Zagrożenia i sposoby zabezpieczeń przed działaniem palnych gazów w budownictwie mieszkaniowym 4

Transkrypt

1 Monika Zajemska 1, Dorota Musiał 2, Henryk Radomiak 3 Politechnika Częstochowska Zagrożenia i sposoby zabezpieczeń przed działaniem palnych gazów w budownictwie mieszkaniowym 4 Jedną z wielu przyczyn pożarów jest niewłaściwa eksploatacja urządzeń grzewczych. Problem ten nasila się w okresie zimowym. Konsekwencją wadliwej lub nieprawidłowej pracy kotła grzewczego jest emisja tlenku węgla, produktu niezupełnego spalania paliwa. Do urządzeń grzewczych oprócz ww. kotłów centralnego ogrzewania należą również podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, ogrzewacze pomieszczeń, a także kuchenki gazowe jedno- i wielopalnikowe, w przypadku których zagrożeniem jest np. niedomknięty zawór, przez który ulatnia się gaz. Obecność takich gazów jak tlenek węgla, metan czy propan, przy odpowiednich warunkach tj. stężenie gazu palnego mieszczące się w granicach palności przy szczelnie zamkniętych drzwiach i oknach, jest jedną z przyczyn pożaru. Jeżeli mieszanka gazowopowietrzna osiągnie poziom dolnej granicy wybuchowości w obecności bodźca energetycznego spowoduje wybuch a nawet pożar. Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia pożaru spowodowane obecnością palnych gazów konieczna jest nie tylko właściwa eksploatacja urządzeń grzewczych, ale również montaż odpowiednich systemów zabezpieczeń np. czujniki tlenku węgla, metanu i inne. Obecność palnych gazów takich jak tlenek węgla czy węglowodory, głównie metan w przestrzeni ograniczonej np. w pomieszczeniu budynku mieszkalnego jest jedną z zasadniczych przyczyn powstawania wybuchów i pożarów. Zagrożenie pojawia zawsze wtedy, gdy dochodzi do zetknięcia się paliwa uwalnianego do pomieszczenia z powietrzem (tj. utleniaczem). W obecności źródła zapłonu może dojść do wystąpienia pożaru bądź dużo bardziej niebezpiecznego wybuchu [7]. Dodatkowym źródłem pożaru jest również możliwość obciążenia instalacji w wyniku podłączenia elektrycznych urządzeń grzewczych (np. promienników elektrycznych). Konsekwencją niewłaściwej pracy kotła grzewczego może być spalanie w warunkach niedoboru tlenu, co prowadzi do powstawania tlenku węgla, palnego gazu odpowiedzialnego, zarówno za zatrucia ze skutkiem śmiertelnym [2, 3, 8], jak i stanowi jedną z przyczyn wystąpienia pożaru. Inną przyczyną wystąpienia zagrożenia związanego z wybuchem jest ulatnianie się gazu np. gazu ziemnego na skutek nieszczelności lub też przez nieświadome działanie człowieka np. przez niedomknięty zawór kuchenki gazowej [10]. Jak już wcześniej wspomniano za jedną z wielu przyczyn występowania pożarów uważa się zjawisko inicjujące pożar, a mianowicie wybuch. Przez zagrożenie wybuchem, w myśl Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 czerwca 2003 r. [13], rozumie się: możliwość tworzenia przez palne gazy, pary palnych cieczy, pyły lub włókna palnych ciał stałych, w różnych warunkach, mieszanin z powietrzem, które pod wpływem czynnika inicjującego zapłon (iskra, łuk elektryczny lub przekroczenie temperatury samozapłonu) wybuchają, czyli ulegają gwałtownemu spalaniu połączonemu ze wzrostem ciśnienia. W myśl tejże ustawy przestrzeń, w której może występować mieszanina wybuchowa substancji palnych z powietrzem lub innymi gazami utleniającymi, o stężeniu zawartym między dolną i górna granica wybuchowości nazywa się strefą zagrożenia wybuchem [13]. Jeśli wybuch mieszanki gazowo-powietrznej ma miejsce w pomieszczeniach, to, spalanie tej mieszanki zachodzi w całej zajmowanej przez nią objętości i nazywane jest wybuchem przestrzennym [14, 16]. Aby mogło dojść do zainicjowania wybuchu, a co za tym idzie również i pożaru niezbędne są trzy składowe, a mianowicie: 1 dr hab. inż. M. Zajemska, zastępca kierownika katedry, Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów, Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska. 2 dr inż. D. Musiał, adiunkt, Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów, Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska. 3 dr hab. inż. H. Radomiak, kierownik katedry, Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów, Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska. 4 Artykuł recenzowany. 1671

