Введение к работе
Актуальность темы исследования. Ускорение темпов и расширение масштабов производственной деятельности в современных условиях обуславливает необходимость проведения анализа и оценки опасностей возможных аварий в результате образования токсичных и пожаровзрывоопасных облаков на потенциально опасных производственных объектах техносферы.
Особую опасность представляют объекты использования сжиженных газов, так как при их аварийном выбросе имеет место интенсивное парообразование с формированием протяженных токсичных или взрывоопасных облаков.
Парообразование при аварийном выбросе сжиженного газа обусловлено мгновенным вскипанием перегретой жидкости, кипением (испарением) пролива сжиженного газа, возникновением аэрозолей при взрывном вскипании и их последующим испарением. Процессы парообразования и рассеяния образующейся примеси в атмосфере отличаются сложным взаимным влиянием, которое учесть в рамках упрощенных аналитических и эмпирических соотношений крайне проблематично.
В существующих моделях описание источника поступления газообразного вещества вследствие парообразования довольно схематично, что может служить препятствием для надежной оценки зон распространения паровоздушных облаков.
Недостаточное знание процессов, связанных с поступлением опасных веществ в атмосферу и их последующим рассеянием, не только не позволяет предсказать масштабы и течение возможных аварий, но и обосновать необходимый уровень безопасности (риска) технологических систем, содержащих сжиженные газы, выбирать экономически эффективные проектные и конструкторские решения.
Вышеизложенное обуславливает актуальность разработки методики последствий аварий на объектах хранения, переработки и использования сжиженных газов данной работы.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методики определения количества опасного вещества, участвующего в создании поражающих факторов при авариях с выбросом сжиженных газов. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать модель, охватывающую основные стадии парообразования при мгновенном выбросе сжиженного газа: мгновенное вскипание жидкости, испарение аэрозоля в первичном облаке пара, парообразование при кипении (испарении) пролива на основе пакета гидродинамического анализа FLUENT.
-
Провести физический эксперимент по исследованию парообразования при кипении (испарении) сжиженного газа.
-
Проверить адекватность разработанной методики расчета путем сравнения с результатами проведенного эксперимента, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати.
-
На основе разработанной модели исследовать влияние скорости ветра, устойчивости атмосферы, теплового эффекта при конденсации водяного пара, наличия препятствий в области выброса в виде зданий, сооружений на интенсивность парообразования и характеристики опасных зон при залповом выбросе сжиженного газа.
Методом решения поставленных задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на ЭВМ при помощи вычислительного комплекса FLUENT.
Научная новизна работы:
-
Разработана методика оценки последствий залпового выброса сжиженного газа в атмосферу, позволяющая комплексно учитывать мгновенное вскипание сжиженного газа, кипение (испарение) пролива сжиженного газа, испарение аэрозолей в облаке, распространение паровоздушного облака с капельными включениями в атмосфере.
-
Разработана модель процесса парообразования сжиженного газа из пролива с учетом перехода от режима кипения сжиженного газа к режиму испарения.
-
Разработаны и интегрированы в пакет FLUENT пользовательские функции, позволяющие определять интенсивность парообразования из пролива, массу газа во взрывоопасных пределах в зависимости от времени, рассчитывать поле токсодоз и учитывать дополнительный нагрев паровоздушного облака вследствие конденсации паров воды.
Личный вклад автора состоит:
в разработке пользовательских функций для расчета интенсивности парообразования с поверхности пролива с учетом перехода от режима кипения сжиженного газа к режиму испарения и дополнительного нагрева паровоздушного облака вследствие конденсации паров воды;
в проведении физического эксперимента и его статистической обработке;
в проведении численных экспериментов для определения влияния скорости ветра, устойчивости атмосферы, теплового эффекта при конденсации водяного пара, наличия препятствия в области выброса на процессы парообразования и распределение опасного вещества в атмосфере;
в проверке адекватности разработанной методики расчета путем сравнения с результатами проведенного эксперимента, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами и опубликованными в открытой печати;
в написании статей и тезисов, участии в конференциях.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов обусловлена использованием современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения, а также удовлетворительным согласованием расчетных результатов с данными натурных экспериментов.
Практическая значимость работы состоит в том, что предлагаемый комплекс моделей может использоваться для решения задач оценки последствий аварий на объектах хранения, переработки и использования сжиженных газов при разработке Планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций (ПЛАС), разделов «Инженерно-технические мероприятия Гражданской обороны. Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций» (ИТМ ГО и ЧС) и «Мероприятий по обеспечению пожарной безопасности» проектной документации, Деклараций промышленной безопасности опасных производственных объектов, Деклараций пожарной безопасности, паспортов безопасности опасных объектов, при выборе пассивных мер защиты по ограничению распространения опасных веществ на стадии проектирования.
Методика и программная система использовались при разработке планов локализации и ликвидации аварийных ситуаций для ОАО «Татнефтегазпереработка» и аммиачно-холодильных станций ОАО «Нижнекамскнефтехим», при разработке паспорта безопасности и декларации промышленной безопасности для хлораторных МУП «Водоканал», паспорта безопасности для ОАО «Татнефтегазпереработка».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань, 2005, 2008, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и высокие технологии XXI века» (Нижнекамск, 2009); Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие территорий: управление природными, техногенными, пожарными, биолого-социальными и экологическими рисками: материалы» (Оренбург, 2011); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях –24» (Саратов, 2011); Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Нефть и нефтехимия» (Казань, 2011); Международной научно-практической конференции «XL Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2011); на ежегодных научных сессиях КГТУ (г. Казань).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 19-и публикациях, в том числе в 10-и статьях, опубликованных в научных изданиях, входящих в перечень ВАК Минобразования и науки РФ для соискателей ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в материалах 9-ти российских и Международных научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка, включающего 143 наименования. Общий объем работы составляет 195 страниц, включая 11 таблиц, 68 рисунков.
