Минобрнауки России

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

УГС (код, наименование) 280000, безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды

Специальность (код, наименование) 280102, безопасность технологически процессов и производств

УДК 614.8: 621.357.12:546.11

Факультет инженерно-технологический

Кафедра химической энергетики

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ДИПЛОМИРОВАННОГО СПЕЦИАЛИСТА (СПЕЦИАЛИСТА)

(дипломный проект)

Тема: Оценка технологической безопасности процессов получения и хранения водорода электролизным способом на Калининской АЭС

Дипломник_______________ Н.В. Андреяшина_

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Санкт-Петербург

2012 г

Заведующий кафедрой

проф., д.техн. наук ___________________ А. С. Мазур_______________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Руководитель,

доц., канд. техн. наук _______________ И.Г. Янковский___________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Консультанты:

Пром. санитария доц., канд. тех.наук _____________ Т.В. Украинцева_____

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Экономика_____ доц., канд. экон. наук _____________ Л.В. Костюк________

(подпись, дата) (фамилия, иницыалы)

Нормоконтролер

доц., канд. техн. наук _______________ Т.В. Украинцева____

(должность) (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Минобрнауки России

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)»

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

ДИПЛОМИРОВАННОГО СПЕЦИАЛИСТА (СПАЦИАЛИСТА)

УГС (код, наименование) 280000, безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды

Специальность (код, наименование) 280102, безопасность технологически процессов и производств

Факультет инженерно-технологический

Кафедра химической энергетики______

Студент Андреяшина Н.В.____________

Тема Оценка технологической безопасности процессов получения и хранения водорода электролизным способом

Утверждена приказом по институту от ___________________№_________________

Дата выдачи задания _____________________________________________________

Срок сдачи студентом законченной работы __________________________________

Исходные данные: технологический регламент по эксплуатации электролизной установки СЭУ−20, паспорт безопасности КАЭС_

Перечень подлежащих разработке вопросов, документов технологические блоки производства, причины аварийных ситуаций, анализ развития аварийных ситуаций, оценка поражающих факторов аварии, показатели степени риска, оценка условий труда, экономические потери, экологический ущерб, мероприятия по снижению риска

Перечень графического материала: плакаты - 8 шт.

Заведующий кафедрой

проф., д.техн. наук ___________________ А. С. Мазур_____________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Руководитель,

доц., канд. техн. наук ___________________ И.Г. Янковский__________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к выполнению ___________________ Н.В. Андреяшина_________

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Содержание

Введение.............................................................................................................................6

1 Аналитический обзор……………………………………………………………….....7

2 Патентный поиск……………………………………………………………………...10

3 Цели и задачи…………………………………………………………………………17

4 Технологическая часть……………………………………………………………….18

4.1 Исходные данные для оценки технологической безопасности исследуемого объекта…………………………………………………………......................................18

4.1.1 Данные о размещении персонала объекта с указанием средней численности наибольшей работающей смены…………………….………………………………...18

4.1.2 Характеристики опасных веществ…...……………….................................……19

4.1.3. Описание технологического процесса и принципиальная технологическая схема с обозначением основного технологического оборудования……………………………………………………………………………22

4.1.4 План размещения оборудования.……………………..........................................34

4.1.5 Перечень основного технологического оборудования, в котором обращаются опасные вещества……………………………………………………............................38

4.2 Разделение производства на блоки.……………………………………………….43

4.2.1 Оценка уровня взрывоопасности. Расчет энергетического потенциала……..44

4.2.2 Данные о распределении опасных веществ по блокам.………..........................51

4.3 Описание технических решений по обеспечению безопасности………………..54

4.3.1 Решения по исключению разгерметизации оборудования и предупреждению аварийных утечек водорода……………………………………………………………54

