Метод расчета воздухообмена аккумуляторных помещений подстанций магистральной системы электроснабжения железнодорожного транспорта

БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

МЕТОД РАСЧЕТА ВОЗДУХООБМЕНА АККУМУЛЯТОРНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Ю.Е. Актерский, доктор военных наук, профессор; С.Н. Северин.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России.

В.В. Шаптала, кандидат технических наук, доцент.

Белгородский юридический институт МВД России им. И.Д. Путилина

Разработана уточненная методика расчета воздухообмена аккумуляторных помещений подстанций железнодорожного транспорта, позволяющая прогнозировать соответствие существующих и создаваемых систем вентиляции аккумуляторных помещений требованиям взрывопожарной безопасности. Выполнено моделирование распределения концентрации водорода в вентилируемом аккумуляторном помещении.

Ключевые слова: аккумуляторные помещения, водород, взрывопожарная безопасность, воздухообмен, расчет

THE METHOD OF CALCULATING THE AIR EXCHANGE OF THE BATTERY ROOMS OF SUBSTATIONS OF THE MAIN POWER SUPPLY SYSTEM OF RAILWAY TRANSPORT

Yu.E. Actersky; S.N. Severin.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia.

V.V. Shaptala. Belgorod law institute of the Ministry of internal affairs of Russia I.D. Putilin

A refined method of calculating the air exchange of battery rooms of railway transport substations has been developed, which allows predicting the conformity of the existing and newly created ventilation systems of battery rooms with the requirements of fire and explosion safety. A simulation of the distribution of hydrogen concentration in a ventilated battery room was performed.

Keywords: accumulator rooms, hydrogen, explosion and fire safety, air exchange, calculation

Для питания цепей управления защиты, связи, сигнализации и аварийного освещения на трансформаторных и тяговых подстанциях железнодорожного транспорта в качестве резервного источника электроэнергии постоянного тока используются аккумуляторные батареи, состоящие из 50-100 одиночных, чаще всего свинцово-кислотных аккумуляторов [1-3]. При эксплуатации и обслуживании аккумуляторных батарей из них выделяется водород, образующий вместе с воздухом взрыво-пожароопасные смеси, в диапазоне концентраций от нижнего концентрационного предела взрываемости

20

Снкпв=4 об. %, до верхнего концентрационного предела Свкпв=75 об. %. Взрывоопасность водородно-воздушных смесей зависит не только от содержания водорода, но и от ряда других факторов. Поэтому для производственных помещений с выделением водорода в качестве предельно допустимой взрывобезопасной концентрации установлено более низкое значение Свб=0,7 об. % что составляет 0,175 Снкпв [4, 5].

В связи с высокой взрывопожарной опасностью аккумуляторных помещений [6], в них должен осуществляться полный комплекс взывопожарозащитных мероприятий [7, 8], среди которых важное место занимает устройство вентиляции как основной, так и аварийной [7, 9, 10]. Повышение качества проектирования вентиляции аккумуляторных помещений является важной предпосылкой снижения их взрывопожарной опасности. Необходимым исходным условием проектирования вентиляции является определение ее производительности, то есть величины воздухообмена, достаточной для поддержания в аккумуляторном помещении взрывобезопасной концентрации водорода. Применяемые в настоящее время соотношения и рекомендации для расчета воздухообмена аккумуляторных помещений часто относятся лишь к определенным типам аккумуляторных батарей или имеют общий неопределенный характер, как, например, рекомендация определения воздухообмена по нормативным кратностям [7, 11, 12]. Указанные соотношения и рекомендации не учитывают некоторых влияющих факторов и приводятся в нормативной справочной и специальной литературе [7, 11, 13] чаще всего без соответствующего количественного обоснования. Поэтому полученные с их помощью результаты необходимо дополнительно проверять по критериям концентрации и времени, отводимых для ее достижения. Отсюда следует необходимость разработки уточненной методики расчета воздухообмена аккумуляторных помещений подстанций. Рассмотрим расчет воздухообмена аккумуляторных помещений на основе уравнений материального баланса водорода и вентиляционного воздуха. Уравнения объемного баланса водорода в вентилируемом аккумуляторном помещении имеют вид:

