автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Прогнозирование последствий аварий при разгерметизации резервуарного оборудования



На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЕРВУАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (в химической отрасли промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Казань 2011

з ' [.¡¿р 2СП

4841545

Работа выполнена на кафедре машин и аппаратов химических производств Казанского государственного технологического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Поникаров Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шарафиев Роберт Гарафиевич кандидат технических наук, доцент Осипова Лилия Эдуардовна

Ведущая организация: ОАО «Волжский научно-исследовательский институт углеводородного сырья» (ОАО ВНИИУС), г. Казань

Защита состоится 13 апреля 2011 г. в 15.30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседания Ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технологического университета (www.kstu.ru)

Автореферат разослан « У/

Ученый секретарь диссертационного совета

А.С.Сироткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Развитие химической, нефтехимической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, неизбежно ведет к увеличению числа стационарных объектов хранения жидких химических веществ. В связи с тем, что большой процент резервуаров уже выработали свой проектный ресурс, с кавдым годом количество аварий на резервуарах возрастает, и, несмотря на все предпринимаемые меры в области промышленной безопасности, последствия этих аварий наносят довольно существенный ущерб.

Для решения важнейшей задачи пожарной и промышленной безопасности объектов химической промышленности - уменьшение людских и материальных потерь, необходимо заранее знать возможные последствия чрезвычайных ситуаций, чтобы провести ряд мероприятий для подготовки оборудования и персонала к последствиям возможных аварий. Одной из сложнейших задач при определении последствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования, является определение зон распространения опасных веществ. Процессы, протекающие при этих авариях, характеризуются сильной нестационарностью. Помимо этого огромное влияние оказывают рельеф местности, наличие препятствий в виде технологического оборудования, зданий и сооружений.

Существующие в настоящее время методики оценки площадей разливов жидкостей при аварийных разгерметизациях резервуаров обладают целым рядом ограничений. Основу многих методик составляют аналитические модели, не учитывающие реальную физику процессов. На данный момент официально признанной методики оценки требуемых средств и сил для локализации и ликвидации аварий, связанных с разливами химических веществ, не существует. В связи с этим, с уверенностью можно сказать, что создание методики оценки последствий аварийных разливов жидких химиче-

ских веществ и расчета средств и сил для локализации и ликвидации аварий является актуальной задачей.

Цель работы

Разработка методики прогнозирования площадей разливов и построения карт разливов при разгерметизации резервуарного оборудования, позволяющей учитывать рельеф местности, а также наличие зданий, сооружений и элементов технологического оборудования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Построить модель распространения жидкости при квазимгновенной разгерметизации резервуара с учетом сложного рельефа местности и промышленной застройки.

2. Провести численные эксперименты по распространению жидкостей при наличии различного рода особенностей рельефа местности и препятствий.

3. Провести экспериментальное исследование процесса разгерметизации резервуарного оборудования, а также провести проверку адекватности предлагаемой методики на результатах экспериментов

4. Разработать методику расчета требуемого количества сил и средств для ликвидации и локализации разливов химических веществ.

Научная новизна

1. Разработана научно-обоснованная методика определения площадей проливов химических веществ и построения карт проливов при квазимгновенной разгерметизации резервуаров, включающая в себя комплекс моделей для описания процессов течения жидкости с учетом свойств веществ, сложного рельефа местности и промышленной застройки.

2. В ходе проведения физических экспериментов были получены данные, свидетельствующие о влиянии на площадь разлива и на количество жидкости, перелившейся через защитные сооружения, таких факторов как

свойств жидкости, отношения высоты столба жидкости к высоте защитного сооружения, площади разрыва резервуара, свойств подстилающей поверхности, а также угла встречи потока жидкости с защитным сооружением.

3. Разработана методика оценки эффективности удержания жидкости различными защитными сооружениями, применяемыми для ограничения площади разлива химических веществ.

Практическая значимость работы

Предлагаемая модель может использоваться при проектировании защитных сооружений для резервуарных парков, для получения оценки потенциальной опасности промышленных объектов при разработке мероприятий по защите персонала и населения, а также при разработке Планов ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, Планов ликвидации аварийных ситуаций, Деклараций промышленной и пожарной безопасности.

Результаты работы использовались при разработке планов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов для ОАО «Казаньоргси-тез».

Апробация работы и публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных трудов, из которых 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 монография.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 191 страницу, включая 22 таблицы, 95 рисунков, в т.ч. 33 в приложениях. Библиографический список использованной литературы составляет 110 наименований.

Основное содержание работы

В введении обоснована актуальность и сформулированы научная проблема, цель, научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе дан литературный обзор. Рассмотрены механизм разрушения резервуарного оборудования и методики прогнозирования последствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования.

На основании обзора делается вывод о перспективности создания методики прогнозирования последствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования, а также о необходимости проведения собственного эксперимента.

Во второй главе приведены описание экспериментальной установки, методика проведения экспериментов, результаты экспериментов, а также расчет погрешностей экспериментов.

Экспериментальная установка, имитирующая полную, квазимгновенную разгерметизацию резервуара, представляла собой модель одиночно стоящего резервуара РВС-100, окруженного защитным обвалованием (Рисунок 1).

Эксперименты проводились для трех видов жидкости - вода, глицерин и ацетон. В ходе экспериментов изменялись следующие параметры: объ-

6

ем заполнения емкости (V), расстояние от центра емкости до внутреннего откоса обвалования (Ь), высота обвалования (Ь). В процессе эксперимента измерялись объем жидкости, оставшейся в обваловании, и площадь разлива.

