О НОВЫХ ПОДХОДАХ УСТАНОВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАПОРНЫХ УСТРОЙСТВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК

Ivan G. Jankovski1, Andrey S. Mazur2, Pavel А Zhilinskiy3, Tatiana V. Ukraintseva4, Antonina M. Smirnova5

NEW APPROACHES TO ESTABLISHING OPTIMAL TIME DELAY FOR SHUT-OFF DEVICES IN PROCESS SYSTEMS OF HAZARDOUS PRODUCTION FACILITIES

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26, Moskovsky Pr., St Petersburg, 190013, Russia

An important role in the formation of damaging factors is played by the amount of substance involved in an accident. It can be directly affected by reducing the response time of shut-off devices. The authors propose an individual approach in determining the time of actuation of locking devices for process units tailored to specific production conditions and properties of circulating substances. As an example, the authors calculated 2 scenarios of emergency situations in a technological unit of HPF.

Key words: shut-off device, locking device, response time, security, risk, intoxication, probit function, air shock wave.

¡22.8

И.Г. Янковский1 , А.С. Мазур 2, П.А. Жилинский3 , Т.В. Украинцева4 , А.М. Смирнова5

О НОВЫХ ПОДХОДАХ УСТАНОВЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ v ЗАПОРНЫХ УСТРОЙСТВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия

Важную роль в формировании поражающих факторов играет количество вещества, участвующего в аварии. Сокращение времени закрытия запорной арматуры позволит непосредственно влиять на его величину. Авторами предлагается индивидуальный подход в установлении времени срабатывания запорных устройств, для технологических блоков, учитывающий конкретные условия производства и свойства обращающихся веществ. В качестве примера авторами произведен расчет 2-х сценариев развития аварийной ситуации в технологическом блоке ОПО.

Ключевые слова: запорное устройство, отсекающее устройство, время срабатывания, безопасность, риск, интоксикация, пробит-функция, воздушная ударная волна

Введение

Аварийные выбросы больших масс опасных химических веществ (ОХВ), пожары и взрывы пожаровзрывоопасных материалов всегда находятся в центре внимания при анализе техногенного риска. При их возникновении велика вероятность взрывов топливно-воздушных смесей (ТВС), пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, а также распространения в атмосфере газовых облаков ОХВ, характеризующихся большой масштабностью, и как следствие, интоксикацией, травматизмом, гибелью обслуживающего персонала, а также разрушением промышленных зданий и сооружений.

Известно, что масса опасного вещества, участвующая в аварии и в создании поражающих факторов (избыточное давление на фронте ударной волны, интенсивность воздействия теплового излучения, концентрация токсичного вещества в окружающей среде) определяется, исходя из условий развития конкретной аварии, с учетом вместимости технологического оборудования и времени срабатывания запорной арматуры технологического блока системы [1, 2].

В соответствии с действующими правилами [1] обоснование времени срабатывания запорной арматуры и (или) отсекающего устройства определяется расчетом. Однако к настоящему времени отсутствует методология определения оптимального времени закрытия запорных арматур для опасных производственных объектов, на которых обращаются пожаровзрывоопасные вещества, что создает трудности при разработке деклараций промышленной безопасности, обоснований безопасности опасных производственных объектов, а также при проведении экспертиз промышленной безопасности.

В соответствии с действующими нормами [2] для максимального снижения выбросов в окружающую среду химически опасных веществ на химически опасных производственных объектах (ХОПО) при аварийной разгерметизации системы технологических блоков предусматриваются следующие мероприятия:

на объектах I и II классов опасности ХОПО -установка автоматических быстродействующих запорных и (или) отсекающих устройств с временем срабатывания не более 12 с;

1. Янковский Иван Григорьевич, канд. техн. наук, эксперт высшей категории, доцент каф. химической энергетики Ivan G. Jankovski, PhD (Eng), associate professor, expert of highest category, department of chemical power

2. Мазур Андрей Семенович, д-р техн. наук, заведующий каф. химической энергетики, e-mail: Mazuras@mail.ru Andrey S. Mazur, Dr Sci. (Eng), Professor, Heat of department of chemical power

3. Жилинский Павел Алексеевич, магистр каф. химической энергетики, e-mail: 47mrpunk@gmail.com Pavel А. Zhilinskiy, master, Department of chemical power

4. Украинцева Татьяна Васильевна, канд. техн. наук, доцент каф. химической энергетики, e-mail: t.ukraintseva@mail.ru Ukraintseva Tatiana V., PhD (Eng), associate professor, Department of chemical power

5. Смирнова Антонина Михайловна, аспирант, каф. химической энергетики, e-mail: saterezia@yandex.ru Smirnova Antonina M., post-graduate student, Department of chemical power

Дата поступления - 25 декабря 2017 года

на объектах III класса опасности ХОПО - установка запорных и (или) отсекающих устройств с дистанционным управлением, обеспечивающим время срабатывания не более 120 с;

на объектах IV класса опасности - установка запорных устройств с ручным приводом. При этом следует предусматривать минимальное время приведения их в действие за счет рационального размещения, но не более 300 с.

