рекомендуемые вопросы и примерное содержание раздела

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина»
А.К. Соколов
БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ В
ДИПЛОМНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Учебное пособие
БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ
ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Учебное пособие для дипломного проектирования
Учебно-методическое пособие
Иваново 2009
УДК 614.8.084+502.3
С
Соколов А.К. Безопасность и экологичность в дипломном
проектировании: Учеб.
пособие/
ГОУ ВПО
«Ивановский
государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». –
Иваново, 2009. – 132 с. ISВN Редактор д.т.н., проф. Г.В. Попов
Дана общая характеристика раздела дипломного проекта "
Безопасность и экологичность", описана организация работы над
проектом и консультаций.
Приведены методические рекомендации по выполнению раздела
дипломного проекта с указанием учебно-методических изданий по
безопасности жизнедеятельности и нормативных документов, которые
можно использовать для обеспечения: допустимых или комфортных
условий труда, производственной и экологической безопасности и
безопасности в чрезвычайных ситуациях.
Описаны методики и приведены примеры решения нескольких
типовых задач по обеспечению безопасности и экологичности
технических объектов.
Предназначено для студентов технических специальностей вузов.
Табл. 25. Ил. 13. Библиогр.: 104 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина».
Рецензент кафедра "Безопасность жизнедеятельности" ГОУ ВПО
«Ивановский государственный энергетический университет имени
В.И. Ленина» (доц., к.т.н. А.Г. Горбунов, В.П. Строев, К.В. Чернов)
© А.К. Соколов, 2009
Соколов Анатолий Константинович
БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ В ДИПЛОМНОМ
ПРОЕКТИРОВАНИИ
Учебное пособие
Редактор Н.Б. Михалева
Лицензия ИД № 05285 от 4.07.01
Подписано в печать
Формат 6080 1/16.
Печать плоская. Усл. печ. л. 7,67. Уч.-изд. л. 8,25. Тираж 350 экз. Заказ
ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет
имени. В.И. Ленина»
153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34
ISВN
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗДЕЛА ....................................... 7
2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ И КОНСУЛЬТАЦИЙ ........................ 9
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ......................................... 13
3.1. ВВЕДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................. 14
3.2. ВЫЯВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ВРЕДНЫХ И ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ .............. 15
3.3. ЗАЩИТА ОТ ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ИЛИ
КОМФОРТНЫХ УСЛОВИЙ ТРУДА ............................................................. 18
3.3.1. Общие замечания к выполнению подраздела ........................ 18
3.3.2. Микроклимат .......................................................................... 19
3.3.3. Освещение................................................................................ 21
3.3.4. Производственный шум ......................................................... 22
3.3.5. Вибрация .................................................................................. 24
3.3.6. Инфракрасное излучение ........................................................ 24
3.3.7. Электромагнитные, электростатические поля и излучения
.................................................................................................................... 26
3.3.8. Ионизирующие излучения ....................................................... 27
3.3.9. Инженерно-психологическое обеспечение труда ................ 27
3.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ..................... 28
3.4.1. Электробезопасность ............................................................ 28
3.4.2. Молниезащита ........................................................................ 31
3.4.3. Защита от термических ожогов ......................................... 32
3.4.4. Пожаровзрывобезопасность ................................................. 33
3.4.5. Безопасность систем, работающих под давлением ........... 36
3.4.6. Защита от механического травмирования ......................... 37
3.5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ................................................... 37
3.6. БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ (ЧС) ..................... 39
3.6.1. Методы защиты от техногенных происшествий .............. 39
3.6.2. Безопасность при химической аварии .................................. 40
4. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ РАСЧЕТОВ ......... 41
4.1. ВЫЯВЛЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПЕРСОНАЛ В
ПОМЕЩЕНИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ КОТЕЛЬНОЙ.......................................... 42
4.2. МАССА ОКСИДОВ АЗОТА, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ
ПРИРОДНОГО ГАЗА .................................................................................. 46
4.2.1. Процесс образования оксидов азота .................................... 46
4.2.2. Пример расчёта параметров продуктов стехиометрически
полного сгорания газового топлива при α>1 .......................................... 47
4.2.3. Расчет концентрации оксидов азота по [41]...................... 51
Масса термических оксидов азота .......................................................... 51
Концентрации топливных, быстрых оксидов азота и их суммы .......... 56
4.2.4. Расчет концентрации оксидов азота по [86]...................... 57
4.2.5. Масса выбросов оксидов азота и объем дымовых газов .... 60
4.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ....................... 62
4.3.1. Исходные данные .................................................................... 62
4.3.2. Расчет системы освещения .................................................. 62
4.4. ОЦЕНКА ДОПУСТИМОСТИ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ............ 67
4.4.1. Исходные данные .................................................................... 69
4.4.2. Допустимый уровень шума в помещении ............................. 70
4.4.3. Методика расчета уровня звукового давления в помещении
с источниками звука и вне его [91] ......................................................... 70
4.4.4. Расчет уровня звукового давления в помещении БЩУ с
учетом его звукоизоляции ........................................................................ 77
4.5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ............. 81
4.5.1. Тепловая изоляция трубопровода ......................................... 82
4.5.2. Тепловая изоляция высокотемпературных установок ...... 88
4.5.3. Тепловая изоляция высокотемпературных установок с
использованием экранов ........................................................................... 93
4.6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ....... 99
4.6.1. Устройство молниезащиты технических объектов [67] .. 99
Основные термины ................................................................................. 100
Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты 100
Параметры токов молнии ...................................................................... 102
Плотность ударов молнии в землю и технические объекты ............... 103
Конструкции средств защиты от прямых ударов молнии .................. 104
Выбор типа и высоты молниеотводов .................................................. 108
4.6.2. Зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов .. 109
Одиночный стержневой молниеотвод .................................................. 110
Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода............................ 111
Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода ........................... 112
Зоны защиты двойного тросового молниеотвода ................................ 114
Зоны защиты замкнутого тросового молниеотвода ............................ 115
Определение зон защиты по рекомендациям МЭК ............................. 117
4.6.3. Примеры расчета параметров молниеотводов и систем
молниезащиты ........................................................................................ 118
Оценка требуемой надежности молниезащиты ................................... 119
Высота одиночного стержневого молниеотвода ................................. 120
Молниезащита электролизной станции ................................................ 122
Молниезащита одиночным тросовым молниеотводом ....................... 125
БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................. 127
ПРИЛОЖЕНИЕ. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ И
ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА ...................................... 134
ВВЕДЕНИЕ
Дипломное проектирование – завершающий этап обучения в вузе,
в ходе которого студенты должны показать умение:
• комплексно применять знания, полученные при изучении
различных учебных дисциплин для решения практических задач;
• самостоятельно находить, осваивать и применять необходимую
информацию (методы расчета, описания конструктивного исполнения
и технических характеристик установок и устройств, правила, нормы)
в специальной литературе, нормативных документах, каталогах и
других источниках;
• оценивать
эффективность,
экономичность,
безопасность
предлагаемых технических решений;
• оформлять результаты работы в соответствии с установленными
требованиями к техническим документам.
В ходе дипломного проектирования студенты должны выполнить
и защитить выпускную квалификационную работу (дипломный проект).
В разделе дипломного проекта "Безопасность и экологичность"
должно быть обоснованно показано, что проектируемый объект
достаточно безопасен для обслуживающего персонала, природной
среды и населения. Для доказательства безопасности технического
объекта необходимо:
• выявить все возможные негативные воздействия на людей и
природную среду и дать их анализ;
• предложить меры защиты и
• показать, что негативные воздействия не превышают предельно
допустимых значений, а технические характеристики объекта,
влияющие на его безопасность, соответствуют установленным
правилам, нормам, требованиям.
В противном случае, государственные надзорные органы не дадут
разрешения на реализацию (применение) реального проекта, а
государственная аттестационная комиссия не сможет дать
положительную оценку учебному проекту.
"Безопасность жизнедеятельности" – обширная область знаний,
поэтому в одном учебном пособии по выполнению раздела
"Безопасность и экологичность" невозможно достаточно полно
осветить все темы и дать примеры решения практических задач с
необходимой справочной информацией.
Опыт проведения консультаций по выполнению раздела
"Безопасность и экологичность" показывает, что наибольшие
трудности у студентов вызывают расчеты при проектировании
устройств защиты от негативных воздействий технических объектов.
Трудности эти объективны и вызваны следующими причинами:
• описания методик решения отдельных задач "разбросаны" по
многочисленным источникам;
• за последние 5…10 лет обновлены многие нормативные
документы, и эти обновления не успели попасть в учебники;
• нормативные документы имеют значительный объем, часто не
содержат методических указаний по применению документа и
примеров расчета, поэтому работа с ними требует много времени на
их освоение.
При написании пособия автор попытался найти разумный
компромисс между "широтой" и "глубиной" представления
материалов, необходимых для выполнения раздела "Безопасность и
экологичность" про принципу "немного обо всем и много о немногом".
В учебном пособии даны краткие описания большей части
возможных воздействий технических объектов, негативных для
человека и природной среды, и методов защиты от них с указанием
ссылок учебно-методических издания и нормативные документы,
которые можно использовать для более детального изучения.
Для непосредственного применения даны описания нескольких
методик и примеры выполнения расчетов (проектирования) в области
охраны труда и защиты окружающей среды.
Учебное пособие состоит из четырех разделов.
В разделах 1 и 2 учебного пособия описаны общие требования к
содержанию раздела дипломного проекта "Безопасность и
экологичность", организация работы по его выполнению и предложен
список тем возможных расчетных заданий.
В третьем разделе даны краткие описания вредных и опасных
факторов производственной среды и средств защиты от них с обзором
учебно-методических и нормативные изданий, которые можно
использовать при проектировании средств защиты.
В четвертом разделе описаны методики и приведены примеры
решения следующих задач: выявление воздействий в помещении
промышленной котельной; определение массы вредного вещества
(диоксида азота), образующегося при сжигании природного газа;
проектирование искусственного освещения в производственном
помещении; оценка допустимости акустического воздействия от
нескольких источников шума с учетом его звукоизоляции;
проектирование защиты от тепловых воздействий и молниезащиты
зданий и сооружений.
В приложении приведен список тем для подготовки к защите и
примерное оглавление раздела.
С разделами 1 и 2 и п. 3.1 и 3.2 следует ознакомиться перед
началом преддипломной практики, а с разделом 3 − до первой
консультации по разделу "Безопасность и экологичность".
Материалы 3 и 4 разделов учебного пособия используются по
мере необходимости при работе над дипломным проектом и при
подготовке к его защите.
Независимо от темы расчетного задания рекомендуется прочитать
п. 4.5.1 для ознакомления со стилем описания процесса
проектирования (защиты), когда почти каждое принятое решение
обосновывается путем ссылки на пункт или цитату нормативного
документа (в частном случае СНиП 41-03-2003).
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗДЕЛА
В разделе дипломного проекта "Безопасность и экологичность"
дается характеристика степени опасности и вредности проектируемого
технического объекта по отношению к людям и окружающей среде,
предлагаются меры, позволяющие создать допустимые (комфортные)
и безопасные условия труда или проживания для людей, которые
находятся в зоне негативного воздействия объекта.
Объем раздела должен составлять примерно 10 % от общего
объема проекта, то есть 8...12 с. "Правило десяти процентов" можно
отнести к интеллектуальным и временным затратам на выполнение
раздела проекта.
Раздел принято называть "Безопасность и экологичность проекта"
или более конкретно: например, "Обеспечение безопасности при
обслуживании … "наименование технического объекта"", "Улучшение
условий труда (и повышении безопасности) в помещении блочного
щита управления", "Оценка (повышение) экологической безопасности
ТЭС (ТЭЦ, котельной)" и т.п.
К этой части дипломного проекта относятся:
• раздел пояснительной записки, состоящей из вводной (без
заголовка "введение") и основной частей, выводов или
заключения;
• графическая часть, к которой можно отнести: генплан, общие
виды, разрезы, принципиальные схемы, схемы электроснабжения и
другие чертежи, если на них содержатся технические решения,
связанные с техникой безопасности, охраной труда, экологией
(площадки обслуживания, взрывные и предохранительные
клапана, компенсаторы, трубы, устройства защитного отключения,
заземление, молниеотводы, дымовые трубы, защитные кожухи,
экраны и т.д.).
Основная часть раздела должна включать несколько подразделов,
обязательно содержащих 1…2 расчета, выполняемых для
обоснования принимаемых решений по повышению безопасности и
(или) улучшению условий труда. Возможные наименования разделов.
1. "Выявление и анализ вредных и опасных факторов",
2. "Защита от вредных факторов" или "Обеспечение допустимых
(комфортных) условий труда";
3. "Обеспечение безопасности (помещений, объектов, видов
воздействий, рабочих мест, обслуживания, ремонтных работ и
других производственных операций)";
4. "Экологическая безопасность" (или более конкретно: "Оценка
допустимости воздействия ТЭС на природную среду",
"Снижение загрязнения атмосферы (гидросферы) вредными
выбросами (стоками)";
5. "Безопасность в чрезвычайных ситуациях".
Наименования
подразделов
целесообразно
указать
руководителю проекта в "Задании на дипломное проектирование",
которое студент должен получить до начала преддипломной практики.
Раздел оформляется по тем же правилам (ГОСТы ЕСКД), что и
другие части пояснительной записки.
В описательной части следует обратить внимание на стиль
изложения и избегать общих фраз: "должно", "должно быть",
"рекомендуется"
и
т.п.
Проект
–
не
"Методические
указания...,"Учебное пособие" или "Правила … ", поэтому в нем
следует описывать то, что есть (предложено, разработано в
соответствии с нормами, правилами, техническими регламентами и
т.п.), а не то, что надо бы сделать. Не следует переписывать
требования к объекту или подсистеме из нормативных документов.
Необходимо описывать то, как выполнены (применены, соблюдены)
эти требования. При этом рекомендуется делать ссылку на номера
пунктов документа, а лучше цитировать их или приводить фрагменты
текстов, таблиц и др.
Например, "…toc– температура окружающей среды (согласно п.
6.1.5-б [76] для изолируемых поверхностей, расположенных в
помещении, toc = 20 °С) ", "Толщина покровного слоя δ2 =(d3 – d2)/2,
обычно задается (см. п. 6.18–6.22 [76]); "…молниеприемники
соединены с двумя заземлителями стальными полосами сечением
s=40х3 = 120 мм2 (требование [67] табл. 3.1 выполняется, s ≥ 50 мм2)",
"Электропроводка к светильникам местного освещения (выше 42 В)
выполнена в пределах рабочего места в трубах или гибких рукавах
(ПУЭ [22], п.6.2.9)".
Среди типичных ошибок отметим следующие:
• не систематизированные и логически не связанные материалы
раздела ("что дали на практике, то и принес");
• отсутствие необходимых рисунков, или копирование их из
учебников без конкретных данных (например, схема молниезащиты
без указания фактического расположения молниеотводов и размеров
зданий);
• отсутствие пояснений к расчетам и использование чисел без
обоснования или ссылки н документы или другие части проекта, что,
естественно, вызывает сомнение в надежности выводов (результатов);
• не структурируемый текст (нечеткая иерархия (порядок
подчинения), не достаточное количество подзаголовков);
• отсутствие введений и выводов в основных подразделах (как
пример введений может использоваться тест между заголовками 1 и
2-го уровня, 2 и 3-го уровня данного учебного пособия, см. например,
текст между п. 3.3 и п. 3.3.1).
2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ И КОНСУЛЬТАЦИЙ
Работу над разделом "Безопасность и экологичность проекта"
консультирует преподаватель кафедры БЖД (консультант по
безопасности и экологичности проекта), который, подписывая эту
часть проекта, разделяет ответственность за правильность и качество
выполнения раздела БЖД с исполнителем и руководителем проекта.
За время работы над проектом преподаватель кафедры БЖД дает
не менее трех консультаций, которые проводятся по расписанию
кафедры БЖД.
На первую консультацию студент должен придти в начале
дипломного проектирования (или перед практикой) и принести
задание на проектирование, подписанное руководителем, в котором
желательно указать, содержание раздела "Безопасность и
экологичность проекта". В противном случае студент должен
самостоятельно предложить содержание и несколько вариантов
возможных тем, по которым будут выполняться расчеты, и дать
вариант оглавления раздела.
При выборе содержания раздела в первую очередь следует
определиться с объектом, для которого планируется разрабатывать
защитные мероприятия (цех, участок, помещение БЩУ, учебная
лаборатория, окружающая среда и др.). При этом следует учитывать:
•
взаимосвязь с другими частями проекта (например, если в
спецзадании проектируется система регулирования сжигания
угольной пыли, то в разделе БЖД целесообразно рассмотреть
участок пылеприготовления);
• наличие исходных данных, необходимых для выполнения
расчетов (данные об объекте защиты необходимо собрать во время
прохождения преддипломной практики, имея задание на
дипломное проектирование); список возможных расчетов, которые
можно выполнить в разделе дипломного проекта, основных
исходных данных для них приведен в табл. 1.
При выборе и согласовании расчетных заданий консультант
принимает во внимание содержание разделов других студентов, чтобы
свести к минимуму дублирование тем и видов расчетов в учебной
группе.
Таблица 1. Наименование расчетных задач, основные исходные данные и ссылки на
литературу с описанием методов и примеров расчета (индексы у номера задачи
обозначают принадлежность к группам специальностей: т–теплотехнических и э –
электротехнических)
№
Наименование задачи
Основные исходные данные
Приме
чание
1ТЭ
Обеспечение
необходимого Мощности выделений теплоты, [18, 28,
воздухообмена в помещении влаги,
вредных
веществ, 31, 35,
(естественной
или количество
работающих, 48]
механической вентиляции)
интенсивность работы, размеры
помещения
2 ТЭ
Расчет
естественного Размеры
и
ориентация [31,
освещения
помещения (окон) по странам 55]
света, характер выполняемых
работ
3 ТЭ
Расчет
требуемой Размеры помещения, характер П. 4.3,
освещенности рабочих мест выполняемых
работ [28, 43,
искусственным светом
(минимальный размер объекта 55]
различения)
4 ТЭ
Оценка уровня шума с учетом Шумовые
характеристики П. 4.4,
защитных мероприятий на оборудования,
схема [27, 50,
рабочих
местах
или
в расположения источников шума 54]
селитебной зоне
и рабочих мест (селитебной
зоны)
5Т
Расчет
интенсивности Температура
источника [2, 57,
инфракрасного излучения и излучения, схема расположения 58, 75]
достаточности мер защиты
излучателя и человека
6Э
Расчет
напряженности Напряжение
источника
и [28, 34,
электрического поля в рабочей расстояние до рабочей зоны
38, 54,
зоне
58]
7 ТЭ
Расчет
полученных
доз Мощность и вид ионизирующего [27, 54,
ионизирующих излучений и излучения,
расположение 60]
оценка
достаточности источника и рабочих мест
№
8 ТЭ
9 ТЭ
10 ТЭ
11 Т
12 ТЭ
13 ТЭ
14 ТЭ
15 Т
16 ТЭ
17 ТЭ
Наименование задачи
защитных мер
Проектирование оборудования
или рабочего места с учетом
эргономических требований
Расчет защитного заземления
или
зануления
электроустановок, выбор и
расчет устройств защитного
отключения
Классифицировать
и
определить в соответствие с
ПУЭ размеры пожаро- и
взрывоопасных зон, выбрать
уровни
взрывозащиты
и
маркировки
электрооборудования, а также
правила монтажа силовых и
осветительных сетей
Проектирование
тепловой
изоляции
оборудования,
трубопроводов
Определение необходимости
оснащения
помещения
системами
пожарной
сигнализации,
пожаротушения, управления
эвакуацией людей
Расчетное
определение
категории
взрывопожароопасности
помещений,
в
которых
имеются вещества, способные
образовать
взрывоопасные
смеси
Проектирование
системы
пожарной сигнализации
Расчет
площади
легкосбрасываемых
конструкций (ЛСК) для отвода
энергии взрыва в безопасном
направлении
Проектирование
установки
автоматического
пожаротушения помещений,
электроустановок, кабельных
тоннелей и др.
Определение
состава
первичных
средств
пожаротушения
Основные исходные данные
Приме
чание
Характер работы, типы приборов
контроля и управления
[7, 8, 9,
27, 28,
58]
[27, 34,
38, 43]
Напряжение и тип электросети,
размеры
естественных
заземлителей
Свойства и количество горючих
веществ,
виды
электрооборудования
[22, 38,
39, 45]
Температура
теплоносителя,
диаметр трубопровода, размеры
установки
Свойства горючих материалов
(пожарной нагрузки), размеры и
назначение помещения
П. 4.5,
[41, 52,
63, 76]
[15, 16,
17, 27,
45, 83]
Свойства
взрывоопасных
материалов, условия храненния,
транспортировки,
размеры
помещения
[15, 16,
27]
Свойства горючих материалов,
размеры помещения
Вид горючего вещества, его
свойства,
масса
вещества
поступившего в помещение в
результате
утечки,
разрыва
газопровода
Свойства горючих материалов,
размеры
помещения,
оборудования
[14]
Размеры
и
категория
взрывопожароопасности
помещения
[27, 45,
85]
[27]
[14,
27]
№
Наименование задачи
Основные исходные данные
18 ТЭ
Проектирование
молниезащиты
зданий
и
сооружений
Проектирование
молниезащиты
воздушных
линий
электропередачи,
открытых
подстанций
и
распределительных устройств
Выбор
типа
и
расчет
количества
предохранительных клапанов
для сосудов под давлением
Размеры и план расположения
зданий и сооружений, размеры
естественных заземлителей
Размеры и план расположения
оборудования, напряжение сети,
размеры
естественных
заземлителей
масса
[10, 28,
36, 38]
21 ТЭ
Расчет параметров вибрации и
оценка
достаточности
защитных мероприятий
[4, 27,
34, 54]
22 ТЭ
Экспертиза
достаточности
путей эвакуации людей из
здания при пожаре
23 ТЭ
Определение
необходимого
количества первичных средств
пожаротушения
Расчет размеров и площади
зоны
заражения
при
химической аварии
Вибрационные характеристики
оборудования, элементов зданий,
грунта;
схема
размещения
оборудования и рабочих мест
(селитебной зоны)
Схема
(план)
здания
с
расположением оборудования,
рабочих мест, дверных проемов,
выходов на улицу
Свойства горючих материалов,
размеры помещения
Виды, количества химически
опасных веществ, способ их
хранения, план местности.
[49, 50,
85]
19 Э
20 Т
24 Т
Давление, температура,
или расход пара (газа)
Приме
чание
П. 4.6,
[22, 27,
45]
ПУЭ
[22]
[27,
65]
[77]
Согласовав оглавление и план работы, консультант может
оказать помощь в подборе литературы, программных средств, которые
можно использовать при выполнении раздела "Безопасность и
экологичность проекта".
На вторую и последующие консультации студент должен
приносить: подробное содержание (оглавление) раздела (см.
приложение), чтобы консультант мог оценить компоновку,
иерархичность, логичность и полноту описаний; черновик раздела
"Безопасность и экологичность проекта"
и список вопросов к
консультанту.
На этих консультациях преподаватель проверяет описания и
расчеты и (или) отвечает на вопросы студента. При отсутствии
существенных замечаний консультант подписывает черновики
пояснительной записки (чертежей).
На последнюю консультацию (в идеальном случае – третью)
студент должен принести:
• подписанные консультантом черновики;
• чистовики раздела пояснительной записки (чертежи);
• оформленные и подписанные автором (студенты часто
забывают ставить свою подпись): титульный лист и задание на
проектирование.
При
отсутствии
замечаний
консультант
подписывает
представленные материалы и, таким образом, дает разрешение на
защиту раздела "Безопасность и экологичность" дипломного проекта.
Рассмотрим возможное содержание подразделов и методические
рекомендации по их выполнению.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
В общем случае раздел "Безопасность и экологичность" состоит
из введения, заключения и подразделов:
1. "Выявление и анализ вредных и опасных факторов",
2. "Защита от вредных факторов";
3. "Обеспечение безопасности";
4. "Экологическая безопасность" и
5. "Безопасность в чрезвычайных ситуациях".
Примерный порядок выполнения подразделов 1, 2, 3 с краткими
примечаниями дан в табл. 2.
Таблица 2. Примерное содержание этапов работы по выявлению, анализу и защите
от вредных и опасных факторов в производственных помещениях
№ Наименование и содержание этапа Примечание
1 Анализ
производства, Списки негативных воздействий даны в п.
оборудования,
процессов, 3.2, возможные источники в п. 3.3, 3.4
выявление источников, видов и
количества
Кнг
негативных
воздействий
2 Описание
возможных В п. 3.2, 3.3 и 3.4 даны ссылки на
последствий i воздействия (i=1, 2, литературные источники; описания многих
…, Кнг)
воздействий имеются в [28].
3 Определение
предельно Предельно
допустимые
величины
допустимой
величины
i воздействий имеются в нормативных
воздействия
документа и частично в учебной литературе
(см. ссылки на них в п. 3.3 и 3.4)
4 Определение
фактического Определяется расчетом, по техническим
значения параметра i воздействия паспортам оборудования, по данным
(уровня шума, освещенности и предприятия. Списки возможных расчетных
т.п.)
работ даны в табл. 1. В п. 3.3 и 3.4 имеются
ссылки на литературу с описанием методов
и примеров расчета. В разделе 4 даны
примеры решения некоторых расчетных
задач
5 Оценка
допустимости
i Оценка допустимости воздействия может
воздействия путем сравнения выполняться по условиям (1)…(4). Пример
предельно допустимой величины оценки
допустимости
акустического
воздействия и его фактического воздействия дан в п. 4.4.
значения.
6 ЕСЛИ
величина
воздействия В п. 3.3 и 3.4 перечислены возможные меры
допустима,
ТО
переход
к защиты и даны ссылки на литературу с
рассмотрению следующего i+1 более подробным описанием защитных
воздействия или оформление п. 1, мероприятий.
2, 3 ИНАЧЕ выбор способа
защиты, переход к этапу 5,
который выполняется с учетом
предложенных
в
проекте
защитных мероприятий.
Примечание. В зависимости от принятого стиля изложения этапы 2…5 могут, по
согласованию с консультантом, отнесены как к подразделу 1, так и к подразделам 2, 3
(их наименования приведены перед табл. 2).
При выполнении раздела "Безопасность и экологичность"
студенты должны руководствоваться специальной литературой. Ниже
даны лишь краткие рекомендации, которые можно использовать при
написании раздела пояснительной записки.
3.1. Введение и заключение
Правила их написания являются общими для любых технических
документов.
Во введении (в данном случае, без заголовка "Введение") дается
краткая характеристика объекта, безопасность которого будет оценена
и обеспечена в проекте. Обосновывается необходимость анализа
безопасности (условий труда) и разработки технических решений,
которые позволят свести к допустимым значениям возможный ущерб
обслуживающему персоналу, технике, населению, природной среде;
перечисляются задачи, которые будут решаться в разделе.
В заключении кратко описываются: содержание работы,
результаты анализа и расчетов, которые доказывают безопасность
объекта и достаточность принятых решений. Текст заключения
следует написать так, чтобы его можно было использовать в качестве
части доклада на защите проекта.
Введение и заключение окончательно можно оформить после
написания всего раздела.
3.2. Выявление и анализ вредных и опасных факторов
В подразделе дается характеристика помещений, оборудования,
выявляются и анализируются негативные воздействия на
производственный персонал, природную среду и население.
Негативные (вредные и опасные) воздействия на человека
осуществляются в рабочей зоне, которая характеризуется параметрами
помещения (здания), среды (воздуха) и оборудования, а также
взаимодействием в техногенной системе человек-помещение-средаоборудование.
Вредный фактор – негативное воздействие на человека, которое
приводит к ухудшению самочувствия или заболеванию [28].
Опасный (травмоопасный) фактор – негативное воздействие на
человека, которое приводит к травме или летальному (смертельному)
исходу [28].
Фактором называют существенное обстоятельство в каком-нибудь
процессе, явлении. В зависимости от последствий воздействия фактора
процесса область его изменения разделяют на несколько уровней [28,
54]. Отнесение фактора к вредному или опасному воздействию зависит
от его значения (величины). Например, звук с уровнем до 120 дБ –
вредный фактор, а с более высоким уровнем – опасный фактор,
который будет нарушать работу головного мозга и вызывать боль (140
дБ).
Перечень негативных факторов в настоящее время насчитывает
более 100 видов. Классификация вредных и опасных факторов дана в
ГОСТе 12.0.003-74 ССБТ [68]. Особенности воздействия вредных
веществ на организм человека и требования безопасности при работе с
ними описаны ГОСТе 12.0.007-76 ССБТ [69].
К наиболее распространенным вредным производственным
факторам относятся [28, 29, 33]:
• запыленность вредными веществами и загазованность воздуха;
• недопустимые микроклиматические условия рабочей зоны
(температура, влажность, подвижность воздуха);
• недостаточное и (или) неправильное освещение;
• шум, вибрация;
• тепловые (инфракрасные) излучения;
• электромагнитные (ВЧ и СВЧ) поля и ионизирующего
излучения;
• отходы производства, выбросы, стоки, потоки теплоты;
• монотонность деятельности, тяжелый физический труд и др.
Основными опасными факторами энергетических производств
считаются [28, 29, 33, 34]:
• поражения электрическим током,
• опасности пожара, взрыва,
• сосуды под давлением,
• высокие температуры поверхностей,
• движущиеся элементы механизмов,
• работа на высоте,
• опасные химические вещества и т.п.
В подразделе следует выполнить анализ воздействий (отдельно
для вредных и опасных факторов) [28, 29, 33, 34]:
• описать характеристики помещений (зданий);
• выявить
источники
воздействий
(оборудование,
коммуникации, средства обеспечения работы оборудования
или персонала);
• дать наименования и описать характеристики воздействий
(постоянное, периодическое, случайное);
• назвать объекты защиты от воздействий (люди, оборудование,
строительные конструкции, окружающая среда (природа,
население), здания, ЛЭП и другие объекты);
• возможные негативные изменения (происшествия), которые
могут вызвать воздействия в объектах защиты;
• указать, если это возможно, например, по данным предприятия,
какие параметры воздействий превышают установленные
предельно допустимые значения.
Для удобства систематизации и анализа воздействий в
техногенной системе ее характеристику можно представить в виде
таблиц для помещений, оборудования, воздействий. Студенты,
которые в курсе БЖД изучали методику системнологического
описания техногенных систем [51, 70], как правило, применяют
табличный способ описания вредных и опасных факторов
производств, представленный ниже.
В таблице основных характеристик производственных помещений
рекомендуется указать:
• категорию пожаровзрывоопасности по [15];
• необходимую и фактическую степени огнестойкости здания
[20, 24, 39];
• класс взрывопожарной защиты (Правила устройства
электроустановок (ПУЭ) п. 7.3, 7.4, [22]);
• класс помещений по окружающей среде (ПУЭ п. 1.1.4, 2.1.12,
[22]);
•
группа производственных процессов по окружающей среде
[53];
•
класс помещений по опасности поражения электрическим
током (ПУЭ [22]);
• санитарный класс производства, ширина санитарной зоны для
защиты населения и селитебной зоны (НБР-99 для АЭС,
СанПиН 2.2.1/2.1.2.567-96 "Санитарные защитные зоны и
санитарная классификация предприятий, сооружений и иных
объектов" [72], [28]))
Для оборудования или устройств, являющихся источниками
негативных воздействий или чрезвычайных ситуаций в таблице можно
указать: номер устройства; назначение (номенклатура продукции);
функциональные показатели, например, мощность; процессы
(преобразование энергии топлива в тепловую энергию, механической
энергии в электрическую, электрической энергии в механическую и
т.п.); виды детерминированных (предопределенных, неслучайных)
воздействий (физических, химических, психофизических); виды
стохастических, имеющих вероятностный характер, воздействий.
Характеристики выявленных воздействий можно также
систематизировать в виде таблицы, указав для них следующую
информацию.
• Номер и наименование воздействия (физического: запыленность
рабочей зоны, вибрации, акустические колебания, статическое
электричество, электромагнитные поля, излучения (инфракрасные,
ионизирующие), электрический ток, движущиеся механизмы,
падающие или разлетающиеся предметы или осколки, острые
кромки, повышенная или пониженная температура поверхности;
химического: загазованность, запыленность опасными веществами,
попадание ядов на кожные покровы или слизистые оболочки, или
в желудочно-кишечный тракт, психофизиологического: перегрузки
физические (статические или динамические), нервно-психические
(информационные, эмоциональные, перенапряжение анализаторов
(глаз), монотонность труда); стохастического: разрушение сосуда
под давлением, утечка взрывоопасных или токсичных газов,
возникновение взрыва, пожара, выброса газов, пролива жидкостей,
разрушение изоляции, обрыв ЛЭП, кабеля, отказ оборудования и
т.п.).
• Факторы или параметры воздействия (температура поверхности,
частота электрического тока, напряженность поля, освещенность,
наименование и концентрация вредного или опасного вещества,
интенсивность излучения, давление, электрическое сопротивление,
уровень шума, вибрации, масса опасного вещества, удельная
теплота сгорания, энергозатраты работающего, плотность
воспринимаемых сигналов).
• Негативные последствия в организме человека или в
окружающей природной среде (ухудшение самочувствия,
травмирование, профессиональные заболевания, перегрев или
ожог открытых участков кожи человека, головная боль,
головокружение, функциональные нарушения центральной
нервной,
сердечно
сосудистой,
опорно-двигательной,
пищеварительной , мочевыделительной систем организма
человека, загрязнение природной среды и деградация экосистем).
• Оптимальные и (или) предельно допустимые значения факторов
со ссылкой на нормативные документы.
Пример выявления воздействий на производственный персонал в
помещении промышленной котельной и их описания в виде таблицы
приведен в п. 4.1.
3.3. Защита от вредных факторов. Обеспечение
допустимых или комфортных условий труда
В подразделе даются рекомендации по обеспечению допустимых
или комфортных условий труда, которые характеризуются
параметрами: микроклимата, освещения, производственного шума,
вибрации,
инфракрасного, электромагнитнного, ионизирующего
излучений, а также средствами инженерно-психологического
обеспечения труда.
3.3.1. Общие замечания к выполнению подраздела
Комфортные или допустимые условия труда характеризуются
нижними Ннп и верхними Нвп нормативными значениями параметров
воздействий, установленными ГОСТами, СНиПами, санитарными
нормами (СН) и другими документами [2, 8, 9, 12, 19, 84]. (Комфорт –
оптимальное сочетание параметров микроклимата, удобств,
благоустроенности.)
Условия труда считаются комфортными (оптимальными), если
для всех параметров Рут, которые их определяют, выполняются
требования:
Ннп ≤ Рут ≤ Нвп. или,
(1)
Ннп ≤ Рут. или,
(2)
Рут ≤ Нвп. или,
(3)
Рут = Нвп.
(4)
где Рут–температура рабочей зоны, относительная влажность воздуха в
условии (1), коэффициент естественной освещенности КЕО – (2),
концентрации пыли, вредных газов, уровни шума, вибрации – (3),
освещенность рабочих поверхностей – (4).
Таким образом, для всех вредных факторов, описанных в
предыдущем подразделе, следует:
• по нормативным документам найти значения Ннп и (или) Нвп, то
есть описать требуемые условия труда;
• оценить фактические значения Рут (выполнив их расчет, или
по результатам измерений, или по данным предприятия, или
других источников);
• проверить выполнение условий (1)…(4);
• описать технические и организационные мероприятия, которые
обеспечивают выполнение требований (1);
• предложить мероприятия для изменения тех величин
(мощности, уровня) воздействий, которые не соответствуют
требованиям (1), и расчетами подтвердить их достаточность.
Из-за ограничений на объем раздела "Безопасность и
экологичность" количество и виды расчетов согласовываются с
консультантом.
Расчеты могут быть поверочными или конструктивными.
Поверочными расчетами находятся значения Рут и проверяются
условия (1)…(4).
При конструктивных расчетах определяются параметры средств
обеспечения комфортных или допустимых условий труда
(освещенности, вентиляции) или средств защиты, при которых будут
выполняться условия (1)…(4).
Краткие методические указания по обеспечению комфортных
условий труда рассмотрены ниже.
3.3.2. Микроклимат
Микроклиматические параметры производственных помещений
(температура, влажность, подвижность и чистота воздуха) влияют на
самочувствие человека и его работоспособность.
Оптимальные и допустимые значения этих параметров
установлены [2, 12, 84], в зависимости от времени года, интенсивности
выполняемой работы, характера и интенсивности тепловыделений от
оборудования (Вт/(м3 внутреннего объема помещения), Вт/(м2
поверхности тела человека)).
Физиологическое действие микроклиматических условий на
человека и содержание мероприятий (технологических, санитарно-
технических, организационных, медико-профилактических), выполняя
которые можно обеспечить требуемые микроклиматические
параметры, описаны в [18, 28, 33, 34, 48].
Методики расчета систем вентиляции и кондиционирования
воздуха описаны в [18, 28, 31, 35, 48].
Отметим, что при определении необходимого воздухообмена
(помещение – окружающая среда) необходимо учитывать:
• потребность в кислороде для людей (объем воздуха на одного
работающего),
• наличие избыточной теплоты (от оборудования, людей,
приборов, компьютеров и др.),
• выделения в воздух рабочей зоны влаги и (или) вредных
веществ.
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе
рабочей зоны установлены [2, 12, 84].
Приближенно для некоторых помещений объем подаваемого
воздуха L, м3/ч, можно определить по нормируемой кратности
воздухообмена nво, L = nво Vп, где Vп, – объем вентилируемого
помещения, м3, или нормируемому расходу приточного воздуха на 1
м2 пола помещения, м3/(ч м2), или по нормируемому удельному
расходу приточного воздуха, м3/ч, на 1 чел., на 1 рабочее место, на 1
посетителя или единицу оборудования.
Необходимый
воздухообмен
обеспечивается
системами
вентиляции или кондиционирования, которые могут поддерживать
оптимальную для человека или технологических процессов влажность
воздуха.
В зависимости от способа организации воздухообмена вентиляция
может быть [48, 54]:
а) естественной (неорганизованной – путем инфильтрации,
проветривания или организованной путем аэрации через открытые
фрамуги окон, фонарей) через вентиляционные шахты с
дефлекторами;
б) механической (по зоне обслуживания: общеобменной, местной,
смешанной; по способу подачи и удаления воздуха: приточной,
вытяжной или приточно-вытяжной).
Для помещений, в которых отсутствуют мощные источники
вредных веществ и тепловыделений, в первую очередь следует
рассмотреть
возможность
применения
более
экономичной
естественной вентиляции.
Параметры наружного воздуха для различных районов страны
можно найти в СНиП 23-01-99 "Строительная климатология" [56].
Проектирование вентиляции будет включать [18, 28, 35, 48]:
• расчет необходимого расхода воздуха L, который обеспечит
требуемые по нормативным документам параметры воздуха;
• выбор системы вентиляции;
• определение путем аэродинамического расчета размеров
воздухопроводов и выпускных отверстий, размеров фрамуг и
других элементов, потерь давления в воздуховодах;
• выбор вентилятора или кондиционера.
3.3.3. Освещение
Освещение производственных помещений, если оно правильно
спроектировано, повышает эффективность, комфортность и
безопасность труда.
По способу (источнику света) освещение подразделяют на
естественное, искусственное (местное, общее и комбинированное) и
совмещенное (естественное и искусственное) [28, 43, 51, 54, 55].
По функциональному назначению искусственное освещение
разделяют на рабочее, аварийное (освещение безопасности) и
специальное (охранное; дежурное; эвакуационное; эритемное для
стимуляции обмена веществ, кровообращения и других функций
организма; бактерицидное и др.).
Параметры
естественного
и
искусственного
освещения
регламентируются нормами СНиП 23-05-95 "Естественное и
искусственное освещение" [55] в зависимости от характера зрительной
работы (минимального размера объекта различения), системы и вида
освещения, фона, контраста объекта с фоном, района расположения и
ориентации здания относительно сторон света и других параметров.
Естественное освещение – это освещение помещений светом неба
(прямым или отраженным), проникающим через световые проемы в
наружных ограждающих конструкциях.
Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как
правило, естественное освещение.
Без естественного освещения допускается проектировать
помещения, которые определены нормативными документами по
строительному проектированию зданий и сооружений отдельных
отраслей промышленности, а также помещения, размещение которых
разрешено в подвальных и цокольных этажах зданий и сооружений.
Естественное освещение подразделяется на боковое, верхнее и
комбинированное (верхнее и боковое).
В производственных помещениях при естественном освещении
нормируется минимальное значение коэффициента естественной
освещенности (КЕО) в специально оговоренной точке помещения.
(КЕО – отношение (в %) освещенности в контрольной точке внутри
помещения к одновременной освещенности снаружи при полностью
открытом небосводе и сплошной облачности.)
Нормированные значения КЕОн определяются по формуле
КЕОн = КЕОб m,
(5)
б
где значения КЕО – базового значения КЕО и m – коэффициента
светового климата приводятся в [55].
При поверочном расчете естественного освещения определяют
фактическое значение КЕО и сравнивают его с КЕО н, а при
конструктивном – определяют площадь световых проемов, которые
обеспечат нормированное значение КЕОн. Пример конструктивного
расчета естественного освещения приведен в [31].
Искусственное
освещение
нормируется
минимальной
освещенностью и коэффициентом пульсации, а также качественными
показателями ослеплённости и дискомфорта [28, 54, 55].
При выполнении расчетов производственного освещения можно
использовать [28, 43]. В практическом пособии [43] приведен пример
расчета конструктивного расчета искусственного освещения
помещения и необходимая нормативная информация из [55].
3.3.4. Производственный шум
Интенсивный шум способствует быстрому утомлению, вызывает
заторможенность реакций организма, что приводит к снижению
производительности и качества труда, а также к травмам и авариям изза замедленной реакции на предупредительные сигналы транспорта и
систем защиты.
Физиологические последствия в результате воздействия
акустических колебаний (шума) на организм человека описаны в [28,
34, 37].
Шум характеризуется: звуковым давлением Р фронта звуковой
волны (до нескольких десятков и более паскалей); интенсивностью I
(силой) звука, Н, или плотностью потока энергии в звуковой волне
(до 1 Вт/м2 [34]).
Отношения фактических значений давления Р и интенсивности
звука I к их значениям на пороге слышимости человека на частоте
1000 Гц (Р0 =2·10-5 Па, I0=10-12 Вт/м2) изменяются на порядки, поэтому
для количественной характеристики шума используют их
логарифмические уровни, дБ,
Lд =10 lg(Р/Р0), Lи =20 lg(I/I0)
(6)
Для более точной характеристики звуковых воздействий
величины Lд и Lи измеряются (нормируются) для девяти октавных
полос, на которые разбит весь диапазон слышимых человеком частот
от 20 до 20000 Гц. Ориентировочно уровень широкополосного
звукового давления можно определить для всего диапазона
слышимости (шкала А шумомера в дБ А), учитывая особенности
чувствительности органов слуха человека на разных частотах.
Нормируемые параметры шума на рабочих местах определены
ГОСТом 12.1.003–83 ССБТ "Шум. Общие требования безопасности"
[3] и Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562–96 "Шум на рабочих
местах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории
жилой застройки" [73].
Допустимый уровень звукового давления задается в зависимости
от функционального назначения помещения (вида работ). Например, в
помещениях управления, рабочих комнатах допустим уровень звука
60 дБ А.
Фактический уровень звукового давления на рабочем месте
можно рассчитать, зная уровень звуковой мощности источника
(источников) шума, характеристику направленности его излучения,
схему помещения с указанием источника и "приемника" шума и
характеристик звукопоглощающих и звукоотражающих объектов.
Формулы для расчета уровней звукового давления на расстоянии
от источника звука приведены в [27, 50, 54, 91], а примеры
вычислений по ним – в [27, 50] и в п. 4.4.
В тех случаях, когда уровни звукового давления превышают
допустимые (условие (3)), необходимо принять меры для их снижения.
Способы защиты от шума описаны в [27, 28, 54]. К ним относятся:
• уменьшение шума в источнике;
• изменение направления излучения;
• увеличение величины телесного угла его излучения;
• увеличение расстояния до источника;
• применение звукопоглощающих материалов для покрытия
внутренних
поверхностей
помещений,
глушителей,
звукоизолирующих поверхностей, экранов;
• ограничение времени пребывания человека в зоне с высоким
уровнем звука.
Выбор приемлемого способа защиты производится путем подбора
технического решения и проверки его достаточности.
Некоторые задачи защиты от шума можно решить, как обратные,
выразив в явном виде необходимую величину искомого параметра
средства защиты, например толщину звукоизолирующей перегородки
в зависимости от уровней шума у его источника и допустимого − у
объекта защиты.
3.3.5. Вибрация
Вибрацией называют малые механические колебания. В
зависимости от количества органов человека, вовлеченных в
нежелательный колебательный процесс, вибрацию подразделяют на
общую и локальную. Вибрационная патология занимает второе место
(после пылевой) среди профессиональных заболеваний [28].
Негативные последствия в организме человека определяются:
частотой и амплитудой колебаний, продолжительностью, местом
приложения и направления воздействия вибрации, демпфирующих
свойств тканей, явлений резонанса и других условий.
Физиологические изменения в организме человека от воздействия
вибрации описаны в [28]. От общей вибрации страдает, прежде всего,
нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный и
тактильный (осязательный). Локальная вибрация вызывает спазмы
сосудов конечностей, снижение кожной чувствительности, отложение
солей в суставах пальцев, которое снижает их подвижность.
Нормируемые
параметры
производственной
вибрации
определены ГОСТом 12.1.012–90 ССБТ. "Вибрационная безопасность.
Общие требования" [4] и Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566–96
"Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и
общественных зданий" [74]. В нормативных документах описаны
также меры и требования к обеспечению безопасности вибрационных
воздействий.