4.3.2 Решения по обеспечению взрывопожаробезопасности………………………..54

4.4 Анализ риска………………………………………………………………………..56

4.4.1 Анализ известных аварий…………………………………………………….......56

4.4.2 Анализ условий возникновения и развития аварий…………………………….64

4.4.2.1 Определение возможных причин и факторов, способствующих развитию аварий……………………………………………………………………………………64

4.4.2.2 Определение типовых сценариев……………………………………………...65

4.4.2.3 «Дерево отказов» технологического оборудования………………………….67

4.4.2.4 Оценка «дерева событий», краткое описание сценариев аварийных ситуаций………………………………………………..………………………………..70

4.4.2.5 Оценка реализации аварийных ситуаций и сценариев их дальнейшего развития……………………………………....................................................................74

4.4.2.6 Оценка количества опасных веществ, участвующих в аварии……………………………………………………………………………………76

4.4.3 Выбор физико-математических моделей и методов расчета вероятных зон поражающих факторов…………………………………………………………………77

4.4.3.1 Факельное горение……………………………………………………………...77

4.4.3.2 Избыточное давление в помещении при сгорании горючей смеси…............83

4.4.3.3 Расчет поражающего воздействия УВВ при адиабатическом расширении………….......................................................................................................87

4.4.4 Оценка риска гибели людей ……………………………………………………..94

4.4.4.1 Индивидуальный риск………………………………………………………….94

4.4.4.2 Коллективный риск_.…………………………………………………………….96

4.4.4.3 Социальный риск………….……………………………………………………98

5 Строительная часть……………………………………………………………….......99

5.1 Данные о топографии и месторасположении объекта…………………………...99

5.2 Данные о природно-климатических условиях расположения промышленного объекта…………………………………………………………………………………101

5.3 Наличие и границы запретных и санитарно-защитных зон………………….....105

5.4 Обоснование принятого типа и этажности здания……………………………...105

5.5 Обоснование и описание принятых конструкторских решений и выбранных материалов……………………………………………………………………………..105

6 Автоматизация………………………………………………………………………110

7 Охрана труда и окружающей среды………………………………………………..114

7.1 Охрана труда………………………………………………………………………144

7.1.1 Химический фактор на производстве…………………………………………114

7.1.2 Вредные физические факторы производственной среды…………………….........117

7.1.3 Тяжесть и напряженность труда……………………………………………….118

7.1.4 Сведения о системе вентиляции……………………………………………….121

7.1.5 Освещение производственного помещения………..…………………………124

7.1.6 Классификация производственных помещений……………………………...125

7.1.7 Определение размеров санитарно-защитной зоны…………………………...125

7.2 Охрана окружающей среды………………………………………………………125

8 Стандартизация……………………………………………………………………...126

9 Гражданская оборона…………………………………………………………….....127

9.1 Характеристика организационно-технических мероприятий, обеспечивающих безопасность объекта и готовность к ликвидации чрезвычайных ситуаций………………………………………………………………………………..127

10 Экономика…………………………………………………………………………..130

10.1. Расчет ущерба для наиболее вероятного сценария…...…………………........135

10.1.1 Расчёт материальных потерь………………………………………………….135

10.1.2 Расчет затрат на компенсацию последствий взрыва………………………...136

10.1.3 Расчет социального ущерба……………………..……..……………………...137

10.2. Расчет ущерба для наиболее опасного сценария……...…………………........138

10.2.1 Расчёт материальных потерь………………………………………………….138

10.2.2 Расчет затрат на компенсацию последствий взрыва………………………...139

10.2.3 Расчет социального ущерба…………………………………………………...140

11 Применение вычислительной техники, компьютерных технологий и информационных систем…………………………………………………………......141

12 Заключение и проектные предложения…………………………………………..142

12.1 Перечень наиболее значимых факторов, влияющих на показатели риска…………………………………………………………………………………....143

12.2 Предложения по внедрению мер, направленных на уменьшение риска аварий…………………………………………………………………………………..143

Список использованных источников………………………………………………...145

Приложение А……………………………………………………………………........149

Введение

В современном обществе атомная энергетика является перспективным, одним из наиболее чистых и доступных источников энергии. Той энергии, которая не угрожает загрязнением окружающей среды. Запасы ископаемого топлива – нефти, угля, природного газа рано или поздно будут исчерпаны. К тому же продукты его сгорания оказывают отрицательное воздействие на природу. Накопление в атмосфере углекислого газа ведет к глобальному потеплению климата, парниковому эффекту. В Российской Федерации, как и во многих странах мира, сооружаются и работают атомные электростанции, предназначенные для производства электроэнергии и тепла.