2 paliwo lub inaczej materiał palny (jego stężenie musi się mieścić w określonych granicach), utleniacz i źródło zapłonu [1, 4, 14]. Jeśli któryś z ww. czynników zanika, pożar gaśnie [1]. W przypadku braku zewnętrznego źródła zapłonu mówi się o tzw. temperaturze samozapłonu, czyli minimalnej temperaturze, do której powinna być podgrzana substancja palna, żeby doszło do samoczynnego procesu spalania [15]. Wybuch substancji palnych to typowy przykład wybuchu chemicznego, zainicjowanego szybko przebiegającą, egzotermiczną reakcją chemiczną [5]. Dla przykładu prędkość wybuchu gazu ziemnego wynosi 2320 m/s [14]. Do wybuchu czyli spalania palnych gazów w obecności tlenu zawartego w powietrzu może dojść przy określonej zawartości gazu definiowanej w literaturze przedmiotu jako dolna i górna granica wybuchowości [6, 15]. Dolna granica wybuchowości DGW oznacza minimalne stężenie (objętościowy udział gazu) palnego składnika w mieszaninie z powietrzem lub innym utleniaczem, przy którym możliwe jest samorzutne rozprzestrzenianie się płomienia w mieszaninie. Poniżej tego stężenia mieszanina gazowo-powietrzna nie jest już wybuchowa. Górna granica wybuchowości GGW oznacza maksymalne stężenie (objętościowy udział gazu) palnego składnika w mieszaninie z powietrzem (lub innym utleniaczem), przy którym możliwe jest samorzutne rozprzestrzenianie się płomienia w mieszaninie, natomiast powyżej tego stężenia mieszanina traci swoją zdolność do wybuchu [5, 11, 15]. Można zatem powiedzieć, że mieszaniny gazowo-powietrzne nie palą się i nie wybuchają poza granicami wybuchowości. Aspekt ten jest niezmiernie istotny z punktu widzenia bezpiecznego użytkowania paliw [5, 17, 18]. Istotnym problemem związanym ze zwiększoną liczbą ofiar śmiertelnych i osób poszkodowanych w sezonie grzewczym jest zaczadzenie, często poprzedzające sam pożar. Główną przyczyną powstawania tlenku węgla (CO) jest spalanie paliw w urządzeniach grzewczych w atmosferze niedoboru tlenu (tzw. niezupełne i niecałkowite spalanie) [18]. Ze względu na powyższe, w celu zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa zarówno ludzi, środowiska, jak i mienia niezbędne jest stosowanie odpowiednich systemów zabezpieczeń, których przykładem są systemy detekcji gazów [9, 12]. Analiza wybranych zagrożeń związanych z uwalnianiem się palnych gazów w przestrzeni ograniczonej Jedną z przyczyn uwalniania się palnych gazów np. gazu ziemnego są wszelkiego rodzaju nieszczelności urządzeń. Przykładem może być niedomknięty zawór kuchenki gazowej. Jeśli w rozważaniach założy się, że gaz ulatnia się do szczelnego pomieszczenia budynku mieszkalnego, to w takiej sytuacji wzrasta niebezpieczeństwo związane z wybuchem mieszanki gazowo powietrznej. W zależności od kubatury pomieszczenia oraz parametrów samego gazu takich jak ciśnienie, temperatura czy skład chemiczny, jak również wymiarów dyszy gazowej palnika skraca się bądź wydłuża czas potencjalnego wybuchu. Dla wyznaczenia momentu tj., czasu, w którym nastąpi niebezpieczeństwo wybuchu wykorzystano zależność (1) [3]: V g, s (1) F w g gdzie: w g prędkość gazu, m/s; F pole przekroju dyszy, m 2 ; V g - objętość gazu, m 3. Jeśli do obliczeń przyjmie się następujące dane: - skład gazu ziemnego: CH 4 = 95,5%, CO 2 = 1%, N 2 = 3,5%; 1672

