Výbuchový trojúhelník

Transkript

Závěrečná zpráva řešení projektu č. 10/2001: „Zdolávání závažných provozních nehod“
Obsah
1
ÚVOD ......................................................................................................................................... 2
2
1. ETAPA ŘEŠENÍ, ČERVEN – ZÁŘÍ 2001 ............................................................................. 2
3
2. ETAPA ŘEŠENÍ, ŘÍJEN 2001 – BŘEZEN 2002 ................................................................... 5
4
3. ETAPA ŘEŠENÍ, DUBEN 2002 – LISTOPAD 2002.............................................................. 8
5
4. ETAPA ŘEŠENÍ, PROSINEC 2002 – SRPEN 2003 ............................................................ 10
5.1
VODNÍ ZÁTKY .................................................................................................................... 10
5.2
VÝBUCHOVÝ TROJÚHELNÍK - PROGRAM ŘEŠENÍ HAVÁRIÍ PŘI TĚŽBĚ UHLÍ V PODZEMÍ ............ 11
5.2.1
Protokol pro komunikaci s DPL..................................................................................... 12
5.2.2
Litrový vývin CO........................................................................................................... 14
5.3
NÁSLEDKY – PROGRAM PRO ŘEŠENÍ HAVÁRIÍ PŘI TĚŽBĚ A SKLADOVÁNÍ ROPY A ZEMNÍHO
PLYNU .......................................................................................................................................... 15
5.4
METODA CAM (CONGESTION ASSESSMENT METHOD) ........................................................ 23
5.4.1
Referenční přetlak......................................................................................................... 23
5.4.2
Faktor hořlaviny ........................................................................................................... 24
5.4.3
Pokles tlaku v závislosti na vzdálenosti od zdroje........................................................... 25
6
ZÁVĚR ..................................................................................................................................... 28
7
LITERATURA ......................................................................................................................... 29
8
PŘÍLOHA 1 .............................................................................................................................. 30
9
PŘÍLOHA 2 .............................................................................................................................. 30
10
PŘÍLOHA 3 .............................................................................................................................. 30
Univerzita Pardubice, KTTV
29.8. 2003
1
1 ÚVOD
Podle harmonogramu prací projektu č. 10/2001:“Zdolávání závažných provozních
nehod” v rámci Programu výzkumu a vývoje “Zvýšení úrovně bezpečnosti práce
v dolech a eliminace nebezpečí od unikajícího metanu z uzavřených důlních prostor”
měla čtvrtá etapa řešení skončit 30.6. 2003, na základě dohody mezi ČBÚ Praha a
Univerzitou Pardubice byl konec této etapy a tedy celého projektu posunut na 31.8.
2003. Tato zpráva poskytuje shrnutí prací provedených v rámci celého projektu.
V této zprávě nebudou uvedeny detailní výstupy řešení z jednotlivých etap, které již
byly uvedeny v dílčích zprávách řešení projektu. První kapitoly heslovitě shrnují práce
provedené do konce listopadu 2002. V poslední kapitole jsou podrobněji popsány práce
provedené během čtvrté etapy.
2 1. ETAPA ŘEŠENÍ, ČERVEN – ZÁŘÍ 2001
Byl vytvořen řešitelský kolektiv, který svým složením zaručoval úspěšné naplnění
předmětu smlouvy. Konečným produktem bude výpočetní program, který byl nazván
„Plyny-Win” (tento název byl v průběhu řešení změněn).
Ve spolupráci se zadavatelem byla provedena bližší specifikace využití programu a
výstupů, které by měl program poskytovat. Tento program měl být koncipován tak,
aby ho mohl využívat velitel zásahu (VHL) a mohl s jeho pomocí rychle
vyhodnocovat havarijní situace. Program dále měl být určen k odhadu následků
jednotlivých havarijních situací pro použití při přípravě havarijních plánů, analýze
rizika a při přípravě na zvládání havarijních situací. Mělo by ho být také možno
použít jako pomocný nástroj při vyšetřování a rekonstrukci havarijních situací.
Modely použité v těchto větvích by měly být dostatečně přesné, ale zároveň dostatečně
jednoduché, aby je mohli využívat i uživatelé bez speciálních znalostí (fyzika, fyzikální
chemie, teorie výbušin, chemické inženýrství apod.).
Bylo navrženo základní obecné schéma rozvoje havárií týkající se zařízení na povrchu,
které bylo v další etapě řešení na základě literární rešerše a vytvořených vzorových
scénářů doladěno a upraveno pro použití v programu.
Připravovaný program měl obsahovat dvě základní větve. Jedna větev byla určena
k řešení havarijních situací v důlních dílech a druhá větev měla řešit tuto problematiku
při těžbě a skladování zemního plynu a ropy.
Jedním ze základních požadavků byla jednoduchost a intuitivnost ovládání, uživatelsky
„přítulné“ rozhraní a jasná a přehledná presentace výsledků. Bylo započato řešení
problému vazby programu na důlní mapy.
V rámci 1. etapy byla provedena analýza stávajících metodik pro vypočet tlakových a
tepelných vln při výbuchu, bezpečné vzdálenosti, výbuchového trojúhelníku, šíření
29.8. 2003
2
požárních zplodin a možné navázání na důlní plynovou laboratoř. Tato analýza byla
základem pro vytýčení šíře a hloubky literární rešerše pro řešení předmětných
havarijních situací. V této etapě byly zhodnoceny vlastní literární zdroje a možnosti
využívání dalších informačních zdrojů.
Byla provedena rešerše týkající se programů řešící podobnou problematiku. Programy
vybrané k analýze budou cenným zdrojem inspirace při navrhování uživatelského
rozhraní a grafického vzhledu programu. Zároveň budou napomáhat při ladění
programu.
Výstupy programu se budou lišit podle účelu momentálního využívání. Velitel zásahu
bude co nejrychleji získávat dosahy charakteristických nežádoucích následků
tepelného toku a tlakových vln.
Při využívání programu v rámci analýzy rizika či tvorbě havarijních plánů bude
uživateli umožněna větší volnost při zadávání vstupních parametrů a výstupy budou
koncipovány podobně jako pro velitele zásahu, tedy vzdálenosti pro dosah
charakteristické úrovně tepelného toku nebo tlakové vlny, nebo hodnoty tepelného
toku nebo tlakové vlny ve zvolené vzdálenosti, které bude možné porovnat
s charakteristickými následky a určit míru poškození zařízení či poranění osob.
Dalším výstupem, který by mohl být programem poskytován jsou hladiny hluku
produkované při úniku plynů při kritickém výtoku. Tato problematika byla zařazena
mezi oblasti rešerše a možnost jejího řešení bude posouzena v další etapě projektu.
Byla provedena uživatelská analýza programu Plyny a bylo konstatováno, že se jedná o
výpočetní systém určený k vyhodnocení výbušnosti plyno-vzdušných směsí a požárních
zplodin s určením bezpečné vzdálenosti útlumu vzdušných rázových vln v důlních
dílech. Výpočet útlumu vzdušných rázových vln vychází z „Metodiky stanovení
bezpečné vzdálenosti od ohniska výbuchu vícesložkových směsí plynů a uhelného
prachu v důlních dílech“, která se používá v OKD. Program umožňuje vypočítat
energetickou bilanci, řešit rovnice útlumu vzdušných rázových vln v závislosti na délce
a členitosti důlního díla a stanovuje další fyzikálně chemické parametry výbušných
plyno-vzdušných směsí.
Program byl řešen ve třech variantách: Plyny, Plyny DPL a Plyny HBZS. První dvě
varianty byly založeny na řešení výbuchových trojúhelníků, parametrů plynu, spalování
se vzduchem a změně chemického složení. Vstupy byly zadávány v prvním případě
manuálně, ve druhém byly vstupy napojeny na důlní plynovou laboratoř. Obě varianty
řešily možnost inertizace a útlum vzdušných rázových vln pomocí manuálního zadávání
krokového řešení jednotlivých větví až po stanovení bezpečné vzdálenosti. Třetí
varianta programu Plyny HBZS je určena pro podrobnější studium termochemických
vlastností hořlavých a výbušných směsí. Obsahuje celkem 45 těchto látek, z nichž je
možno současně zadat až 10 složek. Tato varianta nepracuje s výbuchovým
trojúhelníkem.
Uživatelské prostředí programu, pracující s operačním systémem MS DOS verze 5 nebo
vyšší, není příliš komfortní, spolupráce s programy typu Microsoft Windows apod. není
možná. Z hlediska praktického použití v zásahových akcích RBZS nenašel tento
program praktické a podstatné uplatnění.
29.8. 2003
3
Pro volbu modelů v prostředí důlních děl plynujících dolů je zdrojový člen poměrně
variabilní hlavně při zdolávání důlních požárů za přítomností požárních zplodin, kdy je
výbušné prostředí tvořeno plyno-vzdušnou směsí metan, vodík, oxid uhelnatý, oxid
uhličitý, kyslík a dusík. Z analýzy vyplynulo, že rešerše musí vycházet ze základního
scénáře výpočtu zdrojového členu, popisu fyzikálních projevů a odhadu následků ve
vztahu k útlumu tlakových vln pro stanovení bezpečných vzdáleností havarijního
zásahu.
Byla provedena analýza stávajících metodik pro vypočet tlakových a tepelných vln při
výbuchu, bezpečné vzdálenosti, výbuchového trojúhelníku, šíření požárních zplodin,
možné navázání na důlní plynovou laboratoř. S tím také souvisí kontakty, které byly
navázány. Byly to kontakty na dolech – ČMD a.s. Důl ČSM, HBP a.s. Baňa Handlová
oz, ČMD a.s. Kladenské doly oz Libušín, OKD a.s. Důl Lazy oz., a zhotovitel se
předběžně seznámil se stavem zajištění havarijních situací. K problematice důlních map
to bylo jednání se společností IMGE, o.z. (Inženýring, Měřictví, Geologie a Ekologie),
která se mimo jiné zabývá digitálním zpracováním dat, a to jak grafických tak
numerických a tvorbou digitálních map.
Na základě provedené analýzy byla vytýčena šíře a hloubka literární rešerše pro řešení
havarijních situací v dolech. Měla se týkat rychlosti postupu reaktivní plamenné zóny
plynnou výbušnou směsí, reaktivity plynných směsí, geometrií šíření plamene,
podmínkami vymezujícími možnosti proudění plynu ve vymezeném prostoru, stupněm
turbulence v oblasti zóny hoření, zejména v oblasti před jejím čelem, situováním a
mohutnost iniciačního zdroje, délkou (dosah) plamenné zóny a maximálním přetlakem
na vrcholu deflagrační vlny.
Byla také vytýčena šíře a hloubka literární rešerše pro řešení havarijních situací na
povrchu a měla zahrnovat: výtoky plynů ze zařízení kritickou rychlostí se zaměřením na
zemní plyn, rozptyly plynů v ovzduší při výtoku plynů (zemního plynu) ze zařízení
kritickou rychlostí, výtoky kapalin (ropy) ze zařízení, odpar kapalin (ropy) při výtoku a
z vytvořené louže, rozptyly par kapalin v ovzduší, požáry typu pochodeň (jet), hořící
louže, ohnivou kouli a flash, výbuch neohraničeného oblaku par, následky působení
tlakových vln, následky působení tepelného toku.
Na základě požadavků objednatele se literární rešerše měla týkat i problematiky hluku
při výtocích plynů kritickou rychlostí.
V souvislosti s haváriemi při těžbě a skladováním ropy a zemního plynu byly navázány
kontakty se společností Transgas a.s. Praha a se společností Moravské naftové doly a.s.
K úspěšnému zvládnutí vytýčené rešerše bylo provedeno zhodnocení vlastních
literárních zdrojů a posouzení možností využití Internetových informačních zdrojů. Na
základě zkušeností a osobních konzultací byly nalezeny programy řešící podobnou
problematiku: „SAVE II“ společnosti Save, „ALOHA“ U.S. Environmental Protection
Agency, „Effects“ a „Damage“ holandské společnosti TNO, „Flacs“ norské společnosti
Christian Michelsen Research. Na základě internetové rešerše byly nalezeny internetové
stránky dvou společností nabízejících software řešící podobnou problematiku. Jedná se
o společnost Trinity Consultants Company a jejich programy „Breeze Haz Professional“
a program „VASDIP“. Druhou byla společnost Lakes Environmental – „SLABView“.
29.8. 2003
4
V této etapě řešení projektu započal výběr vhodných a dostupných programů z výše
uvedených. Současně začalo intenzivní hledání investičních prostředků pro nákup
některých programů. K datu ukončení této etapy se jako dostupné jevily programy:
•
•
•
•
•
SAVE II holandské společnosti Save, který byl zapůjčen od Ing. Miloše
Ferjenčíka,
programu AutoReaGas společnosti Century Dynamics, který byl již v užívání
KTTV Univerzity Pardubice,
z prostředků Katedry teorie technologie výbušin byl zvažován nákup
softwarového balíku BREEZE HAZ Fire/Explosion americké společnosti
Trinity Consultants,
KTTV také plánoval nákup programu SLAB View společnosti Lakes
Environmental,
program ALOHA U.S. Environmental Protection Agency, který již byl na
KTTV využíván.
Bylo provedeno zhodnocení současného stavu legislativy týkající se řešené
problematiky.
3 2. ETAPA ŘEŠENÍ, ŘÍJEN 2001 – BŘEZEN 2002
Tato etapa byla zaměřena především na literární rešerši, jejíž výsledky jsou uvedeny
v dílčí zprávě. Hloubka a šíře literární rešerše byla vytýčena v 1. etapě řešení. Pro řešení
havarijních situací v dolech byly analyzovány problematiky výbuchů a požárů
v hlubinných dolech.
V případě řešení havarijních situací na povrchu se literární rešerše týkala výtoků plynů
ze zařízení kritickou a podkritickou rychlostí se zaměřením na zemní plyn, rozptylů
plynů v ovzduší při výtoku plynů (zemního plynu) ze zařízení kritickou rychlostí,
výtoků kapalin (ropy) ze zařízení, šířením kapaliny na podloží, odparem kapalin (ropy)
při výtoku a z vytvořené louže, rozptyly par kapalin v ovzduší, požáry typu pochodeň
(jet), hořící louže a hořící vyhoření oblaku (flash fire), výbuchy neohraničeného oblaku
par, následky působení tlakových vln, následky působení tepelného toku a
problematikou hluku při výtocích plynů kritickou rychlostí.
V souladu se závěry z předchozí etapy bylo provedeno prověření programů řešících
problematiku havárií v procesním průmyslu. Byl to program „SAVE II“ společnosti
Save, program „ALOHA“ U.S. Environmental Protection Agency, program
„AutoReaGas“ společnosti Century Dynamics a také programový balík „Breeze Haz
Professional“ americké společnosti Trinity Consultants. Posouzení těchto programů
přineslo autorům mnoho inspirace a umožnilo lépe zvážit vytvářené uživatelské
rozhraní. Zvoleným operačním systémem je systém Windows 2000. Zvoleným
programovacím jazykem je jazyk Delphi.
S ohledem na zvolený operační systém byla také určena minimální hardwarová
konfigurace, která je:
29.8. 2003
5
Procesor: kompatibilní s Pentium 500 MHz
Operační paměť RAM: 128 MB
Volné místo na disku: 300 MB
V této etapě proběhla také 1. část experimentálního ověření účinků definovaných
výbušných systémů na pokusné štole Štramberk.
V souvislosti s průběžným projednáváním postupu řešení projektu č. 10/2001
„Zdolávání závažných provozních nehod“ mezi ČBÚ Praha a Univerzitou Pardubice,
které se konalo dne 30.11. 2001 na Českém báňském úřadu, byl zadavatelem vznesen
požadavek na nutnost prověření programu na výpočet vodních zátek jako metody
výbuchuvzdorného uzavírání požářišť.
Při následném jednání 25.2. 2002 na HBZS v Ostravě Radvanicích za přítomnosti
zástupce ČBÚ Praha byl tento požadavek upřesněn a byly definovány požadavky na
posouzení správnosti výpočetních postupů vodních zátek uvedených v Instrukci č. 1/98
RBZS (1998).
Jednalo se zejména o vyřešení těchto dílčích problematik:
-
-
Pro operativní použití přepracovat do přesnějšího a zjednodušeného vztahu
výpočetní vzorec uvedený na str. 16 uvedené instrukce dle nového výpočetního
postupu.
Doplnění a upřesnění hodnot opravných koeficientů na základě nových poznatků
(ovlivnění úklonem chodeb a velikosti jejich profilu).
Rozšíření tabulky na str. 16 pro světlý průřez důlních děl 14 m².
Zpracovat návrh novelizace pro Instrukci č.1/98 RBZS.
Vypracovat nový výpočetní program pro použití vodních zátek, který bude
kompatibilní se stávajícími programy operačního systému Windows. Program bude
doplněn o aktuální poznatky a bude zahrnovat řešení konfiguračních anomálií
důlních děl, které se mohou vyskytnout v provozu.
Pro únik zemního plynu byl navržen následující rozvoj havárie (Obrázek 2-1), který
bude zahrnut do programu. V souladu s tímto schématem bude uživatel zadávat a volit
jednotlivé kroky výpočtu. Vzhledem k charakteru látek účastnících se potenciálních
havárií a jejich stavu v procesu, nebude fyzikální projev BLEVE (Boiling Liquid
Expanding Vapor Explosion) zahrnut do rešerše.
Pro únik surové ropy byl navržen následující rozvoj havárie (Obrázek 2-2), který bude
zahrnut do programu. V souladu s tímto schématem bude uživatel zadávat a volit
jednotlivé kroky výpočtu.
29.8. 2003
6
jednorázový
konečný
nekonečný
zemní plyn
únik
výtok plynu:
- škrcený
- podkritický
okamžitá
iniciace
opožděná
pochodeň
rozptyl
tepelný tok
velikosti, reaktivita a turbulence
zóny ohrožení
malé
velké
vyhoření oblaku +
výbuch oblaku +
pochodeň
pochodeň
tepelný tok
tlaková vlna
tepelný tok
zóny ohrožení
zóny ohrožení
Obrázek 1: Rozvoj havárie spojený s únikem zemního plynu
Bylo uskutečněno jednání ve společnosti OKD a.s. IMGE o.z., která se mimo jiné
zabývá:
•
•
•
•
•
prováděním důlně měřické činnosti;
prováděním zeměměřických činností na povrchu;
digitálním zpracování dat, a to jak grafických, tak numerických;
tvorbou digitálních map;
grafickými pracemi.
Při jednání byl posouzen stav digitalizace důlních map a možnosti jiného grafického
zpracování těchto map. Současný stav na dolech neumožňuje aktivní propojení
programu a vytvářeného softwaru. To by umožnily pouze kompletní digitální mapy. Ty
se sice začaly vytvářet, ale jejich vytváření je velmi komplikované a finančně náročné.
Výsledné mapové soubory, pokud budou v barevném provedení, budou velmi velké a
práce s tak velkými soubory je značně závislá na hardwarovém vybavení počítače.
Podle vyjádření zástupců IMGE o.z. OKD, a.s. teď s vytvořením digitálních map všech
šachet nepočítá. Bylo tedy rozhodnuto, že napojení vytvářeného softwaru nebude dále
řešeno.
29.8. 2003
7
ropa
jednorázový
konečný
nekonečný
únik
omezená
neomezená
louže
výtok kapaliny
okamžitý odpar
šíření louže
odpar z louže
okamžitá
iniciace
opožděná
podle tlaku v systému
tryskání
rozptyl
hořící louže
velikosti, reaktivita a turbulence
tepelný tok
malé
velké
zóny ohrožení
vyhoření oblaku +
výbuch oblaku +
+ hořící louže
+ hořící louže
nebo tryskání
nebo tryskání
tepelný tok
tlaková vlna
tepelný tok
zóny ohrožení
zóny ohrožení
Obrázek 2: Rozvoj havárie spojený s únikem surové ropy
4 3. ETAPA ŘEŠENÍ, DUBEN 2002 – LISTOPAD
2002
Třetí etapa řešení projektu byla zaměřena především na dokončení algoritmů řešení
jednotlivých modelů. Byly to algoritmy následujících modelů: výtoky plynů ze zařízení
kritickou a podkritickou rychlostí se zaměřením na zemní plyn, rozptyly plynů
v ovzduší při výtoku plynů (zemního plynu) ze zařízení kritickou rychlostí, výtoky
kapalin (ropy) ze zařízení, šíření kapaliny na podloží, odpar kapalin (ropy) při výtoku a
z vytvořené louže, rozptyly par kapalin v ovzduší, požáry typu pochodeň (jet), hořící
louže, výbuch neohraničeného oblaku par, následky působení tlakových vln, následky
působení tepelného toku, problematik hluku při výtocích plynů kritickou rychlostí,
vypočet tlakových vln, tepelné radiace při požáru, bezpečné vzdálenosti a výbuchového
trojúhelníku. Podle plánu probíhala práce na programování konečného produktu.
Současně s programováním probíhalo i ladění jednotlivých naprogramovaných
algoritmů.
29.8. 2003
8
Během této etapy byla, problematikou hluku při únicích stlačeného plynného média do
prostředí s nižším tlakem, dokončena vytýčená rešerše. V dílčí zprávě jsou popsány
základní principy lidského sluchového vnímání, základní veličiny této problematiky,
zdroje hluku, fyziologické účinky hluku a pak běžně používané limity hluku.
V předcházející etapě řešení projektu bylo rozšířeno zadání o problematiku využití
chodeb se střídavým úklonem k uzavírání požářiště. Tato problematika byla ve třetí
etapě dořešena a byl vytvořen program řešící vodní zátky. První verze programu
„Vodní zátky“ byla předvedena zástupcům HBZS Ostrava. Připomínky Ing. Františka
Ševčíka a pracovníků HBZS Ostrava byly zapracovány do další verze tohoto programu.
Technické podklady k řešení této problematiky byly uvedeny v kapitole 2 dílčí zprávy
řešení. Dále byly předány technické podklady k novelizaci výnosu ČBÚ týkajícího se
vodních zátek..
Součástí dílčí zprávy byly také výstupy z rešerše předpisů v oblasti požární ochrany
povrchových zařízení při skladování plynu a nafty včetně jejich těžby.
V rámci třetí etapy byly také provedeny dvě série zkoušek na pokusné štole ve
Štramberku. První série zkoušek se týkala měření dosahu plamenné zóny. Z výše
uvedených předpokladů a naměřených výsledků je možno konstatovat, že dosah
plamenných zón při výbuchu metanovzdušné směsi v jednorozměrných vlnovodech je
v průměru necelý pětinásobek délky zaplynovaného úseku.
Druhá série zkoušek sloužila k nakalibrování výpočetního programu AutoReaGas na
podmínky výbuchu metanovzdušných směsí ve ventilované geometrii. Kalibrační
konstanty byly na základě provedených zkoušek upraveny.
Dne 25.6. 2002 proběhla pracovní schůzka řešitelů projektu se zástupci HBZS na dole
„Darkov“, kde se řešitelé seznámili s konkrétními podmínkami v podzemí. Hlavním
závěrem této schůzky bylo, že výpočty bezpečnostních vzdáleností jsou vzhledem
k nejistotě při odhadování počátečních podmínek nespolehlivé. V návaznosti na tento
závěr zástupci HBZS a řešitelé projektu doporučili přesunutí hlavní váhy projektu řešící
provozní nehody v podzemí na výpočet výbuchového trojúhelníku v závislosti na
aktuálním složení plynu, který je základním vstupem pro další řešení projektu.
Vytvářený program by měl umožnit zadávání složení důlních plynů a na základě tohoto
složení vyhodnocovat výbuchový trojúhelník. Do budoucna by měl být připraven na
zadání protokolu pro on-line přenos dat ze systému měřícího složení důlních plynů.
Současný systém DPL toto propojení neumožňuje.
Na kontrolním dnu konaném dne 4.7. 2002 na ČBÚ Praha byl, v zápisu z jednání,
projekt v souladu s bodem VII/1 smlouvy č. 516/01/10 upřesněn následujícím textem:
Převést výpočet výbuchového trojúhelníku, který je vytvořen pro operační systém DOS,
do programu využívající současných operačních systémů a výpočetní techniky.
Vytvořený program umožní zadávání složení důlních plynů a na základě složení důlních
plynů vyhodnocovat výbuchový trojúhelník. Struktura vytvořeného programu umožní
zadání „protokolu“ pro on-line přenos dat ze systému měřícího složení důlních plynů a
následné vyhodnocení výbuchového trojúhelníku.
29.8. 2003
9
5 4. ETAPA ŘEŠENÍ, PROSINEC 2002 – SRPEN
2003
Během řešení projektu bylo rozšířeno zadání o vyřešení problematiky vodních zátek a
vytvoření výpočetního programu. Vzhledem k tomu se změnila původní strategie,
vytvořit jeden program s jednou větví pro řešení problematiky těžby uhlí a jednou větví
pro řešení problematiky těžby a skladování ropy a zemního plynu, vytvářeného
programu, byly vytvořeny tři samostatné programy
•
•
•
Vodní zátky – pro řešení pohybu vodního sloupce,
Výbuchový trojúhelník - pro řešení havárií při těžbě uhlí a
Následky – řešící následky havárií při těžbě ropy a zemního plynu,
které jsou soustředěny a instalovány jako programový balík DISSOLVER. Během
čtvrté etapy probíhaly práce na všech třech programech.
5.1
Vodní zátky
Modul pro výpočet vodních zátek jako metody výbuchu-vzdorného uzavírání požářišť
byl opraven a doplněn na základě připomínek, které byly vzneseny při kontrolním dnu
konaném 29.11. 2002 v Praze.
Při kontrolním dnu konaném dne 18.4. 2003 na Českém báňském úřadě, oddělení VaV
v Ostravě byla předvedena opravená verze programu, která byla podrobena další kritice
spolu s předanými podklady pro novelizaci výnosů ČBÚ. Z jednání tohoto kontrolního
dne vyplynuly následující požadavky na úpravu programu:
•
•
dopřesnit definice jednotlivých pojmů v návrhu novely instrukce a v součásti
manuálu při počítačovém řešení a
kapacitu vodního zdroje řešit od spodní hranice vydatnosti 300 l.min-1.
Na základě tohoto jednání byly provedeny poslední úpravy programu a jeho poslední
verze byla předvedena na velitelském dnu konaném 19.6. 2003 na HBZS v Ostravě.
V poslední etapě byl do výpočetního programu především zadán a výpočetně
verifikován možný vodorovný úsek štoly. Bylo ukončeno ladění programu v oblastech
vstupních okrajových (malých a velkých) úklonů důlních děl v návaznosti na stanovení
výšky větratelného zatopení. Zároveň byly jednoznačně definovány úrovně hladin a
vstupní meze pro zadávání nereálných hodnot.
Byly doplněny potřebné časy pro zatopení různých úrovní hladin na základě skutečného
definovaného vodního přítoku.
Byl vypracován text jak uživatelského tak teoretického manuálu pro tento modul
„Vodní zátky“. Oba jsou samostatnou přílohou této zprávy.
29.8. 2003
10
5.2 Výbuchový trojúhelník - program řešení havárií při těžbě
uhlí v podzemí
V rámci tohoto programu byla především dopracována procedura řešící výbuchový
trojúhelník, jeho výpočet a vykreslování, v souladu s metodikou popsanou v dílčí
zprávě z etapy 2. Tato procedura byla podrobena důkladnému zkoušení a podle
dosažených výsledků bylo konstatováno, že je v pořádku.
Na základě připomínek, které byly vzneseny při kontrolním dnu konaném 29.11. 2002
v Praze bylo provedeno několik úprav programu. Jednalo se problémy při řešení
událostí s nestandardním složením atmosféry. Byla zablokována možnost zadání tuhých
a kapalných látek do složení atmosféry. Tyto látky sice mohou hořet, ale nebudou
součástí výbušné atmosféry. Tím byl také odstraněn problém se zadáním jejich
množství, které bylo původně v objemových procentech, což je fyzikálně nemožné.
V původní verzi programu bylo možné v případě nestandardního složení důlních plynů
zadat jakékoliv složení jak z hlediska látek tak jejich koncentrací. To ovšem znamenalo,
že nelze spočítat výbuchový trojúhelník a vykreslit ho. Program byl v tomto případě
schopen uvést pouze výsledky termodynamické analýzy a okno pro výbuchový
trojúhelník obsahovalo pouze varovné hlášení, že výbuchový trojúhelník nelze spočítat
(viz Obrázek 3). Proto bylo během testování tohoto programu rozhodnuto, že z hlediska
užívání bude vhodnější, aby se v této části (Nestandardní havárie) po zadání složení
atmosféry zobrazilo okno s výsledky Termodynamické analýzy a nikoliv okno
s výbuchovým trojúhelníkem.
Obrázek 3: Okno s varovným hlášením, že výbuchový trojúhelník nelze
spočítat
29.8. 2003
11
Dále bylo zjištěno, že přestože je koncentrace plynů, pro které nelze vykreslit
výbuchový trojúhelník (jsou navíc proti standardnímu složení), je nulová, tak se
výbuchový trojúhelník nespočítá.
První problém byl vyřešen tak, že v případě nestandardního složený atmosféry se
automaticky nabízí okno s termodynamickými výpočty a list „výbuchový trojúhelník“
zůstává potemnělý. V druhém případě se nekontroluje pouze složení směsi, ale také
koncentrace jednotlivých složek tak, že pokud složení směsi, přestože jsou do paketu
zadány i jiné látky než standardní, odpovídá standardnímu složení směsi, pak je
výbuchový trojúhelník aktivován.
Po provedení těchto oprav byl výbuchový trojúhelník předveden na kontrolním dnu
konaném dne 18.4. 2003 na Českém báňském úřadě, oddělení VaV v Ostravě. Po
rozsáhlé diskusi byly požadavky shrnuty do tří hlavních bodů:
•
•
•
připravit program pro systém on-line, tak aby bylo na základě
zdokumentovaných formátů výstupu měření jednotlivých plynných složek
důlního ovzduší možné průběžně zobrazovat jednotlivé koncentrace a
výbuchový trojúhelník, aniž by musely být manuálně zadávány koncentrace
jednotlivých složek důlního ovzduší,
aby s ohledem na množství větrů proudících v daném místě havárie bylo možné
stanovit, zda zdroje inertizujícího dusíku jsou natolik dostatečné a jsou schopny
zajistit, aby složení ovzduší bylo mimo výbuchový trojúhelník,
aby byly ve zpracovaném programu zajištěny údaje, o kolik m3 musí být sníženo
proudící množství větrů v místě havárie, aby zdroj inertizujícího dusíku zajistil
takové složení větrů, které bude mimo výbuchový trojúhelník.
Tyto požadavky byly do programu zapracovány. V návaznosti na tento kontrolní den
byly uživateli poskytnuty údaje řádové údaje o koncentracích nestandardních složek
důlního ovzduší. Byla znovu provedena velmi podrobná analýza ovlivnění výsledků
jednotlivých procedur programu Výbuchový trojúhelník. Vzhledem k velmi nízkým
koncentracím jednotlivých složek (suma by neměla překročit 1 obj. % v celé směsi) by
zaznamenána změna vypočtených hodnot na až čtvrtém desetinném místě. Proto byl
přehodnocen závěr, že výbuchový trojúhelník nelze pro toto složení použít. Obě větve
programu tedy poskytují všechny požadované informace.
Pro on-line komunikaci programu Výbuchový trojúhelník s důlní plynovou laboratoří
řešitelé navrhují následující formát přenášených dat. V následujícím textu není uveden
přímo formát protokolu, ale pouze specifikace požadavků na DPL, které by měla
splňovat. Konkrétní implementaci komunikace mezi DPL a vzdáleným počítačem
(včetně volby transportního protokolu) nelze bez rozsáhlé diskuse programátora
aplikace Výbuchový trojúhelník a výrobce DPL uskutečnit!
5.2.1 Protokol pro komunikaci s DPL
Důlní průmyslová laboratoř by měla být schopna pořizovat informace o složení všech
definovaných požárních plynů v několika zadaných odběrních místech najednou. O
každém odběrném místě by měla poskytovat základní informace shrnuté
29.8. 2003
12
v charakteristice odběrního místa (TSamplingPlace). Každé odběrní místo by mělo být
definováno jakýmsi jednoznačným identifikátorem – číslem nebo textovým popiskem.
TSamplingPlace (charakteristika odběrního místa)
PlaceID
Jednoznačný identifikátor odběrného místa (číslo nebo textový
popisek), ke kterému se vztahují následující koncentrační data
Data CO2
Koncentrace oxidu uhličitého v daném čase a místě
Data CH4
Koncentrace methanu v daném čase a místě
Data O2
Koncentrace kyslíku v daném čase a místě
Data CO
Koncentrace oxidu uhelnatého v daném čase a místě
Data H2
Koncentrace vodíku v daném čase a místě
Důlní průmyslová laboratoř by měla být schopna poskytovat požadovaná data
prostřednictvím tzv. datových paketů. Datový paket (balíček) by měl obsahovat
informace o pořízeném složení všech požárních plynů ve všech definovaných odběrních
místech v daném čase. Každý datový paket by měl být definován jakýmsi
jednoznačným identifikátorem – číslem. Dále by měl obsahovat informace o datu a čase
pořízení vzorků složení (jeden datum a čas společný pro všechna složení ve všech
odběrních místech), počet odběrných míst, která jsou součástí tohoto paketu a nakonec
sekvenci charakteristik jednotlivých odběrních míst.
TDataPacket (charakteristika datového paketu)
PacketID
Jednoznačný identifikátor datového paketu (číslo), ke kterému se
vztahují následující data
AcqDate
datum (rok, měsíc, den) odběru vzorků složení, které patří do
tohoto paketu (všechny odběrná místa)
AcqTime
čas (hodina, minuta, sekunda) odběru vzorků složení, které patří
do tohoto paketu (všechny odběrná místa)
SampPlaceCnt
počet odběrních míst v tomto paketu (N)
{SampPlace1}
charakteristika odběrního místa č. 1 (viz předchozí tabulka)
{SampPlace2}
charakteristika odběrního místa č. 2 (viz předchozí tabulka)
………………
{SampPlaceN}
charakteristika odběrního místa č. N (viz předchozí tabulka)
Jako nejvhodnější transportní protokol se jeví v průmyslové sféře celkem rozšířený
protokol typu klient-server, který se jmenuje MODBUS. Podle typu sítě, na které
komunikace probíhá, existují dvě základní odnože tohoto protokolu:
1) MODBUS/RS485 – používá se pro komunikaci přes sériovou linku. V závislosti na
kódování přenášených dat existují dvě mutace tohoto protokolu – MODBUS/RTU a
MODBUS/ASCII. Z těchto uvedených by bylo preferovváno kódování RTU pro
jeho výraznou efektivitu oproti kódování ASCII.
2) MODBUS/TCP – používá se pro komunikaci přes lokální ethernet. Tento protokol
má téměř identickou strukturu jako MODBUS/RS485 a je založen na známém
internetovém protokolu TCP/IP.
Znovu je třeba upozornit na to, že konkrétní implementaci komunikace mezi DPL a
vzdáleným počítačem (včetně volby transportního protokolu) nebude bez rozsáhlé
diskuse programátora aplikace Výbuchový trojúhelník a výrobce DPL uskutečnit.
29.8. 2003
13
5.2.2 Litrový vývin CO
V poslední etapě byl na jednání se zástupci HBZS vznesen požadavek na doplnění
programu o sledování hodnoty litrového vývinu LV. Hodnota LV se počítá podle vztahu
LV =
Q × ppm
1000
1.
kde LV je litrový vývin (l.min-1), Q je množství větrů (m3.min-3).
Vyskytne-li se v požárních plynech oxid uhelnatý a jeho průtok přesáhne kritickou
hranici 10 l.min-1, je uživatel na tuto skutečnost upozorněn červeným blikajícím
hlášením: „Faktor LVCO dosáhl limitní hodnoty!!!“ vlevo v řádku na spodu
obrazovky (viz Obrázek 4).
Obrázek 4 je kopií obrazovky při řešení havárie s nestandardním složením důlních
plynů, kde je možné vidět všechny zakomponované připomínky a doplňky, které byly
během řešení projektu a jsou popsány výše.
Obrázek 4: Příklad okna programu Výbuchový trojúhelník pro nestandardní
složení důlních plynů
29.8. 2003
14
5.3 Následky – program pro řešení havárií při těžbě a
skladování ropy a zemního plynu
Při kontrolním dnu konaném 29.11. 2002 v Praze byly předloženy jednotlivé samostatné
algoritmy výpočtů fyzikálních projevů a následků havárií při těžbě ropy a zemního
plynu v formátu MS Excel. Během první části čtvrté etapy byly tyto algoritmy ve
formátu MS Excel propojeny a vznikly funkční kostry programu pro zemní plyn a ropu.
Byla vytvořena struktura databáze fyzikálně chemických vlastností zemního plynu
(Obrázek 5) a ropy (Obrázek 6) a jednotlivé algoritmy si zde berou vstupy pro
jednotlivé výpočty. Od společnosti Moravské naftové doly, a.s. byly získány některé
údaje o předmětných látkách. Bohužel tyto údaje nebyly kompletní a řešitel musel
některé údaje doplnit údaji z literatury. Značným problémem se jeví vlastnosti ropy,
protože byly obdrženy údaje o ropách ze čtyř míst a rozdíly jsou nezanedbatelné.
Zásadní je rozdíl ve vlastnostech ropy typu A, která ve se svými průměrnými
vlastnostmi blíží přehřáté kapalině. Toto je zohledněno ve výpočtech zdrojového členu.
Obrázek 5: Struktura databáze fyzikálně chemických vlastností zemního
plynu
29.8. 2003
15
Obrázek 6: Struktura databáze fyzikálně chemických vlastností čtyř typů
ropy
V jednom listě sešitu MS Excel se provádí zadání počátečních podmínek (Obrázek 7),
které jsou propojeny do navazujících algoritmů.
Obrázek 7: Okno zadávání počátečních podmínek
29.8. 2003
16
V jednom listě jsou pak soustředěny výsledky všech navazujících výpočtů.
Obrázek 8: Okno výsledků
K vytvoření těchto dvou souborů ve formátu MS Excel bylo přistoupeno z důvodu
úspory času. Pro programátora, který nebyl obeznámen s problematikou výpočtů
fyzikálních projevů a následků průmyslových havárií, bylo nezbytné pečlivě připravit
modely a provést jejich propojení tak, aby při psaní programu v jazyce Delphi neměl
problémy s hledáním a vytvářením těchto propojení. Bylo nutné ho seznámit se
základním názvoslovím, obecně s jednotlivými modely a jejich platností a
s rozhodovacími prvky.
V průběhu programování musela být upravena základní schémata řešící fyzikální
modely pro únik zemního plynu a ropy. Na Obrázku 9 pro zemní plyn a Obrázku 10 pro
ropu.
Do obou schémat byl přidán fyzikální projev ohnivá koule (fireball) a naopak byl
vypuštěn projev vyhoření oblaku (flash fire).
29.8. 2003
17
zemní plyn
jednorázový
konečný
nekonečný
únik
výtok plynu:
- škrcený
- podkritický
okamžitá
pochodeň
iniciace
Ohnivá koule
opožděná
rozptyl
tepelný tok
výbuch oblaku +
pochodeň
zóny ohrožení
tlaková vlna
tepelný tok
zóny ohrožení
Obrázek 9: Rozvoj havárie spojený s únikem zemního plynu
jednorázový
konečný
nekonečný
ropa
únik
výtok kapaliny
okamžitý odpar
rozpuštěného plynu
okamžitá
iniciace
podle tlaku v systému
tryskání
ohnivá koule
opožděná
rozptyl
hořící louže
výbuch oblaku +
+ hořící louže
tepelný tok
nebo tryskání
zóny ohrožení
tlaková vlna
tepelný tok
zóny ohrožení
Obrázek 10: Rozvoj havárie spojený s únikem surové ropy
29.8. 2003
18
Největší problém byl s rozlišením jednotlivých časů a dob trvání úniku. Jednoznačnost
definicí je nezbytná pro určování celkového množství uniklé látky a rozlišení modelu
jednorázového a kontinuálního výtoku. Původní schéma propojení jednotlivých modelů
s ohledem na jednotlivé doby trvání úniku jsou uvedena v Tabulce 1 pro zemní plyn a
v Tabulce 2 pro ropu.
Tabulka 1: Původní schéma propojení jednotlivých modelů s ohledem na
jednotlivé doby trvání úniku
Typ výtoku
jednorázový
konečný
(1-59 s)
Výtok otvorem v potrubí
Výtok otvorem v nádobě
•
nemá význam
•
•
•
kompletní roztržení nádoby,
účastní se celý obsah nádoby,
toto množství je vstupní parametr pro
model fireball (okamžitá iniciace) nebo
pro modely difúzního rozptylu a VCE
(opožděná iniciace)
•
spočítá se hmotnost plynu uniklého
během zadaného počtu sekund,
model fireball (okamžitá iniciace)
nebo pro modely difúzního rozptylu a
následně VCE (opožděná iniciace)
•
model fireball (okamžitá iniciace) nebo
pro modely difúzního rozptylu a
vypočte se průměrný hmotnostní tok
za první minutu výtoku (součet hmot.
toků v každé z 60 sekund první
minuty děleno 60),
tento hmotnostní tok je vstupní
parametr pro model jet fire (okamžitá
iniciace) nebo pro modely rozptylu jet
a následně VCE (opožděná iniciace)
•
minuty děleno 60),
iniciace) nebo pro modely rozptylu jet
a následně VCE (opožděná iniciace)
•
•
•
konečný
(60-900 s)
•
•
nekonečný
•
•
•
•
29.8. 2003
(bude se iterovat až do zadané doby
výtoku, pak se suma všech výtoků
vydělí počtem iterací),
iniciace) nebo pro modely rozptylu jet a
(bude se iterovat pouze do prvních
60 sekund, pak se suma všech výtoků
vydělí počtem iterací),
iniciace) nebo pro modely rozptylu jet a
19
Tabulka 2: Původní schéma propojení jednotlivých modelů s ohledem na
Typ výtoku
jednorázový
konečný
(1-60 s)
Výtok otvorem v potrubí
Výtok otvorem v nádobě
•
nemá význam
•
•
•
kompletní roztržení nádoby,
účastní se celý obsah nádoby,
model FIREBALL (okamžitá iniciace)
nebo pro modely PUFF a CAM
•
•
•
•
konečný
(61-900 s)
•
•
nekonečný
•
•
•
minuty děleno 60),
parametr pro model JET FIRE a také
POOL FIRE (okamžitá iniciace) nebo
pro modely PLUME a CAM
(opožděná iniciace) – pouze do
modelu CAM vstupuje hmotnost ropy
z modelu PLUME
•
•
minuty děleno 60),
pro modely PLUME a CAM
(opožděná iniciace) – pouze do
modelu CAM vstupuje hmotnost ropy
z modelu PLUME
•
výtoku a kontrolovat, zda se nádoba
nevyprázdnila, ale bude se brát suma
všech výtoků za prvních 60s vydělená
počtem iterací),
pro modely PLUME a CAM (opožděná
iniciace) – pouze do modelu CAM
vstupuje hmotnost ropy z modelu
PLUME
výtoku a kontrolovat, zda se nádoba
nevyprázdnila, ale bude se brát suma
všech výtoků za prvních 60s vydělená
počtem iterací),
pro modely PLUME a CAM (opožděná
iniciace) – pouze do modelu CAM
vstupuje hmotnost ropy z modelu
PLUME
Použití těchto schémat však znamenalo řádové nadhodnocení množství látky v oblaku
pro jednorázový únik proti kontinuálnímu, což odporuje realitě. Bylo nezbytné tato
schémata upravit. Hlavní rozdíl je v množství látky vstupující do ohnivé koule a modelu
odfouknutí (puff). Tato množství byla omezena prvními dvěmi sekundami. To není
v rozporu s metodikou popsanou v příručce CCPS (1999). V Tabulce 3 je uvedeno
upravené schéma pro ropu. Schéma pro zemní plyn je podobné.
29.8. 2003
20
Tabulka 3: Upravené schéma propojení jednotlivých modelů s ohledem na
Typ výtoku
Okamžitá iniciace
Opožděná iniciace
•
jednorázový
+
konečný
(1 – 2 s)
•
•
kompletní roztržení nádoby nebo
potrubí (pouze bez čerpadla!!!),
účastní se celý obsah nádoby nebo
hmotnost kapaliny vyteklé po vypnutí
čerpadla - toto množství vstupuje do
modelu FIREBALL
•
•
•
•
konečný
(3 – 60 s)
•
spočítá se hmotnost ropy uniklé
během prvních dvou sekund výtoku toto množství vstupuje do modelu
FIREBALL
spočítá se průměrný hmotnostní
průtok ropy za dobu výtoku - toto
množství vstupuje do modelu JET
FIRE
•
•
•
konečný
(61 – 900 s)
+
nekonečný
•
spočítá se hmotnost ropy uniklé
FIREBALL
průtok ropy za první minutu výtoku toto množství vstupuje do modelu
JET FIRE
•
kompletní roztržení nádoby nebo
potrubí (pouze bez čerpadla!!!),
spočítá
se
hmotnost
plynu
rozpuštěného v celkovém množství
ropy - toto množství vstupuje do
modelu PUFF a CAM
spočítá se hmotnost ropy, která
zbude po odpaření množství plynu –
toto množství vstupuje do modelu
POOL FIRE (jednorázová verze)
průtok rozpuštěného plynu v ropě
rozptylu PUFF. Vypočtená hmotnost
plynu ve výbušné oblasti vstupuje do
modelu CAM.
průtok ropy bez rozpuštěného plynu
za zadaný počet sekund (nebo trvání
výtoku) - toto množství vstupuje do
modelu POOL FIRE (kontinuální
verze).
průtok rozpuštěného plynu v ropě za
první minutu výtoku - toto množství
vstupuje do modelu rozptylu PLUME.
Vypočtená hmotnost plynu ve
výbušné oblasti vstupuje do modelu
CAM.
průtok ropy bez rozpuštěného plynu
za první minutu výtoku - toto
množství vstupuje do modelu POOL
FIRE (kontinuální verze).
Do kostry modulu řešícího problematiku úniků zemního plynu byl také zařazen
algoritmus výpočtu hluku způsobeného výtokem plynů nadzvukovou rychlostí.
Vytvořený program je jedinečný v tom, že uživatel získá s minimálním úsilím přímo
vzdálenosti dosahu jednotlivých úrovní a typů následků pro všechny scénáře rozvoje
havárie, včetně zohlednění času iniciace. Žádný z podobných programů známých
autorům toto neumožňuje. Detailní popis teoretických základů, na kterých je program
Následky postaven, je uveden v teoretickém manuálu a popis programu a jeho ovládání
pak v uživatelském manuálu. Oba jsou společně samostatnou přílohou této zprávy.
Příklad okna tohoto programu pro výtok zemního plynu je uveden na Obrázku 11, pro
případ výtoku ropy na Obrázku 12.
29.8. 2003
21
Obrázek 11: Okno programu Následky pro případ havárie zemního plynu,
výtok z potrubí
Obrázek 12: Okno programu Následky pro případ havárie ropy, výtok
z ropného vrtu
29.8. 2003
22
5.4
Metoda CAM (Congestion Assessment Method)
Rešerše sice probíhala v druhé etapě řešení projektu, ale řešitelé při své práci neustále
sledovali informace z předmětné oblasti. Byla, proto nalezena další metoda řešení
výbuchu oblaku par – metoda CAM.
Tato metoda (Puttock 1999) získala svůj název podle toho, že zdrojový přetlak se určuje
na základě předpokladu o zahrazení oblaku dané provozem a zařízením. Je důležité si
uvědomit rozdíl mezi ohraničením a zahrazením. Pokud dojde k výbuchu v uzavřeném
prostoru, je možné dosáhnout přetlaků až 8 atm. Dokonce i v případech pokud jsou
v systémech ventily nebo výfukové stěny mohou být vygenerovány vysoké přetlaky,
protože plyn nemůže otvory unikat dostatečně rychle, aby nedošlo k natlakování.
Výbuchy v oblastech, které jsou z více než 60 % uzavřeny jsou řešeny jinými
metodami.
V případě malého uzavření oblasti mohou být vysoké přetlaky generovány překážkami
(zahrazením) při aplikaci principu samourychlování plamene. Existují různé metody,
které jsou používány pro výpočet přetlaků generovaných výbuchem oblaku par. Jsou to
metody založené na tritolovém ekvivalentu teoreticky uvolněné výbuchové energie,
nebo vhodnější multi-energy metoda holandské TNO (Van den Berg 1985). Popsaná
metoda poskytuje návod, jak určit počáteční přetlak generovaný zdrojem, což byl
největší problém ostatních metod.
Tato metoda postupuje ve třech krocích:
1. Studuje se geometrie zahrazené oblasti, aby mohl být určen referenční přetlak Pref,
který určuje maximální přetlak, který by mohl být vygenerován po iniciaci oblaku
propanu v této geometrii.
2. Vliv reaktivity hořlaviny je určen „faktorem hořlaviny“ F použité hořlaviny. Pref je
vynásoben faktorem F, aby byl určen přetlak zdroje P0 dané geometrie a použitého
paliva.
3. Závěrečným krokem je výpočet přetlaku dopadajícího na cíl v určité vzdálenosti od
zdroje.
Tato metoda také poskytuje možnost vypočítat dobu trvání přetlakové fáze a tvar křivky
závislosti přetlaku na čase.
5.4.1 Referenční přetlak
Určení referenčního přetlaku je nejobtížnějším a nejméně přesným krokem této metody.
Pro usnadnění byl vytvořen rozhodovací strom uvedený na Obrázku 12
29.8. 2003
23
Start
Je nebezpečná oblast, nebo její část,
více než z 60-ti % uzavřena stěnami,
střechou, překážkami apod.?
Ano
Ventilovaný výbuch - nelze použít
tuto metodu, kontaktuj specialistu na
ventilované výbuchy!
Ne
Pak předpokládej
Pref = 0,1
Ne
Pak předpokládej
Pref = 0,1
Ne
Je v nebezpečné oblasti vůbec nějaká
překážka? (Ne znamená, že oblast je
úplně otevřená)
Ano
Je v oblaku nějaké místo odkud
nejjednodušší cesta pro plyn k dosažení
neohraničené oblasti vede přes 4
následné překážky?
Ano
Vyděl mezeru mezi překážkami (kterou může projít plyn) průměrem překážky a obdržíš S1; taky
vyděl prostor mezi následnými překážkami jejich průměrem a obdržíš S2. Pak S = S1 × S2.
Pref závisí na S následovně:
S > 30
počet řad 4 - 5
Pref
7 < S < 30 počet řad 4 - 5
Pref
S<7
KS
6-7
30
6
70
8>8
100 KS
70
>6
100 KS
KS = konzultuj specialistu
Obrázek 13: Rozhodovací strom pro metodu CAM
5.4.2 Faktor hořlaviny
Faktoru hořlaviny F vyjadřuje poměr reaktivity daného plynu k reaktivitě propanu,
který byl použit jako jistý standard. Klíč k jeho určení faktoru hořlaviny F leží v teorii
Taylor and Hirst (1988). Tato teorie říká, že turbulentní rychlost hoření je úměrná
součinu laminární rychlosti hoření a expanzního poměru plynu umocněného na 1,36.Ve
fixní geometrické konfiguraci je přetlak úměrný druhé mocnině turbulentní rychlosti
hoření.
Na základě experimentů byly výpočty faktoru hořlaviny verifikovány a zaokrouhleny.
Hodnoty faktoru hoření jsou uvedeny v Tabulce 4.
29.8. 2003
24
Tabulka 4: Hodnoty faktoru hořlaviny F pro běžné hořlavé plyny
Hořlavina
faktoru hořlaviny F
Metan
0,6
Toluen
0,7
Pentan
1,0
Cyklohexan
1,0
Butan
1,0
Propan
1,0
Metanol
1,0
Aceton
1,0
Benzen
1,0
Etanol
1,5
Propylen (propen)
1,5
Butadien
2
Ethylen (eten)
3
5.4.3 Pokles tlaku v závislosti na vzdálenosti od zdroje
Pokles tlaku se vzdáleností lze určit podle následujících vztahů. Předpokládá se
zdrojový přetlak P0 a objem zdroje V0. Cíl bude ve vzdálenosti r´ od okraje zastavěné
oblasti a poloměr zdroje je R0, pak
3V0
2π
2.
r = R0 + r´
3.
log P1 = 0,08lr4 − 0,592lr3 + 1,63l r2 − 3,28lr + 1,39
4.
R0 = 3
kde
l r = log
r
+ 0,2 − 0,02 P0
R0
5.
Přetlak v barech dopadající na cíl je potom
R

