Исследование распределения концентраций вредных веществ в производственных помещениях предприятий топливно-энергетического комплекса

УДК 628.5

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ПРЕДПРИЯТИЙ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

М.Н. Жерлыкина, С.А. Яременко, А.А. Мерщиев, Н.А. Драпалюк

Аварийность во многих отраслях промышленности Российской Федерации и зарубежных стран сохраняется на достаточно высоком уровне, что приводит к масштабному загрязнению окружающей природной среды и гибели людей. Наиболее аварийно-опасными производственными объектами по-прежнему остаются предприятия химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Анализ случаев аварийных ситуаций с выбросом в атмосферу вредных веществ свидетельствует о необходимости разработки технических и санитарно-гигиенических мер, выводящих качество воздуха рабочей зоны помещения и на границе санитарно-защитной зоны на уровень нормативных показателей.

Аварийный выброс вредного вещества является внезапным и кратковременным. Возникновение аварийного выброса на химическом предприятии носит вероятностный характер.

Существующие схемные решения устройства аварийной вентиляции заключаются в удалении воздуха из зон максимальных концентраций вредных веществ, где могут образовываться взрывоопасные смеси. Не исследованы схемы аварийной вентиляции с естественным и частичным механическим притоком воздуха. Их применение в значительной мере позволило бы сократить затраты на энергию и приобретение вентиляционного оборудования.

В настоящей работе предложены результаты исследования поля концентраций химических вредных веществ во всем объеме помещения при работе аварийной вентиляции с заданным воздухообменом. Взрывобезопасность производственных помещений обеспечивается при условии 10 % нижнего предела распространения пламени по газовоздушным смесям и соблюдения равенства концентраций вредного вещества в рабочей зоне и в уходящем воздухе. Определены условия повышения эффективности аварийной вентиляции, исключающие образование застойных зон и обеспечивающие нормируемые концентрационные пределы распространения пламени по газовоздушным смесям в помещении

Ключевые слова: концентрация, взрывобезопасность, застойная зона, газовоздушная смесь

В вентилируемом помещении поле концентраций неоднородно. При расчете аварийной вентиляции, кроме отношения параметров в рабочей зоне к параметрам удаляемого воздуха, необходимо знать соотношение концентраций во всем объеме помещения и в удаляемом воздухе. Это связано с тем, что аварийная вентиляция должна обеспечить требуемые параметры воздуха во всем объеме производственного помещения. В этом случае при расчете аварийной вентиляции учтена возможность возникновения в любой точке помещения импульса воспламенения. Аварийная вентиляция предназначена и для предотвращения пожаров и взрывов [6].

Поле концентраций во всем объеме помещения можно характеризовать избыточной концентрацией по объему и вероятностью отклонения от ее значения [5].

Относительная избыточная концентрация по объему может быть определена по формуле [1]:

Жерлыкина Мария Николаевна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473)271-28-92, e-mail: zherlykina@yandex.ru Яременко Сергей Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой жилищно-коммунального хозяйства, тел. 8(473)271-28-92, e-mail: jaremenko83@mail.ru Мерщиев Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473)271-28-92, e-mail: sasha__1990@mail.ru Драпалюк Наталья Александровна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, декан факультета магистратуры, тел. 8(473)271-28-92, e-mail: u00076@vgasu.vrn.ru

Aqy =

^Vee - ЧпрГ

(v - v )•V

где qвв - концентрация вредных веществ в объеме производственного помещения, мг/м3; qпр - концентрация вредных веществ в приточном воздухе, мг/м3; qух - концентрация вредных веществ в уходящем воздухе, мг/м3; V - объем производственного помещения, м3.

По [1, 2] qпр равна 0,3 х qрз, относительная избыточная концентрация по объему определена по формулам:

если qрз<qнкп:

Aqv =-

- 0,3

qp3

dV

0,1 • qHKn

- 0,3

q

рз

• V

где qНКП - нижнии концентрационный предел распространения пламени по газовоздушным смесям, мг/м3; qрз - предельно-допустимая концентрация вредных веществ в рабочей зоне, мг/м3. если qрз>qнкп:

Aqv:

Ve

qp3

- 0,3

dV

0,7 •V

q

В [1] сделано предположение, что равномерность поля концентраций при заданном расположении источников, размерах помещения и схеме вентиляции будет зависеть только от степени турбули-зации воздуха в помещении. Степень турбулизации воздуха может быть охарактеризована критерием Рейнольдса для турбулентного режима. Для исследования неравномерности поля концентраций вредных веществ в объеме помещения использован критерий Кармана, КЕ, по [1]. Рассмотрена зависимость:

АЧу = IЮ.

Чем больше турбулентность среды (чем больше КЕ), тем однороднее поле концентрации в объеме помещения и величина АчУ приближается к единице. Напротив, при малых значениях критерия КЕ, когда турбулентность и вызываемое ее перемешивание незначительны, наблюдается большая неравномерность поля концентраций и АчУ может иметь значения много больше единицы.

