4 ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция к росту числа чрезвычайных ситуаций в промышленности, многие из которых приводят к тяжелым последствиям. Это связано с преимущественным использованием технологий наземного хранения токсичных и пожаровзрывоопасных веществ, постоянно возрастающими объемами их транспортировки, с ростом износа основных производственных фондов, увеличением количества стихийных бедствий и террористических актов. Ущерб, наносимый чрезвычайными ситуациями, существенно ухудшает экономическое положение страны.
На предприятиях России, как и в других странах, производятся и применяются, а также транспортируются большие объемы разнообразных горючих жидкостей. Прежде всего это углеводородные топлива, ежегодный объем производства которых составляет сотни миллионов тонн. На предприятиях многих отраслей промышленности, в т.ч. и в металлургии, горючие жидкости либо применяются в производственных процессах, либо являются побочным продуктом. Резервуарные парки предприятий часто находятся вблизи селитебных территорий и представляют собой источники потенциальной опасности для населения.
Одним из наиболее распространенных источников чрезвычайной ситуации в промышленности является пожар разлития. Полное или частичное разрушение резервуаров или технологического оборудования, приводящее к образованию пролива горючих жидкостей, при наличии источников зажигания может вызвать возникновение горения жидкостей. Пожар разлития отличается весьма сложным характером, зачастую большими масштабами и имеет склонность к распространению на близлежащие территории. Пожары разлития на производственных объектах наносят как большой материальный ущерб, так и ущерб жизни и здоровью людей.
5
Невозможность отказаться от большинства потенциально опасных технологий и существенно сократить объемы использования горючих жидкостей обуславливает необходимость развития новых подходов к обеспечению промышленной безопасности. Все большее распространение получает подход, основанный на управлении риском.
Основой данного подхода является количественная оценка потенциальной опасности промышленного объекта. Для этого необходимо знать, в первую очередь, пространственно-временное распределение поражающих факторов, основными из которых в случае пожара разлития являются термическое воздействие и воздействие открытого пламени.
Специфика оценки потенциальной опасности промышленных объектов состоит в весьма ограниченном использовании экспериментальных методов оценки последствий чрезвычайных ситуаций. Ввиду сложности и опасности проведения масштабных физических экспериментов наилучшим методом проведения подобных исследований является разработка математической модели с дальнейшим проведением с ее помощью численных экспериментов.
Моделирование распределения характеристик поражающих факторов в пространстве и во времени является весьма сложной задачей. Для оценки термического и токсического воздействия источника чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду существует немало наработанных, а иногда и нормированных методик. Однако в большинстве из них используются многочисленные упрощения либо допущения, поэтому их применимость существенно ограничена. Подобные недостатки приводят к заметному снижению точности полученных результатов. В случае пожара разлития ни одна из существующих математических моделей пожаров разлития (например, работы /1-4/) не учитывает в полной мере такие немаловажные явления, как существенная связь между поражающими факторами, составом горящей жидкости и условиями окружающей среды. Не учитываются эти явления и в используемых в настоящее время нормативных документах, что не позволяет точно оценить последствия пожара разлития.
6
Прежде всего это выражается в недостаточном учете особенностей горения жидкостей сложного состава, изменяющегося в процессе горения; влияния на пространственное распределение поражающих факторов пожара метеорологических условий, а также в упрощенном представлении структуры пламени пожара и зависимостей основных его характеристик от условий протекания процесса.
Сказанное выше обуславливает актуальность дальнейшего исследования пожаров разлития с целью нахождения закономерностей пространственно-временного распределения поражающих факторов и их характеристик в зависимости от химического состава горящего вещества, условий горения и параметров окружающей среды.
Целью диссертационной работы является снижение опасности поражения персонала и технологических объектов поражающими факторами пожара разлития в результате учета зависимостей пространственно-временного распределения последних от состава горящей жидкости, условий горения и параметров окружающей среды.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1 .Разработать математическую модель,' адекватно описывающую физические, химические и физико-химические процессы, происходящие при пожаре разлития, и провести с ее использованием численные эксперименты.
2.Выбрать и применить методы количественной оценки вероятности поражения населения, персонала и объектов поражающими факторами пожара разлития.
3.Провести количественные оценки последствий пожара разлития на примере наиболее характерных промышленных предприятий (коксохимического производства металлургического комбината ОАО "НЛМК" и нефтебазы морского терминала "Каспийского трубопроводного консорциума").