P = min  0 P0 , P1 
 r

6.
Křivky poklesu tlaku jsou pro několik zdrojových přetlaků vykresleny na Obrázku 13.
29.8. 2003
25
Obrázek 14: Křivky poklesu přetlaku pro zdrojové přetlaky 0,2, 0,5, 1, 2, 4 a
8 bar
Z Obrázku vyplývá, že při zdrojovém přetlaku 1 bar pokles tlaku probíhá na vzdálenosti
devíti násobku poloměru zdroje. Pro nižší přetlaky zdroje se pokles protahuje dále.
Tedy, pro přetlaky do 1 baru je jednoduchý předpoklad rozkladu tlaku nepřímo
úměrného vzdálenosti přijatelný.
Často je potřeba počítat odezvu konstrukce na tlakové zatížení, pak je vhodné znát dobu
trvání přetlakové fáze a dobu dosažení maximálního přetlaku. Jednotlivé časové
parametry t1, t2 a t3 jsou definovány na Obrázku 14.
Obrázek 15: Příklad trojúheníkové aproximace přetlakové fáze definující
časy t1, t2 a t3
(t3 - t1) je doba trvání a (t2 - t1)/ (t3 - t1) je označován jako faktor tvaru, který je poměrem
času nárůstu k době trvání. Faktor tvaru je 0, jestliže je čelo vlny plně rázové.
29.8. 2003
26
Rychlost změny tvaru tlakové vlny je pro vyšší přetlaky mnohem větší. To vedlo
k zavedení parametru vzdálenosti df.
r′  P 
d f =  0 
R0  Pa 
2
7.
kde Pa je atmosférický tlak. Potom
t 3 − t1 = C
R0
P0′
ρa
8.
kde
C = 0,65
 d f + 10 

