Разработка вопросов безопасности в проектах. Ч.3. Практикум

Практическое занятие 10 ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ ВЗРЫВА ПАРОГАЗОВОЗДУШНОГО ОБЛАКА

10.1.Взрыв парогазовоздушного облака в ограниченном пространстве

Парогазовоздушное (ПГВ) облако образуется при авариях в системах переработки, транспортировки и хранения перегретых жидкостей и сжатых газов, а также при испарении разлившейся горючей жидкости (нефти, бензина, бензола и т.п.).

Оценка последствий аварий, связанных с взрывом парогазовоздушного облака, проводится по величине избыточного давления взрыва.

Избыточное давление взрыва P, кПа, для индивидуальных горючих веществ, состоящих из атомов углерода, водорода, кислорода, хлора, брома и фтора, определяется по формуле

где Рmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газоили паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа, определяется по справочным данным (при отсутствии данных допускается принимать Рmax = 900 кПа);

P0 – начальное давление, кПа, принимается P0 = 101,3 кПа; m – масса горючих газов (ГГ) или паров легковоспламеняю-

щейся жидкости (ЛВЖ) в помещении, кг;

Z – коэффициент участия горючего во взрыве, принимается для водорода Z = 1, для других горючих газов Z = 0,5 , для паров ЛВЖ и горючей жидкости (ГЖ) Z = 0,3;

(1 + Аав ∙ tав) – множитель, учитывающий уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции;

Аав – кратность воздухообмена аварийной вентиляции, ч-1; tав – время работы аварийной вентиляции, ч;

Vсв – свободный объем помещения, м3 (можно принять равным 80 % помещения);

ρг,п – плотность газа или пара при расчетной температуре, кг/м3;

21

Kн – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатность процессов горения, принимается Kн = 3;

Сст – стехиометрическая концентрация горючего, % (об.), вычисляется по формуле

здесь b – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения:

здесь nC,nH,nO,nX – число атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и галоидов в молекуле горючего.

где М – молярная масса , кг/кмоль;

V0 – мольный объем, V0 = 22,4 м3/кмоль;

tр – расчетная температура, °С, при отсутствии данных допускается принимать tр = 61°С.

Избыточное давление во фронте ударной волны при взрыве других горючих веществ, а также смесей производится по формуле

где m – масса ГГ или паров ЛВЖ в помещении, кг; НТ – теплота сгорания материала, кДж/кг;

P0 – начальное давление, принимается P0 = 101,3 кПа;

Z – коэффициент участия взвешенной пыли во взрыве, принимается для порошков металлов и сплавов Z = 1,0, для остальных пылей Z = 0,5;

(1 + Аав · tав) – множитель, учитывающий уменьшение массы взрывоопасной смеси в результате работы аварийной вентиляции;

Аав – кратность воздухообмена аварийной вентиляции, ч-1; tав – время работы аварийной вентиляции, ч;

Vсв – свободный объем помещения, м3 (можно принять равным 80 % помещения);

22

ρв – плотность воздуха, кг/м3; Ср – теплоемкость воздуха, Ср = 1,3 кДж/(кг · К);

T0 – начальная температура воздуха, К;

Kн – коэффициент негерметичности и неадиабатичности процесса горения, для больших помещений (мастерские, цехи и т.п.), имеющих большую площадь оконных проемов, Kн = 3, для относительно небольших помещений (камеры вентиляционных установок, помещения для газоочистных установок и т.п.) Kн = 2.

При аварии агрегата, содержащего горючие жидкости или газы, принимается, что все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов (табл. 10.1).

При аварии аппарата с последующим поступлением в окружающее пространство газообразного вещества массу газа mг, кг, участвующего во взрыве, можно определить так:

где Vа – объем газа, вышедшего из аппарата, м3;

Vт – объем газа, вышедшего из трубопровода, м3; ρг – плотность газа, кг/м3.

Объем газа, вышедшего из аппарата, можно определить по формуле

где Р1 – давление в аппарате, кПа; V1 – объем аппарата, м3.

23

где Vт1 – объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3;

Vт2 – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3.

Объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения,

где q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газа и т.п., м3/с;

t – время, с, определяется по табл. 10.1.

Объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения,

i=1

где Р2 – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа;

ri – внутренний радиус i-го участка трубопровода, м;

Li – длина i-го участка трубопровода от аварийного аппарата до задвижек, м;

n – число поврежденных участков трубопровода.

При аварии аппарата с жидкостью часть жидкости может находиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство с образованием первичного облака. Оставшаяся часть жидкости разливается с образованием вторичного облака при последующем испарении с зеркала разлива.

В случае присутствия в оборудовании газовой фазы масса пара в первичном облаке mпΙ , кг, определяется по формуле

где a – объемная доля оборудования, заполненного газовой фазой; М – молярная масса жидкости, кг/кмоль;

24

V1 – объем аппарата, м3;

Р1 – давление в аппарате, Па;

Vт – объем вещества в трубопроводе, м3;

Р2 – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, Па;

R – универсальная газовая постоянная, R = 8310 Дж/(К · кмоль); Тж – температура жидкости в аппаратуре, К.

В случае отсутствия газовой фазы будет образовываться только вторичное облако. Объем пролившейся жидкости в этом случае составит

где Vа – объем жидкости, вышедшей из аппарата, м3;

Vт – объем жидкости, вышедшей из трубопровода, м3.

Объем жидкости, вышедшей из трубопровода, определяется по формуле

где Vт1 – объем жидкости, вышедшей из трубопровода до его отключения, м3;

Vт2 – объем жидкости, вышедшей из трубопровода после его отключения, м3.

Объем жидкости, вышедшей из трубопровода до его отключения,

где q – расход жидкости, м3/с;

t – время, с, определяется по табл. 10.1.

Объем жидкости Vт2, м3, вышедшей из трубопровода после его отключения,

где d – внутренний диаметр трубопровода, м; Li – длина i-го трубопровода, м;

n – количество разгерметизированных трубопроводов, шт.

25

Массу пролившейся жидкости можно определить, зная ее плотность:

Если температура разлившейся жидкости Тж выше, чем температура кипения Ткип, которая выше температуры окружаю-

щей среды Тос (Тж > Ткип > Tос), то жидкость кипит за счет перегрева с образованием пара массой mпΙΙ.пер , кг:

где Lкип – удельная теплота кипения жидкости при температуре перегрева Тж, Дж/кг; Ср – удельная теплоемкость жидкости при температуре пере-

грева Тж, Дж/(кг · К);

mж – масса перегретой жидкости, кг;

Tж – температура перегретой жидкости в соответствии с технологическим регламентом в технологическом аппарате или оборудовании, К;

Tкип – температура кипения жидкости, К.

Разлившаяся жидкость с температурой Тж < Ткип испаряется с образованием пара массой mпΙΙ.исп , кг, во вторичном облаке:

где W – интенсивность испарения жидкости, кг/(м2 · с);

Fисп – площадь испарения (разлива), м2, равная площади обваловки (поддона) или площади поверхности, занимаемой разлившейся жидкостью исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих растворители массовой долей 70 % и менее, разливается на площади 0,5 м2, остальных жидкостей – на 1 м2 [3];

τисп – время испарения разлившейся жидкости, с, равное времени полного испарения, но не более 3600 с.

26

Интенсивность испарения разлившейся жидкости в помещении W, кг/(м2 · с), согласно СП 12.13130.2009 [3], определяется по формуле

где h – коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (табл. 10.2); М – молярная масса жидкости, кг/кмоль; Рнас – давление насыщенного пара, кПа.

Давление насыщенного пара Рнас, кПа, определяется по фор-

где Lкип – скрытая теплота парообразования ЛВЖ, кДж/кг (синонимом скрытой теплоты парообразования является скрытая теплота испарения, равная при температуре кипения скрытой теплоте кипения); М – молярная масса пара, кг/кмоль;

Ткип – температура кипения, К; Тос – температура окружающей среды, К;

R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 кДж/(К · кмоль);

27

где Pнас – давление насыщенного пара, мм рт. ст. (1 мм рт. ст. = 133,32 Па);

tос – температура окружающей среды, °С;

A, B, C – коэффициенты в уравнении Антуана, определяются по справочным данным; значения коэффициентов в формуле Антуана для некоторых веществ представлены в табл. 10.3.

