CC BY
67
ВАРИАНТЫ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Исследовано влияние вида нефтепродукта, площади его разлива, времени испарения, температуры, скорости ветра на количество образующейся взрывоопасной парогазовой фазы и величину полного энергопотенциала типичного технологического блока - резервуара типа РВС-1000. Рекомендовано ограничить площадь возможного разлива нефтепродуктов до размеров не более 1500 м2.
Нефтебазы, сливоналивные эстакады, бензозаправочные станции, склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей относятся к взрывопожароопасным производствам и должны отвечать требованиям соответствующих нормативов [1-3]. К сожалению, многие подобные объекты располагаются в заселенной зоне, вблизи жилых домов и административно-бытовых зданий, что создает угрозу пребывания в них людей [4-7].
В связи с этим для решения вопросов размещения предприятий, обоснования эффективности и надежности мер и технических средств защиты, их способности обеспечивать взрыво-безопасность данного объекта необходимы определение общей массы горючих паров (газов), образующихся в случае аварийной ситуации, расчет радиусов зон по уровням опасности возможных разрушений, оценка энергетического уровня каждого технологического блока и всей схемы, предложения по снижению взрывоопасности отдельных производств.
Наиболее значимыми параметрами, от которых зависит масса образующейся взрывоопасной парогазовой фазы, являются: фракционный состав пролитой жидкости, время испарения, площадь разлива, температура воздуха и пролитой жидкости, скорость ветра и т. д. [79]. Отметим, что эти параметры строго не регламентированы, часто переменны и зависят от местных условий. Поэтому необходимо было определить влияние этих параметров на изменения энергетических потенциалов блоков, выбрать исходные (или контрольные) их значения для использования в расчетах.
В качестве примера приводим расчеты для объектов одной из нефтебаз Оренбургской области. Основными технологическими документами для проведения расчетов являлись технологические регламенты и топосъемка нефтебазы. Для количественной оценки пожаровзры-воопасности технологических блоков и расчета энергетических зон использованы нормативные документы [1-3], вычисления проведены с
помощью компьютерной программы «ПВ-Бе-зопасность» (Версия 3.0) фирмы «ТехноСофт».
Прогнозируемые аварийные ситуации
Технологический процесс по сливу, перекачкам, хранению и наливу нефтепродуктов относится к взрывопожароопасному и вредному производству на всех его этапах. В качестве прогнозируемых аварийных ситуаций на нефтебазе, сопровождающихся разливом нефтепродуктов и образованием взрывоопасного парогазового облака, нами рассмотрены (в порядке понижения степени взрывопожароопасности):
- аварийная разгерметизация, полное разрушение (раскрытие) вертикальных наземных резервуаров;
- повреждение трубопроводов с нефтепродуктами, проложенных надземно, в том числе сливо-наливных устройств;
- повреждение технологических насосов и трубопроводов в помещениях;
- перелив емкостных технологических аппаратов (наземных резервуаров);
- перелив емкостей транспортных средств (железнодорожных или автомобильных цистерн).
При локальном повреждении наземных резервуаров, в том числе при их переливе, максимальная площадь разлива нефтепродуктов определяется границами обвалования этих технологических аппаратов. Теоретически, при мгновенном полном разрушении резервуара и малой вязкости жидкости возможно возникновение волны и переброс части нефтепродукта за пределы обвалования, но из-за малой вероятности такого события и невозможности учета площади разлива эти варианты не рассчитывали.
Для предотвращения разлива значительных количеств нефтепродуктов при небольших повреждениях должны быть предусмотрены методы и средства, а также специально оборудованные или подготовленные места (емкости) для выполнения операций по аварийному освобождению неисправных резервуаров и цистерн.
Общие принципы расчета
энергетических потенциалов
При проведении расчетов каждый резервуар, эстакаду, насос или трубопровод считали отдельным блоком. Энергетический потенциал взрывоопасности (Е, кДж) блока определяется полной энергией сгорания парогазовой фазы, находящейся в блоке, с учетом величины работы ее адиабатического расширения, а также величины энергии полного сгорания испарившейся жидкости с максимально возможной площади ее пролива. При этом учитывается более двух десятков различных параметров (масса и фракционный состав пролитой жидкости, температура воздуха и пролитой жидкости, атмосферное давление, теплопроводность, плотность и теплоемкость грунта или поддона, скорость ветра, время испарения до взрыва, площадь зеркала испарения и т. д.).
