Прогнозирование последствий аварий при разгерметизации резервуарного оборудования (90
..pdfНа правах рукописи
АЛЕКСЕЕВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ ПРИ
РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЕРВУАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(в химической отрасли промышленности)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени
кандидат технических наук
Казань 2011
Работа выполнена на кафедре машин и аппаратов химических производств Казанского государственного технологического университета
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Поникаров Сергей Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шарафиев Роберт Гарафиевич кандидат технических наук, доцент Осипова Лилия Эдуардовна
Ведущая организация: ОАО «Волжский научно-исследовательский институт углеводородного сырья» (ОАО ВНИИУС), г. Казань
Защита состоится 13 апреля 2011 г. в 15.30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседания Ученого совета (А-330).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.
Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технологического университета (www.kstu.ru)
Автореферат разослан «11» марта 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета |
А.С.Сироткин |
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Развитие химической, нефтехимической, нефтедобывающей и нефте-
перерабатывающей промышленности, неизбежно ведет к увеличению числа стационарных объектов хранения жидких химических веществ. В связи с тем, что большой процент резервуаров уже выработали свой проектный ре-
сурс, с каждым годом количество аварий на резервуарах возрастает, и, не-
смотря на все предпринимаемые меры в области промышленной безопасно-
сти, последствия этих аварий наносят довольно существенный ущерб.
Для решения важнейшей задачи пожарной и промышленной безопас-
ности объектов химической промышленности - уменьшение людских и ма-
териальных потерь, необходимо заранее знать возможные последствия чрез-
вычайных ситуаций, чтобы провести ряд мероприятий для подготовки обо-
рудования и персонала к последствиям возможных аварий. Одной из слож-
нейших задач при определении последствий аварий, связанных с разгермети-
зацией резервуарного оборудования, является определение зон распростра-
нения опасных веществ. Процессы, протекающие при этих авариях, характе-
ризуются сильной нестационарностью. Помимо этого огромное влияние ока-
зывают рельеф местности, наличие препятствий в виде технологического оборудования, зданий и сооружений.
Существующие в настоящее время методики оценки площадей разли-
вов жидкостей при аварийных разгерметизациях резервуаров обладают це-
лым рядом ограничений. Основу многих методик составляют аналитические модели, не учитывающие реальную физику процессов. На данный момент официально признанной методики оценки требуемых средств и сил для лока-
лизации и ликвидации аварий, связанных с разливами химических веществ,
не существует. В связи с этим, с уверенностью можно сказать, что создание методики оценки последствий аварийных разливов жидких химических ве-
ществ и расчета средств и сил для локализации и ликвидации аварий являет-
ся актуальной задачей.
3
Цель работы
Разработка методики прогнозирования площадей разливов и построе-
ния карт разливов при разгерметизации резервуарного оборудования, позво-
ляющей учитывать рельеф местности, а также наличие зданий, сооружений и элементов технологического оборудования.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие зада-
чи:
1. Построить модель распространения жидкости при квазимгновенной разгерметизации резервуара с учетом сложного рельефа местности и про-
мышленной застройки.
2. Провести численные эксперименты по распространению жидкостей при наличии различного рода особенностей рельефа местности и препятст-
вий.
3. Провести экспериментальное исследование процесса разгерметиза-
ции резервуарного оборудования, а также провести проверку адекватности предлагаемой методики на результатах экспериментов
4. Разработать методику расчета требуемого количества сил и средств для ликвидации и локализации разливов химических веществ.
Научная новизна
1. Разработана научно-обоснованная методика определения площадей проливов химических веществ и построения карт проливов при квазимгно-
венной разгерметизации резервуаров, включающая в себя комплекс моделей для описания процессов течения жидкости с учетом свойств веществ, слож-
ного рельефа местности и промышленной застройки.
2. В ходе проведения физических экспериментов были получены дан-
ные, свидетельствующие о влиянии на площадь разлива и на количество жидкости, перелившейся через защитные сооружения, таких факторов как свойств жидкости, отношения высоты столба жидкости к высоте защитного сооружения, площади разрыва резервуара, свойств подстилающей поверхно-
сти, а также угла встречи потока жидкости с защитным сооружением.
