Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опасности при эксплуатации автозаправочной станции с мультипродуктовыми топливораздаточными колонками 13
1.1 Факторы, вляющие на безопасность автозаправочной станции 14
1.1.2 Влияние потерь нефтепродукта автозаправочной станции на ее безопасность 19
1.2 Статистика и причины возникновения аварий на автозаправочных станциях 24
1.3 Требования к безопасной эксплуатации автозаправочных станций 35
1.4 Анализ применения трехмерного моделирования в системе предупреждения и ликвидации аварийных ситуаций 43
Выводы по первой главе 47
2 Объект и методы исследования 48
2.1 Объект исследования 48
2.2 Методы исследования 50
2.2.1 Методика оценки количества остатка жидкой фазы сжиженного углеводородного газа 50
2.2.2 Измерение температуры сжиженного углеводородного газа в подземном резервуаре автозаправочной станции 51
2.2.3 Метод анализа и оценки риска 52
2.2.4 Метод оценки образования застойных зон и взрывоопасной топливно-воздушной смеси 53
3 Оценка образования взрывоопасных паров сжиженного углеводородного газа на автозаправочной станции 55
3.1 Оценка потерь и образования топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа в технологическом процессе автозаправочной станции
3.1.1 Оценка потерь сжиженного углеводородного газа по существующим методикам 56
3.1.2 Анализ существующих методик для расчета потерь сжиженного углеводородного газа 63
3.2 Исследование состояния сжиженного углеводородного газа в оборудовании автозаправочной станции 70
3.2.1 Оценка изменения давления в резервуаре сжиженного углеводородного газа при открытии предохранительного клапана 70
3.2.2 Определение количества остатка жидкой фазы в оборудовании после полного слива сжиженного углеводородного газа 71
3.2.3 Измерение температуры в подземном резервуаре хранения сжиженного углеводородного газа 88
3.3 Разработка методики оценки потерь и образования топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа в технологическом процессе автозаправочной станции 91
3.3.1 Определение плотности сжиженного углеводородного газа и давления в оборудовании 91
3.3.2 Определение количества остатка жидкой фазы в оборудовании при полном сливе сжиженного углеводородного газа 93
3.3.3 Определение потерь сжиженного углеводородного газа при заправке транспортного средства 96
3.3.4 Оценка потерь и образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на автозаправочной станции по разработанной методике 96
Выводы по третьей главе 108
4 Оценка опасности эксплуатации автозаправочной станции с мультипродуктовыми топливораздаточными колонками 109
4.1 Оценка программных продуктов 3D-моделирования для визуализации аварий на интегрированной автозаправочной станции 109
4.2 Оценка риска гибели людей на интегрированной автозаправочной станции 115
4.3 Оценка условий безопасной эксплуатации интегрированной автозаправочной станции 133
4.3.1 Определение зон застоя на территории интегрированной автозаправочной станции 133
4.3.2 Оценка образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси на площадке мультипродуктовых топливораздаточных колонок 140
Выводы по четвертой главе 143
5 Повышение безопасной эксплуатации автозаправочной станции с мультипродуктовыми топливораздаточными колонками 144
5.1 Алгоритм повышения безопасной эксплуатации интегрированной автозаправочной станции 144
5.2 Рекомендации по снижению образования взрывоопасной топливно воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на интегрированной
автозаправочной станции 146
5.3 Оценка эффективности мероприятий по снижению образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на интегрированной автозаправочной станции 152
5.4 Рекомендации по снижению риска аварии на площадке мультипродуктовых топливораздаточных колонок 156
Выводы по пятой главе 160
Выводы 161
Сокращения и условные обозначения 164
Список литературы 165
- Требования к безопасной эксплуатации автозаправочных станций
- Оценка потерь сжиженного углеводородного газа по существующим методикам
- Оценка риска гибели людей на интегрированной автозаправочной станции
- Оценка эффективности мероприятий по снижению образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на интегрированной автозаправочной станции
Требования к безопасной эксплуатации автозаправочных станций
Потери нефтепродукта (бензин, дизельное топливо, СУГ) из оборудования – это источники взрывоопасной ТВС - образуются на стадиях технологического процесса АЗС: слив, хранение, техническое обслуживание (ТО) и ремонт, заправка транспортного средства. Выбросы и выделения нефтепродукта из оборудования, в экономической сфере, представляют собой потери для поставщиков топлива, за счет которых формируется потеря прибыли для предприятия, а в сфере пожарной и промышленной безопасности являются источником взрывоопасной ТВС на территории АЗС [17,51]. В работе [52] показано, что в сфере транспорта, хранения и распределения потери нефтепродуктов составляют около 2% от объема добываемой в стране нефти.
