На сьогодні в Україні діє досить вичерпна нормативна база в галузі будівництва та організації протипожежних заходів, що включає питання дотримання пожежної безпеки при проектуванні, реконструкції та експлуатації енергетичних підприємств. Протипожежні відстані слід встановлювати в залежності від призначення, категорії за вибухопожежною та пожежною небезпекою, ступеня вогнестійкості споруд відповідно до вимог нормативних документів, що діють на території України

 

Реформування енергетичної галузі, вдосконалення технологій, що існують, і створення нових способів виробництва енергії сприяють розвитку нетипових енергетичних підприємств з новим нестандартним обладнанням і технологічними процесами, ризик виникнення і масштаб небезпечних ситуацій яких сьогодні не досліджений, тому протипожежні вимоги для них фактично відсутні. У такому випадку визначення величини протипожежних відстаней можуть здійснюватися з використанням розрахункових методів.

Прикладом сучасного, нетипового енергетичного підприємства є комплекс з виробництва біогазу (далі – Комплекс), побудований в смт Рокитне Київської області. Особливість полягає в тому, що об’єкт одночасно може виробляти газ, електрику і тепло шляхом генерації газу з відходів сільського господарства. У зв’язку з відсутністю нормативних вимог, зокрема щодо протипожежних відстаней для таких виробництв, актуальним завданням є обґрунтування безпечної відстані між ферментатором з виробництва біогазу на основі обчислювального експерименту з моделювання небезпечних факторів вибуху і пожежі при порушенні нормального режиму роботи ферментатора.

 

Опис об’єкта

Технологічним процесом передбачена ферментація (зброджування) сирої біологічної сировини (силосу, відходів від цукрових буряків, кукурудзи тощо) в метантенках з поступовим виділенням біологічного газу, що тимчасово накопичується в газгольдерах, а потім використовується на господарські потреби або для спалювання в генераторній для виробництва тепла та електроенергії. Основною спорудою Комплексу виробництва біогазу є ферментатор з максимальним об’ємом газу 217 м³, що складається з двох основних огороджувальних частин, а саме: пружної оболонки з поліефірної тканини балістичного плетіння з двостороннім поліуретановим покриттям, затягнутої кільцем (покрівля ферментатора), і залізобетонного резервуара (корпус ферментатора) (рис. 1).

 

Висота оболонки ферментатора – Н1 = 6000 мм; товщина оболонки – h = 0,9 мм; радіус опорного кільця – r₁ = 12 300 мм. Розрахунок огороджувальної конструкції ферментатора виконувався для пояса заввишки 1 м на відстані 1,5 м від дна, оскільки на нього впливає максимальне сумарне зусилля надлишкового тиску газу і гідростатичного тиску рідини. Нижній пояс не брався до уваги, враховуючи, що він зовні розміщений у ґрунті. Розрахунки виконувалися з урахуванням конструктивних особливостей резервуара зі збірного залізобетону, загальна висота якого становила 8500 мм, а діаметр – 24 600 мм (рис. 1).

Стінка циліндра жорстко пов’язана з плитою днища, середня товщина стінки складає 300 мм з урахуванням захисного шару. Середня щільність армованого залізобетону – 2 500 кг/м³, використовується арматура А500С, що має норматив опору розтягуванню до 500 МПа. Резервуар заповнений рідиною (мокрий мул) з питомою вагою 16,5 кН/м³, на висоту 8000 мм. Коефіцієнт надійності за навантаженням – 1,2.

 

Можливі аварії

Опис аварії, яка може виникнути під час експлуатації ферментатора у результаті порушення технологічного процесу або механічного пошкодження:

– розгерметизація мембрани газгольдера і виникнення в його об’ємі газоповітряної суміші, яка за наявності джерела запалювання (коротке замикання у змішувачі осаду) викликає вибух;

– механічне пошкодження верхньої захисної оболонки ферментатора і мембрани, внаслідок чого відбувається витік газу з резервуара, який при наявності джерела запалювання може спалахнути й підтримувати горіння.

Враховуючи, що територія парку газгольдерів захищена від блискавки, сценарій потрапляння блискавки у газгольдер не розглядається. Додаткові засоби протипожежного захисту газгольдера відсутні. Під час вибуху в одному з ферментаторів виникає можливість пошкодження його конструкцій і їх розкиду в просторі, що може призвести до пошкодження верхньої захисної оболонки сусіднього ферментатора з подальшим розвитком аварії. Тому умовою безпечної відстані між ферментаторами за сценарієм вибуху обрано максимально можливу відстань розльоту уламків ферментатора.

