Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опасностей нефтеперерабатывающих предприятий 7
1.1 Опасности технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий 7
1.2 Статистика аварий, произошедших на объектах нефтепереработки 14
1.3 Аварии с возникновением эффекта «Домино» 20
Выводы по главе 1 23
2 Воздействие ударной волны на объекты нефтеперерабатывающих предприятий 24
2.1 Оценка устойчивости объектов к воздействию ударной волны 24
2.1.1 Действие ударной волны на промышленные здания и сооружения 26
2.1.2 Действие ударной волны на технологическое оборудования 29
2.2 Моделирование поражающих факторов взрыва 37
2.2.1 Определение ожидаемого режима взрывного превращения 37
2.2.2 Детонация газовых и гетерогенных ТВС 42
2.2.3 Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС 43 Выводы по главе 2 44
3 Методика оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок 46
3.1 Технологическая схема установки ЭЛОУ-АВТ 47
3.2 Энергетический потенциал взрывоопасное 49
3.3 Определение минимальных расстояний между аппаратами 50
3.4 Оптимизация расположения аппаратов 55
3.4.1 Постановка задачи оптимизации расположения аппаратов 55
3.4.2 Оптимизация при наличии ограничений 57
3.5. Адаптация алгоритма для оптимизации расположения технологических аппаратов и производственных зданий сложной формы 61
3.6. Определение ориентации расположения технологических аппаратов и производственных зданий 62
Выводы по главе 3 67
4. Оценка риска развития эффекта «домино» технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий 68
Выводы по главе 4 78
Общие выводы 79
Список использованных источников
- Опасности технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий
- Статистика аварий, произошедших на объектах нефтепереработки
- Оценка устойчивости объектов к воздействию ударной волны
- Технологическая схема установки ЭЛОУ-АВТ
Введение к работе
Согласно статистике, последние 20 лет нынешнего века принесли 56%, а одни лишь 80-е годы 33% от наиболее крупных происшествий в промышленности и на транспорте. При этом ущерб от аварийности и травматизма достигает 5-10% от валового национального продукта промышленно развитых государств, а загрязнение окружающей природной среды и несовершенная техника безопасности являются причиной преждевременной смерти 20-30% мужчин и 10-20% женщин 191.
Авариям на нефтеперерабатывающих предприятиях характерны большие объемы выброса взрывопожароопасных веществ, образующие облака топливно-воздушных смесей, разливы нефтепродуктов и как следствие -пожары, взрывы, разрушение соседних аппаратов и целых установок.
При существующих принципах размещения технологического оборудования, когда однотипные аппараты объединяются в блоки (блок теплообменников, блок электродегидраторов, блок колонн), разбиение на технологические блоки, согласно ПБ 09-540-03, не имеет смысла. Потому, что оборудование соседних технологических блоков оказывается в зоне воздействия поражающих факторов некоторой критической величины, при которой происходит его разгерметизация и возникает эффект «домино».
Необходим такой подход к размещению технологического оборудования, при котором исключается воздействие поражающих факторов критической величины на соседнее оборудование в случае возникновения аварийной ситуации. Под критической величиной поражающих факторов понимается такой уровень воздействия на аппарат, при котором возможна его разгерметизация, что является условием для возникновения эффекта «домино».
Цель работы
Разработка научно-методических основ безопасного расположения технологического оборудования для предотвращения возникновения эффекта «домино» при аварии с последующим взрывом облака парогазовой смеси.
Задачи исследования
Сбор и анализ статистической информации по техногенным авариям в нефтегазовой отрасли.
Оценка воздействия ударной волны на технологическое оборудование установок нефтеперерабатывающих предприятий.
3. Разработка алгоритма и метода расчета безопасного расположения
оборудования.
Научная новизна
1 Сформулирована и решена задача оптимизации безопасного
расположения технологического оборудования с учетом технологических
связей, показателей опасности и устойчивости к воздействию поражающих
факторов. При таком расположении исключается воздействие поражающих
факторов критической величины на соседнее оборудование в случае
возникновения аварийной ситуации и таким образом предотвращается
возникновение эффекта «домино».