4
3. Разработана методика оценки эффективности удержания жидкости различными защитными сооружениями, применяемыми для ограничения площади разлива химических веществ.
Практическая значимость работы
Предлагаемая модель может использоваться при проектировании за-
щитных сооружений для резервуарных парков, для получения оценки потен-
циальной опасности промышленных объектов при разработке мероприятий по защите персонала и населения, а также при разработке Планов ликвида-
ции разливов нефти и нефтепродуктов, Планов ликвидации аварийных си-
туаций, Деклараций промышленной и пожарной безопасности.
Результаты работы использовались при разработке планов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов для ОАО «Казаньоргситез».
Апробация работы и публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных трудов, из которых 3
статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 моногра-
фия.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографиче-
ского списка использованной литературы и приложений. Общий объем рабо-
ты составляет 191 страницу, включая 22 таблицы, 95 рисунков, в т.ч. 33 в
приложениях. Библиографический список использованной литературы со-
ставляет 110 наименований.
Основное содержание работы
В введении обоснована актуальность и сформулированы научная про-
блема, цель, научная новизна, практическая значимость работы.
В первой главе дан литературный обзор. Рассмотрены механизм раз-
рушения резервуарного оборудования и методики прогнозирования послед-
ствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования.
На основании обзора делается вывод о перспективности создания ме-
тодики прогнозирования последствий аварий, связанных с разгерметизацией
5
резервуарного оборудования, а также о необходимости проведения собствен-
ного эксперимента.
Во второй главе приведены описание экспериментальной установки,
методика проведения экспериментов, результаты экспериментов, а также расчет погрешностей экспериментов.
Экспериментальная установка, имитирующая полную, квазимгновен-
ную разгерметизацию резервуара, представляла собой модель одиночно стоящего резервуара РВС-100, окруженного защитным обвалованием
(Рисунок 1).
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки
Эксперименты проводились для трех видов жидкости – вода, глицерин и ацетон. В ходе экспериментов изменялись следующие параметры: объем заполнения емкости (V), расстояние от центра емкости до внутреннего отко-
са обвалования (L), высота обвалования (h). В процессе эксперимента изме-
рялись объем жидкости, оставшейся в обваловании, и площадь разлива.
В третьей главе рассмотрены фундаментальные уравнения движения жидкости, позволяющие учитывать влияние на течение жидкости таких фак-
торов как испарение и фильтрация жидкости в грунт.
Также в данной главе приводится описание численного метода реше-
ния системы дифференциальных уравнений, реализованного на ЭВМ. Для дискретизации системы дифференциальных уравнений применялся метод контрольного объема. При решении задач, поставленных в данной исследо-
6
вательской работе, применялись структурированные сетки со сгущением ячеек вблизи твердой поверхности.
В четвертой главе представлены результаты проверки достоверности модели течения жидкости при авариях, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования, на результатах модельного и полномасштабного экспериментов, результаты моделирования аварии с полным и частичным разрушением боковых стенок резервуара в различных направлениях, оценка эффективности различных защитных сооружений, предложения по модернизации существующих защитных сооружений, а также методика оценки средств и сил требуемых для локализации и ликвидации аварийных разливов химических веществ. Результаты проверки данных модельного эксперимента представлены в Таблице 1.