Нормативные значения вибрационных воздействий определены в
11 октавных полосах для следующих параметров вибрации [4]:
средние квадратичные виброскорости v и их логарифмические уровни
Lv или виброускорения a для локальных вибраций. Нормы допускают
интегральную оценку вибрации для всего частотного диапазона, а
также по дозе вибрации, учитывающей продолжительность ее
воздействия на человека.
Способы защиты от вибрации: организационные, лечебнопрофилактические и технические, которые можно применить в
дипломном проекте, описаны в [4, 27, 34, 54].
В [27, 54] приведены примеры расчета параметров вибрации и
оценки достаточности защитных мероприятий от воздействия
вибрации.
3.3.6. Инфракрасное излучение
Передача теплоты излучением в отличие от конвективной
вызывает не только перегрев организма, но и специфические
изменения в клетках тканей и белковых молекулах. Более всего
подвержены поражению кожные покровы и органы зрения человека.
Воздействие инфракрасного излучения влияет так же на верхние
дыхательные пути, обменные процессы в миокарде (сердечной
мышце), водно-электролитный баланс, не исключен мутагенный
эффект [28].
Негативные последствия в организме человека от воздействия
инфракрасного излучения подробно описаны в [28]. Они
определяются: интенсивностью (удельным потоком теплоты, Вт/м2) и
длинами волн (из диапазона 0,78…1000 мкм), на которые приходится
максимум интенсивности электромагнитного излучения.
Допустимые значения интенсивности инфракрасного излучения
определяются ГОСТом 12.1.005-88 [2] и нормами СН 2.2.4.548-96
"Гигиенические требования к микроклимату помещений" [57] с учетом
спектрального состава излучения, размера облучаемой площади
(открытых участков кожи), защитных свойств спецодежды для
продолжительности действия более 50 % рабочей смены.
Интенсивность инфракрасного излучения зависит от следующих
параметров:
• свойств излучателя (температуры, излучательной способности
(степени черноты), размера и др.),
• свойств приемника излучения (степени черноты, размеров),
• особенностей взаимного расположения источника и
приемника излучения (расстояние, степень черноты среды,
наличие и свойства других объектов, которые могут отражать
или диафрагмировать поток энергии).
Методики расчета интенсивности инфракрасного излучения
можно найти в [58, 75].
Для снижения интенсивности инфракрасного излучения
применяются следующие способы:
• понижение температуры (тепловая изоляция) и излучательной
способности (окрашивание в серебристый цвет) источника
(способ применим только для твердых излучателей);
• создание преград потоку энергии (экранов или завес
(водяных, водовоздушных, из цепей и др.));
• удаление от источника излучения;
• применение индивидуальных средств защиты;
• уменьшение времени пребывания в опасной зоне.
Для оценки достаточности защитных мероприятий следует
выполнить расчет интенсивности инфракрасного излучения с учетом
принятых мер защиты.
3.3.7. Электромагнитные, электростатические поля и излучения
Источниками электромагнитных и электростатических полей
являются открытые распределительные устройства, воздушные линии
электропередачи напряжением 400 и более кВ (поля промышленной
частоты), электрические устройства, измерительные приборы,
видеодисплейные терминалы персональных компьютеров (поля
радиочастотного диапазона), прядильные и ткацкие машины,
установки химической промышленности, электрические установки
высокого напряжения постоянного тока (электростатические поля).
Биологическое воздействие на человека в значительной степени
зависит от частоты электромагнитных полей и описано в [28, 34, 38,
54, 58 и др.]. По характеру воздействия на человека и соответственно
по видам нормируемых параметров электромагнитные поля
разделяются на четыре группы:
• электрические поля промышленной частоты, для которых
можно не учитывать воздействие магнитной составляющей поля;
• электростатические поля;
• электромагнитные поля радиодиапазона с частотами от 0,06
до 300 МГц и
• с частотами от 300 300000 МГц.
(Воздействия
других
электромагнитных
излучений
от
инфракрасного до ионизирующего излучений можно рассмотреть в
других подразделах.)
Для электромагнитных полей нормируются следующие
параметры (СанПиН 2.2.4.1191-03. "Электромагнитные поля в
производственных условиях. Санитарно-эпидемиологические правила
и нормативы" [59], [28, 34, 38, 54, 58 и др.]):
• для электрического поля промышленной частоты –
напряженность, Н кВ/м, и время пребывания, ч, в электрическом
поле при Н >5 кВ/м;
• для электростатического поля – напряженность, Н кВ/м, и
время пребывания, ч, в электрическом поле при Н > 20 кВ/м;
• для электромагнитных полей с частотами от 0,06 до
300 МГц – напряженности, Н, и энергетические нагрузки W=Н2·t
для электрического (Н, В/м, W, (В/м)2·ч) и магнитного (Н, А/м, W,
(А/м)2·ч) полей;
• для электромагнитных полей с частотами от 300 до 300000
МГц – модуль вектора Пойтинга, определяющий плотность потока
энергии переносимой электромагнитными волнами и временем
облучения t, ч.
Защита
от
электромагнитных
полей
выполняется
следующими методами:
• ограничением времени пребывания в опасной зоне;
• увеличением расстояния до источника;
• расположением рабочих мест в направлении наименьшего
излучения (учитывая фактор направленности для полей СВЧ);
• применением экранов.
Методики расчета фактических значений напряженности
полей приведены в [28, 34, 38 и др.].
Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам,
персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы на них приведены в Санитарных правилах и нормах [19].
3.3.8. Ионизирующие излучения
Источники ионизирующего излучения – атомные реакторы,
медицинское оборудование, использующее облучение, рентгеновские
установки, ускорители заряженных частиц.
Биологическое воздействие ионизирующих излучений на
организм человека описано в [28, 34, 38, 54, 58 и др.] и определяется
дозами. Поглощенная доза Дп измеряется в греях (1 Дж/кг = Гр),
эквивалентная Дэ и эффективная эквивалентная Дээ дозы – в
зивертах (Зв):
Дэ =Дп·WR, Дээ= Дэ· WT,
где WR и WT – коэффициент качества излучения, WT – взвешивающий
коэффициент, зависящий от вида облучаемого органа или ткани.
Нормативные значения параметров ионизирующего излучения
приведены в. "Нормах радиационной безопасности" (НРБ-99) [60] и
[27, 28, 54].
Для защиты от ионизирующих излучений применяют
организационные и технические методы [27, 54]. Примеры расчетов
полученных доз и оценки достаточности защитных мер с необходимой
справочной информацией даны в [50, 54].
3.3.9. Инженерно-психологическое обеспечение труда
Вопросы эргономики и пути повышения эффективности труда
[7, 8, 9, 27, 28, 58] можно включать в раздел для проектов, в которых
одним из объектов защиты является оператор системы управления
движущимися
объектами,
энергетическими
установками,
оборудованием, процессами, производством.
Психофизические характеристики и эргономические показатели
труда оператора и требования к рабочему месту оператора приведены
в [7, 8, 9, 27, 28].
При описании труда операторов, помещений блочных щитов
управления (БЩУ), оборудования, стендов, щитов управления и др.
следует указывать, как выполнены требования нормативных
документом.
Иллюстрации рабочего места должны показывать не только
рекомендуемое расположение рабочих зон, доступных рукам
(взгляду), но и фактическое расположение рукояток, переключателей,
панелей приборов и т.п., которые должны находиться в оптимальных
или допустимых зонах обслуживания. Например, на схеме шкафа с
приборами управления необходимо не только указать, но и
обосновать принятый (эргономичный) вариант размещения приборов.
При размещении технологических схем на экране монитора следует
обосновать выбор размеров символов, цветовой гаммы и др.
3.4. Обеспечение производственной безопасности
В этом подразделе дается оценка опасностей для обслуживающего
персонала, оборудования, зданий и рассматриваются меры
обеспечения: электробезопасности, молниезащиты, защиты от
термических ожогов, пожаровзрывобезопасности, безопасности
систем, работающих под давлением и защиты от механического
травмирования.
3.4.1. Электробезопасность
Источником опасности поражения людей электрическим током
являются широко распространенные электрические установки и сети
электроснабжения.
Электрические установки по правилам безопасности разделяют на
две группы:
• установки напряжением до 1000 В;
установки напряжением выше 1000 В, к обслуживанию которых
допускаются только высококвалифицированные электрики.
Сети напряжением до 1000 В выполняются, как правило,
четырехпроводными
с
глухозаземленной
нейтралью,
сети
напряжением 6…35 кВ – с изолированной нейтралью, сети 110…750
кВ – с глухозаземленной нейтралью [38].
Особенности термического, электролитического, механического и
биологического действия электрического тока на живую ткань и
факторы, влияющие на степень поражения электрическим током,
подробно описаны в [38, 45, 58] и кратко – в [28, 54].
Тяжесть поражения электротоком зависит от силы тока,
продолжительности его воздействия, пути тока в теле человека (рукарука, рука-нога, голова-нога и т.п.), характера тока (переменный,
постоянный), частоты переменного тока и др.
Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и
токов, протекающих по траекториям рука-рука или рука-нога для
электроустановок постоянного и переменного с тока частотами 50 и
400 Гц, установлены ГОСТом 12.1.038-82* ССБТ "Предельно
допустимые уровни напряжений прикосновения и токов " [61] и
приведены также в [28, 38, 45, 58]. Например, при продолжительности
воздействия переменного тока 50 Гц более 1 с безопасно напряжение
36 В и ток 6 мА.
По степени опасности поражения людей электрическим током
производственные помещения в соответствии с Правилами устройства
электроустановок (ПУЭ) [22] подразделяются на помещения: 1) с
повышенной опасностью, 2) особо опасные, 3) без повышенной
опасности. Подробная классификация помещений приведена также в
[44].
Технические
и
организационные
меры
обеспечения
электробезопасности (заземление, зануление, защитное отключение,
блокировки, малые напряжения, индивидуальные средства защиты и
др.) можно выбрать, руководствуясь [27, 22, 31, 34, 39, 40, 43, 44], в
зависимости от категории помещения, установить которую следует по
[22, 34, 39, 44].
В ПУЭ [22] и работе [43] указано, что защитное заземление или
зануление электроустановок [62] должно применяться:
• при номинальном напряжении U ≥ 380 В переменного и при
U ≥ 400 В постоянного тока;
• при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного
тока и от 110 В до 440 В постоянного тока при работах в условиях с
повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.
Защитное заземление [62] предназначается для снижения
напряжения прикосновения при пробое изоляции на корпус установки
путем повышения напряжения основания (земли), на котором стоит
человек. Его применяют в сетях с изолированной нейтралью при
любом напряжении и в сетях с заземленной нейтралью напряжением
выше 1000 В.
В первую очередь следует использовать естественные
заземлители.
Искусственные
заземлители
применяют,
если
сопротивление естественного заземлителя больше нормативного
(например, 4 Ома для сети с изолированной нейтралью напряжением
380/220 В). Методика и примеры расчета конструкций искусственных
заземлителей приведены в [34, 38, 43].
Зануление – это специальное соединение металлического корпуса
электроустановки с нулевым многократно заземленным проводником.
При замыкании токопровода (линейного) на заземленный корпус (он
же нулевой провод) произойдет однофазное короткое замыкание
(фаза-нулевой провод), которое вызовет срабатывание максимальной
токовой защиты (плавкого предохранителя или автоматического
выключателя), а она отключит опасную электроустановку от сети.
Защитное зануление [62] применяют в трехфазных сетях до 1000 В
с заземленной нейтралью и в однофазных сетях переменного тока с
заземленным выводом.
Защитное отключение электроустановок от сети с помощью
специальных электронных устройств применяют в качестве
дополнительной меры к заземлению и занулению. Принцип действия
этих устройств описан в [27, 34, 38, 39, 44].
Описание средств защиты от статистического электричества
приведено в [28]. К ним относятся методы, исключающие или
уменьшающие интенсивность генерации зарядов (подбор пар трения,
снижение скоростей трущихся материалов и сил трения), заземление
электропроводных
частей
производственного
оборудования,
обеспечивающего стекание зарядов статического электричества на
землю и др.
В этом подразделе можно произвести анализ причин
электротравматизма на данном производстве, дать количественную
оценку защитных мер и рассчитать вероятность получения
электротравмы, построив дерево отказа [27].
В случае применения электротехнических приборов в основной
части проекта этом разделе необходимо отметить со ссылкой на
другие части проекта, как учитывались требования ПУЭ к
особенностям их исполнения, прокладки кабельных линий, шлейфов и
т.п.
Студенты электротехнических специальностей вуза в этой части
проекта могут рассмотреть [27, 34, 38, 39, 44]:
• необходимость применения специальных средств защиты при
проведении обслуживания или ремонтов электроустановок,
коммутационных
аппаратов
и
токопроводов
(указателей
напряжения, изолирующих штанг, электроизмерительных клещей,
временных переносных защитных заземлений, диэлектрических
перчаток, галош и т.п.);
• планы производства работ в действующих установках;
• механизмы и приспособления при производстве монтажных
работ;
•
организационные меры безопасности (при производстве
работ наряды допуски, выписанные на конкретные виды работ).
3.4.2. Молниезащита
Опасные воздействия прямых ударов молний могут вызвать
пожары, взрывы, механические повреждения, травмы людей и
животных, повреждения электрического и электронного оборудования.
Токи молний силой 100…200 кА кроме прямых ударов могут
индуцировать в металлических предметах электрические заряды или
токи. Даже при разрядах молний вдали от зданий и сооружений в них
возможно появление опасных потенциалов на металлических
коммуникациях (эстакадах, рельсах, трубопроводах, оболочках
кабелей и др.).
Для снижения вероятности поражения молниями все
производственные, общественные и жилые здания должны иметь
молниезащиту. Устройства защиты от прямых ударов молнии
(молниеотводы) – комплекс, состоящий из молниеприемников,
токоотводов и заземлителей, который характеризуются надежностью
зоны защиты.
В зависимости от требуемой надежности защиты здания и
сооружения подразделяются на обычные и специальные. К
специальным объектам, которые разделены на три группы, относят
технические объекты, поражение которых молнией, создаст опасность
пожара для соседних объектов или окружающей природной среды.
Для обычных объектов предложено четыре уровня надежности ( I −
IV) защиты Р3 = 0,98; 0,95; 0,90; 0,80, соответственно.
Для специальных объектов минимально доступный уровень
надежности защиты, Р3, от прямых ударов молнии устанавливается в
пределах 0,9 – 0,999 в зависимости от степени его общественной
значимости и тяжести ожидаемых последствий от прямого удара
молнии. По желанию заказчика надежность защиты, заложенная в
проект, может превышать предельно допустимый уровень.
Требуемая надежность молниезащиты зависит от размеров здания
(особенно от его высоты), средней продолжительности гроз в регионе
(ч/год) и ожидаемого количества поражений молнией защищенного
объекта в год (вероятность поражения), которую следует принять,
учитывая величину возможного ущерба.
Размер зоны защиты, которая имеет конусообразную форму,
зависит в основном от типа молниеприемника и его высоты.
При
конструктивных
расчетах
системы
молниезащиты
определяют высоту молниеприемника, а при поверочных −
достаточность зоны молниезащиты, в которую должны вписываться
защищаемые объекты.
Методика расчета молниезащиты описана в [22, 27, 45].
Примеры расчета устройств молниезащиты даны в [27, 45].
К настоящему времени взамен “Инструкции по устройству
молниезащиты зданий и сооружений” (РД 34.21.122-87 [100]) издана
новая "Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений
и промышленных коммуникаций" (СО 153-34.21.122-2003 [67]),
которая содержит основные положения по молниезащите от прямых
ударов молнии и защите от вторичных проявлений молнии.
В Инструкцию [67] включен ряд новых положений, в том числе по
защите от вторичных воздействий молнии, по защите электрических и
оптических кабелей связи от ударов молнии, по зонам молниезащиты
объектов с надежностью 0,999, по нормированным параметрам токов
молнии, по зонам защиты согласно требованиям Международной
электротехнической комиссии (МЭК).
Предполагается выпуск специальных справочных Дополнений,
которые будут содержать подробные рекомендации по отдельным
разделам Инструкции, справочные материалы, типовые примеры
использования методик.
Краткое описание систем молниезащиты, методики и примеры
расчета молниезащиты приведены в п.4.6.
3.4.3. Защита от термических ожогов
Источником термических ожогов могут быть части оборудования,
выбросы газов жидкостей, имеющих высокую температуру. Защита от
воздействия на человека поверхностей с высоких температурой
выполняется путем их тепловой изоляции.
Температура на наружной поверхности изоляции согласно СНиП
41-03-2003 "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов" [76],
принимается не более следующих значений:
• 45 °С – для изолируемых поверхностей, расположенных в
рабочей или обслуживаемой зоне помещений и содержащих вещества
температурой выше 100 °С;
• 35 °С – при температуре вещества 100 °С и ниже или – с
температурой вспышки паров (см. например [64]) не выше 45 °С;
• 55 °С – для изолируемых поверхностей с металлическим
покровным слоем, расположенных на открытом воздухе в рабочей
или обслуживаемой зоне;
• 60 °С – то же, но для других видов покровного слоя изоляции.
Температура на поверхности тепловой изоляции трубопроводов,
расположенных за пределами рабочей или обслуживаемой зоны, не
должна превышать температурных пределов применения материалов
покровного слоя, но не выше 75 °С.
Требования и рекомендации к проектированию тепловой изоляции
и методики расчета толщины её слоев приведены в [76]. Для выбора
типа тепловой изоляции и ее расчета можно использовать
специальную литературу, например, [41, 52, 63].
В методических указаниях [52] дается описание компьютерной
программы и автоматизированной базы данных по теплофизическим
характеристикам теплоизоляционных материалов, которые можно
использовать при проведении многовариантных расчетов.
Примеры расчета защиты от термических ожогов, которые
позволяют также уменьшить потери тепловой энергии, рассмотрены в
п. 4.5.
3.4.4. Пожаровзрывобезопасность
Пожары и взрывы возможны в помещениях, в которых имеются
горючие вещества (твердые, жидкие и газообразные) и источники их
воспламенения (неправильно спроектированное или неисправное
оборудование, применение открытого огня, электрические разряды,
короткие замыкания, перегрев изоляции токопроводов и т.д.).
Возможность возникновения взрыва и пожара, их развитие,
величина возможного ущерба и меры обеспечения безопасности
определяются следующими характеристиками помещений и зданий:
• степенью взрывопожарной опасности;
• огнестойкостью строительных конструкций;
• классом конструктивной пожарной опасности;
• классом функциональной пожарной опасности.
Степень взрывопожарной опасности зданий зависит от
конструкции здания, производственных процессов, количества и
свойств горючих веществ, используемых в помещениях. Описание
свойств горючих веществ можно найти в [32, 64].
По степени взрывопожарной опасности все помещения и здания
подразделяются на категории: взрывопожароопасные (А и Б),
пожароопасные (В1, В2, В3 и В4), невзрывопожароопасные (Г),
непожароопасные (Д). Категорию помещений по взрывопожарной
опасности можно определить по НПБ 105-03 [15] или по [27, 45]. Тип
категории помещений определяется по таблице (приближенно) или
более точно расчетом. Примеры расчетов приведены в [27, 45].
Огнестойкость зданий определяется огнестойкостью его
строительных конструкций – временем (в мин), в течение которого не
теряется способность конструкций сохранять несущие (индекс R) или
ограждающие (индекс Е), или теплоизолирующие (индекс I) функции.
Например, огнестойкость I120 означает, что во время пожара в
течение 120 мин температура в любой точка необогреваемой
поверхности не поднимется выше чем на 180 0С или в среднем на 140
0
С. Степень огнестойкости (I,…, IV) зданий можно определить по
огнестойкости его строительных конструкций [28, 45].
Класс конструктивной пожарной опасности здания (С0, С1, С2,
С3) зависит классов (К0, К1, К2, К4) пожарной опасности
конструкций. Классы (К0, К1, К2, К4) характеризует влияние
строительных конструкций (колонн, балок, стен, маршев и площадок
лестниц и др.) на развитие пожара и образование его опасных
факторов [28, 45].
Классы и подклассы функциональной пожарной опасности
характеризуют способ использования (назначение) здания и
помещений и меру безопасности людей в случае пожара, которая
определяется количеством, возрастом, физическим состоянием людей.
Например, к классу Ф1 относятся помещения с постоянным или
временным проживанием людей, а к последнему классу Ф5 –
производственные, лабораторные и складские помещения [28, 45].
В работах [27, 45, 54] дано описание мер противопожарной
профилактики:
• строительных (зонирование территории, создание легко
сбрасываемых при взрывах конструкций, противопожарных
разрывов и преград, повышение огнестойкости строительных
конструкций) и
• технических (оснащение
средствами
пожаротушения,
дымоудаления, противопожарной вентиляции для создания
повышенного давления воздуха в смежных помещениях,
планирование обозначение эвакуационных путей и др.).
Противопожарные нормы проектирования и содержания зданий и
сооружений приведены в [24, 32, 53, 65, 78].
Для правильного выбора исполнения электрооборудования
(закрытое для пожароопасных зон, взрывозащищенное для
взрывоопасных зон) помещения или их части подразделяются в
соответствие с ПУЭ на пожароопасные (классы П-I, П-II, П-IIа, П-III) и
взрывоопасные (классы В-1, В-1а, В-1б, В-1в, В-II, В-IIа) и зоны [22,
38, 39, 45].
Классифицировать
и
определить
размеры
пожарои
взрывоопасных зон в зависимости от свойств и количества горючих
веществ можно по [22, 38, 39, 45].
Условия выбора уровня взрывозащиты и маркировки
электрооборудования, а также правила монтажа силовых и
осветительных сетей в опасных зонах описаны в [22, 38, 39].
Необходимость защиты зданий, помещений, оборудования
автоматическими
установками
пожаротушения
(АУПТ)
и
автоматической пожарной сигнализации (АУПС) можно установить по
Нормам пожарной безопасности, НПБ 110-03 [17].
По НПБ 104-03 "Системы оповещения и управления эвакуацией
людей при пожарах в зданиях и сооружениях" [83] можно определить
необходимость защиты зданий и сооружений системами оповещения и
управления эвакуацией людей при пожарах (СОУЭ) и выбрать их тип.
Проектирование АУПТ, АУПС или их элементов, например,
выбор и размещение пожарных извещателей, выполняется с учетом
требований НПБ 88-2001* [14].
При разработке технических и организационных мероприятий,
обеспечивающих пожаро- и взрывобезопасность (инструкции,
инструктажи, первичные средства пожаротушения, эвакуационные
выходы, молниезащита и т.п.), можно использовать рекомендации [6,
11, 20, 22, 23, 24, 27, 31, 34, 77, 78].
Взрывобезопасность
топливоподачи
и
установок
для
приготовления и сжигания пылевидного топлива регламентируется
правилами РД 153-34.1-03.352–99 [25]. Краткое описание специальных
мер профилактики взрывов в топливной системе ТЭС и
промышленных котельных дано в [54].
Методы и средства тушения пожаров в помещениях и
электроустановках описаны в [38, 39, 44, 45, 54, 78].
Примеры расчета количества эвакуационных выходов даны в [27,
31, 45], первичных средств пожаротушения – в [27, 45, 85],
противопожарного водоснабжения – в [27, 45].
Основные положения технического регулирования в области
пожарной безопасности и общие требования пожарной безопасности к
объектам защиты (продукции), в том числе к зданиям, сооружениям и
строениям,
промышленным
объектам,
пожарно-технической
продукции и продукции общего назначении установлены техническим
регламентом [102].
3.4.5. Безопасность систем, работающих под давлением
Под избыточным давлением в энергетике находятся многие
установки: парогенераторы, паропроводы, турбогенераторы, сосуды
для хранения сжатых и сжиженных газов. Взрыв таких устройств
может произойти из-за потери механической прочности, местного
перегрева, превышения давления сверх допустимого значения [10, 21,
40].
Изготовление, монтаж, ремонт и обслуживание систем с
избыточным давлением должны производиться согласно "Правил
устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением", ПБ 03-576-03 [66].
Правила ПБ 03-576-03 распространяются, в том числе на сосуды,
работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа
(0,7 кгс/см2), сосуды с водой температурой выше 115 0С. Эти
устройства должны быть зарегистрированы в Федеральной службе по
технологическому,
экологическому
и
атомному
надзору
(Ростехнадзоре).
Для обеспечения безопасной и безаварийной работы сосуды под
давлением должны:
• подвергаться
техническим
освидетельствованиям
и
гидравлическим испытаниям в установленные сроки;
• оборудоваться
запорной
и
запорно-регулирующей
арматурой,
контрольно-измерительными
приборами,
предохранительными устройствами [28, 34, 38, 66].
В качестве предохранительных устройств защищающих сосуды от
превышения
давления
выше
допустимого
применяются:
предохранительные клапаны и мембраны [28, 38].
Количество предохранительных клапанов, их размеры и
пропускная способность должны быть выбраны расчетом так, чтобы в
сосуде не создавалось давление, превышающее паспортное более чем:
• на 0,05 МПа (0,5 кгс/см2) для сосудов с давлением до 0,3 МПа
(3 кгс/см2),
• на 15 % – для сосудов с давлением от 0,3 до 6,0 МПа (от 3 до 60
кгс/см2) и
• на 10 % – для сосудов с давлением свыше 6,0 МПа (60 кгс/см 2)
[66].
При работающих предохранительных клапанах допускается
превышение давления в сосуде не более чем на 25 % рабочего при
условии, что это превышение предусмотрено проектом и отражено в
паспорте сосуда [66].
Методики расчета предохранительных клапанов и мембран
описаны в [28, 38] и более детально в ГОСТе 12.2.085-2002 "Сосуды,
работающие под давлением. Клапаны предохранительные. Требования
безопасности" [10].
3.4.6. Защита от механического травмирования
Механические травмы человеку могут причинить: движущиеся
механизмы, падающие или разлетающиеся предметы (или осколки),
острые кромки, падение с высоты и др.
Для защиты от механического травмирования применяют:
предохранительные, тормозные, оградительные устройства, средства
контроля
и
сигнализации,
знаки
безопасности,
системы
дистанционного контроля и управления.
Описание принципов действия и конструкций устройств защиты
дано в [28, 44].
В подразделе "Обеспечение безопасности…" могут быть
рассмотрены: вопросы безопасности работ на высоте [27 и др.],
инструкции по охране труда; наряды-допуски, выписанные на
выполнение конкретных работ (монтаж или демонтаж установки,
датчика, исполнительного механизма, кабельной линии и т.п.).
При наличии в других частях проекта технических решений,
связанных с безопасностью или условиями труда (например,
аварийных защит, компенсаторов трубопроводов, заземлений),
необходимо дать их краткое описание и указать ссылку на эти части
проекта.
3.5. Экологическая безопасность
Этот подраздел целесообразно выполнять для проектов, связанных
с изъятием ресурсов, в том числе земельных угодий, и образованием
отходов (подготовка и сжигание топлива, химводоочистка,
золоудаление), а также с энергетическими (полевыми) воздействиями
на селитебную территорию в виде шума, вибрации, электромагнитных
полей и излучений. В него можно включить расчеты:
• количества отходов (выбросов [41, 42], стоков, твердых
отходов);
• устройств очистки выбросов и стоков [79];
• процесса рассеивания выбросов [26, 27, 30, 42, 46] или
разбавления сточных вод в проточном водоеме [27, 46] для
определения концентраций вредных веществ в приземном слое
воздуха или контрольных створах водоемов;
• оценку допустимости воздействия на атмосферу и гидросферу
[27, 30, 42, 46].
Оценка допустимости воздействия одного вредного вещества,
например, на атмосферу выполняется по условию
см +сф ≤ ПДК,
где см – максимальная концентрация с вредного вещества в приземном
слое воздуха от данного источника выбросов, мг/м3; сф – фоновая
концентрация вещества от других источников выбросов (по данным
региональных служб мониторинга параметров среды обитания), ПДК –
предельно допустимая концентрация этого вещества (по нормативным
документам [81, 82 и др.]).
Расчеты величин см, распределений с под осью факела, полей
концентраций вредных веществ могут выполняться с помощью
программ для ЭВМ. Для нескольких точек поля следует привести
данные расчета на калькуляторе (для понимания сути методики).
Результаты обоих расчетов следует сравнить и оценить величину их
расхождения в абсолютных и относительных значениях.
Обратим внимание, что снижение массы отходов или
коэффициента расхода воздуха, или температуры уходящих газов
может дать экономический эффект, величину которого можно
рассчитать [13, 47, 80].
Для источников загрязнения природной среды, негативные
воздействия которых превышают допустимые значения, следует
предложить технические решения по снижению воздействий на
окружающую природную среду и население. Например, повысить
качество регулирования процесса приготовления или сжигания
топлива, увеличить высоту дымовой трубы, снизить массы выбросов
до ПДВ (предельно допустимых выбросов), понизить концентрации
вредных веществ в сточных водах или количество сточных вод и др.
Экологическая безопасность может быть рассмотрена для других
видов воздействий (шума, вибраций, электромагнитных полей) на
окружающую природную среду и население [27, 28, 30, 50].
Пример расчета массы оксидов азота, образующихся при
сжигании природного газа, дан в п. 4.2.
Примеры расчетного определения концентраций вредных веществ
в приземном слое воздуха или контрольных створах водоемов
приведены [42, 46]. В [46] дано описание программы Vibros,
позволяющей рассчитывать процесс рассеивания выбросов вредных
веществ.
3.6. Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС)
Чрезвычайная ситуация – это состояние объекта или территории
вызванное опасным происшествием, которое нарушило нормальную
жизнедеятельность людей, причинило ущерб природной среде и
техническим объектам.
Источники ЧС подразделяют на техногенные, природные
(землетрясения, наводнения, ураганы, лесные пожары и др.),
биосоциальные (опасные инфекционные болезни) и военные [27, 28,
49].
Чрезвычайные ситуации техногенного характера вызываются:
аварийными взрывами горючих веществ или сосудов под избыточным
давлением; авариями инженерных и транспортных коммуникаций,
пожарами,
химическими
или
радиационными
авариями,
вызывающими поступление в окружающую среду опасных веществ.
Степень опасности ЧС определяется количеством пострадавших
в той или иной мере людей, размером материального ущерба и
размерами зоны распространения поражающих факторов [27, 28, 49].
Промышленные предприятия, имеющие в своем составе
производства
повышенной
опасности
в
соответствии
с
Постановлением Правительства РФ № 675 от 1.07.1995 "О декларации
безопасности промышленного объекта РФ" должны в обязательном
порядке разрабатывать декларацию промышленной безопасности.
Декларации безопасности должна включать: общее описание объекта,
анализ его опасности, меры по локализации, ликвидации ЧС и
информировании населения [28].
В этом подразделе рекомендуется рассмотреть вопросы, связанные
с устойчивостью технических систем: анализ возможных аварийных
ситуаций и причин их возникновения, разработка организационных и
технических мероприятий защите от ЧС.
Под устойчивостью в данном случае понимается возможность
сохранения работоспособности в условиях чрезвычайных ситуаций
(ЧС) [27, 28, 49]. (Понятие устойчивости систем автоматического
регулирования (САР) в теории автоматического регулирования имеет
иной смысл: способность САР самостоятельно возвращаться в
состояние равновесия после нанесения внешних возмущений.)
3.6.1. Методы защиты от техногенных происшествий
Мероприятия по защите от любых техногенных происшествий
(повышению устойчивости) осуществляются по двум направлениям:
• предупреждение ЧС (минимизация вероятности возникновения
ЧС);
• минимизация ущерба от возникшей ЧС (подготовка персонала и
технических объектов к работе в условиях ЧС).
Повышение устойчивости технических объектов (производства) в
условиях ЧС включает решение следующих задач:
• анализ источников ЧС на техническом объекте и возможных
последствий (разрыв трубопровода, взрыв пыли, газа, отказ
исполнительного
механизма,
электропривода,
отключение
электропитания и т.п.);
• оценка надежности (вероятности отказов) оборудования,
элементов системы автоматического управления и всей системы;
• составление и анализ дерева событий и вызываемых ими угроз
для здоровья и жизни людей, отказов работоспособности и отказов
функционирования (отказы могут быть вызваны внешними (пожар,
подтопление, механические повреждения и т.п.) и внутренними
(износ, старение, дефекты) причинами;
• разработка подсистем защиты от ЧС, минимизирующих
возможные последствия ЧС (защитные отключения, ввод резерва,
аварийный
останов,
контроль состава воздушной среды,
автоматическое пожаротушение и др.);
• разработка
организационно-технических
мероприятий
повышающих устойчивость или снижающих возможный ущерб
(инструкции для обслуживающего персонала при возникновении ЧС,
обучение, тренировки, замена физически или морально устаревшего
оборудования,
дублирование
систем,
плановые
проверки
работоспособности (дистанционно или в автоматическом режиме) и
др.);
• планирование и подготовка к реализации мероприятий по
локализации и ликвидации последствий возможных ЧС.
План ликвидации возможных ЧС, аварийных ситуаций и аварий
обычно оформляется в виде таблицы, в которой описываются:
• возможные ЧС, аварийные ситуаций, аварии и места их
возникновения;
• действия персонала по спасению людей, ликвидации аварийных
ситуаций и аварий;
• исполнители и должностные лица, ответственные за выполнение
работ;
• средства для спасения людей, ликвидации аварий и места их
расположения;
• действия газоспасательных подразделений, пожарной части и
других подразделений и служб МЧС.
3.6.2. Безопасность при химической аварии
Химической авария – это утечка, пролив или выброс химически
опасного вещества, способного привести к гибели людей или
химическому заражению окружающей среды, создающему угрозу для
живых организмов. Химическая авария может создать ЧС, если только
произойдет заражение веществом, которое имеет определенную
степень опасности ингаляционного отравления людей, а его масса на
производственном объекте превышает установленное значение
(например, для аммиака – 500 т, для хлора – 25 т). Такие вещества
нормативные документы относят к аварийно химически опасным
веществам (АХОВ).
Процесс распространения АХОВ в атмосфере в результате аварии
определяется количеством и физико-химическими свойствами
вещества, метеорологическими условиями и рельефом территории.
На энергетических объектах возможны ЧС, вызванные
химическими авариями со следующими АХОВ: аммиаком, хлором и
серной кислотой, основная масса которых (95 %) обычно находится на
складах в баллонах, изотермических контейнерах и закрытых сосудах.
Для обеспечения безопасности при химической аварии следует
решить следующие задачи:
• определить наличие виды, количества аварийно химически
опасных веществ и их категории, влияющие на процесс
распространения АХОВ в воздушной среде (критерии отнесения
веществ к АХОВ и их категории описаны в [49]);
• описать свойства АХОВ, возможные причины возникновения
ЧС и оценить их вероятность;
• определить глубину и площадь зоны заражения, время подхода
воздуха с АХОВ к защищаемому объекту и продолжительность
поражающего действия [49, 50, 85];
• разработать план инженерно-технических и организационных
мероприятий по предупреждению и защите персонала предприятия и
населения от воздействия АХОВ [49, 50, 85].
4. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ РАСЧЕТОВ
В разделе описаны методики и приведены примеры решения
некоторых задач:
• выявление воздействий на производственный персонал в
помещении
промышленной
котельной
с
помощью
системнологического метода, описанного в [70];
• определение массы оксидов азота, образующихся при сжигании
природного газа и выбрасываемых в атмосферу;
• проектирование искусственного освещения в производственном
помещении;
• оценка допустимости акустического воздействия от нескольких
источников шума с учетом его звукоизоляции помещения БЩУ;
• проектирование защиты от тепловых воздействий;
• проектирование молниезащиты зданий и сооружений.
4.1. Выявление воздействий на производственный
персонал в помещении промышленной котельной
Выявление воздействий выполняется в данном примере с
помощью системнологического метода, описанного в [70].
В соответствии со системнологическим методом, проектируемые
устройства рассматриваются как устройства, взаимодействующие с
другими устройствами, расположенными в пределах конкретных
зданий, или рабочих площадок, функционирование которых
обеспечивается
определенными
видами
деятельности
производственного персонала.
В соответствии с федеральным законом «О промышленной
безопасности опасных производственных объектов », котельная
относится к опасным объектам, так как на этом объекте
используются и транспортируются опасные вещества – горючие газы,
способные возгораться от источника зажигания и самостоятельно
гореть после его удаления. Горелка котла работает под давлением 4,5
кПа.
Состав
техногенной
системы
определяется
путем
декомпозиции, то есть разделения системы на функционально
обособленные части.
Рабочая зона промышленной котельной представляет собой
помещение размером 6,5 х 12 х 4 м.
Техногенная система включает следующие компоненты:
• помещение котельной;
• техногенные устройства (1-котел, системы 2-подвода воздуха и
3-дымоудаления,
4-тубопровод
горячей
воды,
5-систему
электроснабжения, 6- приборы КИП и АСУ).
Элементы системы могут оказывать на персонал котельной
детерминированные и стохастические воздействия воздействие, а
происшествия (аварии) могут вызвать чрезвычайную ситуацию.
В процессе декомпозиции каждому компоненту системы дается
краткую характеристику, которая приведена в табл. 3.
Таблица 3. Характеристики компонентов системы и воздействий, которые
оказываются на персонал котельной
№
Наименова Назначение Функционал Процесс
Детермини Происше
ние
ьные
рованное
ствие
компонент
показатели
воздействие
а
1.
1.1.
1.2.
Помещени
е
котельного
цеха
Ограждени
е
помещения
Размещение
котельного
оборудовани
я
Защита
от
окружающе
й
среды.
Естественное
освещение.
Аэрация
помещения
Воздушная Обеспечение
среда
теплообмена,
жизнедеятел
ьности
-
-
-
-
Световое
-
-
Теплообмен Тепловое
конвективн
ое
воздействие
-
BxLxH=4*1 Инсоляция
2*6,5 м
через
оконные
проемы
-
Комплекс техногенн
ых
устройств
2.1. Котел GN4 Производств 9.5 т/ч
11
о
горячей
воды
2.1.1 Рабочее
Нагрев труб 165 °С
пространст
во котла
2.
-
Стохаст
ическое
воздейс
твие
Дыхание
-
Ингаляция
-
-
-
-
-
-
-
Выбивание Ингаляцион Взрыв
продуктов ное
газовой
горения
тепловое
смеси в
следстви
и
погасани
я
горелок
2.1.2 Обмуровка Теплоизоляц До 45 °С
Снижение Тепловое
котла
ия рабочего
теплоперед воздействие
котла
ачи
в
окружающ
ую среду
2.1.3 Горелки
Сжигание
Ргаза =4,5 кПа Горение
Акустическ Проскок
типа Р60- топлива
ое, тепловое пламени,
М-АВ.0.40
взрыв
газовой
смеси
Взрывн
ое
-
Взрывн
ое
№
Наименова Назначение
ние
компонент
а
2.1.4 Барабан
котла
Емкость
отделения
воды
Функционал Процесс
ьные
показатели
Детермини Происше Стохаст
рованное
ствие
ическое
воздействие
воздейс
твие
Р=0,1 МПа
Нагрев
воды
Акустическ Повыше Взрывн
ое,
ние
ое,
тепловое
давления теплово
выше
е,
рабочего динами
ческое
разрыв
барабана
котла
2.1.5 Конвектив Теплообмен Площадь
Теплообмен Тепловое
Перегора Теплово
ный пучок между
поверхности
ние труб е
продуктами нагрева
конвекти
сгорания и 4,23 м3
вного
водой
пучка
2.2. Система
Снабжение До 3 кПа
подвода
котлов
воздуха
воздухом на
горение
2.2.1 Дутьевой Нагнетание 400 кПа
Взаимодейс Акустическ Косвенн Электри
вентилятор давления
твие
ое
ое
ческое
крыльчатки
прикосно
с воздухом
вение
400 кПа
Движение
воздуха
Акустическ ое
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Выброс
Высота
продуктов
дымовой
горения
в трубы
атмосферу
Н=23м
Перемещен Ингаляцион ие
ное
продуктов воздействие
сгорания
-
Транспортир Рв=0,1 МПа
овка горячей
воды
Перемещен Тепловое
ие воды
Разгерме Теплово
тизация е
Электроснаб жение
котельной
-
-
2.2.2 Воздухово Подвод
д
воздуха на
горение
2.3. Система
Удаление
дымоудале продуктов
ния
горения
2.3.1 Дымоход Перемещени
е объемов
продуктов
сгорания
2.3.2 Дымовая
труба
2.4.
2.5.
Трубопров
од
горячей
воды
Система
электросна
бжения
Разрежение Движение
в дымоходе продуктов
20-30 Па
сгорания
выбивание
газов
-
-
№
Наименова Назначение
ние
компонент
а
Функционал Процесс
ьные
показатели
2.5.1 Система
Искусственн 220 В
освещения ое освещение
2.5.2 Система
силового
электросна
бжения
2.6. Приборы
КИП
и
АСУ
Снабжение
агрегата
380 В
Управление 24 В
и контроль за
котлом
Детермини Происше Стохаст
рованное
ствие
ическое
воздействие
воздейс
твие
Движение Световое
заряженных
частиц
Косвенн
ое
прикосно
вение
Движение Электромаг Косвенн
заряженных нитное
ое
частиц
прикосно
вение
Косвенн
ое
прикосно
вение
Электри
ческое
Электри
ческое
Электри
ческое
Результаты применения системнологического метода к выявлению
воздействий в техногенной системе «промышленная котельная»
позволили выявить, что на обслуживающий персонал оказываются
следующие воздействия:
• детерминированные (световое, тепловое конвективное,
ингаляционное тепловое, акустическое);
• стохастические
(взрывное,
тепловое,
динамическое,
электрическое электромагнитное).
Чрезвычайную
ситуацию
могут
вызвать
следующие
происшествия:
• взрыв газовой смеси вследствие погасания горелок и
последующего заполнения рабочего пространства котла газовым
топливом и взрыва его;
• взрыв газовой смеси в горелке вследствие проскока пламени
внутрь горелки;
• разрыв барабана котла из-за повышения давления в нем выше
рабочего;
• выброс воды в газоход, резкое увеличение объема пара и
разрушение газохода при перегорании труб конвективного пучка;
• разгерметизация трубопровода горячей воды и выброс ее в
помещение котельной;
• косвенное прикосновение.
4.2. Масса оксидов азота, образующихся при сжигании
природного газа
Массовый расход вредного вещества (оксидов азота) необходим
для оценки экологической безопасности выбросов топливных
энергетических установок. Раздел или подраздел "Оценка
экологической опасности объекта" может включать следующие части:
1) вводную (с описанием загрязнителей атмосферы, особенностей
их воздействия на технические объекты, население и природную
среду);
2) определение масс вредных веществ в выбросе (г/с) путем
расчета процессов сгорания топлива и массы образующихся вредных
веществ;
3) определение максимальных концентраций вредных веществ в
приземном слое воздуха и мест их расположения, путем расчета
процесса рассеивания выбросов;
4) оценка допустимости (безопасности) воздействия выбросов;
5) разработка мероприятий по снижению загрязнения атмосферы.
Рассмотрим пример выполнения п. 2.
Методики и примеры расчета концентраций оксидов азота при
сжигании в энергетических котлах твердых, жидких и газообразных
топлив описаны в учебном пособии [41] и руководящем документе
[86]. Методика [86] базируется на обобщенных экспериментальных
данных, она применима только для котлов ТЭС; область применения
методики [41] – не оговорена.
Ниже приведено: описание процесса образования оксидов азота,
формулы и примеры расчета процесса сгорания природного газа и
массы оксидов азота при его горении по обеим методикам.
4.2.1. Процесс образования оксидов азота
При горении топлива в топках паровых котлов или
теплотехнологических установок образуются оксиды азота двух
типов оксид NO и диоксид NO2. На выходе из дымовых труб оксид NO
составляет до 95 % суммы оксидов NOX = NO + NO2. В процессе
рассеивания дымового факела происходит доокисление NO до NO2
свободным кислородом (озоном) атмосферы, поэтому массовый
выброс оксидов азота рассчитывается по NO2. В газовых выбросах
энергетических установок концентрация NO2 составляет 0,2–1,2 г/м3
[41].
Оксиды азота образуются при сгорании топлива в ядре факела
тремя возможными путями:
• топливные – образуются при температуре газовой среды 800–
2100 К за счет азота, входящего в состав топлива (Np);
• термические – образуются при высоких температурах факела
(более 1600 К) окислением азота воздуха, подаваемого на горение;
• "быстрые" – образуются в зоне сравнительно низких
температур в результате реакции углеводородных радикалов с
молекулой азота и последующего взаимодействия атомарного азота с
гидроксидом ОН.
Удельная масса оксидов азота зависит от вида и состава топлива,
температур в зоне горения и от коэффициента избытка воздуха, α.
Нормативные значения удельных выбросов оксидов азота,
установленные [86], приведены в табл. 4.
Таблица 4. Нормативы удельных выбросов в атмосферу оксидов азота для
котельных установок, введенных на ТЭС с 01.01.2001 (в числителе для тепловой
мощности котлов 100-299 МВт, в знаменателе – для от 300 и выше МВт)
Виды топлива
Размерность
г/МДж
кг/т.у.т.
мг/нм3 сух. газа
(=1,4)
Газ
0,043 / 0,043
1,26 / 1,26
125 / 125
Мазут
0,086 / 0,086
2,52 / 2,52
250 / 250
Бурый уголь
0,11 / 0,11
3,2 / 3,2
300 / 300
Каменный уголь:
твердое шлакоудаление
0,17 / 0,13
4,98 / 3,81
470 / 350
жидкое шлакоудаление
0,23 / 0,21
6,75 / 5,97
640 / 570
Для расчета процессов образования и рассеивания вредных
веществ необходимы значения удельных объемов продуктов сгорания
Vα при различных избытках воздуха на горение, α. Значения Vα можно
определить, которые можно приближенно, например по [41], или
рассчитать по методике, описанной, например в [87], и приведенной
ниже в п. 4.2.2.
4.2.2. Пример расчёта параметров продуктов стехиометрически
полного сгорания газового топлива при α>1
Исходными данными для расчета являются составы газа и воздуха,
коэффициент избытка воздуха α=1,1.
Примем с погрешностью не более 1,5 %, что газ и воздух – сухие
(воздух содержит только кислород O2в=21 % и азот N2в =79 %).
Объем* воздуха Vвα, необходимого для сжигания 1 м3 газа, объемы
водяных паров VαH2O, двуокиси углерода VαCO2, образующихся в
процессе, определяются по реакциям горения отдельных компонентов
газа в кислороде. (Здесь и далее объемы газов приводятся для
нормальных условий (273 К и 101,3 кПа).)
Например, для сжигания i–го углеводорода CmHn потребуется
КО2=m+n/4 киломолей кислорода, а в результате реакции
1·CmHn+ КО2·O2в =+ КСО2·СO2+ К Н2О·Н2O + Qi
(7)
образуется КСО2=m·молей СO2, КН2О·= n/2 молей Н2O и выделится
энергия Qi.
Состав природного газа (принятый для г. Иванова), величины
констант КО2, КСО2, К Н2О и Qi, необходимые для расчета горения
возможных компонентов природного газа, а также рассчитанные ниже
удельные объемы продуктов сгорания приведены в табл. 5.
Таблица 5. Состав газа, константы и удельные объемы продуктов сгорания
природного газа
i
Состав газа
Константы реакций
Удельные объемы
продуктов
сгорания, м3/м3
Газ
pi, % КО2
КСО2
К Н2О Qi,
Viα=1
Viα=1,1
кДж/м3
1
СO2
0,03
0
1
0
0
1,012
1,012
2
СO
0,5
1
0
12627
3
Н2O
0
0
1
0
2,00
2,00
4
N2
0,75
0
0
0
0
7,568
8,324
5
CH4
98,3
2
1
2
35820
6
H2
0,5
0
1
10785
7
С4Н10 0,06
6,5
4
5
118650
8
С3Н8 0,21
5
3
4
91255
9
С2Н6
3,5
2
3
63750
10 С5Н12
8
5
6
146080
11 С3Н6 0,65
4,5
3
3
86000
12 С2Н4
3
2
2
59063
13 O2
-1
0
0
0
0
0,2010
14 H2S
1,5
Кsо2=1
1
23170
Объемы воздуха Vвα и компонентов продуктов сгорания VαH2O,
VαCO2, VαN2 , низшая теплота сгорания Qнр на 1 м3 природного газа при
α=1 найдутся по формулам [87]:
14
Vвα=1 = L1= 0,01·( 
i 1
КО2,i pi) / O2в=Vв
=0,01·(2·0,983+6,5·0,06+5·0,21+4,5·0,65-1·0)/0,21=9,570 м3/м3,
(8)
14
VαН2O= V1Н2O =0,01· ( 
i 1
К Н2O,i pi)=
=0,01·(2·0,983+5·0,06+4·0,21+3·0,65) =2,00 м3/м3,
14
VαCO2= V1CO2= 0,01· ( 
i 1
(9)
КСО2,i pi)=
(10)
=0,01·(1·0,03+1·0,983+4·0,06+3·0,21+3·0,65) =1,012 м3/м3,
V1N2= 0,01·N2т+Vв1·(1– O2в)= 0,01·0,75+9,570·(1– 0,21)=7,568 м3/м3, (11)
14
Qнр=0,01· ( 
i 1
Qi ·pi) =
(12)
=0,01·(35820·0,983+118650·0,06+91255·0,21+86000·0,65)=36033
кДж/м3,
где N2т – содержание азота в топливе, %.
Объем продуктов сгорания Vα =1 при α = 1 составит:
V1= V1Н2O+ V1CO2+ V1N2 =2,00+1,012+7,568= 10,58 м3/м3.
(13)
При коэффициенте избытка воздуха больше единицы (α > 1)
расход воздуха на горение увеличится и составит:
Vвα=1,1 = α · Vв1= 1,1 9,570 = 10,53 м3/м3.
(13)
В продуктах сгорания увеличится объем азота
VαN2 = V1N2 + Vв1(α – 1)·(1– O2в)·= .
(14)
7,568+9,570·(1,1–1)·(1– 0,21)·=8,324 м3/м3
и появится неиспользованный кислород в объеме:
VαО2= Vв1(α–1)· O2в·=9,570·(1,1–1)· 0,21 = 0,2010 м3/м3.
Полный объем продуктов сгорания Vα при α > 1 составит:
Vα=VαН2O+VαCO2+VαN2+VαО2=2,00+1,012+8,324+0,2010=11,537 м3/м3 (15)
или иначе
Vα = V1+ Vв1(α–1)= 10,58 +9,570·(1,1–1) = 11,537 м3/м3
(в последней формуле к объему продуктов сгорания V
объем избыточного воздуха).
α=1
(16)
добавился
Объемные доли компонентов продуктов горения найдутся по
отношениям Vαi / Vα. Величины объемных долей рассчитаны и
включены в табл. 5.
Энтальпии воздуха и продуктов горения удобно определять по
аппроксимирующим формулам А.Т. Лебедева, Л.А. Баранова [88], в
которых используются энтальпии воздуха Iвм1 и продуктов горения
Iм1 м3/(м3 топлива) при α =1 и базовой температуре t =2200 0С.
Значения энтальпий воздуха Iвм1 и продуктов горения Iм1 при
t =2200 0С рассчитываются как суммы энтальпий отдельных
компонентов:
I м  5464 .2  VCO 2  4358 .83  VH 2 O  3295 .84  VN 2 = (17)
1
1
1
1
=5464,2·1,012+4358,83·2,00+3295,84·7,57=39173 кДж/(м3 топлива),