По значениям общих энергетических потенциалов взрывоопасности Е определяются величины приведенной массы т (массы парогазовой фазы, приведенной к единой удельной энергии сгорания, равной 46000 кДж/кг), а также относительного энергетического потенциала Qв, характеризующие взрывоопасность блоков. По значениям относительных энергетических потенциалов и приведенной массы парогазовой фазы осуществляется категорирование технологических объектов (таблица 1). Отметим, что если в блоках используются вещества, относящиеся к I или II классу опасности по [3] (бензины, керосин), то по результатам расчетов категория взрывоопасности повышается на единицу.
Общие приведенные массы парогазовых сред и соответствующие им энергетические потенциалы используются для расчета массы веществ, участвующих во взрыве, и радиусов зон разрушений. В общем случае для неорганизованных парогазовых облаков в незамкнутом пространстве с большой массой горючих веществ доля участия их во взрыве принята равной 0,1. Для оценки уровня воздействия взрыва применяется тротиловый эквивалент. Зоной разрушения считается площадь с границами, определяемая радиусами Я, центром которой является рассматриваемый технологический блок или наиболее вероятное место разгерметизации технологической системы. Границы каждой зоны характеризуются значениями избыточных давлений по фронту ударной волны АР. Классификация зон разрушения приведена в таблице 2.
Жилые дома, административно-бытовые и другие здания, в которых предусмотрено постоянное пребывание людей, должны находиться вне зоны разрушения №5. В этой зоне избыточное давление не превышает величину 2 кПа (0,02 кг/см2), однако этого недостаточно для обеспечения травмобезопасности людей, так как возможно частичное разрушение остекления, повреждение слухового аппарата, психологические стрессы. Объекты общего назначения (элек-тро-, паро-, водоснабжения и др.) должны располагаться вне зон разрушения или быть устойчивыми к воздействию ударной волны. Общие принципы расчетов и применяемые формулы приведены в [3].
Выбор параметров
Характеристики светлых нефтепродуктов, использованные для расчетов энергетических потенциалов, приведены в таблице 3. В связи с тем, что темные нефтепродукты имеют высокую температуру возгонки (как правило, выше 300о С), при обычных температурах не образуют парогазового облака и не являются взры-
Таблица 1. Показатели категорий взрывоопасности блоков [3]
Qв m, кг Категория
> 37 > 5000 I
27-37 2000-5000 II
< 27 < 2000 III
Таблица 2. Классификация зон разрушения [3]
Зоны Давление ударной волны АР, кПа Характер разрушений
1 > 100 Сильное повреждение всех зданий
2 70 Среднее повреждение зданий с массовыми обвалами
3 28 Среднее повреждение промзданий
4 14 Легкие повреждения фабричных труб
5 = 2 Частичное разрушение остекления
Таблица 3. Характеристики взрывопожароопасных продуктов
№ Наименование продукта Температура перегонки* Плот- ность, кг/м3 Класс опас- ности
Ъ, °С | к, °С | tз ,°с | и °С | І5, °С
Бензины автомобильные
1 А-76эт 35 60 100 160 180 719 II
2 А-76н/эт 35 60 100 160 190 809 II
3 АИ-92н/эт 35 60 100 180 200 739 II
4 АИ-95н/эт 35 70 120 160 180 757 II
Дизельное топливо и керосин
6 ДТ летнее - - 270 - 360 832 II
7 ДТ зимнее - - 280 - 340 860 II
8 Керосин освет. - - - 200 220 779 II
*) ^ - начала перегонки; ^-10% продукта; ^ - 50% продукта; ^ - 90% продукта (83% для керосина); ^ - конца перегонки.
воопасными веществами, расчет энергетических потенциалов для соответствующих резервуаров не приводится.
Для предварительных исследований и выбора контрольных значений параметров как наиболее характерный условно выбран резервуар типа РВС-1000 объемом 1000 м3, содержащий бензин А-76 неэтилированный, стоящий на горизонтальной поверхности с площадью об-валовки 3375 м2. Графическая обработка результатов расчетов представлена на рис. 1-4.
Время испарения пролитой жидкости в соответствии с [1, 3, 7-9] рекомендуется в расчетах принимать не более 1 часа. Как видно из рис. 1, при аварийной разгерметизации в течение 1 часа при 20о С испаряется масса жидкости, эквивалентная по энергии 4136 кг тринитротолуола (приведенная масса). Это недопустимо большая величина, при взрыве радиус разрушений может достигать 550 м. Снижение времени испарения (и площади разлива) приводит к пропорциональному уменьшению приведенной массы. На основании расчетов мы приняли нормативное время испарения пролитой жидкости 5 минут (300 сек). Это время соответствует времени ручного отключения насосов по технологическому регламенту, а также времени прибытия пожарной команды. В течение 5 минут необходимо привести в действие пеногенераторы для подавления испарения горючей жидкости.
