Прогнозирование последствий аварийных залповых выбросов сжиженных газов (стр. 3 )

Из табл.2 видно, что влияние теплового эффекта при конденсации водяного пара в атмосфере на величину mисп незначительно.

На рис. 5 представлены графики зависимости осредненной температуры сжиженного аммиака в проливе. При рассматриваемых скоростях ветра температура жидкости снижается тем сильнее, чем выше скорость ветра. При всех скоростях ветра падение температуры жидкости происходит сразу после возникновения пролива, то есть парообразование из пролива идет в режиме испарения.

Рисунок 5 − Изменение осредненной по поверхности пролива температуры жидкости в зависимости от времени и скорости ветра

Возникающий тепловой эффект при конденсации водяного пара значительно влияет на процесс распространения паровоздушного облака. Так, получено, что площади зон поражения, ограниченные пороговой и летальной токсодозами, больше при сухом воздухе, чем при влажном (см. рис. 6). Это связано с дополнительным нагревом воздуха в результате конденсации паров влаги, который способствует снижению плотности паровоздушной смеси, а это, в свою очередь, ослабляет роль гравитационного растекания холодного аммиачно-воздушного облака в первые минуты после выброса, проявляющуюся в уменьшении размеров опасных зон как в продольном, так и в поперечном направлениях. Зона поражения (рис.6) несколько смещена от источника выброса не только в направлении ветра, но и против ветра. Это обусловлено гравитационным растеканием холодного аммиачно-воздушного облака в первые минуты после выброса, что характерно для тяжелого газа. Чем ниже скорость ветра, тем зона более смещена в направлении против ветра. Первичное облако образуется из газовой фазы, содержавшейся в оборудовании, и газокапельной, образовавшейся при мгновенном вскипании перегретой жидкой фазы. От первичного облака формируется основной круг поражения. Вторичное облако образуется при поступлении опасного вещества из пролива, что соответствует на графиках выступу в направлении ветра. Увеличение скорости ветра сопровождается уменьшением зон поражения.

При залповом выбросе сжиженного пропана изменение массы взрывоопасного вещества со временем практически не зависит от тепловыделения при конденсации паров воды. Слабое влияние конденсации водяного пара на формирование облака при выбросе сжиженного пропана связано с тем, что пропан имеет высокую молекулярную массу (М=44 кг/кмоль), он тяжелее воздуха, поэтому вклад теплового эффекта при конденсации водяного пара существенного влияния на плавучесть облака не оказывает.

Исследовано влияние степени устойчивости атмосферы на характеристики парообразования и размеры зон токсического поражения при залповом выбросе 1 тонны сжиженного хлора. В стандартных методиках оценки последствий аварийных выбросов интенсивность испарения из пролива определяется с допущением о нейтральной стратификации атмосферы. В определенных условиях это может привести к завышению значений интенсивности испарения из пролива и, соответственно, размеров опасных зон. Так, из таблицы 3 видно, что при скорости ветра 2,5 м/с и изотермии удельная масса испарившейся жидкости (при t=1800 с) превышает соответствующее значение при инверсии на 18 %. При скоростях ветра 1 и 5 м/с различие значений mисп при нейтральной и устойчивой стратификациях атмосферы незначительно. Это объясняется тем, что при скорости ветра 1 м/с преобладающее влияние на интенсивность парообразования оказывает тепловой поток от грунта (рис. 7), а при 5 м/с температурный градиент оказывает слабое влияние на гидродинамическую структуру течения. При скорости ветра 1 м/с и нейтральной стратификации атмосферы в начальный период после образования аварийного пролива доминирующим является теплоприток из грунта (стадия кипения). С увеличением скорости ветра усиливается влияние атмосферной и диффузионной составляющей теплового баланса (рис. 7). С увеличением скорости ветра, в связи с ростом диффузионного отвода пара от поверхности пролива, время кипения пролива сокращается. При 5 м/с парообразование из пролива протекает, в основном, в режиме испарения. В условиях устойчивой стратификации атмосферы переход от состояния кипения пролива к режиму испарения происходит по истечении более длительного промежутка времени, чем при нейтральной стратификации вследствие более низкого уровня турбулентности над поверхностью пролива и, соответственно, более низкого значения диффузионного потока пара.

Рисунок 6 (слева) − Размеры зон смертельного 1 и порогового 2 поражения аммиаком при разных скоростях ветра и влажности воздуха: а – скорость ветра 1 м/с; б – 2 м/с; в – 3 м/с

Рисунок 7 (справа) − Временные зависимости тепловых потоков от грунта (1), атмосферы (2) и потерь тепла при испарении (3) для ровной поверхности при изотермии: а, б,в − скорость ветра соответственно: 1; 2,5; 5 м/с

Таблица 3

Характеристика процесса парообразования сжиженного хлора (t=1800с)

Параметр	Значения
изотермия	инверсия
1 м/с	2,5 м/с	5 м/с	1 м/с	2,5 м/с	5 м/с
mисп, кг/м2	27,26	32,72	41,49	25,39	27,57	39,58
Tliq, К	239,15	233,1	224,1	239,15	238,33	224,8

Температура сжиженного хлора в проливе при скорости ветра 1 м/c остается постоянной на протяжении всего рассматриваемого промежутка времени, как при изотермии, так и при инверсии. В данном случае процесс парообразования протекает только в режиме кипения.

Расчетные характеристики зон токсического поражения хлором при различных состояниях атмосферы и скоростях ветра приведены в таблице 4.

Таблица 4

Характеристики зон токсического поражения хлором (время экспозиции 1800с)

Параметр	Значения
изотермия	инверсия
1 м/с	2,5 м/с	5 м/с	1 м/с	2,5 м/с	5 м/с
Длина, м	728	619	460	670	1500	560
Ширина, м	200	100	60	430	120	62
SLCt, м2	112576	36422	15122	173856	132829	19342

Примечание. SLCt - площадь зоны токсического поражения, соответствующая летальной токсодозе (6000 мг×мин/м3).

В условиях устойчивой стратификации атмосферы зона летального поражения имеет максимальную ширину и площадь при наименьшей из рассматриваемых скоростей ветра - 1 м/с, однако протяженность зоны летального поражения в направлении ветра максимальна при скорости ветра 2,5 м/с. С увеличением скорости ветра снижается влияние температурного градиента на процессы парообразования и эволюции паровоздушного облака.

Исследование влияние наличия препятствия на последствия аварийного залпового выброса 6 тонн сжиженного аммиака. Схематическое изображение расчетной области представлено на рис. 8. Установлено, что при наличии здания удельная масса испарившейся жидкости несколько ниже, чем на ровной поверхности, что объясняется торможением воздушного потока у наветренной стороны препятствия. Наличие препятствия на пути движения облака способствует уменьшению зон токсического поражения. Влияние препятствия усиливается с увеличением скорости ветра. Препятствие вызывает увеличение вертикальной и поперечной протяженности вторичного облака. К тому же газ, вовлеченный в след здания, разбавляется рециркуляционными течениями. Действие данных факторов приводит к падению концентрации за зданием. На рис. 9 представлены графики распределения приземной токсодозы (y=1 м) на оси облака, проходящей через центр источника выброса вдоль направления ветра. При скорости ветра 1 м/с значение токсодозы на оси облака у подветренной стороны здания ниже, чем у наветренной до 10 раз (рис. 9). Из данного результата следует, что использование защитных преград на пути движения токсичного облака может привести к существенному снижению протяженности зоны возможного поражения.

Рисунок 8 − Геометрия расчетной области	Рисунок 9 − Приземная токсодоза на оси облака, проходящей через центр источника выброса вдоль направления ветра (начало координат совмещено с центром источника), скорость ветра 1 м/с

В пятой главе приведены результаты практического применения разработанной методики. Выполнено численное моделирование последствий аварии, связанной с залповым выбросом смеси сжиженных углеводородных газов. Интенсивность парообразования рассчитывалась с учетом изменения состава жидкой фазы. Результаты расчетов показали, что доля горючего газа, способного к воспламенению, может существенно превышать рекомендуемое нормативными методиками (в 3-8 раз). В связи с этим использование нормативных методик может привести к получению заниженных результатов зон поражения ударной волной.

Выполнена оценка зон токсического поражения в случае аварийного выброса сжиженного аммиака при разгерметизации аммиачной установки с учетом реальной промышленной застройки. Препятствия в виде зданий, сооружений в области выброса могут оказывать существенное влияние на конфигурацию и протяженность зон поражения, что необходимо учитывать при разработке мероприятий по обеспечению безопасности персонала. С помощью пробит-функций оценены возможные области смертельного поражения человека. Величина Pr определялась по следующей формуле:

,

(21)

где a, b — константы, характеризующие специфику и меру опасности воздействия токсичного вещества; n — показатель степени, характеризующий механизм воздействия и природу токсиканта.

Пробит-функция была интегрирована в пакет FLUENT.

В диссертации показано, что зона, соответствующая 100% вероятности летального поражения, практически одинаковая при скоростях ветра 1, 2,5 и 5м/с и сосредоточена в области пролива. Наличие зданий и скорости ветра оказывают существенное влияние на значения пробит-функции. При скорости 5 м/с формирование зоны поражения определяется только испарением из пролива.

Основные результаты и выводы

1. Разработана и интегрирована в пакет FLUENT модель процесса парообразования сжиженного газа из пролива с учетом перехода от режима кипения пролива к режиму испарения.

2. Разработана методика оценки последствий залпового выброса сжиженного газа в атмосферу, учитывающая мгновенное вскипание сжиженного газа, кипение (испарение) пролива сжиженного газа, испарение аэрозолей в облаке и распространение паровоздушного облака с капельными включениями.

3. С помощью пользовательских функций в пакет FLUENT были введены: поправка на стефановский поток в стандартные функции стенки для описания процесса испарения из пролива; дополнительные уравнения, описывающие изменение массы и температуры жидкости в проливе; источниковые члены, учитывающие изменение энтальпии паровоздушной смеси вследствие конденсации водяного пара в воздухе при низких температурах; функция расчета токсодозы.

4. Проведено экспериментальное исследование парообразования сжиженного газа на примере сжиженного азота. Показано, что результаты расчетов по разработанной модели удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

5. Проведено сравнение результатов расчета, полученных с помощью разработанной модели, с экспериментальными данными, опубликованными в открытой печати, а также данными, полученными автором.

6. Проведена серия численных экспериментов, в ходе которых установлено:

· влияние тепловыделения при конденсации водяного пара в воздухе на интенсивность парообразования из пролива незначительно;

· при наличии препятствия с наветренной стороны от пролива удельная масса испарившейся жидкости несколько ниже, чем на ровной поверхности; наличие препятствия на пути движения облака приводит к уменьшению зон токсического поражения.

· температурная стратификация атмосферы оказывает значительное влияние на диффузионную и атмосферную составляющие теплового баланса для пролива сжиженного газа.

7. В целях практического использования разработанной методики проведена оценка последствий залповых выбросов сжиженного углеводородного газа на складе и сжиженного аммиака на холодильной станции . Показано, что доля горючего газа, способного к воспламенению, может существенно превышать рекомендуемое нормативными методиками (в 3-8 раз). С помощью пробит-функций оценены возможные области смертельного поражения человека аммиаком. Показано, что зона, соответствующая 100% вероятности летального поражения, практически одинакова при скоростях ветра 1, 2,5 и 5м/с и сосредоточена в области пролива.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. , , Численный анализ аварий на объектах использования сжиженных газов // Безопасность жизнедеятельности. – 2006. – № 12. – С. 30-37.

2. , , Поникаров интенсивности парообразования сжиженного газа // Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – №7. – С.42-44.

3. , , Поникаров модель процесса парообразования при аварийном проливе сжиженного газа // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2011. – №1. – С.323-325.

4. , , Поникаров анализ процесса парообразования при кипении аварийного пролива сжиженного газа // Пожаровзрывобезопасность. – 2011. – №2. – С.24-28.

5. , , Поникаров формирования взрывоопасного облака при аварийном выбросе смеси сжиженных углеводородных газов в атмосферу // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2011. – №3. – С.130-135.

6. , , Поникаров и оценка последствий аварийного выброса аммиака // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2011. – №13. – С.175-179.

7. , , Поникаров последствий аварийного выброса сжиженного аммиака с использованием программы FLUENT // Безопасность труда в промышленности. – 2011. – №12. – С.47-51.

8. , , Поникаров парообразования с поверхности аварийного пролива сжиженного газа // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2012. – Том 15. – №4. – С.110-112.

9. , , Поникаров моделирование последствия аварийного выброса сжиженного хлора при наличии препятствия // Вестник Казан. технол. ун-та. – 2012. – Том 15. – №6. – С.207-209.

10. , , Поникаров исследование интенсивности парообразования сжиженного газа// Вестник Казан. технол. ун-та. – 2012. – Том.15. –№9. – С.70-71.

Материалы конференций:

11. , , Гасилов B. C., Поникаров влияния устойчивости атмосферы на рассеяние «тяжелого» газа вблизи одиночного здания // Материалы Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». КГТУ. – Казань, 2005. – С.233-236.

12. , , Гасилов токсодозы при гипотетической аварии с выбросом опасных химических веществ // Материалы Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». КГТУ.– Казань, 2005.– С.237-240.

13. , , Поникаров влияния параметров окружающей среды на интенсивность парообразования сжиженного газа при гипотетической аварии // Материалы II Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» КГТУ.– Казань, 2008.– С.342-346.

14. , , Поникаров влияние параметров окружающей среды на интенсивность парообразования сжиженного газа // Инновации и высокие технологии XXI века: мат-лы всерос. научно-практ. конф. НХТИ.­– Нижнекамск, 2009. ­– С. 208-212.

15. , , Поникаров массы взрывоопасного вещества при аварийном выбросе сжиженного углеводородного газа в атмосферу // Материалы международной научно-практической конференции 5-7 октября 2011 года «Устойчивое развитие территорий: управление природными, техногенными, пожарными, биолого-социальными и экологическими рисками: материалы». – Оренбург, 2011. – С.58-63.

16. , , Поникаров и оценка последствий аварийного выброса сжиженного аммиака // XXIV Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях –24». – Саратов, 2011. – С.105-108.

17. , , Поникаров последствий аварийного выброса сжиженного углеводородного газа в атмосферу // Сборник материалов Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Нефть и нефтехимия». КГТУ. – Казань, 2011. – С.97-101.

18. , , Поникаров последствий аварийного выброса сжиженного аммиака // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. XII. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – С.4-7.

19. , , Поникаров последствий залпового выброса сжиженного газа методом численного моделирования // Материалы III Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» КГТУ.– Казань, 2012.– С.281-285.

* В руководстве диссертационной работой принимал участие к. т.н., доцент

* Едигаров, моделирование аварий на хранилище сжиженного нефтяного газа высокого давления / // Математическое моделирование. –1995. – Т. 7. – №4. – C. 3-18

** Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа / , , и др.// Пожарная безопасность. – 2000. – №4. – С. 108-121.

*** Brighton, P. W.M. Further verification of a theory for mass and heat transfer from evaporating pools / P. W.M. Brighton // Journal of Hazardous Materials. – 1990. – №23. – Р. 215-234.