в
в
в

Iвм  L 3487 .44  O 2  3295 .84  N 2  4358 .83  H 2O =
1
1
(18)
= 9,570·(3487,44·0,21 + 3295,84·0,79)= 31925 кДж/(м3 топлива).
По энтальпиям, вычисленным при t=2200 0С и коэффициенте
избытка воздуха α =1, можно рассчитать энтальпии воздуха
Iвα = Iвα(Iвм1, tв) и продуктов горения Iα = Iα(Iм1, α, Iвм1, flb(tпг))· при
других температурах (tв, tпг) и коэффициентах избытка воздуха α>1:
Iвα = α Iвм1·tв/(2610–0,25· tв),
(19)
Iα = Iмα · flb(tпг),
Iмα
(21)
где
– энтальпия при t=2200 С продуктов горения (α =1) и
избыточного воздуха (при коэффициенте избытка воздуха α >1)
0
Iмα = Iм1 + (α–1) Iвм1,
(22)
flb(tпг) – температурная функция Лебедева-Баранова
t пг

 2695  0,3  t ,
пг
f lb t пг   
 t пг  0,075,
 2050
t пг  1200
,
(23)
t пг  1200
Формулы удобны не только тем, что позволяют практически
обходиться без табличных зависимостей теплоемкостей газовых
компонентов от температуры, но и тем, что дают возможность в явном
виде выражать значение температуры продуктов горения tпг по
известному их удельному теплосодержанию Qт и Iмα
2695

