автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Параметры пожаровзрывоопасности горючих газов при выбросах из технологического оборудования

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны

Инв. №1385 ДСП Для сужебного пользования

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Александр Алексеевич

УДК 614.841.12

ПАРАМЕТРЫ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ

ГОРЮЧИХ ГАЗОВ ПРИ ВЫБРОСАХ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.26.01 -Охрана труда и пожарная безопасность

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ

Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны

Инв. N 1385 ДСП Для служебного пользования

Экз.ГЦ^Д На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

УДК 614.841.12

ПАРАМЕТРЫ П01АР0ВЗРЫВ00ПАСН0СТИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ ПРИ ВЫБРОСАХ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.26.01. - Охрана труда и

пожарная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНШПО) МВД РФ.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Макеев В.И.

Научный-консультант - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Болодьян И.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший научный сотрудник Шебеко Ю.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шевяков Г.Г.

Ведущая организация - Московский инженерно-строительный институт имени В.В.Куйбышева

Защита диссертации состоится " ДЗ " п*рт* 1994 г. в ¡О часов на заседании специализированного совета ССД.052.06.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД РФ по адресу : 143900 , Московская область , г.Балашиха-6, пос. ВНИИГО.

Автореферат разослан 1994 г_

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

З.И. Титков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Во всех развитых странах мира наблюдается тенденция к расширению использования горючих газов (ГГ) в различных отраслях промышленности . Повышенная пожаро- и взрыво-опасность ГГ, о чем свидетельствует значительное количество крупных аварий, связанных с пожарами и взрывами ГГ при утечке или аварийном выбросе из технологического оборудования, выдвигает на особое место вопросы обеспечения безопасности. Система пожаро-взрывобезопасности должна базироваться на достижениях современной теории горения и взрыва. Переоценка реальной опасности и неоправданное вследствие этого завышение требований безопасности приводят к ненужному удорожанию объектов. С другой стороны, занижение оценки реальной пожарной и взрывной опасности может привести к катастрофическим результатам.

Однако в настоящее время ряд важных с практической точки зрения закономерностей горения газовоздушных смесей выявлены в научном плане недостаточно, что не позволяет во многих случаях прогнозировать действительную опасность возможных аварийных ситуаций. Отметим некоторые из них.

- В нормативных документах не учитывается возможность взрыва локального горючего облака в помещении , что может привести к занижению категории помещения.

- Действие ОНТП 24-86 не распространяется на наружные установки.

- Не учитывается влияние формы газовоздушного облака и расположение его относительно поверхности земли на параметры генерируемых в окружающем пространстве взрывных волн при оценке их воздействия на окружающие объекты.

- Не рассматривается возможность перехода от медленного горения к детонации от слабого источника при искусственной турбулизации газовоздушного облака - при загромождении пространства, подаче ог-

нетушащих веществ и т.п.

Эти вопросы являются предметом исследований настоящей работы, чем и определяется ее актуальность.

В качестве объекта изучения были выбраны водородно-воздушные и метано-воздушные смеси, в том числе обогащенные кислородом.

Работа является частью исследований, проведенных в рамках Программы по обеспечению безопасности космической системы "Энергия-Буран", самолета на жидком водороде и метане ТУ-155, а также Комплексной программы по противопожарной защите объектов добычи и транспортировки природного газа полуострова Ямал.

Цель работы состояла в изучении закономерностей горения газовоздушных смесей и разработке на основе результатов исследования методов оценки параметров взрывопожароопасности горючих газов при аварийных выбросах или утечках из технологического оборудования и предложений по совершенствованию нормативных документов по категорированию помещений по взрывопожарной опасности.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- изучение закпчомерностей горения локальных объемов однородных и неоднородных по концентрации горючего водородно-воздушных смесей в замкнутом помещении;

- определение влияния формы облака и расположения его относительно поверхности земли на параметры распространяющихся в окружающую атмосферу ударных волн;

- выявление возможности перехода-от дефлаграционного горения к детонационному в горючих смесях при наличии турбулизирующих препятствий на пути распространения фронта пламени, в том числе при подаче огнетушащих веществ в горючее облако;

- изучение параметров пожаровзрывоопасности при крупномасштабных выбросах газообразного метана из буровых скважин.

Научная новизна результатов работы. Теоретически и экспери-

ментально исследовано сгорание локального объема предварительно перемешанных водородно-воздушных смесей в закрытом сосуде и впервые установлено , что максимум зависимости прироста давления от состава значительно смещен от стехиометрии в сторону бедных смесей. Разработана и экспериментально апробирована методика оценки максимального относительного давления для локальных неоднородных водородно-воздушных смесей в.замкнутом объеме.