При аварийном выбросе вредных веществ на процесс турбулентного перемешивания накладывается расслоение среды по плотности, которое затрудняет перемешивание воздушной среды. Энергия пульсаций в этом случае расходуется на работу против сил тяжести: подъем вверх масс воздуха с большей плотностью и опускание с меньшей плотностью по отношению к плотности окружающей среды.

Критерий КЕ определяется по формуле [1]:

К£ =

где КРа - кратность при аварийной работе вентиляции, 1/ч; а - поправочный коэффициент на скоростное давление; и - скорость воздуха в помещении при работе аварийной вентиляции.

= = С7 г

-тс ^7 ^

Р

где Q - теплонапряженность производственного помещения, определяемого в зависимости от назначения помещения по [1]; С7 - коэффициент, принимаемый по [1]; р - плотность воздуха, кг/м3; z -длина всасывающего отверстия, м.

При аварийном выбросе вредных веществ распределение избыточных концентраций зависит от воздухообмена аварийной вентиляции. С увеличением его кратности при одних и тех же величинах выделения газов поле концентраций выравнивается

и АчУ стремится к единице.

Исследована неравномерность поля концентраций при работе аварийной вентиляции с заданным воздухообменом по разработанным формулам: если qрз<qнкп:

г

дее

Чрз

0,3

ау

0,1 • чнкп

Чрз

- 0,3

•V

Кр • t

Ра ''Ш

где ^п - время, в течение которого концентрации вредных веществ после включения аварийной вентиляции будут снижены до qрз, с. если qрз>qнкп:

где епс - энергия приточной струи, отнесенная к единице массы воздуха помещения и к единице времени; етс - количество механической энергии, затухающей в единице массы воздуха в единицу времени:

(

Л

- 0,3

АЧукРа ' 0,7 • V

аIV

КРа • 'Ш

Кр -а .и

У а

2

Результаты исследования поля концентраций производственного помещения при КРа=20 V, представлены на рис. 1.

1

Ч

1

8пс ~

2

рийной вентиляции при ярз<янкп

Следовательно, при заданном воздухообмене в производственном помещении за время работы аварийной вентиляции концентрации вредных веществ должны быть снижены так, чтобы значение избы-

сребняя

относительная

избыточная

концентрация

по объему

помещения

точной концентрации находилось в области, в пределах которой исключены взрывоопасные ситуации.

Исследование зависимости величины средней избыточной концентрации по объему производственного помещения представлены на рис. 2.

Кра. 1/4

Рис. 2. График зависимости средней относительной избыточной концентрации по объему помещения от кратности

воздухообмена аварийной вентиляции

По мере увеличения критерия К8 вероятность отклонения концентраций от максимального ее значения по объему, при котором исключено образование взрывоопасных смесей, имеет тенденцию к уменьшению.

Таким образом, чем больше превышение концентрации вредных веществ в аварийном выбросе над предельно-допустимым значением в рабочей зоне, тем для достижения равномерности поля кон-

центраций во всех точках объема производственного помещения требуется большая кратность воздухообмена аварийной вентиляции.

Следовательно, условия работы аварийной вентиляции, исключающие образование застойных зон и обеспечивающие нормируемые концентрационные пределы распространения пламени по газовоздушным смесям в помещении [8], заключаются в следующем:

1. Концентрация вредных веществ в аварийном выбросе, qee, равна максимальному значению, qmax, и должна определяться исходя из того, что:

qрз < qee - qmax < 0,1 • qHKn,

0,1 • qHKn < qee - qmax < qp3 .

2. Концентрация вредных веществ в уходящем из производственного помещения воздуха при работе аварийной вентиляции должна быть равна: если qрз<qнкп, то:

qyx- 0,1 • vhkb ,

если qрз>qнкп, то:

qyx- q

рз

3. Кратность воздухообмена при возникновении аварийного выброса в производственном помещении, определяемая исходя из особенностей технологического процесса, должна быть не менее значения, определяемого при действии в помещении нестационарного неподвижного источника газообразных вредных веществ, выходящих из оборудования под давлением, определяемая из условия не превышения

qрз.

4. Для того, чтобы концентрации вредных веществ в производственном помещении не превысила qрз, необходимо чтобы:

G0 — < q

Т — 4ee , Lt

где Gо - массовый расход вредных веществ, кг/м ; LТ - воздухообмен, который необходимо обеспечить в производственном помещении при аварийном выбросе, для разбавления вредных веществ [4].

5. Скорость воздушного потока в производственном помещении при работе аварийной вентиляции на удалении от вытяжных отверстий должна быть более 0,2 м/с: их >0,2 м/с [7].

6. Скорость воздушного потока в воздуховоде вытяжной аварийной вентиляции должна быть не больше 20 м/с: и0 >20 м/с [7].

7. Для обеспечения равномерного удаления воздуха из помещения площадь всасывающих отверстий должна быть не более 50 % площади воздуховода аварийной вентиляции [1, 3].

Литература

1. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств / В.М. Эльтерман. М.: Химия, 1980. - 197 с.

2. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции / В.В. Батурин. М.: Профиздат, 1965.

3. Бромлей М.Ф. Проектирование отопления и вентиляции / М.Ф. Бромлей, В.П. Щеглов. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 260 с.