C = 0,65
 15 
C = 1,3
pro
df < 5
pro
5 < df < 20
pro
20 < df
Maximální přetlak je zde označen jako P0′ , aby bylo zdůrazněno, že musí být použity
jednotné rozměry, to znamená, že pokud jsou použity jednotky v soustavě SI, pak je P0′
v Pa to je bary vynásobené 105. ρa je hustota vzduchu (přibližně 1,2 kg.m-3). Rovnice
(7) není platná v oblasti zdroje.
Faktor tvaru je dán vztahem
[
]
t 2 − t1
= max 0,65(1 − 1, 25d f ),0
t 3 − t1
9.
29.8. 2003
27
6 ZÁVĚR
V rámci projektu č. 10/2001:“Zdolávání závažných provozních nehod” v rámci
Programu výzkumu a vývoje “Zvýšení úrovně bezpečnosti práce v dolech a eliminace
nebezpečí od unikajícího metanu z uzavřených důlních prostor” byl vytvořen
programový balík DISSOLVER, který obsahuje tři samostatné programy: Vodní zátky,
Výbuchový trojúhelník a Následky. Řešení projektu bylo prodlouženo o dva měsíce.
Toto prodloužení bylo způsobeno postupným rozšiřováním zadání, zejména v poslední
etapě projektu.
Program Vodní zátky, řešící výpočet vodních zátek jako metody výbuchuvzdorného
uzavírání požářišť, byl dokončen a byl předán k testování na HBZS. Spolu s programem
byl předán i první návrh manuálu k tomuto programu. Tento manuál byl na základě
připomínek jak ze strany ČBÚ, tak ze strany HBZS a kolektivu řešitelů dopracován.
Program Výbuchový trojúhelník, řešící havárie při těžbě uhlí v podzemí, byl
dokončen. Podle požadavků ČBÚ a HBZS je v programu řešena problematika
výbuchového trojúhelníku jak pro standardní, tak pro nestandardní složení důlních
plynů. Program je připraven na budoucí on-line komunikaci s důlní plynovou laboratoří.
Do programu byla vložena také procedura pro kontrolu litrového vývinu CO. Byl
zpracován uživatelský a teoretický manuál k tomuto programu.
Program Následky, řešící havárie při těžbě ropy a zemního plynu na povrchu, byl
dokončen a byl podroben intenzivnímu testování. Program je schopen automaticky, po
zadání počátečních podmínek, spočítat vzdálenosti pro dosažení kritických hodnot
tepelného toku a tlakové vlny. Byl vytvořen uživatelský a teoretický manuál k celému
programu.
Manuály k jednotlivým programům jsou přílohami této zprávy. Tyto manuály,
uživatelský a teoretický, spolu se samotnými programy mohou být použity jako
podklady k novelizaci výnosů Českého báňského úřadu.
Manuál k programu Vodní zátky stal základem kapitoly Vodní zátky v „Instrukci
1/2003 pro stavbu výbuchuvzdorných hrází (v návaznosti na ustanovení bodu 6.4.2.4
Služebního řádu HBZS Ostrava)“ vydanou ředitelem HBZS Ostrava, a.s.
29.8. 2003
28
7 LITERATURA
CCPS (1999)
Estimating the flammable mass of a vapour cloud. AIChE, Center for Chemical Process
Safety, New York, 1999
Puttock (1999)
Puttock, J.S.: Improvements in Guidelines for Prediction of Vapour-cloud Explosions.
Int. Conf. And Workshop on Modeling the Consequences of Accidental Releases of
Hazardous Materials, San Francisco, Sept.-Oct. 1999
RBZS (1998)
Instrukce 1/98 pro stavbu výbuchuvzdorných hrází. OKD, Revírní báňská záchranná
stanice, a.s. Ostrava, 1998
Taylor and Hirst (1988)
Taylor, P.H., and Hirst, W.J.S.: The scaling of vapour cloud explosions: a fractal model
for size and fuel type. 22nd International Symphosium on Combustion, 1988
Van den Berg (1985)
Van den Berg, A.C.: The Multi-Energy method – A framework for vapor cloud
explosion blast prediction. Journal of Hazardous Materials 12: 1-10, 1985
29.8. 2003
29
8 PŘÍLOHA 1
Uživatelský a teoretický manuál programu Vodní zátky
9 PŘÍLOHA 2
Uživatelský a teoretický manuál programu Výbuchový trojúhelník
10 PŘÍLOHA 3
Uživatelský a teoretický manuál programu Následky
29.8. 2003
30
Vodní zátky
Program řeší pohyb vodní zátky způsobený jednorázovým tlakovým impulsem. Pro
numerické řešení příslušné diferenciální rovnice je v programu použito metody typu RungeKutta.
Řešení pohybu vodního sloupce se provádí pro řadu délek vodní zátky, měnících se podle
speciálního algoritmu tak dlouho, dokud není nalezena "kritická" délka s ohledem na vznik
překmitu vodní zátky (viz parametr "Výsledný rozdíl pro délku vodní zátky". Řešení pro
jednotlivé délky vodní zátky se provádí vždy tak dlouho, dokud rychlost pohybu vodní zátky
není záporná, tj. dokud se vodní zátka nezačíná vracet zpět.
Práce s programem spočívá v zadávání dat určujících pohyb vodní zátky a ve spuštění
vlastního řešení, jehož výsledky (doplněné grafickým znázorněním situace) je možno
prohlížet na obrazovce, případně vytisknout na tiskárně.
Program VÝBUCHOVÝ TROJÚHELNÍK je grafický výpočetní systém určený k rychlému
vyhodnocení nebezpečnosti směsí hořlavých látek se vzduchem vznikajících při závažných
průmyslových nehodách na povrchu nebo v podzemních důlních dílech. Zbavuje uživatele
nutnosti provádět rutinní výpočty při likvidaci havárie. Jeho ovládání je zjednodušeno do té
míry, že uživatel obdrží požadovaný výsledek v přehledné grafické a číselné formě, aniž by
musel vkládat tabulkové údaje, provádět mezivýpočty apod.
Odhad výbušnosti požárních zplodin je založen na metodice vypracované A. J. Hughesem a
W. E. Raubouldem. Vlastní výpočet výbuchových parametrů plynovzdušných směsí je
založen na představách o Gibbsově energii a chemické rovnováze. Program umožňuje
navrhnout způsob inertizace plynovzdušné směsi, vypočítat energetickou bilanci při
tepelném zatížení stavebních konstrukcí vystavených požáru a stanovuje další důležité
fyzikálně - chemické parametry výbušných plynovzdušných směsí v důlních dílech.
Následky
Program Následky je grafický výpočetní systém určený k rychlému odhadu následků
havarijních úniků ropy a zemního plynu. Umožňuje zjistit dosahy kritických hodnot tepelných
toků a přetlaků pro určité úrovně následků na osoby a zařízení pro případy různých typů
požárů - tryskající plamen (jet fire), ohnivá koule a hořící louže a případný výbuch oblaku
par. Zbavuje uživatele nutnosti provádět rutinní výpočty jak při likvidaci havárie, tak při
přípravě a prevenci takové havárie. Jeho ovládání je zjednodušeno do té míry, že uživatel
obdrží požadovaný výsledek v přehledné číselné formě aniž by musel vkládat tabulkové
údaje, provádět mezivýpočty apod.
Univerzita Pardubice
Katedra teorie a technologie výbušin
Pardubice 532 10
Program výzkumu a vývoje
“Zvýšení úrovně bezpečnosti práce v dolech a eliminace nebezpečí
od unikajícího metanu z uzavřených důlních prostor”
Období: duben 2003 – srpen 2003
Vodní zátky - Uživatelský manuál
Provozní verze programu
Řešitelé:
Ing. Břetislav Janovský, Dr.
Ing. Miloslav Krupka, PhD.
Vedoucí pracoviště: prof. Ing. Svatopluk Zeman, DrSc.
V Pardubicích, 3.11. 2003
Manuál programu „Vodní zátky“ – provozní verze
OBSAH
OBSAH.........................................................................................................................1
1
VŠEOBECNÉ INFORMACE ..................................................................................2
2
PŘEDPOKLADY PRO POUŽÍVÁNÍ PROGRAMU.................................................2
3
PRÁCE S PROGRAMEM ......................................................................................3
3.1
PARAMETRY A DATA PRO VÝPOČET ....................................................................4
3.1.1
Text pro popis lokality ..............................................................................5
3.1.2
Data pro výpočet......................................................................................5
3.1.3
Doplňující údaje .......................................................................................5
3.2
SPECIÁLNÍ FUNKCE ...........................................................................................6
3.2.1
Vzájemná záměna obou úhlů sklonu .......................................................6
3.2.2
Použití dat standardního profilu................................................................6
3.2.3
Registrace lokality....................................................................................7
3.2.4
Data registrované lokality.........................................................................8
3.3
ŘEŠENÍ ............................................................................................................9
3.3.1
Výsledky řešení pohybu vodní zátky ........................................................9
3.4
GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ SITUACE .....................................................................10
3.5
TISK...............................................................................................................10
4
POPIS DEFINIČNÍHO SOUBORU.......................................................................11
1
1 VŠEOBECNÉ INFORMACE
Program řeší pohyb vodní zátky způsobený jednorázovým tlakovým impulsem. Pro
numerické řešení příslušné diferenciální rovnice je v programu použito metody typu
Runge-Kutta.
Řešení pohybu vodního sloupce se provádí pro řadu délek vodní zátky, měnících se
podle speciálního algoritmu tak dlouho, dokud není nalezena "kritická" délka s ohledem
na vznik překmitu vodní zátky (viz parametr "Výsledný rozdíl pro délku vodní zátky".
Řešení pro jednotlivé délky vodní zátky se provádí vždy tak dlouho, dokud rychlost
pohybu vodní zátky není záporná, tj. dokud se vodní zátka nezačíná vracet zpět.
prohlížet na obrazovce, případně vytisknout na tiskárně.
2 PŘEDPOKLADY PRO POUŽÍVÁNÍ PROGRAMU
K provozování programu je potřeba následující soubory:
a. Spustitelná verze programu, která má jméno VZP003.EXE a může být umístěna
v libovolném adresáři. Tento soubor je součástí instalace a uživatel nemá možnost
jej měnit.
b. Definiční (konfigurační) soubor, který obsahuje údaje nutné pro činnost programu,
jeho formát a obsah je popsán v odstavci 4.
Tento soubor je součástí instalace. Jedná se o obyčejný textový soubor
(neobsahující žádné formátovací informace) a pokud je třeba, má uživatel možnost
měnit jeho obsah jednoduchým textovým editorem (např. programem
"Poznámkový blok"). Pokud tento soubor neexistuje, lze s programem pracovat,
program se však bude chovat jistým předem nastaveným standardním způsobem,
který nemusí uživateli vyhovovat.
c. Soubor dat registrovaných lokalit, jeho úplná specifikace je obsažena v definičním
souboru (viz odstavec 4). Tento soubor slouží k uchování dat o předem
definovaných lokalitách, jejichž data jsou bezprostředně (bez nutnosti jejich
explicitního zadávání) k dispozici pro řešení pohybu vodní zátky.
Tento soubor není součástí instalace, uživatel si jej vytváří, postupně mění a
doplňuje podle vlastních požadavků přímo při práci s tímto programem. Pokud se
specifikace tohoto souboru vyskytuje v definičním souboru, musí to být platná
definice souboru podle pravidel Windows, soubor však nemusí existovat. Pokud
neexistuje, vytvoří se při prvním požadavku na registraci lokality s explicitně
zadanými daty.
d. Soubor dat standardních (normalizovaných) profilů a jeho úplná specifikace je
obsažena v definičním souboru (viz odstavec 4). Tento soubor obsahuje světlé
průřezy a světlé výšky řady standardních profilů, příslušné údaje jsou rovněž
k dispozici pro řešení pohybu vodní zátky (bez nutnosti jejich explicitního
zadávání).
2
Tento soubor (v nejnutnějším rozsahu) je součástí instalace. Jde opět o obyčejný
textový soubor a uživatel má možnost měnit a doplňovat jeho obsah jednoduchým
textovým editorem. Pokud tento soubor neexistuje, lze s programem pracovat,
vyvolat bezprostředně hodnoty standardních profilů však nelze.
e. Soubor s textem nápovědi, který obsahuje ve speciálním formátu texty nápovědí
k jednotlivým funkcím a situacím programu, jeho úplná specifikace je obsažena v
definičním souboru (viz odstavec 4).
Tento soubor je součástí instalace a uživatel nemá možnost měnit jeho obsah.
Pokud tento soubor neexistuje, lze s programem pracovat, funkci nápovědi však
nelze použít.
Program se spouští s jediným parametrem, který udává úplnou specifikaci definičního
(konfiguračního) souboru podle bodu b. z výše uvedeného seznamu souborů. Program
může být spuštěn také bez parametrů, v tom případě se předpokládá, že tento definiční
soubor má jméno VZP003.CFG a že je umístěn ve stejném adresáři jako program
VZP003.EXE. Doporučuje se proto všechny výše uvedené soubory umístit do jednoho
adresáře a program pak spustit bez parametrů. Rovněž se doporučuje standardním
způsobem na ploše vytvořit zástupce programu, případně libovolně pozměnit jeho
popisný text a pak je možno program jednoduše spustit dvojitým klepnutím na
příslušnou ikonu na ploše.
3 PRÁCE S PROGRAMEM
prohlížet na obrazovce, případně vytisknout na tiskárně. Vzhled programu je uveden
na Obrázku 1.
Obrázek 1: Grafický vzhled modulu „Vodní zátky“ v režimu "Funkce"
3
Při ovládání programu lze rozlišit dva režimy, a to režim "Funkce" a režim
"Nápověda". Při režimu "Funkce" pracují všechna editovací pole a ovládací prvky
běžným způsobem a je možno zadávat či měnit údaje nebo aktivovat vybrané funkce.
Přístup k editovacím polím a ovládacím prvkům se děje klepnutím myší na příslušné
místo obrazovky (resp. Postupným přechodem pomocí kláves TAB resp. SHIFT+TAB).
Při režimu "Nápověda" se po klepnutí myší na určité místo nevyvolá příslušná funkce
resp. nezpřístupní se obsah editovacího pole, ale zobrazí se nápověda k dotyčnému
poli či ovládacímu prvku.
Obrázek 2: Grafický vzhled modulu „Vodní zátky“ v režimu "Nápověda"
Při zahájení programu je vždy aktivní režim "Funkce". Přechod do režimu "Nápověda"
se uskuteční klepnutím myší na pole "?", toto při tom zvýrazní na znamení, že je
aktivován režim "Nápověda". K režimu "Nápověda", počínaje všeobecnými
informacemi, lze také přejít klepnutím myší na tlačítko "Nápověda", stejný účinek má
stisknutí klávesy F1.
Ihned po každém zobrazení textu nápovědy se opět automaticky obnoví režim
"Funkce". Do režimu "Funkce" se lze vrátit také ještě před vlastním vyvoláním
nápovědy opětovným klepnutím myší na pole "?".
3.1
Parametry a data pro výpočet
Parametry a data pro výpočet se zadávají do příslušných editovacích polí pomocí
klávesnice. Jsou povoleny pouze numerické údaje (bez nenumerických znaků), dále je
nutno zásadně používat desetinnou tečku (nikoliv čárku).
Z hlediska jejich významu jsou vstupní údaje členěny do následujících skupin:
4
3.1.1 Text pro popis lokality
Jde o textové údaje sloužící k popisu lokality, k níž se řešení vztahuje. Tyto údaje mají
výhradně popisný charakter a z praktických důvodů se skládají z:
•
označení dolu
•
označení sloje
•
označení chodby
•
datum zpracování
Kromě popisné funkce slouží označení dolu, sloje a chodby také jako identifikace
registrovaných lokalit.
3.1.2 Data pro výpočet
Jde o údaje, které se pravděpodobně budou měnit vždy při přechodu k jiné lokalitě,
patří k nim:
Světlý průřez chodby
Světlá výška chodby v nejnižším místě
Úhel ve směru předpokládaného výbuchu
Úhel z přístupové strany (odvrácené od
možné exploze)
3.1.3 Doplňující údaje
Jde o údaje. které neovlivňují vlastní výpočet pohybu vodní zátky, ale které slouží
k určení některých hodnot odvozených z výsledků řešení. K těmto údajům patří:
• Délka horizontální části (úžlabí) vodní zátky - délka vodorovného úseku ve
spodní části vodní zátky, tento údaj slouží ke korekci při výpočtu potřebného
množství vody a potřebné doby pro zatopení na zvolenou hladinu.
• Objemové množství vody k dispozici - množství vody, které je k dispozici
pomocí zvoleného zdroje. Tento údaj slouží pouze k výpočtu doby potřebné
k zatopení důlního díla na zvolenou hladinu.
Po zadání nenulové Délky horizontální části (úžlabí) vodní zátky, se tato délka projeví
jak v hodnotách jednotlivých výsledků, tak v grafickém znázornění výsledku výpočtu.
5
Hodnoty Objemového množství vody k dispozici lze zadat pouze z intervalu 300 – 2000
l/min. Pokud je zadána jiná hodnota program uživatele na tuto chybu upozorní
následujícím varovným hlášením:
3.2
Speciální funkce
3.2.1 Vzájemná záměna obou úhlů sklonu
Klepnutím na pole "{" se vzájemně zamění úhel sklonu směrem k výbuchu s úhlem
sklonu z přístupové strany, což má stejný účinek jako změna směru očekávané
exploze.
3.2.2 Použití dat standardního profilu
Klepnutí na pole "Norm. profil" způsobí zobrazení seznamu standardních profilů
s příslušnými hodnotami světlého průřezu a světlé výšky a umožňuje tyto hodnoty
použít pro výpočet, aniž by se musely explicitně zadávat.
6
Po zobrazení tohoto seznamu všech je možno v něm zvolený profil označit (klepnutím
myší nebo šipkovými klávesami) a poté příslušné hodnoty průřezu a výšky přesunout
do příslušných editovacích polí tlačítkem "Data profilu", případně lze uskutečnění této
akce potlačit tlačítkem "Storno".
3.2.3 Registrace lokality
Klepnutím myší na tlačítko "Registrace lokality" se provede doplnění seznamu
registrovaných lokalit a na obrazovce se objeví hláška:
Pomocí této funkce lze doplnit seznam registrovaných lokalit o další lokalitu, která bude
identifikována pomocí kombinace právě platných textových údajů popisu lokality, a to
označením dolu, sloje a chodby, a která bude charakterizována právě platnými
parametry a daty pro výpočet.
Funkce bude úspěšně dokončena, pokud ještě není dosaženo maximálně možného
počtu všech registrovaných lokalit a pokud identifikace nově zadané lokality (ve výše
uvedeném smyslu) se v souboru dat registrovaných lokalit nevyskytuje.
Jestliže se identifikace nově zadávané lokality v souboru dat již vyskytuje, je o tom
uživatel informován zprávou. Pak lze (po potvrzení) parametry a data této lokality
přepsat právě platnými parametry a daty, takže lokalitě mohou být nadále přiřazeny
jiné parametry a data než pro ni platily dosud.
7
V případě, že je zadáno "Přepsat data" je uživatel o přepsání informován.
V případě, že počet dosud registrovaných lokalit již dosáhl maximálně možného počtu,
nelze registraci lokality provést, o čemž je uživatel opět informován chybovou zprávou.
3.2.4 Data registrované lokality
Klepnutím myší na tlačítko "Data registrované lokality" se vyvolá funkce umožňující
přístup k registrovaným lokalitám. Pomocí této funkce lze ze seznamu všech
registrovaných lokalit vybrat tu, s kterou se bude dále pracovat.
Po zobrazení seznamu všech registrovaných lokalit je nutno v tomto seznamu
zvolenou lokalitu označit (klepnutím myší nebo šipkovými klávesami) a poté lze volbou:
"Data lokality" - přesunout data zvolené lokality do příslušných editovacích polí a tato
data (po případné modifikaci) pak použít pro řešení vodní zátky.
nebo
"Zrušení lokality" - odstranit zvolenou lokalitu ze seznamu registrovaných lokalit, data
této lokality pak již nebude možno "vyvolat" jednoduchým výběrem
příslušné lokality. Vlastní odstranění označené lokality se provede až
po opakovaném odsouhlasení, při němž lze ještě potlačit odstranění
lokality a tuto v seznamu ponechat.
8
3.3
Řešení
Klepnutím myší na tlačítko "Řešení" se vyvolá funkce řešení pohybu vodní zátky se
zadanými parametry a daty.
Před vlastním řešením se provede jednoduchá kontrola všech dat vstupujících do
výpočtu s ohledem na jejich příslušnost do předem nastavených "rozumných" intervalů.
V případě nesplnění těchto podmínek jsou vypsány chybové zprávy a řešení lze spustit
znovu až po opravě dat.
Řešení se provádí podle speciálního algoritmu tak, že se mění délka vodní zátky tak
dlouho, až dojde při dvou po sobě následujících délkách ke změně v chování vodní
zátky s ohledem na vznik překmitu. Pro každou jednotlivou délku vodní zátky se řešení
pohybu provádí vždy tak dlouho, dokud rychlost pohybu není záporná, tj. dokud se
vodní zátka nezačíná vracet zpět.
Řešení lze během svého průběhu kdykoliv pozastavit a rozhodnout, zda má být
předčasně ukončeno, či se má v řešení pokračovat. Této možnosti pravděpodobně
bude nutno využívat jen výjimečně, a to v případech, kdy by v důsledku nevhodných
parametrů a dat pro řešení bylo toto časově příliš náročné. Pozastavení a opětovné
pokračování řešení nemá vliv na výsledky.
3.3.1 Výsledky řešení pohybu vodní zátky
Výsledky řešení pohybu vodní zátky jsou v textovém tvaru zobrazeny v příslušném
okně.
nebo pro případ nenulové délky horizontální části úžlabí
9
První část těchto výsledků tvoří informativní seznam délek vodní zátky, pro které bylo
průběžné řešení pohybu prováděno, závěr (podstatnou část řešení) tvoří poté
následující provozní údaje odvozené z té z posledních dvou délek, která nezpůsobí
překmit vodní zátky.
Pokud bylo řešení uživatelem předčasně přerušeno, neprovádí se výpočet odvozených
hodnot pro shrnutí.
Pokud se po ukončeném (nebo přerušeném) řešení změní obsah jakéhokoliv
editovacího pole pro zadávání parametrů a dat, zruší se okamžitě obsah pole
s předešlými výsledky řešení a předpokládá se, že řešení bude spuštěno znovu se
změněnými daty.
3.4
Grafické znázornění situace
Jednoduché grafické znázornění situace vzniklé na základě řešení pohybu vodní zátky
je znázorněno v příslušném okně.
nebo
Obrázek se vztahuje k té ze dvou posledních rozhodujících délek, která nezpůsobí
překmit vodní zátky.
Pokud bylo řešení předčasně přerušeno, je toto okno prázdné.
Pokud se po ukončeném řešení změní obsah jakéhokoliv editovacího pole pro
zadávání parametrů a dat, zruší se okamžitě obsah pole s předešlým grafickým
znázorněním situace a předpokládá se, že řešení bude spuštěno znovu se změněnými
daty.
3.5
Tisk
Klepnutím myší na tlačítko "Tisk" se vyvolá funkce tisku výsledků řešení na tiskárně.
Funkce je přístupná (tlačítko "Tisk" je viditelné) pouze po ukončeném (nikoliv
přerušeném) řešení pohybu vodního sloupce.
Před vlastním spuštěním tisku je nutno ještě spuštění tisku odsouhlasit, případně
požadavek na tisk ještě stornovat.
10
Tisk obsahuje opis dat zadaných pro řešení a kromě toho závěr celého řešení, který
spočívá v hodnotách užitečných při uzavírání vodní zátky odvozených z té ze dvou
posledních rozhodujících délek vodního sloupce, která nezpůsobí překmit.
Součástí tisku je vždy také zjednodušené grafické znázornění situace vztahující se
opět k délce vodního sloupce bez překmitu.
4 POPIS DEFINIČNÍHO SOUBORU
Definiční soubor obsahuje některé údaje ovlivňující činnost programu a které nejsou
závislé na lokalitě, pro kterou se provádí řešení.
Ve většině případů by měl definiční soubor dodaný s programem vyhovovat. Přesto má
uživatel možnost pomocí těchto údajů nastavit chování programu podle svých potřeb a
specifických požadavků. Jde o obyčejný textový soubor bez formátovacích informací,
jehož obsah je možno měnit pomocí jednoduchého textového editoru (např.
Poznámkový blok - Notepad).
Řádky definičního souboru mají předepsaný formát:
<identifikace_údaje> <hodnota_údaje> [<nepovinný_komentář>]
Identifikace a hodnota údaje musí být bez mezer. Mezeru uvnitř hodnoty údaje je nutno
nahradit znakem ~. Mezi identifikací, hodnotou a případným komentářem musí být
vždy alespoň jedna mezera. Prázdné (nebo obsahující jen mezery) řádky jsou
ignorovány. Rovněž řádky s identifikací, která pro program nemá význam, jsou
ignorovány a mohou tak sloužit pro umístění komentáře.
U definice souborů se obecně vyžaduje vždy jejich úplná specifikace (včetně disku,
adresáře a přípony). Přípustná je však také taková specifikace souboru, která místo
disku a adresáře (včetně koncového \) obsahuje symbol <>. V tom případě se
předpokládá umístění příslušného souboru ve stejném adresáři, ve kterém je program
VZP003.EXE.
Dále následuje „vzorové" znění definičního souboru v úplné základní verzi
s příslušnými komentáři.
Následují textové fonty a parametry pro tisk. Tyto je vhodné někdy změnit, zejména
v důsledku jiného nastavení obrazovky nebo tiskárny. U fontu je uveden vždy název,
dále typ písma a jeho velikost, typ písma se zadá kombinací znaků, kde výskyt B resp.
U resp. I znamená tučně resp. podtrženo resp. kurzívu.
Nejdříve jsou fonty platné pro obrazovku nastavenou na více než 800 pixelů a tiskárnu
nastavenou na více než 1000 pixelů na řádku
FNTXH
FNTMH
MS~Sans~Serif,-,8 Font pro ovládací prvky
MS~Sans~Serif,-,10 Font pro zprávy
11
FNTLH
FNTRH
FNTGH
FNTPH
Courier~New,B,9
Courier~New,B,8
Small~Fonts,-,8
Courier~New,B,10
Font pro seznamy
Font pro textové výsledky
Font pro text k obrázku
Font pro tisk
Následují tytéž fonty platné pro obrazovku a tiskárnu nastavené na menší rozlišení
FNTXL
FNTML
FNTLL
FNTRL
FNTGL
FNTPL
Malá~písma,-,5
MS~Sans~Serif,-,8
Courier~New,B,7
Courier~New,B,6
Malá~písma,-,6
Courier~New,B,8
Font pro ovládací prvky
Font pro zprávy
Font pro seznamy
Font pro textové výsledky
Font pro text k obrázku
Font pro tisk
PTXTP
10,10,5,70,140,285 Začátek tisku svisle, vodorovně, výška řádku,
výška a šířka obrázku, max. výška potištěné části stránky (vše v mm).
Následují některé hodnoty ovlivňující výpočet
VZND
DDLV
HVET
S
[m]
Interpretace délky vodní zátky pro odv. veličiny (S strop,
jinak střed)
5
[]
Výchozí krok pro změnu délky při opakovaných výpočtech
0.4
[m]
Vzdálenost mezi hladinou vody pro úroveň • a nejnižším
bodem výztuže pod stropem.
Následují hodnoty parametru a dat platné po spuštění programu. Tyto hodnoty se
nastaví do editovacích polí po spuštění programu. Dále jsou u údajů, které lze přímo
programem měnit, připojeny (vždy po čárce) minimální a maximální povolené hodnoty
pro příslušný údaj
PŘES
MAXI
DDEL
INTR
KOEF
VISK
POCT
TRVT
HUST
DEQ
DRS
DEL
SPR
SVY
ALF1
ALF2
DVDU
OBMV
0.00005
[]
Přesnost řešení
400
[]
Max. počet iterací v jednom kroku
1
[m]
Výsledný rozdíl pro délku vodní zátky s překmitem
a bez překmitu
0.2
[s]
Časový interval pro řešení
64
[]
Koeficient průřezu
1004.14
[]
Viskozita
1
[MPa] Výbuchový tlak
0.5
[s]
Doba působení tlaku
1
[g/cm3]
Hustota vody
0
[m]
Ekvivalentní průměr chodby
150
[mm] Drsnost
50
[m]
Počáteční délka vodní zátky
10,2,30
[m2] Světlý průřez chodby
3,1.5,6
[m]
Světlá výška chodby v místě úžlabí
10,1,60
[deg] Úklon chodby ve směru k předpokládanému
ohnisku výbuchu
10,1,60
[deg] Úklon chodby z přístupové strany
10,0,50
[m]
Délka horizontálního úseku (úžlabí)
900,300,2000 [l/min] Objemové množství vody
Následují údaje potřebné pro standardní profily, registrované lokality a nápovědu:
DPRF
<>VHP003.DPF
jako u programu)
Soubor dat standardních profilů (adresář stejný
12
MAXL;
DRLK
HLPF
128
<>VHP003.DRL
jako u programu)
<>VHP003.INF
programu)
Maximální počet registrovaných lokalit
Soubor dat registrovaných lokalit (adresář stejný
Soubor s textem nápovědy (adresář stejný jako u
Pokud se v uživatelem pozměněné verzi definičního souboru některý z údajů
nevyskytuje, nebo pokud definiční soubor vůbec neexistuje, platí jisté předem
nastavené hodnoty, které se mohou poněkud lišit od hodnot uvedených ve výše
uvedeném vzorovém znění.
13
Pardubice 532 10
TEORETICKÝ MANUÁL PROGRAMU
VODNÍ ZÁTKY
Teoretický manuál programu „Vodní zátky“
OBSAH
OBSAH ........................................................................................................................1
1
ÚVOD ..................................................................................................................2
2
ZADÁNÍ...............................................................................................................3
3
VSTUPNÍ ZJEDNODUŠUJÍCÍ VÝPOČETNÍ PŘEDPOKLADY ...................4
4
ODVOZENÍ ZKRÁCENÉHO VÝPOČTU PRO POHYB VODNÍ ZÁTKY....6
4.1
4.2
MATEMATICKÉ VYJÁDŘENÍ VÝPOČETNÍHO POSTUPU ........................................6
ZPŘESNĚNÍ VÝPOČETNÍHO POSTUPU ..............................................................11
5
UŽITÍ NEÚPLNÝCH OPĚRNÝCH HRÁZÍ ...................................................19
6
NEÚPLNÉ ZATOPENÍ ÚKLONNÝCH DŮLNÍCH DĚL ..............................20
7
LITERATURA ..................................................................................................24
1
1 ÚVOD
Na základě definovaných kritérií výbuchuvzdornosti vodních zátek je dána možnost
využití důlního díla se střídavým úklonem k jejich zatopení v případě vzniku havarijní
situace.
Jelikož při postupném zvyšování vodní hladiny nedojde k okamžitému uzavření
požářiště, je nutno přizpůsobit této skutečnosti taktiku uzavírání.
Použití vodních zátek je znázorněno na Obrázku 1, tedy použití na:
•
•
•
vtažné straně požářiště (A),
výdušné straně požářiště (B),
vtažné i výdušné straně (C)
A
směr větrů
směr větrů
2
1
požářiště
B
směr větrů
směr větrů
2
požářiště
1
C
směr větrů
směr větrů
2
2
požářiště
1
1
Obrázek 1: Znázornění použití vodních zátek
Pro výše uvedené alternativy použití vodních zátek, byly zpracovány taktické zásady
uzavírání požářiště a tyto jsou zakomponovány v novém návrhu na doplnění instrukce
RBZS Ostrava 1/98 pro stavbu výbuchuvzdorných hrází.
2
2 ZADÁNÍ
V souvislosti s průběžným projednáváním postupu řešení projektu č. 10/2001
„Zdolávání závažných provozních nehod“, mezi ČBÚ Praha a Univerzitou Pardubice,
které se konalo 30.12.2001 na Českém báňském úřadu, byl zadavatelem vznesen
požadavek na nutnost dořešení metody havarijního výbuchuvzdorného uzavírání
požářišť pomocí tzv. vodních zátek a vytvoření výpočetního programu „VODNÍ
ZÁTKY“.
Při následném jednání 25.2. 2002 na HBZS v Ostravě - Radvanicích za přítomnosti
zástupce ČBÚ, byl tento požadavek upřesněn a dále byly definovány požadavky na
posouzení správnosti výpočetních postupů vodních zátek, které jsou uvedeny v Instrukci
č. 1/98 RBZS Ostrava.
Za účelem přesnějšího stanovení výkmitu vodní zátky, který byl vyvolán impulsním
zatížením rázovou vlnou, a dále hlubšího poznání mechaniky dynamických procesů,
bylo vypracováno numerické řešení pohybu vodního sloupce pomocí souboru
diferenciálních rovnic.
Při zpracování programu bylo využito metody Runge-Kutta s tím, že řešení umožňuje
nejen sledování celé řady vstupních parametrů, ale také proměnných parametrů včetně
přechodových stavů v průběhu pohybu vodní zátky. Speciální algoritmus umožňuje
velmi rychle nalézt kritickou délku zatopení včetně délky na hranici překmitu.
Výpočetní program je zpracován ve 2 základních verzích (viz manuály). Univerzální
provozní verze neumožňuje změny některých koeficientů a parametrů vstupních dat.
Rozšířená verze je určena pro studijní účely a ve značném rozsahu umožňuje měnit
vstupní parametry, konstanty a speciální funkce včetně možnosti pozastavení průběhu
řešení v kterémkoliv okamžiku.
3
3 VSTUPNÍ
ZJEDNODUŠUJÍCÍ
PŘEDPOKLADY
VÝPOČETNÍ
Aby bylo možno stanovit kritéria výbuchuvzdornosti vodní zátky, je nutno vycházet ze
zákonitosti vzniku a šíření rázových vln a mechanizmu přeměny účinků rázové vlny na
pohyb vodní zátky. Ke stanovení intenzitních parametrů tlakového impulsu rázové vlny
působící na vodní zátku, vychází se z reálných hodnot tlakových průběhů v závislosti na
čase (viz výsledky z experimentálních měření v pokusných štolách) a dynamiky celého
procesu. Parametry rázové vlny generované výbuchovou přeměnou metanovzdušných
směsí, jsou vztaženy na její jednosměrné šíření v dlouhých důlních dílech. Vzhledem ke
složitosti výbuchových přeměn vychází se z následujících předpokladů:
1
jsou uvažovány průměrné výchozí termodynamické veličiny výbušných systémů,
2
výbuchová přeměna je ukončena na rozhraní pohybu povýbuchových zplodin a
okolní atmosféry,
3
detonační povaha výbuchové přeměny se neuvažuje.
Parametry rázové vlny, které jsou určeny počátečními podmínkami výbušného systému,
jsou se vzdáleností od místa iniciace při šíření důlními díly ovlivňovány dalšími faktory
(mezní vrstvy, drsnost stěn, změny směru šíření, změny profilu chodby, místní odpory
apod.)
S ohledem na výše uvedené, a komplikovaností dynamiky výbuchových přeměn,
přistoupilo se k zjednodušujícím předpokladům pro řešení mechanizmu namáhání vodní
zátky. Při respektování zákonitostí převodu energie z dopadající rázové vlny do vodní
zátky a kinetiky jejího pohybu, umožňuje navržený zjednodušený výpočetní postup ve
svých důsledcích, rychlou orientaci při rozhodování, zda je konkrétní úklonná
konfigurace důlních děl vhodná pro výbuchuvzdorné uzavření důlního díla.
Pro maximální výkmit vodní zátky se musí kinetická energie vodní zátky, kterou jí udělí
rázová vlna, rovnat potenciální energii zvětšené o ztráty energie hydraulickými odpory
a ztráty třením. Tím, že rázová vlna udělí vodní zátce určitou počáteční rychlost,
následně vyvolá změnu její hybnosti. Tato změna hybnosti vodní zátky se musí rovnat
předanému specifickému impulsu rázové vlny násobenému světlým průřezem důlního
díla, tedy plochou, na kterou rázová vlna dopadá. Pro zjednodušení se uvažuje kolmý
dopad rázové vlny.
Přenos impulsu z rázové vlny do vodní zátky není energeticky bezeztrátový (viz foto
záznamy z experimentálních měření – Černín (1975)). Jeho rozsah je určen obecnými
zákonitostmi odrazu rázové vlny na rozhraní dvou prostředí a dalšími faktory, jako
např.
• vliv velikosti geometrické konfigurace,
• vliv velikosti geometrie stykové plochy dvou prostředí,
4
• další okrajové faktory méně významného charakteru.
Proto je vhodné navržený výpočetní postup korigovat opravným koeficientem
mechanické účinnosti převodu energie η, který je navíc silně závislý na úklonu důlních
děl.
Na základě výše uvedených zjednodušení vychází se z následujících předpokladů:
1. Impuls rázové vlny se rozdělí na:
a)
b)
c)
d)
hybnost quasistacionárního pohybu sloupce vodní zátky,
impuls rázové vlny proniklé do vody,
impuls odražené vlny,
ztráty.
Z celkového specifického impulsu rázové vlny I se využije na quasistacionární pohyb
vodní zátky η × I, zbytek tvoří hybnost vzniklých rázových vln a ztráty. V koeficientu
η je obsaženo rovněž zvýšení tlaku odrazem.
2. Za specifický impuls rázové vlny I se považuje tzv. prošlý impuls, tj. včetně zesílení
vlivem odrazu na rozhraní vzduch – voda.
3. Předpokládá se, že doba působení tlakového impulsu je krátká oproti době výkmitu
vodní zátky, takže t → 0.
Vypočtená délka výkmitu vodní zátky se neliší od výkmitu vodní zátky na konci
působení tlakového impulsu.
4. Střední rychlost pohybu vodní zátky us je stanovena jako střed mezi maximální
rychlostí u0 (rychlost na konci působení impulsu výbuchové vlny) a rychlosti
v okamžiku maximálního výkmitu vodní zátky u1 = 0.
5
4 ODVOZENÍ ZKRÁCENÉHO VÝPOČTU PRO
POHYB VODNÍ ZÁTKY
Pro níže uvedený výpočetní postup je zavedena následující symbolika:
∆p
- maximální přetlak v čele rázové vlny dopadající na vodní zátku [MPa]
τ
- doba působení přetlakové fáze rázové vlny na vodní zátku [s]
t1
- doba v okamžiku max. výkmitu vodní zátky a rychlosti pohybu = 0 [s]
Lmin
- minimální celková délka zatopení důlních chodeb [m)
lt
- délka výkmitu vodní zátky ke konci působení tlakového impulsu [m]
l10
- nulté přiblížení výpočtu délky výkmitu vodní zátky [m]
l1k
- k-té přiblížení výpočtu délky výkmitu vodní zátky při uvažování působení potenciální
energie a energie ztracené hydraulickými odpory [m]
F
- světlý průřez zatopeného důlního díla [m2]
uo
- max. rychlost pohybu vodní zátky ke konci působení tlakového impulsu [m.s-1]
u1
- rychlost pohybu vodní zátky v okamžiku max. délky výkmitu vodní zátky [m.s1]
us
- střední rychlost pohybu vodní zátky [m.s-1]
ρ
- měrná hustota kapaliny [kg.m-3]
m
- hmotnost vodní zátky [kg.s2.m-1]
η
opravný koeficient mechanické účinnosti převodu energie do vodní zátky vztažený k úklonu
důlních chodeb podle tabulky 1
4.1
Matematické vyjádření výpočetního postupu
Návazný matematický postup vychází ze schematického znázornění vodní zátky
(Obrázek 2 a 3).
směr působení rázové vlny
Lmin = L1 + L2
lt ≤ L1
F1
lt
lt
L1
2
F2
2
h
hS
1
h1
α1
α2
L2
Obrázek 2: Schematické znázornění vodní zátky
Kde symboly použité v obrázku jsou: α1 je úklon chodby ve směru k předpokládanému
ohnisku výbuchu [°], α2 je úklon chodby z přístupové strany [°], F je světlý průřez
důlního díla [m2], hs je světlá výška chodby v nejnižším místě vodní zátky [m], h1 je
6
minimální výška po hlavu výztuže (strop) pro větrání vodní zátky (0,4 m), h je
minimální výška zatopení vodní zátky odpovídající Lmin [m], ht je výška výkmitu vodní
zátky [m], XY je délka horizontální části (úžlabí) vodní zátky [m], • je úroveň, kdy
vzdálenost mezi hladinou vody a nejnižším bodem výztuže pod stropem (h1 na Obrázku
2) není (a nesmí být) menší než 40 cm a ‚ je úroveň, kdy hladina vody odpovídá
potřebné délce zatopení Lmin, při níž je vodní zátka výbuchuvzdorná.
Objemový průtok větrů nad hladinou lze regulovat stavem hladiny nad úroveň • pouze
na příkaz VLH.
Dle základních předpokladů a v souladu se skripty Pantoflíček (1967), impulsním
působením rázové vlny se udělí vodní zátce určitá rychlost, která vyvolá její změnu
hybnosti.
m × u0 = η × F × I
1.
pro obecné vyjádření I platí:
τ0
I = ∫ p(t ) × dt
2.
0
je-li hmotnost vodní zátky
m = F × Lmin × ρ
3.
pak
u0 =
η×F×I
η×I
=
F × Lmin × ρ Lmin × ρ
4.
Lmin = L1 + L2
směr působení rázové vlny
L1
2
L2
1
h1
α1
α2
X
hS
Y
Obrázek 3: Schematické znázornění reálné vodní zátky
Střední rychlost pohybu vodní zátky je
7
us =
u 0 + u1
η×I
=
2
2 × Lmin × ρ
5.
Rázová vlna udělí vodní zátce kinetickou energii K
K=
1
1
F ×η 2 × I 2
η2 × I 2
× m × u 02 = × F × Lmin × ρ × 2
=
2
2
Lmin × ρ 2 2 × Lmin × ρ
6.
Z výše uvedeného je zřejmé, že po přechodu vlny se pohyb vodní zátky zvětšuje
setrvačností a současně je bržděn změnou potenciální energie a působením
hydraulických ztrát. S určitým zjednodušením lze konstatovat, že účinek impulsu
rázové vlny je snižován hmotou vodní zátky.
Vodní zátka se zastaví, když se celá její kinetická energie K spotřebuje na zvýšení
potenciální energie P a překonání ztrát energie hydraulickými odpory a třením Ez.
V rovnovážném stavu se pokládá potenciální energie vodní zátky za nulovou. Vodní
zátka se považuje za výbuchuvzdornou je-li výkmit (viz Obrázek 2)
lt < L 1
Pro zjednodušení výpočtu se uvažuje
L1 + L2 = Lmin
7.
přičemž
L1 = L2
pak pro hranici výbuchuvzdornosti platí
lt < 0,5 × Lmin
8.
Potenciální energie při výše uvedeném výkmitu je
P = m × g × lt
9.
P = F × l t × ρ × g × lt × sin α
10.
P = F × ρ × g × sin α × lt2
11.
8
Pro maximální výkmit vodní zátky, kdy u1 = 0, musí platit, že kinetická energie vodní
zátky, kterou jí udělí rázová vlna, se musí rovnat potenciální energii P zvětšené o ztráty
energie hydraulickými odpory a třením.
K = P + Ez
12.
Pro výpočet energie ztracené hydraulickými odpory a ztrátami třením Ez je užito vzorců,
které jsou platné pro ustálené proudění viskosní tekutiny, i když pohyb vodního sloupce
není ustálený. Chybu vzniklou tímto zjednodušením lze následně snížit vhodnou volbou
součinitelů. Pokusy na modelech dostatečně potvrdily, že převážná část pohybu vodní
zátky bude probíhat v turbulentní oblasti, ztrátový součinitel f se příliš nemění a tudíž je
považován za konstantní.
Pro výpočet tlakové ztráty třením při proudění Δ pz je použit Fanningův vzorec
1
L 
∆p z = 4 ×  min  × f × × u S2 × ρ
2
 D 
13.
přičemž součinitel ztráty třením
λ = 4× f
14.
L 
4 ×  min  × f = ξ 0
 D 
15.
je-li
kde ξ0 je součinitel místních ztrát třením, lze psát
1
∆p z = ξ 0 × × u S2 × ρ
2
16.
Dojde-li v praxi k tomu, že část zatopené důlní chodby bude měnit světlý průřez F, nebo
případně bude stát v této zatopené oblasti např. přípravná hráz, vzniknou při pohybu
vodní zátky místní hydraulické ztráty.
V takovém případě se pak místní tlaková ztráta vyjádří vztahem:
1
∆p zi = ξ i × × u S2 × ρ
2
17.
a součinitel místních ztrát pro takto seškrcený světlý průřez důlního díla je:
9


