CC BY
25
УДК 614.8.084
Анализ теоретических основ стационарного горения
нефтепродуктов
An analysis of the theoretical foundations of the stationary combustion of petroleum products
Доцент А.Б. Емельянов, магистрант О.С. Бокадарова (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов химических производств, тел. (8473) 255-38-51
преподаватель С.А. Бокадаров, ст. преподаватель М.А. Гудков (Воронежский институт ГПС МЧС России) кафедра гражданской защиты E-mail: [email protected]
Assosiate Professor А.В. Emelyanov, Postgraduate O.S. Bokadarova, (Voronezh state university of engineering technologies) chair of machines and apparatus of chemical plants, tel. (8473) 255-38-51
Lecturer S.A. Bokadarov, Senior Lecturer M.A. Gudkov (VISFS of EMERCOM of Russia) chair of Civil Defense E-mail: [email protected]
Реферат. Безопасность особо опасных производственных объектов определяется как состояние защищенности важных интересов личности и общества от аварий и инцидентов на опасных объектах и их последствий. Обеспечение безопасности в техногенной сфере играет важную роль в устойчивом развитии экономики страны и невозможна без объединения усилий государственного надзора, сообщества предпринимателей и научно - технических специалистов. Функцию государственного надзора в Российской Федерации выполняет Департамент надзорной деятельности Государственной противопожарной службы МЧС РФ, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору, которые выполняют надзорные и контрольные функции в области: проектирования, строительства, эксплуатации, расширения, реконструкции, технического перевооружения, консервации и ликвидации опасного производственного объекта; изготовление, монтаж, наладка, обслуживание и ремонт технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте; проведение экспертизы противопожарной и промышленной безопасности; подготовку и переподготовку работников опасного производственного объекта. Научно - технические специалисты - представители институтов и организаций, осуществляющих свою деятельность по изучению, анализу и разработке мероприятий по устранению: - нарушений требований пожарной безопасности; - предпосылок к возникновению отказов, неисправностей и поломок технических устройств и оборудования; - обеспечению рационального взаимодействия человека и машин, т.е правильной организации производственной деятельности.
Summary. Safety especially of hazardous production facilities is defined as a condition of security of important interests of the person and society from accidents and incidents on dangerous objects and their consequences. Safety in the technogenic sphere plays an important role in sustainable development of national economy and is impossible without combination of efforts of the state supervision, community of businessmen and is scientific - technical specialists. Function of the state supervision in the Russian Federation is performed by Department of supervising activity of the Public fire service of EMERCOM of Russia, Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision which perform supervising and control functions in the area: projections, constructions, operation, expansion, reconstruction, modernization, preservation and liquidation of hazardous production facility; manufacture, installation, adjustment, service and repair of the technical devices used on hazardous production facility; conducting examination of the fire and production safety; preparation and retraining of employees of hazardous production facility. Scientifically - technical specialists - representatives of the institutes and organizations which are carrying out the activities for studying, the analysis and development of actions for elimination: violations of requirements of fire safety; prerequisites to emergence of refusals, malfunctions and breakages of technical devices and inventories; to ensuring rational interaction of the person and cars, i.e. the exact organization of production activity.
Ключевые слова: промышленная безопасность, горение нефтепродуктов, нагрев, испарение, свободная поверхность.
Keywords: industrial safety, burning oil, heating, evaporation, free surface.
© Емельянов А.Б., Бокадарова О.С., Бокадаров С.А., Гудков М.А., 2016
Проблема повышения промышленной безопасности резервуаров обострилась в связи с рядом обстоятельств, возникших в России в новых экономических условиях. В настоящее время около 90 % эксплуатируемых резервуарных парков превышают свой нормативный срок эксплуатации (20 лет). Анализ аварийных ситуаций, связанных с отрывом крышки резервуара вследствие взрыва п 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 свободно конвективном потоке реагирующего газа переменной плотности. В связи с этим большое значение приобретает развитие приближенных аналитических методов расчета горения нефтепродуктов, позволяющих определить основные характеристики процесса. 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.
