Приложение Б (справочное). Вентиляция

Приложение Б
(справочное)

Вентиляция

Введение

Целью данного приложения является оценка уровня вентиляции и дополнение раздела 5 определением условий вентиляции, а также рекомендациями, примерами и расчетами, являющимися руководством к проектированию систем искусственной вентиляции.

Предлагаемые методы позволяют установить класс зоны посредством:

- определения минимальной мощности системы вентиляции, которая необходима для предотвращения значительного скопления взрывоопасной смеси, и на ее базе рассчитать гипотетический объем , с помощью которого и расчетного времени рассеивания (t) определяется необходимый уровень вентиляции;

- определения класса зоны по показателям уровня вентиляции, готовности вентиляции и степени утечки.

Изложенные принципы, в основном, распространяются на вентиляцию внутри помещений, но они, в равной степени, могут быть использованы для наружных условий (см. табл. Б.1).

Б.1 Естественная вентиляция

Этот тип вентиляции осуществляется движением воздуха под воздействием ветра и/или перепада температуры. На открытом воздухе естественная вентиляция часто бывает достаточной для рассеивания взрывоопасной смеси. Естественная вентиляция может быть также эффективной внутри помещений (например, если в строении имеются отверстия в стене и/или крыше).

Примечание - Для наружных условий оценка вентиляции, как правило, базируется на предполагаемой минимальной скорости ветра 0,5 м/с, который с такой скоростью присутствует практически постоянно. Скорость ветра часто превышает 2 м/с.

Примеры объектов с естественной вентиляцией:

- установленное вне помещений оборудование, применяемое в химической и нефтяной отраслях промышленностей, например расположенные на открытых площадках насосы, кожухи для труб и др.;

- открытые строения, имеющие отверстия в стенах и/или крыше, которые размещены и подобраны по размеру таким образом, что вентиляция внутри строения может быть приравнена к вентиляции на открытом воздухе;

- строения, не являющиеся открытыми, но с естественной вентиляцией (обычно меньшей, чем в открытом строении) за счет специальных вентиляционных отверстий.

Б.2 Искусственная вентиляция

При искусственной вентиляции воздушный поток создается специальными устройствами, например приточными или вытяжными вентиляторами. Искусственная вентиляция, в основном, используется в закрытых помещениях, но ее можно также применять на открытом воздухе для компенсации ограничений в естественной вентиляции из-за каких-либо препятствий.

Искусственная вентиляция зоны может быть общей или местной; такая вентиляция различается степенью перемещения и замещения воздуха.

Искусственная вентиляция дает возможность создавать эффективные и надежные системы вентиляции внутри помещений.

Искусственная вентиляция обеспечивает уменьшение размеров взрывоопасной зоны и снижение времени присутствия взрывоопасной смеси, а во многих случаях, предотвращает образование взрывоопасной смеси вообще.

При устройстве систем искусственной вентиляции для обеспечения взрывозащиты следует выполнять следующие требования:

- должен быть обеспечен контроль эффективности вентиляции;

- должен быть установлен класс зоны, в которую производится выброс вентиляторов;

- вентиляционный воздух для вентиляции взрывоопасной зоны должен поступать из взрывобезопасной зоны;

- параметры системы вентиляции должны выбираться с учетом расположения источников утечки и их степени.

Дополнительно должны учитываться следующие обстоятельства:

- плотность горючих газов и паров обычно отличается от плотности воздуха, поэтому они аккумулируются у потолка или пола закрытого помещения, где перемещение воздуха затруднено;

- плотность газа изменяется в зависимости от температуры;

- препятствия могут уменьшать или совсем останавливать движение воздуха, то есть вентиляция в некоторых участках зоны может отсутствовать.

Примеры общей искусственной вентиляции:

- строение, оборудованное вентиляторами, установленными в проемах стен и/или крыш для улучшения вентиляции помещения;

- площадка на открытом воздухе с расположенным на ней оборудованием и вентиляторами, установленными таким образом, что улучшается общая вентиляция зоны.