В настоящее время в РФ действуют 10 АЭС, в том числе и Калининская АЭС, которая предназначена для покрытия дефицита мощности в объединенной энергосистеме Центра и Северо-запада России.

На КАЭС обращаются многие опасные вещества, в том числе и водород.

Развитие технологии производства водорода методом электролиза воды связано с увеличением масштабов производства, со значительным единичных мощностей установок и аппаратов, а также с усложнением самого технологического процесса и режимов управления производством. Сам водород имеет взрывопожароопасные свойства.

Как следствие, наряду с развитием научно-технического прогресса в промышленности имеет место устойчивая тенденция роста числа аварий с все более тяжкими экологическими, экономическими и социальными последствиями. Именно поэтому необходимо решать ряд вопросов связанных с технологической и экологической безопасностью химической промышленности.

В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросам обеспечения на высоком уровне защиты окружающей среды, безопасности жизнедеятельности и охране труда. Одним из возможных путей снижения риска возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах является анализ произошедших аварий. На их основе разрабатываются мероприятия по предупреждению возникновения аварий и предотвращению опасных последствий.

1 Аналитический обзор

Водород является ценным сырьем, которое находит широкое применение. Его можно транспортировать, как природный газ, по трубопроводам в сжатом, сжиженном и даже в связанном с другими химическими соединениями виде. Конечно, у водорода есть и недостатки — это и его небольшая плотность, и низкая температура кипения, и повышенная пожаро-взрывоопасность (минимальная энергия зажигания в смесях с воздухом составляет всего 0,017 мДж, нормальная скорость распространения пламени достигает 2,7 м/с, а также достаточно широкие концентрационные пределы распространения пламени 4−75,0 %). Последнее, конечно, не может не наложить своих особенностей на всех стадиях при работе с продуктом (при получении, хранении, транспортировании и применении данного химического вещества).

Мировое производство водорода в настоящее время составляет более 30 млн. т. в год. Более половины всего водорода используется в промышленности для синтеза аммиака. Значительное количество водорода расходуется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки нефтепродуктов, синтеза метанола, в качестве охлаждающего агента в мощных генераторах электрического тока (как в данном проекте), и в других процессах.

Основным методом производства водорода является паровая конверсия углеводородов или конверсия нефтепродуктов. На долю электрохимических методов приходится примерно 3% получаемого в мире водорода. Электрохимический способ получения водорода и кислорода основан на электролитическом разложении воды.

Преимущество электрохимического способа получения водорода перед другими способами заключается в том, что получаемый газ не содержит каталитических ядов. Кроме того, он может сочетаться с производством тяжелой воды.

Удельная электропроводность тщательно очищенной воды незначительна: при 18°С она составляет 2·10¯⁸-6·10¯⁸ Ом¯¹·см¯¹. Поэтому для электролиза используют водные растворы электролитов – кислот, щелочей или солей. Чаще всего применяется раствор КОН или NaОН, что позволяет использовать сталь в качестве конструкционного материала при изготовлении электролизеров.

При электролизе щелочных растворов на катоде происходит восстановление воды:

2Н₂О+2е→Н₂+2ОН^¯;

а на аноде – разряд ионов гидроксила:

2ОН^¯→1/2О₂+Н₂О+2е

Электролиз воды, проводимый под давлением, приобретает практический интерес, так как при этом несколько снижается напряжение на электролизере. Однако электролиз под давлением имеет и свои отрицательные стороны. Опытным путем было установлено, что при увеличении давления в электролизе повышается растворимость газов в электролите и уменьшается выход по току, при этом усиливаются побочные процессы восстановления кислорода на катоде и окисление водорода на аноде [1].

