CC BY
26УДК 614.8
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ РИСКОВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОБЪЕКТЕ ЗАЩИТЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ
Д.С. Королев, кандидат технических наук; А.В. Вытовтов, кандидат технических наук; Е.А. Сушко, кандидат технических наук, доцент. Воронежский государственный технический университет
Рассматривается актуальный вопрос оценки возможных рисков возникновения аварийных ситуаций на действующем объекте защиты, которым является база топлива. Поскольку процесс управления пожарной безопасностью базируется на своевременной идентификации опасностей и прогнозировании возможных нежелательных событий, авторами была проведена работа по определению основных причин аварий. Это позволило провести расчеты возможных зон разлива продуктов нефтепереработки резервуара вертикального стального РВС-2000, а также определить зоны поражения в случае воспламенения зеркала разлива при разных параметрах воздушных потоков.
Ключевые слова: оценка, пожарная опасность, риски, зона разлива, нефтепродукт
ANALYSIS OF THE POSSIBLE RISKS OF FIRE HAZARD AT THE CURRENT OBJECT OF PROTECTION OF THE OIL AND GAS INDUSTRY
D.S. Korolev; A.V. Vytovtov; E.A. Sushko. Voronezh state technical university
The article discusses the current issue of assessing the possible risks of emergency situations on the current protection facility, which is the base of the fuel. Since the fire safety management process is based on timely identification of dangers and prediction of possible unwanted events, the authors carried out work to determine the main causes of accidents. This made it possible to calculate the possible bottling zones of the RVS oil refining products-2000, as well as determine the zones of the damage in case of ignition of the filling mirror under different parameters of the air flow.
Keywords: evaluation, fire danger, risks, bottling area, petroleum product
Важнейшим элементом системы управления пожарной и промышленной безопасностью является своевременный анализ возможных рисков на взрывоопасных и пожароопасных объектах защиты. Такой процесс представляет собой систематическое использование информации для идентификации опасностей, возможных нежелательных событий и выполняет основные задачи:
- оценка объективной информации о состоянии пожарной и промышленной безопасности объекта защиты;
- представление сведений о наиболее опасных (потенциально опасных) местах с точки зрения пожарной безопасности;
- разработка обоснованных мероприятий и рекомендаций по уменьшению риска пожарной опасности [1, 2].
Объектом исследования выступила действующая база топлива, площадью 13 500 м . Основное назначение: прием, хранение и отпуск светлых и темных нефтепродуктов предприятиям железнодорожного транспорта. Основными составляющими объекта являются резервуарный парк (подземные и наземные резервуары объемом от 25 до 2000 куб. м)
44
хранения дизельного топлива, мазута и бензина, склад масел, сливные железнодорожные эстакады дизельного топлива, мазута и масел, островок налива дизельного топлива в автоцистерны, насосные. На рис. 1 представлено распределение наибольшей рабочей смены по подразделениям и корпусам предприятия.
Практический опыт показывает, что крупные аварии характеризуются комбинацией неблагоприятных событий, появляющихся с различной частотой на разных стадиях возникновения и развития аварии. К ним относятся: отказы оборудования, ошибки человека, разрушение, выброс, пролив вещества, воспламенение, взрыв и т.д. Для установления причинно-следственных связей между этими событиями используются логико-графические методы анализа: «деревья отказов» и «деревья событий». Поэтому предметом исследования являлась оценка пожарной опасности объекта защиты и анализ рисков возникновения аварий и неблагоприятных последствий [3].
Возможными причинами возникновения аварийных ситуаций со светлыми нефтепродуктами являются:
- усталость материала, коррозия;
- брак сварных швов, деформация, механическое повреждение в результате нарушения регламента работ и т.д.;
- нарушения режимов или параметров проведения сливо-наливных операций;
- нарушения технологии ремонта оборудования.
Основными опасностями при возникновении аварийных ситуаций на оборудовании с топливом являются:
- разгерметизация (разрушение) резервуаров (емкостей), насосного оборудования с разливом (проливом) топлива на подстилающую поверхность;
- разгерметизация (разрушение) резервуаров (емкостей), насосного оборудования с разливом (проливом) топлива на подстилающую поверхность, с возможным возгоранием и образованием пожара разлива;
- разгерметизация газовой части резервуара (емкости) с топливом, образование взрывоопасной концентрации паровоздушной смеси с последующим ее взрывом и пожаром в резервуаре (емкости).