0,707

ξ i = 1 +
2
 di 

1−  

 D
2


2
  D  
−
 ×  di  1

 

18.
kde di je seškrcený tzv. ekvivalentní průměr.
Dle výrazu 18 byly vypočteny hodnoty místních ztrát pro různé poměry seškrcených
průměrů k „průměru“ stávajícího důlního díla D. Jelikož se v důlním provoze vyskytují
kruhové profily důlních děl poměrně zřídka, je nutno všechny odlišné profily od
kruhových přepočíst na tzv. ekvivalentní průměry dle vzorce 19.
D=
di
D
ξi
kde
4× F
π
19.
0,20
0,25
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1705
675
312
86,6
29,8
11,2
4,30
1,49
0,379
0,000
di
představuje poměr seškrcení ekvivalentních průměrů.
D
Celkový ztrátový součinitel zahrnující jak odpor tření, tak také místní ztráty lze psát ve
tvaru
ξ = ξ 0 + ∑1n ξ i
20.
pak je celková tlaková ztráta
1
∆p z = ξ × × u S2 × ρ
2
21.
Ztráta energie hydraulickými odpory a třením při maximálním výkmitu vodní zátky
bude
E z = F × ∆p z × lt
22.
S užitím rovnice 12 a dosazením rovnic 6, 11 a 22 se po úpravě dostane výsledný
základní vzorec
lt =
ξ ×lp
η×I
× 1−
4 × Lmin
ρ × 2 × Lmin × g × sin α
23.
10
Pro usnadnění použití výše uvedeného vzorce je možno užít další předpoklady.
1. Je-li ztráta energie hydraulickými odpory a třením zanedbatelně malá, pak platí
ξ ×lp
4 × Lmin
→0
24.
a vzorec se pak zjednoduší na
lt =
η×I
ρ × 2 × Lmin × g × sin α
25.
Tento zjednodušený vzorec je možno použít pro výpočet délky výkmitu vodní zátky
v důlních chodbách, nedochází-li v nich k náhlým a výrazným změnám průřezu.
2. Není-li ztráta energie hydraulickými odpory a třením a změna potenciální energie
zanedbatelná, postupuje se následovně:
V tomto případě se použije vzorec 23 a výpočet se provede metodou postupného
přibližování. V případě, že není dosaženo uspokojivé shody se výpočet opakuje.
Jak ukázalo porovnání naměřených hodnot výkmitu vodní zátky s vypočtenými
výsledky zkráceného výpočtu podle vzorců 23, 25 dosáhlo se dostačující přesnosti.
V prvém přiblížení n = 1 se do rovnice 23 dosadí za lp vypočtená hodnota lt z rovnice
25. V tomto případě platí, že
lp = lt
26.
Je-li vypočtená hodnota ln značně odlišná od dosazené hodnoty lp, opakuje se výpočet
znovu s tím, že se dosadí ln za lp.
4.2
Zpřesnění výpočetního postupu
Definované zjednodušující předpoklady zavádějí určitou nepřesnost v konečném
matematickém vyjádření maximálního výkmitu vodní zátky. Proto se na základě analýz
experimentálních měření vytipovaly základní ovlivňující faktory, určil se rozsah jejich
platnosti a následně byl zaveden do konečného výpočetního vztahu systém tzv.
opravných koeficientů, které dané nepřesnosti eliminují (Černín (1977)).
Jednou z hlavních podmínek stanovení opravných koeficientů je přesné definování
limitních délek zatopení, tedy stanovení kritérií pro tzv. výbuchuvzdornost vodních
zátek. Stanovené kritérium výbuchuvzdornosti vychází z předpokladu, že vodní zátka
ztrácí svoji uzavírací schopnost v okamžiku, kdy dochází působením tlakového impulsu
k přetlačení objemu vody do výstupní úklonné chodby. Při analýze dynamiky pohybu
11
vodní zátky, silně ovlivněné turbulencí, kavitací a bouřlivým vývojem vodní tříště
v klínovém prostoru vodní zátky (kumulativní efekt), bylo zjištěno, že vodní zátka si
zachovává uzavírací schopnost i po překročení výše stanoveného kritéria. V tomto
případě dosahuje koeficient bezpečnosti 1,4. V konfrontaci s teoretickými předpoklady,
matematickými výpočty a výsledky z experimentálních měření, došlo se k závěru, že
stanovené kritérium pro limitní délky vodních zátek s použitím opravných koeficientů je
platné v rozsahu přesnosti ± 7 %, tedy v oblasti zaručené bezpečnosti.
Kromě dále uvedených opravných koeficientů se na konečném vztahu rovnice 25 podílí
také charakter průběhu zatěžovacího impulsu rázové vlny. Intenzitní parametry
rázových vln se vyjadřují dvěma rozdílnými veličinami: maximálním tlakem v čele vlny
a impulsem přetlakové fáze rázové vlny. Pokles impulsu působícího na vodní zátku má
vždy exponenciální průběh i když je vyvolán libovolnými výbuchovými zdroji. Jelikož
exponenciální pokles je ovlivňován konkrétní místní konfigurací prostředí, je pro
zjednodušení zaveden pojem tzv. náhradní rázové vlny s trojúhelníkovým poklesem,
tedy zjednodušení ve prospěch vyšší bezpečnosti. Tato skutečnost je zakotvena
v uvedené konstantě rovnice 27. Nutno zdůraznit, že v této konstantě jsou rovněž
zakomponovány energetické ztráty v oblasti kumulačního efektu. Po úpravách lze
výsledný vzorec vyjádřit v tomto tvaru:
lt = 73,5
∆p × τ × η × k
Lmin × sin α
27.
kde lt je délka výkmitu vodní zátky [m], ∆p je očekávaný maximální přetlak v čele
rázové vlny působící na hladinu vodní zátky [MPa] (zpravidla 1 MPa), τ je doba
působení rázové vlny na vodní zátku [s] (zpravidla 0,5 s), Lmin je minimální celková
délka zatopení důlních chodeb pod stropem [m], viz Obrázek 2, α je střední úklon
chodeb (úklon ve stupních) [°],
α=
α1 + α 2
2
28.
η je opravný koeficient mechanické účinnosti převodu energie do vodní zátky vztažený
na úklon důlních chodeb (Tabulka 1), k = korelační koeficient vztažený na velikost
světlého průřezu důlních chodeb (Tabulka 2).
Na základě analýz experimentálních měření byly stanoveny tyto hodnoty opravného
koeficientu a korelačního koeficientu:
12
Tabulka 1: Opravný koeficient mechanické účinnosti převodu energie do
vodní zátky vztažený na úklon důlních chodeb
Střední úklon chodeb α [°]
Opravný koeficient pro zkrácený výpočet η
1
1,000
2
1,110
4
1,185
6
1,230
8
1,280
10
1,315
12
1,350
14
1,375
16
1,400
18
1,420
20
1,440
22
1,455
24
1,470
26
1,485
28
1,500
30
1,510
Tabulka 2: Korelační koeficient vztažený na velikost světlého průřezu
důlních chodeb
Světlý průřez důlních chodeb
F [m2]
Korelační koeficient
6
0,95
8
1,01
10
1,06
12
1,12
14
1,17
16
1,22
k
Pro rychlou orientaci byla zpracována Tabulka 3 minimálních délek zatopení Lmin
včetně maximálních výkmitů vodní zátky lt pro různé světlé průřezy důlních děl.
Vychází se z předpokladu, že úklon v obou ramenech je shodný.
13
Tabulka 3: Minimální celková délka zatopení a maximální výkmit v závislosti
na světlém průřezu chodby a jejím úklonu
Úklon [°]
2
3
4
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
52
25,45
48
23,41
45
22,08
8,00
55
27,33
51
24,96
48
23,41
10,00
58
28,55
53
26,08
50
24,36
12,00
60
29,51
55
26,83
51
25,16
14,00
61
30,38
56
27,53
52
25,76
16,00
63
30,87
57
28,06
53
26,20
Úklon [°]
5
6
7
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
43
21,06
41
20,30
40
19,58
8,00
45
22,39
44
21,34
42
20,69
10,00
47
23,23
45
22,27
44
21,36
12,00
48
23,94
46
22,91
45
21,95
14,00
49
24,45
47
23,36
46
22,35
16,00
50
24,84
48
23,70
46
22,84
Úklon [°]
8
9
10
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
39
19,00
38
18,52
37
18,11
8,00
41
20,03
40
19,46
39
19,01
10,00
42
20,82
41
20,21
40
19,70
12,00
43
21,35
42
20,71
41
20,17
14,00
44
21,73
43
21,03
42
20,48
16,00
45
21,99
43
21,47
42
20,89
14
Úklon [°]
12
14
16
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
35
17,46
34
16,86
33
16,34
8,00
37
18,27
36
17,58
35
17,04
10,00
38
18,92
37
18,16
36
17,54
12,00
39
19,32
38
18,51
37
17,88
14,00
40
19,60
38
18,96
37
18,25
16,00
40
19,98
39
19,11
38
18,40
Úklon [°]
18
20
22
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
32
15,98
32
15,44
31
15,18
8,00
34
16,58
33
16,21
32
15,92
10,00
35
17,04
34
16,63
33
16,31
12,00
36
17,36
35
16,93
34
16,58
14,00
36
17,74
35
17,30
34
16,94
16,00
37
17,82
36
17,34
35
16,96
Úklon [°]
24
26
28
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
30
14,98
30
14,58
29
14,48
8,00
32
15,44
31
15,26
31
14,87
10,00
33
15,86
32
15,65
31
15,44
12,00
33
16,30
33
15,83
32
15,67
14,00
34
16,39
33
16,16
32
15,98
16,00
34
16,66
33
16,43
33
16,03
Úklon [°]
30
Světlý
průřez
[m 2]
Minimální
délka
zatopení
[m]
Maximální
výkmit
[m]
6,00
29
14,14
8,00
30
14,78
10,00
31
15,13
12,00
32
15,27
14,00
32
15,56
16,00
32
15,83
15
Celková délka zatopení důlních chodeb v závislosti na jejich úklonu a rozdílných
světlých průřezech je znázorněna na Obrázku 4.
20
18
16
6 m2
8 m2
Úklon chodeb α
14
10 m2
12 m2
12
14 m2
16 m2
10
8
6
4
2
0
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
66
Celková
délka
zatopení
(m)(m)
Minimální
délka
zatopení
Obrázek 4: Minimální délka zatopení důlních chodeb v závislosti na jejich
úklonu a rozdílných světlých průřezech
Navržení tzv. zkráceného výpočtu vodní zátky směřovalo k možnosti operativně a
urychleně posoudit konkrétní havarijní situaci s možností případného zřízení vodní
zátky v daném místě, která by splňovala kritéria výbuchuvzdornosti. Předpokládalo se
totiž, že ne vždy a dostatečně rychle bude k dispozici výpočetní program.
V důlní praxi se však zpravidla úklony v obou ramenech liší, což ovlivňuje
mechanismus převodu kinetické energie vodní zátky v potenciální energii.Ve svých
důsledcích se tato skutečnost projevuje ve změně délky výkmitu od tzv. střední hodnoty
a současně na celkové minimální délce zatopení. Jelikož výpočetní vztahy (27, 28) tuto
skutečnost neakceptují, byl navržen následující a zpřesňující postup.
1. S využitím výrazů (27, 28) se zjistí pro konkrétní konfiguraci délka výkmitu vodní
zátky pro minimální, tedy nejkratší možnou délku zatopení Lmin, což je nutno
provádět opakovaně postupným přibližováním.
2. Jednodušší způsob nalezení minimální délky zatopení Lmin je pomocí Tabulky 3
s využitím výrazu (29).
Je-li α1 úklon chodby na straně předpokládaného dopadu rázové vlny na vodní zátku a
α2 je úklon chodby na přístupové straně, pak následné řešení má dva možné výstupy:
α1
>1
a)
α2
b)
α1
<1
α2
16
Varianta a)
Skutečná celková redukovaná délka zatopení, ovlivněná rozdílnými úklony chodeb, se
vypočte podle vztahu:
Lred = Lmin × µ1
29.
kde µ1 je redukční koeficient závislý na hodnotě poměru α1/α2 a odečte se z grafu na
Obrázku 5.
2.4
2.2
2
µ1
1.8
1.6
1.4
α1
α2
1.2
1
1
1.5
2
2.5
3
α1/α2
3.5
4
4.5
5
5.5
Obrázek 5: Závislost redukčního koeficientu µ1 na hodnotě poměru α1/α2
Tato konfigurace prodlužuje potřebnou délku zatopení ve vztahu k zjištěnému Lmin.
Varianta b)
Skutečná celková redukovaná délka zatopení, ovlivněná rozdílnými úklony chodeb, se
vypočte podle vztahu:
Lred = Lmin × µ 2
30.
kde µ2 je redukční koeficient závislý na hodnotě poměru α1/α2 a odečte se z grafu na
Obrázku 6.
17
1
0.8
µ2
0.6
0.4
α1
α2
0.2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
α1/α2
Obrázek 6: Závislost redukčního koeficientu µ2 na hodnotě poměru α1/α2
Tato konfigurace zkracuje potřebnou délku zatopení se zřetelem na zjištěné L.
Délky zatopení v jednotlivých ramenech se vypočtou podle:
Lred = L1red + L2 red
31.
L1red =
Lred × sin α 2
sin α1 + sin α 2
32.
L2 red =
L1red × sin α1
sin α 2
33.
18
5 UŽITÍ NEÚPLNÝCH OPĚRNÝCH HRÁZÍ
V těch případech, kdy u relativně krátké vodní zátky je zapotřebí zvětšit délku zatopení
pod stropem stanovenou výpočtem, případně okolní hornina není celistvá a je nebezpečí
netěsnosti vodní zátky, či zvětšením délky zatopení by došlo k přetékání vody do jiných
důlních děl, doporučuje se postavit neúplnou opěrnou hráz, která umožní zvýšit vodní
hladinu na požadovanou délku (viz Důl Zárubek, hráz H8 na 5606).
Tato neúplná opěrná hráz umožní vodě volně vytékat vrchním otvorem po předání
impulsu rázové vlny vodní zátce. Rázová vlna převedená do vodní zátky se volně šíří
k neúplné opěrné hrázi a současně uvádí celou vodní zátku do pohybu. Na neúplnou
opěrnou hráz působí dvě síly různého původu, transformovaná rázová vlna a dále
hydrodynamický tlak vyvolaný při průtoku vody přes neúplnou opěrnou hráz.
Dříve než dopadne rázová vlna šířící se vodní zátkou na neúplnou opěrnou hráz, odráží
se od volného povrchu hladiny ve vodním kónusu. Vzniklá odražená vlna snižuje tlak
v dopadající vlně, který je výrazně oslaben. Zmenšováním otvoru v neúplné opěrné
hrázi dochází, za jinak stejných podmínek, ke zvyšování hydraulického tlaku. Proto,
nemá-li být neúplná opěrná hráz namáhána příliš velkými tlaky, nesmí být zahrazení
profilu chodby příliš velké. Doporučuje se maximální zahrazení 40% světlého průřezu
důlního díla (viz Obrázek 7).
Oblast hydrodynamického tlaku působícího na neúplnou
opěrnou hráz při výkmitu vodní zátky
Orientační délky
neúplných opěrných
hrází pro cihelné zdivo
s cementovou maltou
1
0.9
0.8
0.7
F 1/F 2
0.6
F1
F2
D
(m)
0,2
0,4
0,6
0,30
0,45
0,90
0.5
0.4
2
F1 (m )
0.3
F2 (m2)
0.2
D
0.1
0
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Velikost hydrodynamického tlaku na neúplnou opěrnou hráz (MPa)
Obrázek 7: Hydrodynamický tlak působící na neúplnou opěrnou hráz při
výkmitu vodní zátky
19
6 NEÚPLNÉ ZATOPENÍ DŮLNÍCH
STŘÍDAVÝM ÚKLONEM
DĚL
SE
V řadě důlních provozů se vyskytují důlní díla se střídavým úklonem, která pro svůj
malý sklon, případně i krátkou délku možného zatopení, nesplňují kriteria
výbuchuvzdornosti vodních zátek. Na základě úvah do jaké míry jsou takto neúplně
zatopené muldy alespoň z části funkční a zda je vůbec účelné je v havarijních případech
zatápět, byla provedena celá řada experimentálních měření. Bylo prokázáno, že dochází
ke značnému útlumu intenzitních parametrů vzdušné rázové vlny při neúplném zatopení
vodní zátky, tedy při určitém volném prostoru pod stropem v nejnižším místě muldy.
Vznikají tak podmínky pro průchod rázové vlny, které modelově odpovídají vřazené
škrtící cloně.
Neúplně zatopená vodní zátka v porovnání s clonou při shodném otevření má podstatně
větší tlumící účinky impulsu než clona. Pro názornost je možno porovnat oscilografické
záznamy (Obrázek 8 a 9) útlumové účinnosti pevné clony a vodní zátky při shodném
otevření profilu, přičemž snímače 1 a 2 byly situovány před vodní zátkou a registrovaly
parametry dopadající rázové vlny. Snímače 3 a 4 byly situovány bezprostředně v oblasti
zatopení vodní zátky, respektive v bezprostřední blízkosti pevné clony. Časový průběh
prošlých rázových vln byl registrován čidly 5 a 6.
Obrázek 8: Oscilografické záznamy útlumové účinnosti pevné clony s 10 %
otevřením otvoru
20
Obrázek 9: Oscilografické záznamy útlumové účinnosti neúplně zatopené
vodní zátky s 10 % otevřeném profilu
Analýzou oscilografických záznamů a dynamiky pohybu vodní zátky (Obrázek 10) bylo
zjištěno, že v kónusovém prostoru vodní zátky dochází při průchodu rázové vlny ke
kumulaci tlaku. V počáteční fázi sice čelo rázové vlny projde otvorem nad hladinou,
avšak v relativně krátké době je zvlněním a vytvořenou vodní tříští otvor uzavřen, takže
expanzní vlna je silně potlačena. Vlivem dynamiky pohybu vodní zátky je redukce
impulsu rázové vlny téměř pětkrát větší než odpovídající redukce tlaku v čele vlny a to
vlivem vzájemné interakce primární vlny a týlové vlny zředění vzniklé v okamžiku
uzavření volného profilu.
Zpoždění expozice: 9,54 ms
19,23 ms
29,11 ms
Obrázek 10: Dynamika pohybu vodní zátky, 10 % profilu otevřeno
Obdobný mechanismus dynamiky pohybu vodní zátky probíhá, uzavře-li stoupající
hladina celý profil důlní chodby, tedy vodní hladina se dotýká spodní hrany výztuže ve
21
vrcholu oblouku. Postupující vzdušná rázová vlna neztrácí charakter rovinného čela
v kónusovém vzdušném prostoru vodní zátky. Plynulým snižováním volného prostoru
nad hladinou vodní zátky dochází k postupné kumulaci tlaku se všemi důsledky
dynamických přeměn vodní hladiny.
Po dopadu rázové vlny na vodní hladinu dojde v následné fázi k proražení vodní zátky,
nastane mírný nárůst tlaku za vodní zátkou, avšak charakteristické rysy rázové vlny jsou
již zcela potlačeny (Obrázek 11 a 12). Vznik vodní tříště se značným chladícím
účinkem může příznivě působit na hašení výbuchového plamene. Jelikož tento hasící
efekt nebyl experimentálně ověřen „in situ“, je diskutabilní, zda neúplně zatopené
úklonné chodby mohou být považovány za protivýbuchové uzávěry.
Na základě výše uvedeného se doporučuje v havarijních případech zatopit všechny
možné muldy maximálně však na úroveň hladiny • (Obrázek 2).
Obrázek 11: Oscilografické záznamy útlumové účinnosti vodní zátky
zatopené na hranu
22
Zpoždění expozice: 4,90 ms
9,42 ms
19,14 ms
29,01 ms
Obrázek 12: Dynamika pohybu vodní zátky zatopené na hranu
23
7 LITERATURA
Černín (1975)
Černín, M.: Výzkum účinnosti vodních zátek a stanovení podmínek jejich použití
k uzavírání požářiště s nebezpečím výbuchu na základě modelových zkoušek. Závěrečná
zpráva VVUÚ Ostrava – Radvanice, 1975
Pantoflíček (1967)
Pantoflíček, J., Lebr, F.: Teorie působení výbuchu I. SNTL, Praha 1967
Černín (1977)
Černín, M., Denkstein, J.: Nové poznatky z problematiky uzavírání požářišť vodními
zátkami. Uhlí 2/1977
24
Pardubice 532 10
Období: duben 2003 – srpen 2003
Výbuchový trojúhelník – uživatelský manuál
Provozní verze programu
Řešitelé:
Manuál programu „Výbuchový trojúhelník“ – provozní verze
OBSAH
OBSAH................................................................................................................................... 1
1
VŠEOBECNÉ INFORMACE ........................................................................................ 2
1.1
1.2
1.3
OMEZENÍ PROGRAMU ................................................................................................ 2
OPERAČNÍ SYSTÉM:................................................................................................... 2
POŽADAVKY NA HARDWARE ..................................................................................... 2
2
INSTALACE PROGRAMU .......................................................................................... 3
3
STARTOVÁNÍ PROGRAMU ....................................................................................... 3
4
RUČNÍ ZADÁVÁNÍ SLOŽENÍ POŽÁRNÍCH PLYNŮ .............................................. 3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5
SLOŽENÍ VSTUPNÍ SMĚSI............................................................................................ 4
VÝBUCHOVÝ TROJÚHELNÍK ...................................................................................... 5
INERTIZACE .............................................................................................................. 7
FAKTOR LVCO ......................................................................................................... 8
ROZŠÍŘENÁ TERMODYNAMICKÁ ANALÝZA. ............................................................... 9
DALŠÍ ODBĚRNÍ MÍSTA V ZAPLYNOVANÉM DŮLNÍM DÍLE ......................................... 10
UKLÁDÁNÍ – ARCHIVACE DAT ................................................................................. 11
VYVOLÁNÍ ARCHIVOVANÝCH DAT .......................................................................... 11
VYSVĚTLIVKY ........................................................................................................ 12
RUČNÍ ZADÁVÁNÍ VŠECH VÝBUŠNÝCH SLOŽEK DŮLNÍHO OVZDUŠÍ ....... 12
5.1
SLOŽENÍ VSTUPNÍ SMĚSI.......................................................................................... 13
1
Program VÝBUCHOVÝ TROJÚHELNÍK je grafický výpočetní systém určený
k rychlému vyhodnocení nebezpečnosti směsí hořlavých látek se vzduchem
vznikajících při závažných průmyslových nehodách na povrchu nebo v podzemních
důlních dílech. Zbavuje uživatele nutnosti provádět rutinní výpočty při likvidaci havárie.
Jeho ovládání je zjednodušeno do té míry, že uživatel obdrží požadovaný výsledek
v přehledné grafické a číselné formě, aniž by musel vkládat tabulkové údaje, provádět
mezivýpočty apod.
Odhad výbušnosti požárních zplodin je založen na metodice vypracované A. J.
Hughesem a W. E. Raubouldem. Vlastní výpočet výbuchových parametrů
plynovzdušných směsí je založen na představách o Gibbsově energii a chemické
rovnováze. Program umožňuje navrhnout způsob inertizace plynovzdušné směsi,
vypočítat energetickou bilanci při tepelném zatížení stavebních konstrukcí vystavených
požáru a stanovuje další důležité fyzikálně - chemické parametry výbušných
plynovzdušných směsí v důlních dílech.
1.1
Omezení programu
Protože je přesnost určení chemického složení nebezpečných plynných směsí
ovlivněna řadou náhodných vnějších faktorů a nadto se chemické složení v průběhu
času mění, nemohou autoři programu převzít jakoukoliv odpovědnost za škody či
zranění způsobené případnou chemickou reakcí těchto zplodin.
V dokumentaci se předpokládá, že je uživatel programu seznámen s obsluhou
počítače typu IBM PC, obsluhou programů pracujících pod operačním systémem
Windows a se způsoby výpočtu výbušnosti hořlavých plynů, jak je uvádí „Metodika
stanovení bezpečné vzdálenosti od ohniska výbuchu vícesložkových směsí plynů a
uhelného prachu v důlních dílech“ používaná v OKD.
1.2
Operační systém:
Program Výbuchový trojúhelník vyžaduje:
1. Windows 98 SE (Second Edition), Windows 2000 nebo Windows XP.
2. Microsoft Internet Explorer verze 4.0 nebo vyšší, který je součástí obou operačních
systémů Windows.
1.3
Požadavky na hardware
Hardwarové požadavky programu jsou určeny operačním systémem Windows. Za běhu
nepřesahují paměťové nároky programu Výbuchový trojúhelník 12 MB RAM.
2
2 INSTALACE PROGRAMU
Instalace programu Výbuchový trojúhelník se provádí tak, že po spuštění
instalačního programu celého softwarového balíku DISSOLVER si uživatel zvolí jazyk,
ve kterém bude program provozovat, potvrdí souhlas s licenčními podmínkami a určí
adresář, kam se všechny součásti DISSOLVERU, včetně programu Výbuchový
trojúhelník, nainstalují. Uživatel se řídí pokyny průvodce instalací.
3 STARTOVÁNÍ PROGRAMU
Program Výbuchový trojúhelník se startuje poklepáním na ikonu na pracovní ploše
Windows Vašeho monitoru nebo z rozbalovacích nabídek „Start“, „Programy“,
„Výbuchový trojúhelník“ ve spodní liště Vašeho monitoru.
4 RUČNÍ ZADÁVÁNÍ SLOŽENÍ POŽÁRNÍCH PLYNŮ
Poklepejte na ikonu „Nová havárie“ a v okně „Nová havárie“ zvolte „Ruční
zadávání složení požárních plynů“ a potvrďte „OK“.
Druhou variantou je klepnutí na šipku vedle ikony „Nová havárie“, kde se rozbalí
nabídka a přemístěním kurzoru nad pole „Ruční zadávání složení požárních plynů“
a klepnutím na tento nápis dojde nastartování pracovního okna programu.
3
Stejného lze dosáhnout stisknutím klávesy „F6“.
4.1
Složení vstupní směsi
Další obrazovka je rozdělena na okno „Složení vstupní směsi“ a „Výbuchový
trojúhelník“.
Zadejte procentické složení, například podle následující tabulky. Zastoupení složek
směsi lze zadat z klávesnice po klepnutí na okénka s hodnotami koncentrace
jednotlivých plynů. Mezi jednotlivými plyny se lze pohybovat také pomocí kurzorů.
Koncentrace dusíku se dopočítává automaticky.
N2
CO2
CH4
O2
CO
H2
72,41 %
1,03 %
9,80 %
16,50 %
58 ppm
0,25 %
Datum a čas výpočtu vkládá program automaticky.
4
4.2
Program při zadávání koncentrací jednotlivých složek plynu neustále vyhodnocuje
výbušnost směsi plynů. V případě, že je směs hořlavá nebo výbušná, jsou vypočteny
fyzikálně chemické vlastnosti směsi a vykreslen výbuchový trojúhelník.
5
Barevný bod v trojúhelníku udává chemické složení směsi požárních plynů. Pro
rozlišení vlastností plynovzdušné směsi byly zvoleny tyto barvy:
Červená
směs je výbušná
Žlutá
směs je nevýbušná, ale může vybuchnout při zvýšení obsahu kyslíku a snížení obsahu hořlavin
