CC BY
52
УДК 004.942
В. В. Банников*, Т. В. Савицкая
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: tiron2007@rambler.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙ НА ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА FLACS
В данной статье проведен выбор программного комплекса для моделирования последствий аварий на промышленных объектах. Проведено моделирование аварии на гипотетическом опасном производственном объекте в ПК FLACS. Представлены результаты моделирования и проведён их сравнительный анализ.
Ключевые слова: аварии; моделирование; опасный производственный объект; FLACS.
Аварии на производстве могут иметь тяжелые последствия для жизни и здоровья работающего на нем персонала, а также для жителей и организаций, находящихся в зоне возможных аварий. Для анализа последствий возможных аварий необходимо провести моделирование вероятных ситуаций развития аварий на опасном производственном объекте (ОПО) с использованием
специализированных программных комплексов (ПК). Целью данной работы является выбор программного комплекса для расчёта и анализ полученных результатов моделирования.
Специалистами ЗАО "Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности" разработан программный комплекс "ТОКСИ+Risk", позволяющий оценить зоны воздействия основных поражающих факторов при авариях с участием опасных веществ (ОВ) [1].
Программный комплекс FLame Acceleration Simulator (ПК для моделирования ускорения пламени) FLACS является разработкой норвежской компании GexCon AS [2]. Данный ПК имеет некоторые уникальные особенности, например, построение реальной геометрии объекта. В комплексе реализованы зарубежные модели аварий на основе вычислительной гидродинамики [3-4], которые в результате настоящего исследования необходимо верифицировать и оценить области применения. Указанные комплексы переданы кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева для использования в учебном процессе: ПК FLACS на полгода, ТОКСИ+Risk - бессрочно.
ПК FLACS состоит из следующих компонентов:
• Pre-processor CASD (Computer Aided Scenario Design) - служит для ввода исходных данных, которые определяют процесс моделирования (геометрическая модель, вычислительная сетка, пористость, свойства сценариев).
• Post-processor Flowvis - модуль, предназначенный для визуального представления результатов моделирования процессов взрывов
газов, рассеивания газовых облаков и многофазных разливов.
• FLACS Run Manager - основной компонент программы, предназначен для непосредственного проведения расчетов, запуска Pre-processor CASD и Post-processor Flowvis и вызова командной строки.
Значительным отличием данного комплекса от ТОКСИ+Risk является учёт реальной геометрии моделируемого объекта, возможность
моделирования рассеяния газа или жидкости ОВ по наклонной поверхности, в то время как в ТОКСИ+Risk рельеф учитывается только переменной загромождённости окружающего пространства. Проанализировав данную
информацию, было принято решение провести моделирование в программном комплексе FLACS.
В качестве объекта исследования рассматривается гипотетический ОПО, на котором размещено не менее 30 единиц оборудования (емкости, резервуары, реакторы, насосы, технологические трубопроводы и т.п.), в которых обращаются этилен и водород. В качестве исходных данных задаются геометрические размеры единиц оборудования, которые указаны в таблице 1.
На рисунке 1 представлена общая схема расположения оборудования. В строениях 1, 3, 5 расположены различного вида резервуары для хранения ОВ. В строениях 2, 4 - насосное и компрессорное оборудование. Колонное и трубопроводное оборудование находится вне зданий на периметре гипотетического предприятия.
С использованием ПК FLACS моделировались сценарии с взрывом газа в различных видах оборудования при одинаковых условиях. Температура и давление окружения и оборудования заданы как 30 C° и 0.1 МПа соответственно. Моделирование происходит в безветренной ситуации. Класс устойчивости по Пасквиллу - А. Задана смесь этилена и гипотетического токсического вещества для оценки распространения опасных веществ в соотношении объемной доли 50% на 50%. Проводилось моделирование и для 100% объемной доли этилена.