Примеры местной искусственной вентиляции:

- система отсоса воздуха и пара, применяемая на месте расположения технологического оборудования, из которого постоянно или периодически происходит утечка горючего вещества;

- приточная или вытяжная система вентиляции небольшой локальной зоны, где возможно возникновение взрывоопасной смеси.

Б.3 Уровень вентиляции

Эффективность действия вентиляции при рассеивании взрывоопасной смеси зависит от ее уровня и готовности, а также от конструкции системы.

Например, вентиляция может быть недостаточной для предотвращения образования взрывоопасной смеси, но достаточной для ее быстрого рассеивания.

Различают три уровня вентиляции.

Б.3.1. Вентиляция высокого уровня (ВВ)

Обеспечивает мгновенное снижение концентрации газа или пара у источника утечки до величины ниже, чем нижний концентрационный предел воспламенения. При такой вентиляции размеры взрывоопасной зоны пренебрежимо малы.

Б.3.2. Вентиляция среднего уровня (ВС)

Позволяет быстро изменять концентрацию горючего газа в воздухе. При этом концентрация за границами зоны во время существования утечки становится ниже нижнего концентрационного предела воспламенения, а в границах зоны после прекращения утечки взрывоопасная смесь быстро рассеивается.

Размеры и класс зоны остаются в установленных пределах.

Б.3.3. Вентиляция низкого уровня (ВН)

Не позволяет изменять концентрацию во время утечки и/или быстро устранить взрывоопасную смесь после прекращения утечки.

Б.4 Оценка уровня вентиляции и его влияния на класс зоны

Вентиляция оказывает влияние на размеры области, в которой существует взрывоопасная смесь и время ее существования. Ниже приведен метод оценки влияния уровня вентиляции на размеры взрывоопасной зоны и время существования взрывоопасной смеси.

Существо описываемого метода расчетной оценки размеров взрывоопасной зоны заключается в определении гипотетического объема, за пределами которого средняя концентрация взрывоопасной смеси при условии мгновенного и однородного перемешивания горючего газа и свежего воздуха у источника утечки составляет менее определенной доли от НКПВ в зависимости от принятого коэффициента безопасности. Применимость предлагаемого метода ограничивается наружными установками и помещениями, оборудованными вентиляцией. В случае если помещение, в котором установлено оборудование не имеет вентиляции, размеры взрывоопасной зоны должны определяться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.3.227 (приложение Б).

Необходимо отметить, что приводимый метод не является точным. Несмотря на это, использование коэффициентов безопасности гарантирует, что ошибка в полученных результатах приведет к повышению безопасности.

Применение метода проиллюстрировано на ряде гипотетических примеров.

Прежде всего для оценки уровня вентиляции требуется определить максимальную интенсивность утечки горючего газа или пара для источника утечки горючего вещества. Это должно проводиться на основании экспериментальных данных, расчетов или оправданных предположений.

а) Расчет гипотетического объема

Теоретически необходимый минимальный расход вентиляционного воздуха для разбавления определенного объема горючего газа до требуемой концентрации ниже нижнего концентрационного предела воспламеняемости можно рассчитать по формуле

, (Б.1)

где - минимальный объемный расход свежего воздуха, ;

- максимальная интенсивность утечки горючего вещества в источнике, кг/с;

НКПР - концентрация, соответствующая нижнему концентрационному пределу воспламенения, ;

Т - окружающая температура, К.

Примечание - Для преобразования объемной концентрации, соответствующей НКПВ (объемные %) в весовую концентрацию, соответствующую НКПР используют следующее выражение, действительное для нормальных атмосферных условий (см. 1):

(объемные %),

где М - молярная масса, кг/кмоль.

