2.6. Характеристики ударных волн
и зон разрушений при взрывах
топливно-воздушных смесей

Возгорание облака топливно-воздушной смеси приводит к образованию фронта пламени, распространяемого через его взрывоопасную часть. В зависимости от скорости распространения может образоваться взрывная волна. Это явление известно как взрыв парового облака.

Расчет характеристик взрывных волн и зон разрушений при возникновении аварийных ситуаций вследствие утечки взрывоопасных газов представлен при моделировании процессов на установке подготовки сырья в производстве полипропилена, на газо-фракционирующей установке (ГФУ), на установке риформинга ЛЧ-35-11/1000 и на установке каталитического крекинга Г-43-107.

Установка подготовки сырья в производстве полипропилена предназначена для получения очищенной концентрированной осушенной пропиленовой фракции. При производстве порошка полипропилена в больших объемах используются взрывоопасные вещества: пропан-пропиленовая фракция, пропиленовая фракция и пропановая фракция. Выброс газа из данных емкостей может происходить по следующим причинам: повышение давления выше

146

Рис. 2.12. Схема сценария развития аварии с выбросом газа из емкости на территорию склада сжиженных газов
Рис. 2.12. Схема сценария развития аварии с выбросом газа из емкости на территорию склада сжиженных газов

регламентированного, коррозионный износ или повреждение емкости, разгерметизация фланцевых соединений, трубопроводов.

При повышении давления в емкости выше регламентированного срабатывают предохранительные клапаны: в факельную линию - идет сброс на сжигание в факеле; при дальнейшем повышении давления - на выброс газа в атмосферу. В последнем случае территория установки может быть загазована.

При повреждении емкости, ее разгерметизации по сварным швам, фланцевым соединениям возможно выделение в атмосферу находящегося в ней газа. Парогазовоздушное облако взрывается при наличии источника зажигания. Схематично сценарии развития аварии с выбросом газа из емкости на территорию склада сжиженных газов представлены на рис. 2.12.

Поскольку с ГРС производится отгрузка сжиженных газов в железнодорожных и автомобильных цистернах, возможны аварии, связанные с их заполнением и выбросом газов в атмосферу.

Газофракционирующая установка с блоком очистки головных фракций с установок предназначены для получения пропан-бутановой фракции и компонентов автобензина.

На ГФУ имеются емкости для хранения СГ. При аварийной ситуации возможен выброс пропан-бутановой фракции в атмосферу.

147

Рис. 2.13. Схема сценария развития аварии с выбросом газа из емкости на территории ГФУ
Рис. 2.13. Схема сценария развития аварии с выбросом газа из емкости на территории ГФУ

Схематично сценарии развития аварии с выбросом газа из емкостей на территории ГФУ представлены на рис. 2.13.

Установка риформинга ЛЧ-35-11 /1000, предназначенная для предварительной очистки сырья и каталитического реформирования бензиновых фракций, включает ряд блоков, представляющих наибольшую опасность возникновения пожара и взрыва (табл. 2.29, 3.30).

Таблица 2.29

Характеристики блоков установки риформинга ЛЧ-35-11/1000

Блок Объем, м3 Объем, занимаемый водородом, м3 Масса водорода в блоке, кг Доля жидкости, испаряющаяся при разрушении аппарата, %
Реакторы*        
Р101 86,4 0,45 0,76 96
Р102 23 1,48 0,71 100
PI 03 54 3,95 1,90 100
PI 04 103,5 5,42 2,60 100
Сепаратор С101 32 16,00 53,6 0
Отпарная колонна К101 217 - - 82
Колонна К102 161 - - 82
Теплообменники        
Т101-1...4 9,15 0,1 0,174 96

* Объем без катализатора.

148

Таблица 2.30

Основные характеристики реакторов

Тип реактора Давление, атм Температура, °С Расход, м3
Бензин ВСГ
Р-101 47 400 170000 40000
Р-102 14-16 520 170000 200000
Р-103 14-16 520 170000 200000
Р-104 14-16 520 170000 200000

Максимальный диаметр трубопроводов, проходящих по территории установки, - 350 мм. По ним перекачивается взрывоопасный водородсодержащий газ (ВСГ), содержащий до 80-90% Н2. Пожаровзрывоопасность указанных блоков установки в наибольшей степени определяется наличием в них бензина в перегретом состоянии, поскольку при возможной их разгерметизации могут наблюдаться явления, характерные для сжиженных углеводородных газов.

В качестве примера аварии с перегретым веществом можно привести аварию, произошедшую в Фликсборо (Великобритания) (табл. 2.31). В результате утечки из реакторов около 140 т циклогексана (находившегося в реакторах при температуре 155°С и давлении 0,9 МПа), его частичного испарения и загорания произошел взрыв, о силе которого можно судить по данным, приведенным ниже:

Расстояние, м Избыточное давление взрыва, кПа
70 69
120 34
200 28
240 18
300 14
350 9

Установлено, что в случае, когда доля жидкости, испаряемая за счет перегрева, превышает 35% об., при разрушении аппарата возможно образование огневого шара по следующим сценариям:

Сценарий А: разгерметизация арматуры у одного из блоков; образование паровоздушной струи; быстрое загазование площадки установки; сгорание паровоздушного облака со взрывом, с разрушениями; последующее струйное горение бензина вследствие разгерметизации других узлов оборудования; воздействие струйных факелов на аппараты с их последующим разрывом по типу BLEVE.

