автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка поражающих факторов пожара разлития методом математического моделирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ -V

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 614.824.001.573

Решетников Антон Викторович

ОЦЕНКА ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА РАЗЛИТИЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.26.03 -"Пожарная и промышленная безопасность (металлургия)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

в*

Работа выполнена на кафедре "Безопасность жизнедеятельности" Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Ведущая организация: ФГУ "Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны" (ВНИИПО).

Защита состоится декабря 2003 г. в ^ ч. на заседании

диссертационного совета № Д.212.132.04 при Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу: 117936, ГСП-1, Москва, Ленинский просп., д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Автореферат разослан ноября 2003 г.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Мастрюков Б.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Арутюнов В. А. кандидат физико-математических наук доцент Мартынюк В.Ф.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н. профессор

Муравьев В. А.

\jo4z.

Общая характеристика работы

3

Актуальность проблемы. В настоящее время в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция к росту числа техногенных чрезвычайных ситуаций, имеющих тяжелые последствия. Это обусловлено преимущественным использованием технологий наземного хранения токсичных и пожаровзрывоопасных веществ, постоянно возрастающими объемами их транспортировки, ростом износа основных производственных фондов, увеличением количества стихийных бедствий и террористических актов. Ущерб, наносимый чрезвычайными ситуациями, существенно ухудшает экономическое положение страны.

На предприятиях России производятся, применяются, хранятся и транспортируются большие объемы разнообразных горючих жидкостей, прежде всего углеводородных топлив. Резервуарные парки предприятий часто находятся вблизи селитебных территорий и представляют собой источники потенциальной опасности для населения.

Одним из наиболее распространенных источников чрезвычайной ситуации в промышленности является пожар разлития, который может произойти в результате полного или частичного разрушения резервуаров или технологического оборудования, приведшего к образованию пролива горючих жидкостей, при наличии источников зажигания. Пожар разлития отличается весьма сложным характером, зачастую большими масштабами и имеет склонность к распространению на близлежащие территории. Пожары разлития на производственных объектах наносят как большой материальный ущерб, так и ущерб жизни и здоровью людей.

Невозможность отказаться от большинства потенциально опасных технологий и существенно сократить объемы использования горючих жидкостей обуславливает необходимость развития новых подходов к обеспечению промышленной безопасности. Все большее распространение получает подход, основанный на управлении риском. Основой данного подхода является количественная оценка потенциальной опасности промышленного объекта. Для этого необходимо знать, в первую очередь, пространственно-временное распределение поражающих факторов, основными из которых в случае пожара разлития являются термическое воздействие излучения и воздействие открытого пламени.

Специфика оценки потенциальной опасности промышленных объектов состоит в весьма ограниченном использовании экспериментальных методов оценки последствий чрезвычайных ситуаций. Ввиду сложности и опасности проведения масштабных физических

проведения подобных исследований является численное моделирование с применением специально разработанных математических моделей.

Моделирование распределения характеристик поражающих факторов в пространстве и во времени является весьма сложной задачей. Для оценки термического воздействия источника чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду существует немало наработанных, а иногда и нормированных методик. Однако в большинстве из них используются многочисленные упрощения либо допущения, поэтому их применимость существенно ограничена. Подобные недостатки приводят к заметному снижению точности полученных результатов. В случае пожара разлития ни одна из существующих математических моделей пожаров разлития не учитывает в полной мере такие немаловажные явления, как существенная связь между поражающими факторами, составом горящей жидкости и условиями окружающей среды. Не учитываются эти явления и в используемых в настоящее время нормативных документах, что не позволяет точно оценить последствия пожара разлития.

Прежде всего это выражается в недостаточном учете особенностей горения жидкостей сложного состава, изменяющегося в процессе горения; влияния на пространственное распределение поражающих факторов пожара метеорологических условий, а также в упрощенном представлении структуры пламени пожара и зависимостей основных его характеристик от условий протекания процесса.

Сказанное выше обуславливает актуальность дальнейшего исследования пожаров разлития с целью нахождения закономерностей пространственно-временного распределения основных поражающих факторов и их характеристик в зависимости от состава горящего вещества, условий горения и параметров окружающей среды.

Целью диссертационной работы является снижение опасности поражения персонала и технологических объектов поражающими факторами пожара разлития в результате учета зависимостей пространственно-временного распределения последних от состава горящей жидкости, условий горения и параметров окружающей среды.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1 .Разработать математическую модель, адекватно описывающую физические, химические и физико-химические процессы, происходящие при пожаре разлития, и провести с ее использованием численные эксперименты с целью определения основных характеристик пожара разлития.

2.Выбрать и применить методы количественной оценки вероятности поражения населения, персонала и объектов поражающими факторами пожара разлития.

3.Провести количественные оценки последствий пожара разлития на примере наиболее характерных промышленных предприятий (коксохимического производства металлургического комбината ОАО "НЛМК" и нефтебазы морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума").

Методом решения большинства поставленных в работе задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на компьютере с использованием программного комплекса Майетайса 4.1. Для определения количественных характеристик поражения людей и объектов в зависимости от величин, характеризующих интенсивность воздействия поражающих факторов, использовали вероятностный метод. Проверку адекватности модели осуществляли путем сопоставления результатов расчета с опубликованными данными натурных и лабораторных экспериментов.

Научная новизна результатов исследования состоит в том, что: -разработана математическая модель пожара разлития углеводородной жидкости, с достаточной полнотой и адекватностью учитывающая особенности горения жидкостей сложного состава и изменение последнего при горении, а также учитывающая неоднородное пространственное распределение характеристик пламени;

-исследована зависимость основных характеристик пожара разлития от его геометрических параметров;

-выявлена степень влияния параметров окружающей среды на характеристики поражающих факторов пожара разлития;

-получены расчетные данные по пространственно-временным характеристикам поражающих факторов пожара разлития при различных состояниях окружающей среды в условиях реальной производственной площадки;

-оценены последствия аварий, связанных с пожарами разлития, с учетом характерных особенностей пожаров разлития;

-получены зависимости, позволяющие производить оценку последствий пожаров разлития ряда углеводородных жидкостей.

Достоверность полученных выводов и обоснованность рекомендаций обусловлена использованием современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения и переноса физических свойств и субстанций, а

также удовлетворительным согласованием полученных расчетных результатов и имеющихся экспериментальных данных.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная модель позволяет проводить количественную оценку потенциальной опасности и риска для населения и персонала последствий пожаров разлития с учетом их характерных особенностей, что будет способствовать их предупреждению и уменьшению негативных последствий. На основании полученных данных разработан ряд рекомендаций по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Разработаны зависимости, позволяющие производить оценку термического воздействия пожаров разлития некоторых углеводородных жидкостей и их последствий. Результаты исследований использовались для оценки ущерба от пожаров разлития и анализа риска на промышленных предприятиях (на примере ОАО "HJIMK" и "Каспийского трубопроводного консорциума"), а также в учебном процессе при чтении курсов "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" и "Системный анализ и моделирование процессов в техносфере".

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на 5-й международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 2001 г.), 6-й международной научно-практической конференции "Пожаро-взрывобезопасность и системы управления промышленной безопасностью и охраной труда в металлургии" (Череповец, 2001 г), международной научно-практической конференции "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале 21 века" (Москва, 2002 г.), 6-й международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 2003 г.), международном семинаре "Промышленная безопасность коксохимического производства" (Москва, 2003 г.), 7-й международной научно-практической конференции "Проблемы промышленной безопасности и охраны труда в металлургии" (Москва, 2003 г.), а также на семинарах и заседаниях кафедры безопасности жизнедеятельности МГИСиС (ТУ). По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структуре и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 127 стр. машинописного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 111 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи и методика намеченных исследований.

В первой главе изложены вопросы, относящиеся к исследованию характеристик пожаров разлития различных углеводородных жидкостей. Глава носит обзорный характер и включает рассмотрение подходов к решению задачи определения характеристик пожаров разлития, а также результатов проведенных экспериментальных исследований. Обсуждаются основные сценарии развития аварий, связанных с возникновением пожаров разлития. Рассматриваются особенности горения неглубоких проливов углеводородных жидкостей, влияние на его параметры геометрических характеристик пролива и условий окружающей среды. Производится анализ существующих моделей, служащих для оценки характеристик пожаров разлития. Особое внимание уделено исследованиям параметров пожаров разлития с помощью крупномасштабных физических экспериментов.

