На правах рукописи
Прогнозирование последствий аварийных залповых выбросов сжиженных газов
05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(в химической отрасли промышленности)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Гимранов Фидаис Мубаракович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная безопасность» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань
, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника, технология и промышленная безопасность» ФГБОУ ДПО «Новомосковский институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов химической промышленности», г. Новомосковск
Ведущая организация: научно-исследовательский институт углеводородного сырья», г. Казань
Защита состоится «31» октября 2012г. в 15.30 ч на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» , зал заседаний Ученого совета (А-330).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».
Автореферат разослан «28» сентября 2012 г.
Ученый секретарь Степанова
диссертационного совета Светлана Владимировна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*
Актуальность темы исследования. Ускорение темпов и расширение масштабов производственной деятельности в современных условиях обуславливает необходимость проведения анализа и оценки опасностей возможных аварий в результате образования токсичных и пожаровзрывоопасных облаков на потенциально опасных производственных объектах техносферы.
Особую опасность представляют объекты использования сжиженных газов, так как при их аварийном выбросе имеет место интенсивное парообразование с формированием протяженных токсичных или взрывоопасных облаков.
Парообразование при аварийном выбросе сжиженного газа обусловлено мгновенным вскипанием перегретой жидкости, кипением (испарением) пролива сжиженного газа, возникновением аэрозолей при взрывном вскипании и их последующим испарением. Процессы парообразования и рассеяния образующейся примеси в атмосфере отличаются сложным взаимным влиянием, которое учесть в рамках упрощенных аналитических и эмпирических соотношений крайне проблематично.
В существующих моделях описание источника поступления газообразного вещества вследствие парообразования довольно схематично, что может служить препятствием для надежной оценки зон распространения паровоздушных облаков.
Недостаточное знание процессов, связанных с поступлением опасных веществ в атмосферу и их последующим рассеянием, не только не позволяет предсказать масштабы и течение возможных аварий, но и обосновать необходимый уровень безопасности (риска) технологических систем, содержащих сжиженные газы, выбирать экономически эффективные проектные и конструкторские решения.
Вышеизложенное обуславливает актуальность разработки методики последствий аварий на объектах хранения, переработки и использования сжиженных газов данной работы.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методики определения количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов при авариях с выбросом сжиженных газов. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель, охватывающую основные стадии парообразования при мгновенном выбросе сжиженного газа: мгновенное вскипание жидкости, испарение аэрозоля в первичном облаке пара, парообразование при кипении (испарении) пролива на основе пакета гидродинамического анализа FLUENT.
2. Провести физический эксперимент по исследованию парообразования при кипении (испарении) сжиженного газа.
3. Проверить адекватность разработанной методики расчета путем сравнения с результатами проведенного эксперимента, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати.
4. На основе разработанной модели исследовать влияние скорости ветра, устойчивости атмосферы, теплового эффекта при конденсации водяного пара, наличия препятствий в области выброса в виде зданий, сооружений на интенсивность парообразования и характеристики опасных зон при залповом выбросе сжиженного газа.
Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на ЭВМ при помощи вычислительного комплекса FLUENT.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика оценки последствий залпового выброса сжиженного газа в атмосферу, позволяющая комплексно учитывать мгновенное вскипание сжиженного газа, кипение (испарение) пролива сжиженного газа, испарение аэрозолей в облаке, распространение паровоздушного облака с капельными включениями в атмосфере.
2. Разработана модель процесса парообразования сжиженного газа из пролива с учетом перехода от режима кипения сжиженного газа к режиму испарения.
3. Разработаны и интегрированы в пакет FLUENT пользовательские функции, позволяющие определять интенсивность парообразования из пролива, массу газа во взрывоопасных пределах в зависимости от времени, рассчитывать поле токсодоз и учитывать дополнительный нагрев паровоздушного облака вследствие конденсации паров воды.
Личный вклад автора состоит:
· в разработке пользовательских функций для расчета интенсивности парообразования с поверхности пролива с учетом перехода от режима кипения сжиженного газа к режиму испарения и дополнительного нагрева паровоздушного облака вследствие конденсации паров воды;
· в проведении физического эксперимента и его статистической обработке;
· в проведении численных экспериментов для определения влияния скорости ветра, устойчивости атмосферы, теплового эффекта при конденсации водяного пара, наличия препятствия в области выброса на процессы парообразования и распределение опасного вещества в атмосфере;
· в проверке адекватности разработанной методики расчета путем сравнения с результатами проведенного эксперимента, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати;
· в написании статей и тезисов, участии в конференциях.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов обусловлена использованием современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения, а также удовлетворительным согласованием расчетных результатов с данными натурных экспериментов.
Практическая значимость работы состоит в том, что предлагаемый комплекс моделей может использоваться для решения задач оценки последствий аварий на объектах хранения, переработки и использования сжиженных газов при разработке Планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС), разделов «Инженерно-технические мероприятия Гражданской обороны. Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций» (ИТМ ГО и ЧС) и «Мероприятий по обеспечению пожарной безопасности» проектной документации, Деклараций промышленной безопасности опасных производственных объектов, Деклараций пожарной безопасности, паспортов безопасности опасных объектов, при выборе пассивных мер защиты по ограничению распространения опасных веществ на стадии проектирования.
Методика и программная система использовались при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций для и аммиачно-холодильных станций , при разработке паспорта безопасности и декларации промышленной безопасности для хлораторных МУП «Водоканал», паспорта безопасности для .
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2005, 2008, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» (Нижнекамск, 2009); Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие территорий: управление природными, техногенными, пожарными, биолого-социальными и экологическими рисками: материалы» (Оренбург, 2011); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях –24» (Саратов, 2011); Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Нефть и нефтехимия» (Казань, 2011); Международной научно-практической конференции «XL Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2011); на ежегодных научных сессиях КГТУ (г. Казань).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19-и публикациях, в том числе в 10-и статьях, опубликованных в научных изданиях, входящих в перечень ВАК Минобразования и науки РФ для соискателей ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в материалах 9-ти российских и Международных научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка, включающего 143 наименования. Общий объем работы составляет 195 страниц, включая 11 таблиц, 68 рисунков.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и намечены задачи для их достижения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе дан литературный обзор основных аспектов процессов и явлений, определяющих последствия аварийных выбросов сжиженных газов: мгновенное вскипание сжиженного газа, кипение (испарение) пролива сжиженного газа, испарение аэрозолей в облаке. Проведен подробный анализ существующих методик оценки последствий аварийных выбросов сжиженного газа. На основании обзора делается вывод о необходимости совершенствования модели для определения интенсивности парообразования при залповом выбросе сжиженного газа в атмосферу.
Во второй главе с целью проверки адекватности разработанной модели представлены полученные экспериментальные данные по интенсивности парообразования сжиженного азота. Экспериментальная установка (рис.1) включала алюминиевую чашу, установленную на электронные весы и заполненную карьерным песком высотой 7 см с известными теплофизическими свойствами. Поверхность песка была покрыта тонкой фольгой толщиной 200 мкм, исключающей просачивание жидкости в песок. Для предохранения весов от действия низких температур на весы дополнительно клали пробковую подложку. Количество испарившегося в окружающую среду сжиженного газа измеряли по показаниям электронных весов, при этом время фиксировали при помощи секундомера.
Рисунок 1 – Схема установки измерения интенсивности парообразования
1– электронные весы;
2 – подложка; 3 – чаша;
4 – сжиженный газ; 5 – песок;
6 – слой фольги; 7 – секундомер
В третьей главе представлены математические модели для определения количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов при авариях с выбросом сжиженных газов. Обосновывается применение разработанной методики расчета путем сравнения с результатами проведенного эксперимента, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати.
Модель мгновенного вскипания перегретой жидкой фазы. При разгерметизации емкости со сжиженным газом в результате резкого снижения давления и нарушения термодинамического баланса происходит мгновенное вскипание определенной части жидкой фазы. При этом устанавливается новое состояние равновесия, а температура оставшейся жидкой фазы понижается до температуры кипения при атмосферном давлении. При мгновенном испарении жидкости формируется первичное облако пара. Расчет доли мгновенно вскипающей однокомпонентной жидкости при адиабатическом расширении проводился с использованием выражения:
| (1) |
где CP,liq – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг×К); T0 – температура сжиженного газа в емкости, К; Tb – температура кипения жидкости, К; DHg – удельная теплота парообразования при температуре кипения и атмосферном давлении, Дж/кг.
Принималось, что в начальный момент времени (на месте выброса) первичное облако опасного вещества имеет форму цилиндра с радиусом R, равным высоте H:
| (2) |
где mliq — масса жидкости в оборудовании, кг; rвыб — плотность опасного вещества в первичном облаке в начальный момент, кг/м3.
Модель распространения и испарения аэрозолей. В результате мгновенного вскипания расширяющиеся пары диспергируют и увлекают часть жидкости, поэтому образующееся облако содержит смесь пара и жидкости в виде аэрозольных капель. Масса выброшенных капель жидкости принимается равной массе мгновенно образовавшейся паровой фазы.
Для определения движения аэрозольных частиц использовалось уравнение:
| (3) |
где up – проекция скорости движения капли на ось x, м/с; ul – проекция вектора скорости несущей фазы на ось x, м/с; g1 – проекция вектора ускорения свободного падения на ось x, м/с2; ρp – плотность капли, кг/м3; ρ – плотность несущей фазы, кг/м3; dt – шаг по времени, с; FD(ul–up) – удельная сила сопротивления на движению капли, Н/кг.
Уравнение, определяющее интенсивность испарения аэрозольных частиц:
| (4) |
где Ap – площадь поверхности капли, м2; Mg – молекулярная масса, кг/моль; Cg,s – концентрация компонента у поверхности капли, моль/м3; Cg,∞ – концентрация компонента в окружающем газе, моль/м3; β – коэффициент массоотдачи, м/с, рассчитывался из соотношения Ранца-Маршалла.
Изменение температуры капли определялось уравнением:
| (5) |
где mp – масса капли, кг; CP,p – теплоемкость капли, Дж/(кг×К); as – коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м2×К); T¥ – локальная температура несущей фазы, К.
Обратное влияние дисперсной фазы на несущий поток, обусловленное межфазным обменом теплотой, импульсом и массой, учитывается включением соответствующих источниковых членов в уравнения переноса энергии, импульса, примеси и в уравнение неразрывности для сплошной фазы.
Изменение импульса несущего потока F, Н/м3, обусловленное гидродинамическим сопротивлением аэрозольных частиц, рассчитывалось из следующего соотношения:
| (6) |
где N – число частиц-представителей, прошедших через контрольный объем V; 
– текущий массовый расход частиц данной фракции через грань контрольного объема, кг/с. СD – коэффициент сопротивления для частиц сферической формы; dp – диаметр капли, м; Red – число Рейнольдса.
Источник массы S, кг/(м3·с) в уравнении неразрывности и уравнении переноса примеси, возникающий в результате испарения капель, определялся через соотношение:
| (7) |
Сток энергии в газовой фазе Q, Дж/(м3×с), обусловленной теплообменом с каплями, рассчитывался следующим образом:
| (8) |
где Dmi – изменение массы i-й капли в процессе испарения за время прохождения ею данного контрольного объема, кг; m0i – начальная масса капли-представителя, кг; DTpi – изменение температуры частицы в данном контрольном объеме V, К; 
– начальный массовый расход частиц данной фракции через грань контрольного объема, кг/с.
Распределение капель по размерам в источнике задавалось с использованием соотношения Розин-Раммлера.
Модель кипения (испарения) пролива. Оставшаяся после мгновенного вскипания жидкая фаза разливается на подстилающей поверхности и переходит в состояние кипения. Интенсивность парообразования при этом пропорциональна скорости теплопритока из окружающей среды. Схема теплообмена пролива приведена на рис. 2.
Рисунок 2 – Схема теплообмена пролива сжиженного газа
По истечении определенного времени, в результате уменьшения теплового потока от подстилающей поверхности возможен переход от режима кипения к режиму испарения, сопровождающемуся падением температуры жидкости ниже температуры кипения. При парообразовании из пролива формируется вторичное облако пара.
При разработке модели парообразования из пролива сжиженного газа были сделаны следующие допущения:
· интенсивность парообразования на стадии кипения лимитируется теплопроводностью в подстилающем твердом слое (время пленочного кипения пренебрежимо мало);
· жидкость считается перемешанной по высоте слоя;
· пары испаряющейся жидкости, воздуха и их смесь рассматриваются как идеальные газы;
· пар вблизи поверхности испарения насыщен;
· свободная граница жидкости при испарении неподвижна;
· не учитывается промерзание твердого подстилающего слоя;
· твердый подстилающий слой — однородный, непористый.
Интенсивность парообразования из пролива W (кг/(м2·с)) рассчитывалась следующим образом:
| (9) |
где qa – тепловой поток из атмосферы, Вт/м2; qgrd – поток тепла от грунта к жидкости, Вт/м2; qs – поток тепла от солнечной радиации, Вт/м2; qp – тепловой поток, излучаемый поверхностью пролива, Вт/м2; qar – тепловой поток к проливу вследствие излучения атмосферы, Вт/м2; Jg,max – диффузионный поток, определяемый с помощью пристеночных функций из условия, что мольная доля пара на межфазной границе Yg,s » 1 (в модели принималось Yg,w = 0,95), кг/(м2·с); Jg,s– массовый поток пара при испарении, кг/(м2·с).
Условие перехода от режима кипения к режиму испарения (9) было реализовано в пакете FLUENT посредством использования пользовательской функции.
Первое условие в формуле (9) соответствует режиму кипения, при котором температура жидкости остается постоянной; второе условие – режиму испарения, при котором изменение температуры жидкости рассчитывается по формуле:
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