Такое обоснование выбора времени срабатывания запорных устройств имеет недостатки, т.к. не учитывает конкретные условия производства и свойства обращающихся веществ.

В качестве критериев для установления обоснованного времени срабатывания запорных и/или отсекающих устройств для технологических блоков, в которых обращаются пожаровзрывоопасные и/или химически опасные вещества авторами предлагается использовать вероятностные значения поражения человека через пробит-функции в соответствии с [3].

Для этой цели в качестве исходного параметра предлагается использовать массу опасного вещества, определенную из условий развития аварии в соответствии с [1] при времени срабатывания запорной арматуры от 12 до 300 секунд

В соответствии с [3] производят расчет пробит-функции, имеющий общий вид:

Рг = а + b ■ inD,

где a и b - константы, зависящие от вида и параметров негативного воздействия; D - доза негативного воздействия.

Для оценки воздействия теплового излучения -функция плотности или интенсивности теплового излучения и времени воздействия; для барического воздействия -избыточное давление на фронте ударной волны и импульс фазы сжатия; для токсического воздействия - концентрация токсичного вещества и время воздействия.

По таблице «связь вероятности поражения с пробит-функцией» [3] определяют степень (вероятность) поражения людей.

Оптимальным предлагается считать такое время срабатывания запорной арматуры, при котором расчетное значение вероятности поражения людей в зоне действия поражающих факторов составляет не более 1 %.

Примечание: расчет рекомендуется начинать с больших значений времени срабатывания (300 с.), уменьшая его до тех пор, пока вероятность поражения не составит 1 %.

Следует отметить, что в технологических системах, в которых обращаются опасные горючие вещества и ОХВ в случае аварии их масса, поступающая в окружающее пространство из технологического блока, существенно зависит от времени срабатывания запорной арматуры. Такое обстоятельство особенно характерно при аварийной разгерметизации, когда происходит полное разрушение аппарата, а к аварийному блоку по технологическим трубопроводам поступает газ из смежных систем (прямые и обратные потоки).

Ниже представлены последовательности расчетов и их результаты по определению оптимального времени срабатывания запорной арматуры при обращении газообразного вещества для технологического блока, схема которого представлена на рисунке 1, в котором при реализации аварии возможно барические и/или токсическое воздействие на персонал.

Запорная арматура N° 1

Запорная арматура № 2

Емкость с аммиаком

Объем 10 ма Температура - 40 °С Давление - 0.2 МПа

Рисунок 1. Схема фрагмента блока технологической системы

Примеры расчетов

Конструктивные параметры установки, режим работы, условия аварии:

В результате аварии на открытой площадке (класс загроможденности - II) стабильности атмосферы - умеренная конвекция, скорость ветра 2 м/с, произошел разрыв емкости с газообразным аммиаком вместимостью 10 м3 под давлением 0,2 МПа. Диаметр трубопроводов на входе/выходе из емкости составляет 0,2 м. При истечении газа из разрушенной емкости возможно отсечение запорной арматурой трубопроводов, по которым транспортируется газообразный аммиак. Режим взрывчатого превращения ТВС - 5 (дефлаграция) [4]. В результате аварии образуется облако, которое рассеивается в атмосфере по двум сценариям:

разгерметизация оборудования ^ выброс газов из оборудования + образование облака ТВС ^ диффузионное разбавление газов с образованием газовоздушной смеси взрывоопасной концентрации ^ появление источника зажигания ^ воспламенения облака ТВС ^ распространение ударной воздушной волны^воздействие избыточного давления воздушной ударной волны на оборудования, здания, сооружения, поражение людей.

разгерметизация технологического оборудования ^ выброс газа ^ образование облака ^ распространение (рассеивание) облака по территории объекта ^ интоксикация людей на открытой площадке.

Требуется определить оптимальное время срабатывания запорной арматуры, при котором вероятность воздействия УВВ (избыточное давление и импульс фазы сжатия), а токсическое воздействие на незащищенных людей не превышает 1 % на расстоянии 150 м от места аварии (емкости с опасным веществом).