На основании анализа литературных данных и поставленной цели определены задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработана математическая модель пожара разлития углеводородной жидкости.

В разработанной модели пламя пожара разлития рассматривается как турбулентная осесимметричная струя. Зона горения представляется в виде эллипсоидной поверхности (фронта горения) с координатами, являющимися функциями характеристик жидкости и условий горения, а зоной, определяющей излучение пламени, является пространство между фронтом горения и внешней поверхностью струи. Структура пламени изображена на рис.1.

подложка

Рис.1. Структура турбулентного диффузионного пламени. При описании структуры пламя было условно разбито на две части -верхнюю и нижнюю (в которой существует зона, занимаемая парами жидкости). Их границей служит плоскость, проходящая параллельно

Ь

верхняя часть

нижняя часть

Жидкость

поверхности жидкости через точку, являющуюся максимумом вертикальной координаты фронта горения (вершиной эллипсоидной поверхности). В модели использованы следующие основные допущения:

-процесс горения рассматривается как квазистационарный; -для расчета характеристик пламени и его радиационного теплообмена с окружающей средой область решения задачи разбивалась на определенное количество участков, в пределах которых значения различных параметров считались одинаковыми;

-температура слоя жидкости и верхнего слоя подложки в каждый момент времени считается одинаковой; вертикальные градиенты температур отсутствуют; явления, связанные с образованием гомотермического слоя, не учитываются;

-не учитывается влияние на процессы теплообмена обвалования или естественных границ пролива;

-учитывается излучение только частиц сажи; -поле скоростей в струе считается однородным;

-концентрационные поля в нижней части пламени, в которой толщина излучающего слоя относительно мала, считаются однородными, численные значения концентраций частиц сажи считаются равными таковым во фронте горения; в других частях пламени средняя концентрация частиц сажи считается равной половине таковой на оси пламени;

-при определении геометрических параметров факела не учитывается перемещение поверхности жидкости, вызываемое выгоранием конечной массы вещества.

Плотность теплового потока собственного излучения зоны пламени ql, Вт/м2, толщиной / на определенной высоте Ь, м, можно определить по формуле

Я, = г • <т0 • ГЛ4 • ехр[- 0.5 • 10й • к, ■ Мн ■ /], (1)

где е - степень черноты пламени; <т0 = 5.67-10"8 - постоянная Стефана-

Больцмана, Вт/(м2-К4); Ть - температура центральной части пламени на расстоянии Ь от поверхности жидкости, К; к, - коэффициент "дымовой

блокады", характеризующий поглощение излучения пламени частицами сажи, м2/кг; цк - концентрация сажистых частиц на оси пламени на

расстоянии 11 от поверхности жидкости, кг/м3; /- ширина излучающей зоны пламени (/„ или /у для нижней или верхней части пламени), м;

Тк = Г, + (7> - Г, )• (х + р)- ехр[*, • к], (2)

где Г, - температура воздуха, К; т) - температура на фронте горения, К; р - показатель, характеризующий интенсивность испарения жидкости; к, -

показатель, характеризующий распределение концентрации и температур в газовой фазе;

-Тг

I)

/(1+/?),

(3)

где Т2 - температура жидкости,К; 0 - отношение стехиометрического коэффициента О к массовой доле кислорода в воздухе С*.

9 =

0.

с,-Г, '

(4)

где 0.н- низшая удельная теплота сгорания жидкости, Дж/кг; с, -удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-К);

-Ъ

Л-Г,

(5)

где у/ - показатель асимптоты уравнения, связывающего давление и температуру пара на границе раздела фаз; Ь - удельная теплота парообразования жидкости, Дж/моль; /? - универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль-К);

[ЩЕК (6)

где ас - эффективный объемный коэффициент переноса вещества, кг/(м3-с), р, - плотность воздуха, кг/м3; В - коэффициент диффузии,

м2/с;

8 -д-Р

<зI2 '

(7)

где (1 - диаметр пролива, м.

Коэффициент диффузии £> учитывает как турбулентный, так и молекулярный перенос вещества.

Зависимости, характеризующие распределение концентраций сажистых частиц по высоте пламени, были получены на основе экспериментальных данных. Для углеводородов со значениями С/Н от 5 до 7 , т.е. для нефти и ее составляющих, может применяться формула

0.932 + 15.504-1 ^-58.990^^ +68.089-^^ -25.408

Л

где ¡л - концентрация частиц сажи в зоне фронта горения, кг/м". Аналогично, для углеводородов бензольного ряда

Мн =м-

0.846 + 39.907

М 89.401-Г—Т+54.862-Г—Т-4.983 ^ ^

Н

н

н

н

м =

0.125-5

(8)

(9)

(Ю)

где ег - степень черноты в зоне фронта горения; Я - высота пламени, м.

е,=\- ехр[- 0.03 • (С/Н) ■ й • (0.0016 • 7} - 0.5)].

(И)

Используемые в выражении (1) величины в и I для различных частей пламени определяются из выражений:

ширина излучающей зоны в нижней части пламени на высоте /г, м

/„ = 0.5-4+0.22-Л-0.5-Л- 1-К, (12)

11 А;

где !г1 - максимум вертикальной координаты фронта горения (вершина эллипсоидной поверхности), м, определяется по формуле:

Л/^.1п(,+Л.1ШЗЕ3, (13)

ширина излучающей зоны в верхней части пламени на высоте к, м /„=0.5-Л+0.22-Л, (14)

степень черноты излучающей зоны в нижней части пламени е„ =1-ехр[-0.25-10б •//•/„], (15)

степень черноты излучающей зоны в верхней части пламени

е„ =1—ехр[—0.125-106 •//•/,.], (16)

Высота пламени и угол его наклона при наличии ветра определяются по эмпирическим соотношениям. Скорость выгорания жидкости рассчитывается с учетом влияния ветра. Прогрев слоя жидкости за определенное время рассчитывается, исходя из условий теплового баланса.

Для рассмотрения особенностей изменения поражающих факторов пожара разлития при горении полифракционной углеводородной жидкости, в частности, нефти, в математическую модель включены зависимости, характеризующие изменение ее свойств по мере выгорания. Для этого было использовано предположение о том, что в каждый момент времени, которому соответствует определенная температура слоя жидкости Тг, происходит испарение определенной фракции нефти с соответствующими физическими и химическими характеристиками. В соответствие с этим модель была дополнена формулами, связывающими эти характеристики с величиной Т2.

Расчет параметров пожара разлития при горении нефти производился с использованием интервалов времени, за каждый из которых вследствие теплообмена между жидкостью, пламенем и подложкой происходило изменение температуры жидкости на определенную величину. На следующем шаге расчет повторялся с использованием параметров, характеризовавших состав нефти на данном этапе.

Для оценки воздействия на объект, находящийся на некотором расстоянии от пламени, теплового излучения пламени необходимо определить значение величины плотности падающего на него теплового потока излучения. Ввиду неравномерности распределения радиационных характеристик по высоте пламени последнее условно разбивалось на

некоторое количество частей, каждая из которых представлялась в виде наклонного цилиндра; по соответствующим зависимостям рассчитывались угловые коэффициенты излучения с боковых площадок на поверхностях цилиндров на расположенную на уровне грунта единичную площадку. Плотность теплового потока, падающего на указанную площадку, находилась как сумма произведений угловых коэффициентов излучения и соответствующих им значений поверхностных плотностей собственного излучения пламени с учетом поглощения части излучения находящимися в атмосфере парами воды и углекислого газа.

Вычислительные процедуры по данной математической модели осуществляли с использованием программного комплекса МаЛетайса 4.1.

Проверку адекватности модели осуществляли путем сравнения результатов расчетов параметров пожара разлития с данными крупномасштабных физических экспериментов, приведенными в литературных источниках. Было произведено сравнение распределения величин плотности потока собственного излучения ц по высоте пламени нефти диаметром 3.05 м; величин плотностей тепловых потоков, падающих на вертикально расположенную площадку на определенном удалении от пламени для случаев горения сырой нефти и керосина при диаметрах пролива 10-50 м; изменения величин плотности потока теплового излучения пламени при выгорании нефти в резервуаре диаметром 10 м, падающего на вертикально расположенную единичную площадку на определенном расстоянии от центра пролива. При расчетах были использованы те же значения параметров окружающей среды, что и при проведении физических экспериментов.

