2.5. Моделирование аварийных ситуаций.
Расчет и прогнозирование
параметров загазованности территории
открытых технологических установок

Моделирование аварийных ситуаций проводится с целью прогнозирования зон загазованности и, соответственно, пожаров и взрывов. Это является сложнейшей физико-математической задачей, так как на рассеивание взрывоопасного облака при развитии аварии влияет значительное число факторов, в том числе: рельеф поверхности, метеорологические условия, скорость ветра, устойчивость атмосферы, параметры движения воздушных потоков, распределение температур в нижних слоях атмосферы.

По степени рассеивания облака определяют взрывоопасные зоны (поля), взрывоопасный объем и площадь, покрываемую облаком, распределение температур у поверхности земли и в атмосфере и другие характеристики.

Неблагоприятные метеорологические условия на отдельных заводских участках могут создавать промышленные здания и установки, образующие аэродинамическую тень, особенно когда в эту зону поступает горючее вещество.

Существующие модели рассеяния областей загазованности можно разделить на три группы:

  • - вероятностные гауссовы, диффузионные модели рассеяния;
  • - модели, в которых учитывается взаимодействие облака загазованности с поверхностью Земли через силу тяжести;
  • - многофакторные, сложные модели, в которых учитывается тепловое излучение почвы, обусловленное солнечной радиацией, конвективный теплообмен с грунтом, конвективный массообмен, приток тепла с ветром, фазовые превращения.

Гауссовы (диффузионные) модели получают, рассматривая диффузию вещества из точечного источника в трехмерной воздушной среде. Недостатки этой модели заключаются в пренебрежении сложной структурой атмосферных потоков, сложных препятствий на пути потоков и их деформацией на различных препятствиях (технические сооружения, рельеф местности и т.д.).

Несмотря на недостатки, диффузионная модель позволяет прогнозировать размеры зон экстремального содержания опасных веществ при аварийных выбросах.

Существует стандартная методика расчета полей взрывоопасных концентраций, основанная на алгоритмах расчета, который

134

заключается в следующем.

Формула для расчета максимального значения концентрации взрывоопасного вещества С, мг/м3 при выбросе взрывоопасной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем (при неблагоприятных метеорологических условиях) на расстоянии X, м от источника имеет вид:

Cm = AMFmnηH-2 (V,ΔT)-1/3, (2.10)

где А - коэффициент, зависящий от свойств слоев атмосферы; М - масса опасного вещества, поступающего в атмосферу за единицу времени, г/с; F - коэффициент скорости оседания частиц в атмосферном воздухе; m, n - коэффициенты для учета условий выхода опасного вещества из устья источника выброса; η - безразмерный коэффициент для учета рельефа местности; Н - высота источника выброса над уровнем земли, м; Vt - расход взрывоопасной смеси, м3/с; ДТ - разность между температурой смеси и температурой воздуха.

Расход смеси V и коэффициенты m, n определяются по вспомогательным формулам; коэффициенты A, F, η| - в зависимости от географических координат объекта исследования и агрегатного состояния выбрасываемого вещества. При этом учитываются метеоусловия, например, опасная скорость ветра и турбулентность атмосферы. Методика позволяет учитывать топографические характеристики местности и характеристики источника выброса.

Основная схема относится к вычислению поля концентрации от одиночного точечного источника. Линейные и плоские источники дробят на множество эквивалентных точечных. Конечная цель расчетов - прогнозирование размеров зон поражения.

Глубина такой зоны рассчитывается по формуле:

Ln = lCl (qnCl/qn) 1/2, (2.11)

где LCl - глубина зоны опасных концентраций для хлора, км; lCl - расстояние, соответствующее определенной концентрации опасного вещества; qnCl, qn - поражающая концентрация для хлора и рассматриваемого опасного вещества соответственно, кг/м3; f - безразмерная поправка на скорость ветра.

Значения коэффициентов 1С1, f, qnCl и угловой размер зоны поражения определяются по специально разработанным таблицам, в которых учитываются скорость ветра, интенсивность выброса и состояние атмосферы в этот момент.