При общей вентиляции зоны для заданной величины кратности воздухообмена в единицу времени гипотетический объем взрывоопасной смеси вокруг источника утечки определяют по формуле

, (Б.2)

где с - кратность воздухообмена, ;

k - коэффициент безопасности по отношению к НКПР (как правило k=0,25 для постоянной утечки и утечки первой степени и k=0,5 для утечки второй степени).

Выражение (Б.2) действительно для мгновенного перемешивания горючего газа и свежего воздуха до однородной смеси у источника утечки. На практике подобные идеальные условия, как правило, не встречаются в связи с наличием возможных препятствий воздушному потоку, что ухудшает вентиляцию отдельных областей зоны.

Таким образом, эффективность воздухообмена обмен у источника утечки будет ниже, чем величина с в выражении (Б.4), что приводит к увеличению объема . Для учета этого обстоятельства в формулу (Б.2) вводят дополнительный коэффициент f и получают следующее выражение

, (Б.3)

где f - коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси; f находится в пределах от f = 1 (идеальная ситуация) до f=5 (типичный случай, то есть имеется преграда воздушному потоку).

Величина представляет собой объем, за пределами которого средняя концентрация взрывоопасной смеси газа или пара составляет менее 0,25 или 0,5 от НКПВ в зависимости от величины коэффициента безопасности к (выражение Б.2). Это означает, что для самых худших случаев оценки гипотетического объема концентрация газа или пара будет значительно ниже, то есть в реальности объем взрывоопасной смеси, в котором концентрация выше НКВП будет значительно меньше .

б) Закрытая зона

Для закрытой зоны значение с определяют по формуле

, (Б.4)

где - расход свежего воздуха;

- вентилируемый объем, .

в) Наружные условия

На открытом воздухе даже небольшая скорость ветра вызывает значительное перемещение воздуха. Например, на открытом воздухе в пространстве в виде куба с размерами каждой стороны в несколько метров при скорости ветра около 0,5 м/с, обеспечивается кратность воздухообмена более 100/ч (0,03/с).

Для открытого пространства при значении с=0,03/с гипотетический объем взрывоопасной смеси определяют по формуле

, (Б.5)

где 0,03 - кратность воздухообмена;

- выражается в единицах объема в секундах.

Обычно на открытом воздухе рассеивание взрывоопасной смеси происходит быстрее. Реальный механизм дисперсии проявляется таким образом, что расчет по этому методу дает завышенный результат.

г) Определение времени присутствия (существования), t.

Время (f), за которое после устранения утечки средняя концентрация снижается от начального значения до , определяется по формуле

, (Б.6)

где - начальная концентрация горючего вещества, % или .

В непосредственной близости от источника утечки концентрация горючего вещества во взрывоопасной смеси может составлять 100%. Однако при расчете t величина должна выбираться в зависимости от конкретных условий, с учетом, наряду с другими факторами, объема, а также частоты и длительности утечки. Практически концентрация должна выбираться всегда выше НКПР;

с - кратность воздухообмена;

t - время (размерность времени должна быть одинаковой с размерностью кратности воздухообмена, т.е. если с это кратность воздухообмена в секунду, то t также должно выражаться в секундах);

f - коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси, учитывающий реальный процесс перемешивания воздуха (см. выражение Б.3).

Значение f может изменяться от f=5, например при вентиляции, когда воздух проникает через трещины и выходит через единственное выпускное отверстие, до , например при вентиляции, когда воздух проникает через перфорированный потолок и выходит через многочисленные выпускные отверстия;

In - натуральный логарифм, то есть 2,303 lg;

k - коэффициент безопасности по отношению к НКПР (см. выражение (Б.2)).

Значение t, определенное из выражения (Б.6), само по себе не является количественным критерием класса зоны. Оно может быть использовано для установления класса зоны только при сравнении с временными характеристиками конкретного процесса.

д) Оценка уровня вентиляции

Постоянная утечка обычно соответствует зоне класса 0, утечка первой степени - зоне класса 1, а утечка второй степени - зоне класса 2. Однако такое соответствие не является строгим из-за наличия вентиляции.

