Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ факторов опасности установок нефтеперерабатывающих предприятий 7
1.1 Основные опасности, характерные для нефтеперерабатывающих предприятий < 10
1.2 Статистическая информация по техногенным авариям на нефтеперерабатывающих предприятиях 13
Выводы по первой главе 18
2 Характеристика основных поражающих факторов опасности объектов нефтеперерабатывающих предприятий 19
2.1 Анализ существующих методических подходов к оценке реализаций аварийных ситуаций на ОПО и их последствий 19
2.2 Расчет параметров, характеризующих опасность нефтеперерабатывающих объектов 24
2.2.1 Взрывы газопаровоздушной смесей 24
2.2.1.2 Определение режима взрывного превращения парогазовоздушной смеси 25
2.2.1.3 Детонация газовых и гетерогенных ТВС 28
2.2.1.4 Дефлаграция газовых и гетерогенных ТВС 29
2.2.1.5 Расчет общего энергетического потенциала технологического объекта 30
2.2.1.6 Расчет относительного энергетического потенциала 33
2.2.1.7 Воздействие ударной волны на здания, сооружения, технологическое оборудование и на людей 34
2.2.2 Оценка параметров пожарной опасности объектов нефтеперерабатывающих предприятий 35
2.2.2.1 Пожар пролива 35
2.2.2.2 Расчет интенсивности теплового излучения пожара пролива 37
2.2.2.3 «Огненный шар» 39
2.2.2.4 Расчет интенсивности теплового излучения и времени существования «огненного шара» 39
2.2.3 Характеристика зон заражения сильнодействующими ядовитыми веществами 40
2.2.3.1 Определение эквивалентных характеристик выброса ядовитых ВещеСТВ л-1
2.2.3.2 Определение эквивалентного количества вещества по первичному облаку 42
2.2.3.3 Определение эквивалентного количества вещества по вторичному облаку 43
2.2.3.4 Определение глубины зоны возможного заражения 45
2.3 Интегральный параметр как комплексный показатель опасности 45
2.4 Факторы опасности в интегральном параметре потенциальной 50
опасности
Выводы по второй главе 52
3 Методика расчета параметров потенциальной опасности на основе интегрального параметра потенциальной опасности 52
3.1 Абсорбционная газофракционирующая установка 52
3.2 Графическое представление интегрального параметра потенциальной опасности 64
Выводы по третьей главе 71
4 Оценка уровня потенциальной опасности оборудования установок нефтеперерабатывающих предприятий с применением обобщающего интегрального параметра 72
4.1 Последовательность определения обобщающего интегрального параметра потенциальной опасности оборудования 72
Выводы по четвертой главе 81
Общие результаты и выводы 82
Список использованных источников
- Статистическая информация по техногенным авариям на нефтеперерабатывающих предприятиях
- Расчет параметров, характеризующих опасность нефтеперерабатывающих объектов
- Воздействие ударной волны на здания, сооружения, технологическое оборудование и на людей
- Графическое представление интегрального параметра потенциальной опасности
Введение к работе
К опасным производственным объектам (ОПО) предъявляются требования, направленные на снижение негативного влияния на человека и окружающую среду, предотвращение возникновения аварийных ситуаций и минимизацию ущерба. При этом превентивная направленность задач повышения уровня безопасности должна занимать доминирующую роль, особенно на таких объектах как нефтеперерабатывающие предприятия.
Нефтеперерабатывающие предприятия являются одними из наиболее опасных производственных объектов промышленности, на которых получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются взрывопожароопасные вещества. Как правило, такие промышленные объекты располагаются вблизи крупных населенных пунктов. Методика оценки потенциальной опасности таких объектов, в первую очередь, должна обеспечивать достоверные и удобные для дальнейшего использования результаты.
Имеющаяся нормативно-методическая база содержит практически все
необходимые требования по обеспечению безопасности
нефтеперерабатывающих предприятий. Но следует отметить. сложность применения этих методик для конкретной территории или объекта, трудоемкость расчетов, кроме того, они не содержат прямых данных, количественно определяющих опасность оборудования.
Возрастающее в последние годы число аварий и катастроф на нефтеперерабатывающих предприятиях говорит о том, что существующая структура нормативной документации в области промышленной безопасности не позволяет достоверно оценить уровень их опасности.
Научное и практическое ранжирование уровней потенциальной опасности установок необходимо для решения проблем обеспечения безопасности на каждом этапе жизненного цикла объекта.