4. Дерепасов А.В. Исследование воздухообмена производственных помещений с проемами в перекрытиях / А.В. Дерепасов // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. -2017. №1.- С. 35-39.

5. Влияние междуэтажных проемов на структуру потоков и качество воздуха рабочей зоны производственных помещений нефтехимических предприятий / С.А. Яременко, С.Н. Леонтьев, С.В. Бунин, Д.Ю. Попков // Научный журнал «Инженерные системы и сооружения». 2012. №3 (8). С. 24-31.

6. Исследование эффективности установки сигнализаторов и газоанализаторов в производственных помещениях / А.В. Облиенко, О.Н. Петрова, И.И. Переславцева, С.А. Колодяжный // Научный журнал «Инженерные системы и сооружения». 2010. №1 (8). С. 222-225.

7. Анализ пожарной безопасности объектов строительства в Российской Федерации / М.И. Ботнарь, А.В. Деребасов, И.И. Переславцева, Д.Г. Титков, С.А. Яременко // Научное обозрение. 2013. №9. С. 426-430.

8. Разработка методов и конструктивно-технических решений по предотвращению поступления пожаровзры-воопасных веществ в помещение / И.И. Переславцева, О.Н. Петрова, О.Н. Потапова, Н.А. Старцева // Научный журнал «Инженерные системы и сооружения». 2010. №1 (8). С. 174-179.

Воронежский государственный технический университет

RESEARCH ON THE DISTRIBUTION OF HARMFUL SUBSTANCES CONCENTRATIONS WITHIN INDUSTRIAL SPACES OF FUEL AND ENERGY COMPLEX ENTERPRISES

M. N. Zherlykina1, S.A. Yaremenko2, A.A. Mershchiyev3, N.A. Drapalyuk4

'PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: zherlykina@yandex.ru 2PhD, Associate Professor, associate professor of department chair of housing and communal services REB, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: jaremenko83@mail.ru

3Graduate student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: sasha_1990@mail.ru

4PhD, Associate professor, dean of faculty of a magistracy, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation email: u00076@vgasu.vrn.ru

The accident rate in many industries of the Russian Federation and foreign countries is stored on to a sufficient high level that leads to large-scale pollution of the environment and loss of life. The most dangerous production objects remain the enterprises of chemical, petrochemical and refining industries.

The analysis of emergency emissions of harmful substances demonstrates the need for the development of technical and sanitary-hygienic measures, deducing the quality of the air of the working zone of the room and on the border of sanitary-protective zone on the level of regulatory indicators.

Emergency emission of harmful substances is sudden and of short duration. The emergency release-the sa chemical company is probabilistic in nature.

Existing designs of devices of the emergency ventilation involves removing air from the zones of maximal concentrations of harmful substances, which can form explosive mixtures. Not tested scheme emergency ventilation with natural and mechanical partial flow of air. Their use in a considerable me re would reduce energy costs and the purchase of ventilation equipment. In this paper, we present the results of the research chemical fields of concentrations of harmful substances in the whole volume of the room during the operation of emergency ventilation with the set ventilation. Explosion safety of production facilities is provided subject to the 10% lower limit of flame propagation in gas mixtures and to observe the equality of concentrations of harmful substances in the working area and in the outgoing air. The conditions for increasing the efficiency of the emergency ventilation, precluding the formation of stagnant zones and providing regulated concentration limits of flame propagation for gas-air mixtures in the room

Key words: concentration, explosion safety, stagnant zone, air-gas mix

References

1. Elterman V. M. «Ventilation of chemical productions», M.: Chemistry, 1980. - 197 p.

2. Baturin V. V. «Bases of industrial ventilation», M.: Profizdat, 1965.

3. Bromlya M. F., Shcheglov V. P. «Design of heating and ventilation», M.: Publishing house of literature on construction, 1965. - 260 p.

4. Deripasov A.V. «A research of air exchange of production rooms with apertures in overlappings», Housing and municipal infrastructure, 2017, No. 1, pp. 35-39.

5. Yaremenko S.A., Leontyev S. N., Bunin S. V., Popkov D.Yu. «Influence of interfloor apertures on structure of streams and quality of air of a working zone of production premises of the petrochemical enterprises» Scientific magazine. Engineering systems and constructions, 2012, No. 3 (8), pp. 24-31.

6. Obliyenko A. V., Petrova O. N., Pereslavtseva I. I., Kolodyazhny S.A. «Research of efficiency of installation of signaling devices and gas analyzers in production rooms», Scientific magazine. Engineering systems and constructions, 2010, No. 1 (8), pp. 222-225.

7. Botnar M. I., Derebasov A. V., Pereslavtseva I. I., Titkov D. G., Yaremenko S.A. «The analysis of fire safety of objects of construction in the Russian Federation» Scientific review, 2013, No. 9, pp. 426-430.

8. Pereslavtsev I. I., Petrov O. N., Potapov O. N., Startsev N. A. «Development of methods and constructive technical solutions on prevention of receipt the pozharovzryvoopasnykh of substances in Room», Scientific magazine. Engineering systems and constructions, 2010, No. 1 (8), pp. 174-179.