Разработка противопожарных мероприятий на объектах нефтегазовой отрасли с учетом расчета пожарных рисков

/

ВВЕДЕНИЕ

В нефтегазовой отрасли используется и перерабатывается большое количество горючих и взрывоопасных материалов.

Анализ крупных аварий показывает, что при взрывах больших объемов парогазовых выбросов разрушению подвергаются не только здания и сооружения самих производственных объектов, но и близлежащих жилых массивов. Создаются значительные трудности локализации аварий, а традиционные технические средства противопожарной службы по их предупреждению оказываются малоэффективными.

Недостаточная эффективность пожаровзрывоопасных производств обусловлены, прежде всего, отсутствием аналитической количественной оценки пожаровзрывоопасности производств при проектировании, строительстве, регистрации, ремонте и эксплуатации.

Отраслевые правила пожаровзрывоопасности производств не в полной мере отражают особенности защиты конкретных производств от пожаров и взрывов. Поэтому углубленное изучение характерных опасностей типовых технологических процессов является наиболее рациональным направлением в разработке эффективной пожаровзрывозащиты.

Обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства. Основным направлением в данной дипломной работе является разработка мероприятий по совершенствованию управления пожарными рисками, на основе моделирования.

Моделирование пожароопасных ситуаций - это возможный путь к обеспечению безопасности, который позволяет обосновать оптимальные решения, призванные эффективно реализовать решения в области обеспечения пожарной безопасности.

При определении расходов на обеспечение пожарной безопасности необходимо выдерживать ту, «золотую середину», когда затраты на обеспечение пожарной безопасности, гарантируют возврат дополнительных расходов благодаря уменьшению потерь от пожаров.

Задачами для достижения этой цели являются:

- изучение основных закономерностей и факторов, определяющих возникновение и развитие пожаров на объектах нефтегазовой отрасли;

- дать характеристику объекта защиты и оценить мероприятия объекта защиты по пожарной безопасности.

- совершенствование тактических приемов, разработка и внедрение новых способов и приемов предупреждения и ликвидации пожаров, катастроф;

- провести исследование расчетных методов прогноза пожаров и ЧС;

- разработать мероприятия по снижению пожарного риска и дать оценку их экономической эффективности.

Целью выполнения данной дипломной работы является выявление наихудших условий развития возможных аварий, определяемых на основании анализа расчетных показателей, с целью уточнения радиусов зон поражения в типовом проекте, а также оценка на возможность разрушения зданий, сооружений или их частей и разработка технических решений по обеспечению требований безопасности. Расчетным путем определить и обосновать наиболее экономичный и взрывопожароопасный способ хранения/транспортировки/переработки/добычи нефти и нефтепродуктов; по результатам расчетов сделать выводы и дать рекомендации по уменьшению затрат на обеспечение пожарной безопасности, при выполнении которых снизится возможность образования взрывоопасных концентраций и уменьшится экономический ущерба.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ПОЖАРНЫХ РИСКОВ

Расчеты по оценке пожарного риска проводятся путем сопоставления расчетных величин пожарного риска с соответствующими нормативными значениями пожарных рисков, установленными Федеральным законом от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (далее - Технический регламент).

Определение расчетных величин пожарного риска на объекте осуществляется на основании:

a) анализа пожарной опасности объекта;

b) определения частоты реализации пожароопасных ситуаций;

c) построения полей опасных факторов пожара для различных сценариев его развития;

d) оценки последствий воздействия опасных факторов пожара на людей для различных сценариев его развития;

e) наличия систем обеспечения пожарной безопасности зданий, сооружений и строений.

Расчетные величины пожарного риска являются количественной мерой возможности реализации пожарной опасности объекта и ее последствий для людей.

Количественной мерой возможности реализации пожарной опасности объекта является риск гибели людей в результате воздействия опасных факторов пожара, в том числе:

· риск гибели работника объекта;

· риск гибели людей, находящихся в селитебной зоне вблизи объекта.

· Риск гибели людей в результате воздействия опасных факторов пожара на объекте характеризуется числовыми значениями индивидуального и социального пожарных рисков.

1.1 Понятие пожарных рисков

Риски можно разделить на «качественные», которые нельзя измерить, и «количественные», которые измерить можно. «Риск является количественной характеристикой возможности реализации данной опасности».

Каждую опасность может характеризовать много различных рисков, оценивающих разные стороны и параметры этой опасности.

Например, с одной стороны, - частоту ее реализации, с другой - характер и размеры последствий реализации опасности.

Каждый риск в зависимости от многих обстоятельств и факторов может изменять свои значения, то есть подвержен определенной динамике.

Поэтому, выявляя роль отдельных факторов, влияющих на уровень риска, можно попытаться целенаправленно воздействовать на них, то есть управлять риском. Следовательно, можно в определенной степени управлять опасностью, угрожающей какому-либо объекту защиты (системе), ослаблять ее негативное воздействие.

Однако, очевидно, что принципиально невозможно все риски, связанные с тем или иным объектом защиты, свести к нулю. Это объясняется как перманентной неполнотой и относительностью научных представлений об опасностях и рисках, так и ограниченными инженерно-техническими и экономическими возможностями общества.

Риск только можно попытаться уменьшить до такого уровня, с которым общество (на данном этапе его исторического развития) вынуждено будет согласиться (психологически будет готово его принять).

Отсюда следует, что «абсолютной» безопасности (отсутствия всякой опасности) какой-то системы (объекта защиты) добиться в реальном мире невозможно в принципе.

Однако, управляя рисками, мы можем уменьшить степень опасности данного объекта защиты, а значит - повысить, увеличить степень его безопасности до максимально возможного в современных условиях уровня.

Таким образом, безопасность - состояние объекта защиты (системы), при котором значения всех рисков, присущих этому объекту, не превышают их допустимых уровней.

При этом понятия опасность, угроза по существу являются синонимами, отличаясь друг от друга некоторыми смысловыми оттенками.

Все они характеризуются набором рисков, уменьшая значения которых, мы приходим к допустимому уровню безопасности конкретного объекта защиты (личности, общества, любой социальной, экономической, технической системы).

Схематично это представлено на рисунке № 1.

Рисунок 1. Система «Опасность - риск - безопасность»

Фактически это - схема алгоритма обеспечения безопасности любого объекта.

1.2 Виды пожарных рисков

Сначала приведем определение понятия «пожар», которым мы будем пользоваться в данной книге в качестве рабочего определения:

Пожар - это неуправляемый процесс горения, который приносит вред обществу и окружающей среде. Это определение, на наш взгляд, своей лаконичностью и строгостью выгодно отличается от общепринятых и узаконенных определений пожара.

Пожарная опасность - опасность возникновения и развития неуправляемого процесса горения (пожара), приносящего вред обществу, окружающей среде, объекту защиты.

Пожарный риск - количественная характеристика возможности реализации пожарной опасности (и ее последствий), измеряемая, как правило, в соответствующих единицах.

К основным пожарным рискам Н.Н. Брушлинский относит следующие:

1) риск R1 для человека столкнуться с пожаром (его опасными факторами) за единицу времени. В настоящее время удобно этот риск измерять в единицах

2) риск R2 для человека погибнуть при пожаре (оказаться его жертвой). Здесь единица измерения имеет вид

3) риск R3 для человека погибнуть от пожара за единицу времени

Очевидно, что эти риски связаны соотношением: R3 = R1 * R2

Риск R1 характеризует возможность реализации пожарной опасности, а риски R2 и R3 - некоторые последствия этой реализации.

В качестве пожарных рисков, характеризующих материальный ущерб от пожаров, Н.Н. Брушлинский предлагает использовать, следующие риски:

1) риск R4 уничтожения строений в результате пожара:

2) риск R5 прямого материального ущерба от пожара:

Кроме вышеперечисленных пожарных рисков можно рассматривать риски травмирования при пожарах, как гражданских лиц, так и пожарных (причем возможна детализация рисков по видам травм); риски возникновения пожаров по различным причинам (молния, поджог, короткое замыкание в электросети, печное отопление, игры детей и пр.); риски возникновения и развития пожаров в зданиях различного назначения, различной этажности, разной степени огнестойкости.