В связи с этим особую актуальность приобретает разработка метода оценки опасности на основе комплексного анализа количественных
характеристик аварий на нефтеперерабатывающих предприятиях, основой которого должен стать интегральный параметр потенциальной опасности.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Совершенствование оценки потенциальной опасности оборудования технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий с применением интегрального параметра.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1 Сбор и анализ статистической информации по аварийности и
травматизму на нефтеперерабатывающих предприятиях.
2 Разработка метода и алгоритма определения опасности оборудования
нефтеперерабатывающих установок, основанных на оценке поражающего
воздействия пожаров, взрывов, токсического заражения.
3 Определение критических значений потенциальной опасности
оборудования и разработка на их основе рекомендаций по уменьшению риска
возникновения аварий и обеспечению безопасной эксплуатации опасных объектов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1 Предложен интегральный параметр опасности оборудования в виде
области трехмерного пространства, ограниченного плоскостью, которая
пересекает оси координат в точках критических значений составляющих
интегрального параметра. Указанная область определяется уравнением
плоскости в отрезках. Области, ограничивающиеся этой плоскостью,
разделены на зоны с различными значениями интегрального параметра и
характеризуют степень потенциальной опасности оборудования. В качестве
составляющих интегрального параметра приняты поражающие факторы
дефлаграционного и детонационного взрывов, пожара пролива и «огненного
шара», токсического заражения.
2 Впервые построена пространственная диаграмма, ограничивающая
объем различных значений интегрального параметра потенциальной опасности,
разделенная на четыре области, характеризующие уровни низкой, приемлемой,
высокой и предельной потенциальной опасности оборудования технологических установок.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Практическая ценность диссертационной работы заключается в использовании интегрального параметра при обосновании реальной опасности оборудования с целью увеличения безопасности существующих и проектируемых установок нефтеперерабатывающих предприятий.
Результаты, полученные в работе, используются в Уфимском государственном нефтяном техническом университете в учебном процессе при выполнении практических занятий по дисциплине «Методы математического моделирования оптимального расположения оборудования технологических установок» специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки» и направления 150400 «Технологические машины и оборудование».
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Кузееву И.Р., доценту Наумкину Е.А. и аспирантке кафедры «Машины и аппараты химических производств» Буркиной Е.Н. за оказанную помощь при постановке задач и анализе результатов исследований, ценные замечания при выполнении диссертационной работы и моральную поддержку.
Статистическая информация по техногенным авариям на нефтеперерабатывающих предприятиях
За последние годы в мире было зарегистрировано большое число крупных пожаров и взрывов, произошедших на нефтеперерабатывающих предприятиях, в таблице 1.1 в качестве примера приведены статистические данные по крупным авариям на предприятиях по переработке углеводородного сырья разных стран /88/. Описания аварий, произошедших в Российской Федерации за период 2002-2007гг., представлены в приложении 1 /94, 98, 101, 102/.
Статистикой подтверждается, что в большинстве случаев на нефтеперерабатывающих предприятиях пожары и взрывы происходят из-за утечек горючей жидкости или углеводородного газа /7, 88/, возникающих в основном по следующим причинам: - нарушение правил техники безопасности и пожарной безопасности (33%); - некачественный монтаж и ремонт оборудования (22 %); - некачественная защита от молний (3 %); - нарушение правил технологического регламента (1 %); - износ оборудования (8 %); - недостаточно качественные сальниковые уплотнения и фланцевые соединения (1 %); - прочие причины (2 %).
Описанные в приложении 1 аварий не носят катастрофического характера, но ущерб от них неоспоримо велик. Практически все они сопровождаются пожарами, многие перерастают во взрывы, нанося смертельные увечья людям, разрушая аппараты и целые установки.
В мировой и отечественной практике накоплен большой опыт заблаговременного прогнозирования последствий аварий на объектах хранения и переработки нефти и газа, создан комплекс специальных методик. Как правило, они имеют ведомственный характер или же предназначены для решения некоторых узких задач, таких как декларирование промышленной безопасности, оценка последствий аварий для окружающей природной среды, определение степени опасности для людей, зданий и сооружений.
Опыт декларирования промышленной безопасности и развитие методов оценки риска опасных производственных объектов неоднократно обсуждались на семинарах, проводимых Ростехнадзором. Основными результатами семинаров являются рекомендации о необходимости активизации деятельности по совершенствованию нормативно-методической базы анализа риска аварий, включая разработку методик оценки риска и критериев приемлемого риска, методов сбора и анализа необходимой информации, оценки ущерба от аварий на опасных производственных объектах, создание компьютерных программ для анализа /38, 49, 52-54/. Большинство обсуждаемых вопросов относилось к оценке последствий аварий и степени риска на объектах нефтегазового комплекса/40, 41, 63, 68, 69/.
Обобщению и анализу опыта декларирования промышленной безопасности в нефтегазовом комплексе посвящены работы А.С.Печеркина, В.И.Сидорова, М.В.Лисанова, А.И.Гражданкина, А.А.Швыряева. Основные и часто встречающиеся недостатки декларирования: - методическая база анализа риска требует совершенствования и создания сертифицированных автоматизированных систем; — описания технологических участков опасных производственных объектов приведены без привязки к технологическим схемам; - нет планов размещения оборудования; — отсутствие ситуационных планов, позволяющих получить достаточную и корректную информацию о масштабах аварий.
Так, наряду с разработкой отраслевых методик оценки риска и критериев приемлемого риска, методов сбора и анализа необходимой информации для повышения эффективности декларирования промышленной безопасности рекомендуются - создание компьютерных программ, способных проводить анализ /68/ и разработка методик, учитывающих основные стадии и эффекты аварийного процесса, и объединенных на основе общих параметров в комплекс взаимосвязанных методик /69/.
Методики оценки последствий аварий на опасных производственных объектах /60, 61, 69/ позволяют определить поля давлений и импульсов при аварийных взрывах топливно-воздушных смесей, установить количественные оценки взрывопожароопасности технологических блоков, определить массу участвующего во взрыве вещества и радиусы зон разрушений.
Анализ и оценка последствий аварий на объектах хранения горючих веществ рассмотрены в трудах В.А.Котляревского и А.В.Забегаева /2-6/, А.А.Шаталова и Х.М.Ханухова /55/, В.С.Сафонова, Г.Э.Одишария и А.А.Швыряева /76/, Н.Н.Брушлинского и А.Я.Корольченко /54/ и других.
В /44/ обосновывается необходимость оценки эффективности мероприятий по снижению степени риска поражения людей и возможного ущерба при аварии, в том числе рассмотрены пути обеспечения прочности резервуаров и сосудов для хранения нефтепродуктов и сжиженных газов. Данные по конструкциям и основным характеристикам резервуаров, газгольдеров и других конструкций для хранения и транспортировки сжиженных газов и нефтепродуктов, приведенные в /5/, методы прогнозирования последствий аварий, изложенные в /5, 44/, позволяют осуществить прочностные расчеты при проектировании этих конструкций, а также мониторинг, оценку остаточного ресурса и определение возможного ущерба, связанного с авариями.
Для оценки последствий аварий на объектах нефтегазового комплекса также могут быть применены результаты математического моделирования пожаров, изложенные в /66/. Аналитические зависимости получены с учетом моделей, соответствующих современному уровню знаний о процессах горения и теплообмена при пожарах. В /66/ даны как детерминированные, так и вероятностные критерии поражения людей, зданий и технологического оборудования ударной волной и тепловым излучением. Результаты математического моделирования пожаров и взрывов могут быть практически использованы для определения количественных показателей ущерба.
Расчет параметров, характеризующих опасность нефтеперерабатывающих объектов
Наиболее серьезной опасностью пожаровзрывоопасных производств является парогазовое облако, которое образуется при мгновенном разрушении резервуаров хранения или испарении разлитых жидкостей.
Взрыв - быстропротекающий процесс высвобождения внутренней энергии, создающий избыточное давление. При взрыве в атмосфере возникает воздушная ударная волна, распространяющаяся с большой скоростью, в виде области сжатия - разрежения со скачком давления, температуры, плотности и скорости частиц среды /36,43/.
Смесь углеводородов с кислородом воздуха называется парогазовоздушной смесью. Эта смесь может либо взрываться либо воспламеняться. Воспламеняемость и взрываемость тесно связаны друг с другом и поэтому трудно сказать, что произойдет при воспламенении ПГВС — взрыв или пожар, так как это зависит от определенной концентрации углеводородов в объеме воздуха. Данное свойство ПГВС определяется концентрационными пределами воспламенения рассматриваемого вещества и характеризуется количеством газа в 1м воздуха, при котором возможно воспламенение газовоздушной среды.
При аварийных взрывах ПГВС размеры зон разрушений и параметры избыточного давления воздушной ударной, волны зависят от количества взрывоопасного вещества и его физико-химических свойств.
При прогнозировании последствий аварий на опасных производственных объектах необходимо предусматривать, что различают два принципиально разных режима взрывного горения: дефлаграционный и детонационный /42,73/.
При дефлаграционном горении распространение пламени происходит в слабо возмущенной среде со скоростями значительно ниже скорости звука, давление при этом возрастает незначительно. При детонационном горении (детонации) распространение пламени происходит со скоростью, близкой к скорости звука или превышающей ее.