На примере нефтебазы, общее количество резервуаров для хранения нефтепродуктов которой составляет 50 единиц. Практически каждый из них представляет собой объект повышенной опасности для персонала предприятий и окружающей среды (табл. 1).
Таблица 1
Частота возникновения аварий
Место аварии Частота возникновения аварий с появлением поражающих факторов, год -
Резервуарный парк 2,1 хЮ-2
Насосное оборудование 1,1 х10-2
Труб оп роводы 4,61 хЮ-2
Железнодорожные цистерны 1,51 хЮ-2
Всего по объекту 5,21 хЮ-2
Из табл. 1 видно, что именно резервуары товарных производств характеризуются наибольшим уровнем аварийности.
При оценке масштабов возможных техногенных опасностей на нефтебазе и были выделены основные сценарии развития аварий:
- наиболее опасные - взрыв наземного резервуара с нефтью с последующим воспламенением, пожаром п полным разрушением резервуара;
- наиболее вероятные - частичное разрушение насосного агрегата;
- локальные утечки из технологического оборудования, трубопроводов.
При развитии аварий по этим сценариям возможно воспламенение нефти (нефтепродукта) п пожар пролива.
Основными поражающими факторами перечисленных аварий являются:
- тепловое излучение;
- воздействие ударной волны;
- попадание в открытое пламя;
При авариях с наиболее тяжелыми последствиями зоны поражения могут достигать нескольких сот метров; размер опасных зон при возникновении пожара разлития будет ограничен несколькими десятками метров от края пролива.
В случае реализации рассматриваемых аварийных ситуаций, возможно разрушение смежного по промплощадке оборудования. Это обстоятельство способствует увеличению площади зоны поражения. Установленные особенности эксплуатации резервуаров (парков) и основные причины возникновения пожаров потребовали разработки новых методов и уточнения существующих алгоритмов теории горения нефтепродуктов с целью прогнозирования развития сценариев аварийной ситуации. Исследованию закономерностей горения нефтепродуктов со свободной поверхности резервуара посвящено значительное количество экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение механизма процесса горения, теп-ломассопереноса в реагирующей жидкости и газовом факеле над свободной поверхностью резервуара, высоты пламени и др. При проведении исследований были получены данные по изменению размеров пламени в зависимости от режима горения и конструктивных характеристик резервуара. При ламинарном горении относительная высота факела сначала увеличивается, потом уменьшается с ростом диаметра резервуара с1, а в турбулентном пламени практически не зависит от диаметра резервуара <1. При нагреве и испарении нефтепродуктов со свободной поверхность формируется конвективная струя, в которой происходит смешение и химическое реагирование паров нефтепродуктов с содержащимся в окружающей среде окислителем. При горении выделяется теплота, которая посредством теплопроводности, конвекции и излучения передается от пламени к стенкам резервуара, а также затрачивается на нагрев продуктов сгорания. Теплота, которую нефтепродукты получают от пламени, затрачивается на ее испарение, чем обеспечивается непрерывность процесса горения.
Размеры факела зависят от интенсивности испарения и условий образов горючей смеси. Важнейшей характеристикой рассматриваемого процесса является скорость горения 112, под которой понимают объем нефтепродуктов испаряющийся с единицы поверхности в единицу времени. Численно объемная скорость горения равна линейной скорости понижения уровня нефтепродуктов в резервуаре. Скорость горения нефтепродуктов зависит от диаметра резервуара <1. При ламинарном горении увеличение диаметра приводит к уменьшению скорости горения. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра резервуара растет высота факела 1ф (рис. 1.). На рис. 1 дано сопоставление расчетных и экспериментальных данных по высоте пламени. Видно, что расчетная величина относительной высоты факела примерно в 3,2 раза меньше высоты пламени, определенной по линейной аппроксимации экспериментальных данных. Введение корреляционного коэффициента К= 3,2 позволяет по расчетным значениям определить высоту реального пламени при любых значениях диаметра резервуара, отвечающих ламинарному режиму горения.