Площадь разлива (площадь обвалования) на участке расположения резервуара составляет 3375 м2. При разливе 1000 м3 бензина средняя высота слоя пролитой жидкости составит не более 30 см. Это позволяет рекомендовать уменьшение площади разлива. Расчеты показывают существенное снижение приведенной массы пролитой жидкости и переход в более низкую категорию опасности при уменьшении площади разлива до 1000-1500 м2 (рис. 2). На основании этих расчетов рекомендуется произвести дополнительное разделение больших по площади участков внутренними земляными валами. Высота обваловки при этом должна быть такой, чтобы обеспечивалось вмещение всего объема пролитой жидкости (оптимально 1-1,5 м). В дальнейших расчетах учтены как имеющаяся, так и рекомендуемая схема обваловки и соответствующие им площади разливов.
Температура пролитой жидкости и окружающего воздуха нелинейно влияет на приведенную массу (рис. 3). При температуре более 20о С
Время испарения, сек
Рисунок 1. Зависимость массы горючих паров от времени испарения пролитой жидкости. Площадь зеркала разлива 3375 (1) и 1590 м2 (2).
Площадь разлива, м2
Рисунок 2. Зависимость массы горючих паров от площади разлива пролитой жидкости. Время испарения 3600 (1) и 600 сек (2).
I категория
10 20 30
Температура, "С
Рисунок 3. Зависимость массы горючих паров от температуры воздуха и пролитой жидкости. Время испарения 3600 (1), 600 сек (2, 3), площадь разлива 3375 (1, 2), 1590 м2 (3).
Скорость ветра, м/сек
Рисунок 4. Зависимость массы горючих паров от скорости ветра. Время испарения 3600 сек.
быстро увеличивается количество испаряющегося нефтепродукта и, соответственно, резко возрастает взрывопожароопасность. Необходимо в летнее время за счет хорошей теплоизоляции, принудительного орошения водой и других мероприятий не допускать нагревания нефтепродуктов выше 20о С. Указанная температура использована в дальнейших расчетах.
Скорость ветра существенно влияет на испарение легколетучих нефтепродуктов (рис. 4). Минимальное испарение наблюдается при отсутствии движения воздуха. Такая обстановка возможна внутри бетонного и земляного обвалования, под защитой высокорослых деревьев. При слабом ветре (0-5 м/сек) испарение усиливается, приведенная масса возрастает; кроме того, взрывоопасное облако может двигаться в сторону производственных помещений и жилых массивов, что увеличивает опасность аварии. При сильном ветре (более 10 м/сек), наоборот, происходит сильное разбавление паровоздушной смеси, возможно даже снижение концентрации паров ниже предела распространения пламени и устранение взрывоопасности. Поскольку этот фактор не является регулируемым, в дальнейших расчетах принята скорость ветра 1 м/сек, при которой взрывоопасность приближается к максимальной.
Расчеты резервуаров хранения
светлых нефтепродуктов
Резервуарный парк нефтебазы огражден блочно-бетонным обвалованием высотой 1,5 м и разделен земляными валами на три участка. Площади возможного разлива нефтепродуктов (с учетом обваловки и площади фундаментов под резервуарами) и характеристики расположенных на участках резервуаров приведены в таблице 4. Здесь же представлены рассчитанные нами энергопотенциалы отдельных блоков. На основании предварительных исследований время испарения пролитой жидкости во всех случаях принято 300 сек, температура жидкости и окружающего воздуха 20о С, давление 1 атм.
Полученные данные показывают, что наиболее взрывоопасными являются резервуары № 4, 9-12. Площадь разлива, а соответственно и количество испаряющегося нефтепродукта у них наибольшие (приведенная масса более 300 кг), полный энергопотенциал этих блоков превышает 10 млн. кДж, а радиус разрушений превышает 100 м, что представляет серьезную опасность для производственных помещений и жилых зданий.
Неколько менее опасны резервуары №5 и 6, полный энергопотенциал которых 7-9 млн. кДж, а радиус разрушений достигает 63-76 м. Это связано с меньшей площадью разлива и более высококипящим бензином АИ-95. Наименее опасными, несмотря на большие размеры (до 2000 м3), являются резервуары с дизельным топливом, имеющим высокую температуру испарения, и в связи с этим относящиеся к III категории опасности.
