Введение к работе
Актуальность темы исследования. Нефтегазовая отрасль России – наиболее конкурентоспособная отрасль национальной экономики. Природный газ является одним из приоритетных экспортных товаров России.
Вместе с тем, обращение большого количества горючего газа на объектах нефтегазового комплекса создаёт угрозу возникновения аварийных ситуаций, связанных с его утечкой и воспламенением. Последствия таких аварий могут привести к человеческим жертвам и большому материальному ущербу, поэтому вопросы максимально достоверной оценки возможных аварийных ситуаций и их последствий являются актуальными и имеют важное значение для обеспечения пожаровзрывобезопасности производственных объектов. В соответствии с СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» принята методика классификации зданий и сооружений по категориям взрыво- и пожаро-опасности, в зависимости от которых определяются мероприятия по обеспечению их безопасности в случае возможного пожара и взрыва. В основе методики лежит расчётное определение величины избыточного давления взрыва газовоздушной смеси, которое в значительной степени зависит от коэффициента Z (участия горючего в горении). Расчётное определение этого коэффициента опирается на математическую модель, описывающую распределение газа в объёме помещения при аварийной утечке. До настоящего времени в качестве такой математической модели, описывающей распределение любых газов в замкнутых объёмах, рассматривается распределение Гаусса. Однако, принятая методика имеет ряд ограничений и допущений. Например, принятая модель распространения горючих газов (ГГ) в помещениях справедлива только до момента касания взрывоопасным объёмом ограждающих конструкций, взрывоопасный объем рассчитывается только на момент наибольшего размера, не учитываются параметры, влияющие на степень турбулизации газа, не учитывается время с момента утечки газа. Эти ограничения и допущения значительно уменьшают возможности по решению важных прикладных задач, в частности, категорирова-ния зданий и сооружений по взрывопожарной опасности, и проведения экспертной оценки возможных последствий аварийных взрывов газо-воздушных смесей, что обуславливает актуальность темы диссертационной работы.
Степень разработанности темы исследования. Вопросами формирования локальных взрывоопасных облаков в разное время занимались многие специалисты. Значительный вклад в исследования образования взрывоопасных смесей большого объёма и их сгорания в условиях свободного и ограниченного пространстве внесли работы В.И. Макеева. В работах А.Н. Баратова, В.А. Пче-линцева, А.Г. Никитина, Х. Стина, Д.С. Бургеса и др. показано, что при аварий-
ном поступлении ГГ и паров легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в локальном взрывоопасном объёме содержится лишь часть от всего поступившего газа, а не весь газ, как было принято ранее. В работах И.М. Смолина, Л.П. Вог-мана и других авторов предложен расчётный метод определения полей концентраций ГГ и паров ЛВЖ при аварийных утечках в помещениях на основе модели Гаусса. Вопросы оценки последствий сгорания газо-воздушных смесей при их воздействии на здания и сооружения рассмотрены в научных исследованиях А.А. Комарова. На основе результатов научных исследований А.Я. Корольчен-ко, Ю.Н. Шебеко, Л.П. Вогмана, В.А. Пчелинцева, И.С. Молчадского были разработаны основные положения современной системы категорирования зданий и сооружений по взрывопожарной и пожарной опасности. Дальнейшее развитие эта тема получила в работах Г.В. Васюкова, в которых на основе экспериментальных исследований была предложена математическая модель распространения пропан-бутана при его аварийных утечках, а также метод определения коэффициента участия пропан-бутана в горении, учитывающий количество газа только при взрывоопасных концентрациях.
Однако, до настоящего времени, несмотря на значительные достижения в этой области исследований, уделено недостаточно внимания вопросам образования взрывоопасных объёмов газа после достижения границами взрывоопасного объёма ограждающих конструкций, учёту влияния турбулизации газа и времени от момента начала утечки на величину взрывоопасного объёма.
Целью диссертационной работы являлась разработка алгоритма расчётного определения коэффициента Z участия метана в горении при авариях в производственных помещениях, учитывающего влияние параметров формирования метано-воздушных смесей в производственных помещениях.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
– на основе анализа аварий со сгоранием метано-воздушных смесей в производственных помещениях выявить характерную величину утечек газа;
– разработать в программной среде Matlab алгоритм расчёта концентраций метана на основе модели турбулентной диффузии;
– создать экспериментальную установку и методику проведения опытов по определению минимального значения коэффициента турбулентной диффузии для метана;
– разработать алгоритм расчётного определения коэффициента Z участия метана в горении при авариях в производственных помещениях.