Полученные с использованием данной модели расчетные данные вполне удовлетворительно совпадают с данными крупномасштабных физических экспериментов, что подтверждает адекватность модели.

В третьей главе проводится исследование влияния на характеристики пожара разлития углеводородной жидкости геометрических характеристик пролива, изменения состава полифракционной жидкости при выгорании и условий окружающей среды.

При проведении расчетов в качестве коэффициента "дымовой блокады" в формуле (1) использовалось значение к5 = 0.008 м2/кг, при котором расчетные данные хорошо совпадают с экспериментальными, а в качестве подложки рассматривался глинистый грунт низкой влажности. Были проведены расчеты характеристик пламен бензина, керосина, мазута, бензола и толуола, а также сырой нефти в процессе ее выгорания.

При исследовании зависимости характеристик пожаров разлития от диаметра пролива было выявлено, что высота пламени (приведенная к

диаметру пролива) для всех жидкостей убывает с увеличением диаметра пролива; наибольшие ее значения наблюдаются у пламени бензина, наименьшие - у мазута. Значения максимума вертикальной координаты фронта горения (приведенные к высоте пламени) возрастают по мере увеличения размеров пролива и уменьшаются при уменьшении скорости выгорания жидкости и ее способности к испарению.

Рис.2. Распределение величин я по высоте пламени при горении проливов бензина различных диаметров (1-10 м, 2-30 м, 3-50м, 4-70 м).

Рис.3.Распределение величин ц по высоте пламени при горении проливов мазута различных диаметров (1-10 м, 2-30 м, 3-50м, 4-70 м).

Были получены распределения значений плотности теплового потока собственного излучения пламени q по его высоте для пламен различных жидкостей при различных диаметрах пролива. Некоторые результаты приведены на рис.2-3.

Во всех рассмотренных случаях выявлена существенная неоднородность распределения величин ц по высоте пламени. Наибольшие значения я характерны для нижней части пламени (1к0.4Н), а в расположенных выше зонах пламени значения даже наибольшие значения q во много раз меньше. Наблюдается резкое возрастание величин q в зоне от основания пламени до отметок (0.1...0.2-Н), далее следует не менее резкое уменьшение величин 9 вплоть до отметки 0.4-Н, которое сменяется » медленным уменьшением в верхней части пламени. Зона максимальных

значений я снижается от (0.17...0.23)Н у бензина и керосина до (0.06...0.12)Н у мазута, бензола и толуола, что, очевидно, связано с , наблюдающимся снижением величины у жидкостей с высокой плотностью

и относительно низкой удельной теплотой сгорания, характеризующихся низкой интенсивностью испарения.

При рассмотрении зависимости распределений q от диаметра пролива следует отметить имеющее место при увеличении диаметра возрастание значений q в нижней части пламени, особенно выраженное у бензина, керосина и мазута в диапазоне диаметров 10-30 м. В меньших масштабах аналогичное явление наблюдается у указанных жидкостей в верхней части пламени при Ь=(0.7....0.9)-Н. Это может быть объяснено тем, что в данных зонах пламени наиболее проявляется влияние на формирование значений q нарастания толщины излучающего слоя, а поглощение излучения частицами сажи, концентрации которых здесь относительно невелики, играет меньшую роль. В средней же части пламени, при значениях Ь=(0.4...0.7)-Н, ( наблюдается заметное падение величин д при увеличении диаметра пролива.

Особенно данная тенденция выражена у бензола, толуола и мазута при больших диаметрах пролива. Таким образом, в данной части пламени, где концентрации частиц сажи являются максимальными, наиболее ярко 1 проявляется эффект "дымовой блокады". В меньших масштабах этот эффект

заметен и в нижней части пламени рассмотренных пламен при больших диаметрах.

Результаты расчетов плотности теплового потока излучения пламени, падающего на вертикально расположенную площадку единичной площади, расположенную на расстоянии х от центра пролива, показывают, что у всех рассмотренных жидкостей на приведенных к диаметру расстояниях х/с1 по мере увеличения диаметра значения q уменьшаются (рис.4-5). Данное

уменьшение имеет место во всем исследованном диапазоне диаметров (10-70м).

35000 30000 ^ 25000

? 20000 15000

10000-5000 -• 0

Д. \

\ч

-1

----2

.......3

-----4

1

1,5

2,5

Рис.4.Распределение значений я на различных расстояниях от центра пролива бензина при различных диаметрах пролива (1-10 м, 2-30 м, 3-50 м, 470 м).

7000

6000 -К

5000

У 4000--

3000 2000 1000 0

\

\

хд

¡ЙДЯВЯЖЯ

1,5

2,5

М

Рис.5.Распределение значений я на различных расстояниях от центра пролива бензола при различных диаметрах пролива (1-10 м, 2-30 м, 3-50 м, 470 м).

Исследование горения различных жидкостей при проливах различных диаметров позволяет сделать вывод, что характеристики основного поражающего фактора пожара - теплового излучения пламени -

существенно изменяются при изменении размера пролива для всех разновидностей жидкости.

Были проведены численные эксперименты для исследования изменения характеристик пожаров разлития жидкостей сложного состава. Было рассмотрено горение нефти массой 20-970 т в проливах диаметром 1070 м, при начальной толщине ее слоя 0.364 м. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что значимые характеристики пожара разлития нефти существенно изменяются в процессе ее выгорания.

Высота пламени по мере выгорания нефти уменьшается, что объясняется уменьшением скорости выгорания жидкости по мере изменения состава горящих фракций, увеличения их удельной теплоты парообразования 1 и уменьшения удельной теплоты сгорания. Наиболее интенсивно эти

изменения происходят в начальный период горения нефти, когда происходит выгорание бензиновых и керосиновых фракций. С тем же явлением связано и «, уменьшение температуры пламени. Прогрев слоя нефти наиболее интенсивен

в начале процесса, затем скорость прогрева заметно уменьшается, несмотря на уменьшение толщины слоя вследствие выгорания. Это связано с быстрым уменьшением величины теплового потока от пламени к поверхности жидкости, связанным с падением температуры пламени. За пределами начального периода характеристики процесса изменяются медленно, что связано с выгоранием более однородной мазутной составляющей нефти.

Соответственно происходит и изменение величин плотности теплового потока излучения пламени (рис.6).

I

250000

200000 - -

--2 ..з

.-4

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 ЮН

Рис.б.Распределения величин плотности теплового потока излучения по высоте пламени нефти в различные моменты горения для пролива диаметром 70 м (1-0 с, 2-360 с, 3-720 с, 4-1080 с).

Из приведенных графиков видно, что значения величин плотности теплового потока собственного излучения пламени во всех его частях быстро убывают по мере изменения состава нефти. В течение относительно небольшого промежутка времени значения я уменьшаются в несколько раз.

Аналогично отмечается и изменение величин плотности теплового потока излучения пламени нефти, падающего на единичную вертикальную площадку на различных расстояниях от центра пролива (рис.7). Наиболее резкое падение плотности потока излучения происходит в интервале, соответствующем переходу от горения керосиновых фракций к горению мазутных.

25000

20000

« 15000 2 £

сг 10000

5000

\

\

Д.

Т^Иъд

1,5 2

м

2,5

4

Рис.7.Изменение распределения величин ч пламени нефти, падающего на единичную вертикальную площадку на различных расстояниях от центра пролива, в процессе ее выгорания для пролива диаметром 70 м (1-0 с, 2-360 с, 3-720 с, 4-Ю80 с, 5-1440 с).

Для изучения влияния метеорологических условий на значения поражающих факторов пожара разлития были проведены численные эксперименты по определению характеристик горения различных жидкостей при различных вариантах метеорологических условий (ВМУ) (Ту, -температура подложки, К; со - относительная влажность воздуха, %; ра-

атмосферное давление, Па; V - скорость ветра, м/с). Параметры рассмотренных вариантов приведены в табл.1.

Рассмотрено горение бензина и бензола массой 20-970 т в проливах диаметром 10-70 м, при начальной толщине слоя соответственно 0.364 и 0.290 м.

Повышенная или пониженная температура воздуха (ВМУ №4,5) приводят соответственно к увеличению или уменьшению значений q в

различных зонах пламени. При изменении температуры в пределах 258-308К изменение я составило около 10%.