,
Qo
t пг   1  0,3  Qo
2050  (Q  0,075 ),
o

Qo  0,5
,
(24)
Qo  0,5
где Q0= Qт/ Iмα.
4.2.3. Расчет концентрации оксидов азота по [41]
В учебном пособии [ 41 ] приведены методики расчета
концентраций оксидов азота при сжигании твердых, жидких и
газообразных топлив.
Ниже даются примеры расчета только для природного газа,
который сжигается в водогрейном котле типа КВГ-7,56-95Н.
Поскольку расчет иллюстрационный некоторые параметры
котла могут отличаться от действительных значений.
Исходные данные, необходимые для расчета приведены в табл. 6.
Масса термических оксидов азота
На образовании термических оксидов в основном влияет
максимальная температура факела Тм и температурный интервал
реакции ∆ТР. Расчетное значение Т м зависит от условной адиабатной
температуры газов в зоне горения Та, значение которой можно
определить по формуле (24). Численные значения параметров
продуктов сгорания приведены в п. 4.2.2.
Определим удельное теплосодержание газов в топке котла Qт,
которое зависит от низшей теплоты сгорания Qнр и теплоты горячего
воздуха Qгв, подаваемого в горелки (физической теплотой природного
газа можно пренебречь):
Qт = Qнр+ Qгв.
(25)
Теплоту Qгв можно найти, используя формулу (19), по температуре
воздуха tв и коэффициентам избытка воздуха в зоне горения αгор и
топке αт. Для газоплотных котлов αгор = αт, а при наличии присосов
воздуха в топку ∆α т равным αгор = αт – 0,5·∆αт. В данном случае
∆αт.= 0 (п. 11 табл. 6), поэтому αгор = αт.
Рассчитаем Qгв по формуле (19) при температуре воздуха tв=200 0С
и αгор = αт =1,1 (п. 4 и 5 табл. 6)
Qгв= Iвα =α Iвм1·tв/(2610–0,25· tв)=
(25)
=1,1·31925·200/(2610-0,25·200)= 2744 кДж/(м3 топлива).
Определим теплосодержание газов в топке Qт, Iмα и отношение Q0:
Qт = Qнр+ Qгв =36033+2744=38776 кДж/(м3 топлива),
(25)
Iмα = Iм1 + (α–1) Iвм1 = 39173 + (1,1–1)· 31925= 42366 кДж/(м3 топлива),
Q0= Qт/ Iмα=38776/42366= 0,915.
(26)
Таблица 6. Характеристика условий сжигания природного газа в водогрейном котле
1. №
Наименование
Обозна Значение
чение
• Марка котла
• Размеры топки:
ширина,
ат
2,4·
длина,
bт
2,5·
высота
hт
4,5
200 °С
• Температура горячего воздуха
Избыток
воздуха
на
выходе
из
топки
α
1,10
т
•
Абсолютная
температура
газов
на
выходе
из
топки,
К
(из
Т
",
К
1273
Т
•
теплового расчета котла)
• Тип экранов в зоне горения: 80 % поверхностей топки
экранировано гладкотрубными экранами и 20 %
цельносварных экранов покрыто хромитомитовой массой
(относительный шаг труб s/d=1,4)
Табл. 5
• Состав топлива
3
Расход
топлива,
м
/с
В
0,233
•
Характеристики
продуктов
сгорания
См. п. 4.2.2
•
Присосы
воздуха
в
топке
0
∆α т
•
Доля
рециркуляции
газов
в
зону
горения
r
0
•
Способ
ввода
рециркулирующих
газов
n
•
Тип
горелки
и
ее
расположение
Вихревая
•
настенная
Условную адиабатную температуру в зоне горения Та = tпг +273 К
найдем по формуле (24), учитывая, что Q0 > 0,5:
Та=2050·(Q0+0,075) +273=2050·(0,915+0,075) +273= 2303 К.
Максимальную температуру зоны горения Тм природного газа
(верхнюю границу зоны горения можно принимать на 1,5 м выше
верхнего яруса горелок) находят с учетом отвода теплоты к экранам,
степени выгорания топлива и влияния рециркуляции газов по
формуле:
Тм=1,01·βсг Та·(1− ψ)0,25·(1− r1+n·r)·mг,
(27)
где 1,01 – коэффициент, учитывающий повышенную скорость
реакций горения природного газа;
βсг − доля сгоревшего топлива на участке от выхода из горелки до
завершения интенсивного высокотемпературного горения (для
твердых топлив βсг =0,95 … 0,97, для природного газа и мазута βсг
=0,97…0,99); ψ – средний коэффициент тепловой эффективности
экранов в зоне ядра факела;
r – доля рециркуляции газов в зону горения (ввиду высокой
реакционной способности газового топлива рециркуляция газов r не
учитывается в формуле (27) при вводе газов через шлицы [41]);
n – коэффициент, учитывающий способ ввода рециркулирующих
газов в топку: n = 6,5 – при вводе через сопла под горелками; n = 5,0 –
при вводе через кольцевой канал вокруг горелки; n = 3,0 – при
смешении газов с горячим воздухом до горелки либо вводе между
центральным и периферийным каналами горелки;
mг – коэффициент, учитывающий тип горелки: mг = 1 – для вихревых
настенных горелок; mг =0,95·(25/wB)0,2 – для прямоточных настенных
горелок, где wB – скорость воздуха на выходе из горелки, м/с; mг=0,985
–для подовых горелок с прямоточно-вихревой подачей воздуха.
Средний коэффициент тепловой эффективности экранов в зоне
ядра факела ψ рассчитывается по формуле:
ψ=  Fпл,i  i /  Fпл,i ,
(28)
где Fпл,i – поверхность i-го участка топки; ψi – коэффициент тепловой
эффективности i-го участка топки [90],
ψ i = x i ·ξ i ;
(29)
xi – угловой коэффициент участка (для цельносварных экранов х=1,
при относительном шаге труб s/d=1,4 – х= 0,95, при s/d= 3 − х ≈ 0,7);
ξ i – коэффициент загрязнения i-го участка экрана (для открытых
гладкотрубных и плавниковых (мембранных) настенных экранов ξ
=0,65; для ошипованных экранов, покрытых хромитомитовой массой ξ
=0,2; для экранов, покрытых шамотным кирпичом ξ =0,1; для
гладкотрубных двусветных экранов и топочных ширм величина ξ по
сравнению настенными гладкотрубными уменьшается на 0,1);
В зоне горения (см. п. 7 табл. 6) используется два типа экранов. По
исходным данным (см. табл. 6) примем: для газа βст =0,98; для
гладкотрубных экранов (их доля − 0,80) – х= 0,95 и ξ =0,65; для
цельносварных экранов (их доля − 0,20) х= 1, ξ =0,2, и определим по
(29), (28) и (27):
ψ=0,95·0,65·0,80 + 1·0,2· 0,2 = 0,534
Тм=1,01·0,98·2303·(1-0,534)0,25 = 1883 К.
Теоретическое время достижения равновесной концентрации
оксида азота NO при температуре реакции Тм находится по формуле:
τ0 = 0,024 ехр (54290/ Тм – 23)=
(30)
=0,024·ехр(54290/1883 – 23)= 8,129.
Расчетное время реакции образования оксидов азота в топке
определяется по формуле:
p 
Tp
Ta  Tт"
q П
( f )0,5 преб
300
(31)
где ∆Тp – температурный интервал активной реакции образования
оксидов азота, K, зависящий от значения T м
Tp 
Tм2  10 5
0,614  Tм  10 5
;
(32)
qf – среднее тепловое напряжение сечения топочной камеры, МВт/м 2,
qf 
BQ нр
;
a тbт
(32)
П=2аТ + 2 bТ – расчетный периметр стен призматической топочной
камеры, м (при наличии двусветного экрана добавляется его
удвоенная ширина); ТТ" – абсолютная температура газов на выходе из
топки, К; τпреб – время пребывания газов в топочной камере, с,
преб 
273 
q v Т г v пг  т (1  r )
;
(33)
q v  BQ нр / Vт – тепловое напряжение топочного объема, МВт/м 3; Vт –
объем топочного пространства Vт =ат bт hт; ат, bт, hт – ширина, длина и
высота топки, м;
Т г – средняя расчетная температура газов в топочном объеме, К,
4
Tг  0,84 (Tм
 Tт4 ) 0, 25 ;
(34)
vгп – удельный приведенный объем газов при α=1, м 3 /МДж (в
расчетах следует принимать для антрацита и полуантрацита
vгп =0,273 м3/МДж, для остальных твердых топлив vгп = 0,278+0,001Wп,
для мазута vгп =0,281 м3/МДж, для природного газа vгп = 0,3 м3/МДж);
ξ – коэффициент заполнения сечения топки восходящим потоком
газов (при встречных вихревых грелках ξ= 0,8, то же для
однофронтального расположения ξ= 0,75, для тангенциального
расположения прямоточных горелок ξ= 0,70, для подовых горелок
ξ= 0,90).
Определим параметры формул (31)..(34):
Tp 
Tм2  10 5
0,614  Tм  10  5

1883 2  10 5
0,614  1883  10  5

Tг  0,84 (1883 ) 4  (1273 ) 4
qf 

0, 25
 56,05 К;
 1659 К;
BQ нр  10 3 0,233  36033  10 3

 1,40 МВт/м2;
a тbт
2,4  2,5
Vт =ат bт hт= 2,4·2,5·4,5=27,0 м3;
qv 
преб 
BQ нр  10 3 0,233  36033  10 3

 0,311 МВт/м3;
Vт
27,0
273
q v Т г v пг  т (1 

r)
273  0,75
 1,203 с;
0,311  1659  0,3  1,1  (1  0)
П= 2аТ + 2 bТ=2·2,4 + 2·2,5=9,8 м;
p 

Tp
Ta  Tт"
q П
( f ) 0,5 преб 
300
56,05
1,40  9,8 0,5
(
) 1,203  0,0140 с.
2303  1273 300
Концентрация оксидов азота, образующихся за счет термической
реакции в зоне ядра факела, в пересчете на диоксид азота NOтр2, г/м3,
определяется по формуле
NO 2тр  7,03 *10 3  С0О,5 exp( 10860 / Tм )p / 0 ,
2
(35)
где СО2 – концентрация остаточного (избыточного) кислорода в зоне
реакции, кг/м3,
CO 2 


0,21  Vв1 ( гор  1)  r ( рц   гор) O 2
V  (
1

1
гор  1)Vв (1  r )
0,21  9,57  (1,1  1)  0  1,428

 0,0249
10,58  (1,1  1)  9,57  (1  0)
,
(36)
где αрц – избыток воздуха в газах рециркуляции; ρО2=1,428 кг/м3 –
плотность кислорода при атмосферном давлении. В случаях, когда
значение (αгор–1) окажется меньше 0,02, следует условно принимать
его постоянным и равным 0,02. (В данном случае r = 0.)
Определим величину концентрации оксидов азота NOтр2 по (35)
NO2тр  7030 0,0249 exp(10860 / 1883)  0,0140 / 8,129  0,00598 г/м3.
Концентрации топливных, быстрых оксидов азота
и их суммы
Образование этих видов оксидов происходит в диапазоне
температур 800…2100 К при наибольшей интенсивности их
образования в области 1850 К. Выход топливных оксидов NOтл в этой
зоне температур сильно зависит от избытка воздуха (в степени 2),
слабо от температуры (степень 0,33) и содержания азота в топливе Np.
В природном газе отсутствует топливный азот, входящий в
радикалы, поэтому при сгорании газа могут образовываться
только быстрые оксиды азота NO 62 .
Расчет быстрых оксидов азота
осуществляется по формуле
для
природного
газа
2
  гор  r   Tм  800  0,33
 
NO 62  0,1



 1  r   1000 
 1883  800 
 0,1 1,12 

 1000 
0,33
 0,124 г/м3.
Суммарная концентрация оксидов азота составит
(37)
NO02  NO2тр  NO62  0,00578  0,124  0,130 г/м3 .
(38)
Таким образом, для принятых условий сжигания основной вклад
(95 %) в образование оксидов азота дают быстрые оксиды азота.
Пример определения массы выбросов МNO2, г/с, объемного
расхода газов V, м3/с (при действительных условиях!) и температуры
газов в устье (на выходе) дымовой трубы приведен в п. 4.2.5.
4.2.4. Расчет концентрации оксидов азота по [86]
Методические указания [86] устанавливают порядок и методы
расчета выбросов оксидов азота при проектировании новых и
реконструкции действующих котлов. Они распространяются на
паровые котлы паропроизводительностью от 75 т/ч и водогрейные
котлы мощностью от 58 МВт (50 Гкал/ч) и выше, сжигающие твердое,
жидкое и газообразное топливо в факельных топочных устройствах.
Важно помнить, что коэффициент избытка воздуха, на который
рассчитывается концентрация оксидов азота C NO2 , принимается
равным  = 1,4 (независимо от фактического избыта воздуха за
котлом).
Рассмотрим методику расчета выбросов оксидов азота при
сжигании газа или мазута, а в качестве примера − расчет выбросов
оксидов азота котлом ПТВМ – 100, работающем на газе.
Исходные данные, формулы и результаты расчета оформлены в
виде табл. 7 и 8 [86].
На котле ПТВМ – 100 установлены двухпоточные горелки
стадийного сжигания и выполнена схема двухступенчатого сжигания с
подачей вторичного воздуха над горелками в пределах зоны активного
горения (ЗАГ).
Таблица 7. Исходные данные для расчета котла ПТВМ – 100, работающего на газе
Наименование параметра
Обознач Величина
ение
Вид топлива
Газ
Номинальная производительность, МВт
DН
116
Фактическая паропроизводительность, МВт
D
116
Теплота сгорания топлива, МДж/м3 (МДж/кг)
Qri =Qрн
34,1
Расход топлива на котел, м3/с
Вр
3,92
Доля топлива (или воздуха), поступающая через ярус горелок от их
qi
1
общего количества (i=1, 2, Zяр)
Доля горелок в ярусе от их общего количества
ni
1
Ширина (в свету) топки (при наличии двусветного экрана - ширина
аТП
6,23
одной ячейки), м
Параметры зоны активного горения (ЗАГ):
вТП
5,23
Наименование параметра
глубина топки, м
Число ярусов горелок
расстояние между ярусами горелок, м (для топок с одноярусным
расположением горелок единичной, мощностью от 30 до 60 МВт –
Zяр·hяр=3 м; при подовой компоновке горелок единичной мощностью
от 50 до 95 МВТ– Zяр·hяр=7,5 м, для горелок 96-160 МВт –
Zяр·hяр=10 м)
Коэффициент, учитывающий степень выгорания топлива в факелах
горелок в пределах ЗАГ, зависящий от конструкции горелок (для
унифицированных и оптимизированных горелок − 1, двухпоточных
горелок стадийного сжигания − 0,7, многопоточных горелок
стадийного сжигания − 0,58, многопоточных горелок стадийного
сжигания с подачей части топлива в инертные газы − 0,42)
Температура воздуха перед горелками, К
Коэффициент избытка воздуха в конце топки
Степень рециркуляции дымовых газов, %
Показатель, зависящий от вида топлива: для газа – 0,5, для мазута –
0,47
Коэффициент, зависящий от способа ввода рециркуляции газов (в
под топки арец=0,005, в шлицы под горелки – 0,02, снаружи
воздушного потока горелки – 0,14, в дутьевой воздух – 0,16, между
воздушными потоками горелки – 0,19)
Доля вторичного воздуха от теоретически необходимого,
подаваемого в топку помимо горелок, %
Коэффициент, зависящий от места ввода вторичного воздуха
относительно ЗАГ (ниже или в пределах зоны активного горения – 0,
выше зоны активного горения аЗГ=0,01)
Коэффициент, учитывающий способ подачи вторичного воздуха
(навстречу факелу – 0,015; под горелками – 0,007, над горелками –
0,018)
Степень
перераспределения   100 
qi  n i

топлива по ярусам горелок, %
i 1.2....Z яр
Коэффициент,
учитывающий
размещение
горелок
при
перераспределении топлива или воздуха по ярусам (однофронтовое –
0,016, встречное – 0,009)
Относительное количество влаги, вводимой в ЗАГ, (% от массового
расхода топлива)
Коэффициент, учитывающий место ввода влаги (в корень факела
через горелки – 0,025, в пристенную зону – 0,015)
Содержание связанного азота в топливе, % на рабочую массу
Обознач Величина
ение
Zяр
hяр
1
3
Г
0,7
ТВ

r
m
300
1,18
0
0,5
рец
-

25
ЗГ
0
СТ
0,018

0
НС
(один
ярус)
g
0
вл
-
Nr
-
Таблица 8. Формулы расчета концентрации оксидов азота при сжигании газа и
мазута. Пример расчета для природного газа с исходными данными из табл. 7
Рассчитываемая величина
Обозн
ачени
е
Тепловая нагрузка лучевоспринимающей поверхности ЗАГ qЛГ =(Qri · qЛГ
Вр/[2·( аТП+ вТП) Zяр hяр +1,5 аТП+ вТП]· =
Зна
чен
ие
1,14
=(34,1·3,92/[2·( 6,23+ 5,23) 1 3 +1,5 6,23·5,23]=1,14 МВт/м2
Коэффициент, учитывающий тепловую мощность ЗАГ
КМ=1-ехр(–0,211–0,141(Г Qri Вр)0,41)=
=1-ехр(–0,211–0,141(0,7 34,1·3,92)0,41)=0,672
Исходная концентрация оксидов азота при сжигании газа
0,88
=0,613·,672(0,7·1,14) 0,88=337, мг/м3 (при
С ИСХ
NOx =0,613· КМ (Г· qЛГ)
ИСХ
сжигании мазута С NOx складывается из двух составляющих [86])
КМ
0,67
С ИСХ
NOx
337
Первая составляющая концентрации оксидов азота при сжигании мазута С 'NOx
С 'NOx =0,632· КМ (Г· qЛГ) 0,62, мг/м3
'
Вторая составляющая концентрации оксидов азота при сжигании мазута С 'NOx
учитывает количество NOX, образующееся при отклонении содержания
''
азота в мазуте от среднего уровня, равного 0,25 %: С NOx =220· КМ (Nr–
0,25), мг/м3
Исходная концентрация оксидов азота при сжигании мазута
С ИСХ
NOx
'
''
ИСХ
3
С NOx = С NOx + С NOx , мг/м
Коэффициент, учитывающий температуру воздуха перед горелками КГВ=1- КГВ
0,001·(620- ТВ) =1-0,001·(620- 300)=0,68
Первый коэффициент, учитывающий избыток воздуха в топке, для газа и Ка'
мазута Ка'=1,35–43(-1,09)2+2(-1,09)=
=1,35–43(1,18-1,09)2+2(1,18-1,09)=1,18
Второй коэффициент, учитывающий избыток воздуха в топке, для мазута Ка''
Ка''=4,55(-0,8)
Коэффициент, учитывающий ввод рециркуляции дымовых газов
Kr
Kr=1-рецrm=1-0=1
Коэффициент, учитывающий тепловую мощность ЗАГ при ступенчатом КЗГ
сжигании КЗГ=1-ЗГ· =1–0 = 1
Коэффициент, учитывающий организацию схемы ступенчатого сжигания КСТ
КСТ=1– СТ· = 1– 0,018·25 = 0,55
Коэффициент, учитывающий нестехиометрическое сжигание по ярусам КНС
горелок КНС=1–НС · = 1– 0 =1
КВЛ
Коэффициент, учитывающий подачу влаги КВЛ=1–вл g = 1– 0 = 1
Коэффициент, учитывающий действительную нагрузку котла
КN
КN= (D/ DН)1,25 = (116/116) 1,25=1
(экологическая опасность оценивается для наихудших условий)
Расчетная концентрация оксидов азота на газе
СNОx
ИСХ
'
0.88
СNОx= С NOx · КГВ Ка Kr КЗГ КСТ КНС КВЛ КN =
=337·0,68·1,18·1·10,88·0,55·1·1·1=149 мг/м3,
и на мазуте
-
-
-
0,68
1,18
1
1
0,55
1
1
1
149
'
СNОx=( С 'NOx КЗГ0,62+ С 'NOx
Ка'')·КГВ Ка' Kr КСТ КНС КВЛ КN, мг/м3
Приведенная к  = 1,4 концентрация NOx в уходящих газах
= СNОx / 1,4=149·1,18 / 1,4=126 мг/м3
Спр
NOx
Спр
NOx
126
Сравнивая результаты расчета концентрации NOx в п. 4.2.3 и п.
4.2.4, можно сделать вывод, что в обоих случаях они получились
довольно близкими по своим численным значениям. Обратим
внимание, что они имеют разную размерность.
4.2.5. Масса выбросов оксидов азота и объем дымовых газов
В методике расчета рассеивания выбросов [26, 27, 30, 42, 46]
используются:
• масса выбросов МNO2, г/с;
• объемный расход газов V, м3/с (при действительных
условиях!);
• температура газов в устье (на выходе) трубы.
Рассмотрим расчет этих параметров.
Массу выбросов оксидов азота МNO2 (г/с) рассчитывают по
удельным выбросам или по концентрации оксидов азота [86]:
МNO2 = Вр Qri KNO2
(39)
МNO2 = BP·VС.Г·СсNO2
(40)
где BP – расчетный расход топлива, кг/с (м /с);
Qri - теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м3);
KNO2 - удельный выброс оксидов азота в пересчете на NO2, кг/ГДж;
СсNO2 - концентрация оксидов азота, г/м3, в сухой пробе газа при
стандартных условиях и при определенном коэффициенте избытка
воздуха α (рекомендуется все расчеты концентрации NOx при
сжигании твердого топлива, газа и мазута пересчитывать на α = 1,4);
VС.Г - объем сухих дымовых газов, м3/кг (м3/м3), при том же
коэффициенте избытка воздуха α, что и СNO2
Объем сухих дымовых газов рассчитывается по формуле:
3
VС.Г = V1+(α –1) Vв1 – V1Н2O
(41)
где Vв , V , V Н2O –соответственно, объем воздуха, дымовых газов и
водяных паров при стехиометрическом сжигании 1 кг (или 1 м 3)
топлива, м3/кг (м3/м3).
Формулу (40) применяют при экспериментальном определении С сNO2.
В качестве примера рассчитаем массовый расход оксидов азота
МNO2 в устье дымовой трубы и расход продуктов сгорания V при
следующих исходных данных:
• к дымовой трубе подключено nк= 4 котла ПТВМ – 100,
работающих на газе с номинальной производительностью 116 МВт
(состав газа и продуктов его сгорания приведен в п. 4.2.2);
• расход топлива на котел Вр=3,92 нм3/с;
1
1
1
• коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания  = 1,4;
• приведенная к  = 1,4 концентрация NOx в уходящих газах
СNОx=126 мг/нм3 (см. табл. 7);
• высота кирпичной трубы Н=60 м;
• температура продуктов сгорания на входе в трубу Т 'тр=190 0С.
Определим массовый расход выбросов оксидов азота МNO2 (г/с)
МNO2 = nк BP·(V1+(α –1) Vв1)·СNO2 =
(42)
=4·3,92·(10,58+(1,4–1)·9,57)· 126 = 28465 мг/с= 28,5 г/с.
Для расчета процесса рассеивания выбросов необходимо знать
расход продуктов сгорания V на выходе из трубы при фактической
температуре дымовых газов
Т''тр= Т'тр – ΔТдт Н = 190-1,5·60=100 0С,
где ΔТдт– удельное падение температуры на 1 погонный метр трубы
(для футерованных труб ΔТдт=1,0–1,5, для металлических труб
ΔТдт=5 0С/пм [89]). Найдем величину V по формуле:
V= nк BP·(V1+(α –1) Vв1)· (Т''тр +273)/273=
(43)
= 4·3,92·(10,58+(1,4–1)·9,57)·(100+273)/273=308,7 м3/с.
В формулу (43) может подставляться фактическое значение ,
если оно отличается от  = 1,4.
Таким образом, из устья трубы будут рассеиваться газы с
температурой 100 0С, расходом 308,7 м3/с (объем газов не при
нормальных, а при действительных условиях!) и массовым расходом
оксидов азота 28,5 г/с.
При расчете концентрации оксидов азота по методике [41] (см п.
4.2.3) расход продуктов сгорания V на выходе из трубы можно
определить по формуле (43), а массу выбросов по измененной формуле
(40):
МNO2 = BP·Vα·NO20,
(40')
где NO20 − суммарная концентрация оксидов азота по (38), Vα − объем
продуктов сгорания по формуле (16).
Определим МNO2 и V по данным примеров, описанных в п. 4.2.2 и
п. 4.2.3, по формулам (40') и (43):
МNO2 = BP·Vα·NO20 = 0,233·11,537·0,130= 0,349 г/с.
V= nк BP· Vα (V1 + (α –1) Vв1)·(Т''тр +273)/273 =
=1 ·0,233·(10,58 (1,5−1)·9,570) (127+273)/273= 5,245 м3/с.
Для расчета дополнительно были приняты: коэффициент расхода
воздуха и температура газов в устье трубы (α =1,5, Т''тр =127 0С).
4.3. Проектирование искусственного освещения
Правильно устроенное искусственное освещение позволяет
повысить производительность труда на 20 %, исключить утомление и
повреждение зрения. Правильно выбранные типы светильников,
проводов и способов проводок, выключателей позволяют снизить
вероятность возникновения пожаров.
Для расчета электрического освещения применяются методы
коэффициента использования светового потока и удельной мощности.
Методика проектирования освещения рассматривается на примере
определения параметров системы освещения помещения блочного
щита управления, которая обеспечит необходимые по нормам [55]
условия труда.
4.3.1. Исходные данные
Наименование помещения: блочный щит управления (БЩУ).
Размеры помещения: длина a=25 м, ширина b=14,3 м, высота Нп =3 м.
Окраска стен – светлые тона, потолка – белая.
Выделение пыли, дыма, копоти – менее 1 мг/м3.
Поверхность,
над
которой
нормируется
освещенность,
расположена горизонтально на высоте Нрп =0,8 м от пола, а ее площадь
составляет Sпр=25 м2.
Характеристика зрительной работы:
• минимальный размер объекта различения 0,5 мм;
• контраст – средний, фон – средний;
• напряженная зрительная работа выполняется непрерывно
(5 часов).
Расстояние, на котором находится объект от глаз работающего – 0,5 м.
Повышенного травматизма — нет.
Пребывание людей – постоянное.
Источник света – люминесцентные лампы.
Высота подвеса светильников над уровнем пола Нподв =2,5 м.
Напряжение в сети 220 В.
Рабочие места у стен отсутствуют.
4.3.2. Расчет системы освещения
Расчет освещения проводится по методике, описанной в [43, 55,
92] и заключается в определении типа, количества, схемы размещения
и мощности светильников, которые обеспечат требуемую по нормам
освещенность.
Проектировании
освещения
методом
коэффициента
использования светового потока рекомендуется выполнять в
следующем порядке:
1) выбор системы освещения;
2) определение требуемой освещенности в зависимости от
характера зрительных работ;
3) выбор типа светильников;
4) задание количества и схемы расположения светильников;
5) определение
коэффициентов,
характеризующих
использование светового потока;
6) выбор типа ламп светильников и определение их мощности;
7) выбор местное освещение;
8) задание
параметров
системы
электроснабжения
в
соответствии с требованиями ПУЭ [22].
Выполним расчет освещения по исходным данным, описанным в
п. 4.3.1.
1) Система освещения. Выберем экономически выгодную
комбинированную систему освещения (общее и местное освещение) с
наиболее распространенным способом размещения светильников
параллельными рядами.
2) Требуемая освещенность определяется по СНиП 23-05-95 [55]
или по [43]. По характеру работ (минимальный размер объекта
различения 0,5 мм), контрасту (средний), фону (средний) определим
(табл.1 СНиП 23-05-95 [55]): характеристику зрительной работы –
"средняя точность", разряд работы – VI, подразряд – "в". Для разряда
VIв освещенность должна составлять Екомб=400, из которых общая –
Еобщ=200 лк.
Согласно п. 7.5а [55], при работах I—IV разрядов, если зрительная
работа выполняется более половины рабочего дня (5 > 8/2), нормы
освещенности, приведенные в табл. 1 СНиП 23-05-95, следует
повышать на одну ступень шкалы освещенности.
Для разрядных источников света шкалу освещенности в люксах
формируют следующие числа: 0,2: 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 10; 15; 20;
30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 1000; 1250; 1500;
2000; 2500; 3000; 3500; 4000; 4500; 5000 (п. 4.1 СНиП 23-05-95).
С учетом повышения освещенности на одну ступень (пп. 7.5 и 4.1
[55]) освещенность должна составлять Екомб=500, из которых
Ен=Еобщ=300 лк.
3) Тип светильников. Примем к установке светильники с
люминесцентными лампами группы "Д", типа ПВЛМ с двумя лампами
(nл=2), которые можно применять для освещения производственных
помещений [43]. Размеры светильника: длина – Lс = 1350 мм, ширина
– 280 мм, высота – 180 мм. Светильники группы "Д", допускают
наибольшие расстояния между ними и, следовательно, могут
обеспечить необходимую равномерность освещения меньшим
количеством светильников.
Для них расстояние между рядами светильниками Lмр
принимается по соотношению Lмр/h=0,91÷1,3, а расстояние между
светильниками в ряду Lмс определяется из соотношения Lмс / Lс
=0,5÷1,0, где h – высота подвеса светильника над рабочей
поверхностью.
Примем: исполнение по пылезащите – полностью пылезащитное;
конструктивное
исполнение:
корпус
из
стеклопластика
с
рассеивателем типа СТ (средней твердости) из
поликарбоната;
эксплуатационная группа светильников – 8 (см. табл. 1 и 2 ,
приложение Г, СНиП 23-05-95 [55] или табл. 54, 55 [43]).
4) Количество и расположение светильников.
Примем в первом приближении величину отношений Lмр/h=1,2 и
Lмс/ Lс =0,7. Тогда расстояния между светильниками по ширине и
длине помещения составят:
Lмр=h·1,2=1,7·1,2=2,04 ≈ 2 м,
Lмс = Lс 0,7=1,35·0,7 = 0,945 ≈ 1 м
где h= Нподв– Нрп=2,5-0,8=1,7 м, Lс = 1,35 м длина светильника.
Расстояние между светильниками и стенами при отсутствии работ
у стен задается по формуле [43]:
lш =(0,4÷0,5) Lмр = 0,5·2=1 м.
lд =(0,4÷0,5) Lмс = 0,5·1=0,5 м.
Определим количество светильников по длине
nд=(a-2·lд+ Lс) / (Lмс + Lс)= (25-2·0,5+1,35)/(1 +1,35)= 11,2
и по ширине помещения
nш=(b-2·lш)/Lмр + 1= (14,3-2·1)/2+1=7,15.
(Формула для расчета nш записана без учета ширины светильника.)
Примем nд = 12 и nш = 8 шт, тогда общее количество светильников
составит n = nд ·· nш = 12·8 = 96 шт.
Уточним расстояния между краями светильников по длине и
между их центрами по ширине:
Lмс =(a-2·lд – Lс nд )/( nд–1) = (25-2·0,5–1,35·12) / (12–1)= 0,709 м
Lмр =(b-2·lш)/ (nш –1)= (14,3-2·1)/(8–1)=1,757 м.
Расстояния от стены до центра ближайшего светильника по длине
Lст.д =lд + Lс/2 =0,5+1,35/2= 1,175 м
и по ширине Lст.ш =lш = 1м.
При выполнении работ у стен расстояния от краев светильников
до стен должны быть не более Lмс/2 и Lмр/2.
Схема расположения светильников показана на рис. 1.
5) Коэффициент использования светового потока. Определим
индекс помещения по формуле:
i=S / (h·(a+b))=357,5/(1,7·(25+14,3))=5,35,
где S – площадь помещения: S =a·b = 25·14,3 = 375,5 м2.
Примем, согласно с исходными данными и [43], коэффициенты
отражения от стен, потолка и пола равными: ρпот=50 %, ρст=30 %,
ρпол=10 %, соответственно. По их значениям для светильников группы
Д определим коэффициенты полезного действия светильников ПВЛМ
ηс= 0,80 и помещения ηп= 86 (см. табл. 54, 57 [43]).
Коэффициент использования светового потока η определяется, как
произведение величин ηс и ηп
η = ηп ·ηс = 0,8·0,86 = 0,69.
Коэффициент запаса с учетом заданной запыленности помещения,
эксплуатационной группы светильников – 8 и угла наклона
светопропускающего материала к горизонту – 0 градусов (см. табл. 3
[1] или 58 табл. [43]) примем равным Кз=1,6.
Зададим коэффициент, учитывающий неравномерность освещения
для люминесцентных ламп, Z=1,1 [43].
6) Световой поток каждой лампы светильника определим по
формуле:
Е  S  Z  K з 300  357 ,5 1,1 1,6
Ф н

