Прогнозирование, расчеты и оценка обстановки при пожаре разлития

При нарушении герметичности сосуда, содержащего сжиженный горючий газ или жидкость, часть (или вся) жидкости может заполнить поддон или обваловку, растечься по поверхности грунта или заполнить какую-либо естественную впадину.

Рисунок 2.1 – Расчетная схема пожара разлития

Если поддон или обваловка имеют вертикальный внутренний откос, то глубину заполнения можно найти по формуле:

(7)

где h – глубина заполнения поддона, м;

m_ж – масса разлившейся жидкости, кг;

р_ж – плотность разлившейся жидкости, кг/м²;

F_под – площадь поддона, м².

При авариях в системах, не имеющих защитных ограждений, происходит растекание жидкости по грунту или заполнение естественных впадин. Обычно при растекании на грунт площадь разлива ограничена естественными и искусственно созданными границами (дороги, дренажные канавы и т. п.), а если такая информация отсутствует, то принимается толщина разлившегося слоя, равной h = 0,05 м, и определяют площадь разлива по формуле:

(8)

где F_раз – площадь разлива, м²;

m_ж – масса разлившейся жидкости, кг;

h – глубина заполнения поддона, м;

р_ж – плотность разлившейся жидкости, кг/м².

По исходным данным задания рассчитаем данную площадь, немного преобразовав формулу:

(9)

Отличительной чертой пожаров разлития является «накрытие» (рис. 2.1) с подветренной стороны, которое может составлять 25—50% диаметра обвалования:

(10)

где D – диаметр обвалования, м;

r – радиус обвалования, м;

F_раз – площадь разлива, м².

Найдем этот диаметр, подставив в формулу, найденную ранее площадь:

(11)

Радиус обвалования при этом равен:

(12)

Пламя пожара разлития при расчете представляется в виде наклоненного по направлению ветра цилиндра конечного размера (см. рис. 2.1), причем угол наклона зависит от безразмерной скорости ветра:

(13)

где Θ – угол наклона пламени;

W_в – безразмерная скорость ветра.

Геометрические параметры факела пожара разлития находятся по формуле Томаса:

(14)

где D – диаметр обвалования, м;

L – высота пламени пожара разлития, м;

a, b, c – константы;

m_выг – массовая скорость выгорания, кг/(м²с);

р_в – плотность воздуха, кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

W_в – безразмерная скорость ветра.

Безразмерная скорость ветра вычисляется по формуле:

(15)

где W_в – безразмерная скорость ветра;

w – скорость ветра, м/с;

D – диаметр обвалования, м;

m_выг – массовая скорость выгорания, кг/(м²с);

р_п – плотность пара, кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м/с².

Используя формулу (14), подставим в нее известные нам данные и найдем безразмерную скорость ветра:

(16)

Теперь по формуле (13) найдем геометрические параметры факела пожара разлития:

(17)

То есть высота пламени пожара разлития составит:

(18)

По формуле (12) определим косинус угла наклона пламени пожара разлития:

(19)

Используя таблицы Брадиса определяем, что Θ=49⁰.

Эмпирические коэффициенты в формуле Томаса (а = 55; b = 0,67; c = –0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона изменения параметров:

(20)

(21)

Скорость выгорания жидкости определяют, как правило, экспериментально. Для экспертной оценки скорости выгорания пользуются эмпирической формулой:

(22)

где m_выг – массовая скорость выгорания, кг/(м²с);

Q_р^н – низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг;

р_ж – плотность жидкости, кг/м³;

L_исп – скрытая теплота испарения жидкости;

С – коэффициент пропорциональности, равный 1,25 × 10^–6 (рис 2.2).

Рисунок 2.2 – Обобщение экспериментальных данных по скорости выгорания различных жидкостей: 1 – метанол; 2 – диэтилентриамин; 3 – ацетон; 4 – диметилгидразин; 5 – ракетное топливо; 6 – ксилол; 7 – бензин; 8 – бензол; 9 – гексан; 10 – сжиженный природный газ; 11 – трансформаторное масло; 12 – сжиженный нефтяной газ

Плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку, расположенную на уровне грунта вычисляется по формуле:

(23)

где q_пад – плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку,

кВт/м²;

q_соб – средняя по поверхности плотность потока собственного излучения

пламени, кВт/м²;

φ – угловой коэффициент излучения с площадки на боковой поверхности пламени пожара розлива на единичную площадку, расположенную на уровне грунта (рис. 2.1), определяемый по графику на рис. 2.3.

Для этого сначала необходимо определить угловые коэффициенты излучения по графику зависимости углового коэффициента излучения с цилиндрического пламени пожара на элементарную площадку от R/r для различных расстояний R от центра пламени, приняв для простоты расчета L/r=29.74/14.3=2.08. Возьмем максимальное значение L/r=1.5.

Рисунок 2.3 – Зависимость углового коэффициента излучения φ цилиндрического пламени пожара разлития на элементарную площадку от R/r

Результаты расчетов сведем в таблицу:

Таблица 1 – Угловые коэффициенты излучения.

R/r		1,5		2,5		3,5		4,5		5,5		6,5
R,м	14,3	21,45	28,6	35,75	42,9	50,5	57,2	64,35	71,5	78,6	85,8		100,1
φ		0,8	0,6	0,44	0,33	0,26	0,2	0,17	0,14	0,12	0,1	0,08	0,07

Затем, приняв q_соб=60,кВт/м², найдем плотность потока теплового излучения на разных расстояниях от границы пламени:

Таблица 2 – Плотность потока теплового излучения.

R, м	14,3	21,45	28,6	35,75	42,9	50,5	57,2	64,35	71,5	78,6	85,8		100,1
qпад, кВт/м2				26,4	19,8	15,6	11,8	10,2	8,3	7,1	5,7	4,4	3,1

Из результатов расчетов следует, что безопасным для персонала будет расстояние обваловки R=100.1 м, где плотность теплового потока будет меньше 4.0 кВт/м².

Вероятность смертельного поражения человека тепловым излучением на разных расстояниях от границы пламени найдем, определив величину пробит-функции:

(24)

где q – плотность теплового потока, падающего на элементарную площадку,

кВт/м²;

τ – время термического воздействия, с.

Время термического воздействия рассчитывается по формуле:

(25)

где τ₀ – характерное время обнаружения пожара(допускается принимать 5 с),

с;

R – расстояние от места расположения человека до зоны, где плотность потока теплового излучения не превышает 4 кВт/м², м,

υ – скорость движения человека (допускается принимать 5 м/с), м/с.

Таблица 3 – Вероятность смертельного поражения человека тепловым излучением.

R, м	14,3	21,45	28,6	35,75	42,9	50,5	57,2	64,35	71,5	78,6	85,8		100,1
Pr	9.8	9.4	8.8	8.1	7.37	6.83	6.09	5.59	5.3	4.95	4.32	3.23	1.52
Pпор, %		99.1

Как видно из данных расчетов, радиус зоны безопасности (0% погибших) равен примерно 100.1 м от границ пламени.