В практических случаях уровень и готовность вентиляции могут быть так высоки, что взрывоопасные зоны отсутствуют. И наоборот, уровень вентиляции может быть настолько низким, что зону необходимо относить к низкому классу (то есть взрывоопасная зона относится к классу 1 при источнике утечки второй степени). Это происходит, например, в случаях, когда уровень вентиляции настолько низкий, что взрывоопасная смесь продолжает существовать и рассеивается очень медленно после устранения источника утечки горючего газа или пара. Таким образом, присутствие взрывоопасной смеси продолжается дольше, чем предполагалось для данной степени утечки.

Расчетное значение гипотетического объема используется для отнесения уровня вентиляции к высокому, среднему или низкому. Время существования взрывоопасной смеси t позволяет установить, какой требуется уровень вентиляции для зоны, чтобы она соответствовала зонам классов 0,1 или 2.

Уровень может рассматриваться как высокий ВВ, если объем очень мал или им можно пренебречь. При такой вентиляции можно считать, что источник утечки не образует взрывоопасной смеси, то есть зона взрывобезопасна. Однако в непосредственной близости от источника утечки взрывоопасная смесь присутствует, но размеры этой области пренебрежимо малы.

На практике высокий уровень вентиляции можно обеспечить только в следующих случаях: местными системами искусственной вентиляции вблизи источника; в небольших закрытых зонах; при очень небольшой утечке в зонах больших размеров.

При устройстве систем вентиляции необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Во-первых, большинство закрытых зон содержат много источников утечки. В то же время иметь множество небольших взрывоопасных зон в помещениях, классифицированных как взрывобезопасные, не рекомендуется.

Во-вторых, при утечках, которые характерны для классификации зон, естественная вентиляция часто бывает недостаточной даже на открытом воздухе.

В-третьих, нерационально интенсивно проветривать средствами искусственной вентиляции большие помещения.

Объем не характеризует время, в течение которого взрывоопасная смесь продолжает существовать после прекращения утечки при ВВ уровне, но он является таким фактором при ВС или ВН уровнях вентиляции.

Уровень СВ должен воздействовать на рассеивание утечки горючего газа или пара. Время рассеивания взрывоопасной смеси после устранения утечки должно быть таким, чтобы выполнялись условия зоны класса 1 или 2 в зависимости от того, является ли степень утечки первой или второй.

Допускаемое время рассеивания зависит от ожидаемой частоты утечки и длительности каждой утечки. Объем часто бывает меньше объема любой закрытой зоны. В этом случае допускается классифицировать как взрывоопасную только часть закрытой зоны. В ряде случаев объем может быть таким же, как объем закрытой зоны. Тогда всю закрытую зону классифицируют как взрывоопасную.

Если требования к зоне не удовлетворяются, то уровень рассматривают как ВН. При уровне ВН характеристический объем часто бывает равным или большим, чем объем закрытой зоны. Уровень ВН на открытых пространствах практически не встречается, за исключением случаев наличия преград воздушному потоку, например в ямах.

Б.5 Готовность вентиляции

Готовность вентиляции оказывает влияние на образование и присутствие взрывоопасной смеси. Поэтому готовность вентиляции также должна учитываться при определении класса зоны.

По готовности вентиляцию разделяют на три уровня (см. примеры в приложении В):

- хорошая - вентиляция присутствует постоянно;

- средняя - вентиляция присутствует при нормальных условиях эксплуатации. Допускаются ее перерывы при условии, что они нечастые и кратковременные;

- плохая - вентиляция, не отвечающая требованиям первого и второго уровня готовности, при этом длительные ее перерывы не ожидаются. Если готовность не отвечает требованиям даже третьего уровня, то такая вентиляция не может рассматриваться как вентиляция зоны.

