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

11

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН И ПРИМЕРЫ АВАРИЙ

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

Для определения последствий аварий, а также для проектирования и обеспечения взрывобезопасности на объектах, в технологических процессах производства и переработки которых используются горючие вещества,

необходимо знать количество вещества, которое перешло во взрывоопасное состояние. Также необходимо знать в какой момент времени, и в какой точке пространства достигаются характерные концентрации газопаровоздушных смесей.

Как было сказано ранее, что проблеме формирования взрывоопасных зон и определения динамических параметров уделяется большое внимание [3, 7, 8, 11,

12, 13, 20, 21, 22, 27, 28, 32, 39, 40, 41, 44, 45, 61, 64, 65, 67, 69, 70, 71, 82 83, 84, 102].

На основании работ [8, 12, 27, 32, 39, 44, 61, 75, 84] приходим к выводу, что существует три основных подхода для количественного описания процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ:

−гауссовская модель, законы нормального распределения концентрации;

−модели формирования, основанные на интегральных законах сохранения веществ либо в облаке в целом, либо в поперечном режиме;

−модели, построенные на численном решении системы уравнений сохранения веществ оригинальном виде (методы численного моделирования).

Проведём аналитический обзор существующих методик по определению процесса формирования взрывоопасных зон горючих веществ.

Гауссовская модель реализована – в ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических

12

процессов. Общие требования. Методы контроля», а методы, основанные на интегральных законах сохранения (краевые задачи, аналитические), в

программных продуктах CFD. Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определение приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является ОНД-86.

Перечислим наиболее известные и широко применяемые нормативы и отечественные методик расчета последствий аварийных выбросов опасных веществ:

− Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности.

Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических,

нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Серия 09. Выпуск 37; − Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности (утв.

постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. N 56);

− ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» ПРИЛОЖЕНИЕ Б. «Метод расчёта размеров зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР) газов и паров».

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. «Метод расчёта размеров зон распространения облака горючих газов и паров при аварии».

−РБ Г-05-039-96 «Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического воздействия»;

−ПБ 12-368-00 «Правила безопасности в газовом хозяйстве»;

−РД 03-409-01 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей». Серия 27. Выпуск 2. Сборник документов. 3-е

издание исправленное и дополненное;

−Экспресс-методика прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах. ВНИИ ГОЧС;

−Методические рекомендации ВНИИПО «Определение площади разгерметизации технологического оборудования с газопаровоздушными смесями»;

13

Данные методики позволяют оценивать и определять: выброс горючих веществ в окружающую среду (залповое или мгновенное и продолжительное истечение газа); перемещение горючих веществ в атмосфере (растекание по поверхности, рассеивание в атмосфере); воздействие поражающих факторов на человека и объекты (токсическое воздействие, воздействие волн давления, удар пламенем, осколки, термическое излучение от пожаров пролива, горящих облаков, огненных шаров). Зачастую при выполнении рекомендаций по снижению взрывоопасности уникальных объектов и при расследовании крупных аварий две первые методики не позволяют решить поставленную задачу

Использование методов численного моделирования позволяет учесть особенности местности и наличие преград, чего не учитывают две первые методики. Основанный на процессах массо-, энерго- и теплообмена метод численного моделирования позволяет учесть практически все существенные факторы, а потому данный метод является наиболее точным. Но стоит отметить,

что в полной мере, учитывающая все факторы, единая методика оценки последствий взрывных аварий, вызванных формированием газопаровоздушных смесей, отсутствует.

14

1.2. Обоснование необходимости определения параметров взрывоопасных

зон для оценки последствий взрывных аварий

Именно определение параметров взрывоопасных зон необходимо для оценки последствий взрывных аварий. Для подтверждения данной выкладки необходимо разобраться в основных понятиях аварийного взрыва.

Дадим основные термины и определения [88]:

Взрывная авария – авария, причиной которой является взрыв.

Взрыв – быстропротекающее физико-химическое явление, связанное с быстрым освобождением потенциальной энергии и переходом её в энергию движущихся сжатых газов, которые создают волну сжатия или одну из его форм – ударную волну.

Взрывное горение – распространение пламени в заранее образовавшейся

(подготовленной) горючей смеси. Скорость распространения пламени зависит от вида взрывного горения: детонационного либо дефлаграционного.

Горючая смесь – смесь горючего газа (газов) с воздухом (кислородом).

Детонационное взрывное горение (детонационный взрыв) – характеризуется сверхзвуковой скоростью распространения пламени (1600…3000 м/с) и

совместным движением ударной волны и химической зоны горения во взрывчатой смеси.