ГАС =

где V - свободный объем помещения, равный разности геометрического объема помещения Уг и объема, находящегося в нем оборудования. При отсутствии необходимой информации свободный объем помещения допускается считать равным V=0,8 V;, [6]; С - объемная концентрация водорода в долях единицы; О - объемная интенсивность выделения водорода, м3/ч; Ьу, Ьп - объемные расходы удаляемого и приточного воздуха, м3/ч; Сп - концентрация водорода в приточном воздухе.

Уравнение материального баланса вентиляционного воздуха:

Ру Ц = Рп Ц

где ру и рп - плотности удаляемого и приточного воздуха, кг/м3, которые при нормальном атмосферном давлении определяются по формуле [12, 13]:

353 273 + г у,п

Ру,п

Температура удаляемого воздуха Ц равна температуре воздуха, поддерживаемой в аккумуляторном помещении. Оптимальная температура в помещении находится в интервале от 15 до 20 °С. 1п - температура наружного воздуха, которая зависит от времени года и географического положения подстанции [14].

С течением времени концентрация водорода в помещении возрастает, а правая часть уравнения (1) уменьшается и в определенный момент обращается в ноль. С этого момента

в помещении устанавливается неизменное (стационарное) состояние воздушной среды с постоянной (стационарной) концентрацией водорода.

Из уравнений (1, 2) следует соотношение, связывающее между собой параметры стационарного состояния воздушной среды аккумуляторного помещения: стационарную концентрацию Сст и производительность вентиляции Ьу.

С.

Тп

О + Сп -¿Г Ьу

_Т у

Ь

Процесс установления концентрации водорода описывается дифференциальным уравнением, которое следует из уравнения (1) [12, 15].

жс

ж

+ кС = Лк,

Т Ьу

где Л = О + С; к = —— кратность воздухообмена помещения. Решение уравнения (4) имеет вид:

С = (С0 — Сст )е + Сст ,

из которого следует, что при работающей вентиляции концентрация водорода в помещении монотонно уменьшается, приближаясь к своему минимальному стационарному значению.

Здесь Со - концентрация водорода в некоторый начальный момент времени ^0.

Из формулы (5) можно найти продолжительность времени, за которое при заданной кратности воздухообмена и начальной концентрации водорода С0 концентрация водорода снизится до некоторого промежуточного значения С1 ( Сст < С < Со ).

X = — 11п С " С

к С0 — С

Из формулы (6) можно найти также кратность воздухообмена, необходимого для достижения заданной концентрации С1 за отведенное время

1 С — С

к = — 11п С1 Сст .

1 С0 Сст

Интенсивность выделения водорода аккумуляторными батареями О зависит от типа используемых аккумуляторов, их количества, состояния аккумуляторной батареи, режима ее функционирования, способа зарядки, температуры электролита и других факторов. Количественные значения О приводятся в инструкциях заводов-изготовителей или рассчитываются по специальным формулам [7, 9, 10]. Если расположение устройств для выброса и забора вентиляционного воздуха удовлетворяет нормативным требованиям, в частности, места выброса и забора воздуха разнесены по вертикали не менее чем на 6 м и не менее чем на 20 м по горизонтали, то, учитывая летучесть водорода, его попадание в приточный воздух практически исключается и Сп=0 [9-13, 16-18].

Пример расчета: рассмотрим аккумуляторное помещение тяговой подстанции со свободным объемом ¥=60 м3. Интенсивность выделения водорода при заряде

находящейся в помещении аккумуляторной батареи составляет О=2 м /ч. Продолжительность заряда примем равной 6 ч. Помещение планируется оборудовать

^ и 3

механической приточно-вытяжной вентиляцией производительностью 180 м /ч, что соответствует рекомендуемому 3-х кратному воздухообмену помещения.

