Расположение датчиков систем сигнализации по опасной
концентрации газов в воздухе помещений
Л.М. ФАСТОВ, д-р техн. наук (ООО
Предприятие «Системы технического надзора. Научно-исследовательский центр
экспертизы техники повышенной опасности»)
В
статье Н.И. Брагина, Н.А. Бушуева, А.Н. Великанова и др. «Электронные системы
предупреждения о газовой опасности на объектах жилищно-коммунального хозяйства,
топливно-энергетического комплекса, на предприятиях и в общественных
учреждениях» (Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 2. - С. 67-68),
на с. 68 сказано, что «...до сих пор не решен вопрос о нормативной площади
обслуживания одним сигнализатором горючих газов...».
Автор
статьи представляет для опубликования имеющиеся данные, опровергающие указанное
утверждение:
1.
С 1988 г. действует Инструкция по установке систем сигнализации загазованности
подвальных помещений (РД 204 РСФСР 3.6-88), разработанная Гипрониигазом (г.
Саратов) совместно с управлением «Ленпромгаз» (руководитель темы Л.М. Фастов) и
утвержденная приказом Минжилкомхоза РСФСР от 30.12.87 № 195. В инструкции в
разделе 2 (с. 6-7) даны рекомендации по выбору площади контролируемого помещения
и установке датчиков системы сигнализации загазованности помещений.
2.
Имеется также патент № 2059292 «Способ формирования охранного пространства
загазованного подвального помещения», зарегистрированный в государственном
реестре, в котором, в дополнение к вышеуказанной инструкции, приведена формула
определения минимальной площади контролируемого помещения в зависимости от
величины утечки газа и времени, необходимого для ликвидации аварийной ситуации
(время от принятия заявки аварийной службой Горгаза до ее прибытия и устранения
утечки газа).
В
основу указанных документов положены аналитические и длительные трудоемкие
экспериментальные исследования. Первым этапом исследований было определение
минимальной кратности воздухообмена в плохо вентилируемых помещениях и
помещениях, не имеющих вентиляции, что представляет наибольшую опасность при
проникновении в них газа. Результаты работ, проведенных в Саратове в помещениях
(подвалы общественных зданий, учебных заведений, дворцов культуры и
кинотеатров, торговых заведений и жилых домов, общее количество обследуемых
объектов - 53), показали, что с некоторым запасом минимальную кратность
воздухообмена можно принять равной 1. Эта величина согласуется с результатами
более ранних исследований, проведенных Гипрониигазом совместно с Ленинградским
инженерно-строительным институтом в Якутске в зимний период на кухнях
газифицированных квартир жилых домов. Использовался радиометрический метод с
созданием концентрации индикаторного газа, меченного криптоном-85[1].
На
рис. 1 показан план одного из обследованных подвалов зданий с расположением
датчиков системы сигнализации загазованности в соответствии с [2]. В целях увеличения площади охраняемого пространства в
смежных помещениях подвала под потолком предусмотрены открытые проемы.
Аналитические
исследования [3] проводились для природного
газа (метана) в представлении, что он непрерывно поступает в замкнутый объем
помещения сразу вверх в виде восходящей струи, состоящей из условно дискретных
объемов шаровой или цилиндрической формы.
Уравнение
движения такой струи может быть представлено в следующем виде:
(1)
где
mr -
масса дискретного объема газа; X-высота подъема газового объема; FА
- Архимедова сила, FА
= 4/3pr3 r
вg;
r-
радиус дискретного объема; rв - плотность
воздуха; g - ускорение свободного падения; FТР - сила трения
газового шара о воздух, по формуле Стокса: FТР = 6pmвrn;
mв
- динамическая вязкость воздуха; n
- скорость распространения газа; Р- вес дискретного
объема газа, Р= 4/3pr3
r
1g;
rr -
плотность газа.
Учитывая незначительную энергию свободного восхождения потока газа в атмосфере окружающего воздуха при небольшой высоте помещения (3-5 м), для практических целей вполне доступно пренебрежение эжекций воздуха потоком газа.
Преобразуя
уравнение (1), получаем дифференциальное уравнение для скорости движения
дискретного объема газа
(2)
Решая
это уравнение с учетом, что скорость дискретного объема газа в начальный момент
времени равна нулю, т.е. n - 0 при i = 0, получаем
(3)
Сомножитель
в скобках представляет собой поправку к известной формуле Стокса [4, 5]. Интегрируя формулу (3)
по х от 0 до х и по i от 0 до i, получаем
закон изменения высоты подъема газового объема:
(4)
где
Избыточное
давление Ризб, которое возникло бы в газовом цилиндре
площадью S, радиусом г, высотой h, если бы он не имел
возможности изменять собственные размеры:
(5)
Согласно
[5] примем следующую зависимость для силы
трения газа о воздух, возникающей при растекании объема газа,
(6)
После
ряда преобразований получим:
(7)
Результаты
компьютерных расчетов с использованием численного метода Рунге-Кутта для
различных объемов газа, поступающих в помещение от 0,1 до 100 м3/ч,
позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Распространение газа в подвижной воздушной среде происходит в основном за счет конвективного обмена, а в неподвижной - за счет гравитационных сил. Диффузия газа в воздухе в этом случае, как фактор создания взрывоопасных концентраций, практического значения не имеет.