Таблица 1. Размеры оборудования ОПО
Оборудование Характеристический Диаметр, м Высота Габаритный
линеиныи размер, м внутренней части, м размер (ширина), м
Колонна 28 1.52 - -
Компрессор 18 0.4 4 1.5
Насос (горизонт.) 18 0.4 3 1.5
РГСН-10 (Резервуар горизонтальный 2.61 2 - -
стальной наземный, 10 м3)
РВС-100 6 4.73 - -
(Резервуар вертикальный стальной, 100 м3)
Сепаратор 13 2.8 - -
Трубопровод (горизонт.) 44 0.2 - -
РБС-100 Сепаратор РГСН-10 • • •
РБС-100 РБС-100 РБС-100 • • • *
РБС-100
Строение 1
Сепаратор РВС-100
* • • • •
РБС-100 РБС-100 РБС-100
Сепаратор РВС-100
« • • РБС-100
РВС-1СС
Колонна Колонна
Трубопроводы
Колонна Колонна
Строение 5
РБС-100 РБС-100 РБС-100
• ■ • ■ я
РБС-100 РБС-100
Рис. 1. Общая схема гипотетического предприятия
Таблица 2. Основные результаты расчётов с использованием ПК FLACS
Сценарий Максимальное Максимальное Максимальное Время
давление, бар значение значение фиксирования
массовой доли массовой доли максимального
топлива продукта горения значения давления, с
50% этилена
РВС-100 0.13 0.012 0.34 0.2
Колонна 0.011 0.05 0.04 0.5
Компрессор 0.023 0.08 0.32 0.6
Сепаратор 0.034 0.14 0.34 0.4
Насос 0.014 0.147 0.32 0.7
РГСН-10 0.017 0.068 0.27 0.6
Трубопровод 0.003 0.115 0.28 0.2
100% этилена
РВС-100 0.18 0.0052 0.27 0.01
Колонна 0.015 0.021 0.034 0.4
Компрессор 0.028 0.034 0.27 0.6
Сепаратор 0.024 0.06 0.22 0.4
Насос 0.02 0.064 0.25 0.5
Трубопровод 0.005 0.048 0.23 0.2
Водород
Компрессор (С) 0.19 0.015 0.17 0.24
Компрессор (Ч) 1.25 0.53 0.27 0.22
В таблице 2 представлены результаты моделирования в ПК FLACS. Как видно из представленных результатов, значение
максимального давления для резервуара РВС-100 на порядок выше остальных, что вероятно зависит от размера оборудования. Так же следует обратить внимание на максимальное значение массовой доли продукта горения при аварии в колонне, его низкое значение по сравнению с остальными может объясняться расположением данного оборудования на открытой местности и на большой высоте, и, следовательно, стремительным рассеиванием продукта по территории предприятия. Так как время зажигания равно 0, поэтому взрыв происходит критически быстро, фактически менее чем за секунду. Это легко заметить, анализируя время фиксирования максимального давления. Так же, можно заметить, что данное время для смеси воздуха с этиленом без гипотетического токсического вещества в отдельных случаях уменьшилось на порядок. Следует отметить, что результаты моделирования со 100% объемной долей этилена показали более высокие значения максимального давления, чем результаты моделирования смеси воздуха с этиленом и гипотетическим токсическим веществом.
Наиболее масштабной по распространению является авария с компрессорным оборудованием, так как здание, в котором он расположен (строение 2, рис.1), окружено с двух сторон близко стоящими
строениями, в то время как масштабы остальных аварий сопоставимы.
Отдельно проводилось моделирование компрессора с чистым водородом (Ч) и водородом в смеси с воздухом (С). Наиболее опасным является взрыв компрессора с чистым водородом, образующееся давление на два порядка выше, чем ранее рассчитанное. Так же на два порядка отличаются значения массовой доли топлива.
Выводы:
• Самым опасным сценарием является взрыв оборудования РВС-100 благодаря своим небольшим размерам, что способствует повышению максимального давления и мгновенному взрыву.
• Наличие смеси воздуха с этиленом и гипотетическим токсическим веществом понижает максимальное давление в сравнении со смесью воздуха и чистого этилена.
• Наименее опасными видами аварий являются аварии в колоннах, расположенных на открытом воздухе, из-за чего происходило быстрое рассеяние опасного вещества и разбавление воздухом.
• Взрыв компрессора с чистым водородом опаснее взрыва компрессора со смесью водорода и воздуха.
• Полученные результаты моделирования подтвердили эффективность использования ПК FLACS для расчёта последствий аварий.
Банников Владимир Валерьевич, аспирант 2 года обучения факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Савицкая Татьяна Вадимовна, д.т.н., профессор кафедры Компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Использование программного комплекса ТОКСИ+Risk для оценки пожарного риска / Агапов А.А. [и др.].
Безопасность труда в промышленности. 2010. № 1. С. 44-50.
2. Сайт компании Gexcon [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gexcon.com/ (дата обращения:
07.05.2016).
3. Computational Fluid Dynamics (CFD) model simulations of dispersion from chlorine railcar releases in industrial
and urban areas / Hanna S.R. [et al.]. Atmos. Environ. 2009. № 43. P. 262-270.
4. Hansen O.R., Melheim J.A., Storvik I.E. CFD-Modeling of LNG Dispersion Experiments // Sintering AIChE
Spring National Meeting, 7th Topical Conference on Natural Gas Utilization, Houston, 2007. P. 275-284.
Bannikov Vladimir Valerevich*, Savitskaya Tatyana Vadimovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: tiron2007@rambler.ru
MODELING CONSEQUENCES OF ACCIDENTS ON ESPECIALLY DANGEROUS INDUSTRIAL OBJECTS BY USING FLACS SOFTWARE SYSTEM
Abstract
This article describes choice software for modeling consequences of accidents at industrial objects. Modeling of accident on the hypothetical especially dangerous industrial object is simulated by using software FLACS. The results of modeling and comparative analysis have been presented.
Key words: accidents; simulation; especially dangerous industrial object; FLACS.