 

Визначення надлишкового тиску

Із загального обсягу біогазу у ферментаторі максимальний обсяг метану (СН₄) становить приблизно 75%, тобто 162,75 м³, діоксиду вуглецю (СО₂) – 15%, сірководню (H₂S) – 2%, водню (Н) – 0-1% та інші гази. Маса метану, яка потрібна для запалювання об’єму при температурі t = 20⁰С і тиску 101,8 кПа, становить 101,91 кг. Вибухонебезпечна концентрація метану – 9,5%. При концентрації понад 16% метан горить без вибуху. Обсяг повітря, необхідний для повного згоряння біогазу такої маси, становить 1519,85 м³.

При обсязі біогазу 217 м³ кількість повітря в газгольдері становить 483 м³, тобто повітря недостатньо для повного згоряння газу. При таких умовах маса газу, яка буде брати участь у горінні, становитиме 31 кг.

Стехіометрична концентрація для СН₄ (С_ст) становить 9,36%. Обсяг газу, відповідний цій концентрації, становить 65,52 м³. Маса метану, яка необхідна для спалювання такого обсягу, становить 41,03 кг.

Підставивши вихідні дані у формулу (1) визначено, що надлишковий тиск вибуху в разі розгерметизації оболонки ферментатора становить 101,35 кПа.

де Р_max – максимальний тиск вибуху стехіометричної газо- або пароповітряної суміші у замкнутому об’ємі, який визначають дослідним шляхом або приймають за довідковими даними. У разі відсутності таких даних дозволено приймати Р_max рівним 900 кПа;

Р₀ – атмосферний тиск, кПа (дозволено приймати рівним 101,3 кПа);

m – маса горючих газів (ГГ), що потрапили в результаті розрахункової аварії до приміщення, що визначаються для ГГ, кг;

Z – коефіцієнт участі ГГ, який може бути розрахований на підставі характеру розподілення газів і парів в об’ємі приміщення;

V свобод – вільний об’єм приміщення, м³;

ρ_г.п. – щільність ГГ при розрахунковій температурі tp, кг ∙ м^-3;

С_ст – стехіометрична концентрація, г/м³.

На стійкість до обчисленого надлишкового тиску вибуху проведена оцінка двох елементів ферментатора: зовнішня пружна оболонка ферментатора і його огороджувальна залізобетонна конструкція для резервуара.

Умовою руйнування елементів ферментатора є:

σ_x ≥ σ_доп       (2),

де σ_х – надлишковий тиск вибуху (при оцінці зовнішньої оболонки ферментатора) (рис. 2) або надлишковий тиск вибуху і гідростатичний тиск рідини (при оцінці цілісності огороджувальної залізобетонної конструкції ферментатора) (рис. 3), Па;

σ_доп – тиск, при якому руйнуються зовнішня оболонка газгольдера і захисна конструкція метантенка, Па.

 

При оцінці дії сил на зовнішню оболонку ферментатора, σ_доп визначається за формулою:

де Р – надлишковий тиск газів, у робочому режимі, 0,5 кПa;

R₁ – радіус від дзеркала поверхні біологічної забродженої маси до стінки оболонки ферментатора, м;

r₁ – радіус опорного кільця резервуара зброджування осаду, м;

F₁ – сила опору опорного кільця пружної оболонки, кПа;

μ – коефіцієнт Пуассона (= 0,45);

h₁ – товщина оболонки (= 0,9 мм).

 

Підставивши значення вихідних даних у формулу (3), за результатами розрахунків, граничне порушення цілісності матеріалу оболонки ферментатора становить 93,3 кПа. Оскільки надлишковий тиск вибуху при оцінці огороджувальної конструкції резервуару зброджування осаду ферментатора, σ_доп приймаємо рівним нормативному опору для осьового розтягування залізобетону (марка бетону В55 і арматура марки А500С), що становить 2,45 МПа.

Гідростатичний тиск визначаємо за формулою (4) і він становить 5,9 кПа.

                    (4),

де γ_g – питома вага рідини в резервуарі, ;

H_k – висота циліндричної стіни, мм;

x_k – висота рідини, мм;

γ_f – коефіцієнт надійності (прийнято 1,2).

Результати розрахунків показали, що зовнішня пружна оболонка ферментатора за впливу на неї нормативного тиску вибуху руйнується, при цьому, оскільки сума надлишкового тиску вибуху і гідростатичний тиск рідини на стінки ферментатора не перевищують значення опору для розтягування залізобетонної конструкції, то таким чином надлишковий тиск вибуху не впливає на визначення безпечних відстаней між ферментаторами.

