Пожаровзрывобезопасность. Расчет избыточного давления, развиваемого при сгорании газо-, паро- и пылевоздушных смесей в помещении

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
Н.Я. ИЛЮШОВ, Ж.М. ОМУРОВ 
 
 
 
 
 
 
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 
 
РАСЧЕТ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ,  
РАЗВИВАЕМОГО ПРИ СГОРАНИИ ГАЗО-,  
ПАРО- И ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ  
В ПОМЕЩЕНИИ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 614.841.413(075.8) 
         И 498 
 
 
 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доц. НГТУ А.М. Парахин, 
канд. техн. наук, доц. СибГУТИ Ю.С. Щербаков  
 
 
Работа подготовлена на кафедре безопасности 
 труда для студентов всех форм обучения  
 
Илюшов Н.Я. 
И 498   
Пожаровзрывобезопасность. Расчет избыточного давления, 
развиваемого при сгорании газо-, паро- и пылевоздушных смесей в помещении: учебное пособие / Н.Я. Илюшов, Ж.М. Омуров. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 156 с. 

ISBN 978-5-7782-3750-6 

Пособие включает материал курса лекций «Экспертиза промышленной и пожарной безопасности», разработанный на кафедре безопасности труда НГТУ.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 
20.30.01 (20.04.01) «Техносферная безопасность». 
 
 
 
 
УДК 614.841.413(075.8) 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-3750-6  
 
 
 
 
 
© Илюшов Н.Я., Омуров Ж.М., 2018 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2018 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
В учебном пособии рассмотрены вопросы и приведены примеры 
расчета избыточного давления, возникающего при сгорании газо-, паро- и пылевоздушных смесей. Определение данного параметра необходимо для оценки пожарной опасности технологического процесса, а 
также для категорирования помещений и зданий по пожаровзрывобезопасности. 
Авторы надеются, что данное пособие поможет студентам технических вузов восполнить знания по проведению технических расчетов 
и будет полезно для дальнейшей работы по выбранной профессии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. РАСЧЕТ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ,  
РАЗВИВАЕМОГО ПРИ СГОРАНИИ  
ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ 

Избыточным давлением называется разница между абсолютным и 
атмосферным давлением при условии, что абсолютное давление больше атмосферного. Под абсолютным давлением понимают отношение 
силы, действующей на бесконечно малую поверхность, к площади 
данной поверхности или, другими словами, это истинное давление 
сплошных масс, отсчитываемое от абсолютного нуля давления, т. е. от 
абсолютного вакуума. 
Расчет избыточного давления, развиваемого при сгорании газовоздушных смесей, необходим для определения последствий возможного 
взрыва и категории взрывопожароопасности помещения. 
При выборе расчетного варианта критерия взрывопожарной опасности следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии 
или тот период нормальной работы аппаратов, при котором может образоваться максимальный объем наиболее опасных газо-, паро- и пылевоздушных смесей в данном помещении. Количество веществ, образующих опасные смеси, определяется из следующих посылок: 
 авария происходит в одном аппарате с наибольшим количеством 
самых опасных газов, паров и пылей; 
 при аварии все содержимое аппарата поступает в помещение; 
 одновременно с утечкой из аппарата происходит утечка и из 
трубопроводов, питающих данный аппарат в течении времени, необходимого для отключения трубопровода. 
Расчетное время отключения трубопроводов принимается равным: 
 времени срабатывания системы автоматического отключения 
трубопроводов, если вероятность отказа срабатывания системы автоматики не превышает 
6
10  в год или обеспечено резервирование системы автоматики; 

 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает
6
10  в год и не обеспечено резервирование системы автоматики; 
 300 с при ручном отключении. 
Избыточное давление ∆Р для индивидуальных горючих веществ, 
т. е. состоящих из одинаковых по строению и составу химических веществ, определяется по формулам [1]: 
1) для горючих веществ, состоящих из атомов углерода С, водорода Н, кислорода О, азота N, хлора Cl, брома Br, йода I и фтора F: 

 
max
0
св г.п
ст
н

100 1
(
)
,
mZ
Р
P
P V
С
K




  
(1.1) 