В третьей главе рассмотрены фундаментальные уравнения движения жидкости, позволяющие учитывать влияние на течение жидкости таких факторов как испарение и фильтрация жидкости в грунт.

Также в данной главе приводится описание численного метода решения системы дифференциальных уравнений, реализованного на ЭВМ. Для дискретизации системы дифференциальных уравнений применялся метод контрольного объема. При решении задач, поставленных в данной исследовательской работе, применялись структурированные сетки со сгущением ячеек вблизи твердой поверхности.

В четвертой главе представлены результаты проверки достоверности модели течения жидкости при авариях, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудовать, на результатах модельного и полномасштабного экспериментов, результаты моделирования аварии с полным и частичным разрушением боковых стенок резервуара в различных направлениях, оценка эффективности различных защитных сооружений, предложения по модернизации существующих защитных сооружений, а также методика оценки средств и сил требуемых для локализации и ликвидации аварийных разливов химических веществ. Результаты проверки данных модельного эксперимента представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнение результатов экспериментов и результатов моделирования данных экспериментов

№ Условия > С1 1

о § я о, а а ё ю I и е я а .э г» я о Та о

« О Р. ? « а о » к о л « | (Г К № е? § ® § 5 О и в Объем жидкости \ пившейся через о( вание, мл (расчет) Площадь разлива, (эксперимент) Площадь разлива, (расчет)

1. Жидкость - вода У=250 мл, Ь= 100мм, Ь=8мм 105 98 921 892

2. Жидкость - вода У=375 мл, Ь= 100мм, И=8мм 206 192 1441 1493

3. Жидкость - вода У=500 мл, Ь= 100мм, Ь=8мм 347 362 2657 2694

4. Жидкость - вода У=250 мл, Ь=150мм, Ь=5мм 132 141 1420 1451

5. Жидкость - вода У=375 мл, Ь=150мм, Ь=5мм 236 247 2071 2138

6. Жидкость - вода У=500 мл, Ь=150мм, Ь=5мм 355 343 2683 2716

7. Жидкость - вода У=250 мл, 150мм, Ь=8мм 46 39 1127 1147

8. Жидкость - вода У=375 мл, Ь=150мм, Ь=8мм 102 105 1407 1428

9. Жидкость - вода У=500 мл, Ь=150мм, Ь=8мм 207 211 1924 2021

10. Жидкость - глицерин У=500 мл, Ь= 100мм, Ь=8мм 163 191 934 934

11. Жидкость - ацетон У=500 мл, Ь=100мм, Ь=8мм 386 401 2903 3224

Помимо модельного эксперимента для проверки адекватности модели были привлечены данные полномасштабного эксперимента, проведенного в 2004 г. на одной из нефтебаз Липецкой области. В ходе данного эксперимента разрушению подвергся РВС -700, полностью заполненный водой. Результаты проверки на данных полномасштабного эксперимента представлены на Рисунке 2.

Рисунок 2. Графическое сравнение карты разлива эксперимента с картой разлива полученной при моделировании данного эксперимента. - границы зоны разлива при эксперименте I....................—1 - площадь разлива при моделировании эксперимента.

Также в данной главе приведены результаты исследования процесса растекания жидкости при разгерметизации одиночно стоящего резервуара (РВС-5000). Приведены графические рисунки динамики процесса разлива РВС-5000. Помимо этого, в данной главе рассматриваются различные варианты направления раскрытия стенок резервуара при частичном разрушении стенок резервуара. Рассмотрено 3 основных варианта направления раскрытия стенок резервуара (Рисунок 3).

Рисунок 3. Варианты направления раскрытия стенок резервуара

При моделировании аварии с частичной разгерметизацией резервуара в различных направлениях площадь разрыва принималась равной 25% от площади боковой стенки резервуара. Результаты моделирования представлены ниже (Таблица 2).

Таблица 2. Результаты моделирования частичной разгерметизации резервуара

в различных направлениях

А Б В

Ужид/Урез*100% 73,16 62,54 68,37

где У^д/Урет* 100% - процент жидкости перелившейся через обвалование.

Так же в данной главе рассматривалось влияние площади разлива на объем жидкости, перелившейся через защитное обвалование. Были получены зависимости, представленные на Рисунке 4.

оружения, в зависимости от площади разрыва.

где Ужш,/Урез*100% - процент жидкости перелившейся через обвалование, Зраз/Б™* 100% - отношение площади разрыва к площади боковой стенки резервуара.

Результаты моделирования показывают, что наиболее опасным сценарием аварии, связанной с разгерметизацией резервуарного оборудования, является частичная разгерметизация с площадью разрыва более 25 % от площади боковой стенки резервуара и менее 40 %.

Карты разлива и значения площадей разлива при полной разгерметизации и разгерметизации с площадью разрыва, равной 25% от площади боковой стенки резервуара, приведены на Рисунке 5. Представленные значения свидетельствуют о том, что при аварии, связанной с разгерметизацией резервуара с площадью разрыва, равной 25% от площади боковой стенки резервуара, негативные последствия аварии будут более существенны. Также отмечается тот факт, что при полной разгерметизации резервуара максимальное расстояния от центра резервуара до края разлива составила 84 м., а при аварии с частичным разрушением стенок резервуара -143 м.

Карта разлива при полной раз- Карты разлива при разгерметизации с герметизации резервуара площадью разрыва равной 25% от

площади боковой стенки резервуара

8ра3л=26446 м2 8разл=27811 м2

Рисунок 5. Карты разлива

Далее в данной главе приводится оценка эффективности некоторых новых защитных сооружений, предложенных в ГОСТ Р 53324-2009. В данном документе предлагается два варианта защитных сооружений: ограждающая стена с волноотражакмцим козырьком и дополнительная защитная стена.

