Оценка возможности появления источников зажигания

Наличие горючей среды внутри технологического оборудования, в помещениях или на открытых технологических площадках не является достаточным условием для возникновения горения. Для возникновения горения также необходимо такое условие, как наличие источника зажигания. Под внешним источником зажигания понимается любое нагретое тело, обладающее запасом энергии, температурой и временем воздействия, достаточным для воспламенения горючей среды. Из этого следует, что не каждое нагретое тело способно воспламенить горючую смесь. Источником зажигания может явиться такое нагретое тело (при вынужденном воспламенении) или такой экзотермический процесс (при самовоспламенении), которые способны нагреть некоторый объём горючей среды до определённой температуры, когда скорость тепловыделения (за счёт реакции в горючей смеси) равна или превышает скорость теплоотвода из зоны реакции, при чём мощность и длительность теплового действия источника зажигания должны обеспечивать поддержание критических условий с течением времени, необходимого для развития реакции с формированием фронта пламени, способного к дальнейшему самопроизвольному распространению, то есть источники зажигания должны удовлетворять основным трём условиям.

В общем случае при оценке воспламеняющей способности внешнего источника теплоты необходимо исходить из следующих положений:

1) Температура источника теплоты Ти должна быть не менее температуры зажигания, необходимой для инициирования реакции между горючим веществом и окислителем:

Ти > Тз.

2) Количество энергии, заключенное в источнике теплоты, должно быть больше или равно минимальной энергии зажигания Емин этой смеси:

Еи > Емин.

3) Время теплового воздействия τи внешнего источника теплоты на горючую смесь должно быть не менее времени, необходимого для развития реакции с формированием фронта пламени, способного к дальнейшему самопроизвольному распространению:

τи > τинд

Если хотя бы одно из указанных условий не выполняется, то источник теплоты не обладает воспламеняющей способностью и, следовательно, не является источником зажигания.

При проведении технологического процесса могут появляться источники теплоты непосредственно связанные с процессом, а также источники теплоты, появление которых не связано с нормальным функционированием производства. Потенциальных источников зажигания, которые могут иметь место на АЗС достаточно большое количество.

а) Газообразные продукты горения и искры двигателей.

Газообразные продукты горения и искры, образующиеся в двигателях внутреннего сгорания, могут стать источником зажигания. Это может произойти в том случае, если имеются прогары в выхлопных трубах автотранспортных средств, находящихся на территории АЗС с работающим двигателем и по близости есть горючие материалы или паровоздушная среда в пределах от φ_НКПРП до φ_ВКПРП.

б) Открытый огонь при производстве огневых работ.

Открытый огонь при проведении огневых работ (резание металла, газоэлектросварка) представляет большую пожарную опасность, так как температура пламени при проведении огневых работ значительно превышает температуру пламени, горючих веществ в воздухе. Так при сжигании ацетилена в воздухе температура пламени может достигать 3150 ⁰С, при производстве электросварочных работ с использованием угольных электродов температура дуги составляет примерно 6000 ⁰С.

г) Тепловые проявления электрической энергии.

К основным видам теплового проявления электрической энергии относятся искровые разряды статического электричества, проявления, связанные с нарушением работы электрооборудования, прямые удары молнии и ее вторичные воздействия. Все эти проявления, как правило, характеризуются высокой температурой, обладают значительной энергией и временем действия, и поэтому могут явиться источником зажигания.

На АЗС могут возникать искровые разряды статического электричества, так как там обращаются вещества, являющиеся диэлектриками (бензин, дизельное топливо). В технологическом процессе АЗС эти вещества способны накапливать заряды статического электричества. Эти заряды могут уходить в землю и нейтрализоваться, а могут накапливаться и создавать потенциалы, порой достигающие десятков тысяч вольт.

В технологическом процессе АЗС накапливанию высоких потенциалов и формированию искровых разрядов способствуют:

– отсутствие или неисправность заземляющих устройств;

– образование электроизоляционного слоя отложений на заземленных поверхностях;

– нарушение режима работы оборудования с увеличением скорости транспортировки веществ по трубопроводам, появлением на поверхности плавающих тел.

К тепловым проявлениям, возникающим при нарушении нормального режима работы электрооборудования относятся: короткие замыкания, перегрузки, большие переходные сопротивления, нагрев под воздействием вихревых токов.

