CC BY
130
dr inz. Wojciech JAROSZ
mgr inz. Zdzislaw SALAMONOWICZ
Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej
Zaklad Ratownictwa Chemicznego i Ekologicznego
WYBRANE ASPEKTY AWARII Z UDZIALEM LPG -AKTUALNE PROBLEMY BADAWCZE1
Same aspects of accidents involving LPG - current research problems
Streszczenie
Liczba awarii z udzialem gazu LPG zwi^kszaj^ si^ kazdego roku. Nast^pstwem tego faktu jest zwi^kszenie ilosci dzialan ratowniczych prowadzonych przez jednostki Panstwowej Strazy Pozarnej. Zlozonosc zjawisk wyst^puj ^cych podczas tego typu awarii prowadzi do koniecznosci dokladnego ich poznania. Wynika to przede wszystkim z potrzeby zachowania wysokich standardow bezpieczenstwa dla ratownikow i skutecznosci wybranej technologii ratowniczej. Artykul omawia aktualne problemy zwi^zane z mechanizmami awarii zbiornikow cisnieniowych magazynuj^cych LPG, szczegolnie zagadnienia przemian termodynamicznych gazu w zbiorniku w wyniku oddzialywania promieniowania cieplnego od pozaru strumieniowego.
Summary
Number of accidents involving LPG has been increasing each year. The corollary of this fact is to enhance the rescue operations conducted by the State Fire Service units. The complexity of the phenomena occurring during this type of failure leads to the need for thorough understanding. This is mainly due to the need to maintain high standards of safety and efficacy of emergency rescue technology chosen. The article discusses the current problems associated with the mechanisms of failure of LPG storage tank pressure, particularly issues of thermodynamic processes of gas in the tank as a result of the impact of thermal radiation, from the jetfire.
Slowa kluczowe: gaz LPG, pozar strumieniowy, przemiany termodynamiczne, zbiornik cisnieniowy
Key words: LPG gas, jetfire, thermodynamic processes, tank pressure
1 Sytrony w druku: 73-76; pages in print: 73-76.
Wprowadzenie
Dynamiczny rozwoj rynku alternatywnych paliw stworzyl sytuacje, ze stosowanie LPG jako paliwa samochodowego rozwin?lo si? na niespotykan^. dot^d skal?. Zwi?kszyla si? liczba uzytkownikow drog poruszaj^cych si? samochodami nap?dzanymi silnikami spalaj^cymi LPG. Zwi?kszyla si? takze ilosc stacji tankuj^cych plynny gaz. Rowniez gospodarstwa domowe w wi?kszym stopniu niz kiedys zacz?ly stosowac, jako czynnik grzewczy w instalacjach, gaz propan-butan. Te wszystkie dzialania doprowadzily do zwi?kszenia ilosci gazu przewozonego po drogach publicznych w ilosciach masowych, jako zaopatrzenie dla coraz liczniejszych odbiorcow. Gaz propan-butan w celach komercyjnych transportuje si? i magazynuje w cienkosciennych zbiornikach cisnieniowych o roznych wielkosciach (butle turystyczne, domowe, przemyslowe, przydomowe zbiorniki gazu, cysterny samochodowe i kolejowe, zbiorniki magazynowe w zakladach przemyslowych). Pojemnosci tych zbiornikow zawieraj^. si? w przedziale od paru cm3, az do tysi?cy m3. Awarie b?d^ce nast?pstwem wyplywu gazu z takich zbiornikow roznic si? b?d^ czasem trwania oraz mozliwymi skutkami: pocz^wszy od zagrozenia lokalnego do powoduj^cego niebezpieczenstwo wielu ludzi znajduj^cych si? na znacznym obszarze.
Zwi?kszaj^ca si? z roku na rok ilosc cisnieniowych butli gazowych powoduje zwi?kszenie si? zagrozenia wyst^pienia awarii z tym zwi^zanych. Awarie takie maj^ miejsce w gospodarstwach domowych (glownie butle 11 kg) oraz w dzialalnosci komercyjnej. Mog^. one prowadzic do okreslonych powaznych skutkow materialnych i obrazen ludzi. Skutki awarii mozna przewidziec wykorzystuj^c znane i sprawdzone scenariusze sytuacji awaryjnych. Ich podstawowym elementem jest tzw. zdarzenie pocz^tkowe, ktore rozpoczyna lancuch niekorzystnych zdarzen. Bior^c za przyklad ostatnie spektakularne i bardzo niebezpieczne zdarzenie z cysterny przewoz^c^. plynny LPG w Chrzanowie oraz inne udokumentowane zdarzenia, mozna zalozyc, ze zdarzeniem pocz^tkowym moze byc uszkodzenie i strumieniowy wyciek zawartosci cysterny. Spowodowac to moze rozwoj sytuacji i kolejne rodzaje zagrozen: pozar strumieniowy, utworzenie i wybuch chmury gazowej, ogrzanie si? i rozerwanie zbiornika (BLEVE), pozar kuli ogniowej (fireball). Scenariusz rozwoju awarii moze byc jeszcze inny w zaleznosci od warunkow wyplywu i lokalnych warunkow meteorologicznych i topograficznych.