Zelená
směs je nevýbušná, ale může vybuchnout při snížení obsahu kyslíku a zvýšení obsahu hořlavin
Modrá
směs je intertizována
Doprovodné texty mají stejnou barvu jako bod, znázorňující chemické složení
požárních zplodin.
Čárkované čáry protínající levou a pravou stranu výbuchového trojúhelníku udávají
meze výbušnosti plynovzdušné směsi na ose hořlavin i na ose kyslíku.
Při chybném zadání obsahu kyslíku, které neodpovídá složení vzduchu, se vypisuje
upozorněni: „Termodynamická analýza selhala. Koncentrace kyslíku je příliš
vysoká. Maximální přípustná hodnota je xx.xx obj. %“ kde xx.xx je vypočtená
maximální přípustná koncentrace kyslíku ve směsi požárních plynů.
6
4.3
Inertizace
Program umožňuje navrhnout inertizaci směsi požárních plynů v důlním díle. Po
klepnutí na ikonu „Nastavení řešitele“ na horní liště obrazovky zaškrtněte volbu
„Zobrazovat výsledky inertizace směsi požárních plynů“. Potvrďte „OK“.
Zadejte minutový průtok požárních plynů průřezem důlního díla např. 200 m3/min.
Program uživatele ihned upozorní, že průtok dusíku 60 m3/min je pro inertizaci
nedostatečný. V okénku „Inertizace“ směsi je současně vypsáno upozornění, že pro
daný výkon zdroje inertizačního dusíku je nezbytné zmenšit průtok plynů důlním dílem
na 162 m3/min.
7
Informace je doplněna bublinou ve výbuchovém trojúhelníku s vypočtenou hodnotou
průtoku dusíku, která by byla pro inertizaci požárních plynů v důlním díle dostatečná tj.
pro uvedený příklad 74 m3/min.
4.4
Faktor LVCO
Vyskytne-li se v požárních plynech oxid uhelnatý a jeho průtok přesáhne kritickou
hranici 10 l/min, je uživatel na tuto skutečnost upozorněn červeným blikajícím
hlášením: „Faktor LVCO dosáhl limitní hodnoty!!!“, v řádku na spodu obrazovky.
8
4.5
Rozšířená termodynamická analýza.
Zaškrtnutím volby „Zobrazovat výsledky rozšířené termodynamické analýzy“ jsou
vlevo v okně vedle výbuchového trojúhelníku uvedeny podrobnější výsledky
termodynamických výpočtů. Tato vlastnost programu se uplatní při detailním studiu
fyzikálně – chemických vlastností reagující plynovzdušné směsi.
Příklad výpočtu je uveden v následujícím obrázku.
9
4.6
Další odběrová místa v zaplynovaném důlním díle
Obdobným způsobem, jak bylo uvedeno v kapitolách 4.1 – 4.5 je možné provádět
výpočty i pro další odběrová místa v zaplynovaném důlním díle.
Klepnutím na ikonu „Přidat datový paket“ se pod první řádek s chemickým složením
plynovzdušné směsi vloží řádek další, do kterého je možné zadávat chemické složení
plynů podobně jako v předchozím příkladu. V následujícím obrázku je pro příklad
uveden výbuchový trojúhelník pro směs 16 % kyslíku, 8 % metanu a 76 % dusíku.
10
Tuto vlastnost programu je možné využít například pro sledování vývoje důlní havárie.
Do nových datových paketů se může v pravidelných časových intervalech ukládat
měnící se chemické složení požárních plynů. Postupným klepáním na řádky
jednotlivých datových paketů získá uživatel přehled o tendenci změn chemického
složení požárních plynů v čase.
Klepnutím na ikonu „Odebrat datový paket“ je možné odebrat řádek například
s chybně zadaným chemickým složením směsi požárních plynů.
4.7
Ukládání – archivace dat
Data tj. chemické složení plynovzdušné směsi, výsledky výpočtu aj. jsou ukládána
v souborech s příponou *.DIS. Jako jména souborů je možné použít např. jméno
šachty, datum havárie apod.
Klepněte na volbu „Soubor“ v horní liště obrazovky a pak, po rozvinutí menu na
„Uložit jako“ pojmenujte soubor např. Priklad2 a potvrďte klepnutím na okénko
„Uložit“.
4.8
Vyvolání archivovaných dat
Pro zpětné vyhodnocení dříve provedených (archivovaných) výpočtů stačí poklepat na
ikonu „Otevřít havárii“. Objeví se okno „Otevřít“, v adresáři vybrat příslušný
archivovaný výpočet a potvrdit kliknutím na „Otevřít“.
11
4.9
Vysvětlivky
Okno „Termodynamické vlastnosti“ uvádí teplotu hoření plynovzdušné směsi a
přetlak v místě výbuchu. Obě hodnoty jsou vypočteny bez započtení tepelných ztrát do
okolí. Skutečné měřené hodnoty by byly poněkud nižší.
Okno „Výbušnost směsi“ uvádí slovní komentář ke skutečnostem zobrazeným ve
výbuchovém trojúhelníku. Současně je uvedena spotřeba dusíku na zadaný průtok
vzdušnin důlním dílem.
Okno „Koncentrace paliv“ uvádí celkové procentické zastoupení hořlavých plynů
v plynovzdušné směsi současně s procentickým podílem hořlavých plynů v sumě
hořlavých plynů.
V okně „Meze výbušnosti“ je uveden rozsah koncentrací hořlavin a kyslíku, ve
kterých může plynovzdušná směs vybuchnout.
5 RUČNÍ ZADÁVÁNÍ VŠECH VÝBUŠNÝCH SLOŽEK
DŮLNÍHO OVZDUŠÍ
Program „Výbuchový trojúhelník“ umožňuje řešit i případy, kdy vzniká jiná směs
hořlavin se vzduchem než jsou požární plyny v dolech. Uživatel vybírá ze seznamu
složky směsi, pro kterou jsou dále vypočteny termodynamické charakteristiky tj. teplota
hoření, množství uvolněného tepla apod.
12
Pro spuštění této varianty programu poklepejte na ikonu „Nová havárie“, zvolte
„Ruční zadávání všech výbušných složek důlního ovzduší“ a potvrďte „OK“. Nebo
jedním z dalších způsobů popsaných v kapitole 4.
5.1
Složení vstupní směsi
Rozvine se seznam plynů, které mohou tvořit výbušnou směs se vzduchem, z něhož
se plyny vybírají zaškrtnutím políčka vlevo vedle jména sloučeniny. Minimálně musí být
zvoleny červeně napsané látky, tedy dusík, kyslík, metan, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a
vodík, jak je uvedeno na následujícím obrázku.
Další výpočet a práce je naprosto stejná jako v případě standardního složení důlních
plynů, jak je vidět na dalším obrázku.
13
Je znázorněn „Výbuchový trojúhelník“, je prováděn výpočet „Inertizace“, „Faktor
LCVO“ je také počítán, „Rozšířená termodynamická analýza“ je také dostupná. I
v této větvi je možné přidávat další odběrová místa v zaplynovaném důlním díle,
podobně jako provádět „Archivaci“ a „Otevřít“ dříve uložené výpočty.
6 TISK
Program také umožňuje tisk výsledků. Tisk lze nastartovat pomocí ikony „Tisk
výsledků“, pomocí nabídky „Soubor“, „Tisk“ nebo kombinací kláves „Ctrl P“.
Na obrazovce se objeví následující okno, které nabízí volbu tisku výsledků buď
s grafem výbuchového trojúhelníku nebo bez něj.
Po provedení volby dojde k vytištění výsledků na implicitní tiskárně.
14
Pardubice 532 10
Teoretický manuál
Teoretický manuál programu „Výbuchový trojúhelník“
Obsah
OBSAH ........................................................................................................................1
1
ÚVOD ..................................................................................................................2
2
POPIS VÝBUCHOVÉHO TROJÚHELNÍKA ..................................................3
2.1
2.2
3
H2 NEPŘÍTOMEN ........................................................................................5
H2 PŘÍTOMEN..............................................................................................6
TERMODYNAMICKÉ JÁDRO PROGRAMU ..............................................12
3.1
VÝCHOZÍ LÁTKY.....................................................................................12
3.1.1
Načítání dat .........................................................................................12
3.1.2
Kontrola obsahu kyslíku.......................................................................12
3.1.3
Hustota směsi a hmotnostní procenta výchozích látek...........................13
3.1.4
Moly výchozích látek............................................................................14
3.1.5
Moly prvků...........................................................................................14
3.1.6
Entalpie a vnitřní energie výchozích látek ............................................15
3.2
ZPLODINY HOŘENÍ .................................................................................17
3.2.1
Tepelná kapacita, entalpie a entropie zplodin hoření............................17
3.2.2
Odhad teploty hoření ...........................................................................18
3.2.3
Rovnovážná konstanta a chemické složení zplodin................................19
3.2.4
Tepelné kapacity zplodin hoření ...........................................................21
3.2.5
Výpočet vlastností zplodin hoření .........................................................24
4
INERTIZACE ...................................................................................................24
5
LITERATURA ..................................................................................................26
1
1 ÚVOD
Program „Výbuchový trojúhelník“ je grafický výpočetní systém určený k rychlému
vyhodnocení nebezpečnosti směsí hořlavých látek se vzduchem. Zbavuje uživatele
nutnosti provádět rutinní výpočty při likvidaci úniku hořlavin ze zásobníků, vyhodnocuje
riziko poranění osob či stupeň poškození konstrukcí při výbuších apod. Jeho ovládání je
zjednodušeno do té míry, že uživatel obdrží požadovaný výsledek, aniž by musel
provádět mezivýpočty, a vkládat tabulkové údaje apod.
Program se skládá ze tří základních částí:
1) Analýza výbuchového trojúhelníka.
Pro vykreslování výbuchového trojúhelníka byl použit návod pro Grafické
stanovení výbušnosti požárních plynů vydaný HBZS Ostrava, používaný v OKR.
Příslušné nomogramy byly matematicky analyzovány a převedeny na polynomy.
Pokud nebylo možné řešení nalézt, byly použity iterační postupy.
2) Termodynamické jádro programu.
Termodynamické jádro programu je založeno na představách o chemických
rovnováhách a Gibbsově a Helmholtzově energii. Předpokládá se, že mezi
požárními zplodinami dochází k reakci vodního plynu. Ostatních zplodin hoření
je zanedbatelně málo.
3) Inertizace plynovzdušné směsi.
K řešení inertizace směsi požárních zplodin se vzduchem byl použit iterační
postup.
Každá z těchto částí představuje jedinečné programové řešení založené na obecných
fyzikálně-chemických zákonitostech, které jsou popsané například v Haar (1971),
Novák (1972), Moore (1979), Schutz (1976), Stull (1967), Šindelář (1967) a Makarius
(1993). Vzhledem k tomu, že k některým částem programu nebyly k dispozici
matematické ani fyzikální teorie, byly pro jejich řešení vytvořeny unikátní algoritmy,
které jsou zde uvedeny ve formě programových procedur.
2
2 POPIS VÝBUCHOVÉHO TROJÚHELNÍKA
Obecný výbuchový trojúhelník je zakreslen na připojeném obrázku. Osy jsou
vyznačeny písmenem v závorce, vrcholy výbuchového trojúhelníka pak jen písmeny.
Body, kterými jsou definovány osy
bod_E_x = 0;
kx_2 = 100;
kx_3 =
5.8;
kx_4 = 13.75;
bod_E_y = 21;
ky_2 =
0;
ky_3 =
12.2;
ky_4 =
6.0;
{osa C}
{osa C}
kx_5 =
kx_6 =
ky_5 =
ky_6 =
19.95;
18.36;
{osa A}
{osa A}
kx_7 = 14.0; ky_7 =
18.06;
kx_8 = kx_2; ky_8 = ky_2;
{osa B}
{osa B}
5.0;
12.5;
Nomogram výbuchového trojúhelníka se skládá z:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
osa (X) (obsah hořlavin ve směsi plynů)
osa (Y) (obsah kyslíku ve směsi plynů)
osa (A)
osa (B)
osa (C)
bodů A, B a C, které tvoří vrcholy výbuchové trojúhelníka
bodu E – 21 % kyslíku a 0 % hořlavin
bodu X, který vyjadřuje chemické složení směsi
3
9. spojnice bodu E a bodu se souřadnicemi (X = 100 %, Y = 0 %). Je to přímka, na
které leží osy (A) a (B).
10. spojnice bodu E a X, která protíná osu (X) v bodě Y
11. spojnice bodu E a C, tzv. čáry inertizace, která protíná osu (X) v bodě D
12. průsečíku spojnice E, X, Y se spojnicí A, C. Z průsečíku jsou vedeny přímky na
osu (X) a (Y).
13. průsečíku spojnice E, X, Y se spojnicí A, B. Z průsečíku jsou vedeny přímky na
osu (X) a (Y).
Přímky spuštěné z obou průsečíků vymezují meze výbušnosti směsi plynů jak na ose
hořlavin, tak na ose kyslíku.
OSA (X)
Osa (X) (obsah hořlavin ve směsi plynů) musí mít proměnný rozsah 25, 50, 75 a
100 % pro případ vysokých koncentrací O2, kdy spojnice bodů E – X (viz dále)
probíhá přibližně podél spojnice E, (100,0).
OSA (Y)
Osa (Y) má konstantní rozsah 21 % O2, 0 % hořlavin.
OSA (A)
Osa (A) má absolutní souřadnice:
kx _ 5 = 5
ky _ 5 = 19.95
kx _ 6 = 12.5
ky _ 6 = 18.36
Leží na spojnici:
bod _ E _ x = 0
bod _ E _ y = 21.5
kx _ 8 = kx _ 2 = 100
ky _ 8 = ky _ 2 = 0
Protože má osa (X) proměnné měřítko (25, 50, 75, 100), musí mít osa (A)
v souřadnicích obrazovky proměnnou směrnici.
OSA (B)
Osa (B) má absolutní souřadnice:
kx _ 7 = 14
ky _ 7 = 18.06
kx _ 8 = 100
ky _ 8 = 0
Protože má osa (X) proměnné měřítko (25, 50, 75, 100), musí mít osa (B)
v souřadnicích obrazovky proměnnou směrnici, stejnou jako má osa (A).
4
OSA (C)
Osa (C) má absolutní souřadnice:
kx _ 3 = 5.8
ky _ 3 = 12.2
kx _ 4 = 13.75
ky _ 4 = 6
Protože má osa (X) proměnné měřítko (25, 50, 75, 100), musí mít osa (C)
v souřadnicích obrazovky proměnnou směrnici.
2.1
H2 NEPŘÍTOMEN
Body A, B a C tvoří vrcholy výbuchového trojúhelníka. Je to procentické zastoupení
obsahu CH4 ve směsi hořlavin v požárních plynech. Pokud je ve směsi například 5,6 %
CH4 a 1 % CO, potom je procentické zastoupení CH4 v hořlavinách 84,8 %. Tato
hodnota se vynese na osy (A), (B) i (C) v bodech A, B, C.
Absolutní souřadnice bodů A, B a C na osách (A), (B), (C) se vypočítají z obecných
rovnic:
x = a0 + a1 ⋅ % CH 4 + a 2 ⋅ % CH 4 + a3 ⋅ % CH 4
2
3
y = kx + q
BOD A
bod _ A _ x = 12.4594 + (−0.166162) ⋅ % CH 4 + 0.00140676 ⋅ % CH 4 + (−4.93395 ⋅10 −6 ) ⋅ % CH 4
2
bod _ A _ y = smernice _ so ⋅ bod _ A _ x + usek _ so
kde:
0 − bod _ E _ y
100 − bod _ E _ x
usek _ so = bod _ E _ y
smernice _ so =
BOD B
bod _ B _ x = 59.8 + (−1.2298) ⋅ % CH 4 + 0.0124545 ⋅ % CH 4 + (−4.74748 ⋅10 −5 ) ⋅ % CH 4
2
3
bod _ B _ y = smernice _ so ⋅ bod _ B _ x + usek _ so
kde, stejně jako u bodu A:
0 − bod _ E _ y
100 − bod _ E _ x
smernice _ so =
5
3
BOD C
bod _ C _ x = 13.6706 + (−0.16143) ⋅ % CH 4 + 0.012465 ⋅ % CH 4 + (−4.05983 ⋅10 −6 ) ⋅ % CH 4
2
3
bod _ C _ y = smernice _ vo ⋅ bod _ C _ x + usek _ vo
kde:
ky _ 4 − ky _ 3
kx _ 4 − kx _ 3
smernice _ vo =
BOD X
Jeho absolutní souřadnice jsou určeny procentickým zastoupením hořlavin a kyslíku ve
směsi plynů
x = ∑ % hořlavin
y = % O2
2.2
H2 PŘÍTOMEN
Body A, B a Cx a Cy jsou vrcholy výbuchového trojúhelníka. Vypočte se procentické
zastoupení CH4 a H2. Vodík způsobí změnu výbuchového trojúhelníka v tom smyslu, že
se bod A posouvá po ose (A) doleva, bod B na ose (B) doprava a bod C pod osu (C) na
souřadnice Cx a Cy.
Z Diagramu1 se vypočte souřadnice x bodu A:
{-------------------------------}
PROCEDURE DIAGRAM1;
BEGIN
bod_A_x := Procento_H2+0.729*Procento_CH4;
bod_A_x := (11.77910.177391*bod_A_x+0.00159163*bod_A_x*bod_A_x+(-5.90095e6)*bod_A_x*bod_A_x*bod_A_x);
END;
{Procedury DIAGRAM1}
{-------------------------------}
Souřadnice y bodu A se vypočte z rovnice y = k·x+ q procedurou
VYPOCET_BODU(bod_A_x,bod_A_y,smernice_so,usek_so);
Z Diagramu2 se vypočte y souřadnice bodu C.
6
PROCEDURE DIAGRAM2; {REGULA FALSI}
CONST
a0_uhl
a1_uhl
a2_uhl
a3_uhl
a4_uhl
a5_uhl
a0_k
a1_k
a2_k
a3_k
a4_k
= 6.08192;
= -0.0225502;
= 0.000740686;
= -2.6864E-05;
= 3.74352E-07;
= 1.708E-09;
= 4.66973;
= 0.106056;
= -0.00035299;
= -8.0188E-06;
= 7.84619E-08;
VAR
q, k, rovnice, uhlopricka,
q_h, q_d,
Vla1, Vla2
: SINGLE;
BEGIN
{
q_h := 80;
q_d := -43;
q
:= -30
-32.171745;}
{zacatek cyklu o presnosti vypoctu}
Iterace := 1;
REPEAT
q := (q_h+q_d)/2;
k := a0_k+a1_k*q+a2_k*q*q+a3_k*q*q*q+a4_k*q*q*q*q;
rovnice := k*Procento_CH4+q-Procento_H2;
IF rovnice > 0 THEN
BEGIN
Vla2 := rovnice;
q_h := q;
END
ELSE
BEGIN
Vla1 := rovnice;
q_d := q;
END;
INC(Iterace);
UNTIL (ABS(rovnice) <= 0.01) OR (Iterace > 100);
{rozhodovani o presnosti vypoctu}
uhlopricka :=
a0_uhl+a1_uhl*q+a2_uhl*q*q+a3_uhl*q*q*q+a4_uhl*q*q*q*q+a5_uhl*q*
q*q*q*q;
bod_C_y := uhlopricka;
END;
7
Z Diagramu3 se vypočte x souřadnice bodu C.
PROCEDURE DIAGRAM3;
BEGIN
bod_C_x := Procento_H2+0.5796*Procento_CH4;
bod_C_x := (13.18090.223033*bod_C_x+0.00223033*bod_C_x*bod_C_x-8.95087e6*bod_C_x*bod_C_x*bod_C_x);
END;
{-------------------------------}
Bod A se vynáší na spodní osu (A), která je na spojnici bodu E s bodem 100, 0.
Body Cx a Cy jsou souřadnicemi bodu C, který leží pod osou (C).
Pokud je tedy ve směsi přítomen H2, rozšiřuje se výbuchový trojúhelník na ose (A)
doleva a pod osu (C).
Bod B představuje koncentraci CH4 ve směsi plynů a vynáší se na osu (B) obvyklým
způsobem. V přítomnosti vodíku je procentické zastoupení CH4 menší. Tím se
výbuchový trojúhelník de facto rozšiřuje také na ose (B) doprava.
ad 12) a 13). Průsečík spojnice E, X, Y se spojnicí A, C se vypočte procedurou
VYPOCET_PRUSECIKU. Za parametry procedury se dosadí souřadnice dvou bodů
spojnic, které se protínají. Pro výpočet průsečíku spojnic E, Y a A, C jsou parametry
následující:
VYPOCET_PRUSECIKU(bod_E_x,bod_E_y,bod_Y_x,bod_Y_y,bod_A_x,bod_A_y,bod_
C_x,bod_C_y,bod_K1_x,bod_K1_y); {bod K1}
Pro výpočet průsečíku spojnic E, Y a B, C jsou parametry následující:
VYPOCET_PRUSECIKU(bod_E_x,bod_E_y,bod_Y_x,bod_Y_y,bod_B_x,bod_B_
y,bod_C_x,bod_C_y,bod_K2_x,bod_K2_y); {bod K2}
PROCEDURE
VYPOCET_PRUSECIKU(x_1,y_1,x_2,y_2,x_3,y_3,x_4,y_4:SINGLE;VAR
X_0,Y_0 : SINGLE);
VAR
A1,
B1,
C1,
A2,
B2,
C2,
Dolni_determinant,
Determinant_X, Determinant_Y
: SINGLE;
8
BEGIN
A1 := 1;
B1 := (x_2-x_1)/(y_2-y_1);
C1 := B1*y_1-x_1;
A2 := 1;
B2 := (x_4-x_3)/(y_4-y_3);
C2 := B2*y_3-x_3;
Dolni_determinant := A1*B2-B1*A2;
Determinant_X := -C1*B2-B1*(-C2);
Determinant_Y := A1*(-C2)-(-C1)*A2;
X_0 := Determinant_X/Dolni_determinant;
Y_0 := -Determinant_Y/Dolni_determinant;
END; {Procedury VYPOCET_PRUSECIKU}
{-------------------------------}
Z průsečíku E, Y se spojnicí A, C jsou vedeny přímky na osu (X) a (Y).
Z průsečíku E, Y se spojnicí A, B. jsou vedeny přímky na osu (X) a (Y). Přímky
spuštěné z obou průsečíků vymezují meze výbušnosti směsi plynů jak na ose hořlavin
tak na ose kyslíku.
Přímky spuštěné na
KRESLENI_MEZI:
osu
(X)
a
(Y)
vypočítává
a
vykresluje
procedura
PROCEDURE KRESLENI_MEZI(x_1,y_1,x_2,y_2:SINGLE;BARVA:BYTE);
VAR bod_Ax, bod_Ay, bod_Bx, bod_By
: WORD;
BEGIN
SETCOLOR(BARVA);
SetLineStyle(DottedLn, 0, NormWidth);
bod_Ax := ROUND((x_1-Mez_Min[1])/(Mez_Max[1]Mez_Min[1])*FAKTORX+IPX);
bod_Ay := ROUND(IKY-(y_1-Mez_Min[2])/(Mez_Max[2]Mez_Min[2])*FAKTORY);
bod_Bx := ROUND((x_2-Mez_Min[1])/(Mez_Max[1]Mez_Min[1])*FAKTORX+IPX);
bod_By := ROUND(IKY-(y_2-Mez_Min[2])/(Mez_Max[2]Mez_Min[2])*FAKTORY);
LINE(bod_Ax,bod_Ay,bod_Bx,bod_By);
SetLineStyle(SolidLn, 0, NormWidth);
END;
{Procedury KRESLENI_MEZI}
Poznámka: Polohy bodů jsou vypočteny v relativních souřadnicích obrazovky.
9
Parametry procedury jsou následující:
KRESLENI_MEZI(0,bod_K1_y,bod_K1_x,bod_K1_y,BARVA_MEZI);
KRESLENI_MEZI(bod_K1_x,0,bod_K1_x,bod_K1_y,BARVA_MEZI);
KRESLENI_MEZI(0,bod_K2_y,bod_K2_x,bod_K2_y,BARVA_MEZI);
KRESLENI_MEZI(bod_K2_x,0,bod_K2_x,bod_K2_y,BARVA_MEZI);
Vypočtené hodnoty mezí výbušnosti zapisuje procedura ZAPIS_MEZI:
PROCEDURE
ZAPIS_MEZI(bod_K1_x,bod_K1_y,bod_K2_x,bod_K2_y:SINGLE;BARVA:BYTE
);
VAR
Dolni_MH, Horni_MH,
Dolni_MO2, Horni_MO2
{mez horlavin}
{mez kysliku}
: WORD;
BEGIN
SETCOLOR(BARVA);
Dolni_MH := ROUND((bod_K1_x-Mez_Min[1])/(Mez_Max[1]Mez_Min[1])*FAKTORX+IPX);
Horni_MH := ROUND((bod_K2_x-Mez_Min[1])/(Mez_Max[1]Mez_Min[1])*FAKTORX+IPX);
Dolni_MO2 := ROUND(IKY-(bod_K1_y-Mez_Min[2])/(Mez_Max[2]Mez_Min[2])*FAKTORY);
Horni_MO2 := ROUND(IKY-(bod_K2_y-Mez_Min[2])/(Mez_Max[2]Mez_Min[2])*FAKTORY);
OUTTEXTXY(Dolni_MH-30,IKY+20,U_R(bod_K1_x,4,1));
OUTTEXTXY(Horni_MH+ 0,IKY+20,U_R(bod_K2_x,4,1));
OUTTEXTXY(5,Dolni_MO2-14,U_R(bod_K1_y,4,1));
OUTTEXTXY(5,Horni_MO2+ 4,U_R(bod_K2_y,4,1));
END;
{Procedury ZAPIS_MEZI}
{-------------------------------}
Poznámka: Polohy bodů jsou vypočteny v relativních souřadnicích obrazovky.
Parametry procedury jsou následující:
ZAPIS_MEZI(bod_K1_x,bod_K1_y,bod_K2_x,bod_K2_y,Vybusnost[Spojnice,J]);
O poloze a barvě bodu znázorňujícího chemické složení požárních plynů rozhoduje
procedura ROZHODNUTI_O_VYBUSNOSTI.
10
PROCEDURE ROZHODNUTI_O_VYBUSNOSTI(J : BYTE);
VAR
k_AC, k_AB, k_CB,
q_AC, q_AB, q_CB,
q_rAC, q_rAB, q_rCB, q_rEC,
k_EC,
q_EC
: SINGLE;
BEGIN
k_AC := (bod_A_y-bod_C_y)/(bod_A_x-bod_C_x);
q_AC := bod_A_y-k_AC*bod_A_x;
k_AB := (bod_A_y-bod_B_y)/(bod_A_x-bod_B_x);
q_AB := bod_A_y-k_AB*bod_A_x;
k_CB := (bod_C_y-bod_B_y)/(bod_C_x-bod_B_x);
q_CB := bod_B_y-k_CB*bod_B_x;
k_EC := (bod_E_y-bod_C_y)/(bod_E_x-bod_C_x);
q_EC := bod_E_y-k_EC*bod_E_x;
q_rAC
q_rAB
q_rCB
q_rEC
:=
:=
:=
:=
Procento_O2-k_AC*Suma_horlavin;
Procento_O2-k_AB*Suma_horlavin;
Procento_O2-k_CB*Suma_horlavin;
Procento_O2-k_EC*Suma_horlavin;
IF ((q_rAC >= q_AC) AND (q_rAB <= q_AB) AND (q_rCB >= q_CB))
THEN
BEGIN
Vybusnost[Spojnice,J] := BARVA_VYBUSNE;
Oblast[Spojnice,J] := 1;
END;
IF ((q_rAC < q_AC) AND (q_rEC > q_EC) AND (q_rAB < q_AB))
THEN
BEGIN
Vybusnost[Spojnice,J] := BARVA_NEVYBUSNE_VLEVO;
END;
IF (q_rCB < q_CB) AND (q_rEC > q_EC) THEN
BEGIN
Vybusnost[Spojnice,J] := BARVA_NEVYBUSNE_VPRAVO;
END;
IF (q_rEC < q_EC) THEN
BEGIN
Vybusnost[Spojnice,J] := BARVA_INERTIZACE;
END;
END;
{Procedury ROZHODNUTI_O_VYBUSNOSTI}
{---------------------------------------}
11
3 TERMODYNAMICKÉ JÁDRO PROGRAMU
3.1
VÝCHOZÍ LÁTKY
3.1.1 Načítání dat
Zadává se chemické složení směsi a volí se odběrní místo. V případě, že hrozí výbuch
požárních zplodin, je pořadí zplodin hoření zadáno pevně podle metodiky vydané BZS
používané v OKR:
CO2,
CH4
O2
CO
H2
Zbytek do 100 % je dusík N2.
Data se načítají ze souboru. Struktura dat je následující:
a)
b)
c)
d)
jméno sloučeniny
atomární složení C, H, O, N, Cl
standardní slučovací entalpie ΔHf v kJ·kg-1.
hustota sloučeniny v kg·m-3.
Příklad:
Oxid uhličitý CO2
1
0
2
0
0
-8946
1.98
Pro ilustraci vypočteme vlastnosti směsi plynů skládající se z 9 % CH4, 15 % O2
a zbytek je 76 % dusíku N2. Hustoty ve stejném pořadí jsou 0,72, 1,43 a 1,25
g·dm-3. Složení se zadává v objemových procentech.
3.1.2 Kontrola obsahu kyslíku
Procedura kontroluje obsah kyslíku v plynovzdušné směsi, který nesmí převýšit poměr
21/79 %. Program v termodynamickém bloku umožňuje počítat vlastnosti libovolné
hořlavé směsi plynů, avšak v bloku výbuchový trojúhelník by nesprávné chemické
složení mohlo být nad spojnicí E – X.
Vypočítává se hodnota
SměrniceEY =
%O2 − E y
∑ Hořlavin − E
x
12
kde
bod_Ex = 0;
bod_Ey = 21;
Pokud uživatel zadá větší obsah kyslíku než je fyzikálně možné (tj. smernice_EY je
větší než smernice_so, odečte se od hodnoty smernice_EY 0.01 % O2 a uživatel je
upozorněn, aby obsah kyslíku snížil pod vypočtenou hodnotu.
smernice_so = (0-bod_E_y)/(100-bod_E_x);
VAR
Pom
: SINGLE;
BEGIN
Smernice_EY := (Procento_O2-bod_E_y)/(Suma_horlavin-bod_E_x);
REPEAT
IF Smernice_EY > smernice_so THEN
BEGIN
TEXTCOLOR(YELLOW); TEXTBACKGROUND(LIGHTRED);
Pom := smernice_so*Suma_horlavin+usek_so-0.01;
GOTOXY(27,14); WRITE('Nejvic muze byt: ',Pom:5:2,' %
O2');
ZVONEK;
DELAY(2000);
TEXTCOLOR(BLACK); TEXTBACKGROUND(BLACK);
GOTOXY(27,14); WRITE('Nejvic muze byt: ',Pom:5:2,' %
O2');
EDIT_FORMULARE;
ZPETNE_PRIRAZENI(Spojnice,1);
SOUCET_HORLAVIN(1);
Smernice_EY := (Procento_O2-bod_E_y)/(Suma_horlavinbod_E_x);
END;
UNTIL Smernice_EY < smernice_so;
END;
{Procedury KONTROLA_KYSLIKU}
3.1.3 Hustota směsi a hmotnostní procenta výchozích látek
hustota _ smesi = 0