Экспериментально изучено влияние ориентации и формы облака, а также места расположения источника зажигания на параметры ударных волн при дефлаграции и детонации газовых смесей в открытом и частично' загроможденном пространстве. Впервые получен переход от сферической дефлаграции к детонации при слабом инициировании в смесях СН4+2(02+Ы2) и 2Н2+0г+3,2^ большого объема. Дан прогноз по критическим размерам загромождения, при котором возможен детонационный процесс сгорания: для водородно-воздушной смеси - порядка 1 м , метано-воздушной - 10 м . Экспериментально показано, что турбулизация фронта горения и исходной смеси на чередующихся в объеме препятствиях, создаваемых дисперсными струями мелкораспыленной воды, приводит к ускорению процесса горения вплоть до перехода в детонацию.

Проведено изучение параметров пожаровзрывоопасности крупномасштабных настильных и рассеянных факелов природного газа и показано, что при истечении в открытое пространство опасность взрывных волн для окружающих объектов можно не рассматривать. На основе проведенных исследований усовершенствованы методы оценки взрывопожарной опасности технологических процессов с участием горючих газов.

Практическая ценность. Комплекс проведенных исследований позволяет оценивать параметры пожаровзрывоопасности, необходимые при анализе опасности объектов производства, хранения и потребле-

ния ГГ. Результаты диссертационного исследования нашли применение при оценке аварийных ситуаций, связанных с выбросами водорода на атомных станциях с реакторами РБМК; при разработке технических предложений на постановку работ по обеспечению пожаровзрывобезо-пасности космической станции "Мир" и комплекса ТУ-155; при разработке рекомендаций по противопожарной защите объектов добычи и транспортировки природного газа полуострова Ямал.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX (г.Суздаль,1989г.) и X (п.Черноголовка,1992г.) симпозиумах по горению и взрыву; Х,Х1 и XII Всесоюзных научно-практических конференциях .ВНИШ10 (г.Балашиха, 1989,1991,1993 гг.); международном семинаре по водородной безопасности АХ (г.Сухуми,1989г.); IV международном семинаре по структуре пламени (г.Новосибирск,1992г.); Российско-японском семинаре ло горению (п.Черноголовка,1993г.); на заседаниях спецсекции Научно-технического совета ВНИШ10 МВД РФ.

По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том числе 14 статей и 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, включая выводы, списка литературы и приложений. Она изложена на 175 страницах машинописного текста, иллюстрирована 49 рисунками, содержит 8 таблиц, 3 приложения и список информационных источников, включающий 150 наименований.

На защиту выносятся:

- результаты теоретического и экспериментального исследования горения локальных предварительно перемешанных водородно-воздушных смесей в замкнутом объеме;

- методика оценки максимального относительного давления при взрыве локальных неоднородных по концентрации горючего водород-но-воздушных смесей в замкнутом объеме;

- результаты экспериментального исследования влияния расположения вытянутого облака относительно поверхности земли и источника зажигания на параметры генерируемых в окружающем пространстве взрывных волн;

- результаты экспериментального исследования перехода в газовых смесях от дефлаграционного горения к детонации от слабого источника: при наличии загромождения пространства, обогащении топливно-воздушной смеси кислородом, при турбулизации газовых смесей подачей огнетушащих веществ;

- результаты крупномасштабных полигонных исследований параметров взрывопожароопасности при выбросах в неограниченное и загроможденное пространство газообразного метана.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса в области изучения пожаровзрывоопасности горючих газовых облаков. Проведенный обзор литературных источников показал на отсутствие или недостаточную разработанность ряда методик, позволяющих оценить реальную опасность аварийных ситуаций в конкретных условиях производственного процесса, что особенно важно при обосновании нормативных ограничений, требований и правил, регулирующих создание безопасных установок. В нормативных документах при оценке расчетного избыточного давления взрыва не рассматривается возможность образования локальных горючих газовых объемов, не учитываются режимы сгорания смесей и возможность перехода медленного горения в детонацию, что в конечном итоге может привести к занижению категории помещения. Нормы ОНТП 24-86 не распространяются на наружные технологические установки, крупные аварии с которыми происходят

часто.

Таким образом, предупреждение и уменьшение последствий при крупных авариях на производствах, использующих ГГ, и разработка адекватных профилактических мероприятий невозможны без совершенствования методов оценки параметров взрыво- и пожароопасности горючих газов.

Во второй главе изучается задача о сгорании локального объема горючего газа в замкнутом пространстве. Для сгорания ограниченного объема предварительно перемешанной горючей смеси в закрытом сосуде получена следующая теоретическая зависимость

„ с -п т , ТЗ-Г2 Г, (ТЗ-Р/ТЭ и ,, , Г1-Т2 ...