где 
max
P
 – максимальное давление, развиваемое при сгорании стехиометрической газо- или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, 
определяемое по справочным данным или принимаемое равным 
900 кПа; 
0
P  – начальное давление, принимаемое равным 101 кПа; m – 
масса горючего газа или паров легковоспламеняющихся и горючих 
жидкостей, вышедших в помещение в результате аварии, кг; Z – коэффициент участия горючих газов и паров в горении; 
св
V
 – свободный 
объем помещения, равный разнице между объемом помещения и объемом технологического оборудования или принимаемый условно равным 80 % геометрического объема помещения, 
3
м ; 
г.п

 – плотность 

газа или пара при расчетной температуре, 
3
кг/м ; 
ст
С
 – стехиометрическая концентрация горючих газов или паров легковоспламеняющихся или горючих жидкостей, %; 
н
K  – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения, принимаемый равным 3; 
2) для индивидуальных веществ, содержащих в своей молекуле 
кроме перечисленных в формуле (1.1) атомы и других элементов, а 
также для смесей [1]: 

 

т 0

св в
0
н

1 ,
р

mH P Z
P
V
C T K



  
(1.2) 

где 
т
H  – теплота сгорания вещества, Дж/кг; 
в
  – плотность воздуха при 
начальной температуре 
0
T , кг/м3; 
р
C  – теплоемкость воздуха, обычно 

принимаемая равной 


3
1,01 10 Дж/ кг К


; 
0
T  – начальная максимальная 
температура воздуха для данного региона в летний период, К. 

1.1. РАСЧЕТ МАССЫ ГОРЮЧЕГО ГАЗА 

Масса горючего газа, поступившего в помещение при расчетной 
аварии газа, складывается из массы газа, находившейся непосредственно в аварийном оборудовании, и массы газа, находящейся в питающем трубопроводе. Поэтому общую массу газа, которая может оказаться в помещении при разгерметизации оборудования, необходимо 
рассчитать по формуле [1] 

 
a
т
г
(
)
,
m
V
V



 
(1.1.1) 

где 
a
V  – объем газа, вышедший из аварийного аппарата, 
3
м ; 
т
V  – объ
ем газа, вышедший из трубопровода, 
3
м ; 
г
  – плотность газа, 
3
кг/м . 
Объем газа, вышедший из аварийного аппарата, определяется объемом данного аппарата и рабочим давлением внутри аппарата, поэтому 
расчет a
V  проводится по формуле [1] 

 
a
1
0,01 
,
V
PV

  
(1.1.2) 

где 1
P  – давление в аппарате, кПа; V – объем в аппарате; 
3
м . 
Общий объем газа из трубопроводов состоит из объема газа 
т1
V
, 
вышедшего из трубопровода до его отключения при аварии, и объема 

т2,
V
 оставшегося в трубопроводе после его отключения и затем вышедшего в помещение. Следовательно, общий объем газа V  можно 
представить как [1] 

 
т
т1
т2
V
V
V


. 
(1.1.3) 

Объем 
т1
V
, вышедший из трубопровода до его отключения, определяется расходом газа в соответствии с технологическим регламентом 
аппарата и временем отключения трубопровода [1]: 

 
т1
,
V
qT

 
(1.1.4) 

где q – расход газа из трубопровода, м3/с; T – время отключения трубопровода, равное 120 с при автоматическом отключении и 300 с при 
ручном. 
Объем 
т2,
V
 т. е. объем газа, вышедший из трубопровода уже после 
его отключения, определяется объемом самого трубопровода. А так 
как трубопровод может состоять из труб различного диаметра и длины 

(например, магистральные и распределительные участки трубопровода), то при расчете 
т2
V
 необходимо учитывать внутренние радиусы и 
длину каждого участка трубопровода, протянувшегося от аппарата до 
задвижки, перекрывающей трубопровод в случае его отключения [1]: 

 


2
2
2
т2
2
1
1
2
2
 
0,01
,
n
n
V
P
r L
r L
r L




  
(1.1.5) 

где 
2
P  – максимальное давление в трубопроводе по техническому регламенту, кПа; 
1
2
,
,
n
r r
r

 – внутренний радиус трубопроводов, м; 

1
2
 
, 
,
n
L
L
L

  – длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м. 