 1425 лм.
n   n л
96  0,69  2
Примем тип лампы – ЛД (люминесцентная, дневного света)
мощностью Wл = 30 Вт и световым потоком Фтаб=1560 лм (табл. 59,
Рис. 1. Расположение светильников в помещении БЩУ
[43]).
Действительная освещенность рабочей поверхности Е д при общем
освещении составит:
Ф  n    n л 1560  96  0,69  2
Ед  т

 328 лк,
S Z Kз
357 ,5 1,1 1,6
превысив нормативное значение на 9 %. Отношение Ед/Ен =
=328·/300 =1,09 попадает в допустимый диапазон 0,9 < Ед/Ен < 1,2
[104], поэтому пересчет не требуется.
Для оценки правильности расчета определим удельную
электрическую мощность Wу, Вт/м2, для создания условной
освещенности 100 лк, которую используют для приближенного
расчета освещения:
Wу=100·Wл·n·n л·/(Ед S) = 100·30·96·2/(328·357,5)=4,9 Вт/м2.
Полученное значение несколько ниже практического диапазона
6 <Wу < 10 Вт/м2 [43], вероятно из-за сравнительно высокого КПД (ηс=
0,80) светильников ПВЛМ.
6) Местное
освещение
рабочих
мест
обеспечивается
светильниками с непросвечивающими отражателями. Светильники
располагаются таким образом, что их светящие элементы не попадают
в поле зрения работающих на освещаемом рабочем месте и на других
рабочих местах (п. 7.13. [91]).
Примем, что расстояние от светильника до освещаемой
поверхности hм =0,7 м, а угол, под которым световой поток падает на
горизонтальную плоскость, составляет 60°.
Определим мощность светильников для создания местного
освещения Емест =Екомб −Еобщ = 500−300=200 лк на рабочих
поверхностях площадью Sрп = 25 м2
Wум=(6÷10)· Sрп Емест / 100·= 7·25·200/100 = 350 Вт.
Электропроводка к светильникам местного освещения (выше
42 В) выполнена в пределах рабочего места в трубах или гибких
рукавах (ПУЭ [22], п.6.2.9).
8) Согласование с требованиями ПУЭ [22]. Осветительные сети
выполнены в соответствии с требованиями гл. 2.1 ПУЭ [22].
По степени опасности поражения электрическим током БЩУ
относится к помещениям без повышенной опасности. По условиям
окружающей среды – помещение нормальное, сухое.
Согласно требованиям ПУЭ, для электропроводки используется
провод АППВ, тип проводки – закрытый в строительных
конструкциях, выключатель − термального исполнения.
Вывод. Система комбинированного освещения из 96 (12х8)
светильников ПВЛМ, каждый с двумя лампами типа ЛД мощностью
по 30 Вт, обеспечит нормативную освещенность 500 лк
(Екомб =Еобщ +Емест = 300+200= 500 лк) необходимую для выполнения
зрительных работ "средней точности"
4.4. Оценка допустимости акустического воздействия
Согласно п. 4.5 СНиП 23-03-2003 [91] акустический расчет должен
производиться в следующей последовательности:
• определение нормируемых параметров шума, при которых
обеспечиваются предельно допустимые условия труда;
• выявление источников шума и определение их шумовых
характеристик;
• выбор точек в помещениях и на территориях, для которых
необходимо провести расчет (расчетных точек);
• определение путей распространения шума от источника
(источников) до расчетных точек и потерь звуковой энергии по
Рис. 2. Расположение турбин и помещения БЩУ
в турбинном цехе
каждому из путей
(снижение за счет
расстояния,
экранирования,
звукоизоляции
ограждающих
конструкций,
звукопоглощения и
др.);
• определение
ожидаемых
уровней шума в
расчетных точках;
• определение
требуемого
снижения уровней
шума на основе
сопоставления
ожидаемых
уровней шума с
допустимыми
значениями;
• разработка
мероприятий
по
обеспечению
требуемого
снижения шума;
• поверочный
расчет ожидаемых
уровней шума в
расчетных точках с
учетом выполнения
строительноакустических
мероприятий.
Акустический
расчет
следует
проводить
по
уровням звукового
давления L, дБ, в
восьми
октавных
полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500,
1000, 2000, 4000 и 8000 Гц или по уровням звука по частотной
коррекции «А» LА, дБА.
Расчет проводят с точностью до 0,1 децибела, окончательный
результат округляют до целых значений.
В данном примере рассматривается упрощенный расчет уровня
звука по частотной коррекции «А», дБА, в турбинном цехе и в
помещении БЩУ (блочного щита управления), которое изолировано
от источников шума – турбин ограждением БЩУ (рис. 2.)
4.4.1. Исходные данные
Исходными данными для акустического расчета являются:
• план и разрезы помещения с расположением технологического,
инженерного оборудования и расчетных точек;
• сведения о характеристиках ограждающих конструкций
помещения (материал, толщина, плотность и др.);
• шумовые характеристики и геометрические размеры источников
шума.
Блочный щит управления расположен в турбинном цехе и поэтому
основными источниками шума для него являются работающие
турбины (три турбины типа Т-250/300-240, две типа Т-100-130 и шесть
типа ПТ-65/75-130/13), трубопроводы, насосы, регулирующая
арматура. На рис. 2 показано расположение турбин и БЩУ,
(расстояния от источников шума r до условной поверхности,
удаленной от стен БЩУ на 2 м, приведены в табл. 13).
Все источники шума являются постоянными, действующими
круглосуточно. Спектр шумового поля машинного отделения занимает
широкий диапазон частот от 100 до 8000 Гц. Характер шума при
нормальной
эксплуатации
оборудования
стабильный,
широкополосный.
Для достижения санитарных норм по шуму и создания
комфортных условий для обслуживающего и оперативного персонала
в цехе проведены следующие мероприятия по уменьшению шума:
• конструктивные
мероприятия
по
технологическому
оборудованию, снижающие уровни шумового излучения;
• нанесение специальных звукоизолирующих покрытий на
поверхность оборудования;
• установка
звукоизолирующих
кожухов
на
шумящее
оборудование, трубопроводы и арматуру;
• устройства звукоизолирующих ограждающих конструкций для
помещений с постоянным пребыванием персонала.
Размеры турбинного цеха длина атц=80, ширина bтц=30, hтц=8 м и
помещения БЩУ – аБЩУ=25, ширина bБЩУ=14,3, hБЩУ=3 м. Стены
обоих помещений оштукатурены и окрашенная масляной краской.
Уровни звуковой мощности для частоты 1000 Гц турбин
приведены в табл. 9.
Таблица 9. Уровни интенсивности звука для частоты 1000 Гц на расстоянии 1 м от
турбин
Обозначение оборудования
Параметр
Т-250/300
Т-100-130
ПТ-65/75
LI, дБ
78
73
70
4.4.2. Допустимый уровень шума в помещении
Нормируемыми параметрами постоянного шума в расчетных
точках являются уровни звукового давления L, дБ, в октавных полосах
частот. Для ориентировочных расчетов допускается использование
уровней звука LА, дБА.
Нормируемыми параметрами непостоянного (прерывистого,
колеблющегося во времени) шума являются эквивалентные уровни
звукового давления Lэкв, дБ, и максимальные уровни звукового давления
Lмакс, дБ, в октавных полосах частот.
Допускается использовать эквивалентные уровни звука LАэкв, дБА,
и максимальные уровни звука LAмакс, дБА.
Эквивалентный уровень – это предельно допустимый уровень
звукового давления эквивалентный по своему воздействию на
слуховой аппарат человека соответствующему предельному спектру.
Эквивалентный уровень определяется для частоты 1000 Гц по шкале
«А» шумомера.
Шум на рабочих местах считают допустимым, когда он как по
эквивалентному, так и по максимальному уровню не превышает
установленных нормативных значений.
Примем, что помещение БЩУ относится к "рабочим помещениям
административно-управленческого
персонала
производственных
предприятий, лабораторий, помещения для измерительных и
аналитических работ", для которых предельно допустимый
эквивалентный уровень шума составляет 60 дБА (ГОСТ 12.1.003-90,
СНиП 23-03-2003 [3, 91]).
В тех случаях, когда известны характеристики источников шума в
восьми октавных полосах частот, предельно допустимый уровень
шума задается для октавных частот.
4.4.3. Методика расчета уровня звукового давления в помещении с
источниками звука и вне его [91]
Рассмотрим формулы расчета уровней звукового давления для
следующих случаев (Рис. 3):
а) источник (источники) звука, шума (ИШ) и расчетные точки (РТ)
находятся в одном помещении;
б) источник (источники) звука и расчетные точки находятся на
территории, и между ними нет преград;
в) источник звука расположен в смежном помещении или на
территории за звукоизолирующим ограждением помещения с
расчетной точкой.
б)
а)
ИШ
ИШ
РТ
РТ
Звукоизолирующее
ограждение
в)
ИШ
РТ
ИШ
2м
Рис. 3. Расчетные схемы определения уровней звукового
давления в расчетных точках
Методика расчета защиты от шума, приведенная в [91] позволяет
решать и другие более сложные задачи.
Расчетные точки в производственных и вспомогательных
помещениях промышленных предприятий выбирают на рабочих
местах и (или) в зонах постоянного пребывания людей на высоте 1,5 м
от пола. В помещении с одним источником шума или с несколькими
однотипными источниками одна расчетная точка берется на рабочем
месте в зоне прямого звука источника, другая - в зоне отраженного
звука на месте постоянного пребывания людей, не связанных
непосредственно с работой данного источника [91].
В помещении с несколькими источниками шума, уровни звуковой
мощности которых различаются на 10 дБ и более, расчетные точки
выбирают на рабочих местах у источников с максимальными и
минимальными уровнями. В помещении с групповым размещением
однотипного оборудования расчетные точки выбирают на рабочем
месте в центре групп с максимальными и минимальными уровнями.
Шумовые характеристики технологического и инженерного
оборудования в виде октавных уровней звуковой мощности Lw,
корректированных уровней звуковой мощности LwA, а также
эквивалентных LwAэкв и максимальных LwAмакс корректированных
уровней звуковой мощности для источников непостоянного шума
должны
указываться
заводом-изготовителем
в
технической
документации. Допускается представлять шумовые характеристики в
виде октавных уровней звукового давления L или уровней звука на
рабочем месте LA (на фиксированном расстоянии) при одиночно
работающем оборудовании.
Рассмотрим методики расчета для трех схем (см. рис. 3)
а) При работе одного источника шума (рис. 3а) октавный
(эквивалентный) уровни звукового давления L, дБ или дБА, в
расчетных точках соразмерных помещений (с отношением
наибольшего
геометрического
размера
к
наименьшему не более
5) определяются по
ИШ
формулам, зависящим
rгр/2
rгр
2·rгр
от
величины
соотношения
граничного радиуса rгр
Зона прямого Зона прямого и Зона отраженного
(рис. 4.) и расстояния r
звука
отраженного звука звука
от
акустического
Рис.
4.
Расчетные
зоны для выбора формул для
центра
источника
определения уровней звукового давления в
шума до расчетной
расчетных точках
точки, м (если точное
положение акустического центра неизвестно, он принимается
совпадающим с геометрическим центром).
В помещении с одним источником шума rгр – это расстояние от
акустического центра источника, на котором плотность энергии
прямого звука равна плотности энергии отраженного звука.
Принято считать, что расчетные точки на расстоянии r < 0,5 rгр
находятся в зоне действия прямого звука (в ближней зоне), а
расчетные точки на расстоянии r > 2 rгр – в зоне действия отраженного
звука (в дальней зоне). В зоне 0,5 rгр ≤ r ≤ 2rгр (в средней зоне) следует
учитывать прямой и отраженный звуки.
Величина rгр определяется по формуле:
rгр  B /(4)
(44)
В частном случае для источника, расположенного на полу
помещения (Ω = 2 π), граничный радиус определяют по формуле
rгр  B /(8)  B / 25,12 (45)
где В − акустическая постоянная помещения, м2,
В = А/(1 – αср),
(46)
А − эквивалентная площадь звукопоглощения, на которой имеются
звукопоглотители, м2,
n
J
i 1
j1
A   iSi   A jn j ,
(47)
αi – коэффициент звукопоглощения i-й поверхности (табл. 10); Si –
площадь i-й поверхности, м2; Аj – эквивалентная площадь
звукопоглощения j-го штучного поглотителя, м2; J – количество типов
штучных поглотителей, шт.; nj – количество j-ых штучных
поглотителей, шт.; αcp – средний коэффициент звукопоглощения,
определяемый по формуле
ср  A / Sогр ,
(48)
Sогр – суммарная площадь ограждающих поверхностей помещения, м 2.
Таблица. 10. Коэффициенты звукопоглощения некоторых ограждений (f=1000 Гц)
[104 и др.]
Ограждение
Стена, оштукатуренная и окрашенная краской клеевой
То же, масляной
Стена, оштукатуренная известкой с металлической сеткой
То же, с деревянной обрешеткой
Деревянные плиты
Стена песочно-известковая
Обычная гипсовая штукатурка
Бетонная поверхность железненная
Стальные перфорированные листы с прослойкой из минеральной ваты
толщиной 25 мм
Шерстяной войлок толщиной 25 мм
Штукатурка акустическая толщиной 35 мм
αi
0,03
0,02
0,08
0,09
0,03
0,09
0,06
0,02
0,48
0,55
0,31
Октавные или эквивалентные уровни звукового давления L (дБ
или дБА) в расчетной точке, удаленной от источника шума на
расстояние r (рис. 4), определяются по формулам:
L=Lw+10·lg(Ф·χ / (Ω r2) ), r<0,5 rгр
(49)
L=Lw+10·lg{Ф·χ / (Ω r2) + 4 / (k·B)}, 0,5 rгр ≤ r ≤ 2 rгр
(50)
L=Lw+6 – 10·lg(k·B),
r > 2 rгр
(51)
где Lw – октавный (эквивалентный) уровень звуковой мощности (дБ
или дБА);
χ – коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля (величину χ
определяют по аппроксимирующей формуле
χ=1,0878 (r/lмакс)2 −4,2659·(r/lмакс) + 5,1828
или по табл. 11, когда расстояние r меньше удвоенного максимального
габарита источника, в других случаях (при r ≥ 2lмакс) χ =1);
Ф – фактор направленности источника шума (для источников с
равномерным излучением Ф = 1);
Ω – пространственный угол излучения источника, рад; принимается в
зависимости от расположения источника излучения: а) в пространство
(источник на колонне в помещении, на мачте, трубе) Ω = 4 π; б) в
полупространство (источник на полу, на земле, на стене) Ω = 2 π; в) в
1/4 пространства (источник в двухгранном углу, на полу близко от
одной стены) Ω = π;
k – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового
поля в помещении принимают по табл. 11 в зависимости от среднего
коэффициента звукопоглощения αср или по аппроксимирующей
формуле:
k =4,0965 αcp2 − 0,0546 αcp + 1,0249);
"Таблица 11. Коэффициенты для расчета уровня звукового давления по формулам
(49)…(51)
Коэффициент χ, учитывающий влияние ближнего поля звука
r/lмакс
0,6
0,8
1,0
1,2
1,5
2
χ
3
2,5
2
1,6
1,25
1
Коэффициент k, учитывающий нарушение диффузности звукового поля
αcp
0
0,1
0,2
0,4
0,5
0,6
k
1,0
1,11
1,25
1,6
2,0
2,5
В расчетных точках соразмерного помещения с несколькими
источниками шума (рис. 2, несколько источников, расчетные точки −
на условной ограждающей поверхности БЩУ) уровни звукового
давления L, дБ или дБА, следует определять по формуле:
n
 M 10 0,1L wi  

i i  4
L  10 lg  
10 0,1L wi 

2
 i 1

k  B i 1
  ri


(52)
где Lwi – октавный уровень звуковой мощности i-го источника, дБ или
дБА; χi, Фi, ri – то же, что и в формулах (49) и (51), но для i-го
источника; M – число источников шума, ближайших к расчетной точке
(находящихся на расстоянии ri ≤ 5 rмин, где rмин – расстояние от
расчетной точки до акустического центра ближайшего источника
шума); n – общее число источников шума в помещении; k и В – то же,
что и в формулах (44) и (50).
б) Для источника шума и расчетной точки, расположенных на
территории (рис. 3б), если расстояние между ними больше удвоенного
максимального размера источника шума (r ≥ 2lмакс) и между ними нет
препятствий, экранирующих шум или отражающих шум в
направлении расчетной точки, то уровни звукового давления L в
расчетных точках следует определять по следующим формулам.
При точечном источнике шума (отдельная установка на
территории, трансформатор и т.п.) – по формуле
L=Lw–20 lg r+10 lg Φ–10 lg Ω – βa·r/1000
(53)
При протяженном источнике ограниченного размера (стена
производственного здания, цепочка шахт вентиляционных систем на
крыше производственного здания, трансформаторная подстанция с
большим количеством открыто расположенных трансформаторов) – по
формуле:
L = Lw–15 lg r+10 lg Φ–10 lg Ω – βa·r/1000
(54)
где Lw, r, Ф, Ω – то же, что и в формулах (45) и (50); βа – затухание
звука в атмосфере, дБ/км, (для среднегеометрической частоты
октавной полосы 1000 Гц βа= 6 дБА/км [91]).
При расстоянии r ≤ 50 м затухание звука в атмосфере не
учитывают, βа= 0.
в) Октавные (эквивалентные) уровни звукового давления L, дБ, в
расчетных точках изолированного помещения, если источник шума
находится в соседнем помещении или на территории (рис. 3в), следует
определять по формуле
L=Lш –R+ 10·lg (Su / (Bu ·ku))
(55)
где Lш – октавный уровень звукового давления на расстоянии 2 м
снаружи от ограждения изолируемого помещения, дБ или дБА;
R – изоляция воздушного шума ограждающей конструкцией, через
которую проникает шум, дБ или дБА;
Sи – площадь ограждающей конструкции, через которую проникает
шум, м2;
ku – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового
поля в изолируемом помещении (принимается по таблице 12 в
зависимости от среднего коэффициента звукопоглощения αср);
Ви – акустическая постоянная изолируемого помещения (в данном
случае БЩУ), м2.
Величина уровня звукового давления Lш определяется по
формулам (49), (50), (51) или (52), если источники шума находятся в
смежном помещении, и – по формулам (53) или (54) при шуме,
проникающем в изолируемое помещение с территории.
Нормативные значения индексов изоляции воздушного шума (от
автотранспорта) внутренними ограждающими конструкциями Rw и
индексов приведенного уровня ударного шума Lnw, для жилых и
общественных зданий, а также для вспомогательных зданий
производственных предприятий приведены в таблицах [91].
Например, "стены и перегородки, отделяющие рабочие комнаты
от помещений общего пользования (вестибюли, холлы, буфеты) и от
помещений с источниками шума (машбюро, телетайпные и т.п.)"
должны и иметь индексы изоляции воздушного шума ограждающими
конструкциями не менее 48 дБА.
Для ограждающих конструкций, состоящих из нескольких частей
с различной звукоизоляцией (например, стены с окнами и дверными
проемами), R определяют по формуле:
n

Sui 
R  10 lg Su / 
0,1R i 
i 1 10


(56)
где Su i – площадь i-й части ограждающей конструкции, м2;
Ri – изоляция воздушного шума i-й частью, дБ.
Формулу (56) можно не применять, если ограждающая
конструкция состоит из двух частей с различной звукоизоляцией и R1
>> R2. При определенном соотношении площадей Su1 /Su2 допускается
вместо звукоизоляции ограждающей конструкции R при расчетах по
формуле (55) вводить звукоизоляцию слабой части составного
ограждения R2 и ее площадь Su2.
Расчет звукоизоляции ограждающих конструкций должен
проводиться на основании строительных правил СП 23-103.
В
табл.
12
приведены
характеристики
некоторых
звукоизолирующих материалов, которые достаточно широко
применяются.
Таблица 12 Средние звукоизолирующие способности ограждений R
Звукоизолирующий материал ограждений
Толщина, мм
Бетон и железобетон
Бетон и железобетон
Кирпичная кладка 1 кирпич
То же 1,5 кирпича
Гипсовые перегородки из двух плит
Гипсовые перегородки с воздушным промежутком между
ними 60 мм
Перегородка из железобетонных блоков
Бетон и железобетон
То же
Деревянная оштукатуренная стенка
Стекло
Стальной лист
Оконный проем (одинарный переплет с уплотняющими
прокладками притворов, толщина стекла δс = 4…5 мм)
Оконный проем (спаренный переплет с уплотняющими
прокладками притворов с толщинами стекла δс = 4…5 мм и
воздушного промежутка между стеклами δип=3…5 мм)
Оконный проем (двойной переплет с уплотняющими
прокладками притворов с толщинами стекла δс = 4…5 мм и
воздушного промежутка между стеклами δип = 20…25 мм)
R, дБА
50
100
250
380
80
80
44
47
43
49
44
49
9
0,7
2
40
4
0,7
42
25
33
32
28
25
23
25
44
Звукоизоляция сплошных ограждений зависит от массы 1 м 2
материала m, кг, или от плотности ρ и толщины конструкции δ, мм (m
=ρ δ/1000, где ρ − плотность материала, кг/ м3).
При ориентировочных расчетах уровень звукоизоляции
конструкций ограждений в дБА можно определять по формулам [27,
104]:
R=13,5·lg(m) − 13, (m < 200 кг);
R=23·lg(m) − 9,
(m > 200 кг);
Rст=26·lg(m1 + m2) + 8,5· (двойное ограждение из перегородок
массами m1 и m2 и воздушной прослойкой δ = 80…100 мм);
R=22·lg(m) −12 (бетон и кирпич);
R=9·lg(δ) + 22 (сталь толщиной 1…10 мм);
Rст=8,5·lg (δ) + 18 (стекло толщиной 2…10 мм);
R=12·lg(δ) ·+ 12 (органическое стекло толщиной 5…30 мм).
4.4.4. Расчет уровня звукового давления в помещении БЩУ с учетом
его звукоизоляции
Расчет выполним в следующей последовательности:
1) определим акустические постоянные помещения турбинного цеха
и БЩУ;
2) рассчитаем уровень звукового давления от всех турбин в
расчетной точке, расположенной на расстоянии 2 м от ограждения
БЩУ;
3) оценим уровень звукового давления на рабочих местах и
достаточность звукоизоляции помещения БЩУ.
1) Определим площадь ограждений турбинного цеха
Sтц= 2·(a·b+a·h+b·h)тц = 2·(80·30+80·8+30·8)=6560 м2.
Примем по табл. 10 коэффициент звукопоглощения α =0,02 и
найдем акустическую постоянную Bтц по формулам (46) и (47) при
условии постоянства коэффициента звукопоглощения ограждения и
при отсутствии штучных звукопоглотителей (n=0, J=0)
Bтц= α Sтц /(1 – α) = 0,02·6560/(1–0,02)=134 м2.
При расчете Sтц не был учтен проем между турбинным и
котельным цехом, что несколько увеличит расчетный уровень шума.
Обратим внимание что, допущения, которые приводят к увеличению
расчетного уровня шума (или других воздействий), вполне допустимы.
Они повлияют на выбор уровня (средств) защиты, который будет
принят с определенным запасом.
Выполним аналогичный расчет для помещения БЩУ с площадью
ограждений:
SБЩУ= 2·(25·14,3+25·3+14,3·3)=475 м2.
Согласно п. 9.24 и п. 9.26 [91] БЩУ следует отнести к
звукоизолирующим кабинам, которые применяют в промышленных
цехах и на территориях, где допустимые уровни превышены, для
защиты от шума рабочих и обслуживающего персонала. В
звукоизолирующих кабинах следует располагать пульты контроля и
управления технологическими процессами и оборудованием, рабочие
места мастеров и начальников цехов.
Внутренний объем кабины должен составлять не менее 15 м 3 на
одного человека. Высота кабины (внутри) − не менее 2,5 м. Кабина
должна
быть
оборудована
системой
вентиляции
или
кондиционирования воздуха с необходимыми глушителями шума.
Внутренние поверхности кабины должны быть на 50 - 70 %
облицованы звукопоглощающими материалами.
Двери кабины должны иметь уплотняющие прокладки в притворе
и запорные устройства, обеспечивающие обжатие прокладок. В
кабинах 1-го и 2-го классов должны быть двойные двери с тамбуром.
Примем, что 50 % ограждений облицованы изнутри стальными
перфорированными листами с прослойкой из минеральной ваты
толщиной 25 мм с коэффициентом звукопоглощения α2=0,48 (см. табл.
10). Для остальных поверхностей примем α1=0,02.
Определим по формуле (47) эквивалентную площадь
звукопоглощения (без учета звукопоглотителей)
2
A    iSi =475·(0,02·0,5+0,48·0,5)= 118,75 м2,
i 1
среднее значение коэффициента звукопоглощения по (48)
 ср  A / Sогр = 118,75/475 = 0,25 и
акустическую постоянную помещения БЩУ по (46)
BБЩУ = А/(1 – αср)= 118,75 /(1–0,25)=158,3 м2
2) Для определения M в формуле (52) найдем по схеме цеха
(рис. 2) расстояние от расчетной точки до ближайшего источника
шума rмин =5 м. Поскольку уровни звуковой мощности заданы на
поверхностях, удаленных на 1 м от корпусов турбин, примем, что
акустические центры расположены на этих поверхностях по осям
турбин. Расчетные расстояния r при этом уменьшатся, а уровень шума
в расчетной точке увеличится.
Тогда число источников шума, ближайших к расчетной точке (r i ≤
5 5) равно M =7 (турбины с номерами c 1,2,…,7, удаленные от БЩУ не
далее 25 м, см. табл. 13).
Обозначим выражения, находящиеся под знаком сумм в формуле
(52) Lбi и Lдi и вычислим их для первой (i=1) турбины
Lб1 
10 0,1L w1 11
  r12
Lд1  10
0,1 L w1

10 0,1781,25 1
2  3,14 12 2
 87214 ,
 100,178 =63,1·106,
где χ1=1,25 при r/lmax =12/8=1,5 (см. табл. 11); Ф=1 (принято при
отсутствии данных о факторе направленности источника шума); Ω = 2
π; Lw1=78 дБА.
Результаты расчета для 11 турбин запишем в табл. 13.
Рассчитаем уровень звукового давления в расчетной точке,
расположенной на расстоянии 2 м от ограждения БЩУ по
преобразованной формуле (52) с учетом табл. 13
n 11 
 M 7
4
Lш  10 lg   Lбi 
 Lдi  =

k

B
i

1
тц
тц
i
1


=10·lg(1741761+4·289·106/(1,016·134)=70,1 дБА,
где kтц =1,016 определено интерполяцией данных табл. 11 при α=0,02
k тц =1+(0,2 – 0)·(0,02–0)/(1,25–1)=1,016.
Таблица. 13. Значения членов полиномов по формуле (52)
i
r
Lwi
ri/lmax
χi
Lбi, ri<5·rmin=25
Lдi·10-6
1
12
78
1,5
1,25
87214,34
63,1
2
8
78
1
2
313971,6
63,1
3
5
78
0,625
3
1205651
63,1
4
8
73
1
2
99286,54
19,95
5
12
73
1,5
1,25
27579,59
19,95
6
17
70
2,125
1
5509,885
10
7
25
70
3,125
1
2547,771
10
8
33
70
4,125
1
10
9
42
70
5,25
1
10
10
51
70
6,375
1
10
11
59
70
7,375
1
10
Σ
1741761
289
3) Примем, что звук в помещение БЩУ приникает через три стены
площадью Su =hБЩУ·(aБЩУ+2bБЩУ)=3·(25+2·14,3)=161 м2. Тогда при
допустимом уровне звука L=60 дБА необходимый уровень
звукоизоляции по преобразованной формуле (55) при kБЩУ = 1,33
составит
Rн =Lш–L + 10·lg (Su / (BБЩУ ·kБЩУ)) =
=70,1–60+10· lg (161 / (158,3 ·1,33)) = 8,93 дБА.
где kБЩУ = 1,33 определено квадратичной интерполяцией табл. 11.
Итак, для снижения уровня шума с 70,1 до нормативного 60 дБА
уровень звукоизоляции должен составлять 8,93 дБА. Его может
обеспечить конструкция из любых материалов, приведенных в табл.
12.
Примем конструкцию ограждения из следующих элементов:
• железобетонные стены толщиной 100 мм, Su1=144 м2, R1=47
дБА;
• оконные проемы (одинарный переплет с уплотняющими
прокладками притворов, толщина стекла δс = 4…5 мм), Su2=15 м2,
R2=23 дБА;
• дверь из стального листа δ = 0,7 мм, Su3=2 м2, R3=25 дБА.
Рассчитаем уровень звукоизоляции ограждения по формуле (56)
n