135

В математических моделях более точного уровня учитываются турбулентность воздушного потока, скорость оседания аэрозольных частиц облака, его неоднородность под влиянием воздушных потоков, силы тяжести и турбулентной диффузии. Преимущество этих групп моделей заключается в возможности моделирования аварийных ситуаций в условиях, максимально приближенных к реальным. Появляется возможность прогнозирования опасных ситуаций на основе вычислительного (компьютерного) эксперимента.

Недостатки этой группы моделей заключаются в необходимости учета большого числа аэродинамических, геофизических факторов. Получить многие коэффициенты уравнений моделей, исходя из эксперимента, не всегда возможно. Тем не менее обобщение компьютерных экспериментов с учетом моделей рассеивания облаков позволяет сформулировать основные требования к обобщенной методике расчета полей аварийной загазованности, по которой следует:

  • - рассчитывать поля концентраций опасных веществ различного агрегатного состояния (газы, аэрозоли, пары различной дисперсности и широкого диапазона химического состава) от точечных, линейных и площадных источников опасного выброса газов;
  • - учитывать различные состояния атмосферы (температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра), а также геодезические характеристики местности;
  • - учитывать основные параметры источника истечения примеси (диаметр устья, высота над поверхностью земли, скорость и характер истечения) в случае стационарного источника выделения, а также особенности крупного одноразового выброса тяжелого газа в атмосферу.

Этим требованиям в основном удовлетворяют методика расчета концентраций в атмосферном воздухе опасных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (документ ОНД-86), и методика расчета полей концентраций тяжелых газов. Данные модели позволяют с учетом метеоусловий и состояния атмосферы прогнозировать аварийную загазованность на территории объектов нефтепереработки и прилегающей территории в несколько десятков и даже сотен километров. Таким образом, на основе полученных результатов можно оценить степень опасной загазованности самого объекта и прилегающих к предприятию жилых районов. Кроме того, с применением эффективных моделей возможно расчетным путем определить необходимое количество газоанализаторов и указать места,

136

необходимые для размещения на территории предприятия и установок датчиков и газоанализаторов.

Рассмотрим типовой пример расчета параметров полей взрывоопасных концентраций. Для проведения вычислительных экспериментов по определению полей взрывоопасных концентраций аварийного истечения нефтепродуктов и крупных выбросов тяжелых газов на конкретных объектах по переработке УВС предложенные методики должны быть скорректированы и адаптированы к реальным ситуациям. Например, такая задача решена в соответствии с принятым сценарием аварии (рис. 2.10) для потенциально пожароопасных технологических установок типового НПЗ топливно-нефтехимического профиля. Для этого были подготовлены конкретные исходные данные и проведены расчеты характеристик рассеивания

Рис. 2.10. Сценарий аварии для расчета параметров полей загазованности территорий предприятий по переработке углеводородного сырья
Рис. 2.10. Сценарий аварии для расчета параметров полей загазованности территорий предприятий по переработке углеводородного сырья

137

выбросов газов с различной плотностью и паров разлившейся жидкости. В процессе вычислительных экспериментов решались следующие задачи:

  • - исследование изменений максимальных геометрических размеров облака (длины, ширины и высоты) с граничными концентрациями в пределах 0,05 НКПР ≤ С ≤ НКПР;
  • - изучение распространения концентрации углеводородного выброса в облаке на различных высотах;
  • - определение скорости эффективного переноса облака;
  • - исследование времени распространения переднего фронта облачных зон с определенной граничной концентрацией;
  • - изучение распространения полей концентраций углеводородных газов и паров по высоте с различной по отношению к воздуху плотностью.

Разработаны алгоритм и программа расчета полей концентраций в случае аварийного истечения нефтепродуктов. Программа и алгоритм могут быть адаптированы к условиям любого объекта по переработке углеводородных систем и имеют следующие особенности:

  • - все поле зоны аварии разбивается на ячейки, а концентрация рассчитывается в узлах ячейки;
  • - задаются следующие исходные данные: ширина и длина поля обзора, ширина и высота ячейки.
  • - задаются также параметры, характеризующие внешние условия: направление и средняя скорость ветра; НКПР выброса; количество уровней среза облака, вдоль которых необходимо произвести расчет; расстояние по вертикали между двумя уровнями; параметры поля концентраций (длина, ширина); размеры ячеек зоны поражения (длина, ширина); температуры источника и исходящей газовоздушной смеси; средняя температура окружающего воздуха за самый жаркий месяц.