Короткие замыкания - это не предусмотренные нормальными условиями работы замыкания через малое сопротивление между фазами или одной из фаз и нулевым проводом. Токи при коротких замыканиях могут достигать десятков тысяч ампер. Такие токи в незначительный промежуток времени выделяют большое количество тепла в проводниках, что приводит к воспламенению горючей изоляции, а также расплавлению металла и выбросу в окружающую среду искр, способных вызвать воспламенение горючих материалов и взрывоопасных смесей. Основная причина коротких замыканий - это нарушение изоляции в проводах, кабелях, машинах и аппаратах.

Прямые удары молнии и ее вторичные проявления также относятся к тепловым проявлениям электрической энергии. Прямые удары молнии – наиболее опасный вид воздействия. Температура искрового разряда молнии может достигать нескольких тысяч градусов. При непосредственном соприкосновении канала молнии с горючими смесями будет происходить мгновенное их воспламенение.

Вторичными воздействиями молнии являются:

– электростатическая индукция (наведение потенциалов на наземных предметах в результате изменения электростатического поля грозового облака);

– электромагнитная индукция (наведение потенциалов в незамкнутых контурах в результате быстрых изменений тока молнии);

– занос высоких потенциалов (перенесение высоких потенциалов в здания по внешним металлическим коммуникациям).

3.8 Тепловое проявление механической энергии

3.8.1 Определение зажигательной способности искры

Оценку зажигательной способности искры, образованной при работе ударным инструментом, произведем согласно ГОСТ [6]. Чтобы искра стала инициатором возникновения горения, в данном случае бензина, требуется выполнение следующих условий:

1) Температура нагретого тела должна быть больше температуры самовоспламенения горячей среды.

2) Время воздействия нагретого тела должна быть не менее периода индукции при зажигании т.е.

где Wmin - минимальная энергия зажигания, Дж.

Размеры искры удара представляющая собой раскаленную до свечения частичку металла, не превышают 0,5 мм, а их температура находится в пределах температуры плавления металла.

Количество тепла, отдаваемое искрой при охлаждении от начальной температуры t_н до температуры самовоспламенения t_св вычисляется по формуле:

(3.16)

где k – коэффициент, равный отношению тепла отданного горючему веществу к энергии запасенной искрой, k = 1;

r_и - плотность металла, кг/м³ (r_и = 7800 кг/м³);

с_и - 482 Дж/(кг·К) – теплоемкость расплава металла;

V_u - объем искры металла, м³. Определяется как

(3.17)

Для нахождения конечной температуры капли t_кон необходимо соотнести время полета искры τ_ост до остывания и время ее нахождения в расплавленном состоянии τ_р.

(3.18)

где τ_кр – время кристаллизации капли металла, с. Определить время кристаллизации можно по формуле:

(3.19)

где t_o = 20 ⁰С – температура окружающего воздуха;

t_пл = t_н = 1580 ⁰С – температура плавления и температура искры соответственно;

m_u – масса частицы металла, кг, из формулы

m_u=r_и·V_и=7800·6,54·10^-11 =5,1·10^-7кг; (3.20)

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К

(3.21)

где w_u = 16 м/с - скорость полета искры при работе ударным инструментом.

S_u – площадь поверхности искры, м², определяем по формуле:

(3.22)

Подставим значения в формулу 3.19:

Время остывания определяется по формуле:

(3.23)

где F_o – критерий Фурье, определяемый по значениям критерия Био Вi и относительной избыточной температуры Ө с помощью номограммы;

λ_u – коэффициент теплопроводности металла искры, λ_u = 86,5 Вт/м·К ;

Критерий Био можно определить по формуле:

(3.24)

Определим относительную избыточную температуру:

(3.35)

где t_св = 350 ⁰С - температура самовоспламенения бензина «Премиум-95».

По номограмме определим критерий Фурье: F_o =180

Тогда время остывания капли найдем по формуле 3.23:

Время нахождения искры в расплавленном состоянии найдем по формуле 3.18:

Время падения искры с высоты 15 м составит: τ_пад=15/16=0,93 с.

Сравнивая значения времени падения и нахождения искры в расплавленном состоянии видно, что искра упадет в расплавленном состоянии.

Для определения конечной температуры воспользуемся формулой:

(3.26)

Подставим значения:

Подставим значения формулу 3.17

По справочнику [9] W_min бензина «Премиум-95» составляет 0,3 мДж.

Проверим условия воспламенения горючей среды:

1) t_кон > t_св; 2) W > W_min

1467 > 350 0,28 > 0,3·10^-3

Следовательно, искра, образованная при работе ударным инструментом и упавшая на поверхность горючей паровоздушной смеси способна вызвать ее воспламенение и привести к пожару.