Таблица 1

Варианты метеорологических условий, использованные при расчетах параметров пожаров разлития.____

ВМУ т„к т2,к со, % ра. кПа V, м/с

1 293 293 76 101.3 0

2 293 293 25 101.3 0

3 293 293 95 101.3 0

4 258 258 76 101.3 0

5 308 308 76 101.3 0

6 293 293 76 93.3 0

7 293 293 76 101.3 5

Влияние температуры воздуха на характеристики излучения пламени объясняется прежде всего увеличением (при понижении температуры) или уменьшением (при повышении температуры) потери тепла пламенем в результате смешения струи с окружающей средой. В соответствие с изменением распределения значений я по высоте пламени изменяется и величина плотности теплового потока излучения, падающего на рассматриваемую площадку. Так, при горении пролива бензина диаметром 10 м значения плотности падающего теплового потока на вертикальную единичную площадку, расположенную на расстоянии 10 м от центра пролива, изменяются от 28582 Вт/м2 при 258 К до 32995 Вт/м2 при 308 К; при горении такого же пролива бензола при аналогичных температурах они изменяются от 5542 Вт/м2 до 6453 Вт/м2.

Исследовано влияние на характеристики излучения пламен изменения атмосферного давления. При его понижении по сравнению с обычными значениями (ВМУ № 6) наблюдается снижение значений я (в рассмотренных пределах - около 10-15%). Это может быть объяснено прежде всего снижением массовой концентрации кислорода в воздушной среде и вызванным этим уменьшением температуры пламени. Кроме того, при понижении атмосферного давления снижается высота пламени (вследствие уменьшения скорости выгорания).

Заметно большее, чем рассмотренные выше параметры, влияние оказывает на характеристики пожара разлития изменение содержания паров воды в атмосфере, т.е. относительная влажность воздуха (ВМУ №2-3). Изменение распределений величин я пламени бензина при проливе диаметром 70 м, падающего на единичную вертикальную площадку на различных расстояниях от центра пролива, приведено на рис.8.

Рис.8.Изменение распределения величин q пламени бензина, падающего на единичную вертикальную площадку на различных ^

расстояниях от центра пролива, для различных ВМУ (обозначены соответствующими цифрами) для пролива диаметром 70 м.

250000

1,5

2,5

ш

t

Рис.9.Изменение распределения величин я пламен бензина и бензола, падающего на единичную вертикальную площадку на различных расстояниях от центра пролива (с подветренной стороны), для различных ВМУ для пролива диаметром 10 м (1-бензин, ВМУ№1, 2-бензин, ВМУ№7, 3-бензол, ВМУ№1,4-бензол, ВМУ№7).

При уменьшении относительной влажности воздуха вследствие уменьшения поглощательной способности воздушной среды величины я

возрастают, при увеличении же ее убывают. Наиболее выражено это явление на больших расстояниях от пламени.

Так, при горении бензина с диаметром пролива 70 м на расстоянии 70 м от центра пролива величина q изменяется от 24709 Вт/м2 при со=25% до 17420 Вт/м2 при со=95%. Соответственно, на расстоянии 105 м величины q равны 4978 и 3141 Вт/м2. На больших дистанциях от центра пролива (x/d=2.5 и более) разница в значениях q может превышать два раза.

Среди факторов окружающей среды наибольшее влияние на характеристики поражающих факторов пожара оказывает ветер. Влияние для ветра умеренной силы (скоростью 5 м/с) проиллюстрировано на рис.9. С подветренной стороны значения плотности падающего теплового потока i> излучения увеличиваются в несколько раз. Данное увеличение заметно как

вблизи пламени, так и на значительном удалении от него. Столь сильное влияние ветра вызвано увеличением длины пламени и его наклоном, что заметно увеличивает значения угловых коэффициентов излучения, а также, приближая элементы пламени к облучаемой площадке, уменьшает потери в атмосфере.

Таким образом, среди метеорологических параметров, оказывающих влияние на параметры пожара разлития, наиболее важны наличие и скорость ветра, а также значения относительной влажности воздуха. Определенное влияние, которое также следует учитывать, оказывают значение температуры воздуха и атмосферного давления. Для точной оценки воздействия пожара разлития на людей и объекты необходимо учитывать все вышеперечисленные факторы в их сочетаниях.

В четвертой главе проводится анализ последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Т.к. эффект поражения носит вероятностный характер (одна и та же поглощенная доза негативного воздействия может вызвать последствия разной тяжести у людей и однородных объектов), то с использованием полученных данных о пространственно-временном распределении физических характеристик пожара разлития (значений q) могут быть определены размеры зон поражения тепловым излучением с определенной вероятностью тех или иных последствий. Оценка воздействия открытого пламени может быть проведена с использованием его геометрических характеристик.

Для сравнения результатов, полученных с использованием модели, с результатами расчетов по другим методикам, характеристики пожара разлития были рассчитаны по методике НПБ 105-03 "Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности", а также по методике РАО "ГАЗПРОМ", предназначенной для расчета характеристик горения сжиженных газов и нефтепродуктов. Эти

методики имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих достаточно точно оценивать параметры пожара разлития.

Так, нормированная методика НПБ 105-03 не учитывает существенную неоднородность распределения характеристик по высоте пламени; не позволяет в полной мере учесть взаимное расположение пламени и объекта; недостаточно учитывает влияние на величины, характеризующие излучение пламени, диаметра пролива; рассматривает нефть как монофракционная жидкость и не учитывает изменение ее свойств в процессе выгорания и вызванное этим изменение величин плотности теплового потока излучения, падающего на объекты; при определении толщины слоя прохождения излучения через атмосферу не учитывает различные значения данной величины для различных элементов пламени; не учитывает зависимость коэффициента поглощения излучения в атмосфере от толщины слоя прохождения излучения и от метеорологических параметров; также не учитывается существенное влияние на характеристики пожара разлития наличия ветра.

Разработанная математическая модель пожара разлития позволяет учесть вышеперечисленные явления.

Проведен анализ последствий пожара разлития при разрушении резервуара с 70550 т нефти на нефтебазе морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума". Величина эквивалентного диаметра пролива в соответствие со структурой обвалования составила 225.67 м. Были произведены несколько вариантов расчетов с использованием различных ВМУ (1: Т,=ТУ=293К, р„=101.3 кПа, со=76%; 2: Т1=Т7=273К, р„= 98.6 кПа, ш=95%; 3: Т,=Т2=308К, />„=101.3 кПа, ш=30%).

В табл.2 приведены радиусы зон, м, соответствующих различным уровням поражения людей и объектов для упомянутых методик, а также рассчитанные с использованием модели, при различных ЙМУ в различные моменты горения.

Таблица 2

Радиусы зон, соответствующих различным степеням поражения людей и объектов, рассчитанные по различным методикам.__

Я,кВт/м2 НПБ 105-03 Газпром ВМУ ,1=0 ВМУ ,1=10800 с

1 2 3 1 2 3

37 118 125 192 185 210 117 115 120

12 144 225 246 230 278 153 147 158

4 168 248 293 271 340 192 181 199

Полученные с использованием модели величины радиусов зон, соответствующих различным степеням поражения, отличаются от

полученных с использованием разработанных ранее методик. В начальный период горения, соответствующий выгоранию наиболее высокоэнергетических фракций, масштабы зон поражения заметно больше определенных по нормированным методикам, а в период выгорания мазутных фракций нефти масштабы зон поражения становятся гораздо меньшими. На масштабы зон поражения существенное влияние оказывают и метеорологические условия. Аналогично изменяются значения вероятности той или иной степени поражения человека.

Проведен анализ риска смертельного термического поражения персонала при аварии, связанной с разгерметизацией резервуара с нефтью, а также оценено количество пострадавших. Установлено, что зоны с различными значениями величин, характеризующих риск поражения персонала, имеют различные масштабы при расчете с использованием разных методик. При расчетах с использованием модели масштабы зон с определенной величиной риска выше, чем при расчетах с использованием методики НПБ 105-03. Можно сделать вывод о том, что использование методики НПБ 105-03 приводит к занижению показателей потенциальной опасности и риска на промышленных объектах.