Подъемная емкость дизельного топлива
Пут и гшдъпда полиарного поезда
Рис. 1. Распределение наибольшей рабочей смены
45
Исходя из перечисленных выше возможных причин возникновения аварий с учетом отказов и неполадок, возможных ошибочных действий персонала, внешних воздействий и пожароопасных свойств светлых нефтепродуктов, можно сделать вывод о том, что аварии с дизтопливом будут развиваться по общей схеме, а в качестве сценария развития аварии выберем ^ С 1.1. (разгерметизация или разрушение емкостного или технологического оборудования ^ выброс нефтепродукта и его разлив на подстилающей поверхности или в обваловании с последующим воспламенением при наличии источника огня (образование пожара разлива) ^ поражение персонала предприятия, сооружений и оборудования тепловым излучением пожара разлива ^ действия по ликвидации аварии и ее последствий) (рис. 2).
Мгновенное воспламенение, пожар разлива
Полное разрушение дмг (25, 100) - 0,035
(разгерметизация) РВС - 2000
а = 25 и 100 мм
Последующее воспламенение, пожар разлива
(25,100)- 5,010" '5,01Г Мгновенное
воспламенение не дмг (25, 100) - 0,036
происходит
Воспламенение не происходит, ликвидация
Рис. 2. «Дерево событий» для аварийной ситуации, вызванной разрушением (разгерметизацией) наземной емкости с легковоспламеняющейся жидкостью на открытой местности
Определим частоту реализации сценария пожароопасной ситуации в случае разгерметизации РВС-2000. Для этого рассчитаем максимальный массовый расход нефтепродукта (бензина) в случае локальной аварии по формуле [4, 5]:
^тах_ ц/отв' Уmax'pж,
где /отв=пс1 отв/4 - площадь отверстия, через которое бензин выходит наружу; Утах=^2дЛ.ж - максимальная скорость истечения бензина из отверстия.
Основные расчетные параметры: площадь отверстия истечения (/'отв), максимальные значения скорости (Утах) и (дтах) при образовании прорыва (ё=25 и 100 мм) в РВС представлены в таблице, а на рис. 3 показан процесс реализации алгоритма расчета частоты реализации сценария возможной пожароопасной ситуации.
Таблица. Сводная таблица результатов
с12 (Л отв /отв Утах, м/с qmax, кг/с
0,025 4,909-10-4 6,633 1,511
0,100 7,85 10-3 6,633 24,212
Определим потенциальную площадь пролива нефтепродукта при условии, что поверхность не ограничена:
^р=/р^н0,8,
где /р - коэффициент разлития при проливе на грунтовое покрытие [3, 4] - 150 м-1; Ун - объем резервуара.
^р=2 000^150=300 000 м2.
46
Этап 1. Определение расчетной формулы нахождения частоты реализации сценария возможной в зрыв о и ожа р о о пасной чрезвычайной ситуации:
= Qaв2S " ?МГн25 ' *Зпосл25 ' (?шт ' <?сд25 где «25» - индекс, обозначающий расчет для локальной разгерметизации РВС с диаметром отверстия истечения, равным 25 (100) мм;
Ошт - максимальная повторяемость штиля на территории Воронежской области - 0.14
Этап 2. Определение значения частот реализации, инициирующих пожароопасные
ситуации при разгерметизации РВС- 2000
Обозначение Определение Значение
Локальная разгерметизация РВС - 2000 (диаметр отверстия останется .мм/100 \ш) Сценарий 1
е.. Частота разгерметизации с последующим проливом оенз ^ ^^, -в пределах огражденной площадки, год [6]
С?>1ГН бпои Условная вероятность мгновенного воспламенения ^ 035'' 0 035 бензина Условная вероятность последующего воспламенения - .. _ 0,036,-О.О^о Ьензнвл при отсутствии мгновенного воспламенения
ш Условная вероятность сгорания с о&разованнем избыток давления при образовании взрывоопасной зоны и ее 0,240/0,240 последующего воспламенения
Этап 3. Расчет частоты реализации выбранного сценария = 5" Ю-7 X 1 - 0,035 X 0,036 X 0,14 X 0,24 = 0,058" 10~7
<У1 = ^авЮоОмгнЮО^по^ЮО^шт^сдЮО
= 5" 10~в X 1 - 0,035 X 0,036 X 0,14 X 0,24 = 0,0058310~в
Рис. 3. Алгоритм расчета частоты реализации неблагоприятных событий
Тогда максимально возможная площадь пролива бензина в рамках резервуарного парка определяется по формуле (1), а максимальный уровень бензина по формуле (2):
Ротр = ¿огр'В огр = 74,53-190 = 14160 кв.м;
V 2000 _
И = =-= 0,14 м
а Г 14160
огр
С 1) 2)
Так как Я0 гр = 1, 5 м > /га = 0, 1 4 м , то перелив бензина за пределы ограждающей площади осуществлен не будет. Определим массу нефтепродукта, вышедшего из резервуара, по формуле (3), а также давление насыщенных паров по формуле (4) и интенсивность испарения по формуле (5):
С3) 4)
т =р -V = 75-10• 2000 = 15-105
ж / ж Н '
1 пР5 = А -5/ С Са + )=1,587 кПа;
со
Р5 = 3 8,6 3 6 П а; = 1 0 -6ТМР5 = 1 0 - 6 ■ 7113 ■ 38,63 6 = 4, 1
10"4кг
(5)
47
Поскольку масса бензина, вышедшего из РВС, более 40 кг, то согласно работе [4] принимаем максимальное время полного испарения 3 600 с и определим массу бензина, испарившегося при полном разрушении РВС по формуле:
шп = РШт = 4,1 ■ Ю-6 ■ 14160 ■ 3600 = 209,776 кг.