7
Методом решения большинства поставленных в работе задач явилось математическое моделирование с численной реализацией моделей на компьютере с использованием программного комплекса Mathematica 4.1. Для определения количественных характеристик поражения людей и объектов в зависимости от величин, характеризующих интенсивность воздействия поражающих факторов, использовали вероятностный метод. Проверку адекватности модели осуществляли путем сопоставления результатов расчета с опубликованными данными физических экспериментов.
Научная новизна результатов исследования состоит в том, что:
-разработана математическая модель пожара разлития углеводородной жидкости, с достаточной полнотой и адекватностью учитывающая особенности горения жидкостей сложного состава и изменение последнего при горении, а также учитывающая неоднородное пространственное распределение характеристик пламени;
-исследована зависимость основных характеристик пожара разлития от его геометрических параметров;
-выявлена степень влияния параметров окружающей среды на характеристики поражающих факторов пожара разлития;
-получены расчетные данные по пространственно-временным характеристикам поражающих факторов пожара разлития при различных состояниях окружающей среды в условиях реальной производственной площадки;
-оценены последствия аварий, связанных с пожарами разлития, с учетом характерных особенностей пожаров разлития;
-получены зависимости, позволяющие производить оценку последствий пожаров разлития ряда углеводородных жидкостей.
Достоверность полученных выводов и обоснованность рекомендаций обусловлена использованием современных методов и средств математического моделирования, основанных на фундаментальных уравнениях сохранения и переноса физических свойств и субстанций, а
8
также удовлетворительным согласованием полученных расчетных результатов и имеющихся экспериментальных данных.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная модель позволяет проводить количественную оценку потенциальной опасности и риска для населения и персонала последствий пожаров разлития с учетом их характерных особенностей, что будет способствовать их предупреждению и уменьшению негативных последствий. На основании полученных данных разработан ряд рекомендаций по уменьшению негативных последствий пожаров разлития на промышленных предприятиях. Разработаны зависимости, позволяющие производить оценку термического воздействия пожаров разлития некоторых углеводородных жидкостей и их последствий. Результаты исследований использовались для оценки ущерба от пожаров разлития и анализа риска на промышленных предприятиях (на примере ОАО "НЛМК" и "Каспийского трубопроводного консорциума"), а также в учебном процессе при чтении курсов "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" и "Системный анализ и моделирование процессов в техносфере".
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 127 стр. машинописного текста, содержит 65 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список использованной литературы содержит 111 наименований.
9
1.АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ПОЖАРОВ РАЗЛИТИЯ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ
1.1.Основные особенности чрезвычайных ситуаций, вызванных возникновением пожаров разлития.
Пожары разлития горючих жидкостей являются весьма распространенными и опасными источниками чрезвычайных ситуаций. По данным работы 151, резервуарный парк России общим объемом около 22.5 млн. м3 включает свыше 20000 крупных резервуаров. Объем крупнейших из них достигает 100000 м3, в мировой практике применяются резервуары объемом до 240000 м3 . Кроме того, возможно возникновение разливов жидкости из трубопроводов и различных видов транспортных средств. За последние 20 лет произошло свыше 200 крупных пожаров на объектах хранения и переработки нефти, из них 92 % - в наземных резервуарах, в т.ч. 26% - с сырой нефтью, 49% - с бензином, 24% - с мазутом, дизельным топливом, керосином 16/. В работе 151 приведена статистика частоты аварий на объектах энергетики, переработки, транспортировки и распределения нефтепродуктов. В среднем для различных видов резервуаров ее значения составляют (1.29-5.73)-10"4 год'1, тот же автор в 111 оценивает вероятность возникновения пожара в системе "резервуар-нефтепродукт" величиной (2.5-5.0)-10'4 год'1. Есть основания распространить эту статистику и на металлургическую отрасль, на предприятиях которой также хранится большое количестве горючих жидкостей (бензол, толуол, мазут и т.п.).
По данным работ /5,8/, к наиболее распространенным ситуациям, вызывающим возникновение пожаров разлития в резервуарных парках, относятся полное разрушение резервуара, перелив жидкости через его край и
0
утечки при наполнении либо опорожнении резервуаров.
Наиболее тяжелые последствия вызывает, как правило, полное разрушение резервуара, причем самым опасным фактором подобной
10
ситуации является гидродинамическая волна прорыва. Работа /8/ содержит ряд примеров аварий такого рода, сопровождавшихся тяжелыми последствиями. Так, рассмотрено полное разрушение вертикального резервуара для хранения мазута емкостью 20000 м3, наполненного водой для гидравлических испытаний. Потоком воды было разрушены железобетонное ограждение резервуара, эстакада трубопроводов и соседний резервуар, содержавший 2500 т мазута, что вызвало разлив нефтепродукта. В работе 161 приводится описание аварии на нефтебазе ПО "Ангарскнефтесинтез" - также во время гидравлических испытаний полное разрушение резервуара РВС-30000 привело к частичной деформации и смещению с фундамента соседнего аналогичного резервуара, повреждению подземных коммуникаций, разрушению здания насосной, обвалования и забора резервуарного парка.