Также проведен анализ последствий пожара разлития на складе бензольных продуктов коксохимического производства ОАО "НЛМК". Были рассмотрены два сценария возможных аварий: разрушение резервуара с бензолом емкостью 400 м3 или с толуолом емкостью 400 м3 с проливом их в обвалование, возгоранием и воздействием теплового излучения пламени на соседние объекты. Воздействие открытого пламени, зона которого совпадает с территорией пролива, приведет к разрушению ряда резервуаров с различными веществами, находящихся в тех же обвалованиях, что и первоначально разрушенные. Это приведет к выбросу в окружающую среду большого количества опасных химических веществ и поступлению в очаг пожара дополнительных количеств горючих жидкостей. Воздействие теплового излучения пламени в обоих случаях приведет к разрушению части резервуаров, расположенных в соседних обвалованиях, а при наличии соответствующих метеорологических условий (прежде всего, ветра достаточной скорости в соответствующем направлении) разрушение дополнительных емкостей с горючими жидкостями приведет к распространению пожара на соседние обвалования. Проведен анализ риска смертельного термического поражения персонала при пожарах разлития на складе бензольных продуктов.

Рассмотрено совокупное воздействие на объекты и персонал различных поражающих факторов пожара разлития и установлена необходимость учета их всех при оценке потенциальной опасности и риска на производственных

объектах.

На основании полученных результатов разработаны рекомендации по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Установлена необходимость учета вышеописанных особенностей пожаров разлития при определении категорий помещений, зданий и наружных установок по пожарной опасности; проектировании объектов, на которых планируется применение и хранение больших количеств горючих жидкостей и при изучении устойчивости их функционирования; при разработке мероприятий по уменьшению пожарной опасности производств; при разработке плана тушения пожара и проведении спасательных и иных работ.

В случаях, когда существующие методики не позволяют определить значения величин плотности падающего на объекты теплового потока и масштабы зон поражения, для их определения возможно использовать предлагаемые в работе графические зависимости (для случаев горения бензола, толуола, мазута при условиях, соответствующих ВМУ №1). Одна из зависимостей изображена на рис.10.

ч-ь

1ЛЮЮЮ1ЛЮ1Л1ЛЮЮ

N СЧ N см" Г>" И Ь-" см" СУ ч-г-счсдсоо-^-тгю

х,м

Рис.10.Значения плотности теплового потока излучения пламени бензола, падающего на вертикально расположенную единичную площадку на расстоянии х от центра пролива, при различных диаметрах пролива (1-10м, 2-30м, 3-50м, 4-70м).

Основные результаты и выводы

1. Была разработана и реализована математическая модель, позволяющая оценить пространственно-временные характеристики пожара

1 23

разлития углеводородных топлив; сравнение результатов численных экспериментов с опытными данными свидетельствует об адекватности описания параметров пожаров разлития. 1 2.Результаты проведенных численных экспериментов с

■I

использованием модели позволили сделать вывод о том, что геометрические параметры пролива и структура пламени оказывают заметное влияние на ' величины, характеризующие поражающие факторы пожара разлития.

' Установлена существенная неоднородность пространственного

I

распределения характеристик пламени.

3.Выявлено существенное уменьшение величин плотности теплового потока излучения пламени, падающего на объекты, в процессе перехода от

</ горения легких фракций нефти с высокой теплотворной способностью к

низкоэнергетическим фракциям.

4.Установлено, что многие параметры окружающей среды (наличие и к скорость ветра, температура и относительная влажность воздуха,

атмосферное давление) оказывают на величины плотности теплового потока излучения пламени, падающего на объекты, заметное влияние. Установлена необходимость учета этого влияния (особенно сочетаний метеорологических условий) при оценке ущерба от пожара разлития.

5.Проведено исследование характеристик поражающих факторов пожаров разлития на промышленных предприятиях. Установлено, что при выгорании нефти размеры зон, характеризующих вероятностные распределения тех или иных степеней поражения, существенно изменяются во времени; также данные размеры зависят от метеорологических условий. С применением полученных результатов была осуществлена оценка риска смертельного термического поражения персонала.

6.Выявлено, что существующие методики, используемые для ^ прогнозирования масштабов термического воздействия пожара разлития

(НПБ 105-03, методика РАО "Газпром"), не учитывают ряд характеристик пожаров разлития (неоднородность распределения параметров пламени по его высоте, явления, связанные с выгоранием жидкостей сложного состава, " влияние метеорологических условий и др.), в связи с чем результаты,

полученные с использованием разных методик, заметно различаются.

7.Предложены мероприятия по уменьшению негативных последствий пожаров разлития в промышленности. Разработаны зависимости, позволяющие оценить последствия пожаров разлития ряда жидкостей и величины их поражающих факторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Решетников A.B., Касаткин Д.А. Оценка ущерба при аварийных выбросах токсичных веществ в окружающую среду. // Тез. докл. 5-й междунар. конфер. "Новые идеи в науках о Земле" - М., 2001, т.З.- с.45.

2. Решетников A.B., Касаткин Д.А., Смирнова Т.В., Мастрюков Б.С. Применение математического моделирования для оценки последствий пожара разлития углеводородных топлив. // Тез. докл. 6-й междунар. научно-практ. конференции "Пожаро-взрывобезопасность и системы управления промышленной безопасностью и охраной труда в металлургии",- Череповец, 2001.- с.40-43.

3.Касаткин Д.А., Решетников A.B. Оценка последствий пожаров углеводородных топлив методом математического моделирования. // Матер, междунар. научно-практ. конференции "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале 21 века". - М., МГГРУ, 2002,- с.49.

4.Касаткин Д.А., Решетников A.B. Оценка риска на пожаровзрывоопасном объекте. // Матер. 6-й междунар. конфер. "Новые идеи в науках о Земле", т.З, М., 2003, с. 130.

5.Решетников A.B. Разработка математической модели пожаров разлития с целью исследования их поражающих факторов. // Матер, междунар. семинара "Промышленная безопасность коксохимического производства",-М„ 2003.- с. 127-130.

>

Формат 60 х 90 '/16 Бумага офсетная Тираж 100 экз.

Усл. п. л. 1,5 Печать офсетная Заказ 318

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 Тел.: 954-73-94, 954-19-22 ЛР №01151 от 11.07.01

P19 0 4 ?

Введение.

1 .Аналитический обзор проблемы пожаров разлития горючих жидкостей. 9 1.1.Основные особенности чрезвычайных ситуаций, вызванных возникновением пожаров разлития.

1.2.Диффузионное горение жидкостей

1.2.1 .Основные процессы тепломассообмена при пожаре разлития . 15 1.2.2,Основные характеристики пламени при горении жидкости.

1.2.3.Радиационные свойства пламени горящей жидкости.

1.2.4.Излучение пожара разлития и его воздействие на окружающие объекты.

1.3.Исследование параметров пожара разлития с помощью крупномасштабных физических экспериментов.

1.4.Постановка задачи исследования.

2.Математическая модель пожара разлития углеводородных жидкостей.

2.1 .Формулировка модели пожара разлития !.

2.2.Проверка адекватности математической модели.

3.Особенности основных характеристик поражающих факторов пожара разлития при различных условиях его протекания.

3.1.Влияние геометрических характеристик пролива на поражающие факторы пожара разлития.

3.2.Изменение характеристик поражающих факторов пожара разлития жидкости сложного состава в процессе ее выгорания.

3.3.Влияние условий окружающей среды на поражающие факторы пожара разлития.

4.Прогнозирование последствий пожаров разлития на промышленных объектах.

4.1.Анализ последствий пожара разлития на нефтебазе морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума".

4.2.Анализ последствий пожара разлития на складе бензольных продуктов коксохимического производства ОАО "HJIMK".

4.3.Совокупное действие поражающих факторов при пожаре разлития

4.4.Рекомендации по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях.

В настоящее время в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция к росту числа чрезвычайных ситуаций в промышленности, многие из которых приводят к тяжелым последствиям. Это связано с преимущественным использованием технологий наземного хранения токсичных и пожаровзрывоопасных веществ, постоянно возрастающими объемами их транспортировки, с ростом износа основных производственных фондов, увеличением количества стихийных бедствий и террористических актов. Ущерб, наносимый чрезвычайными ситуациями, существенно ухудшает экономическое положение страны.

На предприятиях России, как и в других странах, производятся и применяются, а также транспортируются большие объемы разнообразных горючих жидкостей. Прежде всего это углеводородные топлива, ежегодный объем производства которых составляет сотни миллионов тонн. На предприятиях многих отраслей промышленности, в т.ч. и в металлургии, горючие жидкости либо применяются в производственных процессах, либо являются побочным продуктом. Резервуарные парки предприятий часто находятся вблизи селитебных территорий и представляют собой источники потенциальной опасности для населения.

