Пожарная безопасность технологических процессов / Buzaev - Metodi prognozirovaniya parametrov vzrivoopasnikh zon (Dissertaciya) 2015

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Бузаев Евгений Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН

ПРИ АВАРИЙНЫХ ВЫБРОСАХ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ

05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (строительство)

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Комаров Александр Андреевич

Москва – 2015

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................	4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН И ПРИМЕРЫ
АВАРИЙ…...…………………………………………….....................................	11

1.1.Аналитический обзор существующей литературы по проблеме формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ и их взрывы………………………………….............. 11

1.2.Обоснование необходимости определения параметров

взрывоопасных зон для оценки последствий взрывных аварий……… 14

1.3.Краткий анализ аварийных ситуаций…………………………………... 18

1.4.Выводы по первой главе………………………………………………… 22

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ

ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН ………………….............. 23

2.1.Теоретические основы описания процесса формирования взрывоопасных зон…………………………………………………......... 23

2.2.Задачи формирования взрывоопасных зон, имеющие аналитическое решение…………………………………………....................................... 28

2.3.Численная модель, описывающая процесс формирования взрывоопасных зон…………………………………………………......... 30

2.4.Решение задач, подтверждающих достоверность разработанной численной методики…………………………………………………….. 36

2.5.Методика расчета параметров воздушных потоков и их реализация………………………………………………………………... 40

2.6.Выводы по второй главе………………………………………………… 47

ГЛАВА 3.	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ		ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ	ДИФФУЗИИ	И	ФОРМИРОВАНИЯ

ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН…………………………………………………… 48

3

3.1.Экспериментальные исследования процесса диффузии в

жидкости…………………………………………………………............. 48

3.2Экспериментальные исследования формирования метано- и

пропановоздушных зон в протяжённых объёмах……………….

52

3.3.Экспериментальные исследования диффузионных процессов в кубическом объёме и косвенное определение коэффициента турбулентной диффузии………………………………………………… 56

3.4.Экспериментальные исследования диффузионных процессов в открытых пространствах………………………………………………... 63

3.5.Выводы по третьей главе ……………………………………….............. 68

ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАЛЬНЫМ АВАРИЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗМОЖНЫХ АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ………… 70

4.1.Апробация разработанных методов для определения процесса

формирования взрывоопасных зон на территории типового объекта 70

4.2.Анализ взрыва, происшедшего при тушении пожара в 2013 году на Тополевой аллее (г. Москва) …………………………………………… 90

4.3.Анализ взрывной аварии, происшедшей в 2010 году на участке

газопровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» (Самарская обл)

97

4.4.Выводы по четвёртой главе……………………………………………... 106

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ..................................................					107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………........……………………					109
Приложение	А.	АКТЫ	ВНЕДРЕНИЯ	РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ			................................................................		120
Приложение Б. СВОДНАЯ ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ СЕРИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ		ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО		ИССЛЕДОВАНИЮ
ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН НА
ТИПОВОМ ОБЪЕКТЕ………………………………………………………					123

4

ВВЕДЕНИЕ

Строительство и энергетика являются одними из основных отраслей экономики, как для Российской Федерации, так и для ведущих стран мира.

Обеспечение устойчивого развития данных отраслей напрямую зависит от безопасности технологических процессов. Наращивание темпов современной производственной деятельности неразрывно связано с растущим использованием опасных веществ и энергонасыщенных технологий. С каждым годом количество энергоёмких объектов увеличивается. Важным критерием для строительства и реконструкции данных объектов является пожаровзрывобезопасность и взрывоустойчивость.

К взрывопожароопасным объектам относятся: нефтеперерабатывающие предприятия, объекты газового хозяйства, атомные электростанции, объекты,

использующие в технологических процессах взрывоопасные вещества,

автозаправочные станции и др.

Основной угрозой для изучаемых объектов является их пожаровзрывоопасность вследствие наличия значительного количества горючих веществ. Аварийные утечки горючих веществ приводят к формированию газопаровоздушных смесей, которые в определенных пропорциях с воздухом и при наличии источника воспламенения способны привести к взрыву.

Год от года взрывопожароопасных объектов становится всё больше, также увеличивается износ существующих объектов.