149

Таблица 2.31

Характеристики разрушений при аварии в Фликсбор

Населенный пункт Расстояние, от эпицентра, мили Количество домов Количество разрушенных домов
Amcotts 0,5 77 73
Flixborough 0,7 79 72
Normanby 1,8 38 35
Burton upon Stather 2,0 756 644
Gunness 2,4 333 26
Luddington 2,6 131 7
Keadby 2,75 495 5
Thealby 3,0 63 29
Alkboro 4<5 158 62
Garthorpe 4,6 111 56
Winterton 4,9 1503 11
West Halton 6,0 48 3
Whitton 6,0 48 3
Winteringhman 6,25 275 3

Сценарий В: разгерметизация арматуры у одного из блоков с мгновенным загоранием, образование струйного факела, воздействие струйного факела на аппараты с их последующим разрывом по типу DLEVE.

Сценарий С: разгерметизация арматуры у одного из компрессоров в помещении, образование паровоздушной струи, быстрое загазование помещения компрессорной, взрывное сгорание паровоздушного облака в помещении.

Сценарий D: разгерметизация арматуры на трубопроводе либо разрыв трубопровода подачи водородсодержащих газов в блоки, загорание паровоздушной струи, воздействие струйного факела на оборудование.

При перечисленных выше сценариях возможно воздействие на людей и соседние блоки следующих поражающих факторов пожара и взрыва: тепловое воздействие огневого шара, пожара-вспышки, струйного факела; воздействие избыточного давления волны сжатия.

Огневой шар возникает вследствие воспламенения с поверхности капель горючего вещества, которые образуются при взрывах изнутри емкостей с горючими жидкостями. Вследствие недостатка воздуха скорость распространения пламени зависит от скорости образования горючей смеси и, как правило, имеет невысокие

150

значения (10-30 м/с). В иностранной литературе огневые шары получили наименование - явление BLEVE. Характеризуются большим тепловыделением и могут вызвать пожары на больших площадях.

Одним из основных факторов, влияющих на параметры ударных волн при взрывах газовоздушных смесей, является масса газа (М), содержащегося в облаке. Расход жидкости при истечении из емкости (трубопровода) в атмосферу определяется по формуле:

G = ρж[2ΔР/ρж]1/2, (2.17)

где ρж - плотность жидкой фазы; ΔР - избыточное давление (ΔР = Рнас - Ратм); Рнас - давление насыщенных паров.

Масса жидкости при истечении из емкости в атмосферу определяется по формуле:

M = GtS, (2.18)

где t - время истечения; S - площадь сечения отверстия.

Концентрация газа, находящегося в смеси с воздухом в пределах воспламеняемости, рассчитывается по формуле гауссовой модели, описанной ранее (в части 2.5):

(2.19)

где С - текущая концентрация вещества в облаке (зависит от времени, прошедшего с момента аварии (t) и расстояния от центра облака (r)); С0 - исходная концентрация вещества в облаке; k = k0(a/r0) - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; а - исходный радиус облака, м; k0 - коэффициент турбулентной диффузии для облака с радиусом r0= 6,24 м, зависящий от состояния атмосферы (табл. 2.32) и определяемый в соответствии с устойчивостью атмосферы.

Атмосферная устойчивость характеризуется адиабатическим градиентом температуры в градусах на 100 м высоты над поверхностью (AT/AZ/100 м) и естественным вертикальным градиентом температур в зависимости от изменения давления с высотой (чем выше высота, тем ниже температура). Если вертикальный градиент температур меньше адиабатического градиента, то атмосфера

151

Таблица 2,32

Классификация и характеристика состояния атмосферы

Класс устойчивости Характеристика устойчивости Описание Скорость ветра, м/с Температурный градиент ΔТ/ΔZ, °С/100м
А Очень неустойчивое состояние, сильно развитая конвекция Очень солнечная летняя тихая погода 1 менее -1,9
В Неустойчивое состояние, умеренная конвекция Солнечно и тепло 2 -1,9...1,7
С Слегка неустойчивое состояние, слабая конвекция Переменная облачность в течение дня 5 -1,7...1,5
D Безразличное нейтральное состояние Облачный день или облачная ночь 5 -1,5...0,5
Е Слегка устойчивое состояние, слабая инверсия Переменная облачность в течение ночи 3 -0,5...1,5
F Устойчивое состояние, умеренная инверсия Ясная ночь 2 1,5... 4

152

считается неустойчивой и по коэффициенту турбулентной диффузии разделяется на шесть классов, приведенных в табл. 2.33.