Одним из наиболее распространенных источников чрезвычайной ситуации в промышленности является пожар разлития. Полное или частичное разрушение резервуаров или технологического оборудования, приводящее к образованию пролива горючих жидкостей, при наличии источников зажигания может вызвать возникновение горения жидкостей. Пожар разлития отличается весьма сложным характером, зачастую большими масштабами и имеет склонность к распространению на близлежащие территории. Пожары разлития на производственных объектах наносят как большой материальный ущерб, так и ущерб жизни и здоровью людей.

Невозможность отказаться от большинства потенциально опасных технологий и существенно сократить объемы использования горючих жидкостей обуславливает необходимость развития новых подходов к обеспечению промышленной безопасности. Все большее распространение получает подход, основанный на управлении риском.

Основой данного подхода является количественная оценка потенциальной опасности промышленного объекта. Для этого необходимо знать, в первую очередь, пространственно-временное распределение поражающих факторов, основными из которых в случае пожара разлития являются термическое воздействие и воздействие открытого пламени.

Специфика оценки потенциальной опасности промышленных объектов состоит в весьма ограниченном использовании экспериментальных методов оценки последствий чрезвычайных ситуаций. Ввиду сложности и опасности проведения масштабных физических экспериментов наилучшим методом проведения подобных исследований является разработка математической модели с дальнейшим проведением с ее помощью численных экспериментов.

Моделирование распределения характеристик поражающих факторов в пространстве и во времени является весьма сложной задачей. Для оценки термического и токсического воздействия источника чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду существует немало наработанных, а иногда и нормированных методик. Однако в большинстве из них используются многочисленные упрощения либо допущения, поэтому их применимость существенно ограничена. Подобные недостатки приводят к заметному снижению точности полученных результатов. В случае пожара разлития ни одна из существующих математических моделей пожаров разлития (например, работы /1-4/) не учитывает в полной мере такие немаловажные явления, как существенная связь между поражающими факторами, составом горящей жидкости и условиями окружающей среды. Не учитываются эти явления и в используемых в настоящее время нормативных документах, что не позволяет точно оценить последствия пожара разлития.

Прежде всего это выражается в недостаточном учете особенностей горения жидкостей сложного состава, изменяющегося в процессе горения; влияния на пространственное распределение поражающих факторов пожара метеорологических условий, а также в упрощенном представлении структуры пламени пожара и зависимостей основных его характеристик от условий протекания процесса.

Сказанное выше обуславливает актуальность дальнейшего исследования пожаров разлития с целью нахождения закономерностей пространственно-временного распределения поражающих факторов и их характеристик в зависимости от химического состава горящего вещества, условий горения и параметров окружающей среды.

Целью диссертационной работы является снижение опасности поражения персонала и технологических объектов поражающими факторами пожара разлития в результате учета зависимостей пространственно-временного распределения последних от состава горящей жидкости, условий горения и параметров окружающей среды.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1 .Разработать математическую модель,' адекватно описывающую физические, химические и физико-химические процессы, происходящие при пожаре разлития, и провести с ее использованием численные эксперименты.

2.Выбрать и применить методы количественной оценки вероятности поражения населения, персонала и объектов поражающими факторами пожара разлития.

3.Провести количественные оценки последствий пожара разлития на примере наиболее характерных промышленных предприятий (коксохимического производства металлургического комбината ОАО "HJIMK" и нефтебазы морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума").

Методом решения большинства поставленных в работе задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на компьютере с использованием программного комплекса Mathematica 4.1. Для определения количественных характеристик поражения людей и объектов в зависимости от величин, характеризующих интенсивность воздействия поражающих факторов, использовали вероятностный метод. Проверку адекватности модели осуществляли путем сопоставления результатов расчета с опубликованными данными физических экспериментов.

Научная новизна результатов исследования состоит в том, что: -разработана математическая модель пожара разлития углеводородной жидкости, с достаточной полнотой и адекватностью учитывающая особенности горения жидкостей сложного состава и изменение последнего при горении, а также учитывающая неоднородное пространственное распределение характеристик пламени;

-исследована зависимость основных характеристик пожара разлития от его геометрических параметров;

-выявлена степень влияния параметров окружающей среды на характеристики поражающих факторов пожара разлития;

-получены расчетные данные по пространственно-временным характеристикам поражающих факторов пожара разлития при различных состояниях окружающей среды в условиях реальной производственной площадки;

-оценены последствия аварий, связанных с пожарами разлития, с учетом характерных особенностей пожаров разлития;

-получены зависимости, позволяющие производить оценку последствий пожаров разлития ряда углеводородных жидкостей.

Достоверность полученных выводов и обоснованность рекомендаций обусловлена использованием современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения и переноса физических свойств и субстанций, а также удовлетворительным согласованием полученных расчетных результатов и имеющихся экспериментальных данных.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная модель позволяет проводить количественную оценку потенциальной опасности и риска для населения и персонала последствий пожаров разлития с учетом их характерных особенностей, что будет способствовать их предупреждению и уменьшению негативных последствий. На основании полученных данных разработан ряд рекомендаций по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Разработаны зависимости, позволяющие производить оценку термического воздействия пожаров разлития некоторых углеводородных жидкостей и их последствий. Результаты исследований использовались для оценки ущерба от пожаров разлития и анализа риска на промышленных предприятиях (на примере ОАО "HJ1MK" и "Каспийского трубопроводного консорциума"), а также в учебном процессе при чтении курсов "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" и "Системный анализ и моделирование процессов в техносфере".

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 127 стр. машинописного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 111 наименований.

Основные результаты расчетов параметров пожара разлития нефти приведены в табл. 4.3-4.4 и на рис.4.1-4.6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.В данной работе была разработана и реализована математическая модель, позволяющая оценить пространственно-временные характеристик пожара разлития углеводородных топлив. Сравнение результатов расчета, полученных при помощи этой модели, с экспериментальными данными свидетельствует об адекватности описания распределений величин, определяющих тепловое излучение пламени, по его высоте; изменения величин плотности падающего на объекты теплового потока излучения пламени пожара разлития в зависимости от диаметра пролива и вида горючей жидкости; изменения характеристик теплового излучения пламени пожара разлития жидкости сложного состава (нефти) в процессе ее выгорания.

2.Результаты проведенных численных экспериментов с использованием модели позволили сделать вывод о том, что геометрические параметры пролива и структура пламени оказывают существенное влияние на величины, характеризующие поражающие факторы пожара разлития; также заметным является влияние поглощения части излучения пламени частицами сажи, что особенно выражено при больших диаметрах проливов у жидкостей с высоким соотношением С/Н.

3.Выявлено существенное уменьшение величин плотности теплового потока излучения пламени, падающего на объекты, в процессе перехода от горения легких фракций нефти с высокой теплотворной способностью к низкоэнергетическим фракциям.

4.Установлено, что многие параметры окружающей среды (наличие и скорость ветра, температура и относительная влажность воздуха, атмосферное давление) оказывают на величины плотности теплового потока излучения пламени, падающего на объекты, заметное влияние. Установлена необходимость учета этого влияния (особенно сочетаний метеорологических условий) при оценке ущерба от пожара разлития.

5.Проведено исследование характеристик поражающих факторов пожара разлития нефти при возможной аварии на нефтебазе морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума" и при пожаре проливов бензола и толуола на складе бензольных продуктов коксохимического производства ОАО "HJIMK". Установлено, что при выгорании нефти размеры зон, характеризующих вероятностные распределения тех или иных степеней поражения людей и объектов, существенно изменяются. Также изменяются данные размеры в зависимости от метеорологических условий, сопровождающих протекание пожара.

6.Выявлено, что существующие методики, используемые для прогнозирования масштабов термического воздействия пожара разлития, (НПБ 105-03, методика РАО "Газпром") не учитывают ряд характеристик пожаров разлития (неоднородность распределения различных параметров пламени по его высоте, явления, связанные с выгоранием жидкостей сложного состава, влияние метеорологических условий и др). В связи с этим результаты, полученные с использованием различных методик, существенно различаются.

7.0существлена оценка риска смертельного термического поражения персонала на указанных предприятиях.

8.Предложены мероприятия по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Разработаны зависимости, позволяющие оценить последствия пожаров разлития ряда жидкостей и величины их поражающих факторов.

1.Джумагалиев P.M. Закономерности распределения тепловых потоков при пожаре в резервуарном парке: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1992.24 с.