Ящ-1 " (Г2"1)-^ + -Г"' % -1 -(1-0))---- Ш , (1

ГЗ-1 ^ ' ¥1-1

где ят-Рт/Р - максимальное относительное давление в сосуде, ы -

доля объема сосуда, занимаемая горючей смесью , г - отношение

изобарной и изохорной теплоемкостей. индексы 1,2,3 относятся к

свежему, сгоревшему и несгоревшему газам, V) - энергия,

выделившаяся в химической реакции и выраженная в единицах Р-У, О

- тепловой эффект реакции , М - масса горючего газа.

Учитывая тот факт, что параметры и,гг.б,и (гз-сопзЬ) зависят лишь от концентрации горючего газа Сг в локальном объеме, получим согласно (1): ят - Г(Сг) . Анализ этой зависимости позволяет ответить на вопрос: что опаснее с точки зрения достижения максимального избыточного давления - максимально возможный объем взрывоопасной смеси околопредельного состава, горение которой характеризуется заметной неадиабатичностью, или околостехиометри-ческие смеси, но в меньшем объеме. Численное решение уравнения (1), выполненное для различных значений локального горючего объема, показало, что максимальное значение избыточного давления взрыва должно реализоваться для бедных смесей: Снг-11% об. для водорода и Ссн4=8% об. для метана.

Экспериментальная проверка полученного в расчетах значительного смещения максимума значения от стехиометрических к бедным смесям проводилась с локальными объемами водородо-воздушной смеси, которые создавались в тонких резиновых оболочках, в цилиндрической бомбе объемом 20л .

Приведем наиболее важные результаты проведенных опытов.

- Максимальное относительное давление ят при сгорании локального объема предварительно перемешанной смеси водород-воздух пропорционально количеству водорода в объеме. Коэффициент пропорциональности е. , определяющий наклон прямых, зависит от объемной концентрации водорода Сиг в смеси. Максимальное давление для водо-родно-воздушной смеси можно определять,, используя соотношение

1Гт - 1 + 0,317 • Л (2)

- Установлено, что значение (¡Ушах соответствует Сн2-22Хоб. Сплошная кривая на рис.1 для >3,9 обобщает экспериментальные результаты , нанесенные значками. Как видно из графика, расчеты по формуле (1) (пунктирная кривая) совпадают с результатами экспериментов только для смеси стехиометрического состава. Это связано, по-видимому, с тем , что для бедных смесей в расчетах не учитывалась неадиабатичность процесса, для богатых - догорание горючего. Изображенная на рисунке значком "квадрат" точка соответствует опыту, когда вне локального объема горючей смеси был инертный газ (N2). Отсутствие в этом случае возможности догорания для богатой смеси привело к существенному уменьшению лт и удовлетворительному совпадению с результатами расчета. Однако, остается открытым вопрос о том, почему не реализуется в давлении при сгорании бедных смесей значительная часть запасенной в них энергии.

- Экспериментальные результаты для различных J можно обобщить, используя безразмерный параметр

Р-Лт/(Лт)тах (3)

/ \ 1 п я > <|

• / « / * А 1 у 1 Г » / 1 / 1 / • / 1 / |/ \ \

6 1Ъ А г*> 4 ь Л ' А Л я

С{На),%вв.

Рис.1. Зависимость максимального относительного давления ят от концентрации Снг водорода в локальном объеме для >3,9 .

Рис.2. Зависимость максимального относительного давления гт от безразмерного параметра!.

- и -

где (Лщ)тах " максимальное избыточное давление, которое можно получить для данной массы водорода в замкнутом объеме. Параметр Р-Г(Сн2,Л характеризует эффективность выделения химической энергии с точки зрения создания максимального давления при сгорании фиксированного количества водорода в замкнутом объеме.

Зная распределение горючего в облаке во времени и используя зависимость Р , можно оценить величину максимального давления в зависимости от времени задержки воспламенения с момента утечки или аварии для неоднородных по концентрации горючего локальных объемов в замкнутом помещении.