2 Определены критерии безопасного расположения оборудования. В
качестве критерия незащищенности j-ro аппарата предлагается принять
вероятность его полного разрушения в случае взрыва облака ПГФ при
разгерметизации любого аппарата установки. Критерий опасности аппарата -
это вероятность того, что в случае взрыва облака ПГФ при аварийной
разгерметизации і-го аппарата произойдет полное разрушение хотя бы одного j-
го аппарата из числа т. С использованием данных критериев проведено
сравнение уровня опасности и незащищенности оборудования при стандартном
и оптимальном безопасном расположении оборудования. Показано, что после
оптимизации расположения оборудования, для наиболее взрывоопасных
аппаратов, величина критерия опасности снижается до 204,68 раз и критерий
незащищенности этого оборудования снижается до 16,83 раз, для операторной
критерий незащищенности после оптимизации расположения оборудования
снизился в 47,03 раз.
З Введено понятие «центр энергопотенциалов» аппаратов технологической установки, приведен способ эго определения. Установлено, что наиболее безопасная ориентация объекта, находящегося вне зоны полных разрушений, такая, при которой ось объекта, по которой обеспечивается его наибольшая устойчивость к воздействию ударной волны взрыва, совпадет с линией соединяющей данный объект с «центром энергопотенциалов».
Практическая ценность
Результаты работы используются в научно-исследовательской работе кафедры «Машины и аппараты химических производств» при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС) опасных производственных объектов с целью определения наиболее опасных и подверженных воздействию поражающих факторов аппаратов технологических установок.
Опасности технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий
В настоящее время в мире насчитывается более 700 нефтеперерабатывающих заводов общей мощностью более 3,8 млрд. тонн в год. Технологические установки нефтеперерабатывающих заводов характеризуются большим количеством углеводородов, достигающим сотен тонн, температурами, превышающими температуры кипения, достигающими в некоторых случаях до 525С и давлением превышающим атмосферное в несколько раз. Для примера в таблице 1.1 приведены основные технологические параметры производств НПЗ /59, 62/.
Кроме технологических установок на НПЗ находятся товарные парки и склады реагентов, парки промежуточных продуктов, с необходимым для обеспечения непрерывности производства запасом сырья. В этом случае опасность объекта определяется количеством вещества и его физико-химическими особенностями, определяющими класс опасности вещества /66/. Склады и резерву-арные парки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей опасны возможностью пожаров пролива, так как при разрушении резервуара в обвалование и на прилегающую территорию выливается весь объем резервуара.
Технологические трубопроводы, соединяющие цеха и парки, отличаются значительной протяженностью (в отдельных случаях она достигает 42000 км. на одном предприятии), наличием запорной и запорно-регулирующей арматуры, фланцевых соединений, что является опасным, с точки зрения надежности этой сложной системы. Объем продукта в трубопроводах значительно ниже, чем в блоках технологических установок: от 0,6 м до 210 м на километр трубопровода, но вследствие большой протяженности объем разлившегося нефтепродукта, при аварии, может достигнуть катастрофических значений.
Основной технической проблемой, влияющей на безопасность эксплуатации опасных производственных объектов, является состояние основных фондов. Оборудование потенциально опасных химических, нефтехимических, неф-тегазоперерабатывающих производств изношено на 80 %. Кроме того, из-за перебоев с сырьем, низкой технологической и трудовой дисциплины и по другим причинам нарушаются регламентные режимы эксплуатации оборудования. Это приводит к снижению надежности и долговечности оборудования и в свою очередь - к повышению аварийности на производстве. В сложившихся, на сегодняшний день, экономических условиях предприятия вынуждены эксплуатиро вать оборудование до их частичного или полного выхода из строя.
Критический износ основных производственных фондов - один из главных факторов дестабилизации производств. Нерегулярный мониторинг и прогноз технического состояния оборудования, исчерпавшего нормативный ресурс, является одним из оснований для приостановки объектов. На рисунках 1.1 и 1.2 показано количество проведенных обследований и приостановленных объектов по данным Ростехнадзора.
Для снижения показателей аварийности и травматизма необходимо проводить регулярный мониторинг и прогноз технического состояния оборудования, исчерпавшего нормативный ресурс, а также постоянный контроль знаний персонала, непосредственно связанного с опасными объектами.
Причины возникновения аварийных ситуаций, по данным зарубежных источников и сведениям Ростехнадзора, связаны в основном с разгерметизацией технологического оборудования, выбросом и проливом взрывоопасных продуктов, загазованностью помещений и территории объекта.
Перерабатываемыми и промежуточными продуктами нефтепереработки являются воспламеняющиеся газы, горючие жидкости в парообразном, жидком и перегретом состоянии, при разгерметизации основных технологических аппаратов происходит мгновенный переход жидких углеводородов в парообразное состояние с образованием взрывоопасного облака, которое при наличии источника воспламенения может привести к взрыву, при разливе жидкой фазы - пожару пролива. Нефтепродукты являются потенциально опасными веществами -веществами, которые своими физическими, химическими, биологическими или токсикологическими свойствами, определяют опасность для жизни и здоровья людей.
