Точный контроль параметров газовых сред имеет критическое значение для обеспечения безопасности на производстве и предотвращения аварий. Одним из важнейших показателей является нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) - пороговая концентрация горючего газа, при которой возможно воспламенение. В данной статье на примере метана мы разберем основные аспекты измерения НКПР в реальных условиях с использованием современного газоаналитического оборудования.
Что такое НКПР?
НКПР или нижний концентрационный предел распространения пламени - это минимальная концентрация горючего газа или пара в смеси с воздухом, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Иными словами, это порог воспламенения газовоздушной смеси.
Другим важным понятием является ВКПР - верхний концентрационный предел распространения пламени. Это максимальная концентрация горючего вещества в смеси, выше которой смесь становится невоспламеняемой из-за недостатка окислителя.
Диапазон между НКПР и ВКПР называется областью воспламенения - именно здесь находятся наиболее опасные концентрации газа, способные воспламениться от искры.
Значения НКПР для различных газов
Значения НКПР и ВКПР определяются экспериментально для каждого конкретного газа и закрепляются в нормативной документации. Например, согласно ГОСТ 31610.0-2014 значение НКПР для метана составляет 4,4% об. (по объему).
Для других углеводородных газов НКПР может существенно отличаться. К примеру, для водорода этот показатель равен 4% об., а для пропана - 2,1% об.
Контроль НКПР метана на производстве
Концентрация метана должна постоянно контролироваться в помещениях, где возможны утечки этого газа. Согласно нормам, установлены два пороговых уровня сигнализации:
- Предупредительный - 10% от НКПР (=0,44% об.)
- Аварийный - 20% от НКПР (=0,88% об.)
Такой подход гарантирует своевременное обнаружение опасной концентрации метана в воздухе.
Для измерения НКПР метана применяются газоаналитические приборы - газосигнализаторы и газоанализаторы. Существует широкий ассортимент таких устройств от разных производителей.
Важно, чтобы чувствительный элемент прибора располагался в верхней части помещения, поскольку метан, будучи легче воздуха, стремится вверх. Обычно датчики монтируют на высоте 10-20 см от потолка.
Методики измерения НКПР
Существует два основных подхода к определению нижнего концентрационного предела распространения пламени:
- Расчет по предельной теплоте сгорания - 1,83 МДж на 1 м3 смеси.
- Экспериментальное определение в лаборатории путем последовательных испытаний.
Первый вариант позволяет достаточно быстро оценить НКПР. Однако более точные значения дает метод прямых испытаний с постепенным повышением концентрации газа в смеси.
Также для аппроксимации НКПР применяют специальные расчетные формулы. Это актуально при анализе сложных многокомпонентных газовых смесей.
Например, по приведенной в источниках формуле можно оценить НКПР и ВКПР смеси метана (80%) и пропана (20%). Подобные расчеты нужны для точной настройки газоаналитического оборудования.
| Компонент | Содержание, % | НКПР, % об. | ВКПР, % об. |
| Метан | 80 | 4,4 | 17 |
| Пропан | 20 | 2,1 | 10 |
Рассчитаем по формуле:
НКПРсмеси = 100 / [(80/4,4) + (20/1,7)] = 3,3 % об.
Аналогично для ВКПР получаем значение 21,7% об.
Знание подобных расчетов позволяет правильно сконфигурировать пороги срабатывания сигнализации газоанализаторов для контроля взрывоопасных концентраций.
Способы поверки газоанализаторов
Для поддержания метрологических характеристик газоаналитического оборудования необходимо периодически проводить его поверку и калибровку. Это позволяет гарантировать достоверность измерений НКПР метана в воздухе рабочей зоны.
Поверка выполняется с использованием образцовых газовых смесей в баллонах под давлением. Калибровочная газовая смесь готовится на основе азота или воздуха с добавлением определенной концентрации метана, соответствующей какому-либо порогу сигнализации.
Требования безопасности при измерении НКПР метана
При работе с газоаналитической аппаратурой для контроля взрывоопасных концентраций метана должны неукоснительно соблюдаться правила техники безопасности.
В частности, применяемые газоанализаторы и газосигнализаторы должны иметь взрывозащитное исполнение, допускающее их применение в потенциально взрывоопасной среде.
Персонал обязан пройти инструктаж и строго следовать регламенту эксплуатации приборов, не допуская механических повреждений или нарушения герметичности.
Меры по снижению уровня метана
При превышении допустимых концентраций (0,44% и 0,88% соответственно) должен срабатывать звуковой и световой сигнал и запускаться система принудительной вентиляции помещения.
Это позволит разбавить взрывоопасную концентрацию метана в воздухе рабочей зоны ниже опасного уровня.
При невозможности быстрого снижения уровня метана персонал должен быть эвакуирован, а доступ посторонних лиц в помещение заблокирован.
Автоматическое отключение электропитания
Наряду с системой вентиляции при превышении 20% НКПР метана в воздухе рабочей зоны должно происходить автоматическое отключение электропитания оборудования, не имеющего взрывозащиты, во избежание возникновения искр и последующего воспламенения газовоздушной смеси.
Это позволит исключить или минимизировать возможный ущерб при возникновении аварийных ситуаций, связанных с утечкой метана в производственных помещениях.
Пределы горючести играют важную роль в безопасности. Если знать нижние и верхние концентрации распространения пламени, можно предотвратить взрывы на промышленных объектах и в лабораторных условиях.