В этом случае, известный градиент концентрации горючего в облаке заменяется на ступенчатую функцию постоянной концентрации Снг(1) из условия постоянства массы горючего М(1) в данном диапазоне концентраций. Для каждого значения СнгШ определяется РЦ), т.е. какая часть максимально возможной величины ЯщШ-1+0,317^(1) реализуется для М(1) . Суммируя относительные вклады РЦ), можно определить максимальное относительное давление я в сосуде после горения из выражения

Я - 1 + 0,317 • 2 Д1)-Р(1) (4)

1

Для проверки предлагаемой методики расчета были проведены эксперименты с водородно-воздушными неоднородными смесями, занимающими локальный объем бомбы. Параметры бомбы: объем 2 дм3, диаметр 5,5 см, высота Но-84см. Напуск водорода осуществлялся в верхнюю часть бомбы. Время напуска варьировалось от 5 с до 4мин. Количество горючего газа оставалось постоянным и равнялось 4% об. в расчете на объем сосуда. Поджиг осуществлялся в верхней части сосуда индукционным разрядом. Отбор проб производился непосредственно перед воспламенением в трех точках на расстояниях Н-Ь/Но-0;0,26;0,4 от верха сосуда с последующим анализом газового

состава на хроматографе. Регистрировались избыточное давление и скорость его нарастания.

Расчет одномерной диффузии проводился для этой задачи на ПЭВМ IBM PC AT/386 . Определялась зависимость объемной концентрации водорода по высоте сосуда С(Нг)-ИН) в различные моменты безразмерного времени t-D-t/Ho2, где D - коэффициент диффузии смеси водород-воздух [см2/с1, t - время [с], Н0 - Сем].

Экспериментально полученные в трех точках значения концентрации Бодорода для каэдого опыта сравнивались с расчетной зависимостью Снг-f(Н) для разных Т. Момент наилучшего совпадения соответствовал значению t-t* для данного опыта, т.е. распределение объемной концентрации водорода по высоте сосуда перед зажиганием было близко к расчетному при t*. На рис.2 в координатах t-irm нанесены экспериментальные точки . Сплошная кривая (1) соответствует расчетам, выполненным по изложенной выше методике с использованием зависимостей Снг-ИН) в момент t* и P-f (Снг) • Пунктирная кривая (2) соответствует адиабатическому расчету , выполненному с учетом коэффициента участия горючего в горении, т.е. количества Нг, находящееся в концентрационных пределах воспламенения. Пунктирная кривая (3) получена с использованием методики расчета, предложенной в ОНТП 24-86 с коэффициентами участия горючего во взрыве Z=0,5 и неадиабатичности процесса К-3. Как видно из рисунка, расчет по предложенной методике лучше коррелирует с опытом, а также позволяет наряду с.максимальным давлением определить его изменение в зависимости от времени задержки воспламенения.

Согласно расчету по ОНТП 24-86 количество аварийно выброшенного в помещение водорода Унг, при котором образовавшаяся смесь может при взрыве создать давление 5 кПа, составляет 1,5 Z от свободного объема помещения VCB (при Z-0,5 и К-3). Это означает, что при Vh2<0,015-Vcb категория производства по взрывопожарной опас-

ности будет определятся не наличием водорода, а другими горючими веществами ( ЛВЖ.ГЖ и т.п. ). Такая ситуация, в частности, характерна для машинных залов АЭС и ГРЭС с турбогенераторами с водородным охлаждением . Однако , для УСв-Ю5 м'3 это составит 1500 м-1 Нг или 5000 м3 стехиометрической водородно-воздушной смеси . Сгорание такого количества смеси даже в режиме дефлаграции может генерировать ударные волны значительной интенсивности. Предложена методика расчета параметров взрывных волн при дефлаграционном сгорании локальных водородно-воздушных облаков в больших помещениях и приведен пример расчета аварийной ситуации на Экибастузс-кой ГРЭС, имевшей место 12.09.90 г. Показано удовлетворительное согласие между расчетными и реальными параметрами взрыва.

В третьей главе исследуются ударные волны, генерируемые при сгорании горючих газовых облаков в открытом пространстве. На специально созданной полигонной установке изучалось дефлаграционное и детонационное горение предварительно перемешенных смесей СН4+20г+М2 и 2Н2+О2+И2, заключенных в прозрачную оболочку цилиндрической формы, различным образом ориентированную относительно поверхности земли. Использовались горизонтальные, наклонные, вертикальные, приподнятые над поверхностью земли цилиндры объемом 3,1 м3 с соотношением длины (Ь) к диаметру (Ш 1/й = 5 и 14, а также сферы равного объема, размещаемые у поверхности земли или приподнятые ( высота центра сферы 11 - 3 м ). Инициирование горения осуществлялось разрядом емкости через нихрсмовую проволочку с запасенной энергией 1-10 Дж. Для возбуждения детонации пережигаемая проволочка размещалась внутри перфорированной металлической сферы, размеры и параметры которой выбирались таким образом, чтобы на выходе из сферы формировалась сферическая детонация. В процессе опытов измерялись видимая скорость горения и параметры воздушных волн в ближней (2-15 м) и дальней (30-80 м) зонах от места

взрыва.