Объект исследования: процесс формирования взрывоопасных метано-воздушных смесей при авариях в производственных помещениях.
В качестве предмета исследования рассматривалось влияние параметров формирования метано-воздушных смесей (объем выброса, расход метана, коэффициент турбулентной диффузии, время с момента утечки) на величину коэффициента Z участия метана в горении.
Информационной основой исследования являлись отечественные, зарубежные нормативные документы и литературные источники, материалы расследования пожаров, происшедших в России и других странах, в том числе с аварийными взрывами метано-воздушных смесей, материалы научно-исследовательских работ по теме диссертации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе экспериментальных данных по распространению концентрации метана в замкнутом объёме и численного интегрирования уравнения диффузии определено минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии.
-
На основе модели турбулентной диффузии в программной среде Matlab разработана программа для ЭВМ по расчёту концентрации метана в производственных помещениях.
-
Разработан алгоритм определения коэффициента Z участия метана в горении при авариях в производственных помещениях, учитывающий объем выброса, расход метана, коэффициент турбулентной диффузии и время с момента утечки.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
– в обосновании численного значения коэффициента турбулентной диффузии для метана в воздухе при отсутствии подвижности воздушной среды для описания процесса распределения концентраций метано-воздушных смесей;
– в использовании разработанной программы для ЭВМ с целью оптимизации проведения расчётов по распределению концентраций метано-воздушных смесей в производственных помещениях;
– в использовании разработанного алгоритма определения коэффициента Z для определения категории производственных помещений по взрывопожарной и пожарной опасности, а также экспертных оценок возможных последствий аварийных взрывов метано-воздушных смесей.
Применение на практике разработанного алгоритма определения коэффициента Z позволит расширить границы применения методики по определению коэффициента Z участия горючих газов в горении, что позволит более точно оценивать пожаровзрывоопасность производственных помещений с метаном и оптимизировать мероприятия по обеспечению их пожарной безопасности.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы использованы методы теории подобия и математического моделирования, физического и вычислительного экспериментов, наблюдения, сравнения, определение эмпирических зависимостей на основе экспериментальных данных, описания, обобщения.
Положения, выносимые на защиту:
-
Анализ аварий со сгоранием метано-воздушных смесей в производственных помещениях.
-
Алгоритм расчёта концентраций метана в программной среде Matlab на основе модели турбулентной диффузии.
-
Экспериментальная установка и методика проведения опытов по определению минимального значения коэффициента турбулентной диффузии для метана.
-
Алгоритм расчётного определения коэффициента Z в производственных помещениях для метана.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается: использованием современных приборов и измерительной аппаратуры, обеспечивающих достаточную точность измерений основных контролируемых параметров: погрешность измерений объёма метана составляла не более 3 %, концентраций метана не более 1,5 %; воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью одноименных величин, полученных в результате экспериментов и численного моделирования.
Материалы диссертации реализованы при:
– проведении оценки пожарной опасности производственных помещений: отделения риформинга, узла технического учёта газа, блока подготовки технологического газа (объектов обустройства Дулисьминского НГКМ «Строительство газохимического комплекса»), 2015 г.;
– описании и обосновании конструктивных решений зданий и сооружений, включая пространственные схемы, принятые при выполнении расчётов строительных конструкций для проекта «Организация производства ХПФДА и Мяг-чителя М-2», 2015 г.;
– проведении экспертной оценки причин и последствий пожара со взрывом газо-воздушной смеси в производственных помещениях, произошедшего 30 ноября 2013 г. по адресу: г. Москва, ул. Тополевая аллея, д. 10;
– разработке лекций и проведении практических и семинарских занятий по дисциплине процессы горения в Академии ГПС МЧС России, 2015 г.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены на: Международных научно-практических конференциях молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013-2015 гг.); Международных научно-технических конференциях «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013-2015 гг.); 24-й Международной научно-технической конференции «Системы безопасности» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014 г.); Конференциях молодых учёных и специалистов МЧС России «Актуальные проблемы обеспечения комплексной безопасности и пути их решения» (г. Воронеж, Воронежский институт ГПС МЧС России, 2013; г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС России, 2014); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Воронеж, Воронежский институт ГПС МЧС России, 2013); Научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы системной безопасности» (г. Елец, Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина, 2014); Международной межвузовской
научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности (г. Москва, Московский государственный строительный университет, 2014); Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство, инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, Московский государственный строительный университет, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Содержание работы изложено на 159 страницах текста, включает в себя 5 таблиц, 36 рисунков, список литературы из 104 наименований.