1
Ф> м
Рис. 1. Зависимость высоты факела от диаметра резервуара: 1 - бензин; 2 - дизельное топливо; 3 - гексан
<1,м
Процесс горения нефтепродуктов, толщина слоя которых существенно больше, чем толщина зоны прогрева. Первое приближение было ограничено решением системы, включающей уравнения диффузии для газовой фазы и теплопроводности для нефтепродуктов, так как в этом случае распределение температуры находится из условия подобия полей.
Из условий баланса (материального и теплового) на свободной поверхности и фронте пламени, а также из уравнения Клайперона - Клаузиса разработана модель математическая, которая привела к решению системы трансцендентных уравнений для определения температуры горения (факела) Тф; температуры свободной по-
верхности То; относительной высоты факела ' и скорости горения и>2 с учетом
р = сЬ0-О.
параметра
, зависящего от температуры свободной поверхности:
Т =
3 - 3.. +О. + С0
1+П
1 ~Р
ЗШ+Зп+\-(о 3-3 +П + 0)
Р - Пехр
п-Я
___1_
Т. т
\'к ' о ,
(1)
т =
1Ф
З-З+П + й)
1 + П
ьЛ=У
п
Ч1 2
а-р
и2 = рг.
•1п(1 + р)
1+ Р
ЛП-Р1П+1)
где «9.. = -
СР1-Т
безразмерные температуры газа и пара;
о г
- стехиометрическое число; ®= ',То,Т\- температуры жидкости и газа в невозмущенном состоянии; у - изо- 1 барный коэффициент расширения;
Рг Р\ Рг п
; , - плотности жидкости и газа; Съо - концентрация пара на поверхности жидкости; Тк - температура кипения нефтепродуктов.
В зависимости от способа определения коэффициента поперечного переноса ас параметры у и ит, используемые в формулах для И2 и §ф , принимают различные значения. Отличаются и соответствующие решения системы. Сравнение расчетных зависимостей показывает, что определение коэффициента ас, основанное непосредственной оценке диффузионного переноса вещества в поперечном направлении, дает значения скорости горения жидкости и высоты факела, более близкие к экспериментальным данным, чем определяемые по существующим методикам. Уменьшение ошибки составило 30 %.
Существенное влияние на процесс горения нефтепродуктов оказывает обдув свободной поверхности параллельным ей потоком воздуха. При этом вблизи границы раздела фаз формируется пограничный слой, внутри которого происходит нагрев и испарение нефтепродукта, смешение и горение паров нефтепродуктов и воздуха.
В случае, когда факел над свободной поверхностью подвергается одностороннему воздействию потока воздуха, направляемого вдоль поверхности нефтепродукта, форма реального факела теряет симметрию, а структура модельного факела претерпевает количественные изменения, связанные с изменением значений коэффициентов переноса теплоты. При этом поперечные тепло- и массоперенос определяются совместным действием диффузионного, кондуктивного и конвективного механизма.
Для определения коэффициентов переноса выделим в цилиндрическом пространстве модельного факела слой высотой и диаметром основания с?. Утечку паров через боковую поверхность слоя посредством диффузии и конвекции можно оценить выражением:
д Д ж/ • + щу, V -с/-сГ- сь (2)
с/ / 2
где V - скорость обдува; г = 0,1 - эмпирический коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности поперечного переноса вследствие сноса в продольном направлении; Д - коэффициент диффузии; сь - концентрация пара.
Тогда суммарная интенсивность переноса паров, отнесённая к единице объёма, будет равна:
8АД , • V
& ёж
Откуда коэффициент теплопереноса равен:
СЬ асс1 ' СЬ
(3)
<*„/ = 4 А
2Д | е-У (Л Ал
\
Ма
(4)
Подстановка полученных коэффициентов переноса в систему уравнений (1) позволяет в аналитическом виде получить ограничения функции, определяющие скорость горения, высоту факела и другие характеристики переноса.
На основе теоретических исследований и результатов эксперимента было установлено, что увеличение скорости обдува приводит к уменьшению высоты факела. Эффект увеличения скорости горения при обдуве воздухом объясняется интенсификацией испарения нефтепродуктов вследствие нагрева дополнительного за счет прижатия пламени к свободной поверхности резервуара.