Таблица 1. Сравнение результатов экспериментов и результатов моделирования данных экспериментов
№ |
Условия |
Объем жидкости перелившейся |
|
Объем жидкости перелившейся |
- |
|
|
через обвалова- |
(экспери |
(расчет) |
|||||
|
|
||||||
|
|
2 |
2 |
||||
|
|
Площадьразлива, см |
Площадьразлива, см |
||||
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
1. |
V=250 мл, L=100мм, |
105 |
|
98 |
921 |
892 |
|
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
2. |
V=375 мл, L=100мм, |
206 |
|
192 |
1441 |
1493 |
|
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
3. |
V=500 мл, L=100мм, |
347 |
|
362 |
2657 |
2694 |
|
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
4. |
V=250 мл, L=150мм, |
132 |
|
141 |
1420 |
1451 |
|
|
h=5мм |
|
|
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
5. |
V=375 мл, L=150мм, |
236 |
|
247 |
2071 |
2138 |
|
|
h=5мм |
|
|
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
|
|
6. |
V=500 мл, L=150мм, |
355 |
|
343 |
2683 |
2716 |
|
|
h=5мм |
|
|
|
|
|
7
окончание таблицы 1
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
7. |
V=250 мл, L=150мм, |
46 |
39 |
1127 |
1147 |
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
8. |
V=375 мл, L=150мм, |
102 |
105 |
1407 |
1428 |
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
Жидкость - вода |
|
|
|
|
9. |
V=500 мл, L=150мм, |
207 |
211 |
1924 |
2021 |
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
Жидкость – глице- |
|
|
|
|
10 |
рин |
163 |
191 |
934 |
934 |
|
V=500 мл, L=100мм, |
|
|
|
|
|
h=8мм |
|
|
|
|
|
Жидкость – ацетон |
|
|
|
|
11 |
V=500 мл, L=100мм, |
386 |
401 |
2903 |
3224 |
|
h=8мм |
|
|
|
|
Помимо модельного эксперимента для проверки адекватности модели были привлечены данные полномасштабного эксперимента, проведенного в
2004 г. на одной из нефтебаз Липецкой области. В ходе данного эксперимен-
та разрушению подвергся РВС -700, полностью заполненный водой. Резуль-
таты проверки на данных полномасштабного эксперимента представлены на Рисунке 2.
Рисунок 2. Графическое сравнение карты разлива эксперимента с картой раз-
лива полученной при моделировании данного эксперимента.
8
- границы зоны разлива при эксперименте
- площадь разлива при моделировании эксперимента.
Также в данной главе приведены результаты исследования процесса растекания жидкости при разгерметизации одиночно стоящего резервуара
(РВС-5000). Приведены графические рисунки динамики процесса разлива РВС-5000. Помимо этого, в данной главе рассматриваются различные вари-
анты направления раскрытия стенок резервуара при частичном разрушении стенок резервуара. Рассмотрено 3 основных варианта направления раскрытия стенок резервуара (Рисунок 3).
Рисунок 3. Варианты направления раскрытия стенок резервуара
При моделировании аварии с частичной разгерметизацией резервуара в различных направлениях площадь разрыва принималась равной 25% от пло-
щади боковой стенки резервуара. Результаты моделирования представлены ниже (Таблица 2).
Таблица 2. Результаты моделирования частичной разгерметизации резервуа-
ра в различных направлениях
|
А |
Б |
В |
|
|
|
|
Vжид/Vрез*100% |
73,16 |
62,54 |
68,37 |
|
|
|
|
где Vжид/Vрез*100% - процент жидкости перелившейся через обвалование.
Так же в данной главе рассматривалось влияние площади разлива на объем жидкости, перелившейся через защитное обвалование. Были получены зависимости, представленные на Рисунке 4.
9
Рисунок 4. Изменение объема жидкости, перелившейся через защитные со-
оружения, в зависимости от площади разрыва.
где Vжид/Vрез*100% - процент жидкости перелившейся через обвалование, Sраз/Sстен*100% - отношение площади разрыва к площади боковой стенки ре-
зервуара.
Результаты моделирования показывают, что наиболее опасным сцена-
рием аварии, связанной с разгерметизацией резервуарного оборудования, яв-
ляется частичная разгерметизация с площадью разрыва более 25 % от площа-
ди боковой стенки резервуара и менее 40 %.
Карты разлива и значения площадей разлива при полной разгерметиза-
ции и разгерметизации с площадью разрыва, равной 25% от площади боко-
вой стенки резервуара, приведены на Рисунке 5. Представленные значения свидетельствуют о том, что при аварии, связанной с разгерметизацией резер-
вуара с площадью разрыва, равной 25% от площади боковой стенки резер-
вуара, негативные последствия аварии будут более существенны. Также от-
мечается тот факт, что при полной разгерметизации резервуара максималь-
ное расстояния от центра резервуара до края разлива составила 84 м., а при аварии с частичным разрушением стенок резервуара -143 м.
10