Разделение газов внутри электролизеров важно как с точки зрения получения чистых продуктов электролиза, так и с точки зрения техники безопасности, поскольку водород и кислород образуют взрывоопасную смесь. Наиболее рациональным способом разделения, является применение диафрагм - простых перегородок, легко проницаемых для ионов и непроницаемых для газовых пузырьков.

На данном предприятии используется электролизеры типа СЭУ-20 (стационарная электролизная установка, тип 20), которые предназначены для снабжения водородом турбогенераторов АЭС. Для регулирования давления по обе стороны диафрагмы используются регуляторы давления с дополнительно установленными поплавками. Также предусмотрена сорбционная осушка водорода в осушителях заполненных силикагелем. К вспомогательному оборудованию относятся: разделительные колонки, уравнительные баки, бак для подачи щелочи, гидрозатворы, огнепреградители, холодильники и сепараторы.

Из электролизной водород поступает в ресивера на хранение.

Технология, применяемая для получения водорода методом электролиза воды, включает использование высоких температур и давлений. Значит, существует вероятность возгорания и взрыва веществ. Поэтому обеспечение безопасности на всех стадиях работы с этим продуктом является актуальной задачей.

Для наиболее крупных ОПО с целью повышения уровня их безопасности производят разделение таких производств на отдельные технологические блоки с оценкой уровня опасности таких блоков согласно ПБ 09-540-03 [2].

Технологический блок – аппарат или группа (с минимальным числом) аппаратов, которые в заданное время могут быть отключены (изолированы) от технологической системы (выведены из технологической схемы) без опасных изменений режима, приводящих к развитию аварии в смежной аппаратуре или системе [2].

В соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документацией оценка уровня взрывоопасности технологического блока осуществляется с помощью общего энергетического потенциала взрывоопасности (Е). Измеряется он в кДж и характеризует максимальное количество энергии, которое может выделиться в блоке при его аварийном разрушении и взаимодействии выбрасываемых при этом продуктов с кислородом воздуха. Таким образом, общий энергетический потенциал представляет собой энергию, которая способна привести к разрушению и повреждению оборудования, зданий, к гибели и травмированию людей. Определение значений энергетических показателей взрывоопасности технологических блоков (относительно энергетического потенциала Q_в, приведенная масса парогазовой среды m, категории взрывоопасности блоков) осуществляется в соответствии с ПБ 09-540-03 [2].

Для анализа развития аварийной ситуации и определения вероятности сценариев разрабатываются «деревья событий». Под сценарием аварии в соответствии с РД 03-14-2005 [3] понимается последовательность отдельных логически связанных событий, обусловленных конкретным инициирующим событием, приводящих к аварии с конкретными опасными последствиями.

Разгерметизация емкостей приводит к аварийному процессу, при котором опасные вещества, обращающиеся в технологических процессах, технологическое оборудование вовлекаются в не предусматриваемые технологическим регламентом процессы (прежде всего физико-химические) – взрывы и пожары, и создают поражающие факторы – ударные и тепловые нагрузки для персонала объекта, населения и окружающей среды, а также самого объекта. «Дерево отказов» - это модель надежности, которая отражает взаимосвязь между отдельными случайными событиями в виде отказов, совокупность которых приводит к отказу всей системы в целом.

Количество опасного вещества, участвующего в аварии и вероятность возникновения аварии, определялось в соответствии с приказом МЧС № 404 [4].

Индивидуальные, коллективные и социальные риски рассчитывались в соответствии с методическими указаниями «Методология оценки промышленной безопасности опасных производственных объектов» и РД 03 – 418 – 01 [5].