Проверим соответствие планируемой системы вентиляции требованиям взрывопожарной безопасности. Минимальная концентрация водорода, которую может поддерживать предполагаемая система вентиляции, определяется соотношением (3): Смин=Сст=0,011>0,0007. Скорость изменения концентрации со временем можно оценить с помощью рис. 1, из которого следует, что концентрация водорода будет оставаться выше взрывобезопасной не только в течение заряда батареи, но продолжительное время после заряда, так что полное удаление водорода из помещения после окончания заряда батареи требует значительно большего времени, чем положенное по инструкции - полтора часа.

Рис. 1. Зависимость концентрации водорода С от времени при воздухообмене к=3 1/ч

Таким образом, предполагаемая система вентиляции не отвечает требованиям взывобезопасности, поэтому ее производительность следует увеличить до значения, которое определяется соотношением:

О

2

у 2

0,0007

285,7 м3/ч

что соответствует кратности воздухообмена помещения А=4,76. Динамика изменения концентрации при таких параметрах воздухообмена показана на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость концентрации водорода от времени при кратности воздухообмена к=4,76 1/ч

Таким образом, производительность планируемой для помещения вентиляции необходимо увеличивать или предусматривать установку резервных вентиляторов.

Расчеты показывают, что для поддержания взрывопожаробезопасного состояния аккумуляторных помещений подстанций железнодорожного транспорта необходимо

использовать системы приточно-вытяжной вентиляции большой производительности, что требует высоких энергозатрат. Величину воздухообмена аккумуляторных помещений и энергозатрат на его осуществление можно уменьшить без ущерба для безопасности помещений путем применения местной вытяжной вентиляции, удаляющей водород непосредственно от мест его выделения [19, 20]. В настоящее время местная вытяжная вентиляция аккумуляторных помещений получила ограниченное распространение из-за необходимости специального расположения аккумуляторов в вытяжных шкафах, на специальных стелажах, а также из-за того, что местные вытяжные устройства: вытяжные шкафы, зонты, бортовые отсосы затрудняют обслуживание аккумуляторных батарей [16]. Определенной экономии можно добиться также путем более широкого использования естественной вентиляции помещений, а также с помощью выбора рациональных схем организации воздухообмена, при которых воздух удаляется из зон повышенной концентрации водорода [8, 21]. Расположение и размеры таких зон не могут быть найдены на основе балансового подхода. Необходимы более сложные математические модели, основанные на уравнениях газовой динамики и тепломассопереноса. Одной из таких моделей является модель смешения двух газов различной плотности [22-24]. Для примера рассмотрим следующую схему организации воздухообмена помещения с внешней средой (рис. 3).

Рис. 3. Схема организации воздухообмена

Результаты моделирования распределения концентрации водорода показаны на рис. 4.

а б

Рис. 4. Распределение концентрации водорода К=4х5х3=60 м3; 2=2 м3/ч; кратность=8 а) вертикальное сечение; б) горизонтальное сечение на высоте Н=2,8 м

На рис. 4 наблюдается ярко выраженное расслоение концентрации водорода по высоте помещения и неравномерность ее распределения в припотолочном слое, что должно учитываться при проектировании систем вентиляции аккумуляторных помещений.

Литература

1. Методика выбора емкости источников электроэнергии для систем постоянного тока тяговых и трансформаторных подстанций: Стандарт ОАО «РЖД» СТО РЖД 07.013-2012 от 25 дек. 2012 г. № 2679 // Железнодорожные документы. URL: http: jd-doc.ru. (дата обращения: 12.09.2019).

2. Мамошин Р.Р. Тяговые подстанции: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1986. 319 с.

3. Прохорский А.А. Тяговые и трансформаторные подстанции. М.: Транспорт, 1983.

496 с.

4. Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 288 с.

5. СТ ССФЖТ ЦУО 105-2000. Стандарт системы сертификации на федеральном железнодорожном транспорте. Типовая методика испытаний на взывозащищенность. Доступ из справ. -правового портала «Гарант».

6. НПБ 105-2003. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. М788-1070 Указания по категорированию и классификации помещений стационарных кислотных и щелочных аккумуляторных батарей. Доступ из справ.-правового портала «Гарант».