Потери нефтепродукта делятся на группы [52…57]: - естественные (качественно-количественные), связанные с изменениями физико-химических свойств нефтепродукта - испарением и несовершенством традиционных способов предотвращения потерь; - эксплуатационные (количественные), связанные с несовершенством технологических операций из-за утечек, проливов, неполного слива, подтекания, переполнения и нарушения герметичности технологического оборудования; - аварийные, возникающие вследствие повреждения оборудования в результате непредвиденных ситуаций и загазованности территории [25].
Известны случаи, когда потери СУГ являлись источником возникновения аварии. Во Франции в 1964 г. при взятии проб из наземного резервуара хранения топлива произошла утечка СУГ. При дросселировании жидкой фазы СУГ через сливной кран произошло его замерзание и заклинивание, что привело к загазованности прилегающей территории и послужило причиной крупной аварии.
В Австрии в 1969 г. при открытии спускной линии резервуара хранения топлива, который считался пустым, образовалось облако паров СУГ с дальнейшим воспламенением.
При заполнении резервуара в Канаде в 1957 г. произошел перелив СУГ и образовался пролив, с дальнейшим испарением в облако паров и возгоранием [53].
Исследованиям потерь нефтепродукта посвящены работы Абузовой Ф.Ф., Константинова Н.Н., Бронштейн И.С., Коршака А.А., Шаммазова А.М., Александрова А.А., Бахтизина Н.Т., Черникина В.И., Сальникова А.В., Попова З.А., Матвеева Ю.А. и др., в которых достаточно подробно рассмотрены процессы образования и выброса паров жидкого моторного топлива (ЖМТ) из-за «больших» и «малых» дыханий, а также способы их сокращения.
В связи с развитием газомоторной отрасли и увеличением численности объектов снабжения транспортных средств СУГ в России, значительный интерес представляют потери СУГ на АЗС. Развитие газомоторной отрасли за последние 10-15 лет способствовало совершенствованию оборудования АЗС СУГ. На смену механическим заправочным установкам пришли электронные ТРК, усовершенствовались измерительные приборы, ужесточились требования к системам автоматизации и требования пожарной безопасности при отпуске СУГ [49,58]. Эти изменения во многом улучшили показатели работы объектов газоснабжения, но существовавшая проблема автогазозаправочного комплекса, наличие технологических потерь СУГ и их объективная оценка, остается нерешенной.
Исследованиям процессов фазовых превращений и образования потерь СУГ из технологического оборудования посвящены работы Руднева В.П. [53,59], в которых подробно описаны причины их образования, однако недостаточно исследованы потери СУГ в технологическом процессе АЗС.
Для определения потерь СУГ в технологическом процессе АЗС на территории России и Содружества Независимых Государств в настоящее время широко используются методики, изложенные в [37…39]. Эти методики обладают единым подходом – расчетом потерь СУГ в технологическом процессе АЗС, но имеют разные методы расчета, не учитывают особенности используемого на АЗС оборудования (конструкция, расположение) и технологических операций: слив; заправка транспортного средства и отражают не все потери, что снижает адекватность оценки образования ТВС СУГ. СУГ, в отличие от бензина и дизельного топлива, находится в оборудовании под относительно высоким давлением - давлением насыщенных паров до 1,6 МПа, для которого не характерны «малые» и «большие» дыхания, вызванные испарением. В связи с чем, даже небольшие утечки, могут вызвать образование взрывоопасной ТВС на территории АЗС.
Интенсивность истечения СУГ из оборудования в атмосферу зависит от размера отверстий, его формы, давления в оборудовании и фазового состояния СУГ [19,53]. Изучение закономерностей истечения СУГ представляет практический интерес, так как они позволяют определить временные процессы образования взрывоопасной ТВС СУГ [60].
Существенное влияние на величины потерь СУГ в технологическом процессе АЗС оказывают особенности сливных операций. Слив СУГ из АЦ в резервуар хранения топлива выполняется с использованием двух рукавов: рукав выравнивания давления между резервуарами (рукав выравнивания давления); сливной рукав для перемещения жидкой фазы СУГ между резервуарами (рисунок 1.5).
