Введение Актуальность темы
В России добываемая нефть и нефтепродукты подготавливаются, перерабатываются и хранятся в резервуарных парках. В государственном реестре опасных производственных объектов, содержатся сведения почти о тысячи нефтебаз и объектов хранения нефти и нефтепродуктов. В соответствии с Федеральным Законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 г. резервуарные парки и нефтехранилища относятся к опасным производственным объектам.
Проблема повышения промышленной безопасности резервуаров обострилась в связи с рядом обстоятельств, возникших в России в новых экономических условиях. По данным ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, в настоящее время 90% эксплуатируемых резервуарных парков превысили нормативный срок эксплуатации (20 лет). Проведенный обзор аварийных ситуаций с отрывом крыши резервуара вследствие взрыва и с последующим возгоранием нефтепродукта в резервуаре со свободной поверхностью показал, что рассмотрение процессов горения нефтепродуктов в резервуаре является актуальным направлением развития науки в настоящее время.
К наиболее разрушительным последствиям приводит горение нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара. Изучение процесса горения имеет важное научное и прикладное значение в связи с проблемами пожаротушения, борьбы с нефтяными проливами при авариях на резервуарах.
В настоящее время при теоретическом анализе горения нефтепродуктов используются различные подходы, опирающиеся на некоторые модельные представления о механизме горения как сложного явления. Наиболее полная информация о закономерностях протекания процесса горения может быть получена при численном решении системы
уравнений переноса для жидкого и газообразного реагентов. Кроме того, при изучении турбулентного горения нефтепродуктов возникают трудности физического характера, связанные с заданием коэффициентов турбулентного обмена в свободноконвективном потоке реагирующего газа переменной плотности. В связи с этим большое значение приобретает развитие приближенных аналитических методов расчета горения нефтепродуктов, позволяющих определить основные характеристики процесса горения.
Учитывая, что решение проблемы прогнозирования условий протекания и последствий пожаров в резервуарах связано с сохранением человеческих жизней и снижением материального ущерба, она является достаточно актуальной.
Цель работы
Разработка аналитических методов расчета горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара с целью своевременной локализации пожаров на резервуарах для минимизации материального ущерба и человеческих жертв.
Основные задачи исследований
1. Оценка технического состояния резервуарных парков, а также анализ статистических данных по авариям резервуаров, их масштабам, особенностям и последствиям.
2. Исследование основ стационарного горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара. Разработка аналитических методов для определения основных характеристик процесса горения нефтепродуктов.
3. Исследование основных характеристик процесса горения в зависимости от конструктивных и технологических параметров резервуара.
4. Анализ изменения скорости горения в резервуарах по мере выгорания слоя нефтепродуктов с целью прогнозирования затухания горения.
Научная новизна
1. По результатам статистического обзора резервуарный парк идентифицирован как наиболее пожаро- и взрывоопасный объект перевалочной нефтебазы (ПНБ). Установлены наиболее вероятные причины и характер происхождения аварийных ситуаций.
2. Определены значимые характеристики процесса горения, позволяющие повысить достоверность прогнозирования развития пожара. Изучена их зависимость от технологических и конструктивных параметров резервуара.
3. Получена зависимость изменения скорости горения в резервуарах со свободной поверхностью при выгорании слоя нефтепродуктов для оценки затухания процесса горения.
На защиту выносятся аналитические оценки причин аварийности при эксплуатации резервуаров, теоретические выводы и обобщения, разработанные математические модели для определения основных характеристик процесса горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара с целью повышения пожаробезопасности при эксплуатации резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
Теоретическая ценность
Разработанный аналитический метод определения характеристик процесса горения более широкого спектра по сравнению с традиционными методами, позволяет повысить достоверность прогнозирования развития пожара.
Практическая ценность
Полученные математические модели для определения основных характеристик процесса горения нефтепродуктов внедрены во втором отряде ГПС МЧС России по Республике Коми для разработки мероприятий по предотвращению и ликвидации взрывов и пожаров на резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:
- VIII, IX Международной научно-технической конференции «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение» ( г.Уфа, 2004, 2005);
- IV научно-технической конференции (г. Вологда, 2004);
- V Всероссийском совещании «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность» (г.Томск, 2004);
- VI Международной научно-технической конференции «Севергеоэкотех» (г.Ухта, 2005).
Публикации
По материалам диссертации автором опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов; содержит 137 страницы машинописного текста, 17 таблиц, 31 рисунок, библиографический список использованной литературы из 97 наименований.