7. ГОСТ Р МЭК 62485-2-2011. Батареи аккумуляторные и установки батарейные. Требования безопасности. Стационарные батареи. Меры предосторожности против угроз взрыва. Требования к вентиляции. Естественная вентиляция. Принудительная вентиляция. М.: Стандартинформ, 2013.

8. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Сер. 09. Вып. 37. 2-е изд., доп. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2015. 126 с.

9. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (утв. Приказом Минэнерго Рос. Федерации от 19 июня 2003 г.). Доступ из справ.-правового портала «Гарант».

10. Правила устройства электроустановок. ПУЭ-7 п.4.4.26-4.4.39 Аккумуляторные установки. Строительная часть. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

11. Устинов П.И. Стационарные аккумуляторные установки. М.: Госэнергоиздат, 1970. 312 с.

12. Отопление и вентиляция: учеб. для вузов / В.Н. Богословский [и др.]. Ч. 2: Вентиляция. М.: Стройиздат, 1976. 439 с.

13. Торговников Б.М., Табачник В.Е., Ефанов Е.М. Проектирование промышленной вентиляции: справочник. Киев: Будiвельник, 1983. 256 с.

14. СП 131.13330.2012. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

15. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. М., Химия, 1980. 288 с.

16. Хрюкин Н.С. Вентиляция и отопление аккумуляторных помещений. М.: Энергия, 1979. 120 с.

17. ГОСТ 26881-86. Аккумуляторы свинцовые стационарные. Общие технические условия. М.: Из-во стандартов, 1986.

18. Справочник проектировщика / В.Н. Посохин [и др.]. М.: Стройиздат, 1992. 387 с.

19. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Аэродинамические основы аспирации. СПб.: Химиздат, 2005. 658 с.

20. Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от тепло и газовыделяющего оборудования. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.

21. Пузач С.В., Лебедченко О.С. Расположение взрыво- и пожароопасных участков водородно-воздушной смеси по высоте конвективной колонки, образующейся над

источником натекания водорода в помещение // Пожаровзрывобезопасность. 2017. № 26 (1). С. 18-24.

22. Шидловский Г.Л., Северин Н.Н., Шаптала В.В. Моделирование и расчет вентиляции взрывоопасных помещений гальванических цехов машиностроительных предприятий // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2019. № 2. С. 49-54.

23. Dorota Brasinska. Ventilation System Influence on Hydrogen Explosion Hazards in Industrial Lead-Acid Battery Rooms // Energies. 2018. № 11. Р. 27-37.

24. El-Nekeeb M.A., el-Degwy A.E., Khalil EE. Effect Double Batteries on Hydrogen Concentration in Air Conditioned Storage Room // 10th International Symposium on Heating, Ventilation and Air Coditioning, ISHVAC 2017, 19-22 October 2017, Jinan, China.

References

1. Metodika vybora emkosti istochnikov elektroenergii dlya sistem postoyannogo toka tyagovyh i transformatornyh podstancij: Standart OAO «RZHD» STO RZHD 07.013-2012 ot 25 dek. 2012 g. № 2679 // Zheleznodorozhnye dokumenty. URL: http: jd-doc.ru. (data obrashcheniya: 12.09.2019).

2. Mamoshin R.R. Tyagovye podstancii: ucheb. dlya vuzov. M.: Transport, 1986. 319 c.

3. Prohorskij A.A. Tyagovye i transformatornye podstancii. M.: Transport, 1983. 496 s.

4. Gel'fand B.E., Popov O.E., Chajvanov B.B. Vodorod: parametry goreniya i vzryva. M.: FIZMATLIT, 2008. 288 s.

5. ST SSFZHT CUO 105-2000. Standart sistemy sertifikacii na federal'nom zheleznodorozhnom transporte. Tipovaya metodika ispytanij na vzyvozashchishchennost'. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

6. NPB 105-2003. Opredelenie kategorij pomeshchenij, zdanij i naruzhnyh ustanovok po vzryvopozharnoj i pozharnoj opasnosti. M788-1070 Ukazaniya po kategorirovaniyu i klassifikacii pomeshchenij stacionarnyh kislotnyh i shchelochnyh akkumulyatornyh batarej. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

7. GOST R MEK 62485-2-2011. Batarei akkumulyatornye i ustanovki batarejnye. Trebovaniya bezopasnosti. Stacionarnye batarei. Mery predostorozhnosti protiv ugroz vzryva. Trebovaniya k ventilyacii. Estestvennaya ventilyaciya. Prinuditel'naya ventilyaciya. M.: Standartinform, 2013.

8. Obshchie pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnyh himicheskih, neftekhimicheskih i neftepererabatyvayushchih proizvodstv: Federal'nye normy i pravila v oblasti promyshlennoj bezopasnosti. Ser. 09. Vyp. 37. 2-e izd., dop. M.: ZAO «Nauchno-tekhnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti», 2015. 126 s.

9. Pravila tekhnicheskoj ekspluatacii elektricheskih stancij i setej Rossijskoj Federacii (utv. Prikazom Minenergo Ros. Federacii ot 19 iyunya 2003 g.). Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

10. Pravila ustrojstva elektroustanovok. PUE-7 p.4.4.26-4.4.39 Akkumulyatornye ustanovki. Stroitel'naya chast'. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».

11. Ustinov P.I. Stacionarnye akkumulyatornye ustanovki. M.: Gosenergoizdat, 1970. 312 s.

12. Otoplenie i ventilyaciya: ucheb. dlya vuzov / V.N. Bogoslovskij [i dr.]. Ch. 2: Ventilyaciya. M.: Strojizdat, 1976. 439 s.

13. Torgovnikov B.M., Tabachnik V.E., Efanov E.M. Proektirovanie promyshlennoj ventilyacii: spravochnik. Kiev: Budivel'nik, 1983. 256 s.

14. SP 131.13330.2012. SNiP 23-01-99. Stroitel'naya klimatologiya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-01-99. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».

15. El'terman V.M. Ventilyaciya himicheskih proizvodstv. M., Himiya, 1980. 288 s.

16. Hryukin N.S. Ventilyaciya i otoplenie akkumulyatornyh pomeshchenij. M.: Energiya, 1979. 120 s.

17. GOST 26881-86. Akkumulyatory svincovye stacionarnye. Obshchie tekhnicheskie usloviya. M.: Iz-vo standartov, 1986.

18. Spravochnik proektirovshchika / V.N. Posohin [i dr.]. M.: Strojizdat, 1992. 387 s.

19. Logachev I.N., Logachev K.I., Averkova O.A. Aerodinamicheskie osnovy aspiracii. SPb.: Himizdat, 2005. 658 s.

20. Posohin V.N. Raschet mestnyh otsosov ot teplo i gazovydelyayushchego oborudovaniya. M.: Mashinostroenie, 1984. 160 s.

21. Puzach S.V., Lebedchenko O.S. Raspolozhenie vzryvo- i pozharoopasnyh uchastkov vodorodno-vozdushnoj smesi po vysote konvektivnoj kolonki, obrazuyushchejsya nad istochnikom natekaniya vodoroda v pomeshchenie // Pozharovzryvobezopasnost'. 2017. № 26 (1). S. 18-24.

22. Shidlovskij G.L., Severin N.N., Shaptala V.V. Modelirovanie i raschet ventilyacii vzryvoopasnyh pomeshchenij gal'vanicheskih cekhov mashinostroitel'nyh predpriyatij // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2019. № 2. S. 49-54.

23. Dorota Brasinska. Ventilation System Influence on Hydrogen Explosion Hazards in Industrial Lead-Acid Battery Rooms // Energies. 2018. № 11. P. 27-37.

24. El-Nekeeb M.A., el-Degwy A.E., Khalil EE. Effect Double Batteries on Hydrogen Concentration in Air Conditioned Storage Room // 10th International Symposium on Heating, Ventilation and Air Coditioning, ISHVAC 2017, 19-22 October 2017, Jinan, China.