Sui 
R  10 lg Su / 

0,1R i 
i 1 10



 144
15
2 
 10 lg 161 /  0,147  0,123  0,125    32 ,8 дБА.
10
10
 10


При такой звукоизоляции уровень звукового давления в
помещении БЩУ будет ниже нормативного на 32,8−8,9=24 дБА.
4.5. Проектирование защиты от тепловых воздействий
Тепловое оборудование с повышенными температурами
поверхностей, должны иметь тепловую изоляцию. Теплоизоляция
необходима для обеспечения:
• нормативного уровня потерь теплоты оборудованием и
трубопроводами,
• безопасной для человека температуры их наружных
поверхностей (в зонах обслуживания),
• требуемых параметров тепло,- или холодоносителя при
эксплуатации (подробнее см. [76]).
Нормы и правила проектирования тепловой изоляции наружных
поверхностей
оборудования,
трубопроводов,
газоходов
и
воздуховодов, расположенных в зданиях, сооружениях и на открытом
воздухе с температурой содержащихся в них веществ от минус 180 до
600 °С описаны в СНиП 41-03-2003 "Тепловая изоляция оборудования
и трубопроводов" [76].
Рекомендации по конструированию и сооружению ограждений
высокотемпературных установок приведены [74, 52 и др.]. В [52]
описана программа для расчета многослойных теплоизолирующих
ограждений с использованием автоматизированной базы данных по
теплофизическим характеристикам материалов.
В данном подразделе рассмотрены примеры расчета и оценки
безопасности трех видов ограждений:
• тепловой изоляции трубопровода,
• двухслойной стенки высокотемпературной установки (печи) и
• четырехслойной стенки печи с воздушной прослойкой,
созданной экраном.
4.5.1. Тепловая изоляция трубопровода
Основные правила и некоторые особенности проектирования
тепловой изоляции оборудования с температурами до 600 0С
рассмотрим на примере трубопровода для подачи воды с температурой
t=115 0С. Трубопровод находится в зоне обслуживания оборудования,
расположенного в помещении, поэтому толщина тепловой изоляции
должна рассчитываться по предельной температуре наружной
поверхности изоляции, которая в данном случае, согласно п. 6.7.1 [76],
не должна превышать tп,пд =45 0С.
Наружный диаметр стального трубопровода dн,тр =219 мм,
толщина стенок δст,тр = 6 мм, диаметр условного прохода dу =200 мм
(Рис. 5).
Отметим основные правила проектирования тепловой изоляции
[76] данного трубопровода.
В состав конструкции тепловой
изоляции для поверхностей с
положительной температурой в
1
2 3
качестве обязательных элементов
5
должны
входить:
теплоизоляционный
слой;
0
9
покровный слой и элементы
крепления. В зависимости от
применяемых
конструктивных
решений в состав конструкции
дополнительно
могут
входить
выравнивающий
и
предохранительный
слои.
Предохранительный слой следует
219х6
предусматривать при применении
309
металлического покровного слоя
для предотвращения повреждения
Рис.
5.
Тепловая
изоляция
трубопровода: 1 − стальная туба; 2
− минераловатные маты; 3 − ткань
из стекловолокна
пароизоляционных материалов (п. 4.4 и 4.6 [76]).
В конструкциях теплоизоляции оборудования и трубопроводов с
температурой содержащихся в них веществ в диапазоне от 20 °С до
300 °С для всех способов прокладки, кроме бесканальной, следует
применять теплоизоляционные материалы и изделия с плотностью не
более 200 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности в сухом
состоянии не более 0,06 Вт/(м·К) при средней температуре 25 °С.
В конструкциях тепловой изоляции, предназначенных для
обеспечения заданной температуры на поверхности изоляции, в
качестве покровного слоя рекомендуется применять материалы со
степенью черноты не ниже 0,9 (с коэффициентом излучения не ниже
5,0 Вт/(м2·К4) (п. 5.1 и 5.13 [76]).
Для обеспечения безопасности и защиты окружающей среды
теплоизоляционные конструкции на расстоянии менее 5 м от
технологических установок, содержащих горючие газы и жидкости,
должны изготовляться из негорючих материалов (п. 5.19 [76]).
Кроме того, следует учитывать предельные значения потоков
теплоты, толщин изоляции, возможность ее уплотнения и другие
ограничения [76].
Для тепловой изоляции трубопровода применим минераловатные
маты на синтетической основе плотностью 200 кг/м3 (первый слой) и
покрытие из полос стекловолокна (второй слой). Материалы
применимы в данных условиях, так как предельно допустимые
температуры применения материалов выше температуры
трубопровода.
Коэффициенты теплопроводности материалов первого и второго
слоев зависят от их средних температур и могут определяться по
формулам:
λ1=0,047+1,67·10-4·tср,1
(57)
λ2=0,055+1,79·10-4·tср,2
(58)
Определение толщины теплоизоляционного слоя может
выполняться по нормированной плотности теплового потока, по
заданной температуре на поверхности изоляции, по заданному
снижению температуры вещества, транспортируемого трубопроводами
(паропроводами) и другим условиям [76].
Выполненный нами анализ значений нормированных плотностей
потоков теплоты, приведенных в табл. [76], показывает, что для
большинства вариантов конструкции изоляции при нормированных
плотностях потоков теплоты будут обеспечены безопасные значения
температур
наружных
поверхностей
тепловой
изоляции.
Следовательно, толщины слоев тепловой изоляции надо рассчитывать
по нормированной плотности потока теплоты и только, если
температура наружной поверхности окажется выше безопасного
значения, то следует выполнить расчет по заданной безопасной для
персонала температуре на поверхности изоляции.
Нормированную плотность потока теплоты qн определим по [76]
(табл. 4 для оборудования и трубопроводов с положительными
температурами при расположении в помещении и числе часов работы
более 5000).
Значение qн для dу =200 мм и температуры теплоносителя t=115 0С
определим интерполяцией по величинам qн = 40 и qн = 76 для t=100 и
t=150 0С (табл. 4 [76])
qн =46-(70-40)·(115-100)/(150-100)=55 Вт/м.
Для объектов, расположенных вне Европейского региона России,
нормы плотности теплового потока через изолированную поверхность
следует применять с учетом коэффициента, учитывающего изменение
стоимости теплоты в зависимости от района строительства и способа
прокладки трубопровода (п. 6.1.2, табл. 13 [76]).
Толщину тепловой изоляции можно определить по выражению
потока теплоты для двухслойной цилиндрической стенки [98]
q
  ( t  t oc )
,
d
d
1
1
1
ln 2 
ln 3 
21 d1 2 2 d 2  2 d 3
(60)
где toc– температура окружающей среды (согласно п. 6.1.5-б [76] для
изолируемых поверхностей, расположенных в помещении, toc = 20 °С);
d1, d2, d3 – внутренний, междуслоевой, внешний (наружный) диаметры
двухслойной изоляции, м; α2 – коэффициент теплоотдачи с наружной
поверхности, Вт/(м2 К).
В данном случае формула записана без учета термических
сопротивлений от теплоносителя к трубе и стальной стенки трубы,
которые сравнительно малы.
Толщина покровного слоя δ2 =(d3 – d2)/2, обычно задается (см. п.
6.18 –6.22 [76]), диаметр d1 задан d1 = dн,тр =219 мм, поэтому из
выражения (60) следует найти диаметр d2. Выразить в явном виде
невозможно,
поэтому
рассмотрим
решение
(60)
методом
последовательных приближений (итераций). Преобразуем (60) к виду
  (t  t oc )
d
d
1
1
1
ln 2 

ln 3 
21 d1
q
2 2 d 2  2d 3
и получим итерационную формулу типа d2n+1=f (d2n)
d
( n 1)
2
 1   ( t  t oc )
1
d
1 
 d1  exp 
(

ln 3 
)
q
2 2 d 2  2d 3 
 21
(n )
,
(61)
Заметим, что от d2 будут зависеть d3 = d2+2·δ2, λ1 и λ2. Причем для
расчета λ1 и λ2 (57), (58) по необходимо знание температур слоев,
которыми необходимо предварительно задаться.
Примем толщину покровного слоя δ2 =0,005 м и решим уравнение
(61) с учетом (57), (58).
1. Примем в первом приближении t3=tн=30 , t2=35 , d2=0,30 м,
d3 = d2+2·δ2=0,30+2·0,005=0,31 м.
2. Рассчитаем величины λ1, λ2.и α2
λ1=0,047+1,67·10-4·tср,1 =0,047+1,67·10-4·(115+35)/2=0,0595 Вт/(м К),
λ2=0,055+1,79·10-4·tср,2 =0,055+1,79·10-4·(35+30)/2=0,0608 Вт/(м К),
α2= αн=5,73+0121· tн = 5,73+0121·30 =9,36 Вт/(м2 К).
(62)
Формула (62) получена аппроксимацией известной зависимости
потока теплоты от вертикальной стенки воздуху в диапазоне 25<tн<65
0
C с погрешностью 1,2 %.
3. Определим во втором приближении d2 по (61)
1
3,14(115  20)
1
0,31
1


d 2  0,219  exp
(

ln

) =0,389
55
2  0,0608 0,30 9,36  0,31 
 2  0,0595
и другие параметры
d3 = d2+2·δ2=0,389+2·0,005=0,399 м,
t2  t 
d
q
55 
0.389
=37,9 °С,
ln 2  115 
ln
21 d1
2  3,14  0.0595 0,219
t 3  t н  t ос 
4.
q
55 
=30,05 °С.
 20 
   2  d3
3,14  9,36  0,399
Проверим совпадение параметров n+1 и n приближений
Δd2=|d2n+1– d2n|/ d2n =|0,389–0,30|/ 0,30=0,29 (29 %);
Δt2=|t2n+1– t2n|/ t2n =|37,9–35|/ 35=0,083 (8,3 %);
Δt3=|t3n+1– t3n|/ t3n =|30,05–30|/ 30=0,0017 (0,17 %).
Расхождения превышают 0,03 (3 %), поэтому повторим расчет с
новыми значениями d2, d3, t2, t3, начиная с п. 2.
Результаты расчета в следующих (n=2, 3, 4) приближениях
приведены в табл. 14.
Из табл. 14 следует, что параметры 3-й и 4-й итераций
практически совпадают, диаметр d2=0,393 м, температура наружной
поверхности t3=tн =24,9 °С. Параметры 1-й и 4-й итераций
существенно различаются, что подтверждает необходимость учет
зависимости теплопроводности материалов от температуры.
Таблица 14. Результаты расчета параметров тепловой изоляции, которые
уточнялись в процессе итераций (в скобках приведены относительные отклонения
от предыдущих значенияй)
Параметр
Величина
n=1
n=2
n=3
n=4
t
115
115
115
115
t2
35
37,9 (8,3 %)
28,6 (24,6 %)
t3=tн
30
30,05 (0,17 %)
24,86 (17,3 %)
28,5 (0,41 %)
24,9 (0,14 %)
d2
0,3
0,388 (29 %)
0,396 (1,9 %)
0,393 (0,94 %)
d3
0,31
0,3981
0,406
0,403
λ1
0,0595
0,0598
0,0590
0,0590
λ2
0,0608
0,0611
0,0598
0,0598
α2
9,36
9,37
8,74
8,74
Толщина первого слоя изоляции, при которой плотность потока
теплоты равна нормативному значению 55 Вт/м, должна составить
δ1 = (d2 – d)/2 = (0,393–0,219)/2=0,087 м =87 мм.
Расчетную толщину теплоизоляционного слоя в конструкциях
тепловой изоляции на основе волокнистых материалов и изделий
(матов, плит, холстов) следует округлять до значений, кратных 10 мм.
В конструкциях на основе минераловатных цилиндров, жестких
ячеистых материалов, материалов из вспененного синтетического
каучука, пенополиэтилена и пенопластов следует принимать
ближайшую к расчетной толщину изделий по нормативным
документам на соответствующие материалы (п. 6.12 [76]).
Округлим δ1, приняв δ1 =90 мм.
Толщина теплоизоляционного слоя в конструкциях тепловой
изоляции оборудования и трубопроводов не должна превышать
предельных значений, которые приведены в приложении Б [76]. Если
расчетная толщина больше предельной, следует применять
теплоизоляционный
материал
с
меньшим
коэффициентом
теплопроводности (п. 6.14 [76]).
Предельная толщина теплоизоляционного слоя для диаметра
d=219 мм равна 230 мм. Следовательно, суммарная толщина принятой
теплоизоляции δиз =90 + 5= 95 мм соответствует п. 6.14 [76].
Согласно приложению В [76], толщину теплоизоляционного
изделия из уплотняющихся материалов до установки на изолируемую
поверхность следует определять с учетом коэффициента уплотнения
Kc по формулам:
для цилиндрической поверхности
 у  K c, ц ,
K c, ц  K c
d
;
d  2
(63)
для плоской поверхности
δу = δ Kc,
(64)
где δу – толщина теплоизоляционного изделия до установки на
изолируемую поверхность (без уплотнения), м; δ – расчетная толщина
теплоизоляционного слоя с уплотнением в конструкции, м; d –
наружный диаметр изолируемого оборудования, трубопровода, м; Kc –
коэффициент уплотнения теплоизоляционных изделий [76].
Причем, если в формуле (63) произведение Кс,ц меньше единицы,
то оно должно приниматься равным единице.
По таблице В.1 приложения В [76] примем коэффициент
уплотнения минераловатных матов Kc =1,2, как для матов
минераловатных прошивных. Определим расчетную толщину
теплоизоляционного слоя с учетом уплотнения по (63)
Кс,ц =·1,2 (0,219+0,90)/ (0,219+2·0,90)=0,93 мм.
Величина Кс,ц меньше единицы, поэтому величина δ1 не
уточняется δу=δ1=90 мм.
Материал покровного слоя (полосы стекловолокна) не
уплотняется, кроме того он сравнительно тонкий, поэтому его
толщину можно не уточнять.
Таким образом, тепловая изоляция трубопровода dу =200,
dн,тр=219 мм с температурой теплоносителя (воды) t=115 0С
минераловатными матами на синтетической основе δ1=90 мм и
покровным слоем из полос стекловолокна δ2 =0,005 м обеспечит
нормативную плотность потока теплоты 55 Вт/м и безопасную
температуру наружной поверхности t3=tн =24,9 °С, которая меньше
предельно допустимой 45 °С.
4.5.2. Тепловая изоляция высокотемпературных установок
Ограждения (кладка, футеровка) высокотемпературных установок
состоят из огнеупорного, теплоизоляционного и уплотняющего
(герметизирующего) слоев.
Огнеупорные слои обеспечивают прочность (устойчивость)
конструкции и защиту последующих слоев от действия высоких
температур. Тепловая изоляция обеспечивает защиту людей от
термических воздействий и энергосбережение. Уплотняющий слой,
обычно – обшивка из стального листа, препятствует газообмену
рабочего пространства с окружающей средой.
Огнеупорные слои изготовляют из блоков или кирпичей
размерами 230 х 113 х 65, 230 х 113 х 75, 230 х 113 х 100, 250 х 123 х
65 и др. Толщина швов должна составлять 1,5; 2; 3 мм. Причем, чем
напряженнее условия работы ограждения (температуры, механические
нагрузки), тем тоньше должен быть шов.
Теплоизоляционные слои выполняют из кирпичей, плит, матов,
засыпки дисперсных материалов.
При сооружении вертикальных стен установок кирпичи
укладывают на плашку (на самую большую грань, например 230 х 113
мм). Для выстилки подов и при сооружении сводов кирпичи часто
кладут на ребро (230 х 65 мм) или на торец (113 х 65).
Толщины слоев можно принимать в следующих пределах [94, 52]:
• для бетона и кирпича кратными
0,116 м (113 и 3 мм шов);
• для плит –
0,06…0,1 м с шагом 0,01 м;
• для матов –
0,04…0,12 м с шагом 0,01 м;
• для шнуров, войлока, картона
0,05…0,02 м с шагом 0,005 м.
При высоте стен более одного метра или при Т ≥ 1500 К толщина
первого огнеупорного слоя должна быть не менее 0,232 м.
Температуры материалов слоев не должны превышать предельных
температур их применения. Другие правила проектирования
ограждений описаны в [94, 52].
Конструкции ограждений тепловых установок не попадают под
классические определения одномерных тел простой формы: плоская,
цилиндрическая или шаровая стенка, поэтому для их расчета
применяют приближенные формулы.
Расчет q выполняется по известным методам [98, 96].
Запишем известное выражение для определения потерь теплоты,
Вт/(К м2внутренней поверхности), через ограждение в виде [96, 52]:
q=
T  Tос
=
 ri + rн
i 1, 2,3,...
T  Tос
,
i  i н
+

αн
i 1, 2,3,... λ i
(65)
где T, Toc – температуры внутренней поверхности ограждения и
окружающей среды, K; ri , rн – термические сопротивления i-го слоя
ограждения и теплоотдаче с внешней его поверхности
 

ri = i i , rн = н ,
λi
αн
(66)
δi, i, – толщина, м, коэффициент теплопроводности материала i-го
слоя, Вт/(мК), ωi, ωн – отношения площади внутренней поверхности
ограждения F к средним (на глубине δi/2) площади поверхности i-го
слоя ограждения и к площади наружной поверхности Fн
1  R вн / R вн  1 / 2 ,
3  R вн / R вн  1   2  3 / 2 ,….,
ω н = F / Fн ;
(67)
F, Fн – площади внутренней и наружной поверхностей ограждения, м2;
Rвн – внутренний радиус условного ограждения в форме цилиндра, у
которого отношение F / Fн такое же, как у реального ограждения с
Fн > F рассчитывается по формуле:
R вн   н 1  н  ,
(68)
F Fн  н  R вн R вн    ,
(69)
полученной в [97] из условия
 
 i ,
i 1,2,3,...
(70)
н – приведенный коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности
ограждения, Вт/(м2К), рассчитываются по одной из формул [97] в
зависимости от расположения ограждения:
н = –9,81+0,0652· Тн (вертикальная стена);
н = –10,22+0,0672 Тн (свод);
н = – 9,69+0,0640 Тн (под).
(71)
Коэффициенты формул (71) определены в работе [97] путем
аппроксимации табличной зависимости qн(Тн), приведенной в работе
[96] для поверхностей с температурой Т н, охлаждаемых излучением и
естественной конвекцией воздуха.
Уравнение (65) для определения потока теплоты – нелинейно,
поскольку
коэффициенты
теплопроводности
материалов
и
теплообмена зависят от температур слоев, которые в начале расчета
неизвестны.
Для решения уравнения (65) при известной температуре внутренней
поверхности T = T1 следует:
1) принять материалы слоев и структуру ограждения;
2) определить отношения ωi, ωн;
3) задаться температурами T2, T3, T4,…, Tн, определить средние
температуры слоев, i, н и q;
4) вычислить уточненные температуры T 2, T3, T4,…, Tн, по
формулам:
Tj  T  q 
i  i
или Tj  T  q 
 ri , j=2, 3,…,
i 1, 2,3,.., j1. λ i
i 1, 2,3,.., j1.


Tн  Tос  q  н ;
н
(72)
например,
T2  T  q 
     
1  1
; T3  T  q   1 1  2 2  или T3  T  q  r1  r2 ,
λ1
λ2 
 λ1
сравнить их с заданными и, если они различаются более чем на 2 %, то
следует повторить расчет с уточненными температурами T 2, T3, T4,…,
Tн, начиная с п. 3.
При изменении толщин, материалов или количества слоев расчет
следует повторять с п. 1.
Толщину, например четвертого слоя тепловой изоляции, в первом
приближении можно определить, задавшись значениями параметров в
ее правой части, по формуле:
 (T  Tос )
   
 4 = 
  i i  н λ 4 / 4 , (73)
q
αн 
i 1,2,3 λ i

В качестве примера определим структуру и параметры
вертикальной боковой стенки печи (рис. 6), работающей в
стационарном режиме, и оценим безопасность температуры ее
наружной поверхности при следующих исходных данных:
• высота и длина рабочего пространства Нвн=1 , Ввн=2 м,
• толщина свода (полтора кирпича) δΣ,c = 0,232+0,116=0,348 м,
• толщина пода (верхний ряд на ребро, нижние семь рядов на
плашку) δΣ,п =0,116+7·0,068=0,592 м,
• температура внутренней поверхности Т= Т 1 =1553 К (1280 0С)
• температура окружающей среды Т ос=293 К (20 0С).
1. Примем, что стенка состоит из двух слоев: шамота легковеса и
шамота ультралегковеса с коэффициентами теплопроводности,
Вт/(мК), и предельно допустимыми температурами применения
материалов Тпд [97, 87]:
λшл=λ1=0,4242+0,163*10-3 · Tср,1,
348
λшул=λ2=0,0105+0,1746*10-3 · Tср,2,
232
464
1
1553
2
1000
1335
Т=318 К
293 К
Тпд,шл=1573 К,
Тпд,шул=1373 К.
(74)
В общем случае при
выборе материалов в
первую очередь следует
учитывать Тпд, затем
теплопроводность,
прочность, срок службы,
стоимость
и
другие
характеристики.
2. Зададимся толщиной
стенки δΣ =0,696 м
(три
кирпича,
δ1
=0,232,
δ2 =2·0,232=0,464 м)
и определим высоту
Нн и длину Вн ее
наружной
поверхности
592
Нн= Нвн + δΣ,c+ δΣ,п = 1 +
+0,348 + 0,592 = 1,94 м,
Рис. 6. Вертикальная боковая стенка
печи: 1 − шамот легковес; 2 −
ультралегковес
Вн= Ввн+ 2·δΣ = 2+2·
0,696= =3,392 м,
площади внутренней и наружной поверхностей
F= Нвн·Ввн= 1·2= 2 м2, Fн = =Нн · Вн= 1,94·3,392= =6,58 м2.
Вычислим отношение ωн= F /Fн=2/6,58=0,304, внутренний радиус
условного цилиндра по формуле (68)
Rвн = 0,696·0,304/(1–0,304) =0,304 м
и отношения площадей для первого и второго слоев ограждения по
формуле (67):
ω1=0,304 / (0,304+0,232/2) = =0,724,
ω2=0,304 / (0,304+ 0,232+0,464/2) = 0,396.
(Численное равенство ωн= Rвн – случайно!)
3. Примем температуры внутренней поверхности второго слоя Т 2 и
наружной поверхности Тн
Т2=1332 К, Тн =318 К.
Рассчитаем средние температуры слоев и средние коэффициенты
теплопроводности материалов:
Tср,1=(Т+ T2)/2=(1553+1332)/2= 1442 К,
Tср,2=( T2 + Тн)/2=(1332+318)/2=825 К,
λ1=0,4242+0,163*10-3 1442=0,659,
λ2=0,0105+0,1746*10-3825=0,154,
Определим приведенный коэффициент теплоотдачи с наружной
поверхности вертикальной стенки по (71):
н = –9,81+0,0652· 318 =10,9 Вт/(м2К).
Вычислим плотность потока теплоты по формуле (65)
T  Tос
1553  293
q=
=

i  i н
0,232  0,724 0,464  0,396 0,304
+
+
+

0,659
0,154
10,9
αн
i 1, 2,3,... λ i
1260
1260

 854 Вт/м 2 .
0,255 + 1,193 + 0,279 1,476
4. Вычислим уточненные температуры T 2, T3= Tн, по формулам:
=
T2  1553  854 
0,232  0,724
=1335,
0,659
Tн  T3  293  854 
0,304
 317 К (44 0С).
10 ,9
Расхождения между принятыми (Т 2=1332 К, Тн =318 К) и
рассчитанными значениями температур (Т 2=1335 К, Тн =317 К)
незначительны, поэтому следующую итерацию можно не выполнять (в
данном случае приведены результаты только последней итерации).
Ограждение из шамота легковеса (δ1 =0,232 м) и шамота
ультралегковеса (δ2 =0,464 м) – надежно (температуры слоев не
превышают предельных, 1553<1573, 1335<1373 К) и безопасно
(температура наружной поверхности не превышает 45 0С).
Отметим, что, если данное ограждение считать как
неограниченную стенку с F= Fн =2 м2 величина q составила бы q =384
Вт/м2, то есть была бы занижена в 854/384=2,2 раза.
4.5.3. Тепловая изоляция высокотемпературных установок с
использованием экранов
Экранирование широко используется для защиты от теплового
излучения теплотехнических установок. В качестве экранов
применяются: альфоль (алюминиевая фольга), алюминий листовой
полированный, белая жесть, стальной лист и другие материалы с
низкой степенью черноты (с высокой отражательной способностью).
Для расчета плотности потока теплоты q при наличии экранов
можно применять формулу (65), если использовать эквивалентный
коэффициент теплопроводности воздушного зазора λэ, Вт/(мК), а при
определении приведенного коэффициента теплоотдачи с наружной
поверхности ограждения н, учитывать низкую степень черноты
экрана. Алгоритм решения задачи описан в п. 4.5.2.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушного
зазора λэ, учитывающий конвективный, радиационный теплообмен и
теплопроводность воздуха, можно рассчитать по формуле:
λэ=εк·λв+αл·δ,
(75)
где εк·– коэффициент, учитывающий теплообмен конвекцией в
ограниченном замкнутом пространстве, λв – коэффициент
теплопроводности воздуха, Вт/(мК), при температуре воздуха в зазоре
Тв
λв =0,001·(4,89 + 0,0723· Тв),
273 ≤ Тв ≤ 673 К,
(76)
αл·– приведенный коэффициент теплоотдачи излучением в воздушном
зазоре шириной δ.
Коэффициенты εк, αл· рассчитываются по следующим
формулам:
εк,= А· δ·[ (Тг–Тх) / δ ]0,25,
αл·= 5,67·10-8· εпр ( Т4г–Т4х ) / ( Тг–Тх ),
(77)
(78)
где А – коэффициент, зависящий от средней температуры
Тв =(Тг–Тх) / 2
"горячей" Тг и "холодной" Тх поверхностей в зазоре,
А=28,56 – 0,0355· Тв, 273 ≤ Тв ≤ 673 К,
εпр= 1 / (1/ εг + 1/ εх – 1),
(79)
(80)
εг, εх – степени черноты "горячей" Тг и "холодной" Тх поверхностей.
Причем, если в формуле (75) величина εк меньше единицы, то
принимается εк =1.
Приведенный коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности
ограждения н в формуле (65) учитывает суммарную теплоотдачу
конвекцией к и излучением л,ос
н =к + л,ос ,
(81)
где к – коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией в
неограниченном объеме
к = Nu· λв / h ,
(82)
h = Нн – высота наружной поверхности ограждения, м, Nu·– число
Нуссельта, которое для воздуха рассчитывается по формулам [99]:
Nu·=0,695·Gr0,25 ,
Nu·=0,133·Gr0,33 ,
Gr < 0,7·109,
Gr ≥ 0,7·109,
(83)
Gr – число Грассгофа
Gr = ( 9,81·β Н3н ( Тн–Тос ) ) / ν2,
(84)
β, ν – коэффициенты объемного расширения β=1/273 и
кинематической вязкости ν (при Тос =293 К ν =15,24·10-6 м2/с [93]).
Приведенный коэффициент теплоотдачи излучением л,ос
можно рассчитать по формулам (78), (80), учитывая, что излучение
совершается с наружной поверхности (экрана) в окружающую среду.
592
1000
348
Оценим безопасность температуры наружной поверхности
вертикальной боковой стенки печи (рис. 7), работающей в
стационарном режиме, которая оборудована экраном, при следующих
исходных данных :
• высота и длина рабочего пространства Нвн=1 , Ввн=2 м,
• толщина свода δΣ,c =0,348 м (пояснения см. в предыдущем
примере),
• толщина пода
δΣ,п =0,116+7·0,068=
0,592 м,
• температура
внутренней
1
поверхности Т= Т1
2
=1603 К (1330 0С)
464
232
116
• температура
3
1603
окружающей среды
1552
4
Тос=293 К (20 0С).
1)
Температура
1356
внутри
печи
довольно высокая,
поэтому
примем,
что стенка состоит
из четырех слоев
слоев: динаса, δ1
Т=317 К
=0,116,
шамота
293 К
легковеса, δ2 =0,232,
шамота
ультралегковеса, δ3
=0,464,
и
воздушного зазора,
δ4
=0,02
м,
созданного экраном
из
алюминия
Рис. 7. Схема боковой стенки печи с экраном:
δэ =0,5 мм.
1 − динас; 2 − шамот легковес; 3 − шамот
Коэффициенты
ультралегковес; 4 − экран из алюминиевого
теплопроводности
и
листа
предельно допустимые температуры применения шамота легковеса и
шамота ультралегковеса даны в выражениях (74), а для динаса
приведены ниже:
λдн=λ1=0,7416+0,69·10-3 ·Tср,1, Вт/(мК), Тпд,дн=1973 К.
(85)
Примем степени черноты шамота и алюминия εш=0,8 и εа=0,2 [93].
2) Определим суммарную толщину стенки, высоту и длину ее
наружной поверхности
δΣ = δ1 + δ2 + δ3 + δ4 =0,116+0,232+0,464+0,02=0,832 м,
Нн= Нвн + δΣ,c+ δΣ,п = 1 + 0,348 + 0,592 = 1,94 м,
Вн= Ввн+ 2·δΣ = 2+2 0,832 =3,664 м,
площади внутренней и наружной поверхностей
F= Нвн · Ввн= 1·2= 2 м2;
Fн = Нн · Вн= 1,94·3,664= 7,108 м2.
Вычислим отношение ωн= F / Fн=2 / 7,108 = =0,281,
внутренний радиус условного цилиндра по формуле (68)
Rвн = 0,832·0,281 / (1–0,281) =0,326 м,
и отношения площадей для четырех слоев ограждения по (67):
ω1=0,326 / (0,326+0,116/2)=0,849;
ω2=0,326 / (0,326+0,116+0,232/2)=0,584;
ω3=0,326 / (0,326+0,116+0,232+0,464/2) = 0,360;
ω4=0,326 / (0,326+0,116+0,232+0,464+0,02 /2)=0,283.
3) Примем температуры внутренней поверхности слоев i= 2, 3, 4 и
наружной поверхности Тн:
Т2=1550 К; Т3=1360 К; Т4=370 К; Т5=Тн =318 К.
Рассчитаем средние температуры слоев и средние коэффициенты
теплопроводности материалов трех первых слоев:
Tср,1 = (Т+ T2)/2=(1603+1550)/2= 1576,5 К;
Tср,2 =( T2 + Т3)/2=(1550+1360)/2=1455 К;
Tср,3 = (1360+370)/2=865 К;
Tср,4= (370+318)/2=344 К;
λдн = λ1 = 0,7416+0,69*10-3 ·1576,5=1,829;
λшл = λ2= 0,4242+0,163*10-3 1455=661;
λшул = λ3 = 0,0105+0,1746*10-3 ·865=0,1615,
Вычислим
величины,
необходимые
для
определения
эквивалентного коэффициента теплопроводности воздушного зазора λэ
(четвертого слоя) и его значение по (75)…(80):
А=28,56 – 0,0355· 344=16,35;
λв =0,001·(4,89 + 0,0723· 344)=0,0298 Вт/(мК);
εк= А· δ·[ (Тг–Тх) / δ ]0,25=16,35·0,02·((370–318)/0,02) 0,25=2,335;
εпр= 1 / (1/ εш + 1/ εа – 1)= 1 / (1/ 0,8 + 1/ 0,2 – 1)=0,1905;
αл·= 5,67·10-8· εпр ( Т4г–Т4х ) / ( Тг–Тх ) =
= 5,67·10-8· 0,1905 ( 3704–3184 ) / ( 370–318 )=1,769 Вт/(м2К);
λэ=εк·λв+αл·δ = 2,335·0,0298 + 1,769· 0,02=0,1049 Вт/(мК).
Рассчитаем приведенный коэффициент теплоотдачи с наружной
поверхности ограждения н по формулам (81)…(84).
Найдем число Грассгофа по (84)
Gr = ( 9,81(1/273) 1,943 ( 318–293) ) / (15,24·10-6)2=2,824 1010.
Число Грассгофа Gr
рассчитывается по формуле
> 0,7·109, поэтому число Нуссельта
Nu·=0,133·Gr0,33=0,133·(2,824 1010)0,33=401,8.
Определим коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией,
приведенную степень черноты и приведенный коэффициент лучистого
теплообмена по (83), (80) и (78)
к = Nu· λв / Нн =401,8·0,0259/1,94=5,36,
εпр= 1 / (1/ εа +1/ εос – 1)=1/(1/0,2+1/1–1)= 0,2,
αл·= 5,67·10-8· εпр ( Т4н–Т4ос ) / ( Тн–Тос )=
= 5,67·10-8· 0,2 ( 3184–2934 ) / (318–293)=1,30 ,
где λв =0,0259 – коэффициент теплопроводности воздуха при
Тос=293 К.
Приведенный коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности
ограждения конвекцией и излучением н по формуле (81) составит
н =к + л,ос= + =6,66 Вт/(м2К).
Определим термические сопротивления и плотность потока
теплоты по (66), (65)
r1 =
1  1 0,116  0,849
0,232  0,584