Таблица 2.33

Коэффициент турбулентной диффузии ko, м2/с

Класс устойчивости атмосферы
А В С D Е F
2,17 1,39 1,04 0,65 0,43 0,26

В качестве примера на рис. 2.14 приведены изменения концентрации пропана в пропановоздушном облаке, содержащем в начальный момент времени 1 т пропана.

Со временем облако расплывается, образуя на границе пропан-воздух взрывоопасную смесь, которая первоначально увеличивается, затем уменьшается до полного рассеивания. Это видно по изменениям во времени расстояний от центра облака (рис. 2.15), на которых пропановоздушная смесь имеет нижний концентрационный

Рис. 2.14. Изменение во времени концентрации (С) в пропановом облаке (М = 1 т, k0 = 0,26; F - состояние атмосферы)
Рис. 2.14. Изменение во времени концентрации (С) в пропановом облаке (М = 1 т, k0 = 0,26; F - состояние атмосферы)

153

Рис. 2.15. Изменение во времени размеров взрывоопасного облака: Rнкпр, Rвкпр, Rстех - радиусы от центра облака, на которых смесь имеет нижний, верхний, стехиометрический пределы воспламенения
Рис. 2.15. Изменение во времени размеров взрывоопасного облака: Rнкпр, Rвкпр, Rстех - радиусы от центра облака, на которых смесь имеет нижний, верхний, стехиометрический пределы воспламенения

предел распространения пламени (НКПР), стехиометрический и верхний концентрационные пределы распространения пламени (ВКПР) соответственно.

Взрывоопасное облако (для наиболее устойчивого состояния атмосферы F) имеет максимальный размер через 150 с после аварийного выброса пропана. В дальнейшем его размеры (в том числе, и объем, рис. 2.15, 2.16) уменьшаются.

Рис. 2.16. Изменение во времени объема (V) взрывоопасного облака (М = 1 т, k0 = 0,26)
Рис. 2.16. Изменение во времени объема (V) взрывоопасного облака (М = 1 т, k0 = 0,26)

154

Рис. 2.17. Изменение во времени массы пропана, находящегося во взрывной концентрации (М = 1 т, k0 = 0,26)
Рис. 2.17. Изменение во времени массы пропана, находящегося во взрывной концентрации (М = 1 т, k0 = 0,26)

Максимальная масса пропана, участвующего во взрыве, составляет 12% от общей массы. Изменение во времени массы пропана, находящегося во взрывоопасной концентрации с воздухом, показано на рис. 2.17.

В табл. 2.34 приведены максимальные массы газа, участвующего во взрыве, при аварийных выбросах в атмосферу сжиженных углеводородных газов (СУГ) на газораздаточной станции,

Таблица 2.34

Максимальные массы газа (М), участвующего во взрыве, при аварийных выбросах СУГ в атмосферу

Установка М, т
Z1* = l,0 Z1 = 0,5 Z1 = 0,25
Газораздаточная станция 9,6 4,8 2,4
Установка подготовки сырья при производстве полипропилена 4,8 2,4 1,2
Газофракционирующая установка 4,8 2,4 1,2

* Z1 - часть испарившегося газа, перешедшего во взрывоопасное состояние.

155

установке подготовки сырья при производстве полипропилена, газофракционирующей установке.

Расчет нагрузок на фронте взрывной волны при горении облака топливно-воздушной смеси. Наиболее важной характеристикой аварии со взрывами паровых облаков является расстояние от эпицентра, которое может охватывать паровое облако с концентрацией выше нижнего концентрационного предела распространения пламени. Возникновение данного вида опасности в значительной степени определяется расположением источников загорания по территории объекта. Предполагается, что на открытой местности в основном реализуется процесс дефлаграции. Ущерб от дефлаграции оценивается по механизму воздействия ударной волны и горения облака. В случае механизма детонации область ущерба практически совпадает с зоной существования парогазового облака с концентрацией СНКПР. Границы зоны разрушения характеризуются значениями избыточных давлений по фронту детонационной ударной волны ΔР и соответственно безразмерным коэффициентом К, определяемым по формуле (2.3) и табл. 2.7.

Результаты расчетов давления ударной волны при детонационном горении ТВС, образуемой при аварийных ситуациях от технологических блоков установки Г-43-107, приведенные в табл. 2.35, показывают, что наиболее опасными в данном случае являются блоки Р-101/2 и К-201.

Таблица 2.35

Результаты расчета давления (Р) ударной волны при детонационном горении ТВС от расстояния (R) технологических блоков установки Г-43-107

Технологические блоки установки
П-101 Р-101/2 К-201 Р-201 К-304 К-306
Параметры
R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа
68 100 102 100 226 100 51 100 62 100 67 100
101 70 150 70 333 70 76 70 91 70 99 70
173 28 257 28 570 28 130 28 157 28 170 28
503 14 749 14 1663 14 379 14 457 14 495 14
1007 2 1497 2 3326 2 758 2 915 2 990 2

156

Поскольку невозможно заранее предсказать, произойдет ли детонация парогазовой смеси после инициирования или смесь сгорит, рассмотрено дефлаграционное (взрывное) горение парогазовой смеси.