Этот расчет позволяет сделать заключение о необходимости проведения таких работ как минимум неискрообразующим инструментом. К работе приступать только после снижения концентрации паровоздушной среды и проведение измерения воздушной среды.

3.8.2 Расчет температуры нагрева подшипникового узла

Перегрев подшипников может быть вызван следующими причинами: плохое качество смазки рабочих поверхностей, их загрязнение, перекосы валов, перегрузка машины, чрезмерная затяжка подшипников. При этом подшипники перегреваются до опасных температур (выше температуры самовоспламенения горючей смеси, контактирующей с подшипником, или температуры самовозгорания (тления) осевшей на его корпус горючей пыли).

В насосе используются подшипники «414», диаметр вала 0,06м, коэффициент между поверхностью и средой 200 Вт/м²к, t_ср=15 ⁰С, коэффициент 0,15,число оборотов вала 30 с^-1, Н=1500 H, поверхность подшипника 0,08

Максимальную температуру подшипника скольжения при отсутствии смазки и принудительном охлаждении можно рассчитать по формуле:

, (3.27)

где t_п - максимальная температура подшипника, ⁰С;

t_В - температура окружающей среды (воздуха), ⁰С;

α - коэффициент теплообмена между поверхностью подшипника и окружающей средой, величину коэффициента теплообмена в Вт/(м²·К) определяют по формулам:

при t_п > 60 ⁰С (3.28)

при t_п ≤ 60 ⁰С , (3.29)

F - поверхность корпуса подшипника, омываемая воздухом, м².

Q_тр - мощность сил трения в подшипнике определяют по формуле в Вт:

, (3.30)

f - коэффициент трения скольжения, значения коэффициента f можно выбрать в зависимости от материалов трущихся частей из следующей таблицы:

N - реальная сила, действующая на подшипник, Н;

d - диаметр шейки вала, м;

n - частота вращения вала, с^-1.

Вт

Принимаем ориентировочно максимальную температуру подшипника

t_п= 300 ⁰С, подставляем формулу 3.28

Вт/м³·К,

⁰С,

Вычисляем ошибку %,

⁰С,

Вт/м³·К,

⁰С,

Вычисляем ошибку %,

⁰С,

Вт/м³·К,

⁰С,

Вычисляем ошибку %.

Проверяем выполнение условия взрывобезопасности t_п ≤ 0,8·t_св, то есть 264 ⁰С ≤ 380 ⁰С условие выполняется, следовательно появление источника зажигания в технологическом отсеке в результате нарушения режима эксплуатации насоса не произойдет.

3.9 Расчет механического повреждения вследствие гидравлического удара

В технологическом процессе автозаправочной станции постоянно происходят гидравлические удары на трубопровод при включении насоса ТРК, а также при сливе с бензовоза топлива, когда происходит переполнение и срабатывает отсечной поплавковый клапан в подземном резервуаре.

Приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе определяют по формуле Н.Е. Жуковского:

(3.31)

где с – скорость распространения ударной волны:

(3.32)

где - плотность жидкости при рабочей температуре, кг/м ;

d - внутренний диаметр трубы, м;

Е – модуль упругости материала трубы, Па;

s – толщина стенки трубы, м;

- уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с.

(3.33)

где - начальная скорость движения продукта в трубопроводе, м/с;

- конечная скорость движения продукта в трубопровод, м (часто = 0).

Определим возможность повреждения трубопровода ТРК при включении насоса. Рабочее давление ТРК в трубопроводе 1,5 МПа. Плотность бензина 730 кг/м . Материал трубопровода - сталь 17Г1С. Модуль упругости для бензина Производительность магистрального нефтепровода ; наружный диаметр трубы толщина стенки s =10 мм. Пробное давление при гидравлическом исполнении трубопровода

Определяем площадь проходного сечения трубопровода

(3.34)

где s=10мм=0,01 - по условию.

Определяем скорость движения нефти из уравнения расхода

или 4,63 м/с,

где - по условию.

Определяем скорость распространения ударной волны при быстром перекрытии крана найдем по формуле 3.32

где

Определяем максимальное уменьшение скорости нефти в трубе по формуле найдем по формуле 3.33

Определяем приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе найдем по формуле 3.31

Определяем конечное давление нефти в трубопроводе

Таким образом, давление в трубопроводе при гидравлическом ударе не превысит допустимое давление, необходимо следить за состоянием трубопроводов, так как предельное давление близко к расчетному.