Кроме того, учитываются параметры, характеризующие точечные, линейные и плоские источники загазованности промышленных территорий. Полученные результаты расчета параметров поля довзрывоопасных концентраций с помощью графических таблиц можно интерпретировать не только на планы технологического оборудования, но и на генеральный план завода.

Основной модуль программы - расчет поля концентрации выбросов из одного точечного источника. Важно отметить, что в разработанном алгоритме учитывается деформация облака вследствие его оседания под действием силы тяжести и рассеяния части

138

облака восходящими потоками ветра. Скорость расширения облака газа моделируется зависимостью:

Uf = at g
(ρ - ρa)
ρa
 
(2.12)

где ρ - плотность газа в облаке; ρа - плотность воздуха; g - ускорение свободного падения; at - постоянная воздуха.

Скорость уноса массы из облака Е зависит от скорости ветра, плотности газа в облаке и его размеров и определяется соотношением:

E = at
ρa
ρ
  Uo (
H
Zo
) π R2ρ = at
ρa
ρ
 
Uo
Zo
  M,
(2.13)

где Uo - скорость ветра на высоте Zo; Mo - масса газа в облаке; at - постоянная воздуха.

Изменение массы облака по времени описывается уравнением:

dM
dt
  = Es - at
ρa
ρ
 
Uo
Zo
  M,
(2.14)

где Es - интенсивность первичного источника.

Масса газа в облаке к моменту действия первичного источника загазованности t1 определяется по формуле:

(2.15)

Изменение площади основания облака по времени описывается формулой:

(2.16)

139

Рис. 2.11. Распределение полей концентраций метана (разгерметизация адсорбера установки получения водорода). Концентрация поллютанта: 1-9 - в зависимости от доли НКПР 0,1-0,9 соответственно; * - > НКПР; - < 0,1 НКПР (НКПР = 34500 мг/м3). Длина ячейки по горизонтали и вертикали 4 м
Рис. 2.11. Распределение полей концентраций метана (разгерметизация адсорбера установки получения водорода). Концентрация поллютанта: 1-9 - в зависимости от доли НКПР 0,1-0,9 соответственно; * - > НКПР; - < 0,1 НКПР (НКПР = 34500 мг/м3). Длина ячейки по горизонтали и вертикали 4 м

С учетом изложенного и вероятного сценария аварии для потенциально опасных технологических установок проводятся вычислительные эксперименты по рассеиванию выбросов тяжелых газов и паров разлившейся жидкости. Разумеется, модели необходимо уточнить для условий данного региона, где расположен опасный объект. Например, для Московского НПЗ модель была адаптирована с учетом физической географии местности. Адаптацию проводили к условиям самой низкой и плоской части города, находящейся на примыкающей к Москве Мещерской низменности. Для этого региона коэффициенты (2.10) А = 140, η = 1, F = 1.

В программе для каждого объекта рассчитываются соответствующие зависимости осевой концентрации примеси С на уровне земли, параметров вертикальной и горизонтальной дисперсии Sя, Sу, полуширины зоны постоянной концентрации В (м), эффективной полуширины Bef (м) и высоты Hef (м) облака, плотности облака и времени прихода примеси τ (с) от осевой координаты X (м) по направлению ветра. Кроме того, определяются дополнительные координаты линий постоянных концентраций на различных уровнях по определенной высоте Z.

На рис. 2.11. в качестве примера приведен расчет распределения концентраций метана, образованного в результате разгерметизации адсорбера на установке получения водорода.

Для технологических установок в табл. 2.27 приведены исходные данные для расчета параметров рассеивания выбросов компонентов, результаты которого даны в табл. 2.28.