Возможные сценарии развития аварийной ситуации и виды поражающих факторов, возникающих при этом, в значительной степени определяются свойствами и технологическими условиями использования веществ, обращающихся на технологической установке.
Резкой грани при рассмотрении опасных веществ используемых на производствах нефтеперерабатывающих заводах произвести нельзя, так как многие химические вещества и продукты обладают одновременно токсичными, и по-жаро- и взрывоопасными свойствами.
Статистика аварий, произошедших на объектах нефтепереработки
За последние несколько лет в мире было зарегистрировано большое число крупных пожаров и взрывов на крупных нефтегазоперерабатывающих заводах. Экстремальные ситуации, возникающие при авариях на таких предприятиях, как нефтеперерабатывающие заводы, зачастую сопровождаются значительным экономическим ущербом и оказывают чрезвычайно негативное психологическое воздействие на общество и мировые финансовые рынки. Данные аварии широко освещались в прессе, в связи с чем, появилась возможность для сбора статистической информации и последующего анализа. Далее приводятся наиболее заметные происшествия, произошедшие в период с 2000 по 2005 год в мире и динамика аварийности и смертей по данным Ростехнадзора.
18 августа 2000 года в районе Копотни на территории Московского неф 15 теперерабатывающего завода произошел крупный пожар пятой категории сложности. Загорелись три цистерны, в которых находилась солярка и мазут. Площадь пожара составила 400 квадратных метров. Жертв и пострадавших нет.
16 апреля 2001 года на северо-востоке Великобритании, в городе Грим-сбай на нефтеперерабатывающем заводе произошел взрыв, в результате которого на заводе возник пожар высшей категории. Пожар охватил значительную часть территории, где находились нефтепродукты и газ. По свидетельству местных жителей, взрыв был такой силы, что дома в радиусе 6 км качались как при землетрясении. Пожар ликвидировали десять пожарных команд. На заводе в момент взрыва находились девяносто девять рабочих и служащих. Легкие ранения получил один из рабочих предприятия и местный житель.
6 мая 2001 года в Румынии на принадлежащем российской нефтяной компании "ЛУКОЙЛ" нефтеперерабатывающем заводе "Петротел-ЛУКОЙЛ", возле города Плоешти, произошел крупный пожар. Огонь охватил один из резервуаров с бензином, в непосредственной близости от очага возгорания находились еще пять стационарных емкостей с горючим, технологические установки, поселок работников предприятия. Пожар был ликвидирован спустя 10 часов после его начала. Несколько пожарных получили легкие ожоги.
5 мая 2002 года на юге Польши в городе Тшебиня на нефтеперерабатывающем заводе в результате удара молнии в самый большой из резервуаров емкостью 10 тысяч тонн произошло его возгорание. При тушении пожара были ранены двое пожарных.
14 июня 2002 года в Ярославле на территории нефтеперерабатывающего завода произошел пожар в результате разлива и последующего взрыва отработанной низко концентрированной серной кислоты на установке производства и регенерации. Площадь пожара составила 150 квадратных метров. Пострадавших нет.
26 ноября 2002 года на крупнейшем в Марокко нефтекомбинате, который расположен в Мохаммедии, произошел пожар - взорвались склады с нефтью и горюче-смазочными материалами крупнейшей в стране нефтяной компа 16 ний "Самер". Причиной стало наводнение. Вода вытеснила нефть из нефтеперегонных резервуаров на комбинате, которая соприкоснулась с горячей аппаратурой и стала воспламеняться /74/.
21 февраля 2003 года в Нью-Йорке произошел пожар на нефтеперегонном заводе. Завод расположен в Порт-Мобил на острове Стейтен-Айленд, в 10 милях от Нью-Йорка. Огонь полностью охватил всю территорию завода, на котором ежедневно производится 55 тыс. галлонов бензина, а через терминал отгружается также и газ /78/.
Взрыв произошел не на самом заводе - во время перезаправки взорвалась баржа с газолином у нефтеналивного терминала завода. Вследствие этого возник пожар на заводе. В барже было ПО тысяч баррелей газолина. Завод принадлежит корпорации EXXON MOBIL, одной из крупнейших нефтяных компаний. В результате взрыва и пожара на нефтеперегонном предприятии два человека погибли.
4 мая 2003 года произошел взрыв и сильный пожар на нефтеперерабатывающем заводе в Польше. Загорелся огромный резервуар с нефтью. Три человека погибли. Причиной пожара стал мощный взрыв /77/.