Так же в данной главе предлагаются несколько вариантов модернизации существующих защитных сооружений. Основными условиями учитываемыми при разработке вариантов модернизации, были следующие: возможность применения на существующих объектах, минимизация затрат на изготовление и монтаж, существенное уменьшение последствий возможных аварий.

В качестве дополнительных защитных сооружений были выбраны следующие варианты:

1. Установка дополнительной защитной стены высотой, равной высоте обвалования. Дополнительная стенка устанавливалась по центру между стенкой резервуара и обвалованием. (Рисунок 6).

| А I -ич <-№;

Рисунок 6.

2. Установка дополнительных двух стенок высотой, равной высоте обвалования (Рисунок 7).

' ' ; _ ' .У: ■

А 1 1

Рисунок 7.

3. Установка двух стенок по принципу лабиринтного уплотнения (Рисунок 8).

А -- - гХ

Рисунок 8.

4. Установка дополнительной защитной стенки имеющей полукруг в сечении (Рисунок 9).

--А К! '

Рисунок 9.

Оценка эффективности представленных защитных сооружений проводилась при моделировании аварии полной разгерметизации РВС-5000. Оценка эффективности представленных дополнительных сооружений представлена в Таблице 3.

Таблица 3. Результаты оценки эффективности предложенных защитных со-

оружений

№ Вид дополнительного защитного сооружения Объем жидкости, оставшейся в защитном сооружении, % Объем жидкости, перелившейся через защитные сооружения, %

1 Дополнительная стенка 61,84 38,16

2 Две дополнительные стенки 70,01 29,99

3 Две стенки устанавливаемые по принципу лабиринтного уплотнения 74,82 25,18

4 Дополнительная защитная стенка, имеющая в сечении полукруг 61,6 38,4

Как видно из представленной таблицы, наиболее эффективным защитным сооружением являются две стенки, установленные по принципу лабиринтного уплотнения, однако данная конструкция является наиболее сложной в изготовлении и монтаже.

Оценка эффективности увеличения высоты защитного сооружения рассчитывалась для двух видов защитных сооружений - земляного обвалования и бетонного каре.

Высота стандартного защитного сооружения, рассчитанная для РВС-5000, составляет 1,8 м. Высота защитного сооружения увеличивалась до 2,5м. и 3,5 м. Эффективность данной модернизации представлена в Таблицах 4 и 5.

Таблица 4. Оценка эффективности увеличения высоты земляного обвалова-

ния

№ Высота земляного обвалования (м) Объем жидкости, оставшейся в защитном сооружении (%) Объем жидкости, перелившейся через защитные сооружения (%)

1 1,8 (стандартное) 35,46 64,54

2 2,5 71,27 28,73

3 3,5 78,3 21,7

Таблица 5. Оценка эффективности увеличения высоты бетонного каре

№ Высота бетонного каре (м) Объем жидкости, оставшейся в защитном сооружении (%) Объем жидкости, перелившейся через защитные сооружения (%)

1 1,8 (стандартное) 45,12 54,88

2 2,5 76,3 23,7

3 3,5 82,8 17,2

Сравнивая результаты оценки эффективности различных видов защитных сооружений, можно придти к выводу, что наиболее эффективной модернизацией является увеличение высоты бетонного каре до 3,5 метров.

Однако, если оценивать защитные сооружения с точки зрения отношения эффективности защитного сооружения и стоимости изготовления и монтажа, наиболее эффективным является защитное сооружение - бетонное каре высотой 2,5 метра. Одним из немаловажных факторов оценки эффективности защитных сооружений являются затраты на ликвидацию аварии, также эколо-

гический ущерб, нанесенный данной аварией. Для расчета денежных средств, требуемых для ликвидации аварии с различными типами защитных сооружений, был произведен расчет средств и сил для ликвидации аварии согласно действующим СНИГТ и ЕНИР. Методика расчета средств и сил для ликвидации и локализации аварийных разливов химических веществ приводится в данной главе. Исходными данными для расчета являлись значения объема и площади разлива, полученные при моделировании аварии. Результатом расчета является количество требуемого персонала и техники, а также стоимость проведения работ по локализации и ликвидации аварийных разливов. Результаты оценки затрат на ликвидацию аварий с различными защитными сооружениями, а также стоимость предлагаемых модернизаций представлены в Таблице 6.

Таблица 6. Оценка затрат на ликвидацию аварий

Защитное сооружение Стоимость модернизации Стоимость выполнения работ по локализации и ликвидации аварии Экологический ущерб Суммарные затраты на ликвидацию последствий аварии

Р- Р- Р- Р-

Стандартное земляное обвалование высотой 1,8 м. 0 985 И 0,5 12 279 610,5 13 264 721,0

Стандартное бетонное каре высотой 1,8 м. 0 764 831,8 9 318 831,8 10 083 663,7

Дополнительная стенка 128 304 613 980,1 7 291 980,1 7 905 960,3

Две дополнительные стенки 256709 498 867,9 5 745 367,9 6 244 235,8

Две стенки устанав- 307 571 431 232,8 4 837 732,8 5 268 965,6

ливаемые по принципу лабиринтного уплотнения

Дополнительная защитная стенка, имеющая в сечении полукруг 213 840 617 358,1 7 337 358,1 7 954716,2

Увеличение высоты защитного сооружения

Земляное обвалование

Высота 2,5 м. 97 629 481 126,2 5 507 126,2 5 988 252,5

Высота 3,5 м. 191 353 382 214,3 4 179 714,3 4 561 928,7

Бетонное каре

Высота 2,5 м. 249 450 410 387,3 4 557 887,3 4 968 274,5

Высота 3,5 м. 391 230 318 809,7 3 328 809,7 3 647 619,5

В пятой главе приведено практическое применение данной работы. В качестве практического применения был проведен расчет полной квазимгновенной разгерметизации резервуара объемом 1000 м3, предназначенного для хранения бензола в цехе 0401 завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез». Результаты расчета, а также динамика движения жидкости представлены на Рисунке 10.