∑ (Objemova% i ⋅ Hustota _ slozky )i 

hustota _ smesi =  i
100
hustota _ smesi =
(9 ⋅ 0.72 + 15 ⋅ 1.43 + 76 ⋅ 1.25) = 1.2293 g
m% _ vychozich =
Objemová% i ⋅ Hustota _ slozky i
hustota _ smesi
100
13
Objemová procenta se přepočtou na hmotnostní, protože ΔHf je uvedeno v kJ·kg-1:
m% CH 4 =
9 ⋅ 0.72
= 5.27
1.2293
m% 0 2 =
15 ⋅ 1.43
= 17.45
1.2293
m% N 2 =
76 ⋅ 1.25
= 77.28
1.2293
PROCEDURE HUSTOTA_SMESI_PLYNU;
BEGIN
Hustota_smesi := 0;
FOR I := 1 TO Pocet_slozek DO
Hustota_smesi :=
Hustota_smesi+Objemova_procenta[I]*Hustota[Index[I]]/100;
Prcnt_vych[I] :=
Objemova_procenta[I]*Hustota[Index[I]]/Hmotnost_smesi*100;
END;
{Procedury HUSTOTA_SMESI_PLYNU}
3.1.4 Moly výchozích látek
Moly výchozích látek:
nvýchozí =
m% výchozí ⋅ 10
Mrvýchozí
kde Mr je relativní molekulová hmotnost každé výchozí látky.
nCH 4 =
5.27 ⋅ 10
= 3.286
16
n02 =
17.45 ⋅ 10
= 5.453
32
nN 2 =
77.28 ⋅ 10
= 27.586
28
3.1.5 Moly prvků
Vypočtou se moly prvků nC, nH, nO, nN, nCl.
14
n prvku = ∑ C ⋅ nvýchozí
PROCEDURE
MOLY_PRVKU;
VAR
I, J
:
BYTE;
BEGIN
FOR I := ORD(C_at) TO ORD(Cl_at) DO
Moly_atomu[Atom(I)] := 0;
FOR I := ORD(C_at) TO ORD(Cl_at) DO
BEGIN
FOR J := 1 TO Pocet_slozek DO
Moly_atomu[Atom(I)]:=Moly_atomu[Atom(I)]+nP[Index[J],I]*Moly_vychozi
ch[J];
END;
END;
{Procedury MOLY_PRVKU}
nC = C ⋅ nCH 4 = 1 ⋅ 3.286 = 3.286
nH = H ⋅ nCH 4 = 4 ⋅ 3.286 = 13.143
nO = O ⋅ nO2 = 2 ⋅ 5.453 = 10.906
nN = N ⋅ n N 2 = 2 ⋅ 27.586 = 55.173
3.1.6 Entalpie a vnitřní energie výchozích látek
(
)
∆H f = ∆H CH 4 ⋅ m% CH 4 + ∆H O2 ⋅ m% 0 2 + ∆H N 2 ⋅ m% N 2 ⋅ 10
Protože je ∆Hf prvků ve standardním stavu = 0, bude standardní slučovací entalpie
výchozích látek v J·kg-1 dána jen entalpií metanu:
∆H f = −5320 ⋅ 5.27 ⋅ 10 = −280364
Byl zvolen výpočet při konstantním objemu.
Zdůvodnění: v prostředí panuje přibližně standardní tlak 0.1 MPa. Při výbuchu plynu
působí velký objem plynu jako ucpávka, která umožní nárůst tlaku. Pokud bychom
výpočty prováděli při konstantním tlaku, nemohli bychom jej definovat. Dá se
předpokládat, že při malých objemech bude ∆p nepatrné a výpočet při p = konst. je
správný.
Tato volba je správná i ve smyslu „bezpečnosti“ výsledků, protože termodynamické
hodnoty jsou při V = konst. vyšší (Tv, Qv apod.).
Realita bude někde mezi p = konst. a V = konst. s těžištěm spíš k V = konst., protože
jádro zaplynovaného úseku bude při výbuchu sevřeno okolním plynem, naroste tlak a
15
okrajové vrstvy pak budou dohořívat při tlaku klesajícím, případně nedoreagují vůbec,
vzhledem k poklesu koncentrace plynu pod výbušnou mez.
Při výpočtu vnitřní energie vzorku vycházíme z rovnice: ∆U = ∆H − ∆n ⋅ RT , kde Δn
se vypočte jako součet plynných molekul (H, O, N, Cl jsou počty atomů v molekule
výchozí látky):