Дефлаграционные взрывы, в отличие от детонационных взрывов конденсированных взрывчатых веществ и газовоздушных смесей (ГВС), характеризуются более медленной скоростью распространения пламени, меньшей скорости распространения звука. При взрывах больших объемов ГВС в открытом (неограниченном) пространстве наиболее характерными скоростями пламени являются скорости 70-240 м/с. В связи с этим дефлаграционный взрыв на ближних расстояниях создает взрывную волну, отличающуюся от типичных сферических ударных волн детонационных взрывов следующими особенностями:

  • - в процессе взрывного горения фронт взрывной волны движется со сверхзвуковой скоростью, а фронт пламени распространяется с дозвуковой скоростью, зона между этими фронтами, в которой находится слой сжатого воздуха, возрастает;
  • - избыточное давление и другие параметры (скорости потока воздуха и звука в потоке, плотность воздуха, скоростной напор) в слое сжатого воздуха возрастают от фронта взрывной волны к фронту пламени;
  • - после окончания взрывного горения на расстоянии Rr (равном радиусу огненного шара) фронт максимального давления отрывается от фронта пламени и распространяется в сторону фронта взрывной волны со скоростью, равной сумме скоростей звука и потока газа, и на некотором расстоянии Кдог от центра взрыва догоняет фронт взрывной волны.

При дефлаграционном взрыве условно выделяются три зоны действия взрывной волны.

В 1-й зоне, расположенной в радиусе 0 < R < Rr от центра взрыва, происходит взрывное горение горючей смеси, воспринимаемое как развитие огненного шара. В этой зоне на сооружение последовательно действуют взрывная волна, движущаяся перед фронтом пламени, а затем раскаленные до 1600-2000°С продукты взрыва, избыточное давление в которых на 1-3% меньше, чем перед фронтом пламени до окончания взрывного горения, после которого на здания и сооружения, расположенные в 1-й зоне, воздействует давление разрежения, распространяющееся от конечного положения фронта пламени к центру взрыва.

Во 2-й зоне, расположенной в интервале Rr < R < Rдог, на здание последовательно воздействуют фронт взрывной волны и избыточное давление, повышающееся до максимального ΔРr. После

157

прохождения максимального давления ΔРm на здание воздействует понижающееся избыточное давление, а затем "давление разрежения".

На всем протяжении 1-й и 2-й зон избыточное давление на фронте взрывной волны ΔРф и другие параметры фронта остаются постоянными. Снижение значений указанных параметров с расстоянием, пройденным взрывной волной, начинается на границе 2-й и 3-й зон при R = Кдог и продолжается при R > Rдог.

В то же время на протяжении всей 2-й зоны происходит быстрое снижение величин максимального давления АРт и скоростного напора qm соответственно от значений АРmах и qmax на границе с 1-й зоной до значений ΔРф и qф на границе с 3-й зоной.

В 3-й зоне, находящейся на расстоянии R > Rдог, взрывная волна перестает подпитываться энергией от фронта пламени и превращается в типичную сферическую ударную волну, в которой максимальное давление и другие параметры (скорость потока, плотность, скоростной напор) приходятся на фронт ударной волны. После прохождения фронта ударной волны все параметры в волне снижаются и затем наступает фаза разрежения.

Математическое описание дефлаграционного взрыва и создаваемой им взрывной волны сложнее, чем детонационных взрывов ГВС, из-за широкого спектра скоростей распространения пламени, изменчивости указанных скоростей в процессе взрывного горения, большого влияния на них турбулизации взрывоопасной смеси.

Для определения параметров взрывной волны необходимо знать значение видимой скорости распространения пламени дефлаграционного взрыва V. Строгое определение значений видимой скорости пламени невозможно из-за влияния очень большого количества факторов и оценивается по формуле:

V = К1К2{220К3 [1 - ехр(-(ЗК4 + lg(MZ))/12,9)] + 30UH sin(π/2 Ссрстх)} м/с, (2.20)

где К1 = 1,0-1,5 - коэффициент для учета интенсивности инициирования взрывного горения; К2 - коэффициент для учета места воспламенения облака ГВС, равный 1 при воспламенении в центральной части облака и 0,5 при воспламенении на периферии; К3 - коэффициент для учета плавучести (оседаемости) облаков в зависимости от соотношения плотностей и температур газопаровоздушной смеси (ГПВС) и окружающего воздуха (для нормальных условий К3 = 0,98-1,01); К4 - коэффициент для учета вида препятствий, вызывающих турбулизацию ГПВС перед фронтом пламени (К4 = 1-3,5); UH - скорость горения.

158

При наземных взрывах радиус облака продуктов взрыва в конце взрывного горения определяется как

Rr = 0,782(М8срср)1/3, (2.21)

где М - масса газа, участвующего во взрыве; Бср - среднее значение коэффициента расширения, определяется через полусумму величин:

ε = (Естех + εпрод )/2,

где εстех - степень расширения продуктов сгорания стехиометрической смеси; εпрод - степень расширения продуктов сгорания при нижнем концентрационном пределе распространения пламени; Сср - средняя концентрация горючего вещества в смеси:

Сср = (Cнкпр + Cстех)

где Снкпр - нижний концентрационный предел распространения пламени; Сстех - стехиометрическая концентрация смеси.