Экспериментально установлено, что при дефлаграции горизонтальных объемов цилиндрической формы для Ь/Б-б волны сжатия сравнимы со случаем сгорания полусферического облака равного объема. При дефлаграционном сгорании смесей в широких цилиндрах ( Ь/1>5 ) отчетливо проявляются три фазы распространения пламени ( сферическая, переходная и одномерная ), от которых зависит характер и амплитуда взрывных воздушных волн. С увеличением отношения 1/П интенсивность волн сжатия уменьшается. С подъемом газовых зарядов над поверхностью земли отмечено заметное увеличение импульсов положительной и отрицательной фаз давления.

На рис.3 представлены экспериментальные данные по измерениям максимального избыточного давления в воздухе при газовой детонации для цилиндрических объемов Рэ, отнесенного к максимальному избыточному давлению взрыва при сферической детонации равного объема у поверхности земли РэШ, в зависимости от безразмерного расстояния !-1?Л?(1), где 1?(1) - радиус эквивалентной сферы. Индексы "2" и "3" относятся к горизонтальным цилиндрическим объемам с Ь/Б - 5 и 14, соответственно; 4 - к наклонному , 5 - к вертикальному, 6 - приподнятому ( высота подъема Ь -3 м ) цилиндрическому объему ( 1Л) - 5 ) при иницировании горения в нижней части цилиндра. Видно, что при детонации смеси параметры воздушных ударных волн существенно зависят от их ориентации относительно земли и превышают соответствующие значения для сферического облака в 1,5-2 раза. С ростом отношения 1/й приведенное давление Рэ/Рэ(1) в дальней зоне Г > 30 резко уменьшается. Для ближней зоны Г < 20 эффект носил обратный характер.

Для приподнятых цилиндрических облаков наблюдалось значительное влияние местоположения источника возбуждения детонации на ударные воздушные волны в ближней зоне взрыва . Анализ экспери-

2.2 1.8 1.4

1.0-

0.6

9 i

з;

К/

$ x ^

15"

4Ь

о___

_4_ 2

60

8b

.-- о.

100

Рис.3. Зависимость относительного максимального избыточного давления в ударной волне Р3/Р3(1) при различной ориентации цилиндрического облака относительно поверхности земли от безразмерного расстояния Ь .

Рис.4. Зависимость критической энергии возбуждения детонации от параметра в для смесей CH4+2(02+BN2) и 2H2+O2+BN2 : 1 - Bull, 2 - Bony, Matsui, +- Макеев; - источник возбуждения искра ;*- Гостинцев,*- Бохон, 0" Bull - заряд ВВ;

- настоящая работа (газовый заряд) : светлые точки - нет детонации, темные - детонация; А - детонация; Б - дефлаграция.

5

ментальных результатов показал, что в ближней зоне (1<20) давление в ударной волне при размещении источника воспламенения сверху превышает соответствующее значение при воспламенении в нижней части цилиндра. На больших расстояниях (Ь>50) различие отсутсвует.

Таким образом, в результате проведенных исследований показано значительное влияние ориентации и формы облака, места расположения источника зажигания на параметры ударных волн при дефлагра-ции и детонации газовых смесей , которые должны учитываться при оценке опасности взрывов облаков различной формы , образующихся при аварийных и промышленных выбросах горючих газов и паров в атмосферу.

Вопросы перехода медленного сферического горения в самоподдерживающуюся детонацию (1Щ) имеют принципиальное значение как с научной, так и с практической точек зрения, т.к. дефлаграция и детонация предъяляют существенно различные требования к системам пожаровзрывопредупреждения, оценкам нагрузок на строительные конструкции и т.д. В работе экспериментально изучалась возможность перехода от дефлаграции к детонации смесей СН4+2(02+ВМг) и гНг+Ог+йМг (в-0-3,76) объемом 6 м3 в частично загроможденном пространстве. Для загромождения использовались в различных комбинациях три тонкостенные металлические концентрически расположенные сферы-турбулизаторы с большим количеством отверстий. Коэффициент проницаемости сфер составлял от 0,1 до 0,4 , соотношение диаметров 1:2:4 . Отношение объема, занятого турбулизатором, к объему горючей смеси составляло от 0,01 до 0,48 % . Горение инициировалось в центре сфер пережигаемой нихромовой проволочкой.