20 октября 2003 года в Венесуэле на нефтеперерабатывающем заводе в г. Амуай (штат Фалькон) в результате утечки газа произошел мощный взрыв. В результате взрыва ранения получили два человека. Заводу нанесен значительный материальный ущерб (Завод в г. Амуай производит 70% всего потребляемого в Венесуэле бензина).
Оценка устойчивости объектов к воздействию ударной волны
При оценке воздействия ударной волны на какой-либо элемент объекта (здание, сооружение, оборудование, прибор и другие предметы) необходимо учитывать силу, возникающую в результате действия ударной волны, и реакцию элемента на действие этой силы. Реакция элемента выражается в виде деформации его конструкций. Значительные остаточные деформации приводят к полному или частичному их разрушению. Возможны перемещение или опрокидывание (сваливание), а также внутренние изменения в отдельных элементах объекта в результате его сотрясения /28/.
Динамическая нагрузка от воздействия ударной волны и закон ее изменения во времени зависят от места расположения рассматриваемого здания, сооружения (наземное, полузаглубленное, подземное, расположенное на склоне возвышенности и т.д.) или отдельного предмета, конструктивных особенностей элемента, его формы, размеров, прочностных характеристик, внутренней структуры, а также от параметров падающей ударной волны. Нагрузка от ударной волны на отдельные части элемента зависит от положения их относительно направления распространения ударной волны.
Если поверхность расположена параллельно направлению движения ударной волны, она не вызывает отражения волны и не испытывает действия скоростного напора. Поэтому нагрузка создается только действием избыточного давления воздушной ударной волны. При этом в большинстве практических случаев набеганием ударной волны пренебрегают и считают, что вся поверхность (пролет) конструкции сооружения загружается одновременно. Это допустимо, так как фронт ударной волны, двигаясь со сверхзвуковой скоростью, проходит пролет конструкции за весьма малое время, одну-две десятых от периода собственных колебаний конструкции.
Действие нагрузки от ударной волны, распространяющейся вдоль поверхности земли, можно разделить на нагрузки обтекания, определяемые глав ным образом максимальным избыточным давлением в ударной волне, и нагрузки торможения, возникающие под действием скоростного напора. В большинстве случаев все элементы испытывают действие обеих нагрузок, хотя для некоторых типов элементов одна из этих нагрузок может иметь более важное значение по сравнению с другой. В зоне действия головной ударной волны при воздушных взрывах наибольшие нагрузки возникают на поверхностях элементов, обращенных к взрыву.
Когда фронт ударной волны достигает преграды (например, передней стены сооружения), происходит отражение частиц воздуха волны и торможение масс движущегося воздуха. Давление на стену повышается от избыточного давления во фронте ударной волны ДРФ до избыточного давления волны отражения АРотр- По краям стены уплотненная масса воздуха немедленно после своего образования начинает обтекать стену. Из-за разницы давлений падающей и отраженной волнах возникает волна разрежения, распространение которой приводит к снижению давления на стену от значения АРотр до некоторого значения избыточного давления волны обтекания ДР0бт- Следовательно, первоначальная сила, действующая на преграду, уменьшается, так как, во-первых, снижается давление в массах воздуха, уплотненных волной у передней стены здания; во-вторых, волна, обтекая здание, оказывает давление на него сзади и с боков, а также, проникая внутрь здания через проемы, повышает давление воздуха внутри здания. При обтекании боковые и верхние (горизонтальные) поверхности зданий и сооружений начинают испытывать давление ударной волны. Нагрузка на эти поверхности будет равна избыточному давлению во фронте проходящей волны плюс нагрузка торможения. Эту нагрузку при расчетах можно принимать равной давлению в проходящей волне, так как нагрузка торможения за счет неровности (шероховатости) поверхности будет незначительной.
Во время процесса обтекания на переднюю (лобовую) стену сооружения действует избыточное давление и скоростной напор ударной волны. В результате разность давления на переднюю и заднюю части сооружения создает горизонтально направленную силу смещения, стремящуюся сдвинуть сооружение в направлении распространения ударной волны. Эта сила называется нагрузкой обтекания.
После того, как закончится процесс обтекания и элемент полностью погрузится в волну, результирующая горизонтальная нагрузка будет относительно небольшая, так как разность давлений на его передней (лобовой) и задней стенах незначительная и определяется целиком давлением скоростного напора на переднюю стену сооружения. Фактическое давление на всей стене сооружения превышает давление окружающей атмосферы и, хотя оно постепенно падает, эта разность давлений сохраняется до тех пор, пока не окончится положительная фаза действия ударной волны.