Крупнейшие техногенные аварии, связанные с формированием взрывоопасных зон газопаровоздушных смесей и сопровождающиеся взрывами и пожарами, унесли сотни человеческих жизней и нанесли огромный урон окружающей среде и материально-технической базе. По статистике количество пожаров в нашей стране в 300…400 раз больше, чем количество взрывов, а вот общий ущерб от взрывов составляет примерно 25% от общего ущерба при пожарах [20, 76]. Только за 2014 год (по данным МЧС России) в нашей стране

5

произошло 17 взрывов горючих веществ, в результате которых погибло около 50

человек и пострадало более 250.

Оценка опасностей, вызванных формированием взрывоопасных зон газопаровоздушных смесей на промышленных объектах – одна из основных проблем пожарной и промышленной безопасности.

Актуальность темы настоящей диссертационной работы определяется необходимостью исследования и дальнейшей разработки методов расчёта процессов формирования взрывоопасных зон, возникающих при аварийных выбросах горючих веществ в атмосферу и внутрь помещений. Это связано с тем,

что параметры взрывного горения, в первую очередь, определяются распределением концентрации горючего вещества во взрывоопасной зоне.

Учитывая, что в нормативных документах отсутствует чёткое описание и единый подход к анализу аварийных выбросов горючих веществ, данная диссертационная работа является актуальной.

Таким образом, актуальной является научная задача по выработке на основе теоретических и экспериментальных исследований решений,

направленных на развитие методов, позволяющих достоверно прогнозировать процесс формирования взрывоопасных зон при аварийных утечках и проливах горючих смесей и жидкостей.

Степень разработанности темы диссертационного исследования.

Изучением процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ занимались многие отечественные учёные в области обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений

(Андрианов Р.А., Бабкин B.C., Баратов А.Н., Бегишев И.Р., Болодьян И.А.,

Гельфанд Б.Е., Горев В.А., Зельдович Я.Б, Казённов В.В., Комаров А.А.,

Корольченко А.Я., Макеев В.И., Мишуев А.В., Молчадский И.С., Пилюгин Л.П.,

Сафонов B.C., Стрельчук Н.А., Франк-Каменецкий Д.А., Хуснутдинов Д.З.,

Шебеко Ю.Н., Щелкин К.И. и др.), а также зарубежные ученые (Bradley D., Canu

P., Crescitelli S., Fairweather M., Hirano Т., Mitcheson A., Moen I.O., Pasman H.I., Solberg D.M., Yao C., Zalosh R.G. и др.).

6

Однако, до сих пор, несмотря на значительные достижения в этой области исследований, остаётся открытым вопрос взрывов локальных зон горючих веществ как в атмосфере, так и внутри помещений.

Целью работы является разработка методики расчёта и прогнозирования временного и пространственного распределения концентрации горючего вещества при его аварийном выбросе.

Основные задачи исследования:

–провести анализ существующих методов, определяющих параметры взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючего вещества, как в атмосферу, так и внутрь помещений;

–определить основные факторы, влияющие на процесс формирования взрывоопасных зон;

–экспериментально исследовать процесс диффузии, определяющий формирование взрывоопасных зон;

–разработать методику расчёта динамики формирования взрывоопасных зон, учитывающую основные параметры, характеризующие развитие аварийного выброса;

–обосновать работоспособность разработанной методики экспериментальными исследованиями и результатами аналитических решений диффузионной задачи.

Объектом диссертационного исследования являются пожаровзрывоопасные производства газовой, нефтеперерабатывающей,

химической промышленности; предприятия, использующие газо- и

нефтепродукты в качестве сырья или энергоносителей; предприятия хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ; взрывоопасные и энергоёмкие объекты населённых пунктов.

Предметной областью исследования являются взрывоопасные зоны,

образовавшиеся при аварийных выбросах горючих веществ на пожаровзрывоопасных объектах, а также вопросы диффузии, определяющие процесс формирования взрывоопасных зон.