При дефлаграционном взрыве на фронтах воздушной волны и пламени независимо от количества горючего вещества при постоянной скорости распространения пламени на одинаковых приведенных расстояниях R0 = R / Rr в пределах 1-й и 2-й зон имеются одинаковые значения величин: избыточного давления, скоростного напора, плотности и массовой скорости потока газов.

Максимальное избыточное давление ΔРmах определяется как

ΔРmах = 24,22 + [(V - 140)/4,745]1,232. (2.22)

Во 2-й зоне между фронтами взрывной волны и пламени в области 1 ≤ R0 ≤ Rдог максимальное избыточное давление ΔРm составит:

ΔPm = ΔPmax/[l + B(R0-l)c], (2.23)

где R0 = R/Rr.; В и С - коэффициенты, определяемые по табл. 2.36 в зависимости от величины расчетной скорости распространения пламени Up.

Максимальное значение скоростного напора qm определяется по аппроксимационной формуле:

qm = 10Y, (2.24)

где Y = А[1 - ln(R0)/lnRq0]N + Cq; A, N, Cq - величины, принимаемые по данным табл. 2.36 в зависимости от Up; Rq - приведенное расстояние, далее которого величина скоростного напора < 0,25 кПа; Rijпринимается по данным табл. 2.36 (0 < R0 < 1; qm = 0).

159

Таблица 2.36

Коэффициенты и показатели степени аппроксимационных формул

Коэффициент, показатель Расчетная скорость распространения пламени Up, м/с
100 140 170 200 240
В 0,573 0,553 0,525 0,502 0,491
С 1,055 1,069 1,077 1,098 1,165
N 1,091 1,106 1,121 1,112 1,059
F 1,630 1,804 1,791 2,005 2,190
Rq0 3,913 5,450 5,987 8,491 11,000
Cq 0,922 0,774 0,568 0,614 0,602

Расчеты максимальных уровней давления при дефлаграционном взрыве облака СУГ даны на рис. 2.18.

Результаты расчета изменения во времени массы газа, находящегося во взрывоопасной концентрации, для различных классов устойчивости атмосферы показывают (рис. 2.19), что, например, при аварийном выбросе 80 т СУГ при классе устойчивости А время рассеивания облака tup равно 200 с, а при классе

Рис. 2.18. Максимальные уровни взрывного давления на различных расстояниях от эпицентра облака СУГ: I - при взрыве 9,0 т; II - при взрыве 1,2т
Рис. 2.18. Максимальные уровни взрывного давления на различных расстояниях от эпицентра облака СУГ: I - при взрыве 9,0 т; II - при взрыве 1,2т

160

Рис. 2.19. Изменение во времени массы газа (М), находящегося во взрывоопасной концентрации. Масса выброса: а - 80 т; б - 40 т
Рис. 2.19. Изменение во времени массы газа (М), находящегося во взрывоопасной концентрации. Масса выброса: а - 80 т; б - 40 т

устойчивости F - tдp равно 1400 с. В первом случае значительный дрейф облака практически исключается, во втором - наиболее вероятен.

Дальность дрейфа облака tдр (до расстояния, на котором еще сохраняются его взрывоопасные свойства) определяется по формуле:

Lдр buвtдр (2.25)

где uв - скорость ветра; b - константа (в зависимости от местности b = 0,6-1,0); tдр - время дрейфа.

Используя расчетные методики для любого класса устойчивости атмосферы, можно определить время дрейфа tдр, а по формуле (2.25) - дальность дрейфа bдр, при которых в облаке содержится определенная масса М во взрывоопасной концентрации. Расчетные данные приведены в табл. 2.37-2.39.

С учетом того, что при классе устойчивости атмосферы F время рассеивания облака имеет самое большое значение (следовательно, возможен его дрейф на большие расстояния), в табл. 2.40 приведены: время дрейфа облака tдр, его дальность bдр, масса газа в облаке М во взрывоопасной концентрации при этих условиях.

На рис. 2.20 приведены максимальные уровни давления в волне сжатия при взрыве дрейфующего облака с массами 80 т и 20 т соответственно. Первый (рис. 2.20а) сценарий развития аварии является наиболее неблагоприятным (самое устойчивое состояние атмосферы, мгновенное испарение всей массы СУ Г, выброшенной