2.
Газ восходящей струей быстро поднимается вверх. Примерно через 1 -2 с он уже
оказывается у потолка помещения, коснувшись которого, сразу растекается по нему
сравнительно тонким слоем.
3.
Происходит послойное покрытие последующих слоев газа по предыдущим. При этом
концентрация газа в воздухе в общем слое начинает возрастать по мере
приближения к потолку помещения.
Экспериментальные
исследования проводились в помещении площадью 32,5 м2 размером 5,7´5,7
м и высотой 3 м. В помещении была выполнена хорошая герметизация дверного и
оконных проемов и обеспечена низкая кратность воздухообмена, около 0,5
(критические условия для подвальных помещений). Помещение имело одинаковую
температуру внутри и снаружи, что исключало конвективный воздухообмен. Газ в
атмосферу помещения подавался снизу (средняя часть стены). Концентрацию газа в
воздухе замеряли по оси помещения в трех местах: у стены над впуском газа, в
середине помещения, у противоположной стены. В каждом из указанных мест камеры
замеры проводились на одинаковой высоте в трех точках: на расстоянии 3 см от
потолка, 1,5 м от пола и 3 см от пола. Расход газа замерялся счетчиком, а его
концентрация в воздухе - газоанализатором ЕХ-ТЕХ РМ фирмы ФРГ «Герман Северин»
с пределом измерения от 0 до 5 % об. метана и погрешностью 0,2 % от
максимального предела измерения.
Утечки
газа были условно разделены на средние - 3 м3/ч (0,1 м3/ч
на 1 м2), большие - 9 м3/ч (0,3 м3/ч на 1 м2)
и максимальные (рис. 2,3).
В
предложенном способе формирования охранного пространства загазованного
подвального помещения [6], включающем установку
датчиков на его потолочной зоне с удалением от потолка на 100-200 мм, с учетом
времени, необходимого для прибытия аварийной службы, минимальная площадь
контролируемого помещения каждым датчиком рассчитывается по формуле
, (8)
где
К- коэффициент, изменяется в диапазоне 0,1 -0,3 (при утечке газа 5 м3/ч
- 0,1; 10 м3/ч - 0,2; 15 м3/ч - 0,3); q - утечка
газа в помещении, м3/ч; i - время, необходимое
для ликвидации аварийной ситуации с момента поступления сигнала, мин.
Нельзя
не отметить то, что материалы, опубликованные в журнале авторами из НПП
«Алмаз», базируются на умозрительном подходе к решению такого важного вопроса, как
размещение датчиков системы предупреждения газовой опасности. Очевидно, не
проводились ни аналитические, ни экспериментальные исследования, а также сбор
статистического материала по отравлениям оксидом углерода (угарным газом)
обслуживающего персонала в котельных. Также необходимо учесть, что плотность
оксида углерода и воздуха при нормальных условиях практически одинакова (1,25 и
1,29 кг/м3), а температура в топке (в градусах Кельвина), откуда
поступает оксид углерода, примерно в 3 раза выше, чем в помещении. В этом
случае оксид углерода будет еще более активно восходить вверх, чем природный
газ и примерно также растекаться по потолку помещения. Налеты сажи на топочных
щитках свидетельствуют об этом. Следовательно, датчики по оксиду углерода
должны располагаться так же, как по природному газу - у потолка помещения, а не
на расстоянии 1,5 м от пола.
Список литературы
1.
Шмагин Ю.А., Иделевич И.Х. Санитарно-гигиеническая оценка воздушной среды в
кухнях газифицированных квартир в районах Крайнего Севера. Использование газа в
народном хозяйстве. Сб. статей, вып. XIV. - Изд-во Саратовского университета,
1979. - С. 70-75.
2.
ФастовЛ.М. и др. Инструкция по установке систем сигнализации загазованности
подвальных помещений (РД 204 РСФСР 3.6-88). - Саратов, 1988. - 22 с.
3.
Система сигнализации загазованности подвальных помещений/Л.М. Фастов, С.В.
Вааз, М.С. Недлин и др. Промежуточный отчет Гипрониигаза. - Саратов, 1986.
4.
Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986.- 736 с.
5.
ХаппельДж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир,
1976. - 630 с.
6.
Пат. 2059292 Россия, C1G08B17/10. Способ формирования охранного пространства
загазованности подвального помещения / Л.М. Фастов, А.Л. Закгейм;
Опубл.27.04.96; Приоритет 16.06.92, Бюл. № 12.
Журнал "Безопасность труда в промышленности" № 8,
2007 г.
