CC BY
27
УДК 536.24, 614.83
Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев, С. А. Артемьев, С. И. Поникаров
ОЦЕНКА ДОЛИ ГОРЮЧЕГО ВЕЩЕСТВА ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРЕДЕЛАХ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ANSYS FLUENT
Ключевые слова: сжиженный газ, пропан, доля участия во взрыве, численное моделирование.
На основе численной модели представлен расчет доли горючего вещества во взрывоопасных пределах при аварийном выбросе сжиженного углеводородного газа в атмосферу. Приведены временные зависимости доли горючего газа в воздухе при залповом выбросе сжиженного пропана при различных скоростях ветра.
Keywords: liquefied gas, propane, fraction of participation in the explosion, numerical simulation.
On the basis of a numerical model, the calculation of the fraction of combustible substance in explosive limits for the accidental release of liquefied hydrocarbon gas into the atmosphere is presented. The time dependences of the fraction of combustible substance in air at breakaway release of liquefied propane at different wind speed are given.
Введение
Современная Россия - это страна с интенсивно развивающейся промышленностью. Каждый год повсеместно завершаются проекты по модернизации уже существующих производств и созданию новых. Современные заводы представляют собой производственные комплексы, сосредотачивающие на своей территории огромные количества веществ. Обращение столь большого количества горючего газа на объектах нефтегазовой отрасли, а также повсеместный износ основных фондов и применение новых технологических процессов, для которых еще нет статистики аварий, - все это вызывает серьезные опасения по поводу возможных аварий и их последствий.
Последствия вышеуказанных аварийных ситуаций могут привести к многочисленным человеческим жертвам и значительному материальному ущербу. В связи с этим, актуальным является совершенствование методов оценки возможных аварий и их последствий. Кроме этого, важное значение имеет оптимизация мероприятий по обеспечению пожарной и промышленной безопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли.
Однако, несмотря на значительные достижения в этой области исследований, недостаточно внимания уделено определению количества горючего вещества, участвующего в формировании взрывоопасного облака, с учётом влияния турбулизации газа и времени от момента начала выброса на величину взрывоопасного объёма.
В данной работе предлагается разработанный комплекс моделей, который описывает такие явления, как мгновенное вскипание сжиженного газа, фазовые переходы при испарении образовавшегося аэрозоля и кипении пролива жидкости, а также смешение газа с окружающим воздухом, и определять долю опасного (горючего) вещества во взрывоопасных пределах в зависимости от скорости ветра и времени.
В данной статье представлены временные зависимости изменения доли горючего вещества в воздухе, а именно сжиженного пропана, которые получены в пакете FLUENT 17.0.
Математическая модель
При аварийных выбросах жидкости ее испарение сильно зависит от условий, в которых содержится вещество в технологической системе. Источником поступления опасного вещества в окружающую среду является процесс перехода его в газообразное состояние вследствие парообразования [1].
При определении доли мгновенного вскипания сжиженной фазы использовалось соотношение, приведенное в работах [1,2,3].
Расчет переноса дисперсной фазы осуществлялся с помощью эйлерово-лагранжева (Euler-Lagrange) подхода, когда вся дисперсная фаза разбивается на большое число групп капель, внутри каждой группы параметры капель одинаковые. Таким образом, траектория движения каждой группы капель прослеживается путем расчета движения лишь одной представительной капли [1,4].
Уравнение движения капли, принадлежащей определенной группе капель, записывается в виде
dup dt
= fd(ui - up)-
9i(Pp ~ P), Pp
где ир - проекция скорости движения капли на ось х, м/с; и - проекция вектора скорости несущей фазы на ось х, м/с; рр - плотность капли, кг/м3; р -плотность несущей фазы, кг/м3; dt - шаг по времени; FD(u—up) - удельная сила сопротивления на движению капли, Н/кг:
18^ CpRed
, d2
р р
Ppd2 24
где ^ - коэффициент динамической молекулярной вязкости несущей фазы, кг/(м-с); Red - число Рейнольдса; dp - диаметр капли, м; Со -коэффициент сопротивления для частиц сферической формы:
Cd =
24
Red
0,424,
Re23 4 1+ '' Red < 1000
Red >1000
F
D
Уравнение интенсивности испарения капли имеет
вид
dm[
= кс. Ар. рв. 1п(1 + Вт)
где
масса капли, кг;
kс - коэффициент массоотдачи, м/с; Ар - площадь поверхности капли, м2;
Рда - плотность окружающего воздуха, кг/м3; Вm -массовое число Сполдинга находится из
В,
У. - у,
1 - У,
где У, ^ - массовая доля пара в окружающем газе; У, 8 -
массовая доля пара у поверхности капли.