Пример решения 
Имеется сосуд с метаном объемом 
3
2 м  под давлением 130 кПа.  
К нему подведен трубопровод с участками длиной 2, 4, 5 м до запорного клапана с внутренними радиусами 0,15; 0,10; 0,07 м. Максимальное 
давление в трубопроводе до 1 МПа. Расход газа из трубопровода 
4 
3
м /с , трубопровод оборудован автоматическим отключением. Происходит разгерметизация сосуда. Необходимо рассчитать массу газа, 
поступившего в помещение. 
1. Объем газа, вышедшего из трубопровода до момента отключения: 

3
т1
 4 1 20
48
.
0 м
V



 

2. Объем газа, вышедшего из трубопровода после отключения: 

2
2
2
3
т2
0,01 π 1000(0,15
2
0,10
4
0,07
5)
,  м .
3 4
V

 






 

3. Общий объем газа из трубопровода: 

3
т
480
3,4
483
 
.
,4 м
V 


  

4. Объем газа из аварийного аппарата: 

3
а
0,01 130 2
2,6
.
 м
V 



 

5. Масса горючего газа, поступившего в помещение: 

(2,6
483,4) 0,656
319  кг.
m 




Задание для самостоятельного решения 

Рассчитать массу газа, поступившего в помещение при аварийной разгерметизации, в соответствии со своим вариантом задания. 