В других случаях такие ситуации приводили к пожарам 191. Так, 31.12.1978 г. в Ленинградской обл. в результате взрыва в резервуарном парке нефтесклада произошло разрушение резервуара РВС-5000 и его кирпичного обвалования, что вызвало разлив мазута на площади 25000 м2. Продолжавшийся в течение 16 ч пожар вызвал значительные разрушения. В 1987 г. на Кама-Исмагиловской УКПП ПТДУ "Татнефть" произошло коррозионное разрушение верхних опорных конструкций центральной стойки и щитов покрытия резервуара РВС-5000, что привело к разрыву стенки. Одновременно произошел отрыв технологических трубопроводов на соседнем резервуаре и загорание находившейся в нем нефти. Волной прорыва было размыто земляное обвалование, и горящая нефть попала в пруды-отстойники. Площадь пожара на суше составила около 9000 м2. Развитию пожара способствовал уклон местности. В работе /10/ приводятся и другие примеры подобных аварий: аварийный разлив в 1960 г. на нефтебазе в Ростовской области (разрушение резервуара объемом 700 м3, площадь пожара 10000 м2), аварийный разлив на нефтебазе в г. Дудинка в 1983 г. (разрушение резервуара РВС-5000, площадь пожара 18000 м3).
11
Тяжелые последствия аварий, связанных с полным разрушением резервуаров, обусловлены тем, что по существующим нормативам ("Правила технической эксплуатации нефтебаз" и др.), приводимым в справочнике /11/, обвалование резервуаров рассчитано лишь на гидростатическое давление разлившейся жидкости и не всегда может противостоять ударной силе волны прорыва. Его разрушение приводит к беспрепятственному распространению горючей жидкости по окружающей местности, а в некоторых случаях (исследование 191) фрагменты железобетонного обвалования сами являются причиной повреждения соседних резервуаров. По оценкам авторов работ /8,12/, в 47.8% случаев полного разрушения резервуаров поток жидкости разрушал либо промывал защитное обвалование, в 26.1% случаев -перехлестывал через него. (В работе 191 приводятся значения соответственно 49% и 29%). В результате приблизительно в каждом третьем случае происходит выход горючей жидкости за пределы резервуарного парка, что чрезвычайно опасно, учитывая, что в России 38.4% нефтебаз расположены в непосредственной близости от жилых или общественных зданий 151.
Распространение пожара разлития за пределы обвалования или в пределах общего обвалования нескольких резервуаров часто приводит к переходу в групповой пожар. В работе 111 вероятность такого развития событий расценивается как 0.13, в исследовании /5/ частота возникновения подобных ситуаций оценена как 6-10'5 год"1. Отмечено, что за 20 лет в нашей стране зафиксировано 11 крупных групповых пожаров, причиной которых стали аварийные разливы горящих жидкостей. Так, 21.06.1990 г. произошел крупный групповой пожар на нефтеперекачивающей станции в Тюменской области. В результате попадания разряда атмосферного электричества в резервуар РВС-20000, наполненный нефтью, произошел взрыв паровоздушной среды в объеме резервуара, который привел к частичному разрушению и смещению крыши. Это способствовало потере устойчивости горящего резервуара и аварийному выходу горящей нефти в обвалование. Воздействие пламени пожара на три соседние резервуара привело к потере
12
их устойчивости в течение 4-6 мин и возгоранию. При разрушении соседних резервуаров поступление в зону пожара дополнительных количеств горючих веществ увеличивает масштабы пожара и время его существования, ухудшает условия его тушения.
В других ситуациях пожары разлития происходят в результате утечки жидкости из резервуара или трубопровода. При этом горение, как правило, происходит в непосредственной близости от объекта хранения или транспортировки, что может вызвать его разрушение, усугубляющее негативные последствия аварии.
Во всех указанных ситуациях форма и глубина разлития определяются особенностями рельефа местности. Для пожаров в обваловании характерны меньшая площадь и большая глубина разлива, некоторое влияние на процесс горения в данном случае оказывают само обвалование и резервуар (либо его фрагменты). Известные зависимости /10,13/ для определения площади разлива и толщины слоя жидкости, а также скорости распространения применимы на достаточно гладкой, свободной от строений и сооружений поверхности. Возможно сопровождение пожара разлития возникновением близких по сути источников чрезвычайных ситуаций - пожаров в резервуарах, а также постепенного вытекания жидкости из объекта хранения с последующим горением.