Массу паров mп, кг, поступивших в помещение за время полного испарения жидкости, можно определить по формуле

где mпΙ – масса пара в первичном облаке, кг;

mпΙΙ – масса пара во вторичном облаке, кг, принимается равной массе жидкости, поступившей в окружающее пространство

вслучае ее перегрева mΙΙ. , кг, или массе жидкости, испарив-

ппер mΙΙ. , кг.

писп

Пример 10.1. Насосный зал нефтеперерабатывающего предприятия имеет размеры 54 × 12 × 8,5 м3. В зале расположены четыре центробежных магистральных насоса, два из которых находятся в рабочем состоянии, два – резервные. Производи-

28

тельность каждого насоса q = 2,78 м3/с. Нефть находится в насосе с максимальным объемом заполнения Vа = 25,76 м3. Насос занимает площадь 4,6 × 2,8 м2.

Отсечные вентили (автоматическое отключение) находятся в помещении насосной, а длина подводящего и отводящего нефтепроводов диаметром d = 1020 мм соответственно равна L1 = 3,0 и L2 = 4,4 м. Помещение насосного зала оборудовано системой аварийной вентиляции с кратностью Аав = 9 ч-1. Температура нефти равна средней максимальной температуре tн = 22,4 °С, скорость воздуха в помещении при работе аварийной вентиляции составляет 1 м/с.

Оценить возможные последствия аварийного разлива нефти и последующего взрыва паров нефти в результате разгерметизации одного магистрального нефтеперекачивающего насоса.

Решение

1.Учитывая, что объем нефти, вышедшей из трубопроводов,

всоответствии с формулами (10.13) – (10.15) составляет

Vт =2,78 120 + 3,14 1,022 (3,0 +4,4)=339,6 м3, 4

где время автоматического отключения насоса принято согласно табл. 10.1 t = 120 с,

определим объем нефти, поступившей в помещение насосной (с учетом вылива из насоса) по формуле (10.12):

Vж =25,76 +339,6 =365,36 м3.

2. Найдем толщину слоя разлившейся нефти d, м, с учетом размеров помещения насосной и оборудования.

Учитывая, что площадь насосной составляет Fпом =54 12=

=648 м2, а насосы занимают площадь Fнас =4 4,6 2,8 =51,52 м2, определим свободную площадь пола Fсв.пола:

Fсв.пола = Fпом -Fнас =648 -51,52 =596,48 м2.

Поступившая в помещение насосной нефть покроет всю свободную площадь пола слоем высотой d:

29

3. Интенсивность испарения ЛВЖ, не нагретой до температуры кипения, найдем по формуле (10.19), предварительно по формуле (10.20) определив давление насыщенных паров нефти Рнас:

При расчетах по формуле (10.20) принято, что молярная масса нефти II группы М = 240 кг/кмоль, скрытая теплота испарения нефти Lкип = 345,4 кДж/кг, а температура кипения нефти

tкип = 57 °С.

Тогда интенсивность испарения нефти

W =1 10-6 7,7 2,95 240 =3,53 10-4 кг/(м2 · с).

При расчете по формуле (10.19) в соответствии с табл. 10.2 при температуре в помещении около 20 °С и скорости воздушного потока 1 м/с коэффициент η = 7,7.

4. Масса паров нефти, образующихся при аварийном разливе, mпΙΙ.исп , кг, в соответствии с формулой (10.18) составляет

mп.испΙΙ =3,53 10-4 596,48 3600 =758 кг.

Площадь испарения Fисп, м2, примем равной свободной пло-

щади пола Fсв.пола, м2, так как при проливе поступившая в помещение насосной нефть покроет всю эту площадь. Время испаре-

ния нефти примем равным 1 ч или 3600 с.

Поскольку масса разлившейся нефти при ее плотности ρнеф = 860 кг/м3 в соответствии с формулой (10.16) составляет

mж =365,36 860 =314209,6 кг,

то за время аварийной ситуации, равное 3600 с, испарится в объем помещения

314209,6758 100 =0,24 % разлившейся нефти.

5. По формуле (10.4) найдем плотность паров нефти ρп, кг/м3, принимая расчетную температуру tр, °С, равной средней максимальной температуре нефти tн, °С:

30