Коэффициент массоотдачи кс рассчитывается из соотношения
Sh • Dm
кс =
с1
Sh = 2,0 + 0^е^с1/3
где Dm - коэффициент молекулярной диффузии компонента в смеси, м2/с; Sc - молекулярное число Шмидта: Sc = ц/(р^т); число Рейнольдса Red = р-йр-| Ыр-Ы1|
Система уравнений для несущей фазы включает в себя уравнение неразрывности, осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, уравнение переноса энергии и примеси. Для учета турбулентных эффектов использовалась Realiziable к—£ модель [1,4].
Исходные данные и результаты численных расчетов
Рассматривался
сценарий емкости объемом 100 м3 со
полного разрушения сжиженным газом. Коэффициент заполнения оборудования равен 0,8. Температура жидкости в емкости принята равной 30оС. Время экспозиции равно 3600 с. Состояние атмосферы - изотермия. Численные исследования проводились при трех скоростях ветра - 1;2,5;5м/с на высоте 10м.
Горючие пары, смешиваясь с воздухом, образуют взрывоопасные смеси. Смесь называется взрывоопасной, когда значения концентрации горючего газа лежат в диапазоне, ограниченном НКПР (нижним концентрационным пределом
воспламенения) и ВКПР (верхним концентрационным пределом воспламенения). Значения нижнего предела воспламенения (НКПВ) и верхнего предела воспламенения (ВКПВ) для пропана принимались равными 2,3 % (об.) и 9,5 % (об.) соответственно.
Отношение массы газа во взрывоопасных пределах к общему количеству горючего газа обозначим как долю горючего газа Ъ.
На рисунке 1 представлены зависимости доли горючих паров, способных к воспламенению Ъ от времени.
Рис. 1 - Изменение доли горючего газа Z во взрывоопасных пределах со временем 1 при различных скоростях ветра: 1—1м/с; 2—2,5; 3—5
Как видно из рисунка, изменение величины Ъ носит нестационарный характер. Сначала данная величина резко возрастает в результате подмешивания воздуха в первичное облако, достигает максимума, а затем снижается в результате рассеивания горючего вещества до концентраций ниже НКПР. Данная зависимость характерна при всех рассматриваемых скоростях ветра.
С увеличением скорости ветра временной интервал, в течение которого сохраняются высокие значения Ъ, сокращаются. При скоростях ветра 2,5 и 5 м/с по истечении 600 и 300с соответственно взрывоопасные концентрации уже не образуются. Следует заметить, что наибольшее значение доли горючего газа наблюдается при 2,5 м/с (при 1=200с), однако при 1 м/с взрывоопасные концентрации сохраняются в течение более длительного времени (до 1=1800 с). Так по истечении 400с при 1 м/с доля участия Ъ=0,42, а при 2,5 м/с равна 0,12.
Кроме этого, с увеличением скорости ветра доля пара, разбавленного до безопасных концентраций, возрастает, что обуславливает более резкое снижение Ъ со временем.
Вывод
В таких методиках, как [5,6,7], принимают долю горючего газа, участвующую во взрыве, Ъ=0,1. Однако, данная величина, как можно видеть из представленных графиков, со временем изменяется и на протяжении длительного промежутка времени может иметь значение, существенно превышающее рекомендуемое.
Корректное определение доли горючего газа, участвующего во взрыве, имеет огромное значение при оценке потенциала взрывоопасности технологических блоков, а также для определения последствий аварийных ситуаций при проведении анализа риска.
Литература
1. Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров.
Основы прогнозирования последствий аварийных
сю
р
залповых выбросов сжиженных газов. Издательство КНИТУ, Казань, 2013, С.7-33.
2. Е.В. Старовойтова, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 14, 213-214 (2012).
3. Е.В. Старовойтова, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник технол. ун-та, 18, 24, 99-101 (2015).
4. ANSYS Fluent Theory Guide. July 2015.
5. Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах // Пожарная безопасность. - 2009. - №3.
6. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: ПБ 09-540-03: утв. Госгортехнадзором России 05.05.2003 // Российская газета. - 2003. - №120/1.
7. ГОСТ 12.3.047-98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. - Введ. 2000-01-01. - М.: Изд-во стандтартов, 1998.
© Е. В. Старовойтова - канд. техн. наук, асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, starovojtova@inbox.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, galeev_ainur@mail.ru; С. А. Артемьев - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru.
© E. V. Starovoytova - ph.D., assistant of Department of Mechanical Engineering, KNRTU, starovojtova@inbox.ru; A. D. Galeev -ph.D., assistant of Department of Mechanical Engineering, KNRTU, galeev_ainur@mail.ru; S. А. Аrtemev - graduate student of Department of Mechanical Engineering, KNRTU; S. 1 Ponikarov - doctor of Technical Sciences, Professor, head of Department of Mechanical Engineering, KNRTU, ponikarov_si@kstu.ru.