Определение режима взрывного превращения парогазовоздушной смеси
По классу пространства, окружающего место воспламенения облака ПГВС (таблица 2.1) и классу горючих веществ, участвующих во взрыве, разделенных по чувствительности к инициированию взрывных процессов (таблица 2.2) по экспертной таблице Института химической физики РАН (таблица 2.3) определяется класс режима горения вещества. 1 Наличие смежных объемов, длинных труб, полостей, заполненных горючей смесью и т.д. 2 Сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов, высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий 3 Среднезагроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк 4 Слабозагроможденное пространство и свободное пространство
В случае если вещество отсутствует в таблице 2.2, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в таблице веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества — относить его к классу 1, т. е. рассматривать как наиболее опасный случай.
Особочувствительные Чувствительные вещества Средне чувствительные Слабо чувствительные Диизопропиловый Этиловый спирт эфир Пропиловый спиртАмиловый спиртИзобутиловыйспиртИзопропиловыйспиртЦиклогексанЭтилформиатЭтил хлоридСжиженныйприродный газКумолПечной газЦиклопропанЭтиламин 27 Экспертная таблица для определения режима взрывного превращения
Класс горючего вещества Вид окружающего пространства 2 3 Ожидаемый диапазон По классу режима горения вещества определяется режим взрывного превращения облака ПГВС и диапазон скоростей распространения фронта пламени ш, м/с (таблица 2.4) /55, 73/.
В случае дефлаграционного взрывного превращения облака ТВС к параметрам, влияющим на величины избыточного давления и импульса положительной фазы, добавляются скорость видимого фронта пламени (Vr) и степень расширения продуктов сгорания (а). Для газовых смесей принимается ст=7, для гетерогенных т=4. Для расчета параметров ударной волны при дефлаграции гетерогенных облаков величина эффективного энергозапаса смеси домножается на коэффициент (а - 1)/а. После определения безразмерных величин давления и импульса фазы сжатия вычисляются соответствующие им размерные величины (2.9, 2.10) /13, 25, 58/:
Воздействие ударной волны на здания, сооружения, технологическое оборудование и на людей
Наибольшим разрушениям от ударной волны подвергаются здания и сооружения больших размеров с легкими несущими конструкциями, возвышающимися над поверхностью земли, а также немассивные бескаркасные сооружения с несущими стенами из кирпича и блоков.
Подземные и заглубленные в грунт сооружения, здания антисейсмической конструкции, а также массивные малоразмерные здания и сооружения с жесткими несущими конструкциями обладают значительной сопротивляемостью ударной волне.
При воздействии ударной волны на здания, сооружения, оборудование объекта разрушения могут быть различной степени.
Разрушения принято делить на полные, сильные, средние и слабые.
Полные разрушения - это разрушения несущих конструкций, обрушение перекрытий, уничтожение оборудования. Восстановить сооружение невозможно.
Сильные разрушения — значительные деформации несущих конструкций, разрушение большей части перекрытий, стен и оборудования. Восстановление сооружений возможно, но сводится по существу к новому строительству с использованием некоторых сохранившихся конструкций и оборудования.
Средние разрушения - разрушения наименее прочных конструкций зданий и сооружений (окна, двери, крыши), образование трещин и обрушение части внутренних перегородок. Значительных повреждений основного оборудования нет /30/.
Ударная волна может нанести незащищенным людям травмы, контузии или быть причиной их гибели.
Поражения ударной волны могут быть непосредственными или косвенными. Непосредственные поражения возникают в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора. Ввиду небольших размеров тела человека ударная волна мгновенно охватывает человека и подвергает его сильному сжатию. Процесс сжатия продолжается в течение всего периода фазы сжатия (несколько секунд). Мгновенное повышение давления воспринимается человеком как резкий удар. В то же время скоростной напор перемещает тело в пространстве.
Косвенные поражения люди могут получить в результате ударов обломками разрушенных зданий и сооружений или в результате ударов летящих с большой скоростью осколков стекла, камней и других предметов /42/.
Оценка параметров пожарной опасности объектов нефтеперерабатывающих предприятий Основная опасность открытых технологических установок нефтеперерабатывающей промышленности — это высокая степень вероятности возникновения крупномасштабных пожаров /21/. Крупномасштабный пожар можно определить, как пожар, отличающийся от обычного промышленного пожара высокой интенсивностью горения и скорость развития, быстрым распространением огневого фронта и созданием обширных зон загазованности. Такие пожары включают в себя пожары пролива и «огненные шары».