Оценка потерь сжиженного углеводородного газа по существующим методикам
Безопасная эксплуатация АЗС обеспечивается техническими и организационными мероприятиями, регламентируемыми в России нормативно-правовыми актами в области пожарной [49,50,83] и промышленной безопасности [66,84…86].
Для повышения безопасности АЗС предусматриваются мероприятия, направленные на снижение образования ТВС и негативных последствий при возникновении аварии.
В качестве обязательных требований, направленных на снижение и предотвращение образования ТВС, а также обеспечение (контроль) концентрации ТВС на территории многотопливной АЗС, не превышающей взрывоопасной, предусматриваются [49,50,74]: - использование АЦ с управляемыми донными или скоростными клапанами для уменьшения истечения топлива из сливного рукава; - автоматическое отключение ТРК при переполнении топливного бака транспортного средства ЖМТ; - предотвращение выхода топлива из заправочного рукава (шланга) при ее разрыве из-за механического повреждения транспортным средством; - использование газоуравнительной системы между резервуарами для защиты от «малых» дыханий; - оснащение площадки АЦ СУГ, заправочных островков (площадка для установки транспортного средства при заправке) газоанализаторами, обеспечивающими световую и звуковую сигнализацию при достижении концентрации паров СУГ 20% от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР); - ежегодное обучение и проверка знаний работников АЗС по безопасному проведению технологических операций.
В виде рекомендаций для снижения и предотвращения образования, а также обеспечения концентрации ТВС, не превышающей взрывоопасной, могут применяться [49,67,87]: - рециркуляция паров бензина при сливе АЦ в резервуар хранения АЗС для защиты от «больших» дыханий; - улавливание, охлаждение и возврат паров бензина в резервуар хранения АЗС при «больших» дыханиях; - рециркуляция паров бензина при заправке транспортного средства для защиты от паров бензина при наполнении топливного бака.
В качестве обязательных требований для снижения (ослабления) негативных последствий при возникновении аварии на многотопливной АЗС предусматриваются [42…46,49]: - обеспечение противопожарного расстояния между оборудованием АЗС и до объектов защиты; - оборудование участка слива и хранения топлива АЗС системой водяного орошения; - запрет одновременного нахождения АЦ СУГ и АЦ ЖМТ на территории многотопливной АЗС; - приостановка операций по заправке транспортного средства и запрет нахождения водителей и пассажиров на территории многотопливной АЗС при сливе топлива из АЦ в резервуар хранения АЗС; - применение для хранения топлива только подземных резервуаров; - ежегодное обучение и проверка знаний работников АЗС по порядку реагирования при аварии. В работе [23] отмечается, что существующие типы АЗС: АЗС ЖМТ; АЗС СУГ; многотопливная АЗС характеризуются различной степенью риска аварии обусловленной, как конструктивными и объемно-планировочными решениями, так и особенностями их размещения по отношению к окружающим объектам. АЗС компонуются технологическими системами разных производителей, которые могут иметь отличные друг от друга объемно планировочные и конструктивные решения. В связи с чем, для безопасной эксплуатации АЗС предусматриваются специфические требования, регламентированные технико-эксплуатационной документацией [42…46]. Следует отметить, что при использовании существующих технологических систем предусматривается раздельная установка ТРК ЖМТ и ТРК СУГ с обеспечением расстояния между ними не менее 4 м.
Для примера, на рисунке 1.12 представлен план расположения зданий и сооружений многотопливной АЗС, рекомендуемый производителями технологических систем GT-7 Кузполимермаш и FAS.
Оценка риска гибели людей на интегрированной автозаправочной станции
Измерение температуры СУГ в подземном резервуаре хранения топлива АЗС осуществлялось с помощью электронного термометра автоматической системы измерения ПМП-200, установленной в подземном резервуаре в период с января по декабрь 2011 года.
Система ПМП-200 предназначена для измерения уровня жидкой фазы и температуры СУГ в резервуаре хранения топлива АЗС (рисунок 2.3).
Конструкция системы ПМП-200: 1-корпус; 2,3-электронные платы; 4-направляющая труба; 5-магниточувствительные датчики уровня; 6-датчики температуры; 7-поплавок; 8-опорный магнит. Измерение температуры выполнялось в 8-ми точках (6), расположенных равноудалено друг от друга по высоте штока уровнемера (4). Данные температуры с 8-ми точек усреднялись, и выдавалось показание температуры в резервуаре.