Определим размер взрывоопасной зоны, ограниченной нижним концентрационным пределом распространения пламени, в случае выхода кислородсодержащего продукта нефтепереработки из резервуара. Основными условиями будут являться отсутствие мгновенного воспламенения и наличие неподвижной воздушной среды [7-9]. При этом плотность паров находим по формуле:
р =-М-= — = 4,39кг / м3 С 6)
V ■ (1 + 0,00367^ ) 25,74
0 \ ■> Р'
Тогда радиус взрывоопасной зоны в случае локального разрушения находим по формуле:
т
Я = 7,8 ■ (-т-)033 = 1 1,52м
НКПРП ' V ^ / 3
Р ■ НКПРП
Спрогнозируем размер зоны возможного поражения при быстром сгорании продуктов нефтепереработки в открытом пространстве (рис. 4). Для этого необходимо определить возможную массу исследуемого вещества в облаке по формуле [5-8]:
т5 =дап^=209,776 0,8=167,82 кг.
Находим значение удельного энергетического выделения при горении бензина по формуле:
Еуд=в'Еуд0=1 -44-106=44- 106Дж/кг.
Определим два стехиометрических коэффициента: коэффициент участия кислорода в реакции сгорания по формуле (7) и концентрации паров нефтепродукта по формуле (8):
к = п с + ^ - Т = 7'024 + 3'426 = 10' 4 5 ; (7)
С ст = 10 0 = -—-= 1,9 3 % С о б .) . (8)
ст 1+4,84к 1 + 4,84 10,45 ' V у \ /
В результате расчетов получили максимальную стехиометрическую концентрацию, но вести дальнейшие расчеты целесообразно по концентрации НКРПР, значения которой равны 1,06 % (об.) и далее находим плотность воздуха по ранее представленной формуле (6):
28'98 1 пг / 3
Р в =-:-г = 1, 1 2 6 к г / м 3
22,4 1 • С 1+0, 0 0 3 67 -40, 5) ' '
Отметим, что паровзрывоопасное облако продуктов нефтепереработки располагается на поверхности земли (над зеркалом пролива) и плотность паров бензина выше, чем воздуха, целесообразно определить эффективность энергетического запаса горючей семи (Е) по формуле:
2 ■ ■ Еуд, если Сг < Сст
Е — { С ст ■
2 • Еуд ■ -—, если Сг > Сст
48
Поскольку С г < С ст, энергетический запас будет равен:
Е= 2 ■ ■ Яуд = 2 207,82 44^ 106= 18,288 • 109 Дж.
Определим скорость фронта пламени при сгорании паровоздушной смеси по формуле:
^ = ^ ■ т"6 = 43 • 207,821/6 = 104,65м / с,
где к1 - константа, равная 43 [4, 5].
Так как значение скорости фронта пламени менее чем 300, то ир = 300. Следовательно, расстояние от центра взрывоопасного облака будет рассчитано по формуле:
г _20_ п^
г =-=-= 0,35
1 (Е / ро )13 (18,288 ■ 109 /101325)13
где г - характеристика присутствия человека на открытом пространстве от центра резервуара, 20; р0 - атмосферное давление, Па (101325 Па).