Серия проведенных экспериментов показала, что при наличии сфер-турбулизаторов переход от дефлаграции к детонации наблюдается в смесях СН4+2(02+ЗМг) при 0<1 и гНг+Ог+ДОг при В<3,2 (Рис.4). Сферическая детонация возникает внутри внешней сферы и распрост-

раняется вне ее по всему объему смеси. Таким образом, небольшое обогащение кислородом водородно-воздушной смеси (до Б-3,2 , что соответствует увеличению содержания кислорода в воздухе с 21 до 23,8 % об.) при наличии загромождения пространства в объеме менее 6-10~3м3 привело к возникновению самоподдерживающейся детонации; для метана аналогичный эффект достигался при обогащении воздуха кислородом до 50 X. На основании полученных данных высказано предположение, что для воздушных смесей (0-3,760 водорода и метана критический размер загроможденного пространства, при котором возможен переход к детонации, составляет по порядку величины 1 и 10 м, соответственно. Это указывает на необходимость экспертной оценки возможности ПДЦ при разработке систем взрывопожаробезопас-ности технологических процессов и объектов с наличием ГГ.

В ряде работ отмечалось, что в зависимости от условий подачи огнетушащих или флегматизирующих веществ (порошки, распыленная вода, инертные газы и т.д.) в быстрогорящую топливно-Еоздушную газовую смесь, могут наблюдаться нежелательные эффекты, связанные с ускорением процесса горения и переходом от дефлаграции к детонации. Это явление изучалось на смесях гНг+Ог+ДОг (3=0-3,76) при подаче воды и порошка в верхней части цилиндрического объема. Вода подавалась через стандартные распылители центробежного или ударного типа, обеспечивающих интенсивность подачи еоды до 0,5 л/(м2-с) со средним размером капель 0,05 и 0,5 мм .соответственно. Часть опытов была проведена с подачей компактной струи воды. Порошок марки ПГС-М (П) подавался из цилиндрического насадка, размер частиц - 70мкм . Интенсивность подачи порошка составляла 150г/с. Горение инициировалось в нижней части объема на расстоянии 0,7 м от дна. Источником воспламенения служила пережигаемая нихромовая проволочка. Для водородно-воздушных смесей орошение водой приводило к возрастанию максимальной скорости горения с 35

до 92 м/с и увеличению перепада давления в волнах сжатия более чем на порядок (с 0,02-0,04 до 0,3-1 кПа). Явление перехода к детонации наблюдалось в смесях гНг+Ог+В^ при в<2 при орошении смеси в момент инициирования распыленной водой с интенсивностью 0,5 л/(м2-с) и средним размером капель 0,5 мм . Аналогичный эффект наблюдался при в<1 и размере капель порядка 0,05мм, а также при подаче воды компактной струей. При распыливании порошка ПГС-М увеличение скорости распространения пламени и давления в волне сжатия оказались незначительными, что свидетельствует о том, что газодинамическое воздействие порошка компенсировалось химическим.

Результаты проведенных исследований привели к одному очень важному практическому выводу - если на горючую газовоздушную смесь при воспламенении накладываются внешние турбулизирующие возмущения (либо с помощью частичного загромождения пространства, либо чередующимися препятствиями, либо дисперсными струями порошков, воды и т.п.), то процесс горения смеси может ускоряться вплоть до перехода в детонацию при определенных условиях. Подобные явления ускорения горения и усиления взрыва неоднократно отмечались на практике при подаче распыленной воды в зону скопления горючих газов и не находили объяснения у специалистов. В связи с этим, на основании экспериментальных исследований предлагается ограничить, а в отдельных случаях полностью исключить использование еоды при аварийных проливах сжиженных газов в качестве средства флегматизации топливно-воздушного или топливно-кислород-ного облака. Эта рекомендация может быть полезной также в тех случаях, где по условиям технологии возможно образование взрывоопасной среды (атомные реакторы, аккумуляторные отсеки и т.п.).

В четвертой главе изучаются параметры пожаровзрывоопасности аварийных выбросов природного газа на объектах добычи, переработки и транспортировки . В крупномасштабных экспериментах, прове-

денных на пожарном полигоне в г.Н-Уренгой, моделировались струйные выбросы ГГ вдоль поверхности земли, а также случай загромождения устья скважины различного рода предметами, при этом истечение газа происходило с площади 10 м2 со скоростью несколько м/с. Расход природного газа в экспериментах составлял 0,5-4,5 млн.м^/сут. Содержание метана в нем превышало 96% об. Задержка воспламенения варьировалась от 5 до 300 секунд с момента выхода на заданный режим. Источником воспламенения являлся факел газового конденсата, который вводился в различные зоны топливно-воздушного облака, образующегося при истечении ГГ. Датчики давления ЛХ-610 размещались на расстоянии 10 и 20 м параллельно оси струи.

По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы.