161

Таблица 2.37

Аварийный выброс 80 т СУГ

Класс устойчивости атмосферы Значения tдр, с и Lдр, м при содержании массы газа во взрывоопасной концентрации М, т
2 4 6 8
tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м
Фаза формирования взрывоопасного облака
А 41,7 25 58,3 35 66,7 40 75,0 45
В 66,7 40 91,7 55 108,3 65 116,7 70
С 91,7 55 125,0 75 133,3 80 141,7 85
D 141,7 85 208,3 125 233,3 140 241,7 145
Е 216,7 130 308,3 185 350,0 210 366,7 220
F 375,0 225 508,3 305 575,0 345 600,0 360
Фаза рассеивания взрывоопасного облака
А 133,3 80 116,3 70 100,0 60 83,3 50
В 208,3 125 183,3 110 158,3 95 133,3 80
С 283,3 170 241,7 145 208,3 125 175,0 105
D 450,0 270 391,7 235 333,3 200 283,3 170
Е 675,0 405 591,7 355 508,3 305 433,3 260
F 1133, 680 983,3 590 841,7 505 725,0 435

Таблица 2.38

Аварийный выброс 40 т СУГ

Класс устойчивости атмосферы tдр, с и Lдр, м при содержании массы газа во взрывоопасной концентрации М, т
1 2 3 4
tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м tдр, с Lдр, м
Фаза формирования взрывоопасного облака
А 34,3 20,6 48,6 29,1 51,4 30,9 57,1 34,3
В 57,1 34,3 77,1 46,3 80,0 48 85,77 51,4
С 74,3 44,6 105,7 63,4 111,4 66,8 120,0 72,0
D 120,0 72 165,7 99,4 182,9 109,7 194,3 116,6
Е 182,9 109,7 251,4 150,9 280,0 168,0 291,4 174,9
F 297,1 178,3 417,1 250,3 468,6 281,1 491,4 294,9
Фаза рассеивания взрывоопасного облака
А 108,6 65,1 91,4 54,9 77,1 46,3 68,6 41,1
В 171,4 102,9 147,7 87,4 125,7 75,4 108,6 65,1
С 228,6 137,1 194,3 116,6 168,6 101,4 142,9 85,7
D 365,7 219,4 317,1 190,3 271,4 162,9 234,3 140,6
Е 554,3 332,6 480,0 288,0 414,3 248,6 357,1 214,3
F 920,0 552,0 794,3 476,6 691,4 414,9 591,4 354,8

162

Таблица 2.39

Аварийный выброс 20 т СУГ

Класс устойчивости атмосферы tдр, м и Lдр, м, при содержании в облаке массы газа во взрывоопасной концентрации М, т
1 2,4 4
tдр, м Lдр, м tдр, м Lдр, м tдр, м Lдр, м
Фаза формирования облака Фаза максимального облака Фаза рассеивания облака
А 34,3 20,6 51,4 30,9 74,3 44,6
В 57,1 34,3 74,3 44,6 114,3 68,6
С 80,0 48,0 105,7 63,4 154,3 92,6
D 131,4 78,9 165,7 99,4 251,4 150,9
Е 200,0 120,0 240,0 144,0 382,9 229,7
F 331,4 198,9 400,0 240,0 634,3 380,6

Таблица 2.40

Параметры дрейфа облака при классе устойчивости атмосферы F

Выброс 80 т СУГ Выброс 40 т СУГ Выброс 20 т СУГ
tдр, м Lдр, м tдр, м Lдр, м tдр, м Lдр, м tдр, м Lдр, м tдр, м
300 150 1,12 200 120 0,56 300 180 0,76
400 300 3,44 400 240 1,76 400 240 2,40
500 375 9,60 500 300 4,80 500 300 1,76
600 450 7,76 600 360 3,84 600 360 1,14
700 600 3,92 800 480 1,80 700 420 0,60

в атмосферу) и наименее вероятным. Во втором случае (рис. 2.206) радиус зон поражения с сильной степенью разрушения составляет 200-300 м.

Далее приведены результаты расчета давления ударных волн при дефлаграционном горении ТВ С, образующихся при авариях технологических блоков установки каталитического крекинга Г-43-107. Расчет выполнен для наиболее неблагоприятного варианта при инициировании горения в центральной части облака. Рассмотрены ситуации при различных коэффициентах турбулизации (1,5-3,5), характеризующих минимальное и максимальное загромождение пространства в месте воспламенения смеси.

163

Рис. 2.20. Максимальные уровни избыточного давления в волне сжатия при взрыве дрейфующего облака: а - М = 80т; б - М = 20т
Рис. 2.20. Максимальные уровни избыточного давления в волне сжатия при взрыве дрейфующего облака: а - М = 80т; б - М = 20т

Исходные данные для расчетов скорости распространения пламени для блоков установки Г-43-107 приведены в табл. 2.41 и 2.42. Параметры и характеристики распространения пламени были рассчитаны исходя из состава ПГФ и физико-химических данных для индивидуальных веществ.