 H O N Cl 
∆U f = ∑  ∆H f ⋅ M r −  − − − −  ⋅ R ⋅ T0   ⋅ nvýchozích
2 
 2 2 2


Protože v CH4 je plynný jen vodík, bude:


 4
∆U f =  − 5320 ⋅ 16.043 −  −  ⋅ 8.314 ⋅ 298.16 ⋅ 3.286 = −264164.68
 2


Pro kyslík dostaneme:


 2
∆U f = 0 ⋅ 31.9988 −  −  ⋅ 8.314 ⋅ 298.16 ⋅ 5.453 = 13517.454
 2


a pro dusík:


 2
∆U f = 0 ⋅ 28.0105 −  −  ⋅ 8.314 ⋅ 298.16 ⋅ 27.586 = 68382.997
 2


Vnitřní energie všech tří plynů bude:
∆U f = −264164.68 + 13517.454 + 68382.997 = −182264.23
PROCEDURE ENTALPIE_VZORKU;
VAR
I, J
: BYTE;
BEGIN
BEGIN
Moly_vychozich[I] := 0;
FOR J := ORD(C_at) TO ORD(Cl_at) DO
IF INDEX[I] = 0 THEN
BEGIN
nP[Index[I],J] := 0;
dHf_sloz[Index[I]] := 0;
END;
END;
dHf_vych := 0;
dUf_vych := 0;
IF INDEX[I] <> 0 THEN
16
dHf_vych := dHf_vych+dHf_sloz[Index[I]]*Prcnt_vych[I]*10;
{J/kg}
BEGIN
Rmh := 0;
IF INDEX[I] <> 0 THEN
BEGIN
FOR J := ORD(C_at) TO ORD(Cl_at) DO
Rmh := Rmh+(nP[Index[I],J]*Ath[Atom(J)]);
Moly_vychozich[I] := 0;
Moly_vychozich[I] := Prcnt_vych[I]*10/Rmh;
dUf_vych := dUf_vych+(dHf_sloz[Index[I]]*Rmh(-nP[Index[I],1]/2-nP[Index[I],2]/2nP[Index[I],3]/2-nP[Index[I],4]/2)
*Ru*T0)*Moly_vychozich[I];
END;
END;
END;
{Procedury ENTALPIE_VZORKU}
3.2
ZPLODINY HOŘENÍ
3.2.1 Tepelná kapacita, entalpie a entropie zplodin hoření
Zplodiny jsou: CO2, H2, CO, H2O, N2, O2. Jejich termodynamické vlastnosti tj. tepelná
kapacita, entalpie a entropie jsou vypočteny z polynomů uveřejněných v lit. Alemasov
7
i −1
-3
=
Cp
∑ i ⋅ Ai ⋅ x  ⋅ 10
 i=1

H = AH + ∑ Ai ⋅ xi
7
0
T
i=1
S 0T = AS + 10-3 ⋅ Ai ⋅ ln

7
x + ∑ i -i 1 ⋅ A ⋅ x
i = 2
i
i -1

-3
 ⋅ 10

kde x je redukovaná teplota x = Tv/1000. Tv je vypočtená teplota. Pro standardní teplotu
298,16 K se vypočítá redukovaná teplota xx = 298,16/1000.
Konstanty polynomů jsou uvedeny v souboru #POLYNOM.TDD
Tepelnou kapacitu entalpii a entropii zplodin hoření při odhadnuté i standardní teplotě
vypočítává procedura Alemasov
17
Tabulka 3-1: Konstanty polynomů pro výpočet Cp, H a S
As
CO2
H2
CO
H2O
N2
2.2678083E+2
1.7071687E+2
2.2482344E+2
2.2448555E+2
2.2069489E+2
O2
Ah -4.0290116E+5 -8.8721500E+3 -1.1838964E+5 -2.5119540E+5 -7.8920722E+3
A1
2.3817355E+4
3.1295525E+4
2.5041997E+4
3.0849676E+4
2.5882590E+4
A2
2.9084474E+4 -4.7428025E+3
5.7374145E+3
2.1103525E+3
3.9332483E+3
4.4791636E+3 -1.1796355E+3
4.2017770E+3
3.1097964E+1
A3 -1.3341688E+4
A4
3.7988763E+3 -1.5709181E+3
A5 -6.4609872E+2
A6
2.9222024E+2
7.1026482E+0 -2.0165909E+3 -4.1423482E+2
4.3145922E+1
4.2895528E+2
1.2409471E+2
5.9989721E+1 -2.8095988E+1 -7.2694043E+0 -4.4758307E+1 -1.5406290E+1
A7 -2.3322282E+0
1.0976162E+0
3.8466131E-1
1.8616813E+0
7.1855968E-1
3.2.2 Odhad teploty hoření
Teplota je „odhadnuta“ na 2500 K.
PROCEDURE ALEMASOV;
VAR
I, J
: BYTE;
BEGIN
{Vypocet tepelne kapacity, entalpie a entropie zplodin CO2, H2,
CO, H2O, N2, O2 a HCl pri standardni a odhadnute teplote}
{Kontrola vstupni teploty pro polynomy}
IF x < Dolni_mez_teploty THEN EXIT;
FOR I := ORD(CO2) TO ORD(HCl) DO
BEGIN
Cp0[Zplodina(I)]
:= 0;
H0[Zplodina(I)]
:= Ah[Zplodina(I)];
Ht_odh[Zplodina(I)] := Ah[Zplodina(I)];
St_odh[Zplodina(I)] := As[Zplodina(I)]+1E3*Ak[Zplodina(I),1]*Ln(x);
FOR J := 1 TO 7 DO
BEGIN
Cp0[Zplodina(I)]:= Cp0[Zplodina(I)]+1E-3*J*Ak[Zplodina(I),J]*
EXP((J-1)*Ln(x));
H0[Zplodina(I)]
:=
H0[Zplodina(I)]+Ak[Zplodina(I),J]*EXP(J*Ln(xx));
Ht_odh[Zplodina(I)] :=
Ht_odh[Zplodina(I)]+Ak[Zplodina(I),J]*EXP(J*Ln(x));
END;
FOR J := 2 TO 7 DO
St_odh[Zplodina(I)] := St_odh[Zplodina(I)]+1E-3*J/(J-1)*
Ak[Zplodina(I),J]*EXP((J-1)*Ln(x));
END;
END;
{Procedury ALEMASOV}
18
Poznámka:
H0 je entalpie zplodiny při standardních podmínkách
Ht_odh je entalpie zplodiny při odhadnuté teplotě
Pro:
CO2 - H t _ odh = −278827
H2 - H t _ odh = +66446
CO - H t _ odh = −39789
H2O - H t _ odh = −148395
N2 - H t _ odh = −70139
CO2 - S t _ odh = 319.92
H2 - S t _ odh = 194.49
CO - S t _ odh = 265.11
H2O - S t _ odh = 274.25
N2 - S t _ odh = 258.41
3.2.3 Rovnovážná konstanta a chemické složení zplodin
Pro rovnovážnou reakci vodního plynu se vypočte obsah zplodin hoření. Rovnovážnou
konstantu vypočteme z rozdílu entropie a entalpie zplodin při odhadnuté teplotě.
Protože je při rovnovážné reakci vodního plynu změna počtu molů nulová, jsou
Gibbsova a Helmholtzova energie totožné.
 ∆S