Одним из вариантов снижения взрывоопасности этих блоков является уменьшение площади разлива. В соответствии с проведенными теоретическими расчетами, чтобы радиус поражения не превышал 50-100 м, площадь разлива самого легколетучего нефтепродукта - бензина А-92 должна быть не более 1500 м2. Поэтому предлагается разделить дополнительными земляными валами участок площадью 3600 м2 на три сектора, а участок площадью 3375 м2 - на два сектора. Площади возможного разлива наиболее опасных нефтепродуктов (бензинов) в этих секторах приведены в таблице 5.
Как видно из полученных данных, предлагаемое разделение позволит значительно умень-
Таблица 4. Характеристика резервуарного парка светлых нефтепродуктов
№ блока Объем, м3 Пло- щадь, м2 Нефте- продукт Полный потенциал, кДж Приведенная масса, кг Кате- гория Радиус * разрушений, м
1 1007 3600 дт 3604 0,08 III 0,4
2 763 дт 3604 0,08 III 0,4
3 281 Керосин осв. 2,375105 5,16 II 6,7
4 667 А-76 лет н/э 1,691107 367,7 II 115,1
5 1000 АИ-95 н/э 9,041106 196,5 II 75,8
6 2120 1525 А-76 лет. 6,842106 148,7 II 63,0
7 2149 3375 дт 3379 0,07 III 0,4
8 1099 дт 3379 0,07 III 0,4
9 1000 А-76 лет н/э 1,586107 344,7 II 110,3
10 944 А-76 лет н/э 1,586107 344,7 II 110,3
11 944 А-92 этил. 1.807107 392,9 II 120,3
12 998 А-92 этил. 1,807107 392,9 II 120,3
* - Приведен радиус зоны 5, безопасной для нахождения людей
Таблица 5. Энергопотенциалы отдельных блоков, их категории и радиусы возможных разрушений при условии дополнительного разделения участков
№ блока Объем, м3 Пло- щадь, м2 Нефте- продукт Полный потенциал, кДж Приведенная масса, кг Кате- гория Радиус * разрушений, м
4 667 1180 А-76 лет н/э 5,544106 120,5 II 54,7
5 1000 950 АИ-95 н/э 2,386'106 51,86 II 31,2
9 1000 1590 А-76 лет н/э 7,47'106 162,4 II 66,8
12 998 А-92 этил. 8,515'106 185,1 II 72,9
10 944 1560 А-76 лет н/э 7,329'106 159,3 II 65,9
11 944 А-92 этил. 8,354'106 181,6 II 71,9
* - Приведен радиус зоны 5, безопасной для нахождения людей
шить возможные радиусы разрушений в случае аварии. При этом высота пролитой жидкости из резервуаров объемом до 1000 м3 на горизонтальном участке составит не более 60 см, что вполне допустимо.
Таким образом, нами проведены расчетные исследования по оценке влияния различных факторов (площади разлива, времени испарения и вида нефтепродукта, температуры, скорости ветра и т. д.) на величину полного энергопотенциала типичного технологического блока - резервуара типа РВС-1000. Из полученных данных следует, что для уменьшения опасности производства необходимо:
- за счет дополнительной обваловки ограничить площадь возможного разлива нефтепродуктов до размеров не более 1500 м2;
- начать ликвидацию аварийной ситуации (привести в действие пеногенераторы с одновременным отсосом пролитого нефтепродукта) не позднее 5 минут с момента разгерметизации блока, что соответствует нормативному времени ручного отключения насосов и прибытия пожарной команды.
Рассчитаны полные энергопотенциалы, приведенные массы для всех блоков резервуарного парка, радиусы разрушений различной степени и зоны безопасного нахождения людей в случае возникновения аварийной ситуации на территории нефтебазы. Определена категория взрывоопасности всех блоков. Для уменьшения взывоо-пасности объектов и снижения категории предприятия предложено провести дополнительное разделение участков резервуарного парка.
Список использованной литературы:
1. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
2. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
3. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. ПБ 09-170-97. - М.: ПИО ОБТ, 1999. - 140 с.
4. Маршалл В. Основные опасности химических производств / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
5. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. - М.: Мир, 1989.
6. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия. В 2-х книгах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.
7. Адушкин В.В., Когарко С.М., Лямин Л.Д. Расчеты безопасных расстояний при газовом взрыве в атмосфере // Взрывное дело, 1975, №32, с. 82-94.
8. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность : Справ. издание / А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов, А.Я. Корольченко и др. - М. : Химия, 1987. -272 с.
9. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. издание. В 2-х кн. А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. - М. : Химия, 1990. Т. 1 - 496 с. Т. 2 - 384 с.