Таблица 2.41

Исходные данные для расчета скорости распространения пламени

Показатель Технологические блоки установки
П-101 Р-101/2 К-201 Р-201 К-304 К-306
Средняя концентрация горючего, г/м3 17,32 23,70 47,20 42,68 57,43 57,78
Средний коэффициент расширения 4,41 4,53 4,72 5,22 5,97 6,61
Максимальная скорость распространения пламени, м/с 2,22 1,82 0,38 0,35 0,37 0,46

164

Таблица 2.42

Свойства индивидуальных веществ

Вещество Свойства
Сстех, г/м3 СНКПР, г/м3 ζстех ζнкпр Uн, м/с Сср ζcp
Н2 24,7 3,5 6,9 2,1 2,670 14,1 4,5
СН4 63,5 31,7 7,4 5,0 0,338 47,6 6,2
С2Н4 67,6 234,4 7,8 5,0 0,740 45,5 6,4
С2Н6 72,6 36,3 7,9 5,1 0,401 54,5 6,5
C3H6 78,2 39,1 8,2 5,0 0,583 58,7 6,6
С3Н8 74,1 37,1 8,1 5,1 0,455 55,6 6,6
С4Н8 79,0 38,0 8,2 5,1 0,375 58,5 6,7
С4Н10 75,8 38,0 8,0 5,2 0,379 56,9 6,6
С5+ 78,4 55,9 8,1 5,0 0,385 67,2 6,6
С6+ 79,1 66,0 8,2 5,1 0,335 72,6 6,7

В табл. 2.43 для технологических блоков установки Г-43-107 приведены результаты расчета давления ударной волны в зависимости от расстояния при дефлаграционном горении ТВС при различных скоростях горения смесей. Анализ полученных результатов показывает, что авария на одном из блоков установки может привести к разрушению коммуникаций и технологического оборудования смежных блоков, что способно вызвать образование и взрыв топливно-воздушной смеси, т.е. развитие сценария по принципу "домино". Наиболее опасными в этом отношении являются реактор гидроочистки Р-101/2 и ректификационная колонна К-102.

Далее, в качестве примера, приведены результаты расчета максимального давления в волне сжатия при дефлаграционном взрыве при возможных аварийных ситуациях на установке ЛЧ-35-11/1000. Характеристики блоков установки даны в табл. 2.29.

На рис. 2.21 приведены максимальные значения давления при взрыве массы Мг = 15 т перегретого бензина. При этом скорость пламени изменялась в пределах: 103,4-158,0 м/с, что соответствует минимальной и максимальной загроможденное™ пространства в месте воспламенения смеси. Взрыв такого количества перегретого бензина (1-й тип аварии по сценарию А) возможен при холодном разрушении резервуаров К-101 или К-102. Частота подобного события составляет 1,3 · 10-7 год-1, поэтому оно маловероятно.

При разгерметизации межблочных трубопроводов и арматуры установки ЛЧ-35-11/1000 с загоранием паровоздушной струи бензина возможно образование струйных факелов в соответствии

165

Таблица 2.43

Результаты расчета
давления ударной волны при дефлаграционном горении ТВС
в зависимости от расстояния (R)
для технологических блоков установки Г-43-107

Технологические блоки установки
П-101 Р-101/2 К-201 Р-201 К-304 К-306
V1 = 166,3 м/с V1 = 165,5 м/с V1 = 162,7 м/с V1 = 152,9 м/с V1 = 154,7 м/с V1= 150,8 м/с
R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа R, м Р, кПа
30 12,5 30 16,9 30 23,7 30 6,4 30 7,6 30 7,6
50 7,7 50 10,8 50 16,0 50 3,9 50 4,6 50 4,6
75 5,1 75 7,3 75 11,2 75 2,5 75 3,0 75 3,1
100 3,8 100 5,5 100 8,5   1,9 100 2,3 100 2,3
150 2,5 150 3,6 150 5,7     150 1,5 150 1,5
200 1,9 200 2,7 200 4,3            
    300 1,8 300 2,8            
        500 1,7            

V2= 108,1
м/с
V2= 109,4
м/с
V2 = 110,9
м/с
V2=93,4
м/с
V2=96,l
м/с
V2 = 93,3
м/с
R, м P, кПа R, м P, кПа R, м P, кПа R, м P, кПа R, м P, кПа R, м P, кПа
30 5,7 30 7,9 30 11,7 30 2,6 30 3,2 30 3,1
50 3,5 50 5,0 50 7,9 50 1,6 50 1,9 50 1,9
75 2,3 75 3,4 75 5,5     75 1,3    
100 1,7 100 2,6 100 4,2            
    150 1,7 150 2,8            
        200 2,1            
        300 1,4            

* V1 и V2 - максимальные и минимальные скорости горения соответственно со сценариями А, В. Длина струйных факелов при авариях на различных блоках приведена ниже:

Блоки установки Длина струйного факела, м
осесимметричного веерообразного
Реактор Р101 55 20
Реактор Р102 30 8
Реактор Р103 30 8
Колонна К101 30 8
Колонна К 102 50 16
Реактор Р104 50 16

166

Рис. 2.21. Максимальное давление в волне сжатия для Мг = 15 т: а - V = 103,4 м/с (1); V = 129,1 м/с (2); б - V = 149,5 м/с (1); V = 158,0 м/с (2)
Рис. 2.21. Максимальное давление в волне сжатия для Мг = 15 т: а - V = 103,4 м/с (1); V = 129,1 м/с (2); б - V = 149,5 м/с (1); V = 158,0 м/с (2)

Струйные факелы могут образовываться при разгерметизации запорной арматуры или разрыве трубопроводов для транспортировки водородсодержащего газа (см. сценарий D). При расчетах параметров струйных факелов при истечении водородсодержащего сырья диаметр аварийного отверстия принимался равным 1/5 максимального диаметра трубопровода установки. Результаты расчетов параметров струйного факела приведены в табл. 2.44.

