Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов хранения сжиженного природного газа 12
1.1. Физико-химические свойства и показатели пожаровзрывоопасности сжиженного природного газа 12
1.2. Характеристика изотермических резервуаров для хранения СПГ с точки зрения их пожарной безопасности 16
1.2.1. Общая характеристика изотермических резервуаров 17
1.2.2. Двухоболочечный резервуар 27
1.2.3. Резервуар мембранного типа 34
1.3. Краткий обзор аварий с пожарами и взрывами на объектах с использованием сжиженных газов 39
1.4. Специфика пожарной опасности хранилищ СПГ 51
1.5. Анализ требований отечественных и международных нормативных документов, регламентирующих пожарную безопасность резервуаров для хранения сжиженных газов 61
1.6. Выбор направлений исследования 77
Глава 2. Качественный анализ типовых сценариев аварий на изо термических резервуарах хранения СПГ, приводящих к возникновению пожароопасных ситуаций и пожаров 80
2.1. Общая характеристика возможных сценариев пожароопасных аварий 80
2.2. Разрушение резервуара 88
2.3. Локальное разрушение резервуара 92
2.4. Разрушение трубопроводов жидкой фазы 94
2.5. Выброс паровой фазы из предохранительных клапанов 95
Глава 3. Методы оценки поражающих факторов аварий о пожарами и взрывами на изотермических хранилищах СПГ 97
3.1. Общие положения 97
3.2. Растекание и испарение жидкости 100
3.2.1. Скорость испарения 100
3.2'.2. Растекание жидкости при мгновенном проливе на не ограниченную поверхность 110
3.2.3. Растекание жидкости на неограниченную поверхность при длительном проливе с конечным расходом 113
3.3. Формирование и рассеяние в атмосфере газовых облаков, образующихся при проливах криогенных жидкостей и выбросах газа 114
3.4. Оценка поражающих факторов при горении и взрыве газопаровоздушных облаков 121
Глава 4. Расчет поражающих факторов пожара и взрыва при реализации аварийных ситуаций 126
4.1. Разрушение резервуара 127
4.1.1. Расчет размеров взрывоопасных зон (разрушение без воспламенения) 127
4.1.2. Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением) 129
4.1.3. Расчет радиуса воздействия избыточного давления в ударной волне при взрыве паровоздушного облака (разрушение с за держкой воспламенения) 130
4.2. Разрушение резервуара и пролив жидкости в обвалование 131
4.2.1. Расчет размеров взрывоопасных зон (разрушение без воспламенения) 131
4.2.2. Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением) 132
4.2.3. Расчет радиуса воздействия избыточного давления в ударной волне при взрыве паровоздушного облака (разрушение с задержкой воспламенения) 134
4.3. Разгерметизация трубопровода подачи СПГ в резервуар 134
4.4. Краткое обсуждение результатов и выводы 137
4.4.1. Разрушение резервуара и пролив жидкости за пределы обвалования 137
4.4.2. Разрушение резервуара и пролив жидкости в пределах обвалования 139
4.4.3 Разгерметизация трубопровода подачи СПГ в резервуар 141
4.4.4. Выводы 142
Глава 5. Требования пожарной безопасности к изотермическому хранилищу сжиженного природного газа 144
5.1. Общие положения 144
5.2. Требования к генеральному плану 145
5.3. Резервуарные парки изотермического хранения СПГ 149
5.4. Оборудование изотермического резервуара 154
5.5. Технологическая обвязка резервуаров 158
5.6. Технологические трубопроводы 161
5.7. Предохранительные устройства и системы защиты от повышения давления и образования вакуума. Факельные системы 162
5.8. Контроль и автоматизация 167
5.9. Противопожарная защита 171
Выводы .' 179
Список литературы
- Характеристика изотермических резервуаров для хранения СПГ с точки зрения их пожарной безопасности
- Локальное разрушение резервуара
- Растекание жидкости при мгновенном проливе на не ограниченную поверхность
- Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением)
Введение к работе
В настоящее время природный газ занимает во всем мире все более обширную область современной энергетики, газоперерабатывающей промышленности и при использовании в качестве моторного топлива. Это обусловлено, с одной стороны, его несомненными экологическими преимуществами по сравнению с твердым и жидким топливом (продукты сгорания природного газа содержат значительно меньше вредных продуктов) и, с другой стороны, существенно более крупными природными запасами этого продукта по сравнению, например, с нефтью. Однако физические свойства природного газа обуславливают определенные объективные трудности в его транспортировке от мест добычи (в нашей стране зачастую это труднодоступные северные районы Сибири или континентальный шельф северных морей) до потребителя, вызванные необходимостью строительства магистральных трубопроводов большой протяженности. Такое строительство является весьма дорогостоящим и технически не всегда возможным (например, при необходимости транспортировки природного газа по акватории морей и океанов). Для избежания указанных трудностей предлагается транспортировать не компримированныи, а сжиженный природный газ (СПГ), являющийся по своим физическим свойствам криогенной жидкостью. При этом технико-экономические показатели технологического процесса перевозки существенно повышаются по сравнению с традиционным трубопроводным транспортом (особенно в случае морских перевозок). Однако в данном случае требуется создание технологических установок по сжижению природного газа и, что наиболее важно, крупномасштабных хранилищ СПГ, единичные изотермические емкости которых могут вмещать до 200000 м продукта.