При анализе температурного режима в резервуаре хранения топлива АЗС получены данные о средней температуре СУГ по высоте резервуара с периодом обновления (интервалом) - 1 мин. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения температуры системы ПМП-200 составляет: ±0,50С.
Для выявления причинно-следственных связей между неблагоприятными событиями и оценки вероятности наступления этих событий при аварии на АЗС применялось логико-графическое дерево событий. Метод построения дерева событий позволяет проследить развитие возможных сценариев аварии, возникающих вследствие реализации события, инициирующего аварию на основе вероятностного подхода [19,75].
Применение вероятностного подхода к оценке риска позволяет получать достоверные результаты при использовании объективных статистических данных об авариях [23].
При построении и анализе логического дерева событий учитывались положения [75]: - выбиралась авария, которая может повлечь дальнейшее ее развитие; - развитие аварии рассматривалось постадийно с учетом места ее возникновения на объекте, уровня потенциальной опасности стадии (на основе расчета поражающих факторов), возможности ее локализации и ликвидации. Для моделирования аварии на основе дерева событий и оценки риска аварии на АЗС использовались исходные данные: - частота возникновения аварии, определенная из статистических данных; - статистические вероятности развития аварии по различным ветвям деревьев событий; - ожидаемое количество людей, находящихся на территории АЗС и вблизи нее.
Для количественной оценки частоты возникновения и вероятности развития по различным ветвям аварии применялись обобщенные сведения, полученные на основании обработки статистических и литературных данных об авариях на АЗС.
Прогнозирование поражающих факторов аварии и количественная оценка риска поражения людей при аварии на АЗС проводились согласно [70,71].
Метод оценки образования застойных зон и взрывоопасной топливно-воздушной смеси Моделирование движения атмосферного воздуха, определение зон застоя и оценка образования взрывоопасных паров топлива на площадке мультипродуктовых ТРК выполнялись с применением CFD-технологии, основанной на численном моделировании. Численное моделирование осуществлялось с использованием программного продукта Flow Vision (лицензия № FRM 00195 от 24.12.2007г.).
В качестве параметров метода численного моделирования в программном продукте FlowVision использована стандартная k- модель турбулентности для течения вязкого газа, в которую входят уравнения: энергии; конвективно-диффузионного переноса концентрации примеси; Навье-Стокса, основанной на консервативных схемах расчета нестационарных уравнений в частных производных [47]. Консервативные схемы расчета нестационарных уравнений в частных производных позволяют получить достоверную информацию о пространственном распределении скорости, концентрации, давления и температуры вещества (или воздуха) в реальном режиме времени [47]. Распределение скорости ветра по высоте при движении атмосферного потока задается в соответствии со степенным законом:
Оценка эффективности мероприятий по снижению образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на интегрированной автозаправочной станции
Для повышения безопасной эксплуатации интегрированной АЗС проводилась разработка мероприятий по снижению образования и улучшению рассеивания ТВС СУГ на территории АЗС, а также по снижению риска гибели людей при аварии.
Алгоритм повышения безопасной эксплуатации интегрированной автозаправочной станции Анализ пожаровзрывоопасности АЗС выполненный в главе 1, показал, что ее безопасная эксплуатация определяется целым рядом факторов: климатическими условиями, объемно-планировочными и конструктивными решениями, режимом выполнения технологических операций (периодичностью, длительностью), количеством взрывоопасных паров топлива и др. На основе выделения общей структуры проведенных исследований, описанных в главе 4, в настоящей работе предложен алгоритм выбора мероприятий для повышения безопасной эксплуатации интегрированной АЗС (рисунке 5.1).
При этом выделено: оценка условий безопасной эксплуатации АЗС, включающая выявление участков, в которых могут образовываться и накапливаться пары топлива, оценка возможности образования концентрации ТВС, превышающей 0,2 НКПР; разработка научно-обоснованных мероприятий для повышения безопасной эксплуатации, направленных на снижение образования (сокращение потерь) и улучшение рассеивания взрывоопасных ТВС СУГ на территории АЗС, предотвращение и «смягчение» последствий аварии, повышение оперативности реагирования сил и средств для ликвидации аварии.