 0,0538; r2 
 0,205;
λ1
1,829
0,661
0,348  0,360
0,02  0,284
0,281
 1,033 ; r4 
 0,0541 ; rн 
 0,0422 ;
0,162
0,105
6,66
1603  293
q=
= 943 ,7 .
0,0538  0,205  1,033  0,0422
4) Вычислим уточненные температуры T 2, T3, T4, Tн, по формулам (72),
начиная с Tн:
r3 =
Tн  Tос  q  rн  293  943  0,0422  333 К .
(85)
Температура экрана Тн превышает предельно допустимое
безопасное значение 318 К (45 0С). Следовательно, принятую
конструкцию ограждения применить нельзя. Анализ выражения (85) с
учетом (66) показывает, что для снижения Т н можно уменьшить q,
например, путем увеличения количества экранов или толщин слоев,
или повысить коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности н
путем ее обдува воздухом или повышения степени черноты наружной
поверхности экрана.
Примем, что наружная поверхность экрана покрыта белым лаком
(εл =0,9 [93]), и определим новые значения εпр, αл, нrн, q и Тн:
εпр= =1/(1/0,9+1/1–1)= 0,9;
αл·= 5,67·10-8· 0,9 ( 3184–2934 ) / (318–293)=5,83;
н =5 + 5,83=11,19 Вт/(м2К);
rн = 0,281 / 11,19 = 0,251;
q=
1603  293
= 955 ;
0,0538  0,205  1,033  0,251
Тн =293 + 955·0,251 = 317 К.
Температура Тн = 317 К не превышает предельно допустимого
значения 318 К, следовательно можно продолжить уточнение
температур T2, T3, T4 по формулам (72):
T2 = 1603 – 955·0,0538 = 1552 К;
T3 = 1603 –955·(0,0538 + 0,205) = 1356 К;
T4 = 1603 –955·(0,0538 + 0,205 + 1,033) = 369 К.
Расхождения между принятыми (Т 2=1550 К, Т3=1360 К, Т4=370 К,
Т5=Тн =318 К) и рассчитанными значениями температур
незначительны (менее 2 %), поэтому итерационный расчет можно
закончить (с целью сокращения объема описания, здесь не приведены
результаты расчетов по подбору толщин и материалов слоев и
предыдущих итерации).
Значения наибольших температур в слоях материалов T 1, T2, T3 не
превышают предельно допустимых температур применения
(1603<1973, 1552<1573, 1356<1373), поэтому выбранное ограждение
надежно и безопасно. Потери тепловой энергии через него составят
Q=Fн·q=2·955=1910 Вт. В реальных условиях, при естественной
вентиляции воздушного зазора температура экрана будет ниже 318 К.
4.6. Проектирование молниезащиты зданий и сооружений
Общая характеристика молниезащиты и ссылки на методики ее
расчета даны в п. 3.4.2. Поскольку методики и примеры решения
задач, приведенные в [27, 45] несколько устарели, в данном подразделе
дается краткое описание "Инструкции по устройству молниезащиты
зданий, сооружений и промышленных коммуникаций" (СО 15334.21.122-2003 [67]) и приводятся примеры расчета: оценки требуемой
надежности молниезащиты, высот одиночного и двойного
стержневого молниеотвода и одиночного тросового молниеотвода.
Инструкции [67] рассматривает не все задачи проектирования
молниезащиты, так как не отменяет ранее утвержденный руководящий
документ [100], поэтому некоторые вопросы проектирования,
вероятно, надо решать, применяя рекомендации [100]. Это
подтверждается тем, что в учебном пособии [101], изданном в 2006 г.,
рассматриваются
примеры
экспертизы
молниезащиты
с
использованием как старой [100], так и новой [67] инструкций.
4.6.1. Устройство молниезащиты технических объектов [67]
Инструкция
[67]
устанавливает
необходимый
комплекс
мероприятий и устройств, предназначенных для обеспечения
безопасности людей и защиты зданий и других технических объектов
от взрывов, пожаров, разрушений и воздействий электромагнитного
поля, возможных при ударах молнии. В ней описаны термины и
определения, классификация зданий и сооружений по устройству
молниезащиты, комплекс средств молниезащиты от прямых ударов
молнии (молниеприемники, токоотводы, заземлители, выбор
молниеотводов, типовые зоны защиты стержневых и тросовых
молниеотводов, защита электрических и оптических кабельных связи,
антенн и другого оборудования), защита от вторичных воздействий
молнии и другие вопросы. Ниже дается сокращенное описание защиты
от прямых ударов молнии.
Основные термины
Устройство молниезащиты - система, позволяющая защитить
здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя
внешние и внутренние устройства. В частных случаях молниезащита
может содержать только внешние или только внутренние устройства.
Молниеотводы −устройства защиты от прямых ударов молнии,
состоящие из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.
Устройства защиты от вторичных воздействий молнии −
устройства, ограничивающие воздействия электрического и
магнитного полей молнии.
Устройства для выравнивания потенциалов − элементы устройств
защиты, ограничивающие разность потенциалов, обусловленную
растеканием тока молнии.
Молниеприемник − часть молниеотвода, предназначенная для
перехвата молний.
Токоотвод (спуск) − часть молниеотвода, предназначенная для
отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.
Зона защиты молниеотвода − пространство в окрестности
молниеотвода заданной геометрии, в котором вероятность удара
молнии в объект, целиком размещенный в его объеме, не превышает
заданной величины.
Допустимая вероятность прорыва молнии − предельно
допустимая вероятность Р удара молнии в объект, защищаемый
молниеотводами. Надежность защиты определяется как Рз =1 − Р.
Классификация зданий и сооружений по устройству
молниезащиты
Согласно [67], объекты
обычные и специальные.
молниезащиты
подразделяются
на
Обычные объекты – жилые и административные строения, а также
здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные для
торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.
Специальные объекты: а) представляющие опасность для
непосредственного окружения; б) представляющие опасность для
социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при
поражении молнией могут вызвать вредные биологические,
химические и радиоактивные выбросы); в) прочие объекты, со
специальной молниезащитой, например строения высотой более 60 м,
игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.
В табл. 15 даны примеры разделения объектов на четыре класса.
Таблица 15. Примеры классификации объектов
Объект
Тип объекта Последствия удара молнии
Отказ электроустановок, пожар и повреждение имущества.
Обычные
Обычно небольшое повреждение предметов,
Жилой дом
объекты
расположенных в месте удара молнии или задетых ее
каналом
Первоначально – пожар и занос опасного напряжения,
затем – потеря электропитания с риском гибели животных
Ферма
из-за отказа электронной системы управления
вентиляцией, подачи корма и т.д.
Театр; школа; Отказ электроснабжения (например, освещения),
универмаг;
способный вызвать панику. Отказ системы пожарной
спортивное
сигнализации, вызывающий задержку противопожарных
сооружение
мероприятий
Банк;
Отказ электроснабжения (например, освещения),
страховая
способный вызвать панику. Отказ системы пожарной
компания;
сигнализации, вызывающий задержку противопожарных
коммерческий мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с
Обычные
офис
потерей данных
объекты
Отказ электроснабжения (например, освещения),
Больница;
способный вызвать панику. Отказ системы пожарной
детский сад; сигнализации, вызывающий задержку противопожарных
дом
мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с
престарелых потерей данных. Наличие тяжелобольных и
необходимость помощи неподвижным людям
Промышленн Дополнительные последствия, зависящие от условий
ые
производства, – от незначительных повреждений до
предприятия больших ущербов из-за потерь продукции
Музеи и
археологическ Невосполнимая потеря культурных ценностей
ие памятники
Специальн Средства
ые объекты связи;
Недопустимое нарушение коммунального обслуживания
с
электростанци
(телекоммуникаций). Косвенная опасность пожара для
ограниченн и;
соседних объектов
ой
пожароопасны
опасностью е
производства
Специальн
ые объекты,
представля
ющие
опасность
для
непосредст
венного
окружения
Нефтеперераб
атывающие
предприятия;
заправочные Пожары и взрывы внутри объекта и в непосредственной
станции;
близости
производства
петард и
фейерверков
Специальн
ые объекты,
опасные
для
экологии
Химический
завод; атомная
электростанци
Пожар и нарушение работы оборудования с вредными
я;
последствиями для окружающей среды
биохимически
е фабрики и
лаборатории
При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов
требуется определить необходимые уровни надежности защиты от
прямых ударов молнии (ПУМ). Для обычных объектов предложено
четыре уровня надежности защиты (табл. 16).
Таблица16. Уровни защиты от ПУМ для обычных объектов
Уровень зашиты
I
II
Надежность защиты от ПУМ, Р3
0,98
0,95
III
0,90
IV
0,80
Для специальных объектов минимально допустимый уровень
надежности защиты, Р3, от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 –
0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и
тяжести ожидаемых последствий от прямого удара молнии. По
желанию заказчика в проект может быть заложен уровень надежности,
превышающий предельно допустимый.
Параметры токов молнии
Параметры токов молнии необходимы для расчета механических и
термических воздействий, а также для нормирования средств защит от
электромагнитных воздействий.
Для каждого уровня молниезащиты должны быть определены
предельно допустимые параметры тока молнии. Данные, приведенные
в нормативе, относятся к нисходящим, и восходящим молниям.
Соотношение полярностей разрядов молнии зависит от
географического положения местности. В отсутствие местных данных
это соотношение принимают равным 10 % для разрядов с
положительными токами и 90 % для разрядов с отрицательными
токами.
Механические и термические действия молнии обусловлены
пиковым значением тока, полным зарядом, зарядом в импульсе и
удельной энергией W/R. Наибольшие значения этих параметров
наблюдаются при положительных разрядах.
Повреждения, вызванные индуцированными перенапряжениями,
обусловлены крутизной фронта тока молнии. Крутизна оценивается в
пределах 30 %-ного и 90 %-ного уровней от наибольшего значения
тока. Наибольшее значение этого параметра наблюдается в
последующих импульсах отрицательных разрядов.
Кроме механических и термических воздействий ток молнии
создает мощные импульсы электромагнитного излучения, которые
могут быть причиной повреждения систем, включающих
оборудование связи, управления, автоматики, вычислительные и
информационные устройства и т.п. Повреждение этих сложны[ и
дорогостоящи[ систем в результате удара молнии крайне
нежелательно.
Удар молнии может содержать либо единственный импульс тока,
либо состоять из последовательности импульсов, разделенных
промежутками
времени,
за
которые
протекает
слабый
сопровождающий ток. Параметры импульса тока первого компонента
существенно отличаются от характеристик импульсов последующих
компонентов.
Плотность ударов молнии в землю и технические объекты
Плотность ударов молнии в землю n равная числу поражений
1 км2 земной поверхности за год, определяется по данным
метеорологических наблюдений в месте размещения объекта или по
следующей формуле, 1/(км2 год):
n=6,7·Td/100
(86)
где Тd - средняя продолжительность гроз в часах, определенная по
региональным картам интенсивности грозовой деятельности [32, рис.
189 (см. задний форзац), 100].
Ожидаемое число поражений объекта молниями (вероятность Р
удара молнии в объект), 1/год, определяется по следующим формулам
[32, 100]:
для зданий и сооружений прямоугольной формы
N = [(a+6 hx) (b+6 hx) −7,7·hx2]·n·10-6 ,
(87)
для сосредоточенных объектов (дымовые трубы, вышки, башни)
N = 9·π· hx2 n·10-6,
(88)
где a – длина, м; b – ширина, м, и hx – наибольшая высота объекта
защиты, м.
Например, при средней продолжительности гроз в году 40−60 ч
для трубы высотой 50 м можно ожидать не более одного поражения за
3−4 года (N = 9·3,14· 502 (6,7·60/100)·10-6= 0,31 1/год=1,24 1/(4 года)), а
для здания a× b × hx =100х100х20 − не более одного поражения за 5 лет.
При использовании молниезащиты с уровнем Р3=0,9 одного
поражения трубы можно ожидать примерно за 32 года (N3=0,31·(1−0,9)
=0,031 1/год = 1/(32 года)).
Однако поражение может произойти и в первый год эксплуатации
объекта (а если очень не повезет, то и в первый день), поэтому
считается, что полностью предотвратить поражение молнией −
невозможно, можно, лишь уменьшить риск ущерба от удара молнии
[67].
Конструкции средств защиты от прямых ударов молнии
Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений
включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии
(внешняя молниезащитная система (МЗС)) и устройства защиты от
вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях
молниезащита может содержать только внешние или только
внутренние
устройства.
Токи
молнии,
попадающие
в
молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов
(спусков) и растекаются в земле.
Внешняя МЗС может быть установлена на защищаемом
сооружении и даже быть его частью, или может быть изолирована от
сооружения (отдельно стоящие молниеотводы − стержневые или
тросовые, а также соседние сооружения, как естественные
молниеотводы).
Внутренние устройства молниезащиты предназначены для
ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и
предотвращения искрений внутри защищаемого объекта из-за
наведенных токов в проводящих элементах объекта.
Рассмотрим элементы внешней МЗС.
Внешняя МЗС в общем случае состоит из: а) молниеприемников,
б) токоотводов и в) заземлителей. Их материал и сечения элементов
выбирают по табл. 17.
Молниеприемники могут быть специально установленными, в том
числе на объекте защиты из стержней, натянутых проводов (тросов),
сетчатых проводников (сеток), или естественными из конструктивных
металлических элементов защищаемого объекта (металлические
кровли, трубы, корпуса резервуаров), если их толщина не менее δкр
=4; 5; 7 мм, соответственно для железа, меди, алюминия).
Таблица 17. Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС
Сечение, мм2
Уровень
Материал
защиты
Молниеприемник Токоотвод
Заземлитель
I-IV
Сталь
50
50
80
I-IV
Алюминий
70
25
Не применяется
I-IV
Медь
35
16
50
Примечание. Указанные значения могут быть увеличены в зависимости от
повышенной коррозии или механических воздействий.
Естественными молниеприемниками могут быть элементы зданий
и сооружений, отвечающие определенным требованиям:
а) металлические кровли защищаемых объектов при следующих
условиях:
• электрическая непрерывность между разными частями
обеспечена на долгий срок;
• толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если ее
необязательно защищать от повреждений и нет опасности
воспламенения находящихся под кровлей горючих материалов;
• толщина металла кровли составляет не менее δкр =4; 5; 7 мм,
соответственно для железа, меди, алюминия, если необходимо
предохранить кровлю от повреждения или прожога;
• кровля не имеет изоляционного покрытия (небольшой слой
антикоррозионной краски или слой 0,5 мм асфальтового
покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается
изоляцией);
• неметаллические покрытия на/или под металлической кровлей
не выходят за пределы защищаемого объекта;
б) металлические конструкции крыши (фермы, соединенная между
собой стальная арматура);
в) металлические элементы типа водосточных труб, украшений,
ограждений по краю крыши и т.п., если их сечение не меньше
значений, предписанных для обычных молниеприемников;
г) технологические металлические трубы и резервуары, если они
выполнены из металла толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или
прожог этого металла не приведут к опасным или недопустимым
последствиям;
д) металлические трубы и резервуары, если они выполнены из
металла толщиной не менее указанных значений δкр и если повышение
температуры с внутренней стороны объекта в точке удара молнии не
представляет опасности.
Токоотводы в целях снижения вероятности возникновения
опасного искрения располагаются так, чтобы между точкой поражения
и землей: а) ток растекался по нескольким параллельным путям; б)
длина этих путей была ограничена до минимума.
Расположение токоотводов зависит от изолированности
устройства молниезащиты от защищаемого объекта.
В устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого
объекта, токоотводы располагаются на опорах. На каждой опоре
предусматривается
не
менее
одного
токоотвода,
если
молниеприемники из стержней установлены на отдельно стоящих
опорах (или одной опоре).
Для молниеприемника из горизонтальных проводов (одного
провода) на каждом конце провода (троса) выполняется не менее
одного токоотвода.
Общее количество токоотводов молниеприемника в виде сетки
принимается не менее двух. Причем на каждой опоре сетки
выполняется не менее одного токоотвода.
В устройствах молниезащиты, неизолированных от защищаемого
объекта, токоотводы располагаются по периметру защищаемого
объекта желательно равномерно и по возможности вблизи углов
зданий.
Средние расстояния между токоотводами в зависимости от уровня
защищенности должны быть не меньше 10, 15 , 20, 25 м
соответственно для уровней защиты I, II, III, IV. Через каждые 20 м по
высоте здания и вблизи поверхности земли токоотводы соединяются
горизонтальными поясами. Токоотводы прокладываются по прямым и
вертикальным линиям по возможности кратчайшим путем до земли и
на максимально возможных расстояниях от дверей и окон.
Токоотводы могут быть закреплены на поверхности стены или
проходить в стене, если повышение температуры токоотводов при
протекании тока молнии не представляет опасности для материала
стены. В противном случае токоотводы располагаются на расстояние
более 0,1 м от защищаемого объекта.
В качестве естественных токоотводов при определенных условиях
оговоренных
в
[67]
могут
использоваться
металлические
конструктивные элементы зданий: каркас, опорные металлические
конструкции фасада, стальная арматура и др. Толщина естественных
токоотводов должна составлять не менее 0,5 мм и обеспечивать
электрическую непрерывность (примерно 50 % соединений
вертикальных и горизонтальных стержней выполнены сваркой или
болтовыми креплениями);
Заземлитель молниезащиты совмещается с заземлителями
электроустановок и средств связи, за исключением использования
отдельно стоящего молниеотвода. В общую систему их можно
объединить с помощью системы уравнивания потенциалов, если эти
заземлители разделяются по технологическим соображениям.
В
качестве
заземлителей
применяются
специально
прокладываемые или естественные заземляющие электроды.
Специально прокладываемые заземлители выполняют следующих
типов: один или несколько контуров, вертикальные (или наклонные)
электроды, радиально расходящиеся электроды или заземляющий
контур, уложенный на дне котлована, заземляющие сетки.
Конструкции заземлителей, которые можно применять для токов
молнии от 5 до 100 кА без расчета, приведены в табл. 18 [100, 103].
Сильно заглубленные заземлители более эффективны, если
удельное сопротивление грунта уменьшается с глубиной.
Заземлитель в виде наружного контура прокладывается на глубине
не менее 0,5 м от поверхности земли и на расстоянии не менее 1 м от
стен. Заземляющие электроды должны располагаться на глубине не
менее 0,5 м за пределами защищаемого объекта. Их быть
распределяют
равномерно,
сводя
к
минимуму
взаимное
экранирование.
Таблица 18. Конструкции типовых заземлителей
Заземлитель
Эскиз
Размеры, м
Железобетонный
подножник
a  1,8
b  0,4
l  2,2
Железобетонная
свая
d=0,25 0,4
l 5
Стальной
двухстержневой:
полоса размером
40х4
мм;
стержни
диаметром
d=10 20 мм
t  0,5
l = 3 5
c = 3 5
Стальной
трехстержневой:
полоса размером
40х4
мм;
стержни
диаметром d=10
20 мм
t  0,5
l = 3 5
c = 5 6
Глубина закладки и тип заземляющих электродов выбираются так,
чтобы обеспечить минимальную коррозию и возможно меньшую
сезонную вариацию сопротивления заземления из-за высыхания или
промерзания грунта.
В качестве естественных заземляющих электродов может
использоваться соединенная между собой арматура железобетона или
иные
подземные
металлические
конструкции,
отвечающие
требованиям [67].
Молниеприемники и токоотводы жестко закрепляются, так чтобы
исключить любой разрыв или ослабление крепления проводников под
действием электродинамических сил или случайных механических
воздействий (например, от порыва ветра или падения снежного
пласта).
Соединения проводников выполняются сваркой, пайкой,
допускается также вставка в зажимной наконечник или болтовое
крепление. Количество соединений проводника сводится к
минимальному.
Выбор типа и высоты молниеотводов
Объект считается защищенным, если совокупность всех его
молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р 3 (см. табл.
16).
Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии
выбирается, так чтобы максимально использовались естественные
молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность
недостаточна, то − в комбинации со специально установленными
молниеотводами.
В общем случае выбор молниеотводов производится при помощи
соответствующих компьютерных программ, способных вычислять
зоны защиты или вероятность прорыва молнии в объект (группу
объектов) любой конфигурации при произвольном расположении
практически любого числа молниеотводов различных типов.
При прочих равных условиях высоту молниеотводов можно
снизить, если вместо стержневых конструкций применять тросовые,
особенно при их подвеске по внешнему периметру объекта.
При защите объекта простейшими молниеотводами (одиночным
стержневым, одиночным тросовым, двойным стержневым, двойным
тросовым, замкнутым тросовым), размеры молниеотводов можно
определять, пользуясь формулами [67] для расчета зон защиты.
4.6.2. Зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов
Размер зоны защиты молниеотводов в основном определяется
высотой молниеприемника, которые выполняют из вертикально
стоящих
стержней
или
горизонтальных
тросов.
Высота
молниеприемника, защищающего заданную зону, может находится
решением обратной задачи, которая сводится к решению линейных
или нелинейных уравнений.
Одиночный стержневой молниеотвод
Стандартной
зоной
защиты
одиночного
1
стержневого
2
молниеотвода высотой
h
D
h является круговой
h0
конус высотой h0 (h0 <
h), вершина которого
hx
совпадает
с
вертикальной
осью
молниеотвода (рис. 8).
r0
Габариты
зоны
определяются
двумя
3
параметрами: высотой
конуса h0 и радиусом
конуса
на
уровне
rx
4
rд
земли r0.
Объект
будет
защищен,
если
величина радиуса зоны
защиты rx на высоте hx
будет
больше
расстояния
от
молниеотвода
до
Рис. 8. Зона защиты одиночного стержневого
наиболее удаленного
молниеотвода: 1 − мачта молниеотвода; 2 −
угла здания, rд.
защищаемый объект; 3, 4 − границы зон защиты на
высоте hx и на уровне земли
Формулы,
пригодные
для
молниеотводов высотой до 150 м, приведены в табл. 19.
При более высоких молниеотводах следует пользоваться
специальной методикой расчета.
Радиус горизонтального сечения rx на высоте hх для зоны защиты
требуемой надежности (рис. 8) определяется по формуле:
rx 
r0 (h 0  h x )
.
h0
Для определения высоты молниеприемника следует:
(89)
а) по схеме молниезащиты определить параметры защищаемой
зоны hx и rx;
б) подставить в (89) выражения для h0 и r0 из табл. 19, учитывая
принятую надежность защиты Рз, и решить (89) относительно h.
Таблица 19. Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода
Надежность
защиты Рз
0,9
0,99
0,999
Высота
Высота конуса h0, м
молниеотвода h,
м
от 0 до 100
0,85·h
Радиус конуса г0, м
от 100 до 150
0,85·h
[1,2 - 10-3(h - 100)]·h
от 0 до 30
0,8·h
0,8·h
от 30 до 100
0,8·h
[0,8 - 1,43·10-3(h - 30)]·h
от 100 до 150
[0,8 - 10-3(h - 100)]·h
0,7·h
от 0 до 30
0,7·h
0,6·h
от 30 до 100
[0,7 -7,14·10-4(h -30)]·h
от 100 до 150
-3
[0,65 - 10 (h - 100)]·h
1,2 h
[0,6 - 1,43·10-3(h - 30)]·h
[0,5 – 2·10-3(h - 100)]·h
Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода
Стандартные
зоны
защиты одиночного тросового
молниеотвода
высотой
h
ограничены симметричными
двускатными поверхностями,
образующими в вертикальном
сечении
равнобедренный
треугольник с вершиной на
высоте h0 (h0 < h) и
основанием на уровне земли
шириной
2r0
(рис. 9).
Рис. 9. Зоны защиты одиночного тросового
Отметим,
что
под
h
молниеотвода: 1 − на уровне объекта защиты, hx
; 2 − на уровне земли (hоп −высота опоры, другие
понимается
минимальная
параметры пояснены в тексте)
высота троса над уровнем
земли (с учетом провеса).
Формулы для расчета молниеотводов высотой до 150 м приведены
в табл. 20. При h > 150 м следует пользоваться специальным
программным обеспечением.
Полуширина зоны защиты rx требуемой надежности на высоте hх
от поверхности земли (рис. 9) определяются по формуле (89).
При необходимости торцевые части зоны защиты (у несущих
опор) рассчитываются по формулам одиночных стержневых
молниеотводов, представленных в табл. 19.
В случае больших провесов тросов, например, у воздушных линий
электропередачи, рекомендуется рассчитывать обеспечиваемую
вероятность прорыва молнии программными методами, поскольку
построение зон защиты по минимальной высоте троса в пролете может
привести к неоправданным затратам.
Таблица 20. Расчет зоны защиты одиночного тросового молниеотвода
Надежность
защиты Рз
Высота
молниеотвода h, м
Высота конуса h0, м
Радиус конуса г0, м
0,9
от 0 до 150
0,87·h
1,5·h
0,99
от 0 до 30
0,8·h
0,95·h
от 30 до 100
0,8·h
[0,95 - 7,14·10-4(h - 30)]·h
от 100 до 150
0,8·h
[0,9 - 10-3(h - 100)]·h
от 0 до 30
0,75·h
0,7·h
от 30 до 100
[0,75 - 4,28·10-4(h - 30)]·h
0,999
от 100 до 150
-3
[0,72 - 10 (h - 100)]·h
[0,7 - 1,43·10-3(h - 30)]·h
[0,6 - 10-3(h - 100)]·h
Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода
Молниеотвод считается двойным (рис. 10), когда расстояние
между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной
величины Lmах. Иначе оба молниеотвода рассматриваются как
одиночные.
Lx
Рис. 10. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода (r0, rx1 и rх2 − радиусы
границ зон защиты на уровне земли и на уровнях hx1 и hx2 соответственно)
Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений
стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода
(высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на
рис. 10. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода
(полуконусов с габаритами h0, r0) производится по формулам табл. 19
для стержневых молниеотводов.
Размеры внутренних областей определяются параметрами h0 и hс,
первый из которых задает максимальную высоту зоны
непосредственно у молниеотводов, а второй - минимальную высоту
зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между
молниеотводами L ≤ Lc верхняя граница зоны не имеет провеса (hс =
h0). Для расстояний Lс ≤ L ≤ Lmах высота hс определяется по
выражению:
hc 
L max  L
h0
L max  L c
(90)
Входящие в него предельные расстояния Lmах и Lc вычисляются по
эмпирическим формулам табл. 21, пригодным для молниеотводов
высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует
пользоваться специальным программным обеспечением.
Таблица 21. Предельные расстояния Lmах и Lc для выбора выражений для расчета
зоны защиты двойного стержневого молниеотвода
Надежность
защиты Рз
0,9
0,99
0,999
Высота
Lmax, м
молниеотвода h,
м
от 0 до 30
5,75·h
от 30 до 100
[5,75 - 3,57-10-3(h - 30)]·h
от 100 до 150
5,5·h
от 0 до 30
4,75·h
от 30 до 100
[4,75 - 3,57·10-3(h - 30)]·h
от 100 до 150
4,5·h
от 0 до 30
4,25·h
от 30 до 100
[4,25 - 3,57·10-3(h - 30)]·h
от 100 до 150
4,0·h
Lc , м
2,5·h
2,5·h
2,5·h
2,25·h
[2,25 - 0,0107(h - 30)]·h
1,5·h
2,25·h
[2,25 - 0,0107(h - 30)]·h
1,5·h
Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по
следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны rх в горизонтальном сечении
на высоте hх, а также полуширина зоны посередине между
стержневыми молниеприемниками при L ≤ Lc − по формуле (89);

длина горизонтального сечения Lх на высоте hx ≥ hс:
Lx 
L  (h 0  h x )
,
2  (h 0  h c )
(91)
 полуширина горизонтального сечения rсх
в центре между
молниеотводами (Lх = L/2) на высоте hx ≤ hс при L > Lc (именно этот
случай показан на рис. 10):
r (h  h x )
rcx  0 c
(92)
hc
Зоны защиты двойного тросового молниеотвода
Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между
тросами L не превышает предельной величины Lmах. В противном
случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.
Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений
стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h
и расстоянием между тросами L) представлена на рис. 11.
Построение внешних областей зон (двух односкатных
поверхностей с габаритами h0, rо) производится по формулам табл. 20
для одиночных тросовых молниеотводов.
Размеры внутренних областей определяются параметрами h0 и hс,
первый из которых задает максимальную высоту зоны
непосредственно у тросов, а второй − минимальную высоту зоны по
середине между тросами.
Рис. 11. Зона защиты двойного
тросового молниеотвода (r0,
rx1, rсх , rх2 − радиусы границ
зон защиты на уровне земли и
на уровнях hx1, hс и hx2
соответственно)
При расстоянии между тросами L ≤ Lс верхняя граница зоны не
имеет провеса (hс = h0). Для расстояний Lс ≤ L ≤ Lmах высота hс
определяется по выражению:
hc 
L max  L
h0 ,
L max  L c )
(93)
где Lmах и Lc вычисляются по эмпирическим формулам табл. 22,
пригодным для тросов с высотой подвеса до 150 м.
Длина горизонтального сечения зоны защиты rx' на высоте hх
определяется по формулам:
rx'  L / 2, при h c  h x
rx' 
L  (h 0  h x )
, 0  hc  h x .
2  (h 0  h c )
(94)
Для расширения защищаемого объема может быть учтена зона
защиты у опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного
стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше
Lmах, вычисленного по формулам табл. 21.
Таблица 22. К расчету параметров зоны защиты двойного тросового молниеотвода
Надежность
защиты Pз
Lc, м
0,9
Высота
Lmax, м
молниеотвода h,
м
от 0 до 150
6,0·h
0,99
от 0 до 30
5,0·h
2,5·h
от 30 до 100
5,0·h
0,999
3,0·h
[2,5 - 7,14·10-3(h - 30)]··h
от 100 до 150
[5,0 - 5·10 (h - 100)]·h
[2,0 - 5,0·10-3(h - 100)]·h
от 0 до 30
4,75·h
2,25·h
от 30 до 100
[4,75 - 3,57·10-3(h - 30)]·h
[2,25 - 3,57·10-3(h - 30)]·h
от 100 до 150
[4,5 - 5·10-3(h - 100)]·h
[2,0 - 5·10-3(h - 100)]·h
-3
В противном случае опоры должны рассматриваться как
одиночные стержневые молниеотводы.
Формулы не применимы, когда тросы непараллельны или
разновысоки, или их высота изменяется по длине пролета, или при
больших провесах тросов в пролете.
Зоны защиты замкнутого тросового молниеотвода
По
экономическим
соображениям
замкнутые
тросовые
молниеотводы рекомендуются только для высоких надежностей
защиты
Pз ≥ 0,99.
Предлагаемая в [67]
методика
расчета
D
применима
только
для
защиты
с
требуемой
h
надежностью
h0
объектов высотой h0
< 30 м, размещенных
на
прямоугольной
площадке площадью
S0 во внутреннем
объеме зоны при
2
минимальном
1
горизонтальном
смещении
между
3
молниеотводом
и
объектом, равном D
(рис. 12).
Под
высотой
подвеса
троса
Рис. 12.
Зона защиты замкнутого тросового
подразумевается
молниеотвода: 1 − защищаемый объект; 2 − четыре
опоры; 3 − трос на высоте h, смещенный на
минимальное
расстояние D от стен объекта по горизонтали
расстояние от троса
до
поверхности
земли с учетом возможных провесов в летний сезон.
Для расчета h используется выражение:
h = А + В·h0,
(95)
в котором константы А и В определяются в зависимости от уровня
надежности защиты по следующим формулам:
а) надежность защиты Р3 = 0,99
A = −0,14 + 0,252(D−5) + [0,127 + б,4·10−4·(D−5)]·√S0;
(96)
В =1,05−9,08·10−3(D−5)+ [−3,44·10−3 +5,87·10−5 (D−5)]·√S0; (97)
б) надежность защиты Р3 = 0,999
А = −0,08+ 0,324·(D − 5) + [0,161 + 2,41·10−4·(D−5)]·√S0;
(98)
В = 1,1 − 0,0115(D − 5) + [− 4,24 ·10−3 + 1,25 ·10−4·(D−5)]·√S0
(99)
Расчетные соотношения справедливы, когда D > 5 м. Работа с
меньшими горизонтальными смещениями троса не целесообразна изза высокой вероятности обратных перекрытий молнии с троса на
защищаемый объект.
Если высота объекта превышает 30 м, высота замкнутого тросового
молниеотвода определяется с помощью программного обеспечения.
Так же следует поступать для замкнутого контура сложной формы.
После выбора высоты молниеотводов по их зонам защиты
рекомендуется проверить фактическую вероятность прорыва
компьютерными средствами, а в случае большого запаса по
надежности провести корректировку, задавая меньшую высоту
молниеотводов.
Определение зон защиты по рекомендациям МЭК
Для обычного объекта возможно определение зон защиты по
защитному углу или методом катящейся сферы согласно стандарту
Международной электротехнической комиссии (IEC 1024) при
условии,
что
расчетные
требования
Международной
электротехнической комиссии оказываются более жесткими, чем
требования [67].
Правила изложенные в стандарте МЭК (IЕС 1024-1-1) применимы
для определения зон защиты объектов высотой до 60 м.
При проектировании может быть выбран любой способ защиты,
однако практика показывает целесообразность использования
отдельных методов в следующих случаях:
• метод защитного угла используется для простых по форме
сооружений или для маленьких частей больших сооружений;
• метод фиктивной сферы, подходящий для сооружений сложной
формы;
• применение защитной сетки целесообразно в общем случае и
особенно для защиты поверхностей.
В табл. 23 для уровней защиты I − IV (см. табл. 16) приводятся
значения углов при вершине зоны защиты, радиусы фиктивной сферы,
а также предельно допустимый шаг ячейки сетки.
Таблица 23. Параметры для расчета молниеприемников по рекомендациям МЭК
Уровень Радиус
защиты фиктивной
сферы R, м
Угол а°, при вершине молниеотвода для Шаг ячейки
зданий различной высоты hx, м
сетки, м
20
30
45
60
I
20
25
*
*
*
5
II
30
35
25
*
*
10
III
45
45
35
25
*
10
IV
60
55
45
35
25
20
* В этих случаях применимы только сетки или фиктивные сферы.
Стержневые молниеприемники, мачты и тросы размещаются так,
чтобы все части сооружения, находились в зоне защиты, образованной
под углом α к вертикали. Защитный угол выбирается по табл. 23,
причем h является высотой молниеотвода над поверхностью,
которая будет защищена.
Метод защитного угла не используется, если h больше, чем радиус
фиктивной сферы, определенный в табл. 23 для соответствующего
уровня защиты.
Метод фиктивной сферы используется, чтобы определить зону
защиты для части или областей сооружения, когда согласно табл. 23
исключено определение зоны защиты по защитному углу. Объект
считается защищенным, если фиктивная сфера, касаясь поверхности
молниеотвода и плоскости, на которой тот установлен, не имеет общих
точек с защищаемым объектом.
Сетка защищает поверхность, если выполнены следующие условия:

проводники сетки проходят по краю крыши, крыша выходит
за габаритные размеры здания (видимо, верхней его части);

проводник сетки проходит по коньку крыши, если наклон
крыши превышает 1/10;

боковые поверхности сооружения на уровнях выше, чем
радиус фиктивной сферы (см. табл. 23), защищены молниеотводами
или сеткой;

размеры ячейки сетки не больше приведенных в табл. 23;