7

Научная новизна диссертации:

–экспериментально подтверждена возможность расчёта динамики формирования взрывоопасных зон путём применения метода численного интегрирования;

–на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы расчёта динамики формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючего вещества на типовом взрывоопасном объекте;

–экспериментально определено минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии для различных взрывоопасных веществ, приводящее к образованию взрывоопасной смеси в объёмах кубической и вытянутой формы;

–предложенная методология позволяет разрабатывать рекомендации по снижению ущерба при авариях на энергоёмких объектах и проводить реконструкцию событий по произошедшим аварийным взрывам.

Теоретическая значимость исследования заключается в том, что разработанная методика расчёта параметров взрывоопасных зон, учитывает все исходные характеристики, определяющие развитие аварийного выброса:

подвижность атмосферы, взаимное месторасположение выброса и ограждающих конструкций, расход выброса горючего вещества, коэффициент турбулентной диффузии, зависящий от погодных условий и физических свойств горючего вещества, и т.д.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

–разработана и апробирована методика расчёта динамики формирования локальных взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ;

–представлена методика расчета параметров воздушных потоков применительно к ситуации малой подвижности атмосферы;

–экспериментально получены минимальные значения коэффициента турбулентной диффузии для пропана и метана при распространении газа по вертикальной оси;

8

– восстановлены события развития взрывной аварии, произошедшей на участке газопровода в Самарской области, и взрыва паров ацетона, при тушении пожара в г. Москва.

Методология и методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы математического моделирования и теория подобия. Результаты, полученные путём математического моделирования, были подтверждены экспериментально, что говорит о корректности использования разработанного метода для прогнозирования параметров взрывоопасных зон.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1.Результаты анализа существующих методов, определяющих процесс формирования взрывоопасных зон;

2.Теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования взрывоопасных зон при аварийных ситуациях;

3.Результаты тестовых расчётов по разработанным математическим моделям, подтверждающих достоверность расчётов динамических параметров формирующихся взрывоопасных зон при авариях;

4.Широкомасштабная серия вычислительных экспериментов, описывающих процесс формирования взрывоопасных зон применительно к реальным аварийным ситуациям, позволяющая выявить основные факторы, влияющие на параметры взрывоопасных зон.

Степень достоверности основных результатов, выводов и рекомендаций диссертации обусловлены применением современных методов и средств исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с применением измерительного оборудования, прошедшего поверку и откалиброванного для соответствующих условий. Для апробации численного метода решалась тестовая задача, и проводилось сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в обобщении, систематизации и развитии теоретических составляющих исследуемых вопросов, а также разработке и апробации методики, определяющей процесс формирования взрывоопасных зон. Соискателем самостоятельно

9

получены, интерпретированы и апробированы результаты исследования. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на:

Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы,

технологии, инновации» – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2012; II

Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы,

технологии, инновации». – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2013; III

Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы,

технологии, инновации». – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2014; III

Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2014». – г. Москва:

Академия ГПС МЧС России, 2014; XVII Международной межвузовской научно-

практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов

«Строительство – формирование среды жизнедеятельности». – г. Москва: ФГБОУ ВПО МГСУ, 2014; V Международной научно-практической конференции

«Современные концепции научных исследований». – г. Москва: Евразийский Союз Учёных (ЕСУ), 2014; IV Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации». – г. Москва:

Академия ГПС МЧС России, 2015.

Результаты исследований внедрены:

– при выполнении НИР: «Анализ влияния взрывов топливно-воздушных смесей, образующихся при падении воздушных судов, на безопасность ЛАЭС-2

по адресу: Ленинградская обл., г. Сосновый Бор, а/я 349/5, Промзона» (см.

Приложение А);

– в учебный процесс Института гидротехнического и энергетического строительства при ФГБОУ ВПО «МГСУ» при подготовке бакалавров по направлению «Техносферная безопасность» профиль «Инженерная защита окружающей среды», и используются при чтении лекций по курсу «Теория горения и взрыва» (см. Приложение А).

10

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12

опубликованных научных работах, из которых 3 статьи – в рецензируемых научных изданиях перечня ВАК РФ, 1 статья – в журнале, включённом в базу данных РИНЦ, а также статьи и тезисы докладов на международных конференциях.

Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Содержание работы изложено на 124 страницах машинописного текста, включает в себя 2 таблицы, 76 рисунков, список литературы из 104 наименований, 2 приложения.