140

Таблица 2.27

Исходные данные для расчета параметров рассеивания выбросов тяжелых газов

Наименование установки Вид аварийного аппарата Объем, м3 Давление Р, атм. Температура Т,°С Вещество в аппарате Плотность газа и паров ρ , кг/м3 Площадь испарения S, м2 Время действия источника t, с Интенсивность источника Еs, кг/ с НКПР, кг/м3
1 ЭЛОУ-АВТ-6 Колонна К-2 1390 6 400 Нефть 3,052 600 600 9,633 49,38
2 АВТ-3 Колонна К-2 822 5 380 Нефть 3,116 400 600 7,891 49,38
3 Адсорбционная очистка маловязких нефтепродуктов Емкость растворителя 32 4 200 Бензин 3,117 400 600 2,307 32,8
4 Установка каталитического крекинга Реактор Р-1 220 60 500 Вакуумный дистиллят 2,766 600 600 5,112 44
5 Установка получения серы Колонна 94 3 120 МЭА 2,166 600 600 0,903 0,4
6 Установка получения водорода Адсорбер 160 28 150 Метан 0,7166 - 600 7,040 34,5
7 Газофракционирующая установка Колонна 106 20 140 Пропан 2,019 - 300 52,998 41
8 ЭЛОУ-1, 2 Электрогидратор 600 7 100 Нефть 4,427 2000 600 4,396 49,38
9 Установка очистки рефлюкса Колонна 40 1,5 160 МЭА 2,047 600 600 0,9804 0,4
10 Установка утилизации Газгольдер 6000 0,1 40 Углеводородные газы 1,979 - 180 56,67 37

141

Продолжение табл. 2.27

Наименование установки Вид аварийного аппарата Объем, м3 Давление Р, атм. Температура Т,°С Вещество в аппарате Плотность газа и паров ρ , кг/м3 Площадь испарения S, м2 Время действия источника t, с Интенсивность источника Еs, кг/ с НКПР, кг/м3
11 Установка полимеризации Реактор 25 40 80 Пропилен 1,915 - 300 34,268 39,5
12 Установка регенерации Газгольдер 1500 0,7 50 Пропан 2,019 - 180 23,25 41
13 Установка подготовки сырья Колонна 317 14 40 Пропан 2,019 - 180 264,17 41
14 Установка получения водорода Ресивер 16 60 40 Водород 0,089 - 120 0,5876 3,3
15 Очистные сооружения Резервуар 1000 1 20 Нефть 5,0312 6000 600 7,272 49,38
16 Установка получения инертного газа Теплообменник 1,5 8 100 Бутан 2,672 - 10 2,53 43
17 Установка ЛЧ-24-2000 Абсорбер К-202 76 48,3 60 Водород-содержащий газ 0,0899 - 180 1,083 3,3
18 Установка Л-25-11/300 Ректификационная колонна К-1 91,5 14 270 Бензин 2,856 600 600 2,386 32,8

142

Окончание табл. 2.27

Наименование установки Вид аварийного аппарата Объем, м3 Давление Р, атм. Температура Т,°С Вещество в аппарате Плотность газа и паров ρ , кг/м3 Площадь испарения S, м2 Время действия источника t, с Интенсивность источника Еs, кг/ с НКПР, кг/м3
19 Установка 22-4 Ректификационная колонна 544 9 130 Бензин 3,335 600 600 2,670 32,8
20 Установка ЛЧ-35-11/1000 Ректификационная колонна К-101 217 13 250 Бензин 2,926 600 600 3,62 32,8
21 Установка Д-24/5 Абсорбер К-4 107 38 70 Водород-содержащий газ 0.1 - 240 0,975 3,3
22 Газофракционирующая установка ГФУ-2 Изобутановая колонна К-3 84,67 8,5 82 Изобутан 2,668 - 60 2,647 43
23 Газораздаточная станция ГРС Емкость под давлением Е- 19 200 15 20 Сжиженный бутан 2,672 - 180/ 300 385,933/ 231,6 43
24 Станция смешения Резервуар 3000 - 20 Бензин 4,075 3000 600 2,784 32,8
25 Парк емкостей высокого давления ГФУ-2 Емкость под давлением Л-7 100 18 80 Сжиженный пропан 2,019 - 180/ 300 166,83/ 100,1 41
26 Участок готовой продукции и сырой нефти Резервуар 50000 - 20 Нефть 5,031 7200 600 9,308 49,38

143

Таблица 2.28

Результаты расчетов параметров рассеивания выбросов тяжелых газов от
технологических установок для предприятия топливно-нефтехимического профиля

Наименование установки Максимальная длина зоны, м (срез на уровне земли) Максимальная ширина зоны, м (срез на уровне земли) Время
раскрытия
вниз
tmах, c
НКПР
Lmax 50% L, 25% L2 5%L3 Вmах 50% В, 25% В2 5%В3
1 ЭЛОУ-АВТ-6 45 90 150 435 210 225 240 330 40
2 АВТ-3 45 75 120 390 150 210 240 300 40
3 Адсорбционная очистка маловязких нефтепродуктов 20 35 65 230 115 135 140 165 19
4 Установка каталитического крекинга 30 60 100 320 140 165 190 245 27
5 Установка получения серы 380 600 900 2200 130 160 200 300 243
6 Установка получения водорода 40 60 90 150 10 20 34 50 25
7 Газофракционирующая установка 270 390 600 1410 150 430 510 800 208
8 ЭЛОУ-1, 2 20 40 70 250 170 190 210 250 19
9 Установка очистки рефлюкса 400 640 920 2200 120 160 200 380 254
10 Установка утилизации 280 440 640 1560 340 480 560 880 214
11 Установка полимеризации 210 300 450 1140 270 330 390 600 160
12 Установка регенерации 160 240 360 900 200 220 290 460 128
13 Установка подготовки сырья 700 1000 1500 3400 1000 1250 1500 2200 500
14 Установка получения водорода 160 240 400 600 40 70 120 170 101

144

Окончание табл. 2.28

Наименование установки Максимальная длина зоны, м (срез на уровне земли) Максимальная ширина зоны, м (срез на уровне земли) Время
раскрытия
вниз
tmах, c
НКПР
Lmax 50% L, 25% L2 5%L3 Вmах 50% В, 25% В2 5%В3
15 Очистные сооружения 30 60 105 330 220 240 270 340 28
16 Установка получения инертного газа 35 55 80 210 400 500 560 950 32
17 Установка ЛЧ-24-2000 120 190 360 700 40 50 90 150 76
18 Установка Л-35-11/300М 20 35 70 235 130 140 150 170 19
19 Установка 22-4 20 40 75 250 135 150 180 210 19
20 Установка ЛЧ-35/11/1000 30 50 90 310 150 160 170 220 27
21 Установка Л-24/5 55 85 115 290 30 45 70 140 35
22 Газофракционирующая установка-2 40 60 100 260 70 80 90 130 36
23 Газораздаточная станция ГРС 700 1000 1400 3100 1100 1400 1600 2400 515
24 Станция смешения 20 40 70 240 170 180 190 220 19
25 Парк емкостей высокого давления ГФУ-2 400 600 850 2000 550 650 850 1250 300
26 Участок готовой продукции и сырой нефти 45 75 135 405 240 270 290 380 40

145

Вопросы:

  • Приведите характеристики вероятностей аварий на установках первичной и вторичной переработки нефти.
  • На каких принципах основаны различные методики моделирования и расчета полей концентраций опасных газов? В чем заключается методика расчета рассеяния выбросов опасных газов?
  • Дайте характеристику преимуществ и укажите недостатки существующих моделей расчетов полей аварийной загазованности.
  • Какие параметры необходимо знать для расчета полей взрывоопасных концентраций на конкретных НПЗ при проведении вычислительных экспериментов?
  • Как изменяется величина зон поражения взрывов в зависимости от энергетической мощности процесса?
  • Перечислите наиболее уязвимые с точки зрения взрывоопас-ности установки НПЗ.
  • Приведите общие закономерности процессов рассеяния пожаровзрывоопасных веществ на открытых технологических установках.

146



Купить BlueTooth гарнитуру

Яндекс цитирования Rambler's Top100
Tikva.Ru © 2006. All Rights Reserved