Что такое НКПР в газоанализаторах?

НКПР в газоанализаторах – это нижний концентрированный предел распространения пламени. Данная аббревиатура обозначает минимальную концентрацию горючего вещества в смеси с окислителем, при которой пламя может распространиться на любое расстояние от очага возгорания. В качестве горючего вещества может выступать газ или пары горящей жидкости, а в качестве окислительной смеси – воздух или кислород.

Также в газоанализаторах существует понятие ВКПР – верхний концентрируемый предел распространения пламени. Это такая концентрация газа в воздухе, выше которой не создается взрывопожароопасная среда, а возникшее пламя самопроизвольно затухает. Концентрация между НКПР и ВКПР обозначает диапазон взрываемости. Чем он больше, тем более опасным считается газ, присутствующий в воздухе.

Мониторинг НКПР — самый надежный способ контроля горючих смесей в воздухе. Он дает возможность контролировать объемы горючего газа в воздухе с тем, чтобы поддерживать его ниже допустимого уровня воспламенения. Регулярный мониторинг с помощью газоанализатора обеспечивает контроль над возникновением опасных ситуаций (утечка газов, повышенная концентрация) и позволяет своевременно принять упреждающие меры. При этом нужно учитывать, что тяжелые газы скапливаются у поверхности земли и ниже (колодцы, подвалы), а те, что легче воздуха, поднимаются вверх (повышается концентрация на чердаках, в перекрытиях).

Концентрационные пределы распространения пламени определяются в лабораторных условиях, при которых в ходе эксперимента определяются условия взрыва паров или газов. Определения нижнего и верхнего пределов распространения пламени представлены в ГОСТ 31610.10-2012.

При НКПР взрывоопасного вещества в воздухе возникает стойкое горение, которое не затухает самостоятельно. При ВКПР в воздухе скапливается высокая концентрация взрывоопасного вещества, граница отмечается в период самостоятельного угасания пламени.

Схематически пределы можно изобразить следующим образом:

Схема.1. Пределы воспламеняемости для природного газа согласно ГОСТ 5242-2014 при стандартных условиях (температура, давление).

Если концентрация взрывоопасного вещества в смеси с окислителем составляет меньше НКПР, то такую смесь называют бедной или обедненной – взрыв становится невозможным из-за недостатка взрывоопасного вещества, оно будет быстро рассеиваться. Если же концентрация находится за пределами ВКПР, то смесь называют богатой. В этом случае недостаток окислителя препятствует воспламенению и взрыв также становится невозможным. 

Если же концентрация взрывоопасного вещества находится в пределах от НКПР до ВКПР, то для воспламенения достаточно даже небольшой искры. Чем больше эта область возгорания, тем выше взрывоопасность горючего вещества.

Нижний концентрированный предел распространения пламени зависит от следующих факторов:

• реагирующие вещества и их свойства – вступая в химическое взаимодействие с катализатором, образуется промежуточное соединение и после каждого акта состав и строение молекул изменяются, что отражается на их свойствах;
• уровень давления – на показателях НКПР давление не сильно отражается, чего нельзя сказать про ВКПР;
• температурный режим – при повышении температуры энергия активации возрастает, что приводит к расширению нижнего предела концентрации;
• флегматизаторы – негорючие примеси, добавляемые к взрывчатому веществу с целью снижения чувствительности к внешним воздействиям.

При наличии в горючей смеси невоспламеняемых добавок значение верхнего концентрируемого предела становится пропорциональным его концентрации до точки флегматизации, на которой верхние показатели совпадают с нижними. НКПР повышается незначительно.

Значение НКПР можно определить двумя способами:

• расчетным путем – используется специальная формула;
• экспериментальным методом – проводится ряд испытаний.

Нижний концентрируемый предел распространения пламени определяется по предельной теплоте сгорания. На 1м³ газовоздушных смесей данный предел составляет 1830 кДж постоянного тепла при горении. Размерность КПРП выражается в г/м³ или процентах. Значение порогов устанавливается при выпуске из производства и может находиться в пределе 5-50% НКПР.

Допустимая концентрация для любого взрывоопасного вещества равняется 5% от НКПР. Именно при таких показателях можно проводить огневые работы.

Экспериментальные методы определения НКПР приводятся в национальных и международных ГОСТах, официально опубликованных справочниках. С 1 июля 2023 года вводится новый ГОСТ 31610.10-1-2022 (Взрывоопасные газовые среды), а методы испытаний и данные для классификации газов изложены в ГОСТ 31610.20-1-2020, где есть справочные данные для наиболее распространенных газов. Некоторые из них для примера приведены в таблице 1.

Пример. Расчет НКПР и ВКПР для смеси метана (80 %) и пропана (20 %).

Находим показатели для каждого газа по таблице, подставляем найденные значения в формулу:

• φсмн = 100 / [(80/4,4) + (20/1,7)] = 3,3 %
• φсмв = 100 / [(80/29) + (20/10,9)] = 21,7%

Искомые показатели составят: НКПР 3,3 %, ВКПР — 21,7 %

При определении КПР расчетным путем используется аппроксимационная формула. Наиболее пожароопасными считаются смеси стехиометрического состава. Например, в стехиометрической смеси метана с воздухом присутствует 1 моль метана, 2 моля кислорода и 2×3,76 азота. Воспламенение горючей смеси предполагает следующую химическую реакцию:

CH₄ + 2O₂ + 2×3,76N₂ = CO₂ + 2H₂O + 2×3,76N₂

Соответственно, φстех = (nCH₄ × 100)/(nCH₄ + nO₂ + nN₂) = (1 × 100)/(1 + 2 + 2×3,76) = 9,5

В результате экспериментов определены данные КПР для большинства взрывоопасных веществ, они рассчитаны и для верхнего, и для нижнего предела. Формула аппроксимации используется для расчета взрывоопасности различных видов сырья, газов и газовых смесей.