 

Визначення теплового потоку

При виникненні горіння в одному з ферментаторів, на сусідній діє тепловий потік, при досягненні критичних значень якого можлива розгерметизація зовнішньої оболонки ферментатора з подальшим поширенням пожежі. Також під час моделювання враховувалося середнє значення бокового вітру величиною 5 м/с. Для визначення щільності теплового потоку, випромінюваного палаючим ферментатором, досліджувався вплив діаметра отвору, через який витікає і горить газ, на температуру полум’я і площу перетину факела полум’я. Тому умовою визначення безпечної відстані між ферментаторами приймаємо нерівність:

 

де  – щільність теплового потоку, створюваного факелом полум’я пожежі;  – допустимий тепловий потік.

Розрахункова модель ферментатора наведена на рисунку 4.

де  – приведений ступінь чорноти; С₀ – константа випромінювання абсолютно чорного тіла; T_ф – температура факела; T_ω – температура поверхні, яка опромінюється;  – коефіцієнт опромінення поверхні тіла.

За результатами розрахунків визначено, що найбільше значення щільності теплового потоку, випромінюваного палаючим ферментатором, становить 93916,71 кВт/м².

Значення допустимого теплового потоку q_доп для опромінюваного ферментатора отримаємо з рівняння часу досягнення критичної температури матеріалу на діючі високі температури й визначаємо за формулою:

q_доп =c·r·L· (T₂-T₁)/(t·h) ,                                  (7),

де с – питома теплоємність матеріалу, Дж/(м³ ∙ К); r  – щільність матеріалу кг/м³; L – товщина шару матеріалу, м; T₁ – початкова температура, ⁰С; Т₂ – критична температура, ⁰С; t₂ – час, впродовж якого досягається критична температура, с; h – коефіцієнт поглинання.

За результатами розрахунків визначено, що значення допустимого теплового потоку q_доп становить 34,875 кВт/м².

Алгоритм розрахунку безпечної відстані між ферментаторами за сценарієм виникнення пожежі наведені на рис. 6.

Використовуючи рівняння (6), визначаємо безпечну відстань між ферментаторами за сценаріями виникнення пожежі, де l_пр – довжина (радіус) полум’я; h_пл – висота полум’я, м; r – відстань між ферментаторами, м;  коефіцієнт опромінення.

Розрахунок проводимо шляхом перерахунку по послідовних значеннях до моменту досягнення виконання умови:

                      φ – φ_ист ≤ 0,

де φ – коефіцієнт опромінення;

φ_ист – істинний коефіцієнт опромінення;

де q_доп  – значення допустимого теплового потоку;

q_опр – певне значення теплового потоку.

За результатами розрахунків встановлено, що безпечна відстань, за сценарієм виникнення пожежі між ферментаторами, має бути не менше 20 м.

Висновок

Вирішена актуальна науково-практична задача щодо підвищення вибухопожежної безпеки виробництва біогазу шляхом обґрунтування методики розрахункової оцінки безпечної відстані між ферментаторами для виробництва біогазу. При цьому отримані такі основні результати:

• обґрунтовано модель виникнення вибуху та розвитку пожежі у ферментаторі з використанням методів обчислювальної газогідродинаміки;
• визначено надлишковий тиск ймовірного вибуху в газгольдері ферментатора, значення якого може досягати понад 100 кПа;
• з використанням отриманих результатів щодо надлишкового тиску вибуху була проведена оцінка руйнувань конструкції ферментатора. При цьому було виявлено, що під час вибуху руйнується тільки зовнішня пружна оболонка ферментатора без утворення уламків, які могли б зашкодити зовнішній оболонці сусіднього ферментатора у разі їх розльоту. Разом з тим, за впливу гідростатичного тиску рідини,  зазначеного надлишкового тиску рідини й зазначеного тиску вибуху, захисна конструкція резервуару ферментатора не руйнується. Таким чином, надлишковий тиск вибуху в газгольдері ферментатора на значення безпечної відстані між ферментаторами не впливає;
• за результатами математичного моделювання теплообміну під час пожежі над ферментатором було обґрунтовано безпечне значення відстані між ферментаторами для виробництва біогазу, яка повинна складати не менше 20 м.

 

С. ПОЗДЕЕВ, д-р. техн. наук,

В. НІЖНИК, канд. техн. наук, Ярослав Балло, канд. техн. наук,

А. НУЯНЗИН, канд. техн. наук,

Р. УХАНСЬКИЙ, канд. техн. наук,

В. КРОПИВНИЦЬКИЙ, канд. техн. наук, УкрНДІЦЗ