По предложенному алгоритму (рисунок 5.1) осуществлялось обоснование мероприятий, направленных на повышение безопасной эксплуатации интегрированной АЗС. Рекомендации по снижению образования взрывоопасной топливно-воздушной смеси сжиженного углеводородного газа на интегрированной автозаправочной станции
Расчет величин потерь и ТВС СУГ, выполненный на основе разработанной методики, показал, что размеры взрывоопасной зоны паров СУГ при выполнении технологических операций, могут достигать зоны присутствия работников АЗС. Количество взрывоопасных паров при заправке транспортного средства СУГ незначительно. Моделирование образования взрывоопасных паров бензина и СУГ в программном продукте FlowVision показало, что концентрация ТВС на площадке ТРК в режиме «штатной» эксплуатации не достигла взрывоопасной. Из-за нарушения техники безопасности в процессе заправки транспортного средства и опорожнения сливного рукава, риск гибели человека работника, превысил допустимый.
Для снижения образования ТВС СУГ на территории АЗС предложены мероприятия – технические решения, направленные на совершенствование технологического оборудования и операций. На рисунке 5.2 представлена структурная схема влияния предложенных мероприятий на снижение образования в атмосфере ТВС СУГ при выполнении технологических операций.
В качестве мероприятий по снижению образования ТВС СУГ на территории АЗС предложено внедрить электронный уровнемер, компрессор или вакуумный насос, систему возврата СУГ из заправочного пистолета и «переходника» в газоотделитель ТРК.
Применение электронного уровнемера на АЦ и резервуаре хранения топлива АЗС позволяет производить автоматический контроль уровня жидкой фазы, не выполнять технологические операции: ПАТВЗСС1 С.3УГ ; ПАТВЗСС1 С.4УГ (таблица 3.20) и ликвидировать потери СУГ на этих операциях.
Современные уровнемеры позволяют производить измерение уровня жидкой фазы СУГ в резервуаре с погрешностью ± 1 мм [144].
Использование компрессора для выполнения сливных операций или вакуумного насоса для откачки паров из оборудования сокращает потери СУГ на технологических операциях ПАТВЗСС1 С.1УГ; ПАТВЗСС1 С.2УГ; ПАТВЗСС1 С.2УГ; ПАТВЗСС3 С.1УГ; ПАТВЗСС3 С.3УГ; ПАТВЗСС3 С.5УГ; ПАТВЗСС3 С.6УГ (таблица 3.20) и позволяет обеспечить [128,129]:
Откачка паровой фазы СУГ из оборудования компрессором или вакуумным насосом приводит к снижению давления (разрежению) и испарению жидкой фазы. Во избежание деформации технологического оборудования при откачке из него паровой фазы СУГ величина остаточного избыточного давления в оборудовании должна быть не ниже давления упругости насыщенных паров наиболее летучего компонента СУГ – пропана (при температуре – 500С), которая составляет 0,069 МПа [53].
Для снижения образования ТВС СУГ на операции ППТВОСТРС4У.Г1 (таблица 3.20) - заправка транспортного средства, предложена система возврата СУГ из заправочного пистолета и «переходника» в газоотделитель ТРК, представленная на рисунке 5.3.
Система возврата СУГ в газоотделитель ТРК: 1, 9, 12 – трубопроводы; 2- первый электромагнитный клапан; 3 – фильтр; 4 – газоотделитель; 5 – расходомер; 6 – второй электромагнитный клапан; 7 – заправочный трубопровод; 8 – заправочный пистолет; 10 – третий электромагнитный клапан Согласно предложенной системе подвод СУГ в ТРК осуществляется по трубопроводу (1). Регулирование движения СУГ по трубопроводу (1) осуществляется электромагнитным клапаном (2). Открывается электромагнитный клапан (2) и через фильтр (3) СУГ поступает в газоотделитель (4), в котором отделяется паровая и жидкая фаза СУГ. Паровая фаза СУГ отводится из газоотделителя (4) по трубопроводу (12), откуда, в дальнейшем поступает в резервуар хранения. Жидкая фаза СУГ через расходомер (5) и электромагнитный клапан (6) поступает по заправочному трубопроводу (7) на заправочный пистолет (8). При завершении процесса заправки транспортного средства электромагнитный клапан (6) замедляет скорость движения СУГ в заправочном трубопроводе (7) во избежание гидравлического удара. После завершения процесса заправки транспортного средства включается вакуумный насос (11), открывается электромагнитный клапан (10) и производится отсос (возврат) СУГ из заправочного пистолета (8) по трубопроводу (9) в трубопровод (12).