Б.4)

где - расход свежего воздуха;

V₀ - вентилируемый объем, м³.

в) Наружные условия

На открытом воздухе даже небольшая скорость ветра вызывает значительное перемещение воздуха. Например, на открытом воздухе в пространстве в виде куба с размерами каждой стороны в несколько метров при скорости ветра около 0,5 м/с обеспечивается кратность воздухообмена более 100/ч (0,03/с).

Для открытого пространства при значении с = 0,03/с гипотетический объем V_г взрывоопасной смеси определяют по формуле

, (Б.5)

где 0,03 - кратность воздухообмена;

- выражается в единицах объема в секунду.

Обычно на открытом воздухе рассеивание взрывоопасной смеси происходит быстрее. Реальный механизм дисперсии проявляется таким образом, что расчет по этому методу дает завышенный результат.

г) Определение времени присутствия (существования) t

Время (t), за которое после устранения утечки средняя концентрация снижается от начального значения Х₀ до (НКПР) ´ k, определяют по формуле

, (Б.6)

где Х₀ - начальная концентрация горючего вещества, % или кг/м³.

В непосредственной близости от источника утечки концентрация горючего вещества во взрывоопасной смеси может составлять 100 %. Однако при расчете t величина Х₀ должна выбираться в зависимости от конкретных условий, с учетом, наряду с другими факторами, объема, а также частоты и длительности утечки. Практически концентрация Х₀ должна выбираться всегда выше НКПР;

с - кратность воздухообмена;

t - время (размерность времени должна быть одинаковой с размерностью кратности воздухообмена, т. е. если с это кратность воздухообмена в секунду, то t также должно выражаться в секундах);

f - коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси, учитывающий реальный процесс перемешивания воздуха (см. выражение Б. 3).

Значение f может изменяться от f = 5, например при вентиляции, когда воздух проникает через трещины и выходит через единственное выпускное отверстие, до f » 1, например при вентиляции, когда воздух проникает через перфорированный потолок и выходит через многочисленные выпускные отверстия;

ln - натуральный логарифм, т. е. 2,303 lg;

k - коэффициент безопасности по отношению к НКПР (см. выражение Б.2).

Значение t, определенное из выражения (Б.6), само по себе не является количественным критерием класса зоны. Оно может быть использовано для установления класса зоны только при сравнении с временными характеристиками конкретного процесса.

д) Оценка уровня вентиляции

Постоянная утечка обычно соответствует зоне класса 0, утечка первой степени - зоне класса 1, а утечка второй степени - зоне класса 2. Однако такое соответствие не является строгим из-за наличия вентиляции.

В практических случаях уровень и готовность вентиляции могут быть так высоки, что взрывоопасные зоны отсутствуют. И наоборот, уровень вентиляции может быть настолько низким, что зону необходимо относить к низкому классу (т. е. взрывоопасная зона относится к классу 1 при источнике утечки второй степени). Это происходит, например, в случаях, когда уровень вентиляции настолько низкий, что взрывоопасная смесь продолжает существовать и рассеивается очень медленно после устранения источника утечки горючего газа или пара. Таким образом, присутствие взрывоопасной смеси продолжается дольше, чем предполагалось для данной степени утечки.

Расчетное значение гипотетического объема V_г используется для отнесения уровня вентиляции к высокому, среднему или низкому. Время существования взрывоопасной смеси 1 позволяет установить, какой требуется уровень вентиляции для зоны, чтобы она соответствовала зонам классов 0, 1 или 2.

Уровень может рассматриваться как высокий ВВ, если объем V_г очень мал или им можно пренебречь. При такой вентиляции можно считать, что источник утечки не образует взрывоопасной смеси, т. е. зона взрывобезопасна. Однако в непосредственной близости от источника утечки взрывоопасная смесь присутствует, но размеры этой области пренебрежимо малы.

На практике высокий уровень вентиляции можно обеспечить только в следующих случаях: местными системами искусственной вентиляции вблизи источника; в небольших закрытых зонах; при очень небольшой утечке в зонах больших размеров.

При устройстве систем вентиляции необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Во-первых, большинство закрытых зон содержат много источников утечки. В то же время иметь множество небольших взрывоопасных зон в помещениях, классифицированных как взрывобезопасные, не рекомендуется.

Во-вторых, при утечках, которые характерны для классификации зон, естественная вентиляция часто бывает недостаточной даже на открытом воздухе.

В третьих, нерационально интенсивно проветривать средствами искусственной вентиляции большие помещения.

Объем V_г не характеризует время, в течение которого взрывоопасная смесь продолжает существовать после прекращения утечки при ВВ уровне, но он является таким фактором при ВС или ВН уровнях вентиляции.

Уровень СВ должен воздействовать на рассеивание утечки горючего газа или пара. Время рассеивания взрывоопасной смеси после устранения утечки должно быть таким, чтобы выполнялись условия зоны класса 1 или 2 в зависимости от того, является ли степень утечки первой или второй.

Допускаемое время рассеивания зависит от ожидаемой частоты утечки и длительности каждой утечки. Объем V_г часто бывает меньше объема любой закрытой зоны. В этом случае допускается классифицировать как взрывоопасную только часть закрытой зоны. В ряде случаев объем V_г может быть таким же, как объем закрытой зоны. Тогда всю закрытую зону классифицируют как взрывоопасную.

Если требования к зоне не удовлетворяются, то уровень рассматривают как ВН. При уровне ВН гипотетический объем V_г часто бывает равным или большим, чем объем закрытой зоны. Уровень ВН на открытых пространствах практически не встречается, за исключением случаев наличия преград воздушному потоку, например в ямах.

Б.5 Готовность вентиляции

Готовность вентиляции оказывает влияние на образование и присутствие взрывоопасной смеси. Поэтому готовность вентиляции также должна учитываться при определении класса зоны.

По готовности вентиляцию разделяют на три уровня (см. примеры в приложении В):

- хорошая - вентиляция присутствует постоянно;

- средняя - вентиляция присутствует при нормальных условиях эксплуатации. Допускаются ее перерывы при условии, что они нечастые и кратковременные;

- плохая - вентиляция, не отвечающая требованиям первого и второго уровня готовности, при этом длительные ее перерывы не ожидаются. Если готовность не отвечает требованиям даже третьего уровня, то такая вентиляция не может рассматриваться как вентиляция зоны.

а) Готовность при естественной вентиляции

Для наружных условий оценка вентиляции основывается на предполагаемой минимальной скорости ветра 0,5 м/с, которая существует практически постоянно. В этом случае готовность вентиляции является хорошей.

б) Готовность при искусственной вентиляции

При оценке готовности искусственной вентиляции необходимо принимать во внимание надежность оборудования и готовность, например, аварийных вентиляторов. Хорошая готовность обеспечивается, если при авариях автоматически включаются запасные вентиляторы. Однако если предусмотрены средства предотвращения утечки горючего вещества при выходе из строя вентилятора (например, посредством автоматической остановки технологического процесса), то классификацию вентиляции, установленную для работающих вентиляторов, менять не требуется, т. е. готовность можно считать хорошей.

Б.6 Практические указания

Связь между параметрами вентиляции и классом взрывоопасной зоны для утечек различной степени показана в таблице Б. 1. Примеры расчетов параметров, необходимых для установления класса зоны, приведены в разделе Б.7.

Таблица Б.1 - Вентиляция и класс взрывоопасной зоны