Все эти пожарные риски представляют интерес, в частности, для страховых компаний, для фирм, производящих противопожарное оборудование, для проектировщиков зданий и сооружений и других специалистов.

В Федеральном законе от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» перечислены следующие виды рисков:

«Допустимый пожарный риск - пожарный риск, уровень которого допустим и обоснован исходя из социально-экономических условий.

Социальный пожарный риск - степень опасности, ведущей к гибели группы людей в результате воздействия опасных факторов пожара;

Индивидуальный пожарный риск - пожарный риск, который может привести к гибели человека в результате воздействия опасных факторов пожара.

Социальный пожарный риск - степень опасности, ведущей к гибели группы людей в результате воздействия опасных факторов пожара».

Таким образом, пожарных рисков существует очень много, и все их нужно уметь анализировать для успешного противостояния пожарной опасности.

Пожарные риски, во-первых, характеризуют возможность реализации пожарной опасности в виде пожара и, во-вторых, содержат оценки его возможных последствий (а также обстоятельств, способствующих развитию пожара).

Следовательно, при их определении необходимо знать частотные характеристики возникновения пожара на том или ином объекте, а также предполагаемые размеры его социальных, экономических и экологических последствий, обусловленных теми или иными обстоятельствами.

Отсюда следует, что во многих случаях пожарные риски можно оценивать статистическими или вероятностными методами, но в ряде случаев могут потребоваться и иные методы.

1.3 Управления пожарными рисками

Управление пожарным риском - разработка и реализация комплекса мероприятий (инженерно-технического, экономического, социального и иного характера), позволяющих уменьшить значение данного пожарного риска до допустимого (приемлемого) уровня.

Для выработки долгосрочной стратегии управления пожарными рисками прежде всего, необходимо выяснить, где и по каким причинам возникают пожары и где при пожарах гибнут люди.

Добыча, транспортировка и хранение легковоспламеняющихся и горючих жидкостей относится к ряду потенциально опасных производств, а соответствующие объекты являются объектами повышенного риска.

Резервуары и резервуарные парки, как основные сооружения складов нефти и нефтепродуктов, широко распространены в отраслях промышленности. Они входят в технологические схемы сбора и подготовки нефти, магистральных трубопроводов, нефтеперерабатывающих заводов, перевалочных и распределительных нефтебаз, предприятий автомобильного, железнодорожного, водного и воздушного транспорта, теплоэлектроцентралей, теплоэлектростанцией, строительных организаций, промышленных предприятий, механизированных сельскохозяйственных предприятий. В связи с этим проблема обеспечения безопасности при транспортировке и хранении нефтепродуктов приобретает первостепенное значение.

Хранение на нефтебазах и химических предприятиях больших количеств ЛВЖ и ГЖ создают потенциальную опасность возникновения различных видов аварийных ситуаций при различных видах разгерметизации оборудования, его переполнении, нарушении правил эксплуатации, при проведении ремонтных работ.

Наиболее характерной аварийной ситуацией являются пожары проливов. Они могут быть вызваны, прежде всего, полной или частичной разгерметизацией резервуаров и трубопроводов.

Пожароопасность современных технологических процессов в нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности непрерывно возрастает в связи с увеличением количества обращающихся в них легковоспламеняющихся и горючих веществ, широким диапазоном давлений и температур их обработки, повышением единичной мощности технологических установок, а также объемов хранения и транспортирования сырья и готовых продуктов. Современный уровень технологии хранения и транспортирования горючих жидкостей и сжиженных газов таков, что заполнение оборудования этими веществами может способствовать возникновению пожаров, приводящих к жертвам и разрушениям.

В России на сегодняшний день существует несколько руководств и методик по качественной и количественной оценке риска, а также по методам профилактики и борьбы с пожарами на производственных объектах. В первую очередь, это Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах, утвержденная МЧС России. В данной методике достаточно подробно представлены методы оценки опасных факторов, процедура построения логического дерева событий и аналитические соотношения, позволяющие рассчитать параметры волны давления и интенсивность теплового излучения.

ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» стандарт, представляющий собой фундаментальное руководство по оценке риска для промышленных объектов, в первую очередь - для нефтегазового комплекса. Стандарт устанавливает общие требования пожарной безопасности к технологическим процессам, а также при разработке и изменении норм технологического проектирования и других нормативных документов, регламентирующих мероприятия по обеспечению пожарной безопасности на производственных объектах и при разработке технологических частей проектов, технологических регламентов. При детальном рассмотрении Методика определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах оказалась сокращенным вариантом ГОСТа Р 12.3.047-98. Помимо этих двух документов существует Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий, которое было разработано в соответствии с вышеизложенными зарубежными изданиями.

По разработке противопожарных мероприятий для объектов нефтегазовой отрасли представлены следующие документы: Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках, с выходом которого утратили силу Указания по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах, Рекомендации по тушению пожаров нефти и нефтепродуктов в резервуарах, Рекомендации по предупреждению и тушению пожаров в резервуарах с понтоном и плавающей крышей, Наставление по использованию передвижной пожарной техники для тушения пожаров горючих жидкостей в резервуарах подслойным способом, Рекомендации по обеспечению пожарной безопасности и тактике тушения пожаров в резервуарах на свайных основаниях для условий Западной Сибири и Крайнего Севера. Руководство содержит сведения, отражающие современные представления о процессах развития пожара и тушения нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках, об организации работ при различных способах подачи пенных средств и обеспечении безопасности личного состава пожарной охраны.

Кроме Руководства по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках существует Книга V «Пожаротушение на объектах добычи, переработки и хранения горячих жидкостей и газов».

В книге приведены примеры тушения пожаров на объектах добычи, переработки и хранения горючих жидкостей и газов. Приведена классификация резервуаров и резервуарных парков для хранения нефти, нефтепродуктов и других горючих и легковоспламеняющихся жидкостей. Описаны закономерности развития пожаров в резервуарах и приведены примеры пожаров резервуаров в России и зарубежных странах. Также даны рекомендации по выбору огнетушащих веществ и интенсивности их подачи, методика расчетов требуемых сил и средств для тушения подобных пожаров, организации и тактике тушения пожаров в резервуарах и резервуарных парках, способам ликвидации последствий истечения нефтепродуктов в водоёмы. Изложена тактика тушения пожаров на открытых технологических установках.

Следует отметить тот факт, что зарубежные руководства опираются на методологию «гибкого» нормирования, которая предусматривает использование новейших методов вычислительного моделирования. В современных условиях разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий немыслима без научно обоснованного прогноза динамики опасных факторов пожара и взрыва, особенно для промышленных комплексов. За рубежом уже давно разрабатывают и совершенствуют программы (FDS, FLACS), позволяющие достаточно точно задать исходные данные и корректно рассчитать физические явления с учетом внешних условий (погода, температура, скорость ветра). Такие сложные явления как пожар и взрыв невозможно правильно рассчитать, основываясь на методы оценки опасных факторов, которые не учитывают многие внешние факторы, и аналитические соотношения.

На данный момент Россия только подходит к методологии «гибкого» нормирования. Стало больше внимания уделяться методам математического моделирования, основанным на решении полевых уравнений (уравнений Навье-Стокса). Происходит интенсивное внедрение полевого метода для моделирования пожаров и взрывов в области инженерных расчетов. В ближайшем будущем именно полевые методы станут основным инструментом расчетов пожаров и взрывов, это связано как с ростом вычислительных мощностей, так и развитием математических моделей описывающих процессы, происходящие при пожаре и взрыве, и алгоритмов их решения. Использование такого мощного инструмента как математическое моделирование позволит адекватно проводить оценку риска для промышленных объектов и разработать соответствующие тактические приемы по ликвидации чрезвычайной ситуации.

1.4 Методика расчета пожарных рисков на объектах нефтегазовой отрасли

Анализ пожарной опасности объекта

Анализ пожарной опасности объекта предусматривает:

а) анализ пожарной опасности технологической среды и параметров технологических процессов на объекте;

б) определение перечня пожароопасных аварийных ситуаций и параметров для каждого технологического процесса;

в) определение для каждого технологического процесса перечня причин, возникновение которых позволяет характеризовать ситуацию как пожароопасную;

г) построение сценариев возникновения и развития пожаров, влекущих за собой гибель людей.