Пожар пролива
Пожар пролива представляет собой разлитие воспламеняющейся жидкости, горящее устойчивым диффузионным пламенем. Такой пожар возникает пи нарушении целостности и истечении жидкости низкой вязкости из технологических установок. Пожары пролива наиболее характерны для товарно-сырьевых парков объектов нефтепереработки и нефтехимии.
При пожарах разлития образуются зоны горения, теплового воздействия и загазованности.
Выбор необходимых параметров пожарной опасности для заданного технологического процесса определяют исходя из рассматриваемых вариантов аварий (в том числе крупная, проектная и максимальная) и свойств опасных веществ /20/.
Графическое представление интегрального параметра потенциальной опасности
Чтобы оценить, какой степенью опасности по отношению к человеку и окружающей среде обладает каждый конкретный аппарат с соответствующим ему значением интегрального параметра, необходимо определить границы опасности. За границы опасности берется значение интегрального параметра, равное единице. Графически это можно отобразить в виде плоскости в отрезках (рисунок 3.2), представленной уравнением критической плоскости qi+q2+q3=l5 которая будет ограничивать объем значений интегрального параметра от 0 до 1, где qi, q2, q3 - факторы пожароопасности, взрывоопасное и токсической опасности соответственно, при условии, что qi 0, q2 0, q3 0 /29, 31/. — Графическое представление предельного значения интегрального параметра опасности оборудования
Представленный в виде пространственной диаграммы интегральный параметр потенциальной опасности позволяет ранжировать оборудование технологической установки по степени его опасности. Основываясь на уравнении, описывающем критическую плоскость, и нормативно обоснованных значениях поражающих факторов, в таблице 3.6, в которой рассчитанный для аппаратов АГФУ интегральный параметр потенциальной опасности расположен по убыванию его значений, выделим четыре области опасности.
На рисунке 3.3 для наглядности области опасности показаны двумерной диаграммой, частично описывающей интегральный параметр потенциальной опасности. Так, значение интегрального параметра от 0 до 0,33 характеризует область низкой опасности; от 0,33 до 0,50 - приемлемой опасности; от 0,50 до 0,70 - область высокой опасности, а значения от 0,70 до 1,00 — область предельной опасности. Значение интегрального параметра 0,33 выбрано из соображений равнозначности факторов пожароопасности, взрывоопасное и токсической опасности в его составе (на основе трехмерной модели); 0,50 - из соображений равнозначности двух любых факторов опасности в составе интегрального параметра (на основе двумерной модели); 0,7 - исходя из предельных значений рассматриваемых факторов.
Из таблицы 3.7, в соответствии с предложенной классификацией, видно, что в область низкой опасности попадают аппараты Т-13 (подогреватель сырья), Т-21 (подогреватель сырья) и Е-10 (емкость орошения пропановой колонны), а наиболее опасным оказался десорбер для извлечения пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракции К-4, который находится в области предельной опасности.
Из таблицы 3.7 видно, что значения интегрального параметра потенциальной опасности для аппаратов одной установки изменяются от 0,10 (минимальное значение - для холодильника тощего абсорбента Т-13) до 0,77 (максимальное значение - для десорбера К-4). Таким образом, оценив потенциальную опасность оборудования АГФУ с помощью интегрального параметра, можно сказать, что наиболее опасным является колонное оборудование.
Подобное распределение аппаратов по областям вполне обосновано и определяется физико-химическими свойствами веществ, участвующих в процессах переработки углеводородов, их количеством, технологическими параметрами процессов, возможностью образования неконтролируемых реакций, способных привести к взрывам, возгораниям.
Так, количественно разграничив области опасности, получаем классификацию оборудования, которая позволяет оценивать опасность объекта по значению его интегрального параметра, что в последующем даст возможность оперировать опасностью на различных стадиях его жизненного цикла.
Это ранжирование также может быть использовано при совершенствовании системы диагностирования и оценки текущего состояния оборудования установок нефтепереработки. Область предельной опасности Область высокой опасности Область приемлемой опасности
Представленный в виде пространственной диаграммы интегральный параметр потенциальной опасности может быть использован для определения границ варьирования значений факторов опасности.
Наглядно это можно представить на рисунке 3.4, в качестве примера возьмем гипотетический аппарат с интегральным параметром 0,95, факторы опасности, составляющие его, равны 0,44; 0,31 и 0,20. Рассматриваемый аппарат попадает в область предельной опасности; наиболее весомым фактором его опасности является его пожароопасность. Для аппаратов АГФУ,