Сценарий 1:

Расчет производится в следующей последовательности:

В соответствии с формулами П.3.11-3.14 [5] определяется массовая скорость истечения сжатого газа (кг/с) из трубопроводов (прямых и обратных потоков) к аварийному технологическому блоку и массу вещества (кг) при времени срабатывания запорной арматуры в пределах от 300 до 12 с., а также масса опасного вещества (кг), находящегося в оборудовании.

Масса газа в оборудовании [6]:

Мг =

M-V1-P1 д(£1+273,15)

,кг

(1)

где М - молярная масса вещества, кг/моль; R - универсальная газовая постоянная, 8,31

Дж

давление в

кг/моль'

оборудовании, Па; 1 - температуры в оборудовании, °С; V1 -объем оборудования, м3.

В соответствии с формулой В.12 [7] при различном времени срабатывания запорной арматуры определяются горизонтальные размеры зоны Лнкпр, м, ограничивающие область концентраций, превышающих нижний концентрационный предел распространения пламени (Снкпр) для горючих газов (ГГ):

й„

,м

(2)

/ Ч 0,333

1НкПр = 14,5632 ■

где п% - масса поступивших в открытое пространство ГГ при аварийной ситуации, кг; Скпр - нижний концентрационный предел распространения пламени ГГ, % (объемных); р -плотность ГГ при расчетной температуре и атмосферном давлении, (кпм"3) определяется по формуле:

Рг

м

Vo(l+0,00367tp)

, КГ ■ М

(3)

М - молярная масса, кпкмоль"1; V - мольный объем, равный 22,413 м3жмоль-1; 1 - расчетная температура, °С.

В качестве расчетной температуры следует принимать максимально возможную температуру воздуха в соответствующей климатической зоне или максимальную возможную температуру воздуха по технологическому

регламенту с учетом возможного повышения температуры в аварийной ситуации. Если такого значения расчетной температуры по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61 °С. [7]

В соответствии с формулами 10-14 [4] определяется избыточное давление взрыва и импульс сжатия при различном времени срабатывания запорной арматуры на расстоянии Янкпр. При этом масса горючего вещества, содержащегося в облаке топливовоздушной смеси (ТВС) определяется с учетом горючего вещества, поступающего из трубопроводов к аварийному технологическому блоку за время срабатывания запорной арматуры, а также массы вещества, находящегося в аварийном блоке.

Для дефлаграционного режима взрывчатого превращения ТВС величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам:

АР = РХ-Р0 ,П а (4)

1 = 1*

. рз .£1

° с„'

Па ■ с (5)

Необходимые данные для расчета безразмерного значения давления и импульса сжатия определяются по методике, изложенной в [4].

В соответствии с формулами 5.13-5.16 [3] определяется пробит-функция при различном времени срабатывания запорной арматуры.

Рг = 5 - 5,74 ■ 1пУ3

,Г 4,2 , 1,3

где У3 = г- + -г

(6) (7)

имеет место режим дефлаграции ТВС (поскольку избыточное давление взрыва превышает 5 кПа, в соответствии с [7]).

Далее в соответствии с заданием рассчитываются избыточное давление взрыва и импульс волны сжатия при взрыве ТВС на расстоянии 150 м от места аварии.

Результаты расчетов и соответствующие вероятности поражения человека, находящегося на расстоянии 150 м от места аварии при различном времени срабатывания запорной арматуры приведены в таблице 2.

Таблица 2. Условные вероятности критерии поражения людей ударной

\ Параметр

Время\ сраба- \ ты в а н ия\ запорной \ арматуры \ Масса горючего вещества в облаке ТВС, кг Импульс фазы сжатия, кпм/с Избыточное давление взрыва на расстоянии 150 м от места взрыва, кПа Величина пробит-функции Вероятность поражения, %

т = 300 2747,29 53,40 1,89 -15,72 0

т = 120 1106,77 25,15 1,05 -19,70 0

т = 60 559,93 14,31 0,67 -22,80 0

т = 45 423,22 11,35 0,56 -24,09 0

т = 30 286,51 8,22 0,43 -25,90 0

т = 25 240,94 7,12 0,39 -26,71 0

т = 12 122,46 4,06 0,25 -29,88 0

Рх = 1+-

* Ро

/г = ■ '

(8) (9)

атмосферное

где т - масса тела живого организма, кг; Р0 давление, Па.