Анализ пожарной опасности технологической среды и параметров технологических процессов предусматривает сопоставление показателей пожарной опасности веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе, с параметрами технологического процесса.

Перечень потенциальных источников зажигания пожароопасной технологической среды определяется посредством сопоставления параметров технологического процесса и иных источников зажигания с показателями пожарной опасности веществ и материалов.

Определение перечня пожароопасных аварийных ситуаций и параметров для каждого технологического процесса осуществляется на основе анализа пожарной опасности каждого из технологических процессов, предусматривающего выбор ситуаций, при реализации которых возникает опасность для людей, находящихся в зоне поражения опасными факторами пожара, взрыва и сопутствующими проявлениями опасных факторов пожара.

Наиболее вероятными событиями, которые могут являться причинами пожароопасных ситуаций на объектах, считаются следующие события:

· выход параметров технологических процессов за критические значения, который вызван нарушением технологического регламента (например, перелив жидкости при сливо-наливных операциях, разрушение оборудования вследствие превышения давления по технологическим причинам, появление источников зажигания в местах образования горючих газопаровоздушных смесей);

· разгерметизация технологического оборудования, вызванная механическим (влияние повышенного или пониженного давления, динамических нагрузок и т.п.), температурным (влияние повышенных или пониженных температур) и агрессивным химическим (влияние кислородной, сероводородной, электрохимической и биохимической коррозии) воздействиями;

· механическое повреждение оборудования в результате ошибок работника, падения предметов, некачественного проведения ремонтных и регламентных работ и т. п. (например, разгерметизация оборудования или выход из строя элементов его защиты в результате повреждения при ремонте или столкновения с железнодорожным или автомобильным транспортом).

· На основе анализа пожарной опасности объекта, при необходимости, проводится определение комплекса дополнительных мероприятий, изменяющих параметры технологического процесса до уровня, обеспечивающего допустимый пожарный риск.

Для выявления пожароопасных ситуаций осуществляется деление технологического оборудования (технологических систем), при их наличии на объекте, на участки. Указанное деление выполняется, исходя из возможности раздельной герметизации этих участков при возникновении аварии. Рассматриваются пожароопасные ситуации, как на основном, так и вспомогательном технологическом оборудовании. Кроме этого, учитывается также возможность возникновения пожара в зданиях, сооружениях и строениях (далее - здания) различного назначения, расположенных на территории объекта.

В перечне пожароопасных ситуаций применительно к каждому участку, технологической установке, зданию объекта выделяются группы пожароопасных ситуаций, которым соответствуют одинаковые модели процессов возникновения и развития.

При анализе пожароопасных ситуаций, связанных с разгерметизацией технологического оборудования, рассматриваются утечки при различных диаметрах истечения (в том числе максимальные - при полном разрушении оборудования или подводящих/отводящих трубопроводов).

Определение частоты реализации пожароопасных ситуаций

Для определения частоты реализации пожароопасных ситуаций на объекте используется информация:

а) об отказах оборудования, используемого на объекте;

б) о параметрах надежности используемого на объекте оборудования;

в) об ошибочных действиях работника объекта;

г) о гидрометеорологической обстановке в районе размещения объекта;

д) о географических особенностях местности в районе размещения объекта.

Для определения частоты реализации пожароопасных ситуаций могут использоваться статистические данные по аварийности или расчетные данные по надежности технологического оборудования, соответствующие специфике рассматриваемого объекта.

Построение полей опасных факторов пожара для различных сценариев его развития

При построении полей опасных факторов пожара для различных сценариев его развития учитываются:

· тепловое излучение при факельном горении, пожарах проливов горючих веществ на поверхность и огненных шарах;

· избыточное давление и импульс волны давления при сгорании газопаровоздушной смеси в открытом пространстве;

· избыточное давление и импульс волны давления при разрыве сосуда (резервуара) в результате воздействия на него очага пожара;

· избыточное давление при сгорании газопаровоздушной смеси в помещении;

· концентрация токсичных компонентов продуктов горения в помещении;

· снижение концентрации кислорода в воздухе помещения;

· задымление атмосферы помещения;

· среднеобъемная температура в помещении;

· осколки, образующиеся при взрывном разрушении элементов технологического оборудования;

· расширяющиеся продукты сгорания при реализации пожара-вспышки.

Оценка величин указанных факторов проводится на основе анализа физических явлений, протекающих при пожароопасных ситуациях, пожарах, взрывах. При этом рассматриваются следующие процессы, возникающие при реализации пожароопасных ситуаций и пожаров или являющиеся их последствиями (в зависимости от типа оборудования и обращающихся на объекте горючих веществ):

· истечение жидкости из отверстия;

· истечение газа из отверстия;

· двухфазное истечение из отверстия;

· растекание жидкости при разрушении оборудования;

· выброс газа при разрушении оборудования;

· формирование зон загазованности;

· сгорание газопаровоздушной смеси в открытом пространстве;

· разрушение сосуда с перегретой легковоспламеняющейся жидкостью, горючей жидкостью или сжиженным горючим газом;

· тепловое излучение от пожара пролива или огненного шара;

· реализация пожара-вспышки;

· образование и разлет осколков при разрушении элементов технологического оборудования;

· испарение жидкости из пролива;

· образование газопаровоздушного облака (газы и пары тяжелее воздуха);

· сгорание газопаровоздушной смеси в технологическом оборудовании или помещении;

· пожар в помещении;

· факельное горение струи жидкости и/или газа;

· тепловое излучение горящего оборудования;

· вскипание и выброс горящей жидкости при пожаре в резервуаре.

Для определения возможных сценариев возникновения и развития пожаров рекомендуется использовать метод логических деревьев событий (далее - логическое дерево).

Сценарий возникновения и развития пожароопасной ситуации (пожара) на логическом дереве отражается в виде последовательности событий от исходного до конечного события (далее - ветвь дерева событий).

При построении логического дерева событий используются:

· условная вероятность реализации различных ветвей логического дерева событий и перехода пожароопасной ситуации или пожара на ту или иную стадию развития;

· вероятность эффективного срабатывания соответствующих средств предотвращения или локализации пожароопасной ситуации или пожара (принимается исходя из статистических данных, публикуемых в научно-техническом журнале «Пожарная безопасность» или по паспортным данным завода-изготовителя оборудования);

· вероятность поражения расположенного в зоне пожара технологического оборудования и зданий объекта в результате воздействия на них опасных факторов пожара, взрыва.

· Оценка опасных факторов пожара проводится с помощью эмпирических методов, представленных ниже.

Оценка последствий воздействия опасных факторов пожара на людей для различных сценариев его развития

Оценка последствий воздействия опасных факторов пожара, взрыва на людей для различных сценариев их развития осуществляется на основе сопоставления информации о моделировании динамики опасных факторов пожара на территории объекта и прилегающей к нему территории и информации о критических для жизни и здоровья людей значениях опасных факторов пожара, взрыва. Для этого используются критерии поражения людей опасными факторами пожара.

При оценке последствий воздействия опасных факторов пожара, взрыва на людей для различных сценариев развития пожароопасных ситуаций предусматривается определение числа людей, попавших в зону поражения опасными факторами пожара, взрыва.

Для оценки пожарного риска используют, как правило, вероятностные критерии поражения людей опасными факторами пожара. Детерминированные критерии используются при невозможности применения вероятностных критериев.

Количественная оценка массы горючих веществ, поступающих в окружающее пространство в результате возникновения пожароопасных ситуаций

Количество поступивших в окружающее пространство горючих веществ, которые могут образовать взрывоопасные газопаровоздушные смеси или проливы горючих сжиженных газов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей на подстилающей поверхности, определяется, исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного из резервуаров (аппаратов) или трубопровода;

б) все содержимое резервуара (аппарата, трубопровода) или часть продукта (при соответствующем обосновании) поступает в окружающее пространство. При этом в случае наличия на объекте нескольких аппаратов (резервуаров) расчет следует проводить для каждого резервуара (аппарата);

в) при разгерметизации резервуара (аппарата) происходит одновременно утечка веществ из трубопроводов, питающих резервуар по прямому и обратному потоку в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов. Расчетное время отключения трубопроводов определяется в каждом конкретном случае, исходя из реальной обстановки, и должно быть минимальным с учетом паспортных данных на запорные устройства и их надежности, характера технологического процесса и вида расчетной аварии.