Отдельными разновидностями пожаров разлития следует считать горение на водной поверхности и горение водно-топливных эмульсий и смесей. В этих случаях, также как и при горении в резервуарах, возможно возникновение выбросов горящих продуктов (чаще всего нефти) на значительные расстояния, что создает дополнительную опасность для людей и материальных ценностей. Например, 10.06.1971 г. произошел пожар в резервуарном парке Рязанского нефтеперерабатывающего завода в подземных железобетонных резервуарах емкостью 10000 м3. Через 8,5 ч после начала пожара произошел выброс, мощное вскипание и перелив нефтепродукта из горящего резервуара. Горящий нефтепродукт, затопив два
13
ряда резервуаров, разлился в сторону автодороги, создав прямую угрозу распространения пожара на соседний резервуарный парк. Через 10 минут произошел взрыв в резервуаре, который оказался в зоне непосредственного горения. Пожар продолжался свыше суток. Кроме того, возможно возникновение пожаров разлития внутри помещений (при этом в случае достаточно больших размеров данных' помещений и достаточного для диффузионного горения воздухообмена параметры пожара не будут сильно отличаться от аналогичной ситуации под открытым небом) /4/.
В работе /14/ предлагается следующая классификация пожаров в резервуарных парках по уровню их развития:
А - возникновение и развитие пожара в одном из резервуаров без влияния на соседние;
Б - распространение пожара в пределах одной группы резервуаров;
В - развитие пожара с возможным разрушением горящего и соседних с ним резервуаров, переходом его на соседние группы резервуаров и выходом за пределы резервуарного парка.
Приведенные данные показывают, что аварии на резервуарных парках хранения нефти могут являться является причиной существования комплекса поражающих факторов, основные из которых — непосредственное воздействие открытого пламени и тепловое излучение пламени.
1.2. Диффузионное горение жидкостей.
Пожар разлития, представляющий собой горение жидкости со свободной поверхностью, является сложным процессом, протекающим в условиях взаимного влияния гидродинамических и тепловых факторов /15, 16/. При нагреве и испарении жидкости формируется конвективная струя, в которой происходит смешение пара с окислителем. В парогазовой струе происходят интенсивные химические реакции, локализующиеся в зоне (фронте) горения. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на нагрев
14
газообразных продуктов сгорания, а также на нагрев и испарение жидкости, что обеспечивает непрерывность процесса.
Для пожара разлития характерны следующие основные черты:
-диффузионный характер горения, определяемый неограниченным притоком воздуха к очагу пожара;
-высокая степень турбулентности струи, имеющая место при достаточно больших диаметрах зеркала жидкости;
-нестационарность процесса, обусловленная выгоранием конечной массы жидкости.
В общем случае расчет характеристик горения жидкости, т.е. определение гидродинамической, тепловой и концентрационной структуры пламени и скорости горения сводится к интегрированию уравнений движения и неразрывности, уравнений энергии и диффузии с нелинейными функциями источников теплоты и вещества, отражающими протекание химических реакций в парогазовой смеси, и уравнения теплопроводности для жидкости.
С использованием дополнительных соотношений (уравнений материального и теплового баланса на поверхностях раздела) могут быть определены температура и концентрации на свободной поверхности и фронте пламени, координаты фронта пламени.
По мнению авторов монографии /15/, при исследовании горения, протекающего в условиях сложного взаимодействия жидкости с окружающей средой, хорошие результаты дают приближенные аналитические методы, а для решения задач получения различных характеристик пожара разлития могут широко использоваться эмпирические зависимости, полученные в результате лабораторных либо крупномасштабных натурных экспериментов.
15 1.2.1. Основные процессы тепломассообмена при пожаре разлития.
При горении разлитой жидкости имеет место сложный комплекс взаимосвязанных явлений, включающих в себя процессы горения, испарения, турбулентного движения струи, теплообмена с подстилающей поверхностью.
В последнее время для решения подобных задач широко применяются программные комплексы на основе CFD (Computational Fluid Dynamics) систем, адаптированных к решению большого числа задач. /4, 17-21/. Данные математические модели, а также программный комплекс PHOENICS, подробно описанный в диссертации /22/, позволяют получить достаточно точные данные о динамике полей и потоков концентраций и температур в зоне пожара разлития. Однако такой путь расчета параметров пожара разлития весьма сложен, для проведения расчетов требуется применение специализированного программного обеспечения.