-
K v = e Ru
∆H
Ru ⋅ Todhad




⋅ ( nC + 0.5 ⋅ nH - nO ) + nO
bq = K v
Kp - 1
⋅( - )
cq = nC nC nO
Kp - 1
19
nCO 2 =
- bq +
bq2 - 4 ⋅ cq
2
nH 2 = nC + 0.5 ⋅ nH - nO + nCO 2
nCO = nC - nCO 2
n H 2O = nO - nC - nCO 2
n N 2 = 0.5 ⋅ n N
PROCEDURE RESENI (T_odh : real);
BEGIN
{Diference entalpie, entropie a Gibbsovy energie slozek vodniho
plynu}
DifH := Ht_odh[CO]+Ht_odh[H2O]-Ht_odh[CO2]-Ht_odh[H2];
DifS := St_odh[CO]+St_odh[H2O]-St_odh[CO2]-St_odh[H2];
DifG := DifH-T_odh*DifS;
{Rovnovazna konstanta vodniho plynu}
Rk := EXP(-DifG/Ru/T_odh);
{Pocty molu vodniho plynu v rovnovaze}
{Reseni kvadraticke rovnice rovnovazneho slozeni vodniho plynu}
Bq := (Rk*(Moly_atomu[C_at]+Moly_atomu[H_at]/2Moly_atomu[O_at])+Moly_atomu[O_at])/
(Rk-1);
Cq := Moly_atomu[C_at]*(Moly_atomu[C_at]-Moly_atomu[O_at])/(Rk1);
Moly_zplodin[CO2]
Moly_zplodin[H2]
Moly_atomu[O_at]+
Moly_zplodin[CO]
Moly_zplodin[H2O]
Moly_zplodin[CO2];
Moly_zplodin[N2]
Moly_zplodin[HCl]
:= (Sqrt(Bq*Bq-4*Cq)-Bq)/2;
:= Moly_atomu[C_at]+Moly_atomu[H_at]/2Moly_zplodin[CO2];
:= Moly_atomu[C_at]-Moly_zplodin[CO2];
:= Moly_atomu[O_at]-Moly_atomu[C_at]:= Moly_atomu[N_at]/2;
:= Moly_atomu[Cl_at];
{Moly zplodin}
n_c
:= 0;
n_c
:= n_c+Moly_zplodin[Zplodina(I)];
m_Procenta_zplodin[Zplodina(I)] :=
Moly_zplodin[Zplodina(I)]*Mr[Zplodina(I)]/10;
{Hmotnostni %}
{Objemova %}
20
V_Procenta_zplodin[Zplodina(I)] :=
Moly_zplodin[Zplodina(I)]*100/n_c;
n_Procenta_zplodin[Zplodina(I)] :=
Moly_zplodin[Zplodina(I)]*100/n_c;
END;
{Molarni %}
{Procedury RESENI}
Poznámka:
Symbol dif znamená ∆
∆H = −39789 + (−148395) − (−278827) − (+66446) = 24195.9922
∆S = 265.11 + 274.25 − 319.92 − 194.49 = 24.9594
∆G = 24195.992 − 2381 ⋅ 24.9594 = −35232.3
Rk = e
− ∆G
R⋅Todhad
=e
35232 .3
8.314⋅2381
= 5.928
Bq a Cq jsou kořeny kvadratické rovnice:
Bq = 0.95115
Cq = −5.08009
Chemické složení zplodin hoření
nCO2 = 1.82796
nH 2 = 0.77914
nCO = 1.4577
nH 2 0 = 5.7923
nN 2 = 27.5867
3.2.4 Tepelné kapacity zplodin hoření
PROCEDURE KAPACITY;
BEGIN
{Tepelna kapacita zplodin pri konstantnim tlaku a objemu
pri odhadnute teplote}
Cp := 0;
Cv := 0;
BEGIN
Cp := Cp+Cp0[Zplodina(I)]*Moly_zplodin[Zplodina(I)];
Cv := Cv+(Cp0[Zplodina(I)]-Ru)*Moly_zplodin[Zplodina(I)];
END;
21
{Rozdil tepelne kapacity zplodin mezi normalni teplotou
a teplotou horeni a celkova tepelna kapacita}
Cpc := 0;
Cvc := 0;
BEGIN
Cps[Zplodina(I)] := (Ht_odh[Zplodina(I)]H0[Zplodina(I)])/(T_odh-T0);
Cpc := Cpc+Cps[Zplodina(I)]*Moly_zplodin[Zplodina(I)];
Cvc := Cvc+(Cps[Zplodina(I)]Ru)*Moly_zplodin[Zplodina(I)];
END;
{Vypocet entalpie zplodin pri standardni teplote}
H0_zplod := 0;
H0_zplod :=
H0_zplod+H0[Zplodina(I)]*Moly_zplodin[Zplodina(I)];
END;
{PROCEDURY KAPACITY}
C P = 1515.9963
CV = 1204.6877
Cps jsou tepelné kapacity jednotlivých zplodin hoření
CO2 : C ps = 55.0749
H 2 : C ps = 31.832
CO : C ps = 33.92
H 2 O : C ps = 44.803
N 2 : C ps = 33.59
O2 : C ps = 30.019
Cl 2 : C ps = 33.011
C pc = 1361.14
CVc = 1049.833
H 0 _ zplod = −2275582.5
Energie = ∆U f _ vych − (H 0 _ zplod − n zplod ⋅ R ⋅ T0 )
ITERACE (Todhad.)
a. Alemasov – výpočet cp, Ht a St.
b. Výpočet ∆H, ∆S, ∆G a Rk
c. Výpočet molů zplodin
d. Výpočet tepelných kapacit zplodin hoření při p = konst. a V = konst.
e. Výpočet teploty hoření
22
Energie = ∆U f −výchozích − ( H 0− zplodin − n ⋅ Ru ⋅ T0 )
tj. ∆Uzplodin
Iterace := 0;
REPEAT
Iterace := Iterace+1;
x := T_odh/1000;
IF x < Dolni_mez_teploty THEN
BEGIN
SMUTNA_ZPRAVA_O_HORENI;
EXIT;
END;
IF Iterace > 10 THEN
BEGIN
SMUTNA_ZPRAVA_O_ITERACI;
EXIT
END;
IF Kys_b > 0 THEN
BEGIN
Moly_zplodin[O2] := (Moly_atomu[O_at]-2*Moly_atomu[C_at]0.5*Moly_atomu[H_at])/2;
Moly_atomu[O_at] :=
2*Moly_atomu[C_at]+Moly_atomu[H_at]/2;
KYSLIKOVA_BILANCE;
END;
{
IF Kys_b > 0 THEN
BEGIN
SMUTNA_ZPRAVA_O_KYSLIKU;
EXIT
END; }
ALEMASOV;
RESENI (T_odh);
KAPACITY;
Energie := dUf_vych-(H0_zplod-n_c*Ru*T0);
Q_uv := ABS (Energie);
{Uvolnene teplo}
Tv := Q_uv/Cvc+T0;
{Teplota horeni, T0 =
298,16 K}
dif := T_odh-Tv;
{Rozdíl odhadnute a vypoctene
teploty}
BEGIN
WRITELN ('
T_odh= ',T_odh:6:1,'
Tv ',Tv:6:1,'
Rozdil=
',dif:6:1);
END;
T_odh := Tv;
UNTIL ABS(dif) <= 2.5;
Pokud vypočtená teplota nesouhlasí s odhadnutou, výpočet se opakuje. Iterace
konverguje vždy, pokud je teplota vyšší než asi 1500 K.
23
3.2.5 Výpočet vlastností zplodin hoření
PROCEDURE VYPOCET_OBJEM;
BEGIN
Q_uvk := Q_uv+44004*Moly_zplodin[H2O];
T_vc := Tv-273.15;
V0
:= 22.414*n_c;
K_p := Cp/Cv;
Force := n_c*Ru*Tv;
M_str := 1000/n_c;
rz
:= SQRT(K_p*Force);
Horlave_plyny :=
V_Procenta_zplodin[H2]+V_Procenta_zplodin[CO];
KOVOLUM;
REALNY_TLAK; - bude se počítat IDEALNI_TLAK
END;
{Procedury VYPOCET_OBJEM}
4 INERTIZACE
Princip inertizace je založen na přičítání 1 % inertizačního dusíku ke směsi požárních
plynů. Inertizační dusík je další složka, kterou si program načte z databáze sám.
V původní verzi programu PLYNY se průběh výpočtu animuje na obrazovce,
v programu „Výbuchový trojúhelník“ stačí jen vypočíst příslušné číslo.
Do proměnné Pridej se připočítává 1 a do proměnně Objemova_procenta[Cis_prid]
také.
==============================================================
Inertizace
Pocet_slozek := 7;
Cis_prid := 7;
Index[Cis_prid] := 7;
Objemova_procenta[Cis_prid] := 1;
REPEAT
Pridej := Pridej+1;
IF Pridej > 1 THEN VRACENI_PRIDAVKU;
Objemova_procenta[Cis_prid] :=
Objemova_procenta[Cis_prid]+1;
Pocet_slozek := 7;
PRIDAVEK;
ZPETNE_PRIRAZENI(Spojnice,J);
SOUCET_HORLAVIN (J);
VYPOCET_BODU_X;
ROZHODNUTI_O_VYBUSNOSTI(Pamatuj_si_sipku);
UNTIL Oblast[Spojnice,Pamatuj_si_sipku] = 4;
Inertizacni_dusik := Objemova_procenta[Cis_prid];
24
J := Pamatuj_si_sipku;
Oblast[Spojnice,J] := Pamatuj_si_oblast;
Vybusnost[Spojnice,J] :=Pamatuj_si_vybusnost;
==============================================================
Inertizační dusík se po 1 % připočítává tak dlouho, dokud bod x neleží pod směrnicí
čáry inertizace. Vypočtená hodnota nás zajímá jako proměnná Inertizacni_dusik.
V proceduře VRACENI_PRIDAVKU se to množství inertizačního dusíku, které bylo
připočteno (viz dále), zase odečte, aby se po načtení dalšího 1 % dusíku mohlo vypočíst
nové zastoupení jednotlivých složek.
PROCEDURE VRACENI_PRIDAVKU;
VAR
I
: BYTE;
BEGIN
FOR I := 1 TO Pocet_slozek-1 DO
Objemova_procenta[I] := Objemova_procenta[I]*100/(100Objemova_procenta[Pocet_slozek]);
{Objemova_procenta[7] := 0;}
{Pocet_slozek := 6;}
END;
{Procedury VRACENI_PRIDAVKU}
V PROCEDURE PRIDAVEK se vypočte úměrně nižší procentické zastoupení původních 6
plynů, když tam přibyl sedmý inertizační dusík v množství 1, 2, 3 … n %.
{-----------------------------------}
PROCEDURE PRIDAVEK;
VAR
I
: BYTE;
BEGIN
FOR I := 1 TO Pocet_slozek-1 DO
Objemova_procenta[I] := Objemova_procenta[I]*((100Objemova_procenta[Pocet_slozek])/100);
Suma_prcnt := 0;
Suma_prcnt := Suma_prcnt+Objemova_procenta[I];
Hmotnost_smesi := 0;
Hmotnost_smesi :=
Hmotnost_smesi+Objemova_procenta[I]*Hustota[Index[I]];
Prcnt_vych[I] :=
Objemova_procenta[I]*Hustota[Index[I]]/Hmotnost_smesi*100;
25
ENTALPIE_VZORKU;
MOLY_PRVKU;
END;
{Procedury PRIDAVEK}
{-----------------------------------}
V proceduře VYPOCET_BODU_X se vypočtou souřadnice bodu X.
PROCEDURE VYPOCET_BODU_X;
BEGIN
bod_X_x := ROUND((Suma_horlavin-Mez_Min[1])/(Mez_Max[1]Mez_Min[1])*FAKTORX+IPX);
bod_X_y := ROUND(IKY-(Procento_O2-Mez_Min[2])/(Mez_Max[2]Mez_Min[2])*FAKTORY);
END;
{Procedury VYPOCET_BODU_X}
{-------------------------------}
V proceduře ROZHODNUTI_O_VYBUSNOSTI se zjišťuje, jestli vypočtený bod x leží
pod čarou inertizace.
5 LITERATURA
Alemasov (1971)
Alemasov, V.E.: Termodinamičeskie i teplofyzičeskie svojstva produktov sgorania.
Akademia Nauk SSSR, Moskva 1971.
Haar (1971)
Haar, L., Shenker, S., H.: Equation of State for Dense Gases. Journal of Chemical
Physics, Vol. 55, str. 4951 – 4958, 1971.
Novák (1972)
Novák, J., P., Malijevský, A., Šobr, J., Matouš, J.: Plyny a plynné směsi. Academia,
Praha, 1972.
Makarius (1993)
Makarius R.: Inertizace při důlních požárech. SNTL, Praha, 1993.
Moore (1979)
Moore, J.,W.: Fyzikální chemie. SNTL, Praha, 1979.
Schutz (1976)
Schutz, A.: Některé aspekty důsledného přechodu na jednotky soustavy SI v chemii.
Chemické listy, 70, 1976.
26
Stull (1967)
Stull, D., R., at all: JANAF Thermochemical Tables. Dow Chemical Co,
Middland-Michigan, US Government Printing Office, Washington, D.C., 1967.
Šindelář, V., Smrž L.: Nová soustava jednotek. SPN, Praha 1968.
27
Pardubice 532 10
Následky – program pro výpočet následků
havárie při těžbě zemního plynu a ropy
Uživatelský manuál
Řešitelé:
Manuál programu „Následky“ – provozní verze
OBSAH
OBSAH................................................................................................................................... 1
1
VŠEOBECNÉ INFORMACE ........................................................................................ 2
1.1
1.2
OPERAČNÍ SYSTÉM:................................................................................................... 2
POŽADAVKY NA HARDWARE ..................................................................................... 2
2
INSTALACE PROGRAMU .......................................................................................... 2
3
SPUŠTĚNÍ PROGRAMU .............................................................................................. 2
3.1
ZEMNÍ PLYN .............................................................................................................. 4
3.1.1
Nastavení havárie ............................................................................................. 5
3.1.2
Meteorologické podmínky.................................................................................. 7
3.1.3
Výsledky řešitele................................................................................................ 9
3.1.4
Historie výtoku zemního plynu......................................................................... 10
3.1.5
Zobrazení výsledků.......................................................................................... 11
3.2
ROPA ...................................................................................................................... 12
3.2.1
Nastavení havárie ........................................................................................... 14
3.2.2
Výsledky řešitele.............................................................................................. 16
3.2.3
Meteorologické podmínky................................................................................ 18
3.2.4
Historie výtoku ropy........................................................................................ 19
4
ZPŘESNĚNÍ PRO VÝBUCH OBLAKU PAR ............................................................ 19
5
PŘEVOD JEDNOTEK................................................................................................. 21
5.1
5.2
5.3
TLAK ...................................................................................................................... 21
TEPLOTA ................................................................................................................. 21
ROZSAH OSY X PRO VIZUALIZACI VÝSLEDKŮ ........................................................... 22
6
UKLÁDÁNÍ – ARCHIVACE DAT ............................................................................. 23
7
OTVÍRÁNÍ ULOŽENÝCH DAT................................................................................. 23
8
TISK ............................................................................................................................. 24
1
Program Následky je grafický výpočetní systém určený k rychlému odhadu následků
havarijních úniků ropy a zemního plynu. Umožňuje zjistit dosahy kritických hodnot
tepelných toků a přetlaků pro určité úrovně následků na osoby a zařízení pro případy
různých typů požárů - tryskající plamen (jet fire), ohnivá koule a hořící louže a případný
výbuch oblaku par. Zbavuje uživatele nutnosti provádět rutinní výpočty jak při likvidaci
havárie, tak při přípravě a prevenci takové havárie. Jeho ovládání je zjednodušeno do
té míry, že uživatel obdrží požadovaný výsledek v přehledné číselné formě aniž by
musel vkládat tabulkové údaje, provádět mezivýpočty apod.
Pro výpočty následků jednotlivých fyzikálních projevů jsou použity prověřené vztahy
z důvěryhodných zdrojů, které jsou popsány v „Teoretickém manuálu“ k programu
Následky.
1.1
Operační systém:
Program Výbuchový trojúhelník vyžaduje:
1. Windows 98 SE (Second Edition), Windows 2000 nebo Windows XP.
2. Microsoft Internet Explorer verze 4.0 nebo vyšší, který je součástí obou operačních
systémů Windows.
Poznámka: Systém Windows 98 SE nebo ME v některých případech hardwarové
konfigurace nemusí s programem plně spolupracovat.
1.2
Požadavky na hardware
Hardwarové požadavky programu jsou určeny operačním systémem Windows. Za běhu
nepřesahují paměťové nároky programu „Výbuchový trojúhelník“ - 12 MB RAM.
2 INSTALACE PROGRAMU
Instalace programu „Následky“ se provádí tak, že po spuštění instalačního programu
celého softwarového balíku DISSOLVER si uživatel zvolí jazyk, ve kterém bude
program provozovat, potvrdí souhlas s licenčními podmínkami a určí adresář, kam se
všechny součásti DISSOLVERU, včetně programu „Výbuchový trojúhelník“,
nainstalují. Uživatel se řídí pokyny průvodce instalací.
3 SPUŠTĚNÍ PROGRAMU
Program Následky se startuje poklepáním na ikonu na pracovní ploše Windows
Vašeho monitoru nebo z rozbalovacích nabídek „Start“, „Programy“, „Následky“ ve
spodní liště Vašeho monitoru.
2
Poklepejte na ikonu „Nová havárie“, objeví se nabídka, kde se volí požadovaná větev
programu, zvolte „Zemní plyn“ nebo „Ropa“ a potvrďte „OK“.
nabídka a přemístěním kurzoru nad pole „Havárie zemního plynu“ a klepnutím na
tento nápis dojde nastartování pracovního okna programu.
3
Na další obrazovce je nutno potvrdit výběr sloučeniny. Program je připraven na
rozšíření databáze vlastností zemního plynu. Vzhledem k malým rozdílům ve fyzikálněchemických vlastnostech jednotlivých složení zemního plynu, je v programu zadán
pouze tzv. střední plyn
3.1
Zemní plyn
Na obrazovce se objeví následující okno, ve kterém jsou již znázorněny výsledky
výpočtu pro přednastavené zadání.
4
Toto základní okno je rozděleno na tři části:
•
•
•
Nastavení havárie,
Výsledky řešitele a
Historie výtoku zemního plynu.
3.1.1 Nastavení havárie
Po nastartování programu je strom „Nastavení zdroje“ sbalený. Pro jeho rozbalení je
nutno dvakrát poklepat na ikonu „Nastavení zdroje“, nebo jednou myší kliknout na
znaménko „+“ vedle. Strom je rozbalen. Po tomto stromu je možné se pohybovat jak
kurzory, tak přímo dvojitým poklepáním na kterékoliv políčko. Pole, která nejsou
z určitých důvodů aktivní jsou potemnělá a nelze je měnit.
Toto okno umožňuje uživateli nastavit parametry zdroje podle vlastních potřeb. Je
možné (nutné) změnit následující přednastavené parametry zdroje.
Typ zdroje,
Vlastnosti potrubí,
Vlastnosti zásobníku,
Vlastnosti sondy,
Počáteční podmínky,
Typ otvoru a
Typ výtoku.
5
3.1.1.1 Typ zdroje
Po dvojitém poklepání myší na pole „Typ zdroje“ nebo „Potrubí“, nebo pomocí
kurzorů a „Enter“ jsou pro havárii zemního plynu uživateli nabízeny čtyři typy zdrojů:
Potrubí
Válcový zásobník (vodorovný)
Válcový zásobník (svislý)
Sonda
Po změně zdroje, jsou automaticky, s přednastavenými podmínkami, přepočítány
výsledky v okně „Výsledky řešitele“.
3.1.1.2 Vlastnosti potrubí
Tato volba umožňuje měnit parametry potrubí, ze kterého se předpokládá výtok
zemního plynu. Potrubí je definováno průměrem, délkou a materiálem. Tyto parametry
se dají měnit pohybem kurzorů a „Enter“ a nebo myší. „Délka“ a „Průměr“ potrubí
rozhodují o množství plynu, který se v systému nachází. „Materiál“ potrubí zohledňuje
vliv drsnosti stěn na vytékající množství plynu. V nabídce jsou následující možnosti
Beton
Galvanizované železo
Komerční ocel
Plast
Sklo
3.1.1.3 Vlastnosti zásobníku
Tato volba je aktivní pokud uživatel zvolí jeden ze dvou nabízených zásobníků. Pro
charakterizaci zásobníku je rozhodující „Průměr“ a „Délka“. Z těchto údajů je počítán
objem zásobníku, ze kterého se předpokládá únik zemního plynu.
3.1.1.4 Vlastnosti sondy
Po zvolení „Sonda“ se počítají následky úniku zemního plynu ze sondy podzemního
zásobníku. Pro výpočet je nutné zadat „Průměr“ sondy a vybrat „Maximální
potenciální produkci“ z nabídky, kde jsou uvedeny tři skupiny sond dělené podle
maximální potenciální produkce:
Přednastavena byla „Skupina 1“.
6
3.1.1.5 Počáteční podmínky
„Počáteční podmínky“ je nutno specifikovat vždy. Patří zde „Tlak“ a „Teplota“. Pro
tlak byla použita přednastavená hodnota 1 MPa. Pro teplotu je to 15 oC.
3.1.1.6 Typ otvoru
V zásadě lze rozlišit dva typy otvoru – „Kruh“ a „Štěrbina“.
Volba „Kruh“ předpokládá vytvoření kruhového otvoru, který může být v případě
zvoleného potrubí nebo sondy maximálně stejně velký jako jejich „Průměr“, nebo
v případě zásobníku jako průměr zásobníku. Pokud se jedná například výtok zemního
plynu nezaslepeným potrubím, pak je otvor hladký. Pokud však dojde k proražení
zařízení nějakým předmětem má otvor na okrajích ostré hrany a je proto vhodné
označit políčko „Má ostré hrany“. Hodnoty vytékajících množství pak budou vlivem
tření v otvoru nižší.
Volba „Štěrbina“ předpokládá vytvoření otvoru ve tvaru štěrbiny. Takový otvor je
definován „Šířkou“ a „Výškou“ (délkou).
3.1.1.7 Typ výtoku.
„Typ výtoku“ zohledňuje předpokládanou dobu výtoku. Umožňuje tak reagovat na
předpokládané reakční časy zabezpečovacích systému a složek. Program automaticky
počítá pro jednotlivé časy množství účastnící se havárie.
„Jednorázový“ výtok má význam především v případě volby „Válcový zásobník“,
kde znamená kompletní zhroucení tohoto zásobníku a okamžitý únik veškerého
obsaženého množství látky do atmosféry.
„Nekonečný“ výtok naopak znamená, že během události nedojde k žádné odstavné
akci a předpokládaný výtok bude trvat déle než 15 minut.
„Jiná hodnota“ umožňuje zadat dobu trvání události v rozmezí 3 až 900 sekund.
3.1.2 Meteorologické podmínky
V programu „Následky“ je použito mnoho modelů, které vyžadují specifikaci
meteorologických podmínek. Ty rozhodují například o hustotě látky za atmosférických
podmínek, atmosférické transmisivitě při působení tepelného toku, tvorbě výbušného
oblaku apod. Tyto podmínky se nastavují ve větvi „Meteorologické podmínky“
v okně „Natavení havárie“.
Uživatel si může vybrat ze dvou přednastavených variant meteorologických podmínek:
•
•
„Uvažovat střední případ“ a
„Uvažovat nejhorší případ“.
Tato nabídka se zobrazí po kliknutí na šipku vedle zeměkoule označující větev
„Meteorologické podmínky“. Nabídka pak vypadá takto:
7
Pokud chce uživatel zadat jednotlivé položky sám, musí akceptovat nebo změnit
následující položky.
„Barometrický tlak“, jehož přednastavená hodnota je 101325 Pa což představuje
standardní podmínky.
„Teplota“, s přednastavenou hodnotou 25 OC.
„Relativní vlhkost“ vzduchu, u níž možno si vybrat z šesti nabízených variant.
„Rychlost větru“ je klíčovým parametrem pro rozptyly látek v ovzduší a zadává se
v m.s-1.
„Třída stability“ je dalším důležitým parametrem modelů rozptylů. Teorie k těmto
třídám stability je uvedena v „Teoretickém manuálu“. V programu je na výběr šest tříd
stability, které se zadávají přímo, pokud uživatel ví, kterou třídu stability zadat.
V případě, že neví, pak je mu nabídnuta sedmá varianta „Jiná hodnota“, u které se
místo uživatele, na základě zadání oblačnosti, zvolení dne nebo noci a rychlosti větru,
rozhodne program sám.
„Drsnost povrchu“ je poslední parametr zadávaný ve větvi „Meteorologické
podmínky“. Ovlivňuje rozptyly látek v přízemní vrstvě. Každá z nabídek znamená
určitou charakteristickou hodnotu drsnosti povrchu.
8
3.1.3 Výsledky řešitele
V tomto okně jsou znázorňovány výsledky výpočtů.
Výsledky jsou prezentovány formou tabulek. V první tabulce je uveden zkrácený
souhrn zadaných podmínek včetně výsledků modelu výtoku. Je zde uveden použitý
model výtoku, zvolená doba výtoku, případně čas do vyprázdnění zařízení a hmotnost
plynu uniklá během výtoku.
V dalších tabulkách už jsou pro jednotlivé fyzikální projevy uvedeny vzdálenosti od
zdroje, ve kterých jsou dosaženy kritické hodnoty tepelné radiace nebo maximálního
přetlaku tlakové vlny.
Tak, jak jsou během výpočtu zohledňovány časy iniciace, jsou i ve výsledkovém okně
presentovány jednotlivé fyzikální projevy. Pro okamžitou iniciaci přichází v úvahu
pouze ohnivá koule a tryskající plamen. U obou jsou počítány dosahy tepelné radiace.
9
V tabulkách jsou vždy v prvním sloupci uvedeny hodnoty kritické tepelné radiace,
v druhém sloupci pak vzdálenosti, ve kterých je tato hodnota dosažena a ve třetím
sloupci je to slovní popis charakteristického následku.
Interpretace výsledku by mohla znít asi takto, k zapálení dřeva bez přiblížení plamene,
při zvolených počátečních podmínkách, po okamžité iniciaci unikajícího zemního plynu
by došlo následkem tepelné radiace způsobené tryskajícím plamenem ve vzdálenosti
do 84 m.
Pokud je uvažována opožděná iniciace, znamená to, že dojde k vytvoření oblaku, který
po iniciaci může způsobit výbuch a na okolí by pak působila tlaková vlna. Po výbuchu
by pak havárie pokračovala tryskajícím plamenem. Předpokládá se, že pokud je
koncentrace v oblaku nižší než 50 % spodní meze výbušnosti, pak nelze tento oblak
zapálit, proto vzdálenost dosažení této koncentrace při šíření oblaku představuje
důležitou informaci. Dále je zde uvedena informace o vzdálenosti dosažení hodnoty
spodní meze výbušnosti.
Dále jsou uvedeny vzdálenosti dosažení kritických hodnot dopadajících maximálních
přetlaků vygenerované tlakové vlny.
3.1.4 Historie výtoku zemního plynu
V tomto okně je uvedeno grafické znázornění průběhu výtoku zemního plynu v čase do
900 sekund. Toto okno lze stejně jako okno „Nastavení havárie“ po kliknutí na pás
s šipkami vypnout.
10
3.1.5 Zobrazení výsledků
Automaticky se po spuštění programu zobrazuje souhrn výsledků vybraných následků
pro jednotlivé fyzikální projevy. Program, však umožňuje detailnější výpočty následků
jednotlivých fyzikálních projevů. Klepnutím na ikonu „Zobrazit výsledky“ nebo na
šipku spojenou s touto ikonou se zobrazí nabídka výsledků jednotlivých fyzikálních
projevů. Pomocí myši je možné si zvolit požadovaný projev.
Po provedené volbě se zobrazí okno rozšířených výsledků (např. „Výsledky řešitele:
Hluk při výtoku“), kde jsou uvedeny vzdálenosti dosažení kritických hodnot
charakteristických následků a graf závislosti dopadajících hodnot (v tomto případě
hluku v dB) na vzdálenosti od zdroje. V tomto grafu je možné pomocí myši odečítat
aktuální hodnoty hluku v určité vzdálenosti přímo z křivky v žlutém rámečku nebo zadat
hledanou hodnotu hluku do příslušného okýnka pod grafem a potvrzením klávesou
„Enter“. Ve vedlejším okýnku se zobrazí hledaná hodnota hluku. Vzhledem k tomu, že
jsou okýnka aktivně propojena je možné provést i opačný výpočet. Do příslušného
okýnka se zadá hodnota hledaného hluku a potvrzením klávesou „Enter“ se
automaticky vypočítá vzdálenost, ve které je dosažena hledaná hodnota hluku.
Stejné možnosti nabízí i další okna „Výsledků řešitele“ – Ohnivá koule, Tryskající
plamen a Výbuch oblaku par.
11
3.2
Ropa
Větev pro ropu se ve většině nabídek a výsledků stejná. Startuje se poklepání na ikonu
„Nová havárie“, volbou „Havárie ropy“ a potvrzením „OK“.
nabídka a přemístěním kurzoru nad pole „Havárie ropy“ a klepnutím na tento nápis
dojde nastartování pracovního okna programu.
12
Objeví se okno s výběrem ze čtyř typů ropy podle rozpětí hustot a bodů varu. Dále je
zde pole pro zadání tzv. PO faktoru, který vyjadřuje množství (v krychlových metrech)
rozpuštěného plynu v jednom krychlovém metru ropy. Dále je v nabídce třeba potvrdit
plyn.
Po tomto zadání vstupních fyzikálně chemických vlastností ropy se stejně jako
v případě zemního plynu objeví okno programu rozdělené na tři části
•
•
Nastavení havárie,
Výsledky řešitele a
13
•
Historie výtoku ropy.
3.2.1 Nastavení havárie
Po nastartování programu je strom „Nastavení zdroje“ sbalený. Pro jeho rozbalení je
nutno dvakrát poklepat na ikonu „Nastavení zdroje“, nebo jednou myší kliknout na
znaménko + vedle. Strom je rozbalen. Po tomto stromu je možné se pohybovat jak
kurzory, tak přímo dvojitým poklepáním na kterékoliv políčko. Pole, která nejsou
z určitých důvodů aktivní jsou potemnělá a nelze je editovat.
Toto okno umožňuje uživateli nastavit parametry zdroje podle vlastních potřeb. Je
možné (nutné) změnit následující přednastavené parametry zdroje.
Typ zdroje,
Vlastnosti potrubí,
Vlastnosti zásobníku,
Počáteční podmínky,
Typ otvoru a
Typ výtoku.
3.2.1.1 Typ zdroje
Po dvojitém poklepání myší na pole „Typ zdroje“ nebo „Potrubí“, nebo pomocí
kurzorů a „Enter“ jsou pro havárii zemního plynu jsou uživateli nabízeny čtyři typy
zdrojů:
14
Potrubí
Válcový zásobník (vodorovný)
Válcový zásobník (svislý)
Ropný vrt
Po změně zdroje, jsou automaticky, s přednastavenými podmínkami, přepočítány
výsledky v okně „Výsledky řešitele“.
3.2.1.2 Vlastnosti potrubí
Tato volba umožňuje měnit parametry potrubí, ze kterého se předpokládá výtok ropy.
Potrubí je definováno průměrem, délkou a materiálem. Tyto parametry se dají měnit
pohybem kurzorů a „Enter“ a nebo myší. „Délka“ a „Průměr“ potrubí rozhodují o
množství ropy, která se v systému nachází. „Materiál“ potrubí zohledňuje vliv drsnosti
stěn na vytékající množství ropy. V nabídce jsou následující možnosti
Beton
Galvanizované železo
Komerční ocel
Plast
Sklo
Vzhledem k tomu, že se pro transport kapalin potrubím běžně používá čerpadlo, je tato
možnost uvedena i v nabídce programu „Následky“. „Výkon čerpadla“ je pak
zadáván v krychlových decimetrech (litrech) za minutu. Dále je potřeba specifikovat
délku výtlačného potrubí v políčku „Vzdálenost od otvoru“.
3.2.1.3 Vlastnosti zásobníku
Tato volba je aktivní pokud uživatel zvolí jeden ze dvou nabízených zásobníků. Pro
charakterizaci zásobníku je rozhodující „Průměr“ a „Délka“. Z těchto údajů je počítán
objem zásobníku, ve kterém je skladována ropa.
Pro výtok kapaliny z nádoby je také nezbytný údaj o výšce hladiny nad uvažovaným
otvorem. Program „Následky“ umožňuje zadat tento údaj buď přímo v políčku „Výška
hladiny“, nebo nepřímo přes „Stupeň zaplnění“ v procentech zaplnění zásobníku.
Tato dvě políčka jsou navzájem propojena a po zadání jedné hodnoty je druhá
automaticky dopočítána.
15
Poznámka: V případě, že je zadán „Ropný vrt“ zadávají se pouze „Počáteční
podmínky“, „Typ otvoru“ a „Typ výtoku“.
3.2.1.4 Počáteční podmínky
„Počáteční podmínky“ je nutno specifikovat vždy. Patří zde „Tlak“ a „Teplota“. Pro
tlak byla použita přednastavená hodnota 1 MPa. Pro teplotu je to 15 oC.
3.2.1.5 Typ otvoru
V zásadě lze rozlišit dva typy otvoru – „Kruh“ a „Štěrbina“.
Volba „Kruh“ předpokládá vytvoření kruhového otvoru, který může být maximálně
stejně velký jako „Průměr“ potrubí v případě této volby, nebo průměr zásobníku.
Pokud se jedná například výtok ropy nezaslepeným potrubím, pak je otvor hladký.
Pokud však dojde k proražení zařízení nějakým předmětem má otvor na okrajích ostré
hrany a je proto vhodné označit políčko „Má ostré hrany“. Hodnoty vytékajících
množství pak budou vlivem tření v otvoru nižší.
Volba „Štěrbina“ předpokládá vytvoření otvoru ve tvaru štěrbiny. Takový otvor je
definován šířkou a výškou (délkou).
3.2.1.6 Typ výtoku.
„Typ výtoku“ zohledňuje předpokládanou dobu výtoku. Umožňuje tak reagovat na
předpokládané reakční časy zabezpečovacích systému a složek. Program automaticky
počítá pro jednotlivé časy množství ropy účastnící se havárie.
„Jednorázový“ výtok má význam především v případě volby „Válcový zásobník“,
kde znamená kompletní zhroucení tohoto zásobníku a okamžitý únik veškerého
obsaženého množství látky do atmosféry.
„Nekonečný“ výtok naopak znamená, že během události nedojde k žádné odstavné
akci a předpokládaný výtok bude trvat déle než 15 minut.
„Jiná hodnota“ umožňuje zadat dobu trvání události v rozmezí 3 až 900 sekund.
3.2.2 Výsledky řešitele
V tomto okně jsou znázorňovány výsledky výpočtů.
16
Výsledky jsou prezentovány formou tabulek. V první tabulce je uveden zkrácený
souhrn zadaných podmínek včetně výsledků modelu výtoku. Je zde uveden použitý
model výtoku, zvolená doba výtoku, případně čas do vyprázdnění zařízení a hmotnost
plynu uniklá během výtoku.
V dalších tabulkách jsou pro jednotlivý fyzikální projevy uvedeny vzdálenosti od zdroje,
ve kterých jsou dosaženy kritické hodnoty tepelné radiace nebo maximálního přetlaku
tlakové vlny.
Tak, jak jsou během výpočtu zohledňovány časy iniciace, jsou i ve výsledkovém okně
presentovány jednotlivé fyzikální projevy. Pro okamžitou iniciaci přichází v úvahu
pouze ohnivá koule a tryskající plamen. U obou jsou počítány dosahy tepelné radiace.
V tabulkách jsou vždy v prvním sloupci uvedeny hodnoty kritické tepelné radiace,
v druhém sloupci pak vzdálenosti, ve kterých je tato hodnota dosažena a ve třetím
sloupci je uveden slovní popis charakteristického následku.
17
Interpretace výsledku by mohla znít asi takto, k zapálení dřeva, bez přiblížení plamene,
při zvolených počátečních podmínkách, po okamžité iniciaci unikající ropy by došlo
následkem působení tepelné radiace způsobené tryskajícím plamenem ve vzdálenosti
do 10 m.
Pokud je uvažována opožděná iniciace, znamená to, že dojde k vytvoření oblaku
uvolněného plynu (původně plynu rozpuštěného v ropě), který po iniciaci může
způsobit výbuch a na okolí by pak působila tlaková vlna, a vytvoření louže ropy na
podloží. Po výbuchu by pak havárie pokračovala tryskajícím plamenem nebo hořící
louží. Předpokládá se, že pokud je koncentrace v oblaku nižší než 50 % spodní meze
výbušnosti, pak nelze tento oblak zapálit, proto vzdálenost dosažení této koncentrace
při šíření oblaku představuje důležitou informaci. Dále je zde uvedena informace o
vzdálenosti dosažení hodnoty spodní meze výbušnosti.
Dále jsou uvedeny vzdálenosti dosažení kritických hodnot dopadajících maximálních
přetlaků vygenerované tlakové vlny
a vzdálenosti dosažených kritických hodnot dopadající tepelné radiace z hořící louže
3.2.3 Meteorologické podmínky
„Meteorologické podmínky“ pro havárii ropy jsou stejné jako v případě úniku
zemního plynu.
18
3.2.4 Historie výtoku ropy
V tomto okně je uvedeno grafické znázornění průběhu výtoku ropy v čase
nepřesahujícím 900 sekund. Toto okno lze stejně jako okno „Nastavení havárie“ po
kliknutí na pás se šipkami vypnout.
4 ZPŘESNĚNÍ PRO VÝBUCH OBLAKU PAR
Výpočet následků výbuchu oblaku par je závislý nejen na množství látky v oblaku, ale
především na množství překážek a ohraničení v oblaku. Detailní popis metody je
uveden v Teoretickém manuálu k programu „Následky“. Pro rychlý výpočet je
implicitně nastavena hodnota referenčního přetlaku na 30 kPa. Tato hodnota by měla
být dostatečně konzervativní pro reálné situace, kdy se v oblaku nenachází žádná
překážka nebo jen několik málo překážek. V praxi se však mohou vyskytovat situace,
kdy se v oblaku nachází mnoho těchto překážek. V případě nejistoty (nadhodnocení
nebo podhodnocení výsledků) je doporučeno použít zpřesněný výpočet.
Tento výpočet se aktivuje v hlavním stromě ve větvi „Výbuch oblaku par“. Pro její
rozbalení je nutno dvakrát poklepat na ikonu „Výbuch oblaku par“, nebo jednou myší
kliknout na znaménko „+“ vedle. Větev je rozbalena.
Po dvojitém kliknutí na „30 kPa (výchozí hodnota)“ se nastartuje okno jednoduchými
dotazy, které po zodpovězení dovedou uživatele až ke zpřesněnému výsledku.
Při zadávání rozměrů překážek a jejich rozestupů se zadávají přibližné průměrné
hodnoty.
19
Po potvrzení zadání políčkem „OK“ se provede výpočet nové hodnoty referenčního
tlaku. Vzhledem k vyššímu referenčnímu přetlaku je znázorněno více kritických hodnot
dopadajícího přetlaku.
Poznámka: Výsledné přetlaky nejsou zpravidla dostatečné k usmrcení osob jeho
samostatným působením, nicméně je třeba předpokládat, že všechny
nechráněné osoby stojící v oblasti oblaku budou usmrceny působením plamene
a tepelného toku.
20
5 PŘEVOD JEDNOTEK
Program provádí výpočty v jednotkách SI soustavy.
5.1
Tlak
Základní jednotkou tlaku a přetlaku je Pascal (Pa) a základní jednotkou teploty je
stupeň Celsia (oC). Program však nabízí práci i v jiných jednotkách. Změnu lze provést
klepnutím na ikonu „Nastavení řešitele“.
V tomto okně si lze vybrat následující jednotky pro vyjádření tlaku: pascaly (Pa), bary
(bar), technické atmosféry (at), fyzikální atmosféry (atm) a torry (torr).
5.2
Teplota
V tomto okně si lze vybrat následující jednotky pro vyjádření teploty: stupně Kelvina
(K), stupně Celsia (oC) a stupně Fahrenheita (oF).
21
5.3
Rozsah osy x pro vizualizaci výsledků
V okně „Výsledky řešitele“ jsou následky jednotlivých fyzikálních projevů zobrazeny
také graficky. Implicitně je v grafu používána vzdálenost 1000 m jako maximální
vzdálenost. V mnoha případech je tento rozsah příliš velký. Proto je uživateli tuto
maximální vzdálenost měnit. Změna se provádí po klepnutí na ikonu „Nastavení
řešitele“ a v části „Vizualizace výsledků“. Do políčka „Max. vzdálenost“ lze přímo
zadat požadovaný rozsah osy x zobrazeného grafu.
22
6 UKLÁDÁNÍ – ARCHIVACE DAT
Data tj. zadání všech jednotlivých nastavení pro daný výpočet spolu s výsledky výpočtu
aj. jsou ukládána v souborech s příponou *.DIS. Jako jména souborů je možné použít
např. jméno místa havárie, datum havárie apod.
Pro uložení aktuálního řešení se v základní liště klepne na volbu „Soubor“ a pak, po
rozvinutí menu, na „Uložit jako“… Po pojmenování souboru např. Přiklad a potvrzení
klepnutím na okénko „Uložit“ je provedeno uložení dat.
Stejného lze dosáhnout klepnutím na ikonu „Uložit havárii“.
7 OTVÍRÁNÍ ULOŽENÝCH DAT
Dříve uložená data je možno otevřít ze základní lišty klepnutím na volbu „Soubor“
„Otevřít“ a vybráním požadovaných dat nebo pomocí ikony „Otevřít havárii“.
Stejného lze dosáhnout klepnutím na ikonu „Otevřít havárii“.
Program automaticky nabídne adresář připravený pro ukládání dat.
23
8 TISK
Program také umožňuje tisk výsledků. Tisk lze nastartovat pomocí ikony „Tisk
výsledků“, pomocí nabídky „Soubor“, „Tisk“ nebo kombinací kláves „Ctrl P“.
Na obrazovce se objeví následující okno, které nabízí volbu tisku výsledků buď
s grafem výsledné závislosti nebo bez něj.
Po provedení volby dojde k vytištění výsledků na implicitní tiskárně.
24

Výbuchový trojúhelník

Transkript

Podobné dokumenty

P`KYN nrotrgr` sxor.y

Technický list 6539

Concerto Enrica Ciccarelli - Istituto Di Cultura

9. Prostředí v programu Layout

První tři historické články z Československého šachu

magistrát města pardubic