8
Глава 1. Краткий обзор пожаробезопасное™ при эксплуатации резервуаров для хранения нефтепродуктов на нефтебазах и нефтехранилищах
1.1. Анализ риска аварий на объектах хранения нефтепродуктов
В государственном реестре опасных производственных объектов (ОПО), согласно [39], содержатся сведения о почти тысяче нефтебаз и объектов хранения нефти и нефтепродуктов. Из них более 50 - объекты, для которых законодательством в области промышленной безопасности установлена обязательная разработка декларации промышленной безопасности.
Обеспечение промышленной безопасности опасных производственных объектов предлагает использование процедуры анализа риска аварий для обоснования и принятия эффективных управленческих решений на основе выявленных наиболее «опасных мест» в технологической системе объекта.
В статье [63] приведены основные результаты анализа риска аварий, выполненного для крупной перевалочной нефтебазы (ПНБ). Объект расположен в южном регионе России, вблизи имеются населенные пункты, транспортные пути и водные объекты. На территории ПНБ находятся третьи лица (около 400 чел.) - пожарные, строители, население . Характеристика ПНБ представлена в табл. 1.1.
Характеристика ПНБ
Таблица 1.1
Показатели объекта ПНБ
1 2
Составляющие объекта Резервуарные парки (нижний, верхний, дополнительный); железнодорожная сливоналивная эстакада; туннель с технологическими трубопроводами
Основное емкостное оборудование Резервуары: горизонтальные, наземные с плавающей крышей РВСПК
Количество обращающихся опасных веществ, тыс. т 882
В том числе: нефть и темные нефтепродукты 858
продолжение таблицы 1.1
1 2
светлые нефтепродукты 24
Численность персонала, чел. -500
При оценке масштабов возможных техногенных опасностей на рассматриваемом объекте были выделены основные сценарии развития аварий:
- наиболее опасные - полное разрушение наземного резервуара с нефтью (в том числе с перехлестом нефти через обваловывание) с последующим распространением облака нефтяных паров, воспламенением, взрывом, пожаром пролива; взрыв паров нефти в туннеле ПНБ (длина 3,5 км, диаметр 5м);
- наиболее вероятные - частичное разрушение насосного агрегата; локальные утечки из технологического оборудования, трубопроводов. При развитии аварий по этим сценариям возможны воспламенение нефти (нефтепродукта) и пожар пролива.
Основные поражающие факторы перечисленных аварий: тепловое излучение, воздействие ударной волны, попадание в открытое пламя, поражение осколками. При оценке вероятных зон поражения (разрушения) использовали:
- Методику оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (РД 03-409-01) - для определения зон поражения при горении и взрыве облаков топливно-воздушных смесей [73];
- Руководство по оценке индустриальных опасностей ( Techniques for Assessing Industrial Hazards: a Manual. World Bank Tech. Paper No. 55) [78] - для расчета рассеяния тяжелого газа, определения массы вещества, участвующего в горении (взрыве);
- ГОСТ 12.3.047-98. «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» - для определения зон поражения тепловым излучением при горении пролива [32].
10
При авариях с наиболее тяжелыми последствиями зоны поражения (разрушения) могут достигать нескольких сот метров, размер опасных зон при возникновении пожара разлития будет ограничен несколькими десятками метров от края пролива.
В ходе работы [63] по декларированию ПНБ было выполнено детальное численное моделирование перехода горения в детонацию смеси паров нефти с воздухом в технологическом туннеле, которое показало, что при детонации внутри подобных протяженных объектов истечение продуктов и их расширение происходит за несколько секунд. При этом генерируется волна сжатия узкой направленности (меньшей мощности в направлениях, отличных от направления выброса горячих продуктов). Необходимо отметить, что наличие турбулентности, успевающей развиться за это время, также снижает интенсивность ударной волны.
В случае реализации рассматриваемых аварийных ситуаций возможно разрушение соседнего оборудования, что может привести к дальнейшей эскалации аварии. Это обстоятельство может увеличить площадь зон поражения.
Учитывая статистику [5,63,52,75] аварий на подобных объектах, протяженность трубопроводов, а также тип и количество оборудования, на декларируемых объектах была оценена частота возникновения аварий с появлением поражающих факторов (взрывы, пожары), приведенная в таблице 1.2.
Частота возникновения аварий
Таблица 1.2
Место аварии Частота возникновения аварий с появлением поражающих факторов на ПНБ, год1
Резервуарный парк 2,1-10"*
Железнодорожные цистерны 1,5-10"2
Насосное оборудование 1,1-10^
Трубопроводы 4,6-10"-*
Всего по объекту 5,2-102
11
Данный показатель для резервуаров всех составляющих ПНБ приведен ниже (год*1):
Резервуарный парк:
нижний...1,8-10"2
верхний...2,1-10'3
дополнительный...1,0-10"3
Из таблицы 1.2 видно, что с наибольшей частотой можно ожидать воз-никновения аварий с появлением поражающих факторов на резервуарах, насосах и железнодорожных цистернах. Значения частоты возникновения аварий с появлением поражающих факторов выбраны на основе обобщенных статистических данных [83].