Переход от ламинарного горения к турбулентному характеризуется увеличением количества сажи, выделяющейся при горении. Соответственно увеличивается степень черноты пламени и плотность теплового потока от зоны горения к нефтепродуктам. Это приводит к некоторому увеличению скорости горения. Увеличение диаметра резервуара практически не влияет на величину скорости горения. Полученные формулы показывают, что при горении в турбулентном режиме относительная высота факела не зависит от диаметра резервуара, а скорость горения возрастает с увеличением диаметра. Подбором соответствующего значения эмпирической константы ко = 1,27 -10 3- этот результат приводится в соответствие с опытными данными (рис. 2).
0.8 0 7 0.6 0.5 0.4 0.3
и2 104 ; 2 0.1 о
0.06 С.С7 0.9 с,1 0.15 0.2 0.25 0.4
d, M
Рис. 2. Зависимость скорости выгорания нефтепродуктов от диаметра резервуара при турбулентном горении: точки - данные эксперимента; линия - расчет
ЛИТЕРАТУРА
1 .Федеральный закон от 22.07.2008 №123 - ФЗ Технический регламент о требованиях пожарной безопасности.
2.ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ Пожаровзрывопасность веществ п материалов. Номенклатура показателей п методы их определения.
3.ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ Пожарная опасность технологических процессов
4. СНиП 2.11.03-93 Склады нефти инефтепродуктов. Противопожарные нор-
5.СП 12.13130.2009 Определение категорий помещений, зданий п наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
6. Анализ процессов затухания горения со свободной поверхности резервуара для хранения нефти п нефтепродуктов/С.А. Бокадаров, М.А. Гудков, Р.Ю. Поляков, А.И. Бобров//Пожарная безопасность: проблемы п перспективы,- 2014,- Т. 1. № 1 (5).- С. 97-101.
7. Бокадаров, С.А. Ликвидация последствий аварий с разливом нефти и нефтепродуктов [Текст]/С.А. Бокадаров, М.С. Богданов// Матер. Всерос. науч,-практ. конф. с междунар. участ «Современные технологии обеспечения гражданской обороны п ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: Воронеж, 2013. - С. 229-231.
8. Бокадаров, С.А. Оценка риска при возникновении аварии на пожаровзры-воопасном производственном объекте [Текст]/ С.А. Бокадаров, Р.Ю. Поляков, Е.Р. Филимонов Е.Р.// Матер. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. «Современные технологии обеспечения гражданской обороны п ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций»: Воронеж, 2014,- С. 380-384.
REFERENCES
1. The federal law of 22.07.2008 No 123 - the Federal Law Technical regulations about requirements of fire safety.
2. GOST 12.1.044-89 SSBT of Pozharovzryvopasnost of substances and materials. Product indicators and methods of their definition.
3. GOST P 12.3.047-98 SSBT Fire hazard of technological processes
4. Construction Norms and Regulations 2.11.03-93 Warehouses of naphtha of inefteprodukt. Fire protection regulations
5. The joint venture 12.13130.2009 Determination of categories of rooms, buildings and external installations on a fire and explosion and fire hazard.
6. The analysis of processes of attenuation of combustion from the free surface of a retention reservoir of naphtha and oil products/ S.A. Bokadarov, M.A. Gudkov, R. Yu. Polyakov, A. I. Bobrov// Fire safety: problems and prospects, 2014, T. 1, No 1 (5), pp. 97-101.
7. Bokadarov, S. A. Mitigation of consequences of accidents with oil spill and oil products/S.A. Bokadarov, M. S. Bogdanov//the Modern technologies of providing a civil protection and mitigation of consequences of emergency situations, 2013, pp. 229-231.
8. Bokadarov, S. A. Otsenka of risk at emergence of accident on a pozharov-ziyvoopasny production object / S.A. Bokadarov, R. Yu. Polyakov, E. R. Filimonov E. R.//the Modern technologies of providing a civil protection and mitigation of consequences of emergency situations, 2014. pp. 380-384.