Технологическая схема установки ЭЛОУ-АВТ
Технологическая схема установки ЭЛОУ-АВТ приведена на рисунке 3.2 /25/. Подогретая в теплообменниках T-1/la, Т-1/2а, Т-1/16, Т-1/26 нефть I с температурой 120 - 140 С в электродегидраторах Э-1, Э-2, Э-3 подвергается термохимическому и электрообезвоживанию и обессоливанию в присутствии воды, деэмульгатора и щелочи.
Подготовленная таким образом нефть дополнительно подогревается в теплообменниках T-2/la, Т-2/2а, Т-2/За, Т-2/4а, Т-2/16, Т-2/26, Т-2/Зб и с температурой 220С поступает в колонну К-1. Сверху этой колонны отбирается фракция легкого бензина XV. Остаток III снизу колонны К-1 подается в печь П-1, где нагревается до 330С, и поступает в колонну К-2. Часть нефти из печи П-1 возвращается в колонну К-1 в качестве горячей струи. Сверху колонны К-2 отбирается тяжелый бензин XVII, а сбоку через отпарные колонны К-3 фракции VI (140—240, 240—300 и 300—350 С). Мазут IV снизу колонны К-2 подается в печь П-2, где нагревается до 420С, и поступает в вакуумную колонну К-5, работающую при остаточном давлении 60 мм рт. ст. Водяные пары, газообразные продукты разложения и легкие пары XIV сверху колонны К-5 поступают в барометрический конденсатор БК-1, несконденсировавшиеся газы отсасываются эжектором ЭЖ-1. Боковыми погонами колонны К-5 являются фракции VII, остатком - гудрон VIII. Бензины XV и XVII, получаемые из колонн К-1 и К-2, смешивают и отводят в стабилизатор К-4. Газ из газосепараторов Е-1, Е-2, Е-3 после компримирования подается в абсорбер К-6, орошаемый стабильным бензином V. Сухой газ XII сбрасывается к форсункам печей. Головной продукт стабилизации колонны К-4 направляется на ГФУ. Стабильный бензин подвергается защелачиванию в колонне К-6.
Энергетический потенциал взрывоопасности і-го аппарата Е; (кДж) определяется согласно ПБ 09-540-03 /56/, который определяется полной энергией сгорания парогазовой фазы, находящейся в блоке, с учетом величины работы ее адиабатического расширения, а также величины энергии полного сгорания испарившейся жидкости с максимально возможной площади ее пролива, при этом считается: - при аварийной разгерметизации аппарата происходит его полное раскрытие (разрушение); - площадь пролива жидкости определяется исходя из конструктивных решений зданий или площадки наружной установки; - время испарения принимается не более одного часа: Е=Е;+Е;+Е1П+Е;І+Е;І+Е; , (з.і) где Ej - сумма энергий адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы, непосредственно находящейся в блоке, кДж; Е\ - энергия сгорания парогазовой фазы, поступившей к разгерметизированному участку от смежных блоков, кДж; Е" - энергия сгорания, образующаяся за счет энергии перегрева жидкой фазы рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов, энергией сгорания парогазовой фазы, кДж; Е" - энергия сгорания парогазовой фазы, образующейся из жидкой фазы за счет тепла экзотермической реакций, не превращающихся при аварийной разгерметизации, кДж; Е" - энергия сгорания, образующаяся из жидкой фазы за счет тепло-притока от внешних теплоносителей, кДж; E" - энергия сгорания парогазового облака, образующаяся из пролитой на твердую поверхность жидкой фазы за счет теплоотвода от окружающей среды, кДж. /. Тротиловый эквивалент взрыва парогазовой среды W (кг), определяемый по условиям адекватности характера и степени разрушения при взрывах парогазовых облаков рассчитывается по формуле 3.2: где 0,4 - доля энергии взрыва парогазовой среды, затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; 0,9 - доля энергии взрыва тринитротолуола (ТНТ), затрачиваемая непосредственно на формирование ударной волны; z - доля массы парогазовых веществ, участвующих во взрыве, для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве принимается равным 0,1; q - удельная теплота сгорания парогазовой среды, кДж/кг; qT - удельная энергия взрыва ТНТ, кДж/кг; Е - энергопотенциал аппарата, кДж.
Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемыми радиусами R, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны АР и соответственно безразмерным коэффициентом К. Классификация зон разрушения приведена в таблице 3.1.