Вместе с тем исследование процессов тепломассообмена при пожарах разлития может быть проведено и с использованием других, упрощенных математических моделей, обогащенных эмпирическими зависимостями. Авторами работы /15/ предложен ряд моделей для определения параметров горения жидкости: рассмотрены полубесконечный (по толщине) слой жидкости в среде неподвижного окислителя, слой конечной толщины, полубесконечный слой жидкости при обдуве потоком газообразного окислителя, жидкая пленка (тонкий слой жидкости).
В основе этих моделей лежит схематизированная квазиодномерная модель явления, в соответствии с которой профили характерных величин аппроксимируются ступенчатыми, реальная конфигурация пламени — П -образной. Тепло- и массоперенос, обусловленный смешением струи пара с окружающим газом, учитывается путем задания объемных диффузионных и тепловых потерь в поперечном направлении. В соответствии с данными работы /23/ при расчете полей температур и концентраций можно не учитывать изменение скорости в пламени (т.к. она весьма плавно изменяется
16
в вертикальном направлении) и полагать ее постоянной. Решение системы уравнений, включающей в себя уравнения диффузии и теплопроводности для жидкой и газовой фаз, балансных соотношений для фронта пламени, свободной поверхности и границ раздела слоев жидкости (при ее многослойном характере) с соответствующими физической природе горения жидкости граничными условиями позволяет перейти к системе алгебраических уравнений с переменными, характеризующими температурные и концентрационные поля пламени, его геометрические характеристики и интенсивность процесса горения. Горение конечного по толщине слоя жидкости отличается от описанного выше необходимостью (при достаточно тонком слое) учета теплоотвода в подложку, на которой покоится реагирующая жидкость.
Горение жидкости при наличии обдувающего ее потока окислителя Л. П. Ярин и Г.С. Сухов /15/ предлагают рассматривать как происходящее при наличии вблизи границы раздела фаз гетерогенного пограничного слоя, в котором происходит нагрев и испарение жидкости, а также смешение пара с окислителем. Однако теория пограничного слоя применима лишь при достаточно больших скоростях обдува жидкости, когда пламя прижимается к ее поверхности. Расчеты показывают, что это имеет место при значениях угла между поверхностью жидкости и пламенем, меньших 6°, что в реальных условиях может происходить лишь при скоростях ветра порядка 40-60 м/с.
Отмечается, что при горении слоя жидкости конечной толщины связанные с нестационарностью этого процесса эффекты проявляются тем сильнее, чем меньше толщина слоя жидкости. Это позволяет не учитывать неоднородность температурного поля в толще жидкости при выгорании тонких пленок, а также при рассмотрении заключительной стадии выгорания тонких слоев. Приведенные данные указывают на сильное изменение величин температур пламени и свободной поверхности жидкости при приближении этой поверхности к поверхности подложки из-за роста тепловых потерь в горящем слое, а также на рост влияния температуры
17 подложки на параметры процесса при уменьшении толщины слоя жидкости.
Однако в указанных работах не проводится анализ процессов, в которых существенную роль играет теплообмен излучением, а приводимые расчетные данные, полученные с использованием модели (значения скоростей выгорания жидкости, высоты пламени), плохо сопоставимы с экспериментальными данными из работы /16/. Недостатком работ является и одномерное представление двухфазной системы.
Логическим продолжением исследований пожара разлития стала разработанная Г.С. Суховым аналитическая модель парофазного горения жидкости в условиях свободной конвекции /24/, отражающая зависимость процесса горения от характерного размера поверхности жидкости и в большей степени учитывающая турбулентный характер процесса, ведущий к существенным качественным и количественным изменениям закономерностей горения. Предлагаются определенные опытным путем коэффициенты, приводящие результаты расчетов с использованием модели в соответствие с опытными данными, впрочем, лишь с некоторыми.
В целом используемый в работах /15, 24/ подход к решению задачи горения жидкости представляется применимым для разработки математической модели пожара разлития (при условии устранения имеющихся недостатков).
Одной из фундаментальных работ, посвященных горению жидкостей, является монография /16/. В ней на основании большого количества эмпирических материалов формулируются зависимости, связывающие между собой характеристики процесса диффузионного горения жидкости. Прогрев разлившейся жидкости осуществляется под воздействием солнечной радиации, тепла, поступающего от почвы, и излучения пламени после начала горения. В некоторых случаях (низкая температура поверхности) тепло, напротив, забирается жидкостью. На тепловой баланс пролива также оказывает влияние ветровой фактор и наличие стенок обвалования. При горении жидкости в резервуаре температура его стенки всегда выше |