Столь большая концентрация СПГ, являющегося веществом с повышенной пожаров-зрывоопасностью, на относительно небольших площадях хранилищ обуславливает серьезную проблему обеспечения пожарной безопасности такого рода объектов, несмотря на то, что принятый по технологии изотермический способ хранения продукта (при температуре, близкой к температуре кипения, и давлении, незначительно отличающемся от атмосферного)
снижает уровень пожаровзрывоопасности по сравнению с хранением под давлением. При этом существующая в России (да и в других странах) нормативная база в области обеспечения пожарной безопасности существенно отстает от потребностей практики. Так, в России вопросы проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа регламентируются нормативным документом ВНТП 51.1-87 "Ведомственные нормы технологического проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные)". Уже в самом названии норм заложен их временный статус. Указанные нормы представляют собой результат первого опыта разработки отечественного нормативного документа по проектированию промышленных объектов, связанных с СПГ. ВНТП 51.1-87 установлен максимальный допустимый объем хранения продукта в наземных изотермических резервуарах 8000 м3 при единичной емкости резервуара не более 600 м3. При проектировании резервуаров с единичными объемами, превышающими вышеуказанные значения, предлагается руководствоваться рассматриваемыми нормами, однако в каждом конкретном случае проект должен согласовываться надзорными органами в установленном порядке. Достаточность мер пожарной безопасности, заложенных в стандартах NFPA-58, NFPA-59A и API2510 для изотермических хранилищ СПГ, применительно к условиям России также не вполне обоснована. Все это вызывает необходимость детальной научной проработки проблемы обеспечения пожарной безопасности крупномасштабных изотермических хранилищ СПГ.
Нельзя сказать, что в области пожарной безопасности объектов с наличием СПГ не проводились научные исследования. Здесь в первую очередь следует отметить работы В.И. Макеева, И.А. Болодьяна, В.П. Некрасова, B.C. Сафонова, Г.Э. Одишария. А.А. Швыряева, Г.М. Махвиладзе, А.П. Федотова, А.П. Чугуєва, Дж. Путтока, X. Никодема и других ученых разных стран. Ими оценены те или иные характеристики пожаровзрывоопасности продукта, рассмотрены вопросы испарения и горения проливов СПГ, формирования и сгорания облаков газовоздушных смесей, образующихся при испарении сжиженного природного газа, во-
просы оценки риска объектов газовой промышленности и некоторые другие проблемы. Однако не проведено детальной оценки пожаровзрывоопасности крупномасштабных изотермических хранилищ сжиженного природного газа, на основе которой могут быть разработаны комплексные мероприятия по их противопожарной защите. Этим и обусловлена актуальность темы диссертации.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является оценка пожарной опасности крупномасштабных изотермических хранилищ сжиженного природного газа и разработка на ее основе комплекса научно-обоснованных мероприятий по их противопожарной защите.