Как видно из представленной карты разлива, площадь разлива распространилась за территорию, огороженную защитными сооружениями, т.е. разлив вышел на территорию, неподготовленную к аварийным разливам химических веществ. В зоне действия аварии оказалось 28 соседствующих резервуаров, хранящих различные химические вещества суммарным объемом 4760 м3. В данной главе представлены результаты расчетов средств и сил, требуемых для ликвидации данной аварии.

Рисунок 10. Карта разлива аварии

Основные результаты и выводы:

1. Проведено исследование причин, последствий и особенностей аварий, связанных с разливами химических веществ при авариях на резервуарном оборудовании, проведен анализ существующих методик прогнозирования последствий аварийных разливов химических веществ;

2. Проведены экспериментальные исследования течения жидкостей при разгерметизации резервуара. Показано влияние на процесс течения жидкостей при разгерметизации резервуарного оборудования таких факторов, как вязкость жидкости и свойства подстилающей поверхности;

3. Разработана методика прогнозирования площадей разливов и построения карт разливов при авариях на резервуарном оборудовании, разработана методика расчета средств и сил для ликвидации аварийных разливов химических веществ, доказана адекватность предложенных методик с привлечением экс-

18

периментальных данных автора и экспериментальных данных, описанных в литературных источниках;

4. Выявлены наиболее опасные сценарии аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования. В частности доказано, что сценарий разгерметизации резервуара с площадью разрыва, равной от 25 до 40 % от площади боковой стенки резервуара, является наиболее опасным. Проведен анализ эффективности различных защитных сооружений, предлагаемых в нормативных документах. Доказано, что земляное обвалование является наименее эффективным защитным сооружением. Предложены различные варианты модернизации существующих защитных сооружений, а также показана их эффективность.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Алексеев C.B. Моделирование процесса розлива нефти по подстилающей поверхности при разгерметизации технологического оборудования / С.В.Алексеев, Б.И.Исхаков, В.А.Алексеев // Теор. Основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием: Сборник трудов международной науч. конф. - Иваново: ИГХТУ, 2007.-С. 159-162.

2. Алексеев C.B. Моделирование процесса разлива нефти при разгерметизации нефтепроводов / С.В.Алексеев, Б.И.Исхаков, В.А.Алексеев // Теор. Основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием: Сборник трудов международной науч. конф. -Иваново: ИГХТУ, 2007. - С. 122-126.

3. Алексеев C.B. Моделирование процесса разлива жидкости при разгерметизации технологического оборудования / С.В.Алексеев, В.А.Алексеев, С.И.Поникаров // Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и

сплавов: Сборник трудов международной научн. конф. -Орск: ОГТИ, 2008. -С. 82-87.

4. Алексеев C.B. Оценка вероятного ущерба и затрат на локализацию и ликвидацию разлива нефтепродуктов / С.В.Алексеев, Б.И.Исхаков, В.А.Алексеев // Безопасность жизнедеятельности. -№ 12. -2008. - С. 41-43.

5. Алексеев C.B. Моделирование процесса разлива жидкости при квазимгновенной разгерметизации технологического оборудования / С.ВАлексеев, В.А.Алексеев // Инновации и высокие технологии XXI века: мат-лы всерос. научно-практ.конф. -Нижнекамск: НХТИ, 2009. -С. 135-138

6. Алексеев C.B. Прогнозирование последствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования / С.В.Алексеев, С.И.Поникаров,

B.А.Алексеев // Безопасность жизнедеятельности. -№ 9. -2009. -С. 26-29.

7. Алексеев C.B. Моделирование течения жидкости при разгерметизации резервуарного оборудования / С.В.Алексеев, С.И.Поникаров, В.А.Алексеев II Вестник Казанского технологического университета. -№6. -2009. -С. 232236.

8. Алексеев C.B. Оптимизация резервуарных парков: Монография /

C.В.Алексеев [и др.]; Федер. агенство по образованию, Казан, гос. технол. унт. -Казань: КГТУ, 2010. -93 с.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСЛЕДСТВИЯ, ПРИЧИНЫ, МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АВАРИЙ, СВЯЗАННЫХ С РАЗГЕРМЕТИЗАЦИЕЙ ЕМКОСТНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1 Анализ чрезвычайных ситуаций, вызванных разгерметизацией технологического оборудования.

1.2 Анализ причин аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования.

1.3 Особенности полной, квазимгновенной разгерметизации технологического оборудования.

1.4 Анализ существующих моделей прогнозирования последствий аварий, связанных с разгерметизацией резервуарного оборудования.

1.4.1 Анализ существующих моделей учеты убывания жидкости за счет фильтрации в грунт.

1.4.2 Анализ существующих моделей учеты убывания жидкости за счет испарения.

1.5 Выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Описание экспериментальной установки.

2.2 Методика проведения эксперимента.

2.3 Результаты эксперимента.

2.4 Погрешность эксперимента.

2.5 Выводы.