Do skutecznego dzialania sluzb ratowniczych niezb?dna jest wiedza
o prawdopodobnym czasie zniszczenia instalacji/zbiornika w wyniku oddzialywania pozaru
strumieniowego lub czasie wypalenia palnego medium. Pozar strumieniowy jest statystycznie najcz?stsza przyczyn^. wtornego wybuchu zbiornikow zawieraj^cych palne skroplone gazy.
Wyciek fazy gazowej moze si? zmienic, po zaistnieniu predykatorow, w inne rodzaje zagrozen. Najcz?stszym b?dzie pozar strumieniowy, ale rowniez wybuch BLEVE, fireball, pozar flashfire, wybuch UVCE czy odlamkowanie.
Teoretyczne podstawy zagadnienia
W dost?pnej literaturze trudno doszukac si? opisu wynikow badan dotycz^cych oddzialywania promieniowania cieplnego na plaszcz zbiornika podczas pozaru strumieniowego przy awaryjnym uwalnianiu si? gazu propan-butan (LPG) oraz parametrow termodynamicznych (p, V, T, Q) przemian mi?dzyfazowych wewn^trz zbiornika. Powstanie pozaru strumieniowego i jego wplyw na plaszcz zbiornika i jego zawartosc w istotny sposob wplywa na bezpieczenstwo otoczenia oraz prowadzenie akcji ratowniczo-gasniczej. Ekspozycja zbiornika na promieniowanie powoduje niekorzystne przemiany termodynamiczne wewn^trz zbiornika. Pozostaj^cy w zbiorniku gaz moze podnosic swoj^. temperatur? z jednoczesnym wzrostem cisnienia wewn^trz. Przemiany te maj^ miejsce w trakcie wycieku fazy gazowej, cieklej lub jednoczesnie cieklej i gazowej znajduj^cej si? wewn^trz. W zaleznosci od miejsca rozszczelnienia, rodzaju wycieku, wlasciwosci fizykochemicznych substancji w srodku zbiornika oraz wnikania i przewodzenia ciepla nast?puje z rozna szybkosci^. zmiana parametrow termodynamicznych ukladu. Powoduje to zmiany (wzrost) parametrow wycieku gazu i bezposrednio wielkosci pozaru strumieniowego.
Do opisu pozaru strumieniowego mozna zalozyc, iz przyjmuje ksztalt sci?tego stozka.
Ik
Ryc. l.Model do obliczania powierzchni promieniowania dla pozaru typu jetfire [1].
W przypadku, gdy mamy do czynienia ze strumieniem gazu o pocz^tkowej gestosci (pv) oraz srednicy po rozpr^zeniu (Dj), mozliwa jest do okreslenia skuteczna srednica zrodla [1, 2]:
0,5
P
\Po J
(1)
gdzie:
Ds - skuteczna srednica zrodla [m],
Dj - srednica po rozpr^zeniu [m],
pv - g^stosc pocz^tkowa gazu [kg/m3],
p0 - g^stosc gazu w warunkach normalnych [kg/m3].
W celu okreslenia dlugosci plomienia L0, po wyplywie ze zbiornika (pomijaj^c warunki atmosferyczne) mozna skorzystac z ponizszego rownania [1, 2]:
0,5
= 0,2 + 0,024
g
22
v D>> J
L
(2)
gdzie:
L0 - dlugosc promienia [m],
Uj - pr^dkosc wyplywu gazu [ms-2].
Wyznaczaj^c dlugosc plomienia L jestesmy w stanie okreslic stref^ zagrozen dla ludzi i instalacji, zlokalizowanych wokol uformowanego plomienia. Przedstawiony ponizej rysunek ukazuje skutki w poszczegolnych strefach.
Otwor
Strefa w ktorej brak jest widocznych skutkow
Odlegfosc
l^7
A Strefa uszkodzen
innych elementow i
zagrozenie ofiarami
1 Strefa w ktorej smiertelnymi
J nast^puje
/ zn iszczenie
instalacji і smierc
Ryc. 2. Strefy awarii i uszkodzen dla pozaru jetfire.
Wplyw na wielkosc i wysokosc plomienia ma wartosc emisji gazu, zalezna od parametrow magazynowania medium w zbiorniku oraz parametrow wyplywu.