3 - ciśnienie gazu w sieci: p g = 2,2 kpa; - temperatura gazu: t g = 25 C; - ciśnienie barometryczne: P b = Pa; - średnica dyszy gazowej palnika: d = 1,0 mm; - wymiary pomieszczenia 3,5 2,75 2,65 m 3 ; - ilość powietrza w pomieszczeniu: 25,5 m 3 (tj. 3,5 2,75 2,65 m 3 ); - gęstość gazu ziemnego (dla zadanego składu): og = 0,735 kg/m 3, - liczba wypływu: = 0,8, - dolna granica palności: L d = 5%, to aby mieszanka była palna musi wypłynąć 1,399 m 3 gazu w czasie 7,64 h. Jeśli pod uwagę weźmie się mniejszą kubaturę pomieszczenia, a tym samym mniejszą ilość powietrza, to tym krótszy będzie czas, w którym może dojść do wybuchu (rysunek 1). Rys. 1. Wpływ kubatury pomieszczenia na czas powstawania mieszanki zdolnej do wybuchu. Źródło: opracowanie własne. Ryzyko wystąpienia przedstawionej powyżej sytuacji można zminimalizować, a nawet całkowicie go uniknąć, poprzez odpowiednio szybką identyfikację zagrożenia tj. montaż w pomieszczeniu odpowiedniego systemu zabezpieczeń. Zaproponowanym w niniejszym artykule systemem detekcji gazów jest stacjonarny, dwuprogowy system detekcji. System taki zazwyczaj wyposażony jest w dwuprogowe moduły alarmowe typu MD-2 (detektor tlenu) i MD-4 (detektory: propanu-butanu, siarkowodoru, tlenku węgla oraz metanu) [6]. System umożliwia wykrywanie i sygnalizację obecności gazów szkodliwych lub niebezpiecznych dla ludzi w środowisku pracy i życia, występujących nawet w bardzo niskich stężeniach, co może całkowicie wyeliminować zagrożenia związane z zatruciem np. tlenkiem (tabela 1). Pod kątem ochrony pomieszczenia przed wybuchem, w laboratorium zainstalowano szereg detektorów. Rozmieszczenie czujników w pomieszczeniu laboratoryjnym, znajdującym się w Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska, Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Politechniki Częstochowskiej przedstawiono na rysunku

4 Tab. 1. Zakresy stężeń analizowanych przez system detekcji gazów. Źródło: r. Medium Jednostka Zakres pomiarowy Stężenie chwilowo dopuszczalne Metan %DGW * Propan-butan %DGW * Tlenek węgla ppm ** Siarkowodór ppm ** Tlen % v/v ** * chwilowa, dopuszczalna wartość stężenia <1 min/30 min ** chwilowa, dopuszczalna wartość stężenia <1 min/8 h Rys. 2. Rozmieszczenie czujników w pomieszczeniu laboratoryjnym. Źródło: opracowanie własne. Ze względu na właściwości analizowanych gazów ich rozmieszczenie w pomieszczeniu jest różne. Sensory tlenku węgla i metanu są umiejscowione na wysokości 0,4 m od stropu (wysokość pomieszczenia 3,16 m). Sensor siarkowodoru umiejscowiono na wysokości 1,5 m, tlenu 1,7 m, natomiast propanubutanu 0,3 m od podłogi. 1674