2. Гуринович Л.В. Имитационное моделирование аварий с пожарами и взрывами на объектах хранения и транспортировки сжиженных углеводородных газов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., ВНИИПО, 1995.- 23 с.

3. Лебедев А.В. Методы оценки риска аварий на объектах хранения и переработки нефти и нефтепродуктов: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1999. -24 с.

4. Huhtanen R. Oil pool fire in a large turbin hall CFD simulation. / STUK-YTO-TR 193. -Helsinki, 2002.- 38 p.

5. Сучков В.П. Актуальные проблемы обеспечения устойчивости к возникновению и развитию пожара технологий хранения нефти и нефтепродуктов.-М., ЦНИИТЭнефтехим, 1995.- 69 с.

6. Шароварников А.Ф., Молчанов В.П., Воевода С.С., Шароварников С.А. Тушение пожаров нефти и нефтепродуктов.- М., Калан, 2002. -448 с.

7. Сучков В.П. Научные основы стандартизации в области обеспечения пожарной безопасности технологий хранения нефтепродуктов: Автореф. дис. . докт. техн. наук. -М.,1997.- 48 с.

8. Розенштейн И.М. Аварии и надежность стальных резервуаров. -М., Недра, 1995.-253 с.

9. Сучков В.П., Безродный И.Ф., Вязниковцев А.В. и др. Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами. // Нефтеперераб. и нефтехим. промышл., обзор, информ.: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 1992.- Вып. 3-4.- 98 с.

10. Ю.Козлитин A.M., Попов А.И., Козлитин П.А. Анализ риска аварий с формированием гидродинамической волны прорыва на мазутныхрезервуарах ТЭЦ. // Безопасность труда в промышленности. 2003. №1. -с.26-32.

11. Справочник для руководителей нефтебаз и АЗС. / Сост. А.А. Белокуров, И.И. Коломийчук, Е.В. Белокурова. -Тюмень, Тюменский уч. центр по подготовке, переподготовке и повышению квалификации кадров, 2001.-468 с.

12. Швырков С.А., Семиков B.JL, Швырков А.Н. Анализ статистических данных разрушения резервуаров. // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях 1996. - Вып.5.-с.39-50.

13. Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. -М., Мастерство, 2003. -336 с.

14. М.Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. -М., ГУГПС-ВНИИПО-МИПБ, 2000. 79 с.

15. Ярин Л.П., Сухов Г.С. Основы теории горения двухфазных сред. -Л., Энергоатомиздат, 1987. 240 с.

16. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. -М., 1961.208 с.

17. McGrattan К.В., Baum H.R., Rehm R.G. Smoke plume trajectory from in situ burning of crude oil in Alaska. // Proc. of the 17th Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP). -Vancouver, 1994. V. 1. -p. 725-733.

18. Huhtanen R. Numerical fire modeling of a turbine hall. // Proc. of 2nd Int. Symp. for Fire Safety Science. Tokyo, 1988. - p. 771-779.

19. Baum H.R., McGrattan K.B. Simulation of large industrial outdoor fires. // Proc. of Fire Detection, Fire Extinguishment and Fire Safety Engineering NRIFD 50th Anniversary Symp. - Tokyo, 1998.- p.23-30.

20. Baum H.R., McGrattan K.B. Simulation of oil tank fires. // Proc. of 8th Int. Interflam Conf. Interflam'99. - L., 1999.- V.2. -p. 1117-1128.

21. Сухов Г.С. Тепломассоперенос при горении двухфазных сред: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук,- Тюмень, 1991.- 40с.

22. Крупкин В.Г. Критические явления при диффузионном горении: Автореф. дис. . докт. физ.-мат. наук. М., 1993.- 38 с.

23. Hamings A., Fischer S.J., Kashiwagi Т., Klassen М.Е., Gore J.P. Heat feedback to the fuel surface in pool fires. // Comb. Sci. and Technology. 1994. V.97. № 1-3.-p. 37-62.

24. Dai Z., Tseng L.-K., Faeth G.M. Mixture-fraction and velocity statistics in fully-developed plumes. // Combustion Inst.- Eastern States Section Chem. and Phys. Proc. in Comb. / Proc. of technical meeting. -Princeton, NJ, 1993.- p. 173176.

25. Zhou X.C., Gore J.P., Baum H.R. Measurement and prediction of the velocity field induced by pool fires. // Proc. of the 13th meeting of the UJNR Panel on Fire Research and Safety. -Gaithersburg, MD, 1997 . V.I.- p. 201-207.

26. Walavalkar A., Kulkarni A.K. In situ burning of water-in-oil emulsions: model results and comparison with data. // Proc. of the Annual Conf. on Fire Research, NIST.- Gaithersburg, MD, 1998.- p.29-30.

27. Hamings A., Yang J.C., Kashiwagi T. A global model for predicting the burning rates of liquid pool fires. // NISTIR 6381, NIST. -Gaithersburg, MD, 1999.-p. 1-31.

28. Вулис JI.A., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основы теории газового факела. —JL: Энергия, 1968.-204 с.

29. Вулис JI.A., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. -Л.: Энергия, 1978.- 216 с.

30. Кнорре Г.Ф. Теория топочных процессов. -М.-Л.: Энергия, 1966. -491 с.

31. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. -М: Стройиздат, 1990.-424 с.

32. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. -М.: 1959.- 334 с.

33. Алексашенко А. А., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С. Тепломассоперенос при пожаре. -М.: Стройиздат, 1982.- 175 с.

34. Грушевский Б.В., Измайлов А.С. Термические и геометрические характеристики пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. —1976. -№ 10.- с. 5-7.

35. Evans D.D., Madrzykowski D., Haynes G.D.A. Flame height and heat release rate of 1991 Kuwait oil field fires. // Proc. of the 4th Int. Symp. of Fire Safety Science.- Ottawa, 1994.-pp. 1279-1289.

36. Hamins A., Kashiwagi Т., Burch R. Characteristics of pool fire burning. // Proc. of the Fire Resistance of Industrial Fluids, ASTM.- Phil., PA, 1996.- p. 1-30.

37. Hamins A., Konishi K., Borthwick P., Kashiwagi T. Global properties of gaseous pool fires. // Proc. of the 26th Int. Symp. on Comb.- The Combustion Inst., 1996.-pp. 1429-1436.

38. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. M.-JL: ГЭИ, 1962.- 332 с. 42.0сновы практической теории горения. / Под ред. В.В. Померанцева. - JL: Энергия, 1973.- 264 с.

39. Брюханов О.Н., Мастрюков Б.С. Аэродинамика, горение и тепломассообмен при сжигании топлива: справочное пособие. -СПб.: Недра, 1994.- 317 с.

40. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов.- M.-JL, 1963.- 180 с.

41. Шурупов С.В. Закономерности образования дисперсного углерода при изотермическом пиролизе углеводородного сырья: Автореф. дис. . докт. техн. наук.- М.: ВНИИГАЗ, 2001.- 43 с.

42. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. -Л.: Химия, 1977.- 320 с.

43. K6ylii U.O., Faeth G.M. Optical properties of overfire soot in buoyant turbulent diffusion flames at long residence times. // J. of Heat Transfer. 1994. V. 116.-p.152-159.

44. Wade R.A., Sivathanu Y.R., Gore J.R. Soot volume fraction and temperature properties of high liquid loading spray flames. // Proc. of Comb. Fundamentals and Applications, Combustion Inst., Central and Western States Section., 1995.-p.791-796.

45. K6ylti U.O., Faeth G.M. Spectral extinction coefficients of soot aggregates from turbulent diffusion flames. // Combustion Inst., Eastern States Section. Proc. of the Fall Meeting.- Worcester, MA, 1995.- pp. 211-214.

46. Rushmeier H., Hamins A., Choi M.Y. Volume rendering of pool fire data. // IEEE Computer Graphics and Applications. -1995. V.15. №4.- p.62-66.

47. Krishnan S.S., Lin K.-C., Faeth G.M. Optical properties of soot in the overfire region of large buoyant turbulent diffusion flames. // Proc. of the Annual Conf. on Fire Research, NIST.- Gaithersburg, MD, 1998.- p. 29-30.

48. Blevins L.G., Mallholland G.W., Davis R.W. Carbon monoxide and soot formation in inverse diffusion flames. // Proc. of the 5th Int. Microgravity Combustion Workshop.- Cleveland, OH, 1999.- p. 1-4.

49. Шишаев С.В. Оценка склонности топлив к сажеобразованию и дымлению при горении. // Химия и технология топлив и масел.- 2002. №3.- с. 50-52.

50. Макаров А.Н. Моделирование факела излучающими цилиндрами при расчете теплообмена в печах и топках котлов. // Промышленная энергетика.-2003. №4.-c.33-39.

51. Макаров А.Н., Кривнев В.И. Расчет тепловых потоков в топке парового котла ТГМП-204. // Промышленная энергетика.- 2002. №2.- с.38-41.

52. Fuss S.P., Hamins A. An estimate of the correction applied to radiant flame measurement due to attenuation by atmospheric CO2 and H2O. // Fire Safety J. -2002. №37.-p. 181-190.

53. Modak A.T., Croce P.A. Plastic pool fires. // Comb, and Flame.- 1977. №29.-p.251-265.

54. Modak A.T. The burning of large pool fires. // Fire Safety J. 1981. №3. -p.177-184.

55. Kashef A., Benichou N., Torvi D. FIERAsystem enclosed pool fire development model: theory report. //NRC-CNRC, IRC-RR-121, 2002.- 18 p.

56. Шурайц A.Jl. Современное состояние и мероприятия по повышению промышленной безопасности технологических систем хранения сжиженных углеводородных газов. // Безопасность труда в промышленности.-, 2003. №2.-с.23-26.

57. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий./ Под ред. К.Е. Кочеткова, В.А. Котляревского, А.В. Забегаева. Кн.1. -М.: Изд-во АСВ, 1995.-320 с.

58. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. -М., 1987.- 444 с.

59. Определение безопасных расстояний от фронта пламени при тушении пожаров на открытом пространстве. М., 1989.- 51 с.

60. Fredang A., Hermansson J. Pilotskydd vid brand utredning och utveckling. / Lunds Universitetet, rapp. № 5047.- Lund, 1999.- 80 s.

61. Повзик Я.С. Справочник руководителя тушения пожара. М., Спецтехника, 2000.- 361 с.

62. Evans D.D. Large fire experiments for fire model evaluations. // Proc. of the 7th Int. Interflam Conf. L., 1996.- p. 329-334.

63. Walton W.D., Jason N.H. In situ burning of oil spills .// Workshop Proc., Nov. 2-4, 1998, New Orlean, LU / NIST Spec. Publ. № 935. Wash., DC.: U.S. Government Printing Office, 1999.- p. 55-65.

64. Qian C., Tashtoush G., Ito A., Saito K. Structure of large scale pool fires. // Proc. of the Int. Conf. on Fire Research and Engineering, 1995,Orlando. — Soc. of Fire Protection Eng.-Boston, MA, 1995.-p. 147-151.

65. Walton W.D., McElroy J., Twilley W.H., Hiltabrand R.R. Smoke measurement using a helicopter transporting sampling package. // Proc. of the 17th Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP).- Vancouver, 1994. V. 1.- p. 735-764.

66. Yang J.C., Hamins A., Kashiwagi T. Estimate of the effect of scale on radiative heat loss fraction and combustion efficiency. // Comb. Sci. and Techn. 1994. V.96. -p.183-188.

67. Evans D.D., Walton W.D., Notarianni K.A., Baum H.R., Koseki H. Large fires: burning of oil spills. // Proc. of 12th Joint Panel Meeting of the UJNR Panel on Fire Research and Safety, 1992.- Tokyo, 1994.- p.365-371.

68. Koseki H., Yumoto T. Air entrainment and thermal radiation from heptane pool fires. // Fire Technology. 1988. №24.- p.33.

69. Koseki H. Combustion properties of large liquid pool fires. // Fire Technology, 1989. №25.- p.241.

70. Koseki H., Hayasaka H. Estimation of thermal balance in heptane pool fire. //J. of Fire Sciences. 1989. №7.- p. 237.

71. Koseki H., Mulholland G.W. The effect of diameter on the burning of crude oil pool fires. // Fire Technology. 1991. № 27.- p.54.

72. Mulholland G.W., Liggett W., Koseki H. The effect of pool diameter on the properties of smoke produced by crude oil fires. // Proc. of the 26th Int. Symp. on Comb., The Combustion Institute, 1996.- p. 1445-1452.

73. Koseki H. Radiation properties and flame structure of large hydrocarbon pool fires. //Proc. of the 13th Meeting of the UJNR, Panel on Fire Research and Safety,, NIST.- Gaithersburg, MD, 1996. V.2- p.41-50.

74. Takahashi Т., Koseki H., Iwata Y. Crude oil full scale pool fire experiment in Tomakomai in 1998. // Proc. of the Annual Conf. on Fire Research, NIST.-Gaithersburg, MD, 1998.- p.91-92.

75. Решетников А.В. Разработка математической модели пожаров разлития с целью исследования их поражающих факторов. // Матер, междунар. семинара "Промышленная безопасность коксохимического производства".-М., 2003.- с. 127-130.

76. Исаев А.А. Экологическая климатология. -М.: Научный мир, 2003.- 472 с.

77. Справочник по теплообменникам. В 2-х тт. Т.2. -М.: Энергоатомиздат, 1987, Т.2. -352 с.

78. Сагадеев Е.В., Сагадеев В.В. Расчет теплот сгорания предельных углеводородов, входящих в энергетические топлива. // Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40. №4.- с.581-586.

79. Тарзиманов А.А., Юзмухаметов Ф.Д., Табитов P.P. и др. Тепло- и температуропроводность жидких ароматических углеводородов, не искаженная радиационным теплопереносом. // Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40. №4.- с.568-574.

80. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. -M.-JL: ГЭИ, 1962.- 288 с.

81. Тугунов П.И., Глазырина В.М. Необходимые для транспорта свойства газов, нефтей, нефтепродуктов и их определение. -Уфа, 1991.- 90 с.

82. Товарные нефтепродукты, свойства и применение. Справочник. -М.: Химия, 1978.- 472 с.

83. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. -JL: Недра, 1989.- 304 с.

84. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. / Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А. и др. —Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002.- 658 с.

85. Теплотехнические расчеты металлургических печей. / Гордон Я.М., Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д. и др. -М.: Металлургия, 1993.- 368 с. 98.3барский B.JL, Жилин В.Ф. Толуол и его нитропроизводные. -М.: Эдиториал УРСС, 2000.- 272 с.

86. Godard О., Henry С., Lagadec P. Traite des nouveaux risques. -P.: Gallimard, 2002.- 620 p.

87. Memento du conseiller en prevention 2001. Brux.: Ed. Kluwer, 2001.- 876 p.

88. Решетников A.B., Касаткин Д.А. Оценка ущерба при аварийных выбросах токсичных веществ в окружающую среду. // 5-я междунар. конфер. "Новые идеи в науках о Земле", тез.докл.- М., 2001, Т.З.- с.45.

89. Касаткин Д.А., Решетников А.В. Оценка риска на пожаровзрывоопасном объекте. // Матер. 6-й междунар. конфер. "Новые идеи в науках о Земле", т.З, М., 2003, с.130.

90. ЮЗ.Лисанов М.В. Анализ риска в управлении промышленной безопасностью опасных производственных объектов нефтегазового комплекса: Автореф. дис. докт. техн. наук. -М., 2002.- 52 с.

91. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. НПБ 105-03. М., 2003, с.15-27.

92. Декларация промышленной безопасности нефтепроводной системы ЗАО "Каспийский трубопроводный консорциум -Р". -М., 1998, с. 1-76.

93. Декларация безопасности склада бензольных продуктов цеха ректификации бензола. ОАО "Северсталь", 1997, с. 1-56.

94. Мастрюков Б.С., Сысоев А.А., Ястребов Г.Р. Ранжирование цехов коксохимического производства ОАО "НТМК" по степени опасности. // Матер, междунар. семинара "Промышленная безопасность коксохимического производства".- М., 2003.- с. 71-76.

95. Рудыка В.И. Основные направления по повышению уровня промышленной безопасности на коксохимических предприятиях. // Матер, междунар. семинара "Промышленная безопасность коксохимического производства".- М., 2003.- с. 98-107.

96. Ю.Мастрюков Б.С., Меркулова A.M. Моделирование токсического воздействия продуктов горения при пожаре разлития бензола. // Матер, междунар. семинара "Промышленная безопасность коксохимического производства".- М., 2003.- с.117-121.