Дефлаграционный взрыв – характеризуется дозвуковой скоростью распространения пламени.

Из вышеперечисленных определений вытекает, что для того чтобы произошло взрывное горение необходимо смешение горючего вещества с достаточным количеством кислорода (окислителя реакции), а также достаточный источник воспламенения смеси. Так называемый «Треугольник горения».

Условно взрывоопасные газы можно разделить на две группы[15, 18]:

–«Лёгкий газ» (ЛГ) - газ с плотностью меньшей, чем плотность воздуха

ЛГ ВОЗДУХ (метан, этан, водород и др.);

	15
	– «Тяжёлый газ» (ТГ) - газ с плотностью большей, чем плотность воздуха
ТГ	ВОЗДУХ (пропан, бутан и др.).
	В процессе формирования взрывоопасной зоны ЛГ стремится

переместиться в верхние слои среды, говоря проще «всплывает». А ТГ оседает в нижние слои, а потом «стелится» по поверхности.

Параметры взрыва зависят от характерного размера взрывоопасной зоны и процентного содержания вещества во взрывоопасной смеси с кислородом.

Прежде чем определить сценарий аварийной ситуации и произвести анализ возможных последствий необходимо знать укрупнено параметры взрывоопасной зоны горючего вещества.

Также необходимо знать пределы воспламенения горючей смеси. Для каждого вещества они имеют своё значение.

Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) – минимальное содержание горючего газа (пара) в газопаровоздушной смеси (ГВПС).

Стехиометрическая концентрация – определённое содержание горючей компоненты в ГПВС, строго соответствующее содержанию воздуха в ГПВС,

необходимого для полного сгорания этой смеси.

Верхний концентрационный предел воспламенения (ВКПВ) – максимальное содержание горючего газа (пара) в газопаровоздушной смеси (ГВПС), при котором возможно воспламенение и устойчивое горение ГПВС.

По нормативным методикам [29, 72, 77, 78, 80, 85, 91] расчёт ведётся на максимальное содержание вещества и значительно завышенные параметры взрывоопасной зоны горючей смеси. Все существующие методики для определения взрывных нагрузок и последствий аварийных ситуаций принимают характерный размер и местоположение взрывоопасной зоны, но нигде не указывается как определять данную зону и где есть эта зона. А данный факт очень важен для при оценке и прогнозировании взрывных нагрузок.

Для более точного описания сценария аварии требуется более детальный расчёт динамики формирования взрывоопасной зоны горючего вещества.

16

Для того чтобы определить последствия аварийной ситуации, связанной с утечкой горючих веществ, необходимо знать параметры взрывоопасной зоны вещества.

Важно дать исходные данные для определения взрывных нагрузок при аварийной ситуации, так как в существующих методиках [29, 72, 77, 78, 80, 85, 91], а именно в формулах определения взрывных нагрузок уже заложены размеры взрывоопасной зоны.

При аварийных выбросах горючих веществ в атмосферу происходит их смешение с воздухом и на каждом этапе развития аварии в атмосфере находится разное количество вещества во взрывоопасной концентрации. Поэтому и параметры взрывных нагрузок будут различны в зависимости от времени реализации взрыва. Например, при залповом выбросе вещества и при наличии источника зажигания будет реализован огневой шар, а взрыва не будет, т.к. смесь,

готовая к взрыву, еще не сформировалась. Через определенное время напротив будет сформировано взрывоопасное облако максимальных размеров. При его воспламенении (искрой, открытым огнем и т.д., т.е. слабым источником инициирования) произойдет дефлаграционный взрыв, в результате которого образуется облако продуктов взрыва – «огненный шар», а огневого шара,

прогорающего по мере поступления кислорода, не будет. При мощном источнике инициирования – взрыв ВВ или удар молнии – будет реализован детонационный взрыв смеси. Если же источника зажигания не будет достаточно продолжительное время, то взрывоопасное облако просто рассеется.

Одной из наиболее серьезных опасностей пожаровзрывоопасных производств является газопаровое облако, которое образуется при мгновенном разрушении резервуаров хранения или испарении разлитых жидкостей.

Образование газопарового облака может привести к появлению трех типов опасностей:

–взрыву газопаровоздушной смеси;

–крупному пожару;

–токсическому воздействию.

17

Физико-химические характеристики наиболее распространенных газо- и

паровоздушных смесей, образующихся при авариях в химической и нефтехимической промышленности, приведены в табл. 1.2.1.