сетка выполнена таким способом, что ток молнии имел всегда,
по крайней мере, два различных пути к заземлителю; никакие
металлические части не должны выступать за внешние контуры сетки.
Проводники сетки должны быть проложены, насколько это
возможно, кратчайшими путями.
4.6.3. Примеры расчета параметров молниеотводов и систем
молниезащиты
Описаны решения задач по определению требуемых высот трех
типов молниеприемников и система молниезащиты электролизной
станции.
Оценка требуемой надежности молниезащиты
Оценим требуемую надежность молниезащиты Р3 для
производственного здания с размерами: a=30; b=18 и hх=6 м,
расположенного в Ивановской области, где a – длина, м; b – ширина,
м, и hx – наибольшая высота объекта защиты.
В Московской, Ивановской, Костромской, Владимирской,
Ярославской областях интенсивность грозовой деятельности
составляет 40-60 ч в год [32 (рис. 189 (см. задний форзац)), 100].
Среднегодовое количество ударов молнии на 1 км2 территории n
при такой интенсивности гроз можно рассчитать по формуле (86)
n = 6,7 Td /100=6,7 60 /100=4,2 1/(км2 год).
Ожидаемое число поражений здания молниями (вероятность Р
удара молнии в объект), 1/год, определится по формуле (87)
N = [ (a+6·h) (b+6·h) −7,7·hx2]·n·10-6 =
= [(30+6·6)·(18+6·6) −7,7·62]·4,2·10-6 = 0,014.
где a – длина, м; b – ширина, м, и hx – наибольшая высота объекта
защиты, м.
Запишем выражение для определения ожидаемого числа
поражений молниями защищенного здания N3, считая, что
вероятность поражения защищенного объекта уменьшается в 1− Р3 раз,
N3= N·(1- Р3).
Откуда можно
надежности защиты
получить
формулу
для
Р3 = 1 – N3/ N
оценки
требуемой
(100)
Оценим требуемую надежность защиты здания Р 3, при которой
ожидаемое число поражений молнией составит 1 раз за 1000 лет
(N3=1/1000)
Р3 = 1 – 0,001/ 0,014= 0,93.
Такая величина Р3 соответствует примерно II-му (не самому
высокому) уровню защиты (см. табл. 16) зданий и сооружений.
Высота одиночного стержневого молниеотвода
Рассмотрим защиту от прямых ударов молнии здания ремонтной
мастерской. Здание расположено в Ивановской области и имеет
размеры: a=30 м; b=18 м; hх=6 м.
По характеру производства ремонтную мастерскую следует
отнести к обычным объектам, как промышленное предприятие (см.
табл. 15), в котором от пожара может пострадать оборудование и
продукция.
Для молниезащиты здания используем отдельно стоящий
стержневой молниеотвод, установленный на поперечной оси
симметрии на расстоянии D=3 м от длинной стены здания (см. рис. 8).
Примем надежность защиты Рз=0,99 м.
Определим расстояние от молниеотвода до наиболее удаленного
угла здания, rд (длину гипотенузы прямоугольного треугольника на
высоте hx=6 м):
rд =√((a/2))2 +(b+D)2)= √((30/2))2 +(18+3)2)= 25,8 м.
Величина rд не должна превышать радиус зоны защиты rx на
высоте hx. Предположим, что высота молниеотвода не более 30 м,
примем rx =rд и определим h по формуле:
h = (rx + hx)/0,8 =(25,8+6)/0,8= 39,75 м,
(100)
которая получена из формулы (89) при подстановке в нее h0 = 0,8·h и
r0=0,8·h (см. табл. 19).
Высота молниеотвода получилась более 30 м, следовательно, в
формулу (89) необходимо подставлять другие выражения для
вычисления h0 и r0, а именно при 30< h ≤ 100.
Из (89) можно получить зависимость h(rx, hx), которая будет
нелинейна относительно искомой величины h.
Определим высоту молниеотвода методом подбора, рассчитывая
h0, г0, и rx для различных высот молниеотвода, h. Результаты расчета
для h=40, 41, 42, 43 м приведены в табл. 24.
Таблица 24. Параметры зон защиты при различных высотах одиночного
стержневого молниеотвода
Высота
Высота конуса
Радиус конуса г0= [0,8 Радиус конуса на высоте 6 м
молниеотвода
h0,=0,8· h м
1,43·10-3(h - 30)]h, м
гх=( г0· (h0 + hx))/ h0
h, м
40
32
31,4
25,5
41
32,8
32,2
26,3
42
33,6
32,9
27,0
43
34,4
33,6
27,7
Из табл. 24 следует, что для высоты молниеотвода h = 41 м
величина радиуса защиты гх=26,3 на высоте здания hx=6 м больше
расстояния rд =25,8 м, следовательно при h = 41 м здание будет
находиться в безопасной зоне с надежностью защиты Рз= 0,99.
Отметим, что высоты молниеотвода, вычисленные для 0< h<30 и
30< h<100 различаются незначительно, поэтому более простую
формулу (100) можно применять для расчета первого приближения
для молниеотводов высотой h > 30 м.
Поскольку объект отнесен нами к "обычным" (см. табл. 15),
высоту молниеотвода можно определить по рекомендациям
Международной электротехнической комиссии (МЭК).
Используем метод защитного угла, который применяется для
простых по форме сооружений или для маленьких частей больших
сооружений.
Для уровня защиты Рз=0,99, который несколько выше первого
Рз=0,98 для "обычных" объектов (см. табл. 16 и 23), угол α° при
вершине молниеотвода для зданий высотой hx=6 м должен составлять
α=250 к вертикали.
Определим полную высоту молниеотвода, как сумму hx и высоты
катета, прилежащего к углу α (превышение молниеотвода над зданием),
по формуле:
hв = hx + rд /tg(α) =6+25,8/ tg (25·3,14/180)=6+55,5=61,3 м,
где 25*3,14/180 угол α=250 в радианах.
Высота
молниеотвода
получилась
значительно
выше,
рассчитанной ранее (на 61,3-41=20,3 м). Возможно, это вызвано тем,
что угол α=250 рекомендован для здания высотой 20 м (см. табл. 23), а
применен нами для здания высотой 6 м.
Нами проведены аналогичные расчеты двумя методами для таких
же по площади зданий 30х18 с высотами hx=6; 20 м при уровнях
защиты Рз=0,99; 0,999. Результаты расчета приведены в табл. 25.
Таблица 25. Высота одиночного стержневого молниеотвода при hx=6; 20 и Рз=0,99;
0,999, рассчитанная разными методами
Высота здания Расчет
по Расчет по формулам табл. 19
hx, м
рекомендациям
Рз=0,99
Рз= 0,999
МЭК
6
61,4
41
54,5
20
75,4
59,2
79
По данным табл. 25 можно сделать следующие выводы:
• расчет по рекомендациям МЭК, следует применять для зданий
выше 20 м (для более низких зданий высоты молниеотводов
получаются неоправданно завышенными),
• расчет по рекомендациям МЭК для зданий выше 20 м
обеспечивает надежность, согласно [67], выше Рз=0,99 и несколько
менее Рз= 0,999 (59,2 < 75,4 < 79 м).
Молниезащита электролизной станции
В данном примере
рассматривается выбор параметров
молниезащиты электролизной станции:
а) обоснование надежности защиты;
б) выбор типа молниеприемника и расчет его высоты;
в) выбор токоотводов и заземлителей;
г) меры защиты от вторичных воздействий молнии.
а) Здание станции имеет следующие размеры: a=42 м; b=12 м;
hх=14 м (рис. 13). По характеру производства (при ударе молнии в
помещении возможны пожары и взрывы) электролизную станцию
следует отнести к специальным объектам, представляющим опасность
для непосредственного окружения (см. табл. 15). Примем для нее
надежность защиты Рз=0,999.
L=52 м
5
5
h=31
h0=21,7
a=42
hx=14
1
2
3
4
b=12
rx=6,6
Рис. 13. Схема молниезащиты электролизной станции: 1 − здание;
2 − молниеприемник (мачта); 3 − заземлитель; 4 − граница защитной
зоны на высоте здания 14 м
б) Для молниезащиты электролизной станции применим двойной
стержневой молниеотвод в виде отдельно стоящих мачт.
Молниеотводы установим на продольной оси симметрии здания на
расстоянии D=5 м от торцевой стены. Расстояние между
молниеотводами составит L= a+2·D=42+2·5=52 м.
Поскольку здание расположено между мачтами молниеотвода его
торцевые области будут находиться в зоне защиты (см. рис. 10).
"Узким" местом зоны защиты является зона, находящаяся посередине
между мачтами. Следовательно, высота молниеотвода должна быть
такой, чтобы ширина горизонтального сечения зоны защиты 2·rсх в
центре между молниеотводами на высоте здания при hx ≤ hс была
больше ширины здания
2·rсх > b.
(101)
Требуемую высоту молниеотвода h можно выразить в виде
решения квадратичного уравнения, используя формулы приведенные
выше. Однако проще и нагляднее эту задачу решить методом подбора.
Зададим высоту молниеотвода h=30 м и определим по формулам
табл. 19 следующие величины.
Высота конуса h0=0,7· h=0,7·30=21 м,
Радиус конуса на уровне земли г0 =0,6·h =0,6·30 = 18 м (см.
табл. 19 ).
Вычислим
предельное
расстояние
между
стержневыми
молниеприемниками Lmax=4,25·h =4,25· 30 = 127,5 м и условное
расстояние между молниеотводами, по которому определяется
наличие провеса зоны защиты,
Lc = 2,25· h =2,25· 30=67,5 м (см. табл. 21).
Сравнивая величины Lmax, Lc и L можно установить следующее:
• молниеотвод можно считать − двойным, так как L < Lmax
(52<127,5 м);
• граница зоны не имеет провеса, так как L ≤ Lc (52 ≤ 67,5) и
следовательно можно принять hс = h0 =21, rсx = rx.
Определим rсx = rx по формуле (92)
r (h  h x ) 18(21  14 )

 6 м.
rx = rcx  0 c
hc
21
Условие (101) выполняется, следовательно двойной стержневой
молниеотвод высотой 30 м обеспечит молниезащиту с надежностью
Pз=0,999.
Оценим высоту двойного стержневого молниеотвода, который
обеспечит защиту с меньшей надежностью, Pз=0,99. (Расчет
приводится в учебных целях для демонстрации влияния принятой
надежности Pз на высоту молниеотвода и другого алгоритма ее
определения, поскольку в данном случае высоту h можно определить
аналитически.)
Допустим, что молниеотвод можно считать − двойным (L ≤ Lmах), а
граница зоны не имеет провеса (L ≤ Lс, hс = h0, rсx = rx), тогда hс = h0 =
0,8h, r0 = 0,8h (см. табл. 18).
Подставим выражения для hс и r0 в (89) и получим
0,8h (0,8h  h x )
rx = rcx 
 0,8h  h x м.
0,8h
Из найденного соотношения выразим h и определим его величину
h = ( rсx + hx)/0,8=(6+14)/0,8=25 м.
(102)
Для проверки принятых допущений рассчитаем предельное
расстояние между стержневыми молниеприемниками Lmax=4,75·h=
=4,75·25= 118,75 м и условное расстояние между молниеотводами, по
которому
определяется
наличие
провеса
зоны
защиты,
Lc = 2,25 h =2,25· 25=56,25 м (см. табл. 21).
Условия L ≤ Lmах и L ≤ Lс выполняются (52 ≤ 118,5 и 52 ≤ 56,25),
следовательно, формулы приняты верно и двойной стержневой
молниеотвод высотой 25 м обеспечит молниезащиту с надежностью
Pз=0,99.
Таким
образом
для
повышения
степени
надежности
молниезащиты с Pз=0,99 до Pз=0,999 потребуется увеличить высоту
молниеотвода с 25 до 30 м.
Поскольку граница зоны принята без запаса по ширине здания
примем высоту молниеотвода h =31 м, при этом ширина защитной
зоны на высоте здания hx=14 м при Pз=0,999 составит 2·6,6=13,2 м
(rсx = rx = 6,6 м) и будет больше ширины здания (13,2>12). Другие
параметры защитной зоны будут иметь следующие значения: hс = h0 =
21,7 м, r0 = 18,6 м.
в) В качестве токоотводов используются две металлические
мачты молниеприемников, которые соединены с двумя заземлителями
стальными полосами 40х3 мм (s=120 мм2, s ≥ 50 мм2, см. табл. 17.).
Применим типовую конструкцию заземлителя: стального
трехстержневого из стальной полосы сечением 40х4 мм и
вертикальных стержней диаметром d = 20 мм, длиной по 4 м,
заглубленных в грунт на 0,6 м. Расстояние между стержнями примем
с= 6 м (см. табл. 17). Заземлители расположим на расстоянии 7 м от
торцевых стен здания.
г) Для защиты от электромагнитной индукции между
трубопроводами и другими металлическими предметами в местах их
сближения на расстояние 100 мм и менее, установлены металлические
перемычки через каждые 20 м длины.
Для защиты от заноса высоких потенциалов все металлические
коммуникации и оболочки кабелей в местах их ввода в объект
присоединены к заземлителю (на рис. 13 условно не показан) защиты
от вторичных воздействий молнии, который используется для
заземления электроустановок и подземных коммуникаций объекта.
Контур заземлителя электроустановок удален от стен здания на
расстояние 1 м и заглублен на 0,6 м. (Конструкция заземлителя
электроустановок рассчитывается по [27, 34, 38, 43]).
Молниезащита одиночным тросовым молниеотводом
Определим параметры молниеотвода для здания из предыдущего
примера (размером 42х12х14) с надежность защиты Рз=0,999.
По табл. 20 для Pз=0,999 и h≤ 30 найдем: высота конуса h0=0,75·h м,
радиус конуса на уровне земли г0 =0,7·h м. Подставим выражения для h0,
г0 в (89) и получим формулу для расчета минимально допустимой
высоты троса (с учетом возможного его провисания)
h = ((0,75/0,7) rx + hx)/0,75=(1,07·rx + hx)/0,75.
(103)
Вычислим по ней минимальную высоту троса молниеотвода h над
поверхностью земли для полуширины зоны защиты rx =12/2=6 на
высоте здания hx=14
h= (1,07·6+14)/0,75=27,2 м.
Высоту мачт молниеотвода, учитывая возможное провисание троса
и некоторый запас по надежности примем равной 29 м.
Сравнивая одиночный тросовый и двойной стержневой
молниеотводы, можно сделать вывод, что в данных условиях
применение одиночного тросового молниеотвода практически не
уменьшит высоту мачт, но создаст дополнительные проблемы (затраты
на трос, увеличение горизонтальных нагрузок на мачты и др.).
БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федеральный закон "О техническом регулировании". – М.: ГУП
Н-Т центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора
России, 2003. – 48 с.
2. ГОСТ 12.1.005–88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
3. ГОСТ 12.1.003–83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
4. ГОСТ 12.1.012–90 ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие
требования.
5. ГОСТ 12.1.019–90 ССБТ. Электробезопасность. Общие
требования и номенклатура видов защиты.
6. ГОСТ 12.1.041–89 ССБТ. Пожаровзрывоопасность горючих
пылей. Общие требования.
7. ГОСТ 12.2.032–78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ
сидя. Общие эргономические требования.
8. ГОСТ 12.2.033–78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ
стоя. Общие эргономические требования.
9. ГОСТ 12.2.064–81 ССБТ. Органы управления производственным
оборудованием. Общие требования безопасности.
10. ГОСТ 12.2.085-2002 ССБТ. Сосуды, работающие под давлением.
Клапаны предохранительные. Требования безопасности.
11. ГОСТ
12.3.047-98
ССБТ.
Пожарная
безопасность
технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
12. Предельно допустимые концентрации (ПДК). № 4617-88
(основной список) и дополнения № 4698-88, № 495289, № 5147-89, №
5149-89, № 5201-90, № 5800-91, № 6061-91, № 4 от18.03.93, ГН
2.2.5.012-93, сводный перечень ГН 2.2.5.549-96.
13. Постановление Правительства Российской Федерации от 12 июня
2003 г. № 344. О нормативах платы за выбросы в атмосферные
воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными
источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и
подземные водные объекты, размещение отходов производства и
потребления.
14. НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы
и правила проектирования.
15. НПБ 105-03 Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
16. Пособие по применению НПБ 105-95 "Определение категорий
помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности" при
рассмотрении проектно-сметной документации.
17. НПБ 110-03
Перечень зданий, сооружений, помещений и
оборудования, подлежащих защите автоматическими установками
пожаротушения и автоматической пожарной сигнализацией.
18. СНиП 41-01-2003 "Отопление, вентиляция и кондиционирование"
19. Санитарные
правила
и
нормы
СанПиН
2.2.2.542-96
"Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам,
персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы".
20. Правила
пожарной
безопасности
для
энергетических
предприятий. РД 153.-34.0-03.301-00. (ВППБ 01-02-95*) – СПб.:
Деан, 2001.
21. Правила
техники
безопасности
при
эксплуатации
тепломеханического оборудования
электростанций и тепловых
сетей. 1987.
22. Правила устройства электроустановок. ПУЭ/ Минтопэнерго
России – 7-е издание. перер. и доп. М.: Госэнергонадзор РФ, 2003.
23. ПБ 12-529-03. Правила безопасности систем газораспределения и
газопотребления (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 18
марта 2003 г. N 9).
24. СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений
25. РД
153-34.1-03.352–99
Правила
взрывобезопасности
топливоподачи и установок для приготовления и сжигания
пылевидного топлива. М.: 2000. – 37 с.
26. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных
веществ, содержащихся в выбросах предприятий / ОНД – 86.
Госкомгидромет. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 92 с.
27. Безопасность жизнедеятельности в вопросах и ответах задачах и
решениях./Дьяков В.И. Горбунов А.Г., Ларионов В.Н., Соколов А.К.
и др.\ Под ред. Г.В. Попова. – Иваново: Изд. ИГЭУ.-2000. − 370 с.
28. Безопасность жизнедеятельности. Учеб. для вузов/ Под ред С.В.
Белова.–М.: Высш. шк.. – 1999.– 448 с.
29. Безопасность жизнедеятельности. Учеб., изд.9, перер. и доп./ Под
ред Э.А. Арустинова.–М.: Дашков и К – 2005 .– 496 с.
30. Охрана окружающей среды: Учеб. для техн. спец. вузов/
С.В. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф.Козьяков и др./ Под ред. С.В. Белова.
– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1991. – 319 с.
31. Васильев, Петр Павлович. Безопасность жизнедеятельности:
Экология и охрана труда. Количественная оценка и примеры: Учеб.
пособ. для вузов. – М.: ЮНИТИ. – 2003. – 188 с.
32. Долин, Петр Алексеевич. Справочник по технике безопасности/
Долин П. А.. – М.: Высш. шк.Энергоиздат. – 1982. – 800 с.
33. Воронина, Анна Алексеевна. Охрана труда при эксплуатации
теплоэнергетических установок/ В.И. Осипов, А. А Воронина. – М.:
Высш. шк. – 1989. 151 с.
34. Князевский, Борис Александрович. Охрана труда в энергетике:
Учеб. для техник./Л.Г. Борисов, Б.А. Князевский, С.М. Кучерук и др.;
Под ред. Б.А. Князевского. – М.:– Энергоатомиздат. – 1985, – 376 с.
35. Справочник проектировщика. Внутренние санитарнотехнические устройства. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование
воздуха./Под ред. Староверова В.А. М.: Стройиздат. – 1978. – 510 с.
36. Арматура энергетическая. Каталог.
37. Борьба с шумом на производстве/ Под ред. Е.Я. Юдина.-М.:
Машиностроение . – 1985 .– 400 с.
38. Охрана труда: Учеб. для студ. вузов/ Под ред. Б.А. Князевского.
М.: Высш. Шк..– 1982.– 311 с.
39. Князевский, Борис Александрович. Техника безопасности и
противопожарная техника в электроустановках: Учеб. пособ./ Б.А.
Князевский, Н.А. Чекалин. М.: Энергия. – 1973. – 248 с.
40. Воронина, Анна Алексеевна. Охрана труда в энергосистемах: Уч.
пособие для техн. вузов/ А.А. Воронина, Н.Ф. Шибенко.– М.:
Энергия.– 1973.– 256 с.
41. Безгрешнов, Александр. Николаевич. Расчет паровых котлов в
примерах и задачах: Учеб. пособ./ А.Н. Безгрешнов, Ю.М. Липов,
Б.М. Шлейфер; под общ. ред. Ю.М. Липова.– М.: Энергоатомиздат.–
1991.– 240 с.
42. Андрианов, Сергей Геннадьевич. Охрана воздушного бассейна от
выбросов ТЭС: Учеб. пособие/ С. Г., Андрианов, Ю.В. Салов,
Семашко В.И., Иван. энерг. ин-т им В.И. Ленина: Иваново: ИВГУ.–
1986. – 80 с.
43. Дьяков,
Василий
Иванович.
Типовые
расчеты
по
электрооборудованию: Практ. пособие. Изд. 8, перераб. и доп./В.И.
Дьяков, Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново.– 2003.–148 с.
44. Дьяков, Василий Иванович. Безопасность жизнедеятельности:
Курс лекций / В.И. Дьяков, Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново. – 2000.–
88 с.
45. Дьяков, Василий Иванович. Пожарная безопасность: Курс
лекций/ В.И. Дьяков, Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2003. – 128 с.
46. Соколов, Анатолий Константинович. Экологическая экспертиза
проектов: учеб. пособие/ А. К. Соколов, Федеральное агентство по
образованию,
ГОУВПО
«Ивановский
государственный
энергетический университет им. В.И. Ленина». – Иваново, 2005. –
108 с.
47. Соколов, Анатолий Константинович. Номограммы для оценки
энергосбережениия при повышении температуры или снижения
избытка воздуха на горение. Журнал "Промышленная энергетика",
2006. – С. 74-76.
48. Голубков, Борис Николаевич. Кондиционирование воздуха,
отопление и вентиляция: Учеб. для вузов/ Б.Н. Голубков, Б.И.
Пятачков, Т.М. Романова.– М.: Энергоиздат.–1982.– 232 с.
49. Чернов, Константин Васильевич. Безопасность в чрезвычайных
ситуациях: Курс лекций./ К.В. Чернов. Иван. гос. энерг. ун-т. –
Иваново, 2001. – 116 с.
50. Сборник заданий и методические указания для самостоятельной
работы, практических занятий и подготовки к ПК по "Безопасности
жизнедеятельности"./ Сост. А.Г. Горбунов, Е.А. Пышненко. Изд.
ИГЭУ № 1691.: Иваново – 2005.– 48 с.
51. Техногенная безопасность: Методические указания к разделу
дипломного проекта для технич. специальностей университета. Сост.
К.В. Чернов. Изд. ИГЭУ № 1492. Иваново.– 2002.– 20 с.
52. Выбор структуры ограждения теплотехнологических установок.
Методические указания к лабораторной работе/ Сост. А.К. Соколов. –
Иваново: Изд. ИГЭУ. –1998. – с.24.
53. СНиП 2.09.04-87. Административные и бытовые здания.
54. Горбунов, Александр Геннадьевич. Основы безопасности
жизнедеятельности в энергетике: Курс лекций/ А. Г. Горбунов,
Федеральное агентство по образованию, ГОУВПО «Ивановский
государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». –
Иваново, 2006. – 144с.
55. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение.
56. СНиП 23-01-99 (2003). Строительная климатология и геофизика.
57. СН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату
помещений.
58. Бережной, Сергей Алексеевич. Безопасность жизнедеятельности:
Учеб. пособие./ С.А. Бережной, В.В. Романов, Ю.И. Седов.– Тверь:
ТвеПИ.– 1992. – 160 с.
59. СанПиН
2.2.4.1191-03.
Электромагнитные
поля
в
производственных
условиях.
Санитарно-эпидемиологические
правила и нормативы.
60. НРБ-99. Нормы радиационной безопасности.
61. ГОСТ 12.1.038-82* ССБТ. Электробезопасности. Предельно
допустимые уровни напряжений прикосновения и токов.
62. ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ. Электробезопасность. Защитное
заземление, зануление.
63. Залкинд, Евгений Михайлович. Проектирование ограждений
паровых котлов/ Залкинд Е.М., Козлов Ю.В..–М.:Энергия, 1980. –288
с.
64. Баратов Анатолий Николаевич. и др. Пожаровзрывоопасность
веществ и материалов и средства тушения. Справ.изд.: В 2-х кн.; кн.
1/А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. – М.: Химия,
1990.– 496 с.
65. СНиП 31-03-2001. Производственные здания.
66. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации
сосудов, работающих под давлением.
67. СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты
зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. Утверждена
приказом Минэнерго России 30.06.2003 г. № 280
68. ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные
факторы. Классификация.
69. ГОСТ 12.0.007-76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация.
Общие требования безопасности.
70. Чернов, Константин Васильевич. Техногенные воздействия:
Учебно-методическое пособие./ К.В. Чернов. Иван. гос. энерг. ун-т. –
Иваново, 2003. – 52 с.
71. Основы пожарной безопасности: Учеб. пособие для вузов/М.В.
Алексеев, П.Г. Демидов, М.Я. Ройтман и др.– М.: Высш. шк..–1997.–
248 с.
72. СанПиН 2.2.1/2.1.2.567-96. Санитарные защитные зоны и
санитарная классификация предприятий, сооружений и иных
объектов.
73. СН 2.2.4/2.1.8.562–96. Шум на рабочих местах, в помещениях
жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки.
74. СН 2.2.4/2.1.8.566–96. "Производственная вибрация, вибрация в
помещениях жилых и общественных зданий".
75. Бабалов, Александр Фомич. Промышленная теплозащита в
металлургии./А.Ф. Бабалов. – М.: Металлургия.– 1971.– 360 с.
76. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и
трубопроводов.
77. ППБ 01-03. Правила пожарной безопасности в Российской
Федерации.
78. Промышленные здания и сооружения. Серия "Противопожарная
защита и тушение пожаров". Книга 2./В.В. Теребнев, Н.С. Артемьев,
Д.А. Корольченко и др.М.: Пожнаука, 2006. – 412 с.
79. Соколов, Анатолий Константинович. Проектирование устройств
защиты атмосферы и гидросферы: Учеб.-метод. пособие для
курсового проектирования/ А. К. Соколов, ГОУВПО «Ивановский
государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». –
Иваново, 2006. – 80 с.
80. Соколов, Анатолий Константинович. Оценка эффективности
энергосбережения при снижении температуры уходящих газов. Изв.
вузов "Черная металлургия", № 10, 2007.– с. 46-49
81. ГН 2.1.6.1983-05. Предельно допустимые концентрации (ПДК)
загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест
(дополнения и изменения N 2 к ГН 2.1.6.1338-03).
82. ГН 2.1.6.1984-05. Ориентировочные безопасные уровни
воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
населенных мест (дополнения и изменения N 2 к ГН 2.1.6.1339-03).
83. НПБ 104-03. Системы оповещения и управления эвакуацией
людей при пожарах в зданиях и сооружениях.
84. ГН
2.2.5.553-96.
Ориентировочные
безопасные
уровни
воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны.
Сводный перечень.
85. Дьяков, Василий Иванович. Безопасность жизнедеятельности.
Безопасность в чрезвычайных ситуациях: Курс лекций / В.И. Дьяков,
А.Г. Горбунов, Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново.– 2001.– 103 с.
86. РД. 34.02.304-95. (СО 153-02-304-2003). Методические указания
по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов
тепловых электростанций.
87. Ревун, Михаил Павлович. Адаптивные системы управления
процессами нагрева металла: Монография./ Ревун М.П., Соколов А.К.
/ Запорожье: – Изд. ЗГИА, 1998. – 351 с.
88. Лебедев, Артур Тихонович. Аналитический метод определения
температур и энтальпий воздуха и продуктов сгорания
энергетических топлив/ А.Т. Лебедев, Л.А. Баранов. Изв. вузов
Энергетика. – 1972. – № 3. – С. 53-57.
89. Мастрюков, Борис Степанович. Теория, констркции и расчеты
металлургических печей. Т. 2 Расчеты металлургических печей. –М.:
Металлургия. 1978. – 272 с.
90. Сидельковский,
Лазарь
Наумович.
Парогенераторы
промышленных предприятий: Учебн. для студ. вузов./ Л.Н.
Сидельковский, В.Н. Юренев – М.: Энергия, 1978. – 336 с.
91. СНиП 23-03-2003. Защита от шума.
92. Справочная книга по светотехнике/под ред. Ю.Б. Айзенберга. –
М.: Энергоатомиздат, 1983г.
93. Казанцев, Евгений Иванович, Промышленные печи: Справочное
руководство для расчетов и проектирования. – М.: Металлургия,
1975. –367с.
94. Справочник конструктора печей прокатного производства. Т. 1/ Ан. Л.
Бергауз, В.Л. Гусовский, Н.И. Иванова и др. под ред. И. М. Тымчака. – М.:
Металлургия, 1969. –576 с.
95. Расчет нагревательных и термических печей: Справочник / М.М.
Генкина, В.Л. Гусовский, С.П. Василькова и др. – М.: Металлургия, 1969. –
576 с.
96. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учеб. пособ.
для студентов вузов./ Б.Ф. Зобнин, М.Д. Казяев, Б.И. Китаев и др.;
Под ред. А.С. Телегина. – М.: Металлургия, 1982. –360 с.
97. Соколов, Анатолий Константинович. Комплекс программ и
автоматизированная база данных для расчета стационарной
теплопередачи // Изв. вузов. Энергетика. − 1986. - № 4. − С. 100-103.
98. Исаченко, Виктор Павлович. Теплопередача: Учебн. для вузов/
В.П. Исаченко, Осипова В.А., Сукомел А.Т./4-е изд., – М.:
Энергоиздат, 1981. – 416 с.
99. Михеев, Михаил Александрович. Основы теплопередачи./ М.А.
Михеев, И.М. Михеева/ 2-е изд. – М.: "Энергия", 1977. – 344 с.
100. РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты
зданий, сооружений. Утверждена приказом Минэнерго России
12.10.1987 г. / Минэнерго СССР. − М.: Энергоатомиздат, 1989. −56 с.
101. Черкасов,
Владимир
Николаевич.
Пожарно-техническая
экспертиза электротехнической части проекта. Учеб. пособ. Изд. 4-ое
перераб. и доп. − М.: Академия ГПС МЧС России, 2006. − 133 с.
102. Федеральный закон N 123-ФЗ "Технический регламент о
требованиях пожарной безопасности". От 22 июля 2008 года.
103. Черкасов, Владимир Николаевич. Пожарная безопасность
электроустановок: Учебник/ В.П. Черкасов, Н.П. Костарев. − М.:
Академия ГПС МЧС России, 2002. − 377 с.
104. Инженерная экология: Учебник/ Под ред. проф. В.Т.
Медведева.−М.: Гардарики, 2002. − 687 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ВОПРОСЫ И ПРИМЕРНОЕ
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Основные вредные и опасные факторы при эксплуатации,
обслуживании и ремонте оборудования, систем автоматического
регулирования (САР).
Параметры,
определяющие
допустимые
(оптимальные)
микроклиматические условия в помещении.
Обеспечение оптимального микроклимата.
Виды вентиляции помещений и методы ее расчета.
Нормирование
температуры
поверхностей
оборудования,
трубопроводов и интенсивности теплового излучения.
Шум и вибрация. Нормирование и методы защиты.
Освещенность. Виды систем освещения. Нормирование
освещенности рабочих мест.
Основные гигиенические требования к видеодисплейным
терминалам.
Методы организации труда при монотонном характере работы и
на рабочих местах, требующих повышенного внимания.
Основные требования эргономики к оборудованию рабочего места
оператора, к размещению приборов в щитах и в шкафах САР.
Способы снижения взрывоопасности и пожароопасности.
Средства обнаружения пожара.
Типы и принципы работы автоматических систем пожаротушения.
Нормирование и способы повышения электробезопасности.
Обеспечение электробезопасности путем заземления и зануления.
Принципы работы этих устройств.
Принцип работы и выбор устройств защитного отключения.
Обеспечение безопасности сосудов под давлением и при
использовании взрывоопасных газов.
Организационные меры обеспечения опасных работ.
Основные виды негативных воздействий на окружающую среду
энергетических объектов.
Оценка допустимости воздействий на окружающую среду.
Определение и размерности ПДК, ПДВ.
Расчет максимальной концентрации вредных веществ в приземном
слое воздуха от одиночного источника выбросов.
Расчет платы за загрязнение природной среды.
23. Устойчивость технических систем в чрезвычайных ситуациях.
24. Надежность функционирования технических объектов.
25. Источники ЧС на энергетическом объекте и возможные
последствия.
26. Основные методы повышения устойчивости технических объектов
в условиях ЧС.
Примерное
оглавление
раздела
"БЕЗОПАСНОСТЬ
И
ЭКОЛОГИЧНОСТЬ"с номером NR приведено ниже.
NR. <Наименование раздела>
Введение (без заголовка)
NR.1. Выявление и анализ вредных и опасных факторов
NR.2. Защита от вредных факторов. (Обеспечение допустимых
(комфортных) условий труда
Введение (без заголовка)
NR.2.1. Микроклимат
NR.2.2. Освещение
NR.2.3. Производственный шум
NR.2.4. Вибрация
NR.2.5. Инфракрасное излучение
NR.2.6. Электромагнитные, электростатические поля и излучения
NR.2.7. Ионизирующие излучения
NR.2.8. Инженерно-психологическое обеспечение труда
NR.3. Обеспечение производственной безопасности
NR.3.1. Электробезопасность
NR.3.2. Молниезащита
NR.3.3. Защита от термических ожогов
NR.3.4. Пожаровзрывобезопасность
NR.3.5. Безопасность систем, работающих под давлением
NR.3.6. Защита от механического травмирования
NR.4. Экологическая безопасность
NR.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС)
Заключение (без заголовка)
Примечания. 1) Воздействия, которыми можно пренебречь, в п. NR.2…NR.5 не
включаются.
2) Подразделы, в которых содержатся расчетные задания или более детальные
описания воздействий, должны содержать подпункты. Например: NR.2.1. Микроклимат/
NR.2.1.1. Нормативные параметры микроклимата/ NR.2.1.2. Система вентиляции
(кондиционирования). Порядок описания таких подразделов дан в табл. 2, а конкретные
примеры в п. 4.2.−п. 4.6.
3) В раздел можно включить "Организационное обеспечение безопасности"
(разработанные технологические инструкции, наряды допуски, проекты производства
работ).