5 Podsumowanie Z przeprowadzonej w niniejszym artykule analizy wynika, że odpowiednia kontrola procesu spalania pozwala ograniczyć ryzyko wystąpienia zagrożeń związanych z eksploatacją urządzeń grzewczych. Na konkretnym przykładzie pokazano zagrożenia związane z uwalnianiem się do szczelnie zamkniętego pomieszczenia gazu ziemnego przez niedomknięty zawór kuchenki gazowej. Przedstawiona sytuacja jest zazwyczaj efektem nieświadomego działania człowieka, a jak pokazały obliczenia może prowadzić do wybuchu, kiedy gaz osiągnie dolną granicę palności. Nie bez znaczenia jest kubatura pomieszczenia, w którym wydobywa się gaz. Im mniejsze pomieszczenie, tym krótszy czas po którym może nastąpić zagrożenie. Ponadto, zaproponowany w niniejszym artykule system detekcji gazów stanowi istotny element bezpieczeństwa każdego obiektu, na terenie którego występują gazy palne. Opisany system może ograniczyć skutki bezpośredniego zagrożenia zatruciem lub utratą życia ludzi znajdujących się w pobliżu miejsca uwalniania się gazów. Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono przykład obliczeniowy obrazujący możliwość wystąpienia wybuchu w szczelnie zamkniętym pomieszczeniu z tytułu uwalniania się gazu ziemnego na skutek nieszczelności zaworu kuchenki gazowej. Do obliczeń przyjęto m.in. stały skład chemiczny gazu, średnicę dyszy wylotowej palnika, ciśnienie gazu w sieci, temperaturę i gęstość gazu. Parametrem zmiennym była kubatura pomieszczenia, a tym samym ilość powietrza w ograniczonej przestrzeni. Stwierdzono, że im mniejsza kubatura pomieszczenia, a tym samym mniejsza ilość powietrza, to tym krótszy będzie czas, w którym może dojść do wybuchu. Ponadto w celu zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa niezbędne jest stosowanie odpowiednich systemów zabezpieczeń np. zaproponowanego w niniejszym artykule dwuprogowego systemu detekcji gazów. Abstract Risks and means of protection against flammable gases in housing This article presents the calculation example showing the possibility of an explosion in a sealed room due to the release of natural gas due to the non-leak valve gas cooker. In the calculation procedure several constant parameters were adopted: chemical composition of gas, the diameter of the nozzle of the burner, the gas pressure in the network, temperature and density of the gas. A variable parameter was the volume of the room, and thus the amount of air in the limited space. It has been found that the smaller volume of the room (and thus less amount of the air) the shorter time of occurring the explosion. Furthermore, in order to ensure a high level of security it is necessary to apply appropriate security systems, eg. the two thresholds gas detection system that is proposed in this paper. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Bogdan A., Chudzińska M., Wybrane aspekty ochrony przeciwpożarowej w budynkach. Bezpieczeństwo pracy 2008, nr. 2, s [2]. Burda P., Kołaciński Z., Łukasik-Głębocka M., Anand S., Postępowanie w ostrych zatruciach tlenkiem węgla stanowisko Sekcji Toksykologii Klinicznej Polskiego Towarzystwa Lekarskiego, Przegląd Lekarski 2012, nr 69/8, s

6 [3]. Czerski G., Ocena wpływu wybranych czynników na ryzyko zatruć produktami spalania z urządzeń gazowych, BiTP- Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza 2014, nr. 33, s [4]. Domański W., Makles Z., Minimalne wymagania dotyczące bezpieczeństwa przy pracach zagrożonych atmosferą wybuchową, Bezpieczeństwo pracy 2007, nr. 6, s [5]. Gieras M., Spalanie, Wybrane zagadnienia w zadaniach. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [6] r. [7]. Klemens R., Rosiński P., Symulacja numeryczna procesu propagacji wybuchu mieszanin gazowych w kanałach w obecności przeszkód, Archiwum Spalania 2002, nr. 2, s [8]. Krzyżanowski M., Seroka W., Skotak K., Wojtyniak B., Zgony i hospitalizacje z powodu zatrucia tlenkiem węgla w Polsce, BiTP- Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza 2014, nr. 33, s [9]. Markowski W., Czułość czujek pożarowych, cz.i, Systemy alarmowe 2008, nr. 2, s [10]. Nocoń J., Słupek S., Poznański J., Technika cieplna: przykłady z techniki procesów spalania, Wydawnictwa AGH, Kraków [11]. Porowski R., Co to jest inertyzacja atmosfer wybuchowych. Przegląd Pożarniczy 2011, nr. 5, s [12]. Prauzner T., Systemy monitoringu w inteligentnym budynku. Prace Naukowe Akademii Jana Długosza w Częstochowie, Technika, Informatyka, Inżynieria Bezpieczeństwa 2012, nr. 7, s [13]. Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 czerwca 2003 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów, [14]. Sawicki T., Wybuchy przestrzenne, Bezpieczeństwo pracy 2005, nr. 11, s [15]. Szarkowski A., Spalanie gazów, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin [16]. Świerżewski M., Urządzenia elektryczne w obszarach zagrożonych wybuchem, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Sekcja Instalacji i Urządzeń elektrycznych, Warszawa [17]. Wawrzyszko M., Jak uniknąć wybuchu, Identyfikacja, ocena i minimalizacja ryzyka. Pod kontroląautomatyka i pomiary 2010, nr. 3, s [18]. Żurański A., Warunki bezpiecznego użytkowania domowych urządzeń spalających gaz,