По величине пробит-функции в соответствии с [6] согласно таблице 3 «Связь вероятности поражения с пробит -функцией» определяется вероятность поражения человека (вероятность длительной потери управляемости у людей -состояние «нокдауна», попавших в зоны действия ударной волны при взрыве облака ТВС), сформированном при различном времени срабатывания запорной арматуры.

Для прогнозирования режима взрывчатого превращения проводится расчет радиуса зоны, ограничивающей область концентраций, превышающих НКПР; избыточного давления взрыва при сгорании газовоздушной смеси на данном расстоянии при различном времени срабатывания запорной арматуры, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения условий и параметров взрыва при

Параметр Время Срабаты-х^ вания запорной арматуры \ М асса горючего вещества в облаке ТВС, кг Радиус зоны 1*нкпр, м Избыточное давление взрыва на расстоянии 1*нкпр, кПа

т = 300 2747,29 94,69 9,1

т = 120 1106,77 69,96 6,9

т = 60 559,93 55,75 5,6

т = 45 423,22 50,79 5,2

т = 30 286,51 44,6 4,65

т = 25 240,94 42,1 4,39

т = 12 122,46 33,61 3,57

Анализ расчетных да н ных (табли ца 2) показывает, что для рассматриваемого технологического блока на расстоянии 150 м при времени срабатывания запорной арматуры до 300 с поражение обслуживающего персонала исключено, т.е. оптимальным временем срабатывания запорной арматуры следует считать 300 с при взрыве ТВС.

Сценарий 2:

Расчет производится в следующей последовательности:

В соответствии с формулами П.3.11-3.14 [5] определяется массовая скорость истечения (кг/с), масса сжатого газа (кг), поступающего из трубопроводов (прямых и обратных потоков) к аварийному технологическому блоку при различном времени срабатывания запорной арматуры в пределах от 300 до 12 с.

В соответствии с [6] определяется концентрация опасного вещества на заданном расстоянии при различном времени срабатывания запорной арматуры в пределах от 300 до 12 с.

В соответствии с формулой 5.20 [3] определяется пробит-функция при различном времени срабатывания запорной арматуры.

Рг = а + Ь ■ 1п( Сп ■ Т) (10)

где С - концентрация токсичного вещества, ррт; Т - время воздействия, мин; а, Ь, п - коэффициенты при расчете пробит-функции.

По величине пробит-функции в соответствии с [3] согласно таблице 3. Связь вероятности поражения с пробит-функцией, определяется вероятность смертельного поражения человека при различном времени срабатывания запорной арматуры.

Результаты расчета пробит-функции и вероятности поражения человека для времени срабатывания запорной арматуры (12 с) приведены в таблице 3.

Анализ расчетных данных таблицы 3 показывает, что при времени срабатывания запорной арматуры 12 с. вероятность поражения персонала 1 % достигается на расстоянии 106 м от центра облака.

Аналогичным образом проведены расчеты для времени срабатывания 25, 30, 45, 60, 120, 300 с.

Анализ расчетных данных (таблицы 1) показывает, что для рассматриваемого технологического блока при времени срабатывания запорной арматуры от 300 до 45 с

Таблица 3. Условные вероятности критерии токсического поражения людей при времени срабатывания запорной арматуры 12 с. в

Параметр Расстояние, м

50 100 106

Масса ОХВ, поступившего из технологического блока в окружающую среду, кг 122

Массовая концентрация аммиака, мг/м3 160100 25000 20900

Массовая концентрация аммиака, ррп 256647 40076 33663

Пробит-функция 10,19 3,31 2,67

Вероятность поражения, % 99 5 1

Результаты расчетов приведены на рисунок 2 в виде зависимости расстояния, на котором вероятность поражения составляет 1 % от времени срабатывания запорной арматуры.

100 150 200 250

Время срабатывания запорной арматуры, с

Рисунок 2. Зависимость расстояния от аварийной емкости, на котором вероятность токсического поражения составляет 1 %

Анализ полученных данных (см. рисунок 2) позволяет сделать вывод, что в условиях рассматриваемой задачи: расстояние от центра аварии до обслуживающего персонала 150 метров (при непрерывной подаче опасного вещества в зону аварии до закрытия запорной арматуры) интенсивность токсического воздействия на прямую зависит от времени срабатывания запорной арматуры. При этом оптимальным временем срабатывания следует считать 30 с.

Сравнительный анализ расчетных данных показывает, что для рассматриваемого технологического блока при взрыве ТВС оптимальное время срабатывания запорной арматуры составляет 300 с, а при токсическом поражении - 30 с (см. рисунок 2). Таким образом, с учетом различных видов поражений для данного технологического блока оптимальное обоснованное время срабатывания запорной арматуры следует считать 30 с.

