Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие и интенсификация промышленных производств в современных условиях неизбежно ведет к возрастанию числа аварий и масштабов последствий, связанных с неконтролируемым выбросом токсичных или взрывоопасных веществ в атмосферу. В связи с этим возникает необходимость использования научно-обоснованных подходов для обеспечения безопасности людей. Главной составной частью управления промышленной безопасностью является анализ риска аварий, который предполагает получение количественных оценок потенциальной опасности промышленных объектов.
Раздел «Анализ риска» является ключевым разделом декларации безопасности, планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций, паспортов промышленной безопасности и другой документации, необходимость разработки которой обусловлена существующим законодательством. Результаты анализа риска также используются при экспертизе промышленной безопасности, страховании, экономическом анализе безопасности по критериям "стоимость-безопасность-выгода", оценке воздействия хозяйственной деятельности на окружающую природную среду и при других процедурах, связанных с анализом безопасности.
Наиболее сложной задачей при оценке степени риска промышленных объектов является определение зон распространения опасных веществ при их аварийных выбросах. Процессы тепломассообмена и гидродинамики, протекающие при развитии аварии, характеризуются сильной нестационарностью, вызванной резкими изменениями во времени градиентов температуры, плотности, а также интенсивности поступления газа в атмосферу. К тому же существенное влияние на картину распределения токсичных или взрывоопасных газов могут оказывать сложный рельеф местности и наличие препятствий в виде промышленных зданий, сооружений и технологического оборудования.
Существующие в настоящее время стандартные методики для оценки зон распространения опасных веществ обладают рядом ограничений. Прежде всего это касается учета рельефа местности и промышленной застройки. Основу данных методик составляют полуэмпирические и полуаналитические модели, значительно упрощающие реальную физику процессов, поэтому создание методики, которая бы позволяла учитывать все значимые факторы и явления окружающей среды, является актуальной проблемой.
Цель работы:
-
разработка методики расчета образования и распространения облаков тяжелых газов при авариях на объектах химической и нефтехимической промышленности, позволяющей учитывать сложность рельефа местности, а также наличие препятствий в виде промышленных зданий, сооружений и элементов технологического оборудования;
-
выявление закономерностей поведения тяжелых газов при наличии перепада высот и препятствий.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Построить математическую модель распространения тяжелых газов с учетом сложного рельефа местности и промышленной застройки.
-
Разработать и реализовать модели испарения сжиженных газов и многокомпонентных смесей в естественных условиях, в том числе и в случае возмущающего воздействия зданий, сооружений и технологического оборудования.
-
Провести численные эксперименты по распространению тяжелых газов при наличии различного рода особенностей рельефа местности и препятствий.
Метод решения.
Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на ЭВМ при помощи вычислительного комплекса FLUENT.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций обеспечена применением современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных законах сохранения, а также удовлетворительным согласованием расчетных результатов с опубликованными в открытой печати данными натурных экспериментов.
Научная новизна
-
Разработана научно-обоснованная методика оценки зон распространения опасных веществ при залповых и продолжительных аварийных выбросах, включающая в себя комплекс моделей для описания процессов возникновения и рассеяния облаков тяжелых газов с учетом свойств веществ, эффектов плавучести (архимедовых сил), сложного рельефа местности и промышленной застройки. Построенные математические модели позволяют определять массовый поток паров с поверхности аварийного разлития сжиженного газа или многокомпонентной жидкости и прогнозировать распространение паровоздушных облаков в приземном слое атмосферы.
-
На основе результатов проведенных численных экспериментов установлено, что при расположении источника выброса на наклонной подстилающей поверхности и слабом ветре, направленном вверх по склону, возникает движение газа против ветрового потока с образованием зон высокой загазованности значительной протяженности с наветренной стороны источника. Получена верхняя оценка скорости ветра, при которой движение тяжелого газа против ветра невозможно.
-
Установлено, что устойчивость атмосферы существенно влияет на распределение тяжелого газа вблизи здания, в частности, при инверсии с подветренной стороны препятствия наблюдается высокая загазованность, тогда как при изотермии таковая отсутствует. Решение задачи распространения тяжелого газа вблизи одиночного здания с использованием стандартной и RNG k- моделей турбулентности позволило установить, что турбулентные напряжения оказывают второстепенное влияние на распределение газа в условиях застройки.
-
Разработана методика определения опасной скорости ветра с учетом свойств опасного вещества и нестационарности источника выброса.
Практическая значимость работы.
Предлагаемый комплекс моделей может использоваться для получения количественных оценок потенциальной опасности промышленных объектов при составлении декларации промышленной безопасности, паспортов безопасности, разработке мероприятий по защите персонала и населения, планов локализации и ликвидации последствий аварийных ситуаций, при проектировании химически опасных объектов, при обосновании выбора места расположения операторной и защищенных пунктов управления.
Методика и программная система использовались при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций для склада готовой продукции ОАО «Татнефтегазпереработка», парка хранения аммиака и цеха гидроочистки средних дистиллятов ОАО «Нижнекамскнефтехим», при анализе риска объектов нефтяных месторождений, при разработке паспортов промышленной безопасности для хлораторных ОАО «Альметьевск-Водоканал».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы были представлены:
на межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства» (г. Нижнекамск, 14-16 апреля 2004г.);
на 18-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18» (г. Казань, 31 мая-2 июня 2005г.);
на всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 16-18 мая 2005г.);
на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы образования, науки и производства» (г. Нижнекамск, 13-14 апреля 2006г.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы составляет 227 страниц, включая 17 таблиц, 49 рисунков. Библиографический список использованной литературы содержит 135 наименований.