Таким образом, подошли к расчету величины безразмерного давления по формуле (9), а также определим по формуле (10) импульс сжатия и выведем формулу:
и^ ■ ) ■ (^ _ Щ4) = 0,778 ■ 0,857 ■ (2,371 -1,142) = 0,819 (9)
Рх = ("Г) ■ ■ С 2
С С Г Г
0 х х
, т^ /1 л.т^л/0,06 0,01 0,0025. и С-1 300 7-1
/ = Ж ■ (1 - 0,4 ■Ж»(°— + -^г- + -^-т—) = Ж = - ■ (-) = — ■ (-_-) = 0,756
г г г х с с 340 7
1 = 0,756 ■ (1 _ 0,4 ■ 0,756) ■ (0,171 + 0,081 _ 0,058) = 0,102 (10)
В заключении определим максимальную величину избыточного давления по формуле (11) и импульса фазы сжатия по формуле (12):
Лр = р ■ р = 0,819■101325 = 8,298-104Па. (11)
1 . = К • Р.2 'Е- = 0Д02 ■1013252"18,288■10" = 1717 ^ ^ • с (12)
с 340
Бывают случаи, когда взрывопожароопасное облако может образовываться в оборудовании, при этом источником зажигания может послужить любая искра, то в этом случае сгорание смеси проходит с небольшими скоростями. Это явление называется пожар-вспышка. Поэтому определим радиус зоны поражения людей продуктами сгорания в случае локальной разгерметизации по формуле:
Я = 1,2 ■ Я______= 1,2 11,52 = 13,824м
49
Рис. 4. Зоны возможного поражающего фактора (ударная волна взрыва) при взрыве
газовоздушных смесей
Проведена оценка возможных рисков на действующем объекте защиты нефтегазовой отрасли, а анализ полученных результатов дает основания сделать следующие выводы. Характерной причиной локальной аварийной ситуаций является разгерметизация РВС-2000. В результате такого неблагоприятного события авторами спрогнозированы возможные зоны поражения, которые характеризуются взрывной волной, интенсивностью теплового излучения при разных воздушных потоках.
Литература
1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-Ф3 (одобр. Сов. Федерации 11 июля 2008 г.) // Рос. газ. 2008. № 163.
50
2. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах МЧС РФ: приказ МЧС РФ от 30 июня 2009 г. № 382. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.
3. Королев Д.С., Калач А.В., Зенин А.Ю. Важность принятия решений при обеспечении пожарной безопасности // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2015. № 2 (15). С. 42-46.
4. Пособие по определению расчетных величин пожарного риска для производственных объектов / Д.М. Гордиенко [и др.]. М.: ВНИИПО, 2012.
5. Клубань В.С., Петров А.П., Рябиков В.С. Пожарная безопасность предприятий промышленности и агропромышленного комплекса. М.: Стройиздат, 1987. 477 с.
6. Королев Д.С., Калач А.В. Прогнозирование, основанное на молекулярных дескрипторах и искусственных нейронных сетях, как способ исключения образования горючей среды // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 2. С. 68-72.
7. Швырков С.А. Пожарная безопасность технологических процессов. М.: Акад. ГПС МЧС России, 2012.
8. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. Доступ из Электронного фонда правовых и нормативно-технических документов.
9. Mathematical simulation of the process of forecasting the fire hazard properties of substances / D.S. Korolev [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020.
References
1. Tekhnicheskij reglament o trebovaniyah pozharnoj bezopasnosti: Feder. zakon ot 22 iyulya 2008 g. № 123-FZ (odobr. Sov. Federacii 11 iyulya 2008 g.) // Ros. gaz. 2008. № 163.
2. Ob utverzhdenii metodiki opredeleniya raschetnyh velichin pozharnogo riska na proizvodstvennyh ob"ektah MCHS RF: prikaz MCHS RF ot 30 iyunya 2009 g. № 382. M.: FGU VNIIPO MCHS Rossii, 2009.
3. Korolev D.S., Kalach A.V., Zenin A.Yu. Vazhnost' prinyatiya reshenij pri obespechenii pozharnoj bezopasnosti // Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii. 2015. № 2 (15). S. 42-46.
4. Posobie po opredeleniyu raschetnyh velichin pozharnogo riska dlya proizvodstvennyh ob"ektov/ D M. Gordienko [i dr.]. M.: VNIIPO, 2012.
5. Kluban' V.S., Petrov A.P., Ryabikov V.S. Pozharnaya bezopasnost' predpriyatij promyshlennosti i agropromyshlennogo kompleksa. M.: Strojizdat, 1987. 477 s.
6. Korolev D.S., Kalach A.V. Prognozirovanie, osnovannoe na molekulyarnyh deskriptorah i iskusstvennyh nejronnyh setyah, kak sposob isklyucheniya obrazovaniya goryuchej sredy // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashchenie, likvidaciya. 2016. № 2. S. 68-72.
7. Shvyrkov S.A. Pozharnaya bezopasnost' tekhnologicheskih processov. M.: Akad. GPS MCHS Rossii, 2012.
8. SP 131.13330.2012. Stroitel'naya klimatologiya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-01-99*. Dostup iz Elektronnogo fonda pravovyh i normativno-tekhnicheskih dokumentov.
9. Mathematical simulation of the process of forecasting the fire hazard properties of substances / D.S. Korolev [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020.
51