С учетом частоты аварий и размера зон поражения определено пространственное распределение потенциального территориального риска (поле потенциального риска), показывающее частоту реализации поражающего фактора, приводящего к смертельному для человека исходу (уровень потенциального риска, год"1), как на территории ПНБ, так и на прилегающих площадях (рис.1.1). Наиболее опасные территории ПНБ - районных резервуар-ных парков и железнодорожной сливоналивной эстакады. За пределами ре-зервуарных парков потенциальный риск возникновения смертельного поражающего фактора составляют 1 -10"6- 1-Ю"4 год'1. В эту зону попадают жилые дома, расположенные вблизи железнодорожной эстакады ПНБ [83].
Возникновение пожаров и взрывов на нефтехранилищах зависит от многих обстоятельств, связанных со свойствами нефтепродуктов, организацией производства и внешних условий [36,64,90]. Основные причины:
- применение открытого огня при ремонтах и осмотрах оборудования;
- использование негерметичных осветительных приборов и арматуры;
- неисправность электропроводки;
- газовые разряды;
- самовозгорание горючих веществ;
- электризуемость топлива.
12
Рисунок 1.1 - Поле потенциального территориального риска: а) перевалочной нефтебазы ПНБ; б) линейной производственно-технической службы
Ожидаемые потери основных фондов от аварий за год представлены на рис. 1.2.
I
ш
1
ю о о
в
МО"
1-10"'
110'
1-ю-
1-10'
0,01
0,1
100
1000
Сумма ущерба, млн. руб.
Рисунок 1.2- Ожидаемые потери основных фондов от аварий за год: 1 - перевалочная нефтебаза ; 2 - линейная диспетчерская служба
13
Особую опасность в эксплуатации резервуаров, трубопроводов представляет электризация топлива, которая может вызвать пожар.
Нефтепродукты являются диэлектриками, т.е. непроводниками электричества. При трении их о другой диэлектрик или проводник образуются заряды статического электричества. Нефтепродукты заряжаются отрицательно, а металл, с которым они соприкасаются, - положительно. Чем выше разность потенциалов, тем больше опасность возникновения разрядов (электрической искры) — это становится причиной взрыва или пожара.
В условиях эксплуатации нефтехранилищ топливо электризуется при:
- прокачке по рукавам и трубопроводам;
- прохождении через фильтры;
- ударе струи о твердую поверхность;
- разбрызгивании в воздухе при падении с высоты.
Наибольшие заряды статического электричества возникают и накапливаются в резиновых и прорезиненных шлангах. Величина потенциала может достигать десятков тысяч вольт (350 000 V). Опасные заряды образуются во время перекачки нефтепродуктов в насосах, трубопроводах и арматуре. Во избежание разрядов статического электричества все резервуары, трубопроводы, перекачивающие установки, шланги и другое оборудование, связанное с хранением, перекачкой и перевозкой нефтепродуктов, необходимо заземлять.
Большую опасность представляет залив резервуаров, автомобильных и железнодорожных цистерн падающей струей с разрывом наливного шланга от дна емкости 1 м и более. Налив емкостей во всех случаях следует производить под слой продукта.
Степень пожарной опасности для различных нефтепродуктов неодинакова. Она характеризуется температурными пределами воспламенения и самовоспламенения, концентрацией паров в воздухе и склонностью нефтепродуктов к накоплению зарядов статического электричества. Знание степени огнеопасности нефтепродуктов нужно для принятия необходимых мер про-
14
тивопожарной безопасности при их хранений, наливе, транспортировке, перекачке и сливе.
1.2. Современное состояние резервуаров на нефтебазах и нефтехранилищах
В России добываемая нефть и нефтепродукты подготавливаются, перерабатываются и хранятся в резервуарных парках. Резервуарные парки относятся к опасным производственным объектам в соответствии с Федеральным законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 г.
В настоящее время в России и странах СНГ находится в эксплуатации более 40 тысяч вертикальных и горизонтальных цилиндрических резервуаров емкостью от 100 до 50000 м3 для хранения нефти, нефтепродуктов и агрессивных химических веществ [91 ].
Практически каждый из них представляет собой объект повышенной опасности для персонала предприятий и окружающей среды. За последние 30 лет в России произошло несколько десятков разрушений резервуаров, сопровождающихся пожарами, а иногда и человеческими жертвами.