Для достижения поставленной цели в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:
детальный анализ технологических особенностей объектов изотермического хранения СПГ, и выявление наиболее типичных сценариев протекания пожароопасных аварий;
выявление и анализ физико-химических процессов, протекающих при авариях на изотермическом хранилище СПГ, и на их основе выбор совокупности параметров для количественной оценки пожарной опасности объекта;
выбор наиболее подходящих с точки зрения специфики объекта методов оценки поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами;
расчет величин поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами для типовых сценариев аварий;
выявление технологических и конструктивных элементов объекта, определяющих уровень его пожарной опасности;
разработка комплекса научно-обоснованных требований к системам предотвращения пожара и противопожарной защиты объекта.
Практическая значимость диссертации заключается в создании научных основ для нормирования по пожарной безопасности объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.
Результаты работы использованы при подготовке технических решений по обеспечению пожарной безопасности на стадии проектирования и строительства завода сжиженного природного газа (проект «Сахалин-2», компания «Сахалинская энергия»), при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объектов добычи и транспортировки газа на континентальном шельфе России (компания «Газфлот»), при разработке ГОСТ 12.3.047-98 "Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля" и НПБ «Пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей» (ВНИИПО МВД России), в учебном процессе (Академия государственной противопожарной службы МВД России, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина).
На защиту выносятся следующие основные положения:
Типовые сценарии аварий с пожарами и взрывами, определяющие пожаровзрыво-опасность изотермического хранилища сжиженного природного газа.
Перечень параметров для количественной оценки пожарной опасности изотермического хранилища СПГ.
Результаты количественной оценки величин поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами для типовых сценариев протекания аварий.
Результаты анализа технологических и конструктивных элементов крупномасштабного хранилища СПГ, определяющих уровень его пожарной опасности.
Комплекс научно-обоснованных мероприятий по предотвращению пожара и противопожарной защите изотермического хранилища сжиженного природного газа.
Материалы диссертации доложены на VI Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность в нефтегазовом комплексе" (г. Санкт-Петербург, 2000), Международ-
ной конференции INTERFLAM 2001 «Fire Science and Engineering Conference» и XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (г. Балашиха, ВНИИПО МВД России, 2001).
Основные результаты диссертации изложены в следующих печатных работах:
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ состояния проблемы.// Пожарная безопасность. -2000.-№2. - с. 86-96.
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ возможных аварий.// Пожарная безопасность. - 2000. - №3. - с. 43-50.'
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Процессы испарения и формирование по-жаровзрывоопасных облаков при проливе жидкого метана. Методика оценки параметров.// Пожарная безопасность. - 2000. - №4. - с. 108-121.
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Результаты расчета поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами.// Пожарная безопасность. - 2001. - №1. - с. 59-66.
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Основные требования пожарной безопасности к изотермическому хранилищу СПГ.// Пожарная безопасность. - 2001. - №2.- с.68-83.
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.// В кн.: Пожарная безопасность и охрана труда в газовой и химической промышленности. Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2000, с. 31-42.
Bolodian I.A., Shebeko Yu.N., Molchanov V.P., Deshevih Yu.I. et al. An estimation of fire and explosion hazard of large tanks for liquefied natural gas.//Proceedings of the 9-th International Conference on Fire Science and Engineering. Edinburgh, 2001, vol.2, p. 1309-1314.
Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожарная опасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.// в кн.: Крупные пожары: предупреждение и тушение. Материалы XVI научно-практической конференции. Часть 1. М.: ВНИИПО, 20011, с. 172-173.
Дешевых Ю.И. Принципы обеспечения пожарной безопасности изотермических хранилищ сжиженного природного газа.// В кн.: Пожарная безопасность объектов защиты. М.: ВНИИПО, 2001, с. 3-39.
Характеристика изотермических резервуаров для хранения СПГ с точки зрения их пожарной безопасности
Для оценки пожаровзрывоопасности изотермических резервуаров для хранения СПГ и проведения анализа соответствия их проектных и конструктивных решений требованиям нормативных документов необходимо детально рассмотреть конструктивные особенности резервуаров, их элементов и технологического оборудования, влияющие на возникновение аварийных ситуаций и в конечном счете на их пожарную безопасность.
Вначале дается общая характеристика изометрических резервуаров, а затем более подробно рассматриваются две наиболее широко применяемые в мировой практике модификации - двухоболочечный резервуар и резервуар мембранного типа. На основе этих моделей будет в последующих разделах работы проводиться оценка пожарной опасности объекта.