Wyciek gazu przez otwor jest bardzo dobrze opisany przez znane prawo Bernouliego:
Qg = coA
p • Po ■ Y
Y+l
^ y-1
Y +1
wyciek gazu dlawiony
Qc = CoAh •Pc 2 (p - pa ^ + 2g • Hc
Pc
wyciek fazy cieklej
(3)
(4)
gdzie:
Qg - nat^zenie emisji gazu z otworu, zalezne od czasu [kg/s],
c0 - wspolczynnik emisji dla otworu, zalezny od ksztaltu otworu, lepkosci gazu, liczby Reynoldsa; dla gazu 1, cieczy 0,64 [bezwymiarowy],
Ah - powierzchnia otworu [m2],
HC - wysokosc fazy cieklej [m], p0 - g^stosc gazu w zbiorniku [kg/m3], pC - g^stosc cieczy w zbiorniku [kg/m3],
Y- stosunek pojemnosci cieplnych gazu [bezwymiarowy], pa - cisnienie atmosferyczne [Nm-2], p - cisnienie gazu w zbiorniku [Nm-2],
R - stala gazowa (8,314 [J/mol-K]), g - przyspieszenie ziemskie (9,81 [ms-1]),
T - temperatura gazu w zbiorniku [K],
M- masa molowa gazu [kg/mol].
Cisnienie w zbiorniku zalezne od temperatury wplywa znacz^co na wartosc emisji gazu wydostaj^cego si? przez otwor. Temperatura medium zas zalezy od ilosci ciepla dostarczonego do zbiornika.
Przewodzenie ciepla przez scianki znajdziemy w literaturze przedmiotu w postaci prawa Fourier’a:
q = -AgradT = -AWT (5)
gdzie:
T - temperatura [K],
A - wspolczynnik przewodzenia ciepla [W/m2/K] q - moc strumienia ciepla [W/m2].
2
2
Wykorzystanie pojedynczych praw do opisu zlozonych procesow niesie ze sob^ znaczne uproszczenia i bl?dy. Szybkosc zmian fazowych towarzysz^cych wyciekowi skroplonych gazow zalezne s^ od ilosci ciepla pobranego z otoczenia, niezb?dnego do zmiany stanu skupienia z cieklego na gazowy. Obecne modele wyplywu nie uwzgl^dniaj^. procesow cieplnych towarzysz^cych wyciekowi.
Trudno jest natomiast doszukac si? w literaturze calosciowego opisu zjawiska jetfire i jego nast?pstw uwzgl?dniaj^cego nie tylko strumien ciepla oddawany i zagrozenia miejscowe, ale ogrzewanie zbiornika, uwzgl?dnienie bilansu cieplnego pomi?dzy otoczeniem, plomieniem i zbiornikiem, wyplyw gazu przez otwor.
Zakonczenie
Odpowiednie reagowanie na zastal^ sytuacj? wymaga od sluzb ratowniczych znajomosci mechanizmow przebiegu awarii oraz w konsekwencji procedur post?powania awaryjnego. Wiedza o rodzaju awarii, przebiegu procesow termodynamicznych, fizycznych i innych wyst?puj^cych podczas zdarzenia s^. podstaw^. do wypracowania wlasciwych decyzji i przyj?cia dobrych strategii i technologii ratowniczych. Wymaga to jednak rozwi^zania problemow badawczych:
• jakie s^. ilosciowe parametry oddzialywania promieniowania cieplnego od pozaru na plaszcz zbiornika?
• jak zmieniaj^ si? parametry termodynamiczne LPG wewn^trz zbiornika podczas ekspozycji cieplnej?
• czy i w jaki sposob chlodzenie plaszcza zbiornika przemiany termodynamiczne
i intensywnosc wyplywu?
• czy i jak wielkosc otworu wplywa na generowane zagrozenie?
• czy i w jaki sposob pojemnosc zbiornika decyduje o parametrach pozaru strumieniowego?
Poznanie odpowiedzi na powyzsze pytania mog^ byc bardzo pomocne do opracowania skutecznych procedur post?powania podczas zdarzen z awaryjnym uwolnienie LPG przez Panstwowa Straz Pozarn^ i inne sluzby ratownicze. Jednak wymaga to prowadzenia kompleksowych prac badawczych na stanowiskach badawczych roznorodnie skonfigurowanych, zblizonych do warunkow rzeczywistej awarii.
Literatura
1. Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires and BLEVEs - Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers, New York 1994;
2. Pofit-Szczepanska M., Wybrane zagadnienia fizykochemii spalania, SGSP, 1996;
3. D^browski E., Paliwo alternatywne. Przegl^d Pozarniczy nr 4,1993;
4. Birk A. M., Cunningham M. H., A medium scale experimental study of the boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE), Transport Canada Report TP 11995E, 1994;
5. Hildebrand M., Noll G., Gasoline tank truck emergencies, Guidelines & Procedures, 2nd Ed., IFSTA, 1996;
6. Hildebrand M., Noll G., Donahue M., Storage tank emergencies, Fire Protection Publications, 1997;
7. Werner Ch., Standard operating procedures, Hazardous Materials Incidents, LPG Emergencies, VA Fire Department, 1994;
8. Fewtrell P., Hrist L., A review of high - cost chemical/petrochemical accidents since 1974, Loss Prevention Bulletin, 140, Institution Of Chemical Engineers, April 1998, pp. 3-9.