а) Готовность при естественной вентиляции

Для наружных условий оценка вентиляции основывается на предполагаемой минимальной скорости ветра 0,5 м/с, которая существует практически постоянно. В этом случае готовность вентиляции является хорошей.

б) Готовность при искусственной вентиляции

При оценке готовности искусственной вентиляции необходимо принимать во внимание надежность оборудования и готовность, например, аварийных вентиляторов. Хорошая готовность обеспечивается, если при авариях автоматически включаются запасные вентиляторы. Однако если предусмотрены средства предотвращения утечки горючего вещества при выходе из строя вентилятора (например, посредством автоматической остановки технологического процесса), то классификацию вентиляции, установленную для работающих вентиляторов, менять не требуется, то есть готовность можно считать хорошей.

Б.6 Практические указания

Связь между параметрами вентиляции и классом взрывоопасной зоны для утечек различной степени показана в таблице Б.1. Примеры расчетов параметров, необходимых для установления класса зоны, приведены в разделе Б.7.

Таблица Б.1 - Вентиляция и класс взрывоопасной зоны

Степень утечки	Уровень вентиляции
	BB			ВС				ВН
	Готовность
	Хорошая	Средняя	Плохая		Хорошая	Средняя	Плохая		Хорошая, средняя или плохая
Постоянная (непрерывная)	(Зона класса 0 ПМ) Взрыво-безопасная*(1))	(Зона класса 0 ПМ) Зона класса 2*(1))	(Зона класса 0 ПМ) Зона класса 1*(1))		Зона класса 0	Зона класса 0 + Зона класса 2	Зона класса 0 + Зона класса 1		Зона класса 0
Первой степени	(Зона класса 1 ПМ) Взрыво-безопасная*(1))	(Зона класса1 ПМ) Зона класса 2*(1))	(Зона класса 1 ПМ) Зона класса 2*(1))		Зона класса 1	Зона класса 1 + Зона класса 2	Зона класса 1 + Зона класса 2		Зона класса 1 или 0*(2))
Второй степени*(2))	(Зона класса 2 ПМ) Взрыво-безопасная*(1))	(Зона класса 2 ПМ) Взрыво-безопасная*(1))	Зона класса 2		Зона класса 2	Зона класса 2	Зона класса 2		Зона класса 1 (возможно зона класса 0*(2))
*(1) Символы ОПМ, 1ПМ и 2ПМ означают, что из-за наличия источника утечки зоны классов 0, 1 и 2 существуют, но они имеют пренебрежимо малые размеры. *(2) Зону класса 0 принимают в случае, если вентиляция настолько слабая и утечка такова, что взрывоопасная смесь присутствует практически постоянно (то есть приближение к условиям отсутствия вентиляции).
Примечание - Знак "+" означает, что зона низкого класса (например, класса 0) окружена зоной более высокого класса.

Б.7 Расчеты уровня вентиляции

Расчет N 1

Характеристика утечки

Горючее вещество	пары толуола
Источник утечки	поврежденный фланец
Нижний концентрационный предел воспламенения(НКПР)	0,046 (1,2 объемных %)
Степень утечки	постоянная (непрерывная)
Коэффициент безопасности k	0,25
Интенсивность утечки	кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	1/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	5
Окружающая температура T	20 °С (293 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	1

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время существования взрывоопасной смеси в данном примере не рассчитывают, т.к. его не применяют для оценки постоянной утечки.

Заключение

Гипотетический объем незначительный. Уровень вентиляции следует рассматривать как высокий по отношению к источнику утечки.

Расчет N 2

Характеристика утечки

Горючее вещество	пары толуола
Источник утечки	поврежденный фланец
Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПР)	0,046 (1,2 объемных %)
Степень утечки	вторая
Коэффициент безопасности k	0,5
Интенсивность утечки	кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	1/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	5
Окружающая температура Т	20°С (293 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	1

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время существования

ч.