Номер 
варианта  
Газ 
Объем 
аппарата, 
м3 

Давление в 
аппарате, 
МПа 

Макс. давление 
 в трубопроводе, 
МПа 

Расход 
газа, 
м3/с 

Тип системы 
отключения 

Участки трубопровода 

Длина, 
м 
Радиус, 
м 
Длина, 
м 
Радиус, 
м 
Длина, 
м 
Радиус, 
м 

1 
Метан 
2 
0,1 
0.5 
3 
Автомат 
1 
0,15 
3 
0,12 
4 
0,08 

2 
Пропан 
5 
0,08 
0,7 
1 
Ручной 
3 
0,10 
5,5 
0,06 
7 
0,04 

3 
Бутан 
7 
0,12 
1,0 
8 
Автомат 
2 
0,12 
4 
0,09 
5 
0,06 

4 
Этан 
1 
1,5 
2,0 
2 
Ручной 
3,5 
0,17 
5 
0,12 
6 
0,06 

5 
Ацетилен 
5 
0,3 
1,1 
9 
Автомат 
1 
0,12 
3 
0,09 
4 
0,05 

6 
Пропилен 
3 
0,15 
0,8 
7 
Ручной 
2,5 
0,09 
1,5 
0,06 
7 
0,04 

7 
Этилен 
9 
0,4 
0,9 
5 
Автомат 
3 
0,10 
3,5 
0,09 
4 
0,06 

8 
Метан 
2 
0,4 
1,5 
1 
Ручной 
1 
0,15 
4 
0,12 
8 
0,06 

9 
Пропан 
8 
0,2 
0,4 
3 
Автомат 
3 
0,17 
2,5 
0,12 
5 
0,08 

10 
Бутан 
1 
0,9 
1,4 
4 
Ручной 
2,5 
0,10 
5 
0,09 
6 
0,05 

11 
Этан 
4 
0,35 
0,6 
6 
Автомат 
3,5 
0,10 
3 
0,09 
8 
0,05 

12 
Ацетилен 
6 
0,15 
0,9 
3 
Ручной 
1,5 
0,15 
5,5 
0,12 
4 
0,08 

13 
Пропилен 
2 
0,7 
1,3 
7 
Автомат 
4 
0.09 
2 
0,06 
7 
0,04 

14 
Этилен 
8 
0,5 
1,2 
1 
Ручной 
1 
0,12 
4 
0,09 
6 
0,05 

15 
Метан 
9 
0.1 
0,4 
9 
Автомат 
2,5 
0,10 
5 
0,09 
6 
0,06 

16 
Пропан 
1 
1,1 
2,0 
3 
Ручной 
3 
0,09 
3,5 
0,06 
5 
0,04 

17 
Бутан 
3 
0,4 
0,7 
7 
Автомат 
1,5 
0,12 
3 
0,09 
7 
0,06 

18 
Этан 
2 
0,9 
1,0 
4 
Ручной 
3,5 
0,09 
2,5 
0,06 
4 
0,04 

19 
Ацетилен 
7 
0,35 
0,8 
6 
Автомат 
1 
0,15 
4 
0,12 
8 
0,08 

20 
Пропилен 
4 
0,2 
0,6 
5 
Ручной 
2 
0,10 
5,5 
0.09 
4 
0,06 

 

 

8 

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА 
УЧАСТИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА В ГОРЕНИИ Z 

При наиболее упрощенном варианте расчета избыточного давления, 
создаваемого при сгорании газовоздушной смеси, коэффициент Z допускается принимать равным значениям, представленным в табл. 1.1 [1]. 

Т а б л и ц а  1.1 

Значения коэффициента Z 

Вид горючего газа 
Z 

Водород 
1 

Горючие газы (кроме водорода) 
0,5 

Более точно коэффициент участия горючего газа в горении Z для 
горючих газов, нагретых не выше температуры окружающей среды, 
может быть рассчитан на основе характера распределения газов в помещении по его координатам Х, Y и Z [1]: 
при 
НКПР
0,5
Х
l

 и НКПР
0,5
Y
b

 

 

3
НКПР
г
0
НКПР НКПР
НКПР
5 10
;
С
Z
С
X
Y
Z
m














 
(1.2.1)  

при 
НКПР
0,5
Х
l

 и НКПР
0,5
Y
b

 

 

3
НКПР
г
0
НКПР
5 10
,
С
Z
С
FZ
m














 
(1.2.2)  

где l и b – длина и ширина помещения соответственно, м; 
НКПР, НКПР, НКПР – расстояния по осям Х, Y и от источника поступления газа, где их концентрация превышает 
НКПР
С
, м; m – масса газа, 
поступающего в помещение и рассчитанного по формуле (1.1.1), кг;  

г
  – плотность газа, 
3
кг/м  ; 
0
С  – предэкспоненциальный множитель, 
%; 
НКПР
С
 – концентрация горючего газа, соответствующая нижнему 
концентрационному пределу распространения пламени, %; F – 
площадь пола помещения, 
2
м ;   – допустимые отклонения концентраций при заданном уровне значимости Q(C ˃ ), приведенные в 
табл. 1.2 [1]. 

Т а б л и ц а  1.2 

Значения допустимых отклонений концентраций δ 
при уровне значимости Q(C ˃ ) 

Характер распределения концентраций 
)
(
Q C
C

  
δ 

Для горючих газов при неподвижной воздушной 
среде в помещении 
0,100 000 
0,050 000 
0,010 000 
0,003 000 
0,001 000 
0,000 001 

1,29 
1,38 
1,53 
1,63 
1,70 
2,04 

Для горючих газов при подвижности воздушной 
среды 
0,100 000 
0,050 000 
0,010 000 
0,003 000 
0,001 000 
0,000 001 

1,29 
1,37 
1,52 
1,62 
1,70 
2,03 

Уровень значимости показывает вероятность того, что значение 
концентрации С превысит значение математического ожидания случайной величины C . Выбирают уровень значимости исходя из особенностей технологического процесса, допускается принимать его 
равным 0,05. 
Значение предэкспоненциального множителя 
0
C  для горючих газов в помещении с неподвижной воздушной средой рассчитывается по 
формуле [1] 

 
3
0
г св
3,77 10
m
C
V



. 
(1.2.3) 

Для горючих газов, поступающих в помещение при подвижности 
воздушной среды, 
0
C  рассчитывается по формуле [1] 

 
2
0
г св
3,77 10
m
C
V U



, 
(1.2.4) 

где U – скорость воздушной среды, принимаемая по данным из технической документации на систему вентиляции для этого помещения, м/с.