Обеспечение взрывопожарной безопасности при вентиляции производственных помещений с поступлением водорода

Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности принимаются в соответствии с [1]. Определение категорий помещений следует осуществлять путём последовательной проверки принадлежности помещения к категориям от высшей А к низшей Д [1].

Обоснование расчётного варианта наиболее неблагоприятного осуществляется в отношении взрывопожароопасного периода при поступлении в помещение вредного вещества. При расчёте избыточного давления взрыва в качестве расчётного варианта принимается наиболее неблагоприятный в отношении взрыва период, связанный с формовкой и зарядкой полностью разряженных и наибольшим значением зарядного тока, в четыре раза превышающим максимальный зарядный ток.

Продолжительность поступления водорода в помещение соответствует конечному периоду зарядки при обильном газовыделении и принимается равным 1 ч (Т = 3600 с).

Для уточнения категории помещения для расчёта характеристик системы вентиляции необходимо произвести расчёт поступающего водорода при зарядке аккумуляторных батарей. Масса водорода [кг/(А·с)], выделившегося в одном элементе при установившемся динамическом равновесии между силой зарядного тока и количеством выделяемого газа, определяется из следующего выражения:

где М — масса одного киломоля водорода, M = 2 кг/кмоль; I — сила зарядного тока, А; T — расчётное время зарядки, с; F = 9,65 × 10⁴ А·с/моль — постоянная Фарадея; А — атомная единица массы водорода, равная 1 а.е.м. = 10^-3 кг/моль; Z = 1 — валентность водорода.

Для обеспечения взрывопожаробезопасности необходимо определить избыточное давление взрыва водорода в аккумуляторном помещении с учётом работы аварийной вентиляции (продолжительность поступления водорода в объём помещения)

Объём водорода [м³], поступающего в помещение при зарядке нескольких батарей, можно определить из выражения:

где ρ_г — плотность водорода при расчётной температуре воздуха, кг/м³; I_i — максимальный зарядный ток на батареи, A; n_i — количество аккумуляторов, установленных в i-й батарее.

Плотность водорода определяется из выражения (3):

где V_o — объём киломоля газа при нормальных условиях, равный 22,413 м³/ кмоль; α = 0,00367 град^-1 — коэффициент температурного расширения газа; t_p — расчётная температура воздуха (максимальная абсолютная температура воздуха в районе строительства [2]), °C.

Максимальная сила зарядного тока принимается по заданию технологов.

Стехиометрическая концентрация водорода С_ст [% об.] рассчитывается из выражения [1]:

стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания; n_c, n_н, n_х и n₀ — число атомов углерода, водорода, кислорода и галоидов в молекуле горючего. Свободный объём аккумуляторного помещения [м^{3 4}] определяется:

Избыточное давление взрыва ΔР [кПа] для водорода (Z = 1) [1] может быть определено из выражения:

Так как V_н = m/р_г, избыточное давление взрыва ΔР водорода в аккумуляторном помещении [кПа] будет определяться из выражения:

В зависимости от величины расчётного избыточного давления взрыва [1] определяется категория аккумуляторного помещения. Для обеспечения взрывопожаробезопасности определяется избыточное давление взрыва водорода ΔР в аккумуляторном помещении с учётом работы аварийной вентиляции (продолжительность поступления водорода в объём помещения Т = 3600 с [2]).

Объём водорода [м³], поступающего в помещение при работе аварийной вентиляции, определяется выражением:

где А — кратность воздухообмена, ч^-1. Если расчётное избыточное давление взрыва более 5 кПа, то аккумуляторное помещение следует относить к категории А. При оборудовании аккумуляторного помещения аварийной вентиляцией с кратностью воздухообмена А = 3 ч^-1, отвечающей требованиям пункта 12 [2, 3] и ПУЭ-85, допускается не относить его к категории А.

Пожарная нагрузка Q [МДж] определяется как:

где G_i — количество i-го материала пожарной нагрузки, кг; Q_{рн i} — низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж/кг. Удельная пожарная нагрузка g [МДж/м²] определяется из выражения:

где S — площадь размещения пожарной нагрузки, м² (но не менее 10 м²).

Согласно пункту 25 и табл. 4 [2] при расчётном давлении взрыва менее 5 кПа аккумуляторное помещение следует относить к категории В4. Воспользовавшись универсальным графиком, показывающим зависимость избыточного давления водорода в аккумуляторном помещении при работе системы вентиляции, можно уточнить кратность воздухообмена для помещения заданной категории при расчётной величине выброса водорода.