Заключение

Гипотетический объем значительный, но он может изменяться под действием вентиляции. На этом основании уровень вентиляции рассматривают как средний относительно источника. Однако взрывоопасная смесь присутствует долго, поэтому условия зоны класса 2 не могут быть выполнены и зону необходимо отнести к классу 1.

Расчет N 3

Характеристика утечки

Горючее вещество	пропан
Источник утечки	сопло для заполнения канистры
Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПР)	0,039 (2,1 объемных %)
Степень утечки	первая
Коэффициент безопасности k	0,25
Интенсивность утечки	0,005 кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	20/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	1
Окружающая температура Т	35°С (308 К)
Температурный коэффициент (T/293 К)	4,05

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время существования

ч.

Заключение

Гипотетический объем значительный, но он может изменяться под действием вентиляции. На этом основании уровень вентиляции рассматривают как средний относительно источника. При времени существования 0,26 ч условия зоны класса 1 не могут быть выполнены, если заполнение канистры происходит часто.

Расчет N 4

Характеристика утечки

Горючее вещество	аммиак (газ)
Источник утечки	клапан испарителя
Нижний концентрационный предел воспламенения(НКПР)	0,105 (14,8 объемных %)
Степень утечки	вторая
Коэффициент безопасности k	0,5
Интенсивность утечки	кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	15/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	1
Окружающая температура Т	20°С (293 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	1

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время существования

ч (10 мин).

Заключение

Гипотетический объем , незначительный.

Уровень вентиляции следует рассматривать как высокий относительно источника, и на этом основании зона должна быть отнесена к взрывобезопасным.

Однако любое электрооборудование, расположенное в непосредственной близости к клапану, должно соответствовать требованиям к электрооборудованию для зоны класса 2 (см. таблицу Б.1).

Расчет N 5

Характеристика утечки

Горючее вещество	пропан (газ)
Источник утечки	уплотнение компрессора
Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПР)	0,039 (2,1 объемных %)
Степень утечки	вторая
Коэффициент безопасности k	0,5
Интенсивность утечки	0,02 кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	2/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	5
Окружающая температура Т	20°С (293 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	1

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время присутствия

ч.

Заключение

В помещении, например размерами 10 x 15 x 6 м, гипотетический объем превышает объем помещения, и взрывоопасная смесь существует постоянно.

Уровень вентиляции рассматривают как низкий относительно источника.

Расчет N 6

Характеристика утечки

Горючее вещество	метан (газ)
Источник утечки	соединительная муфта трубопровода
Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПР)	0,033 (5 объемных %)
Степень утечки	вторая
Коэффициент безопасности k	0,5
Интенсивность утечки	1 кг/с

Характеристика вентиляции

Наружные условия

Минимальная скорость ветра	0,5 м /с
Кратность воздухообмена с	>
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	3
Окружающая температура Т	15°С (288 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	0,98

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время присутствия (максимальное значение)

ч.

Заключение

Гипотетический объем , значительный, но он может изменяться под действием вентиляции. Существование взрывоопасной смеси - кратковременное.

Уровень вентиляции следует рассматривать как средний относительно источника.

Расчет N 7

Характеристика утечки

Горючее вещество	пары толуола
Источник утечки	поврежденный фланец
Нижний концентрационный предел воспламенения(НКПР)	0,046 (1,2 объемных %)
Степень утечки	вторая
Коэффициент безопасности k	0,5
Интенсивность утечки	кг/с

Характеристика вентиляции

Закрытое помещение

Кратность воздухообмена с	12/ч
Коэффициент эффективности рассеивания взрывоопасной смеси f	2
Окружающая температура Т	20°С (293 К)
Температурный коэффициент (Т/293 К)	1

Минимальный объемный расход свежего воздуха

.

Гипотетический объем

.

Время существования

Заключение

Гипотетический объем значительный, но он может изменяться под действием вентиляции. Уровень вентиляции следует рассматривать как средний относительно источника.

Из-за малого времени существования взрывоопасной смеси можно принять, что условия зоны класса 2 выполняются.