Из табл. 2.44 видно, что при разгерметизации трубопроводов или запорной арматуры факелы водородсодержащего сырья имеют значительные размеры. Такие факелы высокоэнергетичны (удельная энергия сгорания водорода составляет 125 МДж) и представляют серьезную опасность для блоков установки. При отсутствии специальной противопожарной защиты блоков факелы от бензина или водородсодержащего сырья могут вызывать объемный взрыв блоков с охватом пламенем больших площадей территории установки.

Таблица 2.44

Параметры струйного факела

Давление ВСГ в трубопроводе, МПа Длина факела, м Малое основание факела, м Большое основание факела, м Угол расхождения факела, °
1,4 22,4 0,10 3,6 5,5
4,7 37,3 0,16 5,9 4,4

167

При нагревании оболочки аппарата, находящегося под давлением, может происходить ее разрушение даже в тех случаях, когда внутреннее давление в аппарате остается постоянным (например, открыт предохранительный клапан, обеспечивающий постоянное давление).

Установлено, что время нагрева, при котором наступает снижение прочности, для всех блоков составляет от 1 до 3 мин. Вследствие этого, рекомендуется на блоках Р101, Р102, Р103, Р104, К101, К102 установить систему водяного орошения с автоматическим пуском с интенсивностью подачи воды не менее 0,1 лм-2с-1 для поверхностей без арматуры и не менее 0,5 лм-2с-1 - для поверхностей с арматурой.

Поскольку во всех блоках доля бензина, которая может испариться, значительно превосходит 35%, то в случае отсутствия или наличия системы орошения с недостаточной интенсивностью подачи воды блок, находящийся в пламени, может взорваться по типу BLEVE с охватом пламенем значительной площади установки. Время включения системы водяного орошения должно составлять не более 1 мин. Для исключения такого взрыва на блоках следует предусмотреть системы сброса давления на свечу или факел.

Расчет плотности теплового потока излучения и зон поражения от огневого шара. При образовании огневого шара (в результате полного разрушения холодного резервуара) его радиус Rхол (м), а также длительность существования tхол (с) определяются по формулам:

R = 29 · М1/3; tхол = {
4,5 · М1/3 при М < 37т;
8,2 · M1/3 при М > 37 т;
 
(2.26)

где М - масса сжиженных углеводородных газов или перегретой ЛВЖ, т.

Диаметр огневого шара dbl (м), а также длительность его существования tbl (с), при взрыве резервуара по двум вариантам разрушения, что возможно при потере прочности и разрыве резервуара в условиях пожара, определяются по зависимостям:

db1 = 3,44 [44,8М/μ]1/3;   tb1 = 0,31 [44.8М/μ]1/3, (2.27)

где М - масса СУГ или перегретой ЛВЖ, кг; μ - молекулярная масса.

168

Плотность потока теплового излучения от огневого шара q рассчитывается по зависимости:

q = qtfbFτ, (2.28)

где F - коэффициент облученности, рассчитываемый как

F = R2x/(R2 + х2)3/2, (2.29)

R - радиус огневого шара, м; х - расстояние до эпицентра, м; qfb - средняя поверхностная плотность потока теплового излучения, принимаемая равной 225 кВт, м"2; τ - прозрачность атмосферы, определяемая по формуле:

τ = 1-0,0565 lnх. (2.30)

Образование огневого шара в случае полного разрушения резервуара в холодном состоянии является одним из наиболее опасных явлений. Это связано с высокой скоростью процесса образования шара, а также с большими радиусами теплового поражения. Вместе с тем указанное событие является маловероятным (частота возникновения - 1,3 · 10-7год-1), что значительно ниже верхней границы допустимого уровня воздействия опасных факторов пожара на одного человека - 10-6год-1 (согласно ГОСТ). Таким образом, с помощью современных методов расчета можно эффективно прогнозировать последствия пожаров и взрывов углеводородных выбросов и топливно-воздушных смесей.

Вопросы:

  • Опишите возможные сценарии аварий на установках ГФУ, риформинга и каталитического крекинга.
  • Опишите алгоритм расчета радиуса и времени распространения давления взрывных волн при взрывах газовоздушных смесей.
  • Охарактеризуйте три зоны разрушения при взрывах технологических емкостей.
  • Чем отличается по воздействию на окружающую среду и физическим характеристикам детонационный взрыв от дефлаграционного?
  • Назовите особенности взрыва на открытых и закрытых технологических установках.
  • Как вы понимаете эффект домино при взрывах на технологических установках?
  • В чем заключаются особенности возникновения и развития зон поражения от огневого шара?

169



Купить BlueTooth гарнитуру

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