3. ДИНАМИКА ЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЕРВУАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1 Фундаментальные уравнения движения жидкости.

3.2 Граничные условия.

3.2.1 Влияние убывания жидкости за счет фильтрации в грунт.

3.2.2 Влияние убывания жидкости за счет испарения.

3.3 Вычислительный метод.

3.3.1 Описание алгоритма решения.

3.3.2 Обобщенное дифференциальное уравнение.

3.3.3 Расчет поля течения.

3.4 Численное моделирования течения жидкости.

3.4.1 Построение расчетной области.

3.4.2 Задание физических свойств веществ и граничных условий.

3.4.3 Выбор шага по времени.

3.5 Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ РЕЗЕРВУАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

4.1 Оценка адекватности модели течения жидкости при разгерметизации резервуарного оборудования.

4.1.1 Оценка адекватности модели на результатах модельного эксперимента.

4.1.2 Оценка адекватности модели на результатах полномасштабного эксперимента.

4.2 Исследование процесса растекания жидкости при полной, квазимгновенной разгерметизации одиночного резервуара.

4.3 Исследование процесса растекания жидкости при аварии с частичным разрушением стенок резервуара.

4.4 Оценка эффективности защитных сооружений.

4.4.1 Оценка эффективности защитного сооружения - ограждающая стена с волоноотражающим козырьком.

4.4.2 Оценка эффективности защитного сооружения - дополнительная защитная стена.

4.4.3 Предложения по модернизации существующих защитных сооружений.

4.5 Методика оценки средств и сил для локализации и ликвидации аварийных разливов химических веществ.

4.5.1 Основные принципы проведения работ по локализации и ликвидации аварийных разливов химических веществ.

4.5.2 Методика расчета средств и сил для локализации разливов химических веществ.

4.5.3 Методика расчета средств и сил для ликвидации разливов химических веществ.

4.6 Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

5.2 Описание оборудования цеха.

5.3 Свойства опасного вещества.

5.4 Условия моделирования аварии.

5.5 Результаты Моделирования.

5.6 Выводы.

Актуальность проблемы.

Развитие химической, нефтехимической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, неизбежно ведет к увеличению числа стационарных объектов хранения жидких химических веществ. На данный момент суммарный объем резервуарных парков страны превышает 50 млн. м . В связи с тем, что большой процент резервуаров уже выработали свой проектный ресурс, с каждым годом количество аварий на резервуарах возрастает, и, несмотря на все предпринимаемые меры в области промышленной безопасности, последствия этих аварий наносят довольно существенный ущерб [Ошибка! Источник ссылки не найден.,Ошибка! Источник ссылки не найден.].

Основным способом ограничения разливов при разгерметизации резервуаров, является сооружение защитных ограждений из негорючих материалов в виде обвалований различных конструкций. Расчет таких защитных сооружений согласно нормативным документам [Ошибка! Источник ссылки не найден.,Ошибка! Источник ссылки не найден.,Ошибка! Источник ссылки не найден.], производится только на объем обеспечивающий сбор жидкости внутри обвалования и выдерживание гидростатического давления вылившейся жидкости. Анализ аварий, свидетельствует о том, что защитные сооружения выполняют возложенные на них функции только в случае достаточно медленного истечения жидкости из резервуара, а в случае квазимгновенной разгерметизации резервуара, образовавшийся поток жидкости перехлестывает их [Ошибка! Источник ссылки не найден.-Ошибка! Источник ссылки не найден.].

Промышленная безопасность опасных производственных объектов -состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Но для защиты жизненно важных интересов личности и общества последствий аварий просто необходимо иметь возможность оценить последствия возможных аварий. Одной из сложнейших задач, при определении последствий аварий в резервуарных парках является определение зон распространения опасных веществ. Процессы, протекающие при этих авариях, характеризуются сильной нестационарностью. Помимо этого, огромное влияние оказывают рельеф местности, наличие препятствий, в виде технологического оборудования, зданий и сооружений.

Приведенные в данной работе данные, свидетельствуют о том, что наиболее негативные последствия для персонала предприятия, населения и окружающей среды имели место при квазимгновенном разрушении вертикальных стальных резервуаров (РВС). Отличительными особенностями такой аварии является потеря целостности корпуса резервуара, и выхода в течении короткого промежутка времени на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости.

Существующие в настоящее время методики оценки площадей разливов жидкостей при аварийных разгерметизациях резервуаров, обладают целым рядом ограничений. Основу многих методик составляют аналитические модели, не учитывающие реальную физику процессов. На данный момент методики оценки требуемых средств и сил для локализации и ликвидации аварий, связанных с разливами химических веществ, не существует. В связи с этим, с уверенность можно сказать, что создание методики оценки последствий аварийных разливов жидких химических веществ и расчета средств и сил для локализации и ликвидации аварий является актуальной задачей.

Цель работы:

1. Разработка методики прогнозирования площадей проливов и построения карт проливов жидких химических веществ на объектах химической, нефтехимической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и других отраслей, позволяющей учитывать сложность рельефа местности, а также наличие препятствий в виде промышленных зданий, сооружений и элементов технологического оборудования;

2. Анализ последствий аварий на емкостном оборудовании при различных сценариях развития аварий и конструкции защитных устройств;

3. Разработка методики расчета сил и средств для локализации и ликвидации розливов жидких химических веществ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Построить модель распространения жидкости при квазимгновенной разгерметизации резервуара с учетом сложного рельефа местности и промышленной застройки.

2. Разработать и реализовать модели течения жидкости в естественных условиях.

3. Провести численные эксперименты по распространению жидкостей при наличии различного рода особенностей рельефа местности и препятствий.

4. Разработать методику расчета требуемого количества сил и средств для ликвидации и локализации разливов химических веществ.

Метод решения:

Методом решения поставленных задач явилось моделирование с численной реализацией моделей на ЭВМ при помощи вычислительного комплекса FLUENT. Для проведения расчета требуемого количества сил и средств, для ликвидации и локализации разливов химических веществ, создать расчетную программу.

Научная новизна.

1. Разработана научно-обоснованная методика определения площадей проливов химических веществ и построения карт проливов при квазимгновенной разгерметизации резервуаров, включающая в себя комплекс моделей для описания процессов течения жидкости учетом свойств веществ, сложного рельефа местности и промышленной застройки.

2. Проведен анализ последствий аварий на емкостном оборудовании при различных сценариях развития аварий и конструкции защитных устройств и определены наиболее опасные сценарии.

3. Разработана методика расчета требуемого количества сил и средств для ликвидации и локализации разливов химических веществ.

Практическая значимость работы.

Предлагаемая модель может использоваться при проектировании защитных сооружений для резервуарных парков, для получения оценки потенциальной опасности промышленных объектов при разработке мероприятий по защите персонала и населения, при проектировании опасных объектов, при проектировании объектов хранения и транспортировки химических веществ, а также при разработке Планов ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, Планов ликвидации аварийных ситуаций.

5.6 Выводы

В данной главе, в качестве практического применения предложен расчет возможной аварии цеха 0401 завода «Этилен» ОАО «Казаньоргсинтез». Полученные карты разлива свидетельствуют о том, что в случае аварии химические вещества окажутся за пределами территории окруженной защитными сооружения. Исходя из полученных численных результатов, можно судить о готовности предприятия к ликвидации аварии в данном цеху, а также заблаговременно подготовить необходимое количество средств и сил для ликвидации данной аварии.

1. Швырков А.Н. Волна прорыва на нефтебазе плюс эффект «доми-но». Техногенные катастрофы при разрушении резервуаров и защита от них. / А.Н.Швырков, С.А.Швырков, С.А.Горячев// Охрана труда и социальное страхование. 1997. -Вып. 11. - С.42-45.

2. Пожары резервуаров с нефтью и нефтепродуктами // Обзорная информация. -1992. Вып.3-4. - 100 с.

3. Обеспечение пожарной безопасности предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности: рекомендации. —М.: ВНИИПО, 2004. -158с.; Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий. М.: ВНИИПО, 2006. -93с.

4. СНиП 2.11.03-93. Склады нефти и нефтепродуктов. Противопо-жарные нормы. Введ. 1993-07-01. - М: ГП ЦПП, 1993 - 30 с.

5. Лебедева Л.Н. Лавинные выбросы при разрушении резервуаров с жидкостями/ Л.Н.Лебедева, М.В.Лурье, А.Н.Швырков// Инженерно-физический журнал. -1991. -Т.61. -№5. С.726-731.

6. Розенштейн И.М. Аварии и надежность резервуаров. — М.:Недра, 1995. -225с.

7. Швырков С.А. Обеспечение пожарной безопасности нефтебаз ограничением разлива нефтепродуктов при разрушениях вертикальных стальных резервуаров: дис.канд. техн. наук С.А.Швырков /Академия ГПС МВД России. -М., 2001.

8. Притула А.Ф. Нефтесклады США. А.Ф. Притула. -M. -JL; Глав. Ред. горно-топливной и геолого-разведочной лит-ры; ОНТИ НКТП СССР, 1937. — С. 287-290.

9. Федеральный закон Nllô-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»

10. Аварии резервуаров и способы их предупреждения: науч.-техн. изд./

11. Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хране-ния нефти и нефтепродуктов / С.А. Швырков и др. // Пожаровзрыво-безопасность. -2007. Т. 16. - № 6. - С. 48-52.

12. Прогнозирование площадей разливов нефти и нефтепродуктов при квазимгновенных разрушениях РВС, С.А. Швырков, C.B. Батманов //Транспорт и хранение нефтепродуктов. — 2005. — Вып. 7. — С. 8-12.

13. Швырков С.А. Защита окружающей среды при разрушениях крупногабаритных резервуаров на морских нефтяных терминалах / Швыр-ков

14. C.А. // Газовая промышленность. 2008. - Вып. 619. - С. 34-37.

15. Швырков, С. А. Анализ последствий чрезвычайных ситуаций при разрушениях резервуаров на объектах топливо энергетического ком-плекса / С. А. Швырков, С. В. Батманов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 4. - с. 2-7.

16. Анализ аварийных разрушений резервуаров на складах нефти и нефтепродуктов и разработка рекомендаций по ограничению площади разлива: отчет о НИР 1.419/96/ А.Н.Швырков, С.А.Горячев, С.А. Швырков. М.: МИПБ МВД РФ, 1997.-100с.

17. Швырков С.А. Анализ статистических данных разрушений резер-вуаров// Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях / С.А. Швырков, В.Л, Семиков, А.Н. Швырков.// 1996. -Вып. - 5. С.39-50.

18. Федеральный Закон от 21 декабря 1994 г. № 68 «О защите населе-ния и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техноген-ного характера».

19. Постановление Правительства Российской Федерации от 21 авгу-ста 2000 г. № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликви-дации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

20. Постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2002 г. № 240 «О порядке организации мероприятий по предупрежде-нию и ликвидации разливов».

21. Приказ МЧС России от 28 декабря 2004 г. № 621 «Об утверждении Правил разработки и согласования планов по предупреждению и лик-видации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».

22. Приказ МЧС России от 18 мая 2002 г. № 242 «О дальнейшем совершенствовании работы в области предупреждения и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов»

23. Приказ МПР России от 3 марта 2003 г. № 156 «Об утверждении Указаний по определению нижнего уровня разлива нефти и нефтепро-дуктов для отнесения аварийного разлива к чрезвычайной ситуации».

24. Батманов C.B. Устойчивость противопожарных преград резерву-арных парков к воздействию волны прорыва при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара: дис.канд. техн. на-ук. Батманов C.B. / Академия ГПС МЧС РФ. -М.,2002.

25. ЗО.Чикинева Т.И. Статистика отказов стальных резервуаров для нефтепродуктов./ Т.П. Чикинева// НТРС Транспорт и хранение нефтепро-дуктов.- 1977. -№3. С 19-21.

26. Евтихин В.Ф. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводо-родного сырья/ Евтихин В.Ф., Маркелов В.П. М.: ЦНИИТЭнефте-хим, -1976. - №5.- С.2. Евтихин В.Ф., Маркелов В.П. «Транспорт и хранение нефтепродуктов», М., ЦНИИТЭнефтехим, 1976, №7, С-10.

27. Кандаков Г.П. Проблемы отечественного резервуаростроения и возможные пути их решения / Г.П.Кондаков // Промышленное и граж-данское строительство. 1998. - № 5.

28. Кондрашова О.Г. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров / Кондрашова О.Г. Назарова М.Н. // Нефтегазовое дело. 2004. -№3.

29. Сафарян М.К. Металлические резервуары и газгольдеры / М.К. Сафа-рян М.:Недра, 1987. - С.30-32.

30. Козлитин А.М. Анализ риска аварий с формированием гидродинамической волны прорыва на мазутных резервуарах ТЭЦ / А.С.Козлитин, А.И.Попов, П.А.Козлитин // Безопасность труда в про-мышленности. — 2003. -№1. — С. 26-32.

31. Попов А.И. Методы технико-экономической оценки промышлен-ной и экологической безопасности высокорисковых объектов техноо-сферы / Попов А.И., Козлитин A.M. Саратов: СГТУ, 2000.

32. Кузьмин Р.Н. Моделирование аварий на промышленном объекте с истечением тяжелых газов и жидкостей/ Р.Н.Кузьмин и др. // Математическое моделирование. 1998. - Т. 10. - №8. - С. 33-42.

33. Greenspane Н.Р., Young R.E.// J. Fluid Mechanics. 1978. V.87. №1. P. 179

34. Шебеко Ю.Н., Расчет влияния обвалования на растекание горючей жидкости при разрушении резервуара./ Шевчук А.П., Смолин И.М.// Химическая промышленность. -1994. №4. -С.22-25.

35. Танненхил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990. с. 179.

36. Иванов A.B. Разработка методических основ оценки последствий химических промышленных аварий (на примере металлургического комбината): Дис. . канд. техн. наук. -М.: МИСиС. 1999. -283с

37. Филиппова C.B. Математическое моделирование растекания тяжелого газа и жидкости по орографически неоднородной поверхности. Диссер.канд. физ.мат. наук, МГУ им. М.В.Ломоносова, 1998 Универприродообустройства

38. Голованов А.И. Основы природообустройства. -М.:Колос, 2001.

39. Голованив А.И., Пестов Л.Ф., Максимов С.А Геохимия техноприродных ландшафтов. -М.:МГУП, 2005

40. ГИС модели для анализа последствий аварийных разливов нефти /А.Ф. Атнабаев, Р.Н. Бахтизин, Р.З. Нагаев, O.A. Ефремова, C.B. Павлов, Г.М. Сайфутдинова // ArcReview. Современные геоинформационные технологии. М.2005. № 1 (32). С. 18-19.

41. Атнабаев А. Ф., Информационная поддержка принятия решений при аварийных разливах нефти по водным объектам на основе ГИС- технологий/ Диссер. .канд. Техн. Наук Уфа 2007.

42. Аварии и Катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: : кН. /под ред. В.А. Котляровского. -М.:АСВ, 2003. -408 е.: ил.

43. Bear J., Zaslavsky D., Irmay S. (ed.). Physical principles of water percolation and seepage. UNESCO, 1986. Перев. С англ. Бэр Я., Заславский Д., Ирмей С.Физико математические основы фильтрации воды. М.,Мир, 1971.

44. Универсальный энциклопедический словарь. -М.:Эксмо; Большая Российская энциклопедия, 2003. -336 с.

45. Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности на объектах неф-тепродуктообеспечения, расположенных на селитебной территории. Разработаны АО «ВНИИПИНЕФТЬ» В.П.Сучков, А.В.Куликов, В.П.Молчанов, А.А.Шаталов, А.П.Шевчук и др. -М. 1997. -22 с.

46. Неволин А.П. Определение потерь нефти и нефтепродутов при фильтрации в фунт / А.П.Неволин, В.В. Моронов, С.И. Челомбитко // Нефтепромысловое дело и транспорт нефти. — 1984. -№4. -С.28-30.

47. Карманный справочник нефтепереработчика / под ред. М.Г.Рудина. -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2004. -334 с.

48. Хабибуллина С.С. Испарение нестабилизированных нефтей в промышленных резервуарах / С.С.Хабибуллина // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1974. -№11. -С. 35-37.

49. Мухамедьярова P.A. Массоотдача от испаряющейся поверхности при насыщении газового пространства резервуара / P.A. Мухамедьярова // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. -1981. №4. С. 27-29.

50. Цветков В.И. К определению потерь нефти и нефтепродуктов от испарения по изменению упругости паров с учетом температуры / В.И. Цветков // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1975. -№10. -С. 26-27.

51. Константинов H.H. Борьба с потерями от испарения нефти и нефтепродуктов / H.H. Константинов. М.: Гостоптехиздат, 1961. -360 м.

52. ВНТП 05-97. Определение категорий помещений и зданий предприятий и объектов железнодорожного транспорта по взрывопожарной и пожарной опасности. -Взамен ВНТП 05-89; введ. 01.08.97. -М.: МПС СССР, 1997. -46 с.

53. НПБ 150-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. — Взамен НПБ 105-95, НПБ 107-97; введ. 01.08.2003. -М.:Изд-во Деан, 2003. -39 с.

54. ГОСТ Р 12.3.047-98. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. Введ. 01.01.200. -М.: Изд-во стандартов, 200. -95 с.

55. Методика оценки последствий аварийных выбросов опасных веществ. М.: Ростехнадзор, 2005. -67 с.

56. Теплотехнический справочник т.2 М.Энергия 1976

57. Лыков A.B. Тепломассообмен. М. Энергия 1972

58. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. -М. : Госхимиздат, 1948. -751 с

59. Рабинович С.Г. Погрешность измерений. -JI: Энергия, 1978-260 с.

60. Обработка экспериментальных данных. Методическое указание к лабораторным работам. -КХТИ, Казань, 1983-31 с.

61. Гельперин H.H. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.:Химия, 1981

62. Кафаров В.В. Основы массопередачи: Учебник для студентов ВУЗов. -М.гВысш. школа, 1979

63. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидродинамика. М.: 1963.

64. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: 1973.

65. Биркгов Г. Гидродинамика. Перевод с англ. И.Б. Погребысского. Издательство иностранной литературы. Москва 1963.

66. Вычислительные методы в гидродинамике. Олдер Б., Фернбах С., Ротен-берг М. перев. С англ. Коробейникова В.П., Чушкина П.И. Мир.: 1967.

67. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд. Технико-технической литературы. М.: 1950.

68. Энциклопедия безопасности: строительство, промышленность, экология: В 3 т./ В.А. Котляровский, В.И.Ларионов, С.П.Сущев. -М.: Наука, 2005. -Т.1. -696 с.

69. Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред.- М.: Недра, 1970

70. Басниев, К.С Подземная гидромеханика / К. С. Басниев, И. Н. Кочина, В. М. Максимов. М. : Недра, 1993. -416 с.

71. Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии Карман Т

72. Болыная Энциклопедия Нефти Газа, http://www.ngpedia.ru

73. Hulton, D.V. Fundamentals of finite element analyses. Mc Graw-Hill, 2004. -494 p.

74. Самарский A.A. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971. 552 с.

75. Versteeg Н.К., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method. Longman, 1995. — p. 257.

76. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. — 616 с.

77. Wesseling P. Principles of computational fluid dynamics. Springer, 2001. -p.644.

78. Ferziger J.H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics. Springer, 2002.-p. 423.

79. Jasak H. Error analysis and estimation for the Finite Volume Method with Applications to fluid flows. Imperial College of Science, Technology and Medicine, 1996.-p. 394

80. Патанкар. С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкостей. М. Энергоатомиздат, 1984, 152 с.

81. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х томах, М. Мир -1991г.

82. Волков К.Н. Применение метода контрольного объема для решения задач механики жидкости и газа на неструктурированных сетках. Вычислительные методы и программирование. -2005- Т.6. с.43-60.

83. Норри Д. Введение в метод конечных элементов / Д.Норри, Ж де Фриз, Пер. С англ. -М.: Мир, 1981 304стр.

84. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. - 520с.

85. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Высшая школа, 1982. - 392 с.

86. Fluent Inc. Fluent 6.1. User's Guide, Lebanon, 2003

87. Бояршинов М.Г. Оценка загрязнения атмосферного воздуха при технологических испытаниях ракетного двигателя // Инженерная экология. — 2000. -№2. с.29-40.

88. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А. Численные методы «частицы-в-ячейках». Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. - 184 с.

89. Аппязова Е.Б. МЕТОД КОНТРОЛЬНОГО ОБЪЕМА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ГИДРОДИНАМИКИ ВЯЗКОЙ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

90. Воробьев В.В Экспериментальное исследование дополнительных защитных преград, для ограничения разливов нефтепродуктов при внезапных разрушениях резервуаров. // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» -2008. вып. №2

91. ПДД РФ Новые правила дорожного движения РФ ПДД 2009 (Утверждены Постановлением Совета Министров Правительства Российской Федерации от 23 октября 1993 г. № 1090. Редакция от 27.01.2009. Вступили в действие с 01.03.2009

92. Единые Нормы и Расценки 1986 г. № 17/512/29-50.

93. Единые Нормы и Расценки 1986 г. № 48/512/29-50

94. Источник: Б.Ф. Белецкий, "Технология и механизация строительного производства" 2003 http://www.sbh.ru/articles/artll .htm.

95. Единые Нормы и Расценки 1986 г. № 43/512/29-50.

96. Лазарев Н.В. Вредные вещества в промышленности. / Н.В.Лазарев, Э.Н.Левина. -Справочник для химиков, инженеров и врачей. Л.: Химия, 1976. - 590 с.

97. Атлас Республики Татарстан / Минниханов Р.Н. и др. М.: Картография, 2005.

98. ГОСТ Р 53324-2009. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии./ Дата введении 01.01.2010 с правом досрочного применения.