Таблица 1.2.1 – Физико-химические характеристики наиболее распространенных газо- и паровоздушных смесей

		Моле				Объемные
Горючий	Тип	куляр	ΡСТХ,	ССТХ,	СНКПД	концентрационные			Pmax,
компонент	смес	ная	кг/м3	об%	об%	пределы			кПа
ГПВС	и	масса				воспламенения
		горю				смеси, об%
		чего
		μ				СНКПВ		СВКПВ
Водород	ГВС	2	0,933	29,59	15	4		75	739
Метан	ГВС	16	1,232	9,45	–	5		15	720
Этан	ГВС	30	1,250	5,66	2,87	2,9		15	675
Пропан	ГВС	44	1,315	4,03	–	2,1		9,5	860
Бутан	ГВС	58	1,328	3,13	2,57	1,8		9,1	860
Гексан	ПВС	86	1,340	2,16	1,98	1,2		7,5	865
Ацетилен	ГВС	26	1,278	7,75	–	2,5		81	1030
Этилен	ГВС	28	1,285	6,54	9,7	3,0		32	886
Пропилен	ГВС	42	1,314	4,46	3,32	2,2		10,3	648
Бензол	ПВС	78	1,350	2,84	–	1,4		7,1	900
Толуол	ПВС	92	1,350	2,23	–	1,3		6,7	634
Циклогексан	ПВС	84	1,340	2,28	–	1,2		10,6	858
Ацетон	ПВС	42	1,210	4,99	–	2,2		13,0	893
Аммиак	ГВС	17	1,180	19,72	–	15		28	600
Окисьуглерод	ГВС	28	1,280	29,59	–	12,5		74	730
Винилхлорид	ГВС	62,5	1,40	7,75	–	–		–	820

18

1.3. Краткий анализ аварийных ситуаций

Аварийные ситуации, связанные с утечкой горючих веществ происходят ежедневно и повсеместно. Естественно, что не все аварийные выбросы заканчиваются взрывами. В главе 1.2 было подробно описано, что для процесса взрывного горения необходимо создать необходимые начальные условия. В

качестве подтверждения данных теоретические выкладок ниже приведён краткий анализ аварийных ситуаций.

8 августа 2014г. примерно в 18:15 в центре г. Махачкала на перекрестке проспектов Шамиля и Акушинского произошла аварийная ситуация, связанная с утечкой пропана на АЗС. Взрыв пропановоздушной смеси произошёл после утечки и формирования взрывоопасной зоны. Утечка возникла из-за разгерметизации автоцистерны с газом, находившейся на территории АЗС.

Причиной возгорания пропановоздушной смеси, на мой взгляд, послужил припаркованный автомобиль с работающим двигателем. На рисунке 1.3.1

представлено начало аварийного выброса.

Рисунок 1.3.1 – Утечка пропана в атмосферу, формирование взрывоопасной зоны

На рисунке 1.3.2 указан момент воспламенения пропановоздушной смеси – начало аварийного выброса. Отчётливо виден фронт пламени и выгорание

19

«блиновидного очага» взрывоопасной смеси, что характерно для «тяжёлых» горючих газов [61].

Рисунок 1.3.2 – Момент воспламенения взрывоопасной смеси и начало распространения пламени взрывного горения

На рисунке 1.3.3 изображена кульминация аварии – полное сгорание всей взрывоопасной смеси.

Рисунок 1.3.3 – Полное сгорание всей взрывоопасной смеси, максимальный размер огненного шара

20

А ведь данная аварийная ситуация могла развиваться и по другому сценарию. Допустим, что взрывоопасная смесь не «нашла» достаточный источник воспламенения, тогда она могла и дальше распространяться по прилегающей территории.

Одним из ярких примеров аварий, возникших по причине «человеческого фактора», является взрыв, произошедший 07 февраля 2014 в 07:15 на газонаполнительной станции [50] по адресу: Вологодская обл., п. Чагода, ул.

Советская, д. 25. Ситуационный план объекта представлен на рисунке 1.3.4

Рисунок 1.3.4 – Ситуационный план расположения объекта (1,2,3-места нахождения пострадавших после взрыва)

Причиной взрыва явилась утечка пропан-бутана через фланец на заднем торце цистерны. Об этом свидетельствовал факел пламени газа, который продолжал вытекать и после взрыва. Взрыв произошел утром, а цистерна была поставлена в гаражный бокс накануне - около восьми часов вечера. Таким образом, утечка газа в бокс продолжалась около 11 часов. Источником воспламенения явилась электрическая искра от выключателя.

На рисунке 1.3.5 представлены последствия аварийного взрыва.