В табл.1.3 приведены данные анализа причин аварий (на примере 65 аварий, произошедших за 60 лет с резервуарами для нефти и нефтепродуктов, а также другими емкостями) [45].
Данные анализа причин аварий
Таблица 1.3
№ Причина аварии %
1 2 3
1 Хрупкое разрушение металла 63,1
2 Взрыв и пожар 12,3
3 Образование в резервуаре вакуума 7,7
15
Продолжение таблицы 1.3
1 2 3
4 Коррозионный износ металла 3,1
5 Просадка основания резервуара 1,5
6 Ураганный ветер 1,5
7 Прочие причины 10,8
Итого 100
Из данных, приведенных в таблице1.3, видно, что наиболее частой причиной аварий является хрупкое разрушение металла, происходящее, как правило, в форме лавинного разрушения с отрывом корпуса от днища и кровли, вследствие чего происходит взрыв и пожар.
Основными причинами аварий резервуаров являются дефекты строительства (70%), недостатки проекта (17%), нарушение правил эксплуатации (11%) [91].
В зависимости от объема и месторасположения резервуары подразделяются на три класса:
Класс I - особо опасные резервуары (объемом 10 000 м3 и более, а также объемом 5000 м3 и более, которые расположены непосредственно по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки).
Класс II - резервуары повышенной опасности (объемом от 5000 до 10 000м3).
Класс III - опасные резервуары (объемом от 100 до 5 000 м3).
Степень опасности (ответственности) резервуаров учитывается при проектировании специальными требованиями к материалам, объемам контроля и отражается в рабочей документации, а также при расчете определяется коэффициентом надежности по назначению. Подобная классификация резервуаров реально отражает степень опасности, которую аварии резервуаров представляют для населения и окружающей среды [18,65 ].
¦_
16
Кроме того, по данным ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, в настоящее время 90% эксплуатируемых резервуаров (парков) превысили нормативный срок эксплуатации (20 лет) [47]. В связи с этим особенно актуальными являются вопросы, связанные с обследованием действующих резервуаров на основе эффективных методов их технической диагностики.
Диагностика на основе оценки рисков обеспечивает существенное повышение надежности эксплуатируемого оборудования, в том числе и резервуаров, снижение количества отказов и сокращение времени, затрачиваемого на их регулярные обследования и обслуживание [12].
Уровень риска, связанный с различными резервуарами, не одинаков, поэтому контроль с учетом фактора риска концентрирует усилия по диагностированию и обслуживанию тех резервуаров, где риск и возможные последствия наиболее велики.
Для каждого диагностируемого резервуара с учетом дефектов его конструкции рассчитывается и строится матрица риска (рис. 1.3).
я
высокий риск значительный риск
А
/
ж ш
ill
g. A R С П F.
о
5 Категория последствий отказа
я
И
средний риск низкий риск
Рис. 1.3- Матрица для оценки риска
Главными задачами диагностики на основе оценки риска являются
• концентрация усилий на определении и снижении деловых рисков и угроз безопасности;
• достижение повышенного коэффициента готовности посредством вывода резервуаров из эксплуатации только для выполнения самых необходимых программ контроля;
17
• повышение безопасности благодаря исключению угроз, связанных с подготовкой резервуаров к обследованию.
В настоящее время предлагаются новые конструктивные решения резервуаров, с помощью которых после изготовления или капитального ремонта изменится технология хранения и транспортирования нефтепродуктов в сторону уменьшения испарения продукта, ускорения транспортирования, ли-,-, квидации «воронкообразования», устранения «мертвого» осадка, что приве-
дет к увеличению рабочего объема резервуара. При этом будет обеспечено его удобство в эксплуатации и достигнут существенный экономический эффект на 1 м3 хранимого продукта [47].
1.3. Обзор состояния теории горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуаров 1.3.1 Экспериментальные исследования горения нефтепродуктов
^< Исследованию закономерностей горения нефтепродуктов со свободной
поверхностью посвящено значительное число экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение механизма процесса, тепломассопе-реноса в реагирующей жидкости и газовом факеле над свободной поверхностью, изучение пламени и др.
Широкий круг вопросов, связанных с горением нефтепродуктов, рассматривается в монографии В.И. Блинова и Г.Н. Худякова [11], в которой ф обобщен обширный экспериментальный материал, относящийся к горению
нефтепродуктов со свободной поверхностью. На этой основе авторами выявлены закономерности процесса, характер распределения температуры и концентрации в газовом факеле, особенности движения жидкости в резервуаре и др. Показано, что горение нефтепродуктов представляет собой горение струи пара в воздушной среде и является, таким образом, специфическим случаем горения неперемешанных газов.
Важную роль в процессе выгорания играют условия испарения нефтепродуктов, которые определяют интенсивность горения. |
