Прогнозирование последствий аварий при разгерметизации резервуарного оборудования (90

На 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

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

- 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

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