- При воспламенении струй природного газа, истекающих в открытое пространство, воздушных волн значительной интенсивности зафиксировано не было. Даже при расходе 4,5 млн м3/сут , когда размеры горючего облака составляли приблизительно 65x10x10 м3, зарегистрированное датчиками избыточное давление не превышало 2,5 кПа, что является неопасным для человека и оборудования и сравнимо с шумом от негорящей струи, составляющим при таком расходе газа на данном расстоянии 130 дб . При аналогичных экспериментах с рассеянными факелами избыточное давление в воздушной волне было еще меньше.

- Скорость распространения пламени при воспламенении горючего облака не превышала 30-50 м/с .

Таким образом, проведенными крупномасштабными экспериментами показано, что при истечении природного газа в открытое пространство опасность взрывных волн для окружающих объектов можно не рассматривать.

Основную опасность для человека и окружающего оборудования

в этом случае представляют высокотемпературная поверхность пламени и тепловое излучение от самого факела. Зафиксировано, ^то увеличение длины настильного факела составило 15-25%. по сравнению с вертикальным и горизонтальным, т.е. дифицит окислителя покрывался увеличением поверхности горения. Характер сгорания газа при рассеянном факеле был подобен горению жидкого топлива с большой площади. Недостаток окислителя приводит к тому, что избыток газа сгорает в виде огненных шаров с большим количеством сажи, что приводит к увеличению доли лучистой энергии, идущей на излучение. Такой факел представляет наибольшую опасность для окружающих объектов и людей. Предложены методы расчета геометрических параметров и теплового излучения настильных и распыленных факелов в ближней зоне.

В приложении представлены комплекс расчетных программ, разработанных на основе предложенных моделей, методика оценки параметров ударных волн при дефлаграции и детонации топливно-воздушных облаков и таблицы необходимых для расчета справочных данных.

ВЫВОДЫ.

1. Проведенный обзор аварий со взрывами и пожарами на объектах, используюищх горючие газы, а также анализ отечественных и зарубежных исследований по вопросам обеспечения пожаро- взрывобе-зопасности, показали, что ряд вопросов в этой области остаются открытыми. Обоснована необходимость дальнейших исследований, определены цели и задачи работы.

2. Рассмотрена физико-математическая модель сгорания локального объема перемешанной смеси в закрытом сосуде. Проведены численные расчеты и получены зависимости максимального относительного давления от объемной концентрации горючего для метано-воздуш-

ной и водородно-воздушной смесей.

3. Проведены экспериментальные исследования сгорания локального объема предварительно перемешанной водородно-воздушной смеси в замкнутом сосуде. Установлено, что максимальное относительное давление ят пропорционально количеству водорода в смеси, а максимум зависимости прироста давления от состава смещен от стехиометрии в сторону бедных смесей и реализуется при концентрации водорода- СН2-22Х об. Предложена инженерная формула для определения максимального давления в зависимости от массы водорода в объеме.

4. Разработана и экспериментально апробирована методика оценки максимального давления для локальных неоднородных по концентрации горючего водородно-воздушных смесей в замкнутом объеме, что позволяет наряду с максимальным давлением определить его изменение в зависимости от времени задержки воспламенения.

Предложена методика расчета параметров ударных воздушных волн при дефлаграционном сгорании локальных горючих облаков в больших помещениях.

5. Проведено экспериментальное изучение дефлаграционнсго и детонационного сгорания газовых облаков вытянутой формы, ориентированных различным образом относительно поверхности земли. При дефлаграционном сгорании приподнятых облаков получено значительное увеличение импульса как положительной, так и отрицательной фазы. Ударные волны, зафиксированные при детонации цилиндрических облаков, превышают случай сферической симметрии. Показана зависимость избыточного давления в УВ от места инициирования детонации для цилиндрических облаков.

7. Исследовано ускорение фронта пламени при наличии сферических туроулизаторов. Получен переход от дефлаграционного горения к детонации в смесях СН4+2(02+В1Ы при ви и ЕНг+Ог+вИг при 043,2 . На основании полученных результатов дан прогноз по крити-

- 2Z -

ческим размерам загромождения, при котором возможен переход к детонационному процессу сгорания: для водородно-воздушной смеси -порядка 1 м , метано-воздушной -Юм.

8. Проведенные экспериментальные исследования показали, что орошение мелкодисперсной водой горючих газовых смесей интенсифицировало процесс горения. Для смеси 2H2+02+CN2 при ß<2 получен переход от дефлаграционного горения к детонации. При распиливании порошка ПГС-М увеличение скорости распространения пламени и давления в волне сжатия оказались незначительными. На основании экспериментальных исследований предлагается ограничить, а в отдельных случаях полностью исключить использование воды'при аварийных проливах сжиженных газов в качестве средства флегматизации топ-ливно-воздушного или топливно-кислородного облака. Эта рекомендация может быть полезной также в тех случаях, где по условиям технологии возможно образование взрывоопасной среды (атомные реакторы, аккумуляторные отсеки и т.п.).