Общая характеристика изотермических резервуаров
Наиболее широкое распространение в мировой практике получили вертикальные цилиндрические изотермические резервуары хранения сжиженных газов [23, 37].
Конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров для низкотемпературного хранения сжиженных газов имеют ряд принципиальных отличий от конструкций широко применяющихся резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов по следующим показателям: - наличие теплоизоляции; - применение хладостойких материалов; - небольшое избыточное давление в резервуаре; - температурные деформации конструкций; - существенная зависимость экономичности тех или иных решений от экономии электроэнергии, затрачиваемой на восполнение хладопотерь; - значительное повышение требований к надежности конструкций, связанное со взры-во- и пожароопасностью, а также токсичностью некоторых видов хранимых продуктов.
Каждая из перечисленных особенностей выдвигает определенный круг задач, которые необходимо решить при проектировании и строительстве изотермических резервуаров. Так, теплоизоляцию необходимо защищать от атмосферных воздействий (особенно от влаги) как в период строительства, так и во время эксплуатации сооружения. Собственный вес теплоизоляции создает постоянную нагрузку на конструкции резервуара, что необходимо учитывать при проектировании. Несмотря на наличие теплоизоляции, возможны случаи промерзания конструкции. Это наиболее опасно в зоне опирання резервуара на фундамент. Для предотвращения промерзания между фундаментной плитой и основанием оставляют проветриваемое пространство или осуществляют подогрев нижней части фундамента.
При небольшом количестве продукта в резервуаре избыточное давление создает отрывающую силу по краям днища, что требует анкеровки.
Температурные деформации при заливе резервуара сжиженным газом и при выводе резервуара из эксплуатации вызывают необходимость их компенсации как в элементах металлоконструкций и врезок в резервуар, так и в элементах теплоизоляции.
К надежности конструкций изотермических резервуаров предъявляют повышенные требования, поэтому при их изготовлении и монтаже выполняют большой объем работ по контролю качества, особенно сварных соединений конструкций из хладостойких сталей. Для обеспечения безопасности в экстремальных ситуациях (разрушение несущих элементов, землетрясение и т.д.) иногда предусматривают специальные защитные железобетонные стены, кессоны с перегородками и др.
Вертикальные цилиндрические изотермические резервуары классифицируют по следующим признакам: - конструктивному исполнению стенок резервуара: одностенные, двухстенные, с внутренней мембраной; - конструктивному исполнению внутренней крыши: самонесущая и подвесная; - типу изоляции: экранная, пористая, засыпная, жесткая; - применяемому материалу: металлические, железобетонные, комбинированные.
Фундаменты вертикальных цилиндрических изотермических резервуаров, выполненные в виде железобетонной плиты, применяют в двух вариантах. Один из них - фундамент на сваях, который предусматривает устройство проветриваемого пространства между фундаментной железобетонной плитой и основанием. Иногда вместо свайного фундамента используют конструкцию, состоящую из верхней и нижней железобетонных плит, соединенных между собой колоннами. Другой вариант - фундамент из железобетонной плиты, лежащей непосредственно на основании, и система приспособлений для постоянного обогрева основания.
Локальное разрушение резервуара
Масштабы и последствия этой аварийной ситуации определяются расходом выбрасываемого продукта, что в первую очередь зависит от размера трещины (пробоины) во внешней оболочке.
На рис.2.2 показано дерево событий и основные параметры, определяющие пожаро- и взрывоопасность при разгерметизации внешней оболочки резервуара.
В случае, если трещина во внешней оболочке резервуара находится выше уровня жидкости, при разгерметизации происходит выброс паровой фазы продукта вместе с мелкодисперсным аэрозолем. При наличии источника зажигания возникает струйное горение, не сопровождающееся образованием ударных волн значительной интенсивности.
Если трещина во внешней оболочке резервуара находится ниже уровня жидкости, при разгерметизации происходит истечение жидкой фазы продукта с возможным образованием пролива у основания резервуара. В случае воспламенения наблюдается диффузионное горение пролива. При задержке воспламенения возможно также сгорание облака в режиме де-флаграции или детонации.