При отсутствии данных допускается расчетное время отключения технологических трубопроводов принимать равным:

· времени срабатывания системы автоматики отключения трубопроводов согласно паспортным данным установки, если вероятность отказа системы автоматики не превышает 0,000001 в год или обеспечено резервирование ее элементов;

· 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 0,000001 в год и не обеспечено резервирование ее элементов;

· 300 с при ручном отключении;

· в качестве расчетной температуры при пожароопасной ситуации с наземно расположенным оборудованием допускается принимать максимально возможную температуру воздуха в соответствующей климатической зоне, а при пожароопасной ситуации с подземно расположенным оборудованием - температуру грунта, условно равную максимальной среднемесячной температуре окружающего воздуха в наиболее теплое время года;

· длительность испарения жидкости с поверхности пролива принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с. Для проливов жидкости до 20 кг время испарения допускается принимать равным 900 с.

Допускается использование показателей пожаровзрывоопасности для смесей веществ и материалов по наиболее опасному компоненту.

Определение параметров волны давления при сгорании
газо-, паро- или пылевоздушного облака

Методика количественной оценки параметров воздушных волн давления при сгорании газо-, паро- или пылевоздушного облака (далее - облако) распространяется на случаи выброса горючих газов, паров или пыли в атмосферу на производственных объектах.

Основными структурными элементами алгоритма расчетов являются:

определение ожидаемого режима сгорания облака;

расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления для различных режимов;

определение дополнительных характеристик взрывной нагрузки;

оценка поражающего воздействия.

Исходными данными для расчета параметров волн давления при сгорании облака являются:

вид горючего вещества, содержащегося в облаке;

концентрация горючего вещества в смеси СГ;

стехиометрическая концентрация горючего вещества с воздухом ССТ;

масса горючего вещества, содержащегося в облаке МТ, с концентрацией между нижним и верхним концентрационным пределом распространения пламени. Допускается величину МТ принимать равной массе горючего вещества, содержащегося в облаке, с учетом коэффициента Z участия горючего вещества во взрыве. При отсутствии данных коэффициент Z может быть принят равным 0,1. При струйном стационарном истечении горючего газа величину МТ следует рассчитывать с учетом стационарного распределения концентраций горючего газа в струе;

удельная теплота сгорания горючего вещества ЕУД;

скорость звука в воздухе С0 (обычно принимается равной 340 м/с);

информация о степени загроможденности окружающего пространства;

эффективный энергозапас горючей смеси Е, который определяется по формуле

При расчете параметров сгорания облака, расположенного на поверхности земли, величина эффективного энергозапаса удваивается.

Определение ожидаемого режима сгорания облака

Ожидаемый режим сгорания облака зависит от типа горючего вещества и степени загроможденности окружающего пространства.

Классификация горючих веществ по степени чувствительности

Вещества, способные к образованию горючих смесей с воздухом, по степени своей чувствительности к возбуждению взрывных процессов разделены на четыре класса:

класс 1 - особо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки менее 2 см);

класс 2 - чувствительные вещества (размер детонационной ячейки лежит в пределах от 2 до 10 см);

класс 3 - средне чувствительные вещества (размер детонационной ячейки лежит в пределах от 10 до 40 см);

класс 4 - слабо чувствительные вещества (размер детонационной ячейки больше 40 см).

Классификация наиболее распространенных в промышленном производстве горючих веществ приведена в таблице П3.1 Методики. В случае, если вещество не внесено в классификацию, его следует классифицировать по аналогии с имеющимися в списке веществами, а при отсутствии информации о свойствах данного вещества, его следует отнести к классу 1, т.е. рассматривать наиболее опасный случай.

При оценке масштабов поражения волнами давления должно учитываться различие химических соединений по теплоте сгорания, используемой для расчета полного запаса энерговыделения. Для типичных углеводородов принимается в расчет значение удельной теплоты сгорания ЕУД0 = 44 МДж/кг. Для иных горючих веществ в расчетах используется удельное энерговыделение ЕУД =в ЕУД0. Здесь в - корректировочный параметр.

Классификация окружающего пространства по степени загроможденности

Характером загроможденности окружающего пространства в значительной степени определяется скорость распространения пламени при сгорании облака и, следовательно, параметры волны давления. Характеристики загроможденности окружающего пространства разделяются на четыре класса:

класс I - наличие длинных труб, полостей, каверн, заполненных горючей смесью, при сгорании которой возможно ожидать формирование турбулентных струй продуктов сгорания, имеющих размеры не менее трех размеров детонационной ячейки данной смеси. Если размер детонационной ячейки для данной смеси не известен, то минимальный характерный размер струй принимается равным 5 см для веществ класса 1, 20 см для веществ класса 2, 50 см для веществ класса 3 и 150 см для веществ класса 4;

класс II - сильно загроможденное пространство: наличие полузамкнутых объемов высокая плотность размещения технологического оборудования, лес, большое количество повторяющихся препятствий;

класс III - средне загроможденное пространство: отдельно стоящие технологические установки, резервуарный парк;

класс IV - слабо загромождение и свободное пространство.

Классификация режимов сгорания облака

Для оценки воздействия сгорания облака возможные режимы сгорания разделяются на шесть классов по диапазонам скоростей их распространения следующим образом:

класс 1 - детонация или горение со скоростью фронта пламени 500 м/с и более;

класс 2 - дефлаграция, скорость фронта пламени 300 - 500 м/с;

класс 3 - дефлаграция, скорость фронта пламени 200 - 300 м/с;

класс 4 - дефлаграция, скорость фронта пламени 150 - 200 м/с;

класс 5 - дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле

u = k1•М1/6

где k1 - константа, равная 43;

М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг;

класс 6 - дефлаграция, скорость фронта пламени определяется по формуле

u = k2•М1/6

где k2 - константа, равная 26;

М - масса горючего вещества, содержащегося в облаке, кг.

При определении максимальной скорости фронта пламени для режимов сгорания 2-4 классов дополнительно рассчитывается видимая скорость фронта пламени по соотношению (7.37). В том случае, если полученная величина больше максимальной скорости, соответствующей данному классу, она принимается за верхнюю границу диапазона ожидаемых скоростей сгорания облака.

Расчет максимального избыточного давления и импульса фазы сжатия воздушных волн давления

Параметры воздушных волн давления (избыточное давление ДР и импульс фазы сжатия I+) в зависимости от расстояния от центра облака рассчитываются исходя из ожидаемого режима сгорания облака.

Класс 1 режима сгорания облака

Рассчитывается соответствующее безразмерное расстояние по формуле

Rx=R/(E/P0)1/3

где R - расстояние от центра облака, м;

Р0 - атмосферное давление, Па;

Е - эффективный энергозапас смеси, Дж.

Величины безразмерного давления Рх и импульс фазы сжатия Ix определяются по формулам (для газопаровоздушных смесей)

ln(Рх) = -1,124 - 1,66(ln(Rx)) + 0,260(ln(Rx))2

ln(Iх) = -3,4217 - 0,898(ln(Rx)) - 0,0096(ln(Rx))2

Формулы (6.40, 6.41) справедливы для значений Rx более Rk = 0,2. В случае, если Rx < Rk , то Рх равно 18, а в формулу (7.41) вместо Rx подставляется величина Rx = 0,14.

Размерные величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам

ДР= РхР0

I+ = Iх •Р0 2/3•Е1/3/С0

Классы 2 - 6 режима сгорания облака

Рассчитывается безразмерное расстояние Rх от центра облака по формуле (7.39).

Рассчитываются величины безразмерного давления (Pх1) и импульса фазы сжатия Ix1 по формулам

где у - степень расширения продуктов сгорания (для газопаровоздушных смесей допускается принимается равным 7, для пылевоздушных смесей 4);

u - видимая скорость фронта пламени, м/с.

В случае дефлагарации пылевоздушного облака величина эффективного энергозапаса умножается на коэффициент .

Формулы (7.44), (7.45) справедливы для значений Rx больших величины Rкр1 = 0,34, в случае, если Rx < Rкр1, в формулы (7.44), (7.45) вместо Rx подставляется величина Rкр1.

Размерные величины избыточного давления и импульса фазы сжатия определяются по формулам (7.42), (7.43). При этом в формулы (7.42), (7.43) вместо Рх и Ix подставляются величины Pх1 и Ix1.

Параметры волны давления при взрыве резервуара с перегретой жидкостью или сжиженным газом при воздействии на него очага пожара

Избыточное давление ДP и импульс I+ в волне давления, образующиеся при взрыве резервуара с перегретой ЛВЖ, ГЖ или сжиженным углеводородным газом (далее - СУГ) в очаге пожара, определяются по формулам

где r - расстояние от центра резервуара, м;

- эффективная энергия взрыва, рассчитываемая по формуле

k - доля энергии волны давления (допускается принимать равной 0,5);

- удельная теплоемкость жидкости (допускается принимать равной 2000 Дж/(кг К);

m - масса ЛВЖ, ГЖ или СУГ, содержащаяся в резервуаре, кг;

Т - температура жидкой фазы, К;

Тb - нормальная температура кипения, К.

При наличии в резервуаре предохранительного устройства (клапана или мембраны) величина Т определяется по формуле

где Рval - давление срабатывания предохранительного устройства;

А, В, СА - константы уравнения зависимости давления насыщенных паров жидкости от температуры (константы Антуана), определяемые по справочной литературе. Единицы измерения Рval (кПа, мм рт. ст., атм) должны соответствовать используемым константам Антуана.

Интенсивность теплового излучения

В настоящем разделе приводятся методы расчета интенсивности теплового излучения от пожара пролива на поверхность, огненного шара, а также радиуса воздействия продуктов сгорания паровоздушного облака в случае пожара-вспышки.

Пожар пролива

Интенсивность теплового излучения q (кВт/м2) для пожара пролива ЛВЖ, ГЖ или СУГ определяется по формуле

где Ef - среднеповерхностная интенсивность теплового излучения пламени, кВт/м2;

Fq - угловой коэффициент облученности;

- коэффициент пропускания атмосферы.

Значение Ef принимается на основе имеющихся экспериментальных данных или по таблице П3.4 Методики. При отсутствии данных для нефтепродуктов допускается принимать величину Ef равной 40 кВт/м2.

Угловой коэффициент облученности Fq определяется по формуле

где FV, FH - факторы облученности для вертикальной и горизонтальной площадок соответственно, которые определяются по формулам

где r - расстояние от геометрического центра пролива до облучаемого объекта, м;

d - эффективный диаметр пролива, м;

H - высота пламени, м.

Эффективный диаметр пролива d (м) рассчитывается по формуле

где F - площадь пролива, м2.

Высота пламени Н (м) определяется по формуле

где - удельная массовая скорость выгорания топлива, кг/(м2с);

а - плотность окружающего воздуха, кг/м3;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2).

Коэффициент пропускания атмосферы для пожара пролива определяется по формуле

При необходимости может быть учтено влияние ветра на форму пламени.

Огненный шар

Интенсивность теплового излучения q(кВт/м2) для огненного шара определяется по формуле (7.52).

Величина Ef определяется на основе имеющихся экспериментальных данных. Допускается принимать Ef равной 450 кВт/м2.

Значение Fq определяется по формуле

где Н - высота центра огненного шара, м;

DS - эффективный диаметр огненного шара, м;

r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром огненного шара, м.

Эффективный диаметр огненного шара DS (м) определяется по формуле

где m - масса продукта, поступившего в окружающее пространство, кг.

Величину Н допускается принимать равной DS/2.

Время существования огненного шара tS (с) определяется по формуле

Коэффициент пропускания атмосферы для огненного шара рассчитывается по формуле

Определение радиуса воздействия продуктов сгорания паровоздушного облака в случае пожара-вспышки

В случае образования паровоздушной смеси в незагроможденном технологическим оборудованием пространстве и его зажигании относительно слабым источником (например, искрой) сгорание этой смеси происходит, как правило, с небольшими видимыми скоростями пламени. При этом амплитуды волны давления малы и могут не приниматься во внимание при оценке поражающего воздействия. В этом случае реализуется так называемый пожар-вспышка, при котором зона поражения высокотемпературными продуктами сгорания паровоздушной смеси практически совпадает с максимальным размером облака продуктов сгорания (т.е. поражаются в основном объекты, попадающие в это облако). Радиус воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака при пожаре-вспышке RF определяется формулой

где RНКПР - горизонтальный размер взрывоопасной зоны.

Испарение жидкости и СУГ из пролива

Интенсивность испарения W (кг/(м2с)) для ненагретых жидкостей с определяется по формуле

где - коэффициент, принимаемый для помещений в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения. При проливе жидкости вне помещения допускается принимать = 1;

М - молярная масса жидкости, кг/кмоль;

РН - давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости, кПа.

При выбросе СУГ из оборудования, в котором жидкость находится под давлением, часть продукта за счет внутренней энергии мгновенно испаряется, образуя с капельками жидкости облако аэрозоля. Массовая доля мгновенно испарившейся жидкости определяется по формуле

где СР - удельная теплоемкость СУГ, Дж/(кг.К);

Та - температура окружающего воздуха, К;

Tg - температура кипения СУГ при атмосферном давлении, К;

Lg - удельная теплота парообразования СУГ, Дж/кг.

Принимается, что при ? 0,35 вся масса жидкости, находящаяся в оборудовании, за счет взрывного характера испарения переходит в парокапельное облако.

При < 0,35, оставшаяся часть жидкости испаряется с поверхности пролива за счет потока тепла от подстилающей поверхности и воздуха.

Интенсивность испарения жидкости со свободной поверхности W (кг/(м2с)) определяется по формуле

где лs - коэффициент теплопроводности материала, на поверхность которого разливается жидкость, Вт/(мК);

СS - удельная теплоемкость материала, Дж/(кгК);

сs - плотность материала, кг/м3;

Т0 - начальная температура материала, К;

t -текущее время с момента начала испарения, с (но не менее 10 с);

ла - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Т0;

u - скорость воздушного потока над поверхностью испарения, м/с;

d - характерный диаметр пролива, м;

на - кинематическая вязкость воздуха при Т0, м2/с.

Размеры факела при струйном горении

При струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы СУГ и СПГ возникает опасность образования диффузионных факелов.

Длина факела LF (м) при струйном горении определяется по формуле

где G - расход продукта, кг/с;

K - эмпирический коэффициент, который при истечении сжатых газов принимается равным 12,5, при истечении паровой фазы СУГ или СПГ равным 13,5, при истечении жидкой фазы СУГ или СПГ равным 15.

Длина факела при струйном истечении горючих жидкостей определяется дальностью (высотой) струи жидкости.

Ширина факела DF (м) при струйном горении определяется по формуле

При проведении оценок пожарной опасности горящего факела при струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы СУГ и СПГ допускается принимать следующие допущения:

зона непосредственного контакта пламени с окружающими объектами, т.е. область наиболее опасного теплового воздействия, интенсивность которого может быть принята 100 кВт/м2, определяется размерами факела;

длина факела LF не зависит от направления истечения продукта и скорости ветра;

наибольшую опасность представляют горизонтальные факелы, условную вероятность реализации которых следует принимать равной 0,67;

поражение человека в горизонтальном факеле происходит в 30-ом секторе с радиусом, равным длине факела;

воздействие горизонтального факела на соседнее оборудование, приводящее к его разрушению (каскадному развитию аварии), происходит в 30о-ом секторе, ограниченном радиусом, равным LF;

за пределами указанного сектора на расстояниях от LF до 1,5 LF тепловое излучение от горизонтального факела составляет 10 кВт/м2;

тепловое излучение от вертикальных факелов может быть определено по формулам (6.52) - (6.59), (6.62), принимая H равным LF, d равным DF, а Ef по табл. П3.4 Методики в зависимости от вида топлива. При отсутствии данных допускается Ef принимать равной 200 кВт/м2;

при истечении жидкой фазы СУГ или СПГ из отверстия с эквивалентным диаметром до 100 мм при мгновенном воспламенении происходит полное сгорание истекающего продукта в факеле без образования пожара пролива;

область возможного воздействия пожара-вспышки при струйном истечении совпадает с областью воздействия факела (30-й сектор, ограниченный радиусом, равным LF);

при мгновенном воспламенении струи газа возможность формирования волн давления допускается не учитывать.

аварийный пожарный риск нефтеперерабатывающий

2. СТАТИСТИКА ПОЖАРОВ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Самыми крупными пожарами остаются пожары, происходящие в резервуарах, которые входят в технологические схемы предприятий связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и хранением углеводородных продуктов, в первую очередь это связано с принципом «домино».

Наиболее опасными считается наземное хранение углеводородов. На наземных резервуарах типа РВС в России за 20 лет произошло 93,3% пожаров и аварий. По виду хранимых продуктов пожары распределяются следующим образом: 53,8% - на резервуарах с бензином, 32,4% резервуары с сырой нефтью и 13,8% - на резервуарах с другими нефтепродуктами. Чаще всего пожары на резервуарах происходили на распределительных нефтебазах - 48,3%, резервуары на НПЗ - 27,7%, на нефтепромыслах - 14%, на резервуарах нефтепроводов - 10%.

В России средняя частота пожаров с серьезными последствиями, по отраслям нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности составила 12 пожаров в год. Наиболее опасными для возникновения пожара является весенне-летний период, на долю которого приходится около 73 % от общего числа пожаров. Вместе с тем установлено, что наиболее интенсивно пожарные подразделения работают в зимний период. Средняя продолжительность тушения пожаров в резервуарах в зимнее время составляет 8,5 часов (при температуре ниже -25 0С - 10 часов), в весеннее и осеннее время - 6,6 часа, в летнее время - 5,5 часа. Большинство пожаров, происшедших зимой, носило затяжной характер и требовало сосредоточения значительного количества сил и средств.

Пожары на объектах нефтегазового комплекса характеризуются причинением значительного экологического ущерба связанного с попаданием в окружающую среду большого количества токсичных продуктов горения, огнетушащих средств, мощным тепловым излучением. При горении нефть и нефтепродукты образуют углекислый газ окись углерода, сернистый газ, азот, полиароматические углеводороды, альдегиды, сажу и другие соединения. Их содержание в продуктах горения тем выше, чем выше плотность нефтепродукта.

Анализ причин возникновения пожаров.

Обзор пожаров, происшедших в период с 1970 г по настоящее время на территории России и зарубежных стран позволил выявить ряд основных причин, способствующих возникновению пожаров в резервуарах и резервуарных парках.

Пожары подразделяются:

Пожары на нормально работающих резервуарах (без нарушения технологических регламентов):

А) пожары от атмосферного электричества, которые подразделяются в свою очередь на пожары, возникающие от ударов молний в резервуары и пожары, возникающие от вторичных проявлений атмосферного электричества (накопление в воздухе заряда статического электричества, с последующим возникновением искр).

Б) пожары от самовозгорания пирофорных отложений. Самовозгорание пирофорных отложений (сульфидов железа) является характерным внутренним источником зажигания для резервуаров с высокосернистыми нефтями и бензиновыми фракциями. Случаи самовозгорания пирофоров в резервуарах происходили обычно днем, при солнечной погоде, при наличии сквозных отверстий от коррозии в крыше и стенах резервуара, при длительной эксплуатации резервуаров без очистки, а также после откачки продуктов из резервуара.

В) пожары, возникающие при отборе проб. При проверке уровня продукта в резервуаре наиболее вероятно образование искр при ударах замерных приспособлений о корпус резервуара, возможно возникновение искр от разряда статического электричества, накопленного на поверхности нефтепродукта при соприкосновении с пробоотборником персоналом в одежде из синтетических тканей. Как правило, начинаются со взрыва в газовом пространстве резервуара и нередко сопровождаются гибелью или травмированием людей, выполняющих работу на крыше резервуара.

Г) пожары от создания локальных зон с взрывоопасной концентрацией на территории резервуарных парков. Повышенная загазованность воздуха парами горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, горючими газами на территории резервуарных парков может возникать в следующих случаях: при закачке в резервуары нефтепродуктов недостаточно сепарированных от газов, при заполнении резервуаров нефтью и нефтепродуктами, при перекачке из резервуаров нефтепродуктов, имеющих высокую упругость паров. Источниками зажигания при этом могут являться автомобили, двигающиеся по территории резервуарных парков, технологические огневые нагреватели, открытые технологические установки с повышенной температурой, факелы для сжигания сбросных газов, искры от электрооборудования, открытый огонь, курение.

Пожары на резервуарах при их очистке (подготовке) к ремонтным работам:

Значительная часть пожаров и взрывов на резервуарах происходит при их подготовке к проведению ремонтных работ, здесь проявляются следующие факторы повышенной пожарной опасности: оборудование выводят из нормального режима работы, оборудование вскрывается, создаются условия для свободного проникновения окислителя и его контакта с горючим, что способствует образованию горючей паровоздушной среды как внутри так и снаружи резервуаров. Существенные трудности создает удаление «мертвого» остатка со дна резервуара. Обычно его удаляют с помощью передвижных насосных агрегатов через вскрытые люки-лазы. Источниками зажигания при проведении таких работ могут быть фрикционные искры от ударов ремонтного инструмента о корпус резервуара, искры от электрооборудования, расположенного близко к резервуару, нагретые поверхности соседних технологических установок, выхлопные газы от используемой для откачки техники.

Пожары при проведении ремонтных и огневых работ:

Примерно 35 % зарегистрированных пожаров происходит при подготовке и проведении ремонтных работ. В процессе ремонта появляются дополнительные технологические источники зажигания, связанные с проведением резательных, сварочных, огневых, взрывных и других работ, связанных с применением открытого пламени; наличие капель расплавленного металла или мощных беспламенных источников тепла, возникающих при работе механического инструмента.

А) на предварительно очищенных резервуарах;

Б) без предварительной очистки (подготовки) резервуаров. Все пожары этой группы формально являются следствием нарушения норм и правил, запрещающих проведение ремонтных работ на резервуарах без их предварительной подготовки.

Таким образом, анализ пожаров на предприятиях химической и нефтехимической промышленности показывает, что все они имеют существенную особенность: причина этих пожаров, как правило, целая совокупность обстоятельств, каждое из которых само по себе не могло инициировать крупный пожар, и только их сочетание приводит к серьезным последствиям.

Одна из пространственно ограниченных форм проявления пожара ЛВЖ и ГЖ - это пожар в резервуаре хранения, например, когда в результате либо внутреннего, либо внешнего взрыва резервуар остается без крышки. Следующий по пространственному ограничению случай - это пожар пролива в обвалование. В обеих ситуациях подразумеваются четко определенная граница и форма, последняя может быть круглой или прямоугольной.

В других ситуациях пожары пролива происходят после того, как жидкость выбрасывается на поверхность земли; форма и глубина разлития определяются особенностями места разлития. На заводах и в аэропортах, хотя они занимают большие территории, выброшенная жидкость вероятнее всего будет устремляться в водостоки, где она может гореть под землей. Дренажные канавы вдоль автомобильных дорог обычно несут воды в близлежащее русло. Поэтому при выбросе на дороге потоки горючей жидкости могут переносить огонь на сотни метров. Наконец, происходят выбросы жидкостей непосредственно на поверхность водостоков, рек, озер или моря, где возможности для распространения фактически неограниченны. Ниже подробно рассматриваются две из этих ситуации: пожар в обваловании и пожар на поверхности земли.

Пожары пролива в круглых или прямоугольных обвалованиях по своей форме приближаются к цилиндру. При отсутствии ветра это будет вертикальный цилиндр, но в обычных обстоятельствах (при ветре) цилиндр будет наклонным.

Статистика аварий, связанных с развитием пожара пролива

Данные об известных авариях на различных объектах, связанные с развитием пожара пролива приведены в таблице № 1.

Таблица 1 - Аварии, связанные с развитием пожара пролива

Проанализировав пожары, произошедшие с 1970 по 1990 гг. на территории бывшего СССР.

Всего за исследуемый период зарегистрировано 238 пожаров на объектах добычи, транспорта, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов. Статистика свидетельствует, что в системе Главтранснефти произошло пожаров: на насосных нефтепроводов - 10%, на нефтепромыслах - 14%, на НПЗ - 27,7%, а на распределительных нефтебазах зафиксирована наибольшая доля пожаров - 48,3%.

На наземных резервуарах произошло 93,3% пожаров и аварий из общего их числа. По виду хранимых продуктов эти пожары распределились следующим образом: 32,4% - на резервуарах с сырой нефтью; 53,8 % - на резервуарах с бензином; и 13,8% - на резервуарах с другими видами нефтепродуктов (мазут, керосин, дизельное топливо, масло и др.). Пожары происходили, в основном (222 случая), на действующих резервуарах типа РВС, из них в 194 случаях (81,5%) пожар возникал в резервуарах с бензином и сырой нефтью.

Установлено, что основными источниками зажигания, от которых возникали пожары, являются: огневые и ремонтные работы (23,5%), искры электроустановок (14,7%), проявления атмосферного электричества (9,2%), разряды статистического электричества (9,7%), большая часть всех пожаров на резервуарах (42,2%) произошла от самовозгорания пирофорных отложений, неосторожного обращения с огнем, поджогов и других источников зажигания. Доля пожаров от перечисленных источников зажигания, существенно различается по отраслям промышленности.

За исследованный период средняя частота возникновения пожаров и загораний в год составляет: на распределительных нефтебазах - 5,75; в резервуарных парках НПЗ - 3,3; на промыслах - 1,65; на нефтепроводах - 1,2. Средняя частота пожаров по всем объектам и отраслям нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности составили 12 пожаров в год.

Места возникновения пожаров.

1. Распределительные нефтебазы 48,3% 2. Нефтеперерабатывающие заводы 27,7% 3. Нефтепромыслы 14% 4. Насосные станции нефтепроводов 10%.

Основные источники зажигания.

1. Пожары от самовозгорания пирофорных отложений, поджогов, неосторожного обращения с огнём. 42,2%

2. Огневые и ремонтные работы. 23,5%

3. Искры электроустановок. 14,7%

4. Разряды статического электричества. 9,7% 5. Проявления атмосферного электричества. 9,2%.

Важную информацию для разработки мер пожарной безопасности дают сведения о непосредственном источнике зажигания взрывоопасной паровоздушной смеси. Однако примерно для 5% пожаров непосредственный источник зажигания не установлен, но из этого количества причиной 4 пожаров были повреждения оборудования, нарушения технологического режима, повышенная загазованность территории резервуарного парка. В этих случаях, естественно, источник зажигания является вторичным и второстепенным фактором, а защита должна быть направлена на поддержание исправности оборудования и нормальное ведение технологического процесса.

Из установленных непосредственных источников зажигания наиболее распространенный, огневые работы - 23% (почти каждый третий пожар). Неосторожное обращение с огнем, допущенное при ремонте резервуаров, электрические и механические искры или горячие выхлопы глушителя автомобиля при очистке резервуара через нижний люк стали причиной (11,8%) пожаров.

В целом при очистке и ремонте резервуаров произошло 29 пожаров, что составляет 37,6% общего числа. Необходимо отметить, что 14 пожаров на резервуарах (18%) возникли от самовозгорания пирофорных отложений, причем 64 % пожаров, происшедших по этой причине, отмечено на объектах добычи нефти и 36% - в резервуарных парках на нефтеперерабатывающих заводах. Примечательно, что 65 % пожаров, происходит в весенне-летний период и основными источниками зажигания (не считая огневые и ремонтные работы) являются разряды атмосферного электричества (22,2%), а также огневые технологические установки (16,5%).

Здесь надо отметить, что в первом случае (разряды атмосферного электричества) загорались резервуары только на насосных станциях нефтепродуктов, что говорит о ненадежности существующей молниезащиты и необходимости ее усовершенствования на данных объектах. Огневые технологические установки, как источник зажигания, проявлялись только на нефтепромысловых объектах.

В качестве характерного примера связанного с технологическим процессом хранения нефти и нефтепродуктов, может служить описание пожара, произошедшего 22 августа этого года на резервуарном парке ЛПДС «Конда» Урайского УМН ОАО «Сибнефтепровод» которая расположена на территории Кондинского района Ханты-Мансийского автономного округа Тюменской области.

3. Общая характеристика объекта

3.1 Краткое описание объекта защиты

Производственная мощность нефтеперерабатывающего завода составит 2,5 млн. тонн нефти в год. Нефтеперерабатывающий завод будет ориентирован на максимальный выпуск дизельного топлива, соответствующего требованиям Европейского стандарта.

Готовой продукцией будут являться:

· бензин стабильный;

· дизельное топливо гидроочищенное;

· атмосферный и вакуумный газойль;

· топливный и сжиженный газ;

· кокс нефтяной;

· сера товарная.

В физико-географическом отношении территория Сибири с определенными климатическими характеристиками (влажный климат и несколько пониженные температуры) предопределяет его почвенный покров. Преобладающими типами почв являются серые лесные и дерново-подзолистые. По механическому составу почвы в основном глинистые, суглинистые и супесчаные. Поверхность изучаемого участка характеризуется полого-увалистым рельефом, осложненным сетью неглубоких логов и лощин, а также долинами рек и речек. Типичным для рельефа района является наличие многочисленных плоских западин небольшого размера, разбросанных по водоразделам и их склонам и занятых березово-осиновыми колками. Абсолютные значения отметок поверхности исследуемой площадки изменяются от 227,47 до 236,56 м, перепад высот составляет около 9,0 м.

В соответствии с санитарной классификацией по СанПиН 2.2.1/2.1.1.1031-01 п. 4.1.1 объект является предприятием 1 класса с нормативным размером санитарно-защитной зоны не менее 1000 м.

Территория предприятия по всему периметру ограждается основным ограждением из железобетонных плит с жестким защемлением в фундаменте ограды. Для усиления основного ограждения предусмотрено дополнительное ограждение, состоящее из верхнего и нижнего. Верхнее дополнительное ограждение представляет собой инженерное средство защиты типа «Спираль АКЛ». Для защиты от подкопа под основным заграждением предусмотрено нижнее дополнительное ограждение, выполненное в виде заглубленных в грунт на 60 см железобетонных блоков. Ограждение выполняется в виде прямолинейных участков с минимальным количеством изгибов и поворотов, ограничивающих наблюдение и затрудняющих применение технических средств охраны. Для обнаружения следов посторонних лиц при попытке проникновения через охраняемый периметр предусмотрено наличие с внутренней стороны ограждения контрольно-следовой полосы, которая представляет собой полосу разрыхленного и выровненного грунта шириной 3 м. Также вдоль забора размещаются средства охранной сигнализации, охранное освещение и охранное телевидение. Въезд на территорию и выезд с неё осуществляется через 5 охраняемых контрольно-пропускных пунктов.

Система управления промышленной безопасностью на предприятии реализована в форме производственного контроля за соблюдением требований промышленной безопасности.

Пожарное депо запроектировано на четыре выезда. Для размещения персонала пожарного депо предусматривается двухэтажное кирпичное здание с чердачной скатной кровлей. Здание сблокировано с помещением для пожарной техники. Данное помещение рассчитано на шесть машин, две из которых - резервные. Для технического обслуживания машин предусмотрены две смотровые ямы и слесарная мастерская.

3.2 Противопожарное водоснабжение

Расчетные расходы воды и раствора пенообразователя на тушение и охлаждение объектов нефтеперерабатывающего завода определяются в соответствии со СНиП 2.11.03-93 и ВУПП-88. На площадке предусматривается единая система автоматической противопожарной защиты.

Необходимый напор в сетях водопровода для охлаждения резервуаров, оборудования на установке, в сетях раствора пенообразователя для тушения резервуаров и в насосных 0,6-1,0 МПа.

Схема водоснабжения и пенотушения

На площадке объекта проектируются кольцевые сети противопожарного водопровода ш 500 с подключением от проектируемой насосной станции пожаротушения тит.36/001. Все резервуары оборудованы стационарной системой автоматического охлаждения. Для охлаждения ж.д. эстакад налива устанавливаются лафетные установки - мониторы «КОВRA» с дистанционным пуском по обе стороны эстакады с таким расчетом, чтобы обеспечить орошение каждой точки конструкции эстакад и железнодорожных цистерн по всей длине двумя компактными струями.

Подача раствора пенообразователя к пеногенераторам, пенокамерам осуществляется от соответствующих баков-дозаторов МХС со смесителями по сухотрубным растворопроводам.

3.3 Пожарная сигнализация и установки пожаротушения

Перечень видов сигнализации, предусматриваемых в данном разделе проекта:

- автоматическая пожарная сигнализация;

- ручная электрическая пожарная сигнализация.

Система пожарной сигнализации состоит из контроллеров системы автоматического пожаротушения КСАП-02, предназначенного для работы в составе систем обнаружения и тушения пожаров и в общем случае обеспечивает выполнение следующих функций:

- прием электрических сигналов от ручных, пассивных, активных пожарных извещателей, термопреобразователей сопротивления взрывозащищенных типа ТСМ 012 с отображением на панели оператора номера шлейфа по которому произошло срабатывание пожарных извещателей;

- контроль срабатывания средств пожаротушения;

- возможность программирования тактики формирования извещения о пожаре.

Пост аварийной сигнализации взрывозащищенный типа ПАСВ, предназначен для подачи световых и звуковых предупреждающих сигналов. Размещение постов на территории объекта, непосредственно на наружных стенах зданий сооружений, на ограждениях, на опорах эстакад. Монтаж ПАСВ производится на высоте не менее 2.5 м от уровня земли.

Система пожарной сигнализации относиться к I категории системы электроснабжения. Основное питание пожарной сигнализации выполняется от сети переменного напряжения 220 В. Резервное питание пожарной сигнализации выполняется от источников бесперебойного питания со встроенными аккумуляторными батареями (типа РИП, ИБП), которые при отключении основного питания от сети 220 В автоматически переключаются на питание от аккумуляторов без скачка напряжения в момент переключения. В нормальном режиме питания от сети 220 В аккумуляторы автоматически заряжаются до заданной емкости. Работоспособность системы пожарной сигнализации от источников бесперебойного питания в дежурном режиме - в течение 24 часов и в режиме 'Тревога'- не менее трех часов.

На территории предприятия ручные пожарные извещатели во взрывозащищенном исполнении устанавливаются на железобетонных приставках на высоте 1,5 м от уровня земли на расстоянии не более 100 м друг от друга. Освещенность в местах установки ручных пожарных извещателей должна быть не менее 50 лк.

3.4 Электрооборудование

Основными потребителями электроэнергии являются асинхронные двигатели насосов, вентиляторов, задвижек, электрообогрев трубопроводов, резервуаров, полов насосных, электроосвещение зданий и сооружений.

По степени обеспечения надежности электроснабжения электроприемники относятся к I категории, частично ко II категории.

Требуемая надежность электроснабжения обеспечивается секционированием шин 10 и 0,4 кВ устройством АВР распределительного устройства 10 кВ, трансформаторных подстанций, щитов.

Гарантированное питание систем контроля, автоматического пожаротушения, эвакуационного оповещения, управления и ПАЗ при отключении внешнего электроснабжения обеспечивается от дизельной электростанции и источников бесперебойного питания, выделяясь таким образом в особую группу электроприемников I категории электроснабжения.

Проект силового электрооборудования выполнен в соответствии с классификацией зданий и сооружений по пожаровзрывоопасности.

Питание силовых электроприемников напряжением 0,4кВ осуществляется от распределительных щитов. Все щиты модульной конструкции с выдвижными блоками фирмы «Электронмаш», выполнены на оборудовании фирмы АВВ.

Проектом предусматривается:

- управление электродвигателями насосов, задвижек, вентиляторов автоматическое, дистанционное из операторной и местное;

- отключение вентсистем при пожаре от средств пожарной сигнализации;

- централизованное управление наружным освещением из операторной.

Кабели прокладываются:

- преимущественно по конструкциям кабельных и совмещенных эстакад;

- одиночные кабели незначительной протяженности - в траншеях на глубине 0,7 м от планировочной отметки земли.

Прокладка кабелей на эстакадах выполняется с соблюдением требований ПУЭ:

- на высоте 2,5 м от планировочной отметки земли;

- на высоте 5 м от полотна автодороги и в местах возможных проездов автотранспорта;

- на расстоянии 0,5 м от трубопроводов на эстакаде.

При прокладке кабелей на эстакадах на участках пересечений с трубопроводами плюс до 1,5 м в обе стороны от внешних габаритов эстакады с трубопроводами с ЛВЖ кабели прокладываются в стальных коробах с толщиной стенки не менее 1,5 мм.

Прокладка кабелей в траншее выполняется на глубине 0,7 м от планированной отметки по подсыпке снизу и засыпкой сверху слоем из мелкой земли. При пересечении автодорог, подземных коммуникаций кабели проложить в асбестоцементных трубах.

При прокладке кабелей на высоте до 2,5 м (подъемы, спуски) кабели на высоту до 2 м защищаются от механических повреждений:

- одиночные - стальными трубами;

- группы кабелей -кожухом из стального листа толщиной 1,5 мм.

Электрическая система обогрева предназначена для поддержания заданной температуры на трубопроводах, резервуарах и полах насосных.

В системе обогрева в качестве тепловыделяющих элементов применены саморегулируемые греющие кабели фирмы «Chromalox ETIREX». Расчеты тепловых режимов и выбор греющих кабелей также выполнены фирмой «Chromalox ETIREX».

Применение в системе обогрева саморегулирующихся нагревательных секций имеет следующие преимущества

- секции автоматически регулируют тепловыделение в ответ на изменение температуры обогреваемых единиц (уменьшают тепловыделение при повышении температуры), что позволяет снизить количество потребляемой электроэнергии

- секции могут иметь любую длину нагревательной ленты без ущерба для их технических характеристик, точно в соответствии с длиной обогреваемого объекта без каких-либо конструктивных сложностей

- характеристики саморегулирования повышают безопасность и надежность системы. Секции не перегреваются и не перегорают даже при пересечении соседних ниток друг с другом.

Электрообогрев с использованием электрических нагревательных лент легко устанавливается и обеспечивает равномерность обогрева конструкций.

Система управления обогревом обеспечивает высокую точность уровня поддерживаемой температуры и обеспечивает экономию электроэнергии за счет автоматического регулирования мощности в зависимости от температуры обогреваемого объекта.

Теплоизоляция защищена от намокания кожухом и сохраняет свойства на весь период эксплуатации системы обогрева.

Электрическая система обогрева спроектирована состоящей из независимых по управлению подсистем.

Приборы управления обогревом уставливаются в шкафах управления, размещаемых в сухом отапливаемом помещении вне взрывоопасной зоны.

В системе предусмотрены меры основной и дополнительной защиты от поражения электрическим током при прямом и косвенном прикосновениях и защита от токов короткого замыкания (система TN-С-S и УЗО с уставкой максимального тока утечки 30 мА)

Греющие кабели подключаются по схеме:

- рабочие жилы - фаза - нуль (N);

- металлическая оплетка - защитный проводник (РЕ).

Прокладка кабелей до распределительных коробок выполняется по кабельным конструкциям. Все электрооборудование применено в исполнении, соответствующему классу и группе взрывоопасной зоны.

Заземление. Молниезащита

В качестве защитных мер обеспечения электробезопасности в проекте принята система защитного заземления ