Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕХИМИИ НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РИСКА 13
1.1. Концепция экологического риска применительно к условиям функционирования нефтехимических производств 13
1.2. Способы частотной оценки экологического риска 23
1.2.1. Логико-графические методы 23
1.2.1.1. «Деревья отказов» 24
1.2.1.2. Потоковые графы 27
1.2.1.3. Функциональные сети GERT 29
1.2.1.3. Имитационное моделирование процессов возникновения инцидентов в системе «человек-машина-среда» 31
1.2.2. Принцип балльной оценки риска 33
1.3. Оценка возможных последствий проявления инцидентов на объектах нефтехимии. Модели испарения 36
Выводы по главе 1 44
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЧАСТОТНОЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 46
2.1. Разработка метода и модели для оценки и индивидуального прогнозирования основных характеристик надежности нефтехимического оборудования 46
2.2. Разработка метода кинетического моделирования процесса износа нефтехимического оборудования в реальных условиях его функционирования 55
2.3. Моделирование кинетики износа для различных типов нефтехимического оборудования 60
2.4. Моделирование и индивидуальное прогнозирование интенсивности отказов нефтехимического оборудования с учетом его технического состояния 67
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ С ПОВЕРХНОСТИ ГОРЯЧИХ ПРОЛИВОВ 77
3.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения работ 77
3.2. Исследование кинетических параметров процесса стационарного испарения опасных веществ в политермических условиях 79
Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА НЕСТАЦИОНАРНОГО ИСПАРЕНИЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ С ПОВЕРХНОСТИ ГОРЯЧИХ ПРОЛИВОВ 101
4.1. Дифференциальная постановка задачи теплообмена 102
4.2. Вариационная постановка задачи теплообмена 104
4.3. Дискретизация задачи 105
4.4. Вывод разрешающих соотношений для двумерной задачи теплообмена 106
4.6. Моделирование процесса массообмена при испарении с поверхности горячих проливов
4.6. Разработка программного обеспечения для моделирования процесса нестационарного испарения 111
Выводы по главе 4 120
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ОБЪЕКТОВ НЕФТЕХИМИИ 122
5.1. Модели и методы определения количественных характеристик техногенного воздействия на объекты окружающей среды 122
5.1.1. Некоторые особенности определения количественных показателей экологического риска 122
5.1.2. Модели для прогнозирования зон действия поражающих факторов при реализации опасностей 126
5.2. Разработка программного комплекса для оценки экологического риска химико-технологических объектов 131
5.3. Некоторые результаты оценки негативного воздействия на окружающую среду объектов нефтехимии на примере производства стирола 140
5.4. Прогнозирование экологического риска для группового источника опасности в различных условиях функционирования оборудования с применением адекватных моделей испарения 145
Выводы по главе 5 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 154
- Концепция экологического риска применительно к условиям функционирования нефтехимических производств
- Разработка метода и модели для оценки и индивидуального прогнозирования основных характеристик надежности нефтехимического оборудования
- Описание экспериментальной установки и методики проведения работ
Введение к работе
Эксплуатация производственных объектов нефтехимического комплекса, концентрирующихся преимущественно в крупных городах, сопряжена с опасностью их активного воздействия на экологическое состояние окружающей среды как в нормальных (штатных) режимах функционирования, так и при возможных ситуациях, не предусмотренных действующими технологическими регламентами (залповые, массированные выбросы опасных химических веществ). Обеспечение приемлемого уровня экологической безопасности объектов нефтехимии может быть достигнуто путем прогнозирования опасностей и их проявлений на основе концепции риска — наиболее эффективного инструмента противодействия негативному техногенному влиянию на окружающую среду.
Системный подход к прогнозированию риска эксплуатации производственных объектов предполагает одновременный учет как штатного (систематического) риска, обусловливающего эволюционный характер изменения качества окружающей среды, так и нештатного риска вследствие проявлений возможных инцидентов с кризисным характером экологических нарушений [1-7].
Оценка риска при нормальных условиях функционирования объекта — достаточно изученный вопрос [8-21] и успешно осуществляется как при проектировании, так и на стадии его эксплуатации (процедуры ОВОС, тома ПДВ,ПДСит.д.).
Менее изученной является процедура оценки нештатного риска, связанного с нерегламентированными выбросами и сбросами опасных химических веществ. В то же время исследованиями ряда авторов [1, 3-6] показано, что уровень опасности при возникновении инцидентов значительно выше уровня опасности от объекта, функционирующего при нормальном режиме. Поэтому именно оценки нештатного риска представляют наибольший интерес в качестве меры экологической опасности, порождаемой техногенным объектом.
Из приведенного соотношения следует, что прогноз уровня экологической опасности связан как с частотным анализом, так и с прогнозом ущерба при создании нестандартной ситуации (рассмотрим оба эти этапа оценки экологического риска отдельно).
Существующие модели и методы количественной оценки риска не всегда позволяют адекватно оценить вероятность возникновения инцидентов на объектах нефтехимических производств по следующим причинам:
• объективная сложность объектов химического профиля вообще и нефтехимического в частности — человеко-машинных систем, обусловливающая принципиальную невозможность точной количественной априорной оценки их параметров;
• индивидуальность и специфичность оборудования нефтехимических производств.
Объекты нефтехимического комплекса являются одними из наиболее сложных в практике количественно анализа риска и вместе с тем наиболее привлекательными модельными системами для исследования и прогнозирования экологической безопасности. Это объясняется большими энергетическим и токсическим потенциалами, комбинированностью аварий, сочетанно-стью воздействия различных поражающих факторов, многокомпонентностью составов рабочих сред, взаимным влиянием соседних объектов и др. Индивидуальность и специфичность нефтехимических производств проявляется в том, что одни и те же типы оборудования (колонное, емкостное, теплообменное, технологические трубопроводы и т.д.) эксплуатируются в условиях различных температур и давлений, в средах с различной коррозионной активностью, отличаются конструктивным и материальным исполнением, режимами нагружения. Все это предопределяет виды, закономерности и глубину повреждающих процессов и, следовательно, сугубо индивидуальное техническое состояние опасного объекта.
Необходимо отметить, что техническое состояние объекта, в свою очередь, формирует изменяющиеся во времени условия его функционирования. Это дополнительно осложняет прогнозную оценку риска и разработку управляющих воздействий на объект с целью снижения экологической нагрузки на окружающую среду при возникновении опасных событий. Весомость этого обстоятельства значительно возрастает при частотном анализе риска в условиях функционирования изношенного оборудования, особенно оборудования, исчерпавшего проектный ресурс.
Таким образом, прослеживается первый аспект проблемной ситуации, а именно необходимость проведения частотного анализа риска для конкретного объекта с учетом его специфики, текущего технического состояния и условий функционирования, определяемых протеканием деградационных процессов при длительной эксплуатации, с одной стороны, и пробелы в существующих методах априорной оценки вероятности возникновения инцидентов на объекте, с другой.
Для прогнозирования экологических последствий проявления инцидентов на нефтехимических производствах (т.е. определения второго члена в уравнении (1)) важную роль играют модели испарения опасных веществ со свободной поверхности проливов. Они позволяют охарактеризовать интенсивность поступления в окружающую среду паров токсичной или легковоспламеняющейся жидкости, обусловливающую силу токсического или взрывного воздействия. В известных немногочисленных и разноречивых моделях испарения не принимается во внимание специфичный для нефтехимических объектов нестационарный характер испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов, что дополнительно снижает достоверность прогнозных оценок риска.
Налицо существование и второго аспекта проблемной ситуации - необходимость осуществления объективной оценки экологических последствий промышленного контакта объектов нефтехимии с окружающей средой с учетом условий функционирования технологического оборудования и дефицит существующих моделей испарения, применяемых для математического описания инцидентов, связанных с выбросами опасных химических веществ.
Таким образом, существует двуединая проблемная ситуации, существенно затрудняющая комплексную оценку воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды.
В связи с этим разработка подходов и исследования по комплексной оценке воздействия нефтехимических производств на человека и окружающую среду, ориентированных на учет реального технического состояния и условий функционирования технических устройств, с применением количественных показателей риска и методов моделирования и компьютерной поддержки принятия решений, предпринятые в настоящей работе, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка методов, моделей, алгоритмов и программных средств для количественной оценки негативного воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды при различных условиях функционирования технологического оборудования.
Для достижения указанной цели были сформулированы и решены задачи обоснования, разработки и исследования:
• концепции экологического риска применительно к условиям функционирования объектов нефтехимии; • метода и модели для вероятностного прогнозирования характеристик надежности технологического оборудования, необходимых для оценки риска, с учетом преобладающего типа повреждающих процессов;
• метода моделирования и кинетических моделей процесса износа для различных типов оборудования в реальных условиях функционирования;
• индивидуального прогнозирования в системе «человек-машина-среда» на основе вышеуказанных методов и моделей частотного фактора риска для различных типов оборудования;
• физического и математического моделирования процессов стационарного и нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов в условиях различной подвижности воздушной среды с целью оценки воздействия на персонал, население и окружающую сре ду;
• разработаны модели изотермической кинетики испарения ряда опасных веществ с поверхности проливов в широком диапазоне скоростей обтекания воздушным потоком с выявлением критической скорости обтекания;
• разработана математическая модель нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов, предназначенная для оценки воздействия токсических и/или ударно-волновых нагрузок на человека и окружающую среду.
Практическая ценность. Установлены основные факторы экологического риска при эксплуатации нефтехимических производств. Разработаны методики оценки экологического риска, основанные на комплексном учете специфики, индивидуальной нагруженности и реального технического состояния оборудования. Методики позволяют повысить достоверность прогнозных оценок риска и на их основе улучшить качество управляющих решений по снижению негативных воздействий (на человека и окружающую среду), порождаемых нефтехимическими объектами. Применение методик особенно эффективно в процедурах частотной оценки риска для оборудования, исчерпавшего свой проектный ресурс и поэтому являющегося источником повышенной экологической опасности.
Разработаны программные комплексы «FORS» и «VAPOUR» для моделирования и прогнозирования экологического риска на объектах нефтехимии с учетом условий их функционирования и специфики технического состояния. Они позволяют пополнить арсенал программных средств для решения задач управления экологической безопасностью нефтехимических производств на основе современных информационных технологий.
Результаты исследований реализованы при анализе, количественной оценке и выработке рекомендаций по снижению риска на ряде крупных предприятий Западного Урала (ЗАО «Сибур-Химпром», ОАО «Метафракс», ООО «Лукойл-Пермнефтеоргсинтез»), а также используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности «Машины и аппараты химических производств» Пермского государственного технического университета.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Метод прогнозирования частотного фактора экологического риска;
2. Метод моделирования и кинетические модели износа для различных типов нефтехимического оборудования;
3. Модели изотермической кинетики испарения опасных веществ с поверхности проливов при различной подвижности воздушной среды;
4. Модель нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов;
5. Комплексное моделирование экологического риска, порождаемого объектами нефтехимии.
Структура работы предопределена решаемыми задачами и включает введение, 5 глав и заключение. В первой главе приведен анализ состояния проблемы оценки воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды с использованием показателей риска в двух аспектах: частотная оценка экологического риска и оценка возможных последствий проявлений инцидентов на объектах нефтехимии. Вторая глава посвящена разработке метода частотной оценки экологического риска с учетом условий функционирования нефтехимического оборудования. В третьей главе приведены результаты моделирования кинетики испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов при различных скоростях воздушного потока. В четвертой главе рассматривается математическое описание процесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов с применением численного метода конечных элементов. В пятой главе приведены результаты комплексного моделирования и прогнозирования экологического риска для группового источника опасностей с учетом изменяющихся во времени условий функционирования технологического оборудования и изученной кинетики испарения опасных веществ из проливов на примере производства стирола.
Концепция экологического риска применительно к условиям функционирования нефтехимических производств
Обращающиеся в производствах токсичные продукты второго класса опасности (бензол, жидкие продукты пиролиза и др.) при разгерметизации оборудования могут создать угрозу формирования и дрейфа токсичных волн, глубина и площадь заражения которыми будут определяться как массой выброса, так и атмосферными условиями. Попадание токсикантов в окружающую среду может сопровождаться как острыми поражениями человека и других представителей биоты, так и отдаленными последствиями (канцерогенез, мутагенез, подавление адаптивных систем и др.).
Наличие реакционной аппаратуры с протекающими в ней экзотермическими процессами при температуре до 200 С и давлением 32 МПа (например, процесс гидроформилирования), а также большое количество насосного и компрессорного оборудования предопределяют повышенную потенциальную опасность нефтехимических производств.
Характерный для технологических процессов нефтехимии многокомпонентный состав рабочих сред, отличающихся, как правило, повышенной токсичностью, горючестью и воспламеняемостью, может приводить к соче-танному воздействию поражающих факторов.
К комплексу отмеченных выше рискообразующих факторов следует отнести, на наш взгляд, и изношенность технологического оборудования, обусловленную протеканием в нем повреждающих (деградационных) процессов и накоплением предельных уровней повреждений в условиях длительной эксплуатации. Изношенность формирует техническое состояние оборудования и экстремальные условия его функционирования по мере приближения параметров этого состояния к границам поля допуска. По данным [3,6] износ оборудования объектов нефтехимии достигает 80%, так как в ряде случаев оборудование эксплуатируется свыше 30 лет. Как будет показано далее, износ является серьезным рискообразующим фактором, способным существенно осложнить решение экологических проблем нефтехимических производств.
Не останавливаясь подробно на анализе преинцидентных событий, отметим, что все они подробно описаны, систематизированы и достаточно широко представлены в отечественных и зарубежных источниках [4-7, 22-30, 33]. Это такие события, как отказы оборудования, отклонения от технологических режимов, ошибки персонала и чрезвычайные внешние события.
В зависимости от свойств веществ, погодных условий, а также от характера разгерметизации оборудования и особенностей размещения его на производственной площадке возможны следующие типы проявления инцидентов на объектах нефтехимии: взрыв, пожар пролива, сгорание облака в виде огненного шара, дрейф взрывоопасного облака, распространение токсо-волн.
Согласно нашим предварительным исследованиям наибольшую опасность для персонала объекта с точки зрения поражающих факторов представляет воздушная ударная волна, образующаяся при сгорании взрывоопасного облака. Травмирование людей и разрушение зданий и технологического оборудования ударной волной взрыва может наблюдаться в радиусе свыше 160 м. Ударно-волновые нагрузки могут вызвать дополнительные выбросы горючих веществ и реализацию режима «домино». Тепловое излучение пожаров проливов, огненных шаров также представляет серьезную опасность для персонала объектов.
Результаты расчетов рассеивания взрывоопасных облаков указывают на их возможность распространяться и воспламеняться на значительных расстояниях от первоначального места образования — до 1200 м. В результате эпицентр взрыва облака может находиться далеко за пределами производственной площадки.
Значительные зоны поражения образуются при авариях, связанных с выбросами опасных химических веществ и сопровождающихся дрейфом токсичных волн.
Рис. 1 иллюстрирует распределение токсодозы при проявлении инцидента на резервуаре хранения бензола в составе одного из нефтехимических предприятий г. Перми. Инцидент сопровождается залповым выбросом бензола с образованием и дрейфом токсичного облака. При расчете токсического воздействия приняты наиболее неблагоприятные условия рассеивания облака бензола (степень вертикальной устойчивости атмосферы — инверсия, скорость ветра 1 м/с). Из этого рисунка видно, что зона поражения по средне-смертельной токсодозе составляет 1230 м и выходит за пределы производственной площадки, а порог поражения наблюдается на расстоянии 4.8 км и при южном и юго-восточном ветрах достигает территории соседнего предприятия.
На рис. 2 приведены зоны распределения концентрации бензола в атмосферном воздухе. Как видно из рисунка, десятикратное превышение пре-дельно допустимой концентрации бензола (ПДКрз = 5 мг/м ) будет наблюдаться на расстоянии 11 км от эпицентра выброса и выйдет далеко за пределы промышленной зоны, достигая при юго-западном ветре микрорайона Ба-латово. Проведенные нами расчеты свидетельствуют, что ПДКР 3. бензола будет превышена на расстоянии вплоть до 43 км. Таким образом, при неблагоприятных условиях рассеивания токсичного облака весь город Пермь окажется в зоне превышения ПДКрз. Что же касается безопасной ПДК в атмо-сферном воздухе (1.5 мг/м ), то это значение будет достигнуто только через 100 км.
Разработка метода и модели для оценки и индивидуального прогнозирования основных характеристик надежности нефтехимического оборудования
Технологическое оборудование объектов нефтехимии, как правило, является мелкосерийным, характеризуется индивидуальной нагруженностью и, как следствие, индивидуальным техническим состоянием. Поэтому объективный прогноз частоты возникновения инцидентов, а также связанной с ней эксплуатационной надежности нефтехимического оборудования может быть обеспечен только при учете информации о его техническом состоянии.
Следует заметить, что учет технического состояния особенно актуален в процедурах частотного анализа риска для оборудования, длительное время находящегося в эксплуатации. Именно на этой стадии жизненного цикла технологического оборудования игнорирование уровня повреждений, накопленных в процессе его длительной эксплуатации, существенно искажает результаты оценки риска, снижает их ценность и не способствует разработке корректирующих воздействий на опасный объект.
Для раскрытия сути этого положения необходимо прежде всего определиться в используемых ниже понятиях и терминах.
Согласно [57] оценка технического состояния оборудования осуществляется по параметрам технического состояния (далее ПТС), обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию в соответствии с нормативно-технической и конструкторской документацией.
Параметры технического состояния в процессе эксплуатации изменяются под воздействием повреждающих (деградационных) процессов (коррозии и эрозии, старения металлов, усталости и т.д.). Значения ПТС в каждый момент времени определяют стадию деградационного процесса, а стадия де-градационного процесса, в свою очередь, — техническое состояние объекта.
В течение всего срока службы объект может находиться в одном из нескольких состояний [58, 59]: исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном и предельном, при котором дальнейшее применение его по назначению или восстановление исправного (работоспособного) состояния недопустимо или нецелесообразно.
Многообразие нефтехимического оборудования (колонное, емкостное, резервуары и т.п.), используемых рабочих сред и условий эксплуатации, широкий диапазон изменения рабочих параметров и режимов нагружения предопределяют виды основных повреждающих процессов и требуют применения для моделирования и индивидуального прогнозирования характеристик надежности, а также частоты опасных событий различных ПТС, а также различных критериев предельного состояния.
В оборудовании нефтехимических производств можно выделить следующие основные виды повреждающих процессов[60]:
коррозионные повреждения;
деградация (старение) механических свойств материалов;
изменение геометрии элементов оборудования;
образование и развитие макродефектности.
Параметрами, определяющими техническое состояние оборудования при протекании отмеченных выше деградационных процессов, являются соответственно:
толщина стенки;
твердость материала, пределы текучести и прочности, ударная вязкость и др.;
диаметры и длины элементов, характеристики смещения кромок, угловатости, овальности, локального деформирования и т.д.;
координаты местоположения макродефектов (объемных и трещиноподобных), их форма, размеры, количество и т.д.
Вероятность отказа оборудования, обусловленную как внутренними повреждающими процессами, так и внешними силовыми воздействиями, имеющими статистическую природу, в настоящее время оценивают с привлечением методов статистической механики и математического моделирования [61-63]. Однако модели отказов, основанные на полном описании многообразия этих сложных пространственно-временных стохастических процессов, требуют обширной дорогостоящей информации и утрачивают свою практическую ценность при прогнозировании деградационных процессов с целью управления риском.
В этой связи представляется целесообразным использовать индивидуальный подход к моделированию частотных характеристик риска, ориентированный на конкретный или преобладающий тип повреждающего воздействия.
Анализ отказов оборудования оболочкового типа свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора [64-67]. Коррозионные повреждения обусловливают переход данного оборудования в предельное состояние. При этом на долю общей равномерной коррозии приходится до 28% отказов. Значительное количество отказов обусловлено коррозионным растрескиванием — 24%, межкристаллитной коррозией — 15%, питтинговой коррозией — 14%, коррозионно-механическим износом — 7%, эрозионной коррозией — 7%, другими видами коррозии — 6%.
Описание экспериментальной установки и методики проведения работ
Основным элементом установки является испаритель (поддон 1) с размерами в плане 10x40 мм и глубиной 10 мм. Испаритель выполнен из песчано-цементной смеси и облицован снаружи слоем асбеста 2, заключенного в металлический кожух 3, что позволяло моделировать реальные условия процесса испарения. Для герметизации стенки и днище испарителя были покрыты тонким слоем силикатного стекла. Съемная крышка 4 позволяла сформировать русло потока при обдувании зеркала жидкости воздухом (в опытах с неподвижной воздушной средой съемная крышка не использовалась). Убыль массы жидкости в процессе ее испарения контролировали с точностью 0.005г с помощью электронных весов 10. Температуру слоя жидкости измеряли малоинерционным электронным термометром 5 с точностью ±0.5 С. Подаваемый компрессором воздух очищали от масляного тумана в фильтре 6 и подавали в буферную зону испарителя через распределительную сетку 7, обеспечивающую выравнивание скорости потока по сечению испарительной камеры. Расход воздуха регулировали игольчатым вентилем 8 и контролировали камерной диафрагмой 9.
Политермический режим испарения обеспечивался за счет естественного охлаждения горячего пролива от начальных температур, близких к температурам кипения, до комнатной температуры. Этот прием, а также отмеченные выше конструктивные особенности испарителя позволяли максимально приблизить условия эксперимента к реальным условиям испарения проливов.
Навеску испытуемой жидкости нагревали в отдельной печи до заданной температуры и переводили в испарительную камеру, установленную на весы 10. В опытах фиксировали изменение массы жидкости т и ее температуры t во времени т. Опыты проводили до полного испарения жидкости. Скорость набегающего воздушного потока варьировали в пределах от 0 до 3.5 м/с.
Предварительными опытами была установлена максимальная степень заполнения испарительной камеры жидкостью, позволяющая работать без брызгоуноса при повышенных скоростях воздуха.
Влияние подвижности воздушной среды на показания весов в изученном диапазоне ее изменения было несущественным. Тем не менее, этот фактор был учтен при обработке результатов эксперимента.