9. Проведеные крупномасштабные экспериментальные исследования пожаровзрывоопасти реальных выбросов природного газа с расходами до 4,5 млн м3/сут показали, что при истечении природного газа в открытое пространство опасность взрывных волн для окружающих объектов можно не рассматривать. Предложены методики расчета геометрических параметров настильных и рассеянных факелов, а также эмпирические коэффициенты для физико-математической модели расчета теплового излучения в ближней зоне.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Макеев В.И., Пономарев A.A., Строгонов В.В., Болодьян И.А. и др. Особенности горения и переход к детонации газовых смесей при орошении водой/УПроблемы горения и взрыва. Материалы IX Всес.симпоз.по горению и взрыву, г.Суздаль,1989,т.5 . С.50-53.

2. Пономарев A.A., Строгонов B.B., Бабаров B.B. Влияние распыленной воды и ингибирующего порошка на горение водородных газовых смесей в большом обьеме// Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений: Материалы X Всесоюз. науч.-практ.конф.- М.: ВНИИПО.- 1990. С.50 - 51

3. Макеев В.И., Пономарев A.A., Строгонов В.В. Оценка параметров взрыва под Уфой 03.06.89 // Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб.тр.-М.:ВНИИПО.-1990.-N1251.- С.21-27.

4. Пономарев A.A., Строгонов В.В., Красильников К.П., Ульяновский

B.В. Испарение и горение жидкого водорода при проливе в частично ограниченное пространство//Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб.тр.- М.:ВНИИП0.- 1990.- N1251.-

C.66-69 .

5. Пономарев A.A., Бабаров В.В., Красильников К.П., Ульяновский

B.В. Экспериментальное исследование влияния водяных завес при при проливах жидкого водорода//Пожаровзрывоопасность сжиженных и газообразных горючих: Сб.тр.- М.:ВНИИП0.- 1990.- N1251.-

C.69-71 .

6. Макеев В.И., Пономарев A.A., Строгонов В.В. Расчет параметров взрыва при выбросах водорода на ГРЭС//Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства: Материалы Х1Всесоюз.науч.-практ.конф.-М.:ВНИИПО, 1992.- С.90-91 .

7. Пономарев A.A., Строгонов В.В, Макеев В.И., Некрасов В.П., Бабаров В.В. Горение локального объема водорода в замкнутом сосуде// Пожаровзрывобезопасность. - 1992, N3. - С.30-33 .

8. Makeev V.l., Ponomarev A.A., Strogonov V.V. Gas mixture combustion and transition to detonation in the present of obstacles//Book of abstracts, IV Int.seminar on flame structure, Aug.18-21, 1992, Novosbirsk, Russia, p.150-151 .

9. Бабаров B.B., Макеев В.И., Пономарев A.A., Строгонов В.В. Де-

тонация H2-O2-N2 смесей при наличии препятствий //В кн.Детонация: Тезисы X Симпозиума по горению и взрыву -Черноголовка,ИХФ РАН РФ,1992.- С.101 - 102

Ю.Макеев В.И., Пономарев А.А., Строгонов В.В., Карпов В.Л. Горение и переход к детонации газовых смесей в пространстве с частичным загромовдением//Пожаровзрывобезопасность, 1993, т.2, N2. С.3-6 .

11.Makeev V.I., Ponomarev A.A., Strogonov V.V. Experimental study the effect of orientation of gaseous cloud on the parameters of deflagration and detonation // Proceedings of the Russian-Japanese seminar on combustion.- Chernogolovka,1993,P.193-194.

12.Пономарев А.Д., Макеев В.И., Строгонов В.В. и др.. Взрывопожа-роопасность цилиндрических горючих газовых облаков при различной ориентации их относительно земли//Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ.Материалы XII Всерос. науч.-практ. конф.- М.: ВНИШ10.-1993.С.244-245.

13.Карпов В.Л., Пономарев А.А., Строгонов В.В. Параметры пожа-ровзрывоопасности настильных факелов природного газа.//Науч-но-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ. Материалы XII Всероссийской научно-практ.конф.-М.: ВНИИПО.-1993.С.247-248.

14.Макеев В.И., Пономарев А.А., Строгонов В.В. Горение и переход к детонации газовых смесей в пространстве с загромождением// Физика горения и взрыва - 1993. - т.29, N3. - С.171-174 .