Выводы

1 Предложена методология обоснования времени срабатывания запорной арматуры для пожаровзрывоопасных и химически опасных производственных объектов;

2. Сравнительный анализ известных и предложенной методик расчета интенсивности действия поражающих факторов показал целесообразность использования предлагаемого способа оценки ограничения времени формирования токсичной и пожаровзрывоопасной среды.

3. Предложенная методика может быть использована при разработке «Деклараций промышленной безопасности ОПО», «Обоснований промышленной безопасности ОПО», «Планов мероприятий по локализации ликвидации последствий аварий на ОПО», а также при

разделении технологических схем на отдельные технологические блоки на стадиях проектирования ОПО.

Литература

1. Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Приказ Ростехнадзора от 11.03.2013 N 96 (ред. от 26.11.2015). 2015., Консультант Плюс: Версия Проф. [Электрон. ресурс] / АО «Консультант Плюс».

2. Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности. Правила безопасности химически опасных производственных объектов. Приказ Ростехнадзора от 21.11.2013 N 559. 2013., // Консультант Плюс: Версия Проф. [Электрон. ресурс] / АО «Консультант плюс».

3. Методические основы по проведению анализа опасностей и оценки риска на опасных производственных объектах [Текст]: утв. Приказом Ростехнадзора от 11.04.2016 г. № 144, // Консультант Плюс: Версия Проф. [Электрон. ресурс] / АО «Консультант плюс».

4. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 31 марта 2016 г. N 137., // Консультант Плюс: Версия Проф. [Электрон. ресурс] / АО «Консультант плюс».

5. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах (с изменениями и дополнениями) [Текст]: Приказ МЧС РФ от 10 июля 2009 г. № 404, // Консультант Плюс: Версия Проф. [Электрон. ресурс] / АО «Консультант плюс».

6. Методика оценки последствий химических аварий («Методика «Токси». Редакция 2.2»).

7. СП 12.13130.2012. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок с по взрывопожарной и пожарной опасности. Свод правил. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2012. 32 с

References

1. Ob utverzhdenii Federal'nyh norm i pravil v oblasti promyshlennoj bezopasnosti. Obshhie pravila vzryvobezopasnosti dlja vzryvopozharoopasnyh himicheskih, neftehimicheskih i neftepererabatyvajushhih proizvodstv. Prikaz Rostehnadzora ot 11.03.2013 N 96 (red. ot 26.11.2015). 2015., Konsul'tant Pljus: Versija Prof. [Jelektron. resurs] / AO «Konsul'tant Pljus».

2. Ob utverzhdenii Federal'nyh norm i pravil v oblasti promyshlennoj bezopasnosti. Pravila bezopasnosti himicheski opasnyh proizvodstvennyh ob#ektov. Prikaz Rostehnadzora ot 21.11.2013 N 559. 2013., // Konsul'tant Pljus: Versija Prof. [Jelektron. resurs] / AO «Konsul'tant pljus».

3. Metodicheskie osnovy po provedeniju analiza opasnostej i ocenki riska na opasnyh proizvodstvennyh ob#ektah [Tekst]: utv. Prikazom Rostehnadzora ot 11.04.2016 g. № 144, // Konsul'tant Pljus: Versija Prof. [Jelektron. resurs] / AO «Konsul'tant pljus».

4. Metodika ocenki posledstvij avarijnyh vzryvov toplivno-vozdushnyh smesej. Utv. prikazom Federal'noj sluzhby po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 31 marta 2016 g. N 137., // Konsul'tant Pljus: Versija Prof. [Jelektron. resurs] / AO «Konsul'tant pljus».

5. Ob utverzhdenii metodiki opredelenija raschetnyh velichin pozharnogo riska na proizvodstvennyh ob#ektah (s izmenenijami i dopolnenijami) [Tekst]: Prikaz MChS RF ot 10 ijulja 2009 g. № 404, // Konsul'tant Pljus: Versija Prof. [Jelektron. resurs] / AO «Konsul'tant pljus».

6. Metodika ocenki posledstvij himicheskih avarij («Metodika «Toksi». Redakcija 2.2»).

7. SP 12.13130.2012. Opredelenie kategorij pomeshhenij, zdanij i naruzhnyh ustanovok s po vzryvopozharnoj i pozharnoj opasnosti. Svod pravil. M.: FGU VNIIPO MChS Rossii, 2012. 32 s