Рассматриваемая авария включает в себя случай перелива СПГ при наливе в резервуар при отказе системы управления. Данную аварийную ситуацию следует отнести к запроектной аварии. Причинами данной аварии могут являться события, изложенные в разделе 2.2. При разгерметизации подводящего (отводящего) трубопровода жидкой фазы во время наполнения (опорожнения) резервуара происходит утечка продукта с возможным последующим воспламенением.
Указанная авария является, по-видимому, наиболее распространенным типом проектной аварийной ситуации. На подобного рода объектах по статистике и расчетным данным частота события оценивается как 5-Ю"3 в год. Дерево событий в этом случае подобно нижней ветви дерева событий, представленного на рис.2.2.
Основным отличием такой аварии от описанных на рис. 2.1 и 2.2 является возможность ограничения выброшенной массы газа или жидкости за счет отсечки аварийных участков оборудования с помощью быстродействующей арматуры. При этом меняется сам характер протекания аварии, снижается ее масштаб, исчезают такие поражающие факторы как удар ная волна и тепловое излучение огненного шара, резко сокращаются времена существования аварийной ситуации и т.д.
Особую опасность данная аварийная ситуация представляет в случае, когда разгерметизация (разрушение) трубопровода (фланцевых соединений и т.п.) с жидкой фазой происходит над крышей резервуара. Возможное воспламенение пролива или диффузионное горение газа может оказать повышенное тепловое воздействие на крышу резервуара, что требует проведения компенсирующих защитных мероприятий.
Данную аварийную ситуацию следует отнести к проектным, и ее сценарий должен учитываться при проектировании системы противопожарной защиты железобетонной крыши внешнего резервуара. ,
Такая аварийная ситуация возможна при разгерметизации: ? трубопровода линии деаэрации; ? измерительной арматуры или насосного колодца; ? предохранительного клапана в результате отказа системы управления; ? вакуумного клапана.
Воспламенение высвободившихся паров приведет к образованию струйного горения паро-аэрозольной струи, которое может оказать повышенное тепловое воздействие на крышу резервуара, что требует проведения компенсирующих защитных мероприятий.
Данную аварийную ситуацию следует отнести к проектным, и ее сценарий должен учитываться при проектировании системы противопожарной защиты железобетонной крыши внешнего резервуара.
В специальных технических условиях для резервуара в качестве проектного рассматривается лишь сценарий пожара одного предохранительного клапана в результате отказа системы управления (предполагаемое время тушения - 6 часов).
Таким образом, в настоящей главе проведен качественный анализ типовых сценариев аварий на изотермических резервуарах хранения СПГ, приводящих к возникновению пожароопасных ситуаций. При этом выявлены основные особенности и условия их протекания, а также их опасные факторы. Далее на основе этого анализа будут рассчитаны величины указанных факторов и тем самым охарактеризована пожарная опасность рассматриваемого объекта.
Растекание жидкости при мгновенном проливе на не ограниченную поверхность
При проливе жидких криогенных веществ на твердую горизонтальную неограниченную поверхность растекание жидкостей происходит под действием силы тяжести. По мере увеличения площади разлития толщина слоя жидкости уменьшается, и в некоторый момент времени сплошной слой под действием сил поверхностного натяжения распадается на сфероиды и капли различного размера, которые продолжают движение в первоначальном направлении до полного испарения.
В общем случае на процесс растекания жидкости оказывают влияние силы сопротивления при движении и потери массы на испарение. Вместе с тем в первом приближении можно принять, что при пленочном режиме кипения, а именно такой режим испарения реализуется, как правило, при растекании , жидкость движется как бы на паровой подушке, т.е. практически без сопротивления. При таком упрощении задача определения максимального размера и времени растекания может быть решена аналитически при постоянной средней скорости испарения или численно - при переменной скорости испарения.
Теоретически были изучены обе модели растекания жидкости - с учетом и без учета сил сопротивления [2].
В первом случае скорость растекания жидкости описывается уравнением Бернулли dR/dt = С (g h)0 5, (3.8) где R и h - текущие радиус и толщина слоя жидкости, t -время, С - коэффициент сопротивления по порядку величины равный 1, g - ускорение силы тяжести. Изменение объема (V) жидкости за счет испарения записывается в виде dV/dt = -7iR2u, (3.9) где и - линейная скорость испарения. Добавив к уравнениям (3.8) и (3.9) связь V R h, (ЗЛО) и учитывая, что при t=0 R=Ro , h=h0 , получаем систему уравнений, описывающих распространение криогенной жидкости по горизонтальной поверхности.
При постоянном значении скорости испарения (u = const) система уравнений (3.8) (3.10) имеет аналитическое решение для времени полного испарения жидкости в виде t, = 0,448 V -25 / (и с)0 5. (3.11) Максимальный радиус разлития R,= l.l(c/uf25V3/8. (3.12)
В случае пренебрежения силами сопротивления процесс растекания жидкости описы вается уравнением, учитывающим изменение полной энергии (потенциальной энергии по коящейся жидкости и кинетической энергии движения) за счет испарения жидкости. В этом приближении время полного испарения жидкости t2 = [3/(2 7tgh0u)]l/3V01/3. (3.13) Максимальный радиус разлития R2=[2gh0] 5t2. (3.14)
Экспериментальная проверка полученных зависимостей была проведена в опытах с проливами жидкого азота и жидкого метана на бетонную горизонтальную площадку в количестве до 0,1 м3 [2]. Результаты измерений показали, что скорость движения фронта жидкости при проливе практически постоянна и равна [2 g h] . Это означает, что сопротивление растеканию криогенной жидкости действительно оказалось незначительным.
Экспериментальные значения максимальных размеров и времени растекания хорошо согласуются с расчетными данными R.2 и i2.
В аварийных условиях при масштабах проливов десятки м и более, по-видимому, следует ожидать некоторого уменьшения максимальных размеров разлития и увеличения времени испарения за счет реально существующего сопротивления при движении жидкости. В связи с этим для экспертных оценок масштабов и времени разлития можно рекомендовать зависимости (3.13) и (3.14), считая их верхней границей максимального радиуса и нижней границей минимального времени разлития. Для удобства расчетов формулы (3.13) и (3.14) можно представить в виде R4ax l,51V07/,V/9u-1/3, (3.15) tMral 0,41Vo2/V/9u"\ (3.16) где \y=h0/Ro - безразмерная характеристика цилиндрического объема жидкости (vy= 1 для сферы).
Следует подчеркнуть, что представленные зависимости , полученные теоретическим путем и апробированные в маломасштабных экспериментах, справедливы исключительно для условий пролива жидкости на ровную и горизонтальную площадь - взлетно-посадочные полосы и территории аэропортов, космодромов, крупных заводов и т.п. Более того, для крупномасштабных проливов жидкостей (тысячи и десятки тысяч тонн) они могут быть использованы лишь для экспертных оценок порядка определяемых параметров.
Однако, статистика аварийных проливов жидкостей, в том числе криогенных, показы вает, что чаще аварии происходят с разлитием на грунт, имеющий неровности, уклоны, за громождения и т.д. Методов расчета параметров разлития в этих условиях не существует. На практике в таких случаях для оценок площади разлития и времени испарения жидкости ис пользуется достаточно простой прием: принимается, что жидкость разливается на площади S = ті R2 с определенной толщиной слоя 5 (для углеводородов обычно принимают 5 = 4 - 5 см, для сжиженных газов 5=1-2 см).
Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением)
Несмотря на то, что максимальное избыточное рабочее давление в резервуаре достаточно невелико (19 кПа) и доля мгновенно испарившейся жидкости при разрушении резервуара относительно мала ( 1,5 %), масса парокапельного облака может достигать значений сотен и повышении давления в резервуаре перед разрушением, например, до 0,5 МПа доля мгновенно испарившейся жидкости возрастает до 7000-28000 тонн в зависимости от вместимости резервуара. Эти оценки приведены выше.
В случае отсутствия воспламенения рассеяние образовавшегося газовоздушного облака до безопасных концентраций произойдет за время порядка 200-300 секунд. За это время облако может дрейфовать по ветру на расстояние 2-3 км. Данное время следует считать временем существования опасности взрыва.
Такая ситуация может возникнуть при разрушении крыши резервуара. В этом случае основная часть жидкости остается в резервуаре, а в образовании взрывоопасного облака участвует лишь мгновенно испарившаяся доля СПГ.
При мгновенном воспламенении этого облака образующийся огненный шар может достигать в диаметре 500-600 м и существовать в течение 50-80 секунд. Поражающее действие теплового излучения от огненного шара на человека представлено выше.
При задержке воспламенения по времени в пределах 10-100 секунд произойдет сгорание облака в режиме дефлаграции (что наиболее вероятно)или детонации (что маловероятно). Расстояния, соответствующие различным порогам поражающего действия воздушной ударной волны , в зависимости от режима сгорания представлены выше.
При расчетах использовались массы газа в облаке при давлении разрушения резервуара 0Д19МПа(абс). Как видно из приведенных данных, основную опасность для человека при аварии с мгновенным испарением части жидкости представляет режим воспламенения парокапельно-го облака и образование огненного шара . В зависимости от вместимости резервуара ожоги 3 степени могут быть на расстоянии 500 - 900 м, летальный исход - 400 - 700 м. В то же время при задержке воспламенения дефлаграционный режим сгорания облака даже со скоростью 120 м/с является не слишком опасным для случая прямого воздействия ударной волны на человека. Детонация облака в этом случае маловероятна.
Пролив и растекание жидкости на неограниченную поверхность за пределы обвалования приведет к созданию зон испарения и паровоздушных облаков огромных размеров. Максимальное расстояние по направлению ветра до границы безопасных концентраций (ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени) могут достигать значений от 6 до 12 км в зависимости от количества пролитой жидкости. При этом время существования опасности взрыва (время рассеяния до безопасных концентраций) при скорости ветра w = 10 м/с составляет от 10 до 20 минут (в зависимости от количества пролитой жидкости) , а при w = 40 м/с - от 3 до 5 минут.
Раннее воспламенение при проливе будет сопровождаться выгоранием жидкости с площадей огромных размеров ( от 200 до 700 гектар ) с временем выгорания порядка 3-4 минут.
Эти оценки следует считать весьма условными, поскольку процессы горения жидкостей с площадей подобного масштаба практически не изучены. Однако есть указания на то, что при размерах пролива порядка 500 м и более возможно горение жидкостей в режиме огненного шторма с образованием одной или нескольких конвективных колонок.
Позднее зажигание облака приведёт к дефлаграционному или детонационному взрыву газовоздушного облака, линейный размер которого к моменту воспламенения может достигать нескольких километров. Переходу дефлаграции в детонацию (ПДД), как уже упоминалось выше, будут способствовать такие факторы, как огромный размер облака (напомним, что критический размер ПДД для метана оценивается в 5 км), низкие температуры облака, наличие полузамкнутых пространств (неровности местности), загромождение облака (кустарник, трава и т.п.), выпадение осадков (дождь, снег). Наличие в СПГ примесей тяжелых углеводородов С 2 - Сц могут значительно снизить критический размер ПДД. Наконец, энергия, мощность и местоположение источника зажигания также будут влиять на ПДД.
В настоящей главе даны оценки расстояний для характерных пороговых значений ДР в ударной волне. В расчетах использовались полные массы СПГ в резервуаре. Видно, что при дефлаграции со скоростью равной 70 или 120 м/с вероятность получения серьезной баротравмы человеком, находящимся вне облака, в результате прямого воздействия ударной волны достаточно мала. На границе облака максимальное давление в ударной волне составляет 8-20 кПа при скоростях дефлаграции соответственно 70-120 м/с.
Что касается легких повреждений зданий (ДР = 10 кПа), то они могут иметь место только при сильной дефлаграции (120 м/с) на расстояниях от 2,5 до 4 км от центра облака.
При детонации облака легкие повреждения зданий могут наблюдаться на расстояниях от 4 до 7 км, и полные разрушения сооружений (ДР = 50 кПа) - на расстояниях от 1,5 до 2,5 км. Вероятность серьезной баротравмы человека ( разрыв барабанных перепонок) возникает на расстояниях от 2 до 3 км в зависимости от вместимости резервуара.тысяч тонн ( при вместимости резервуара 100000 м3 эта масса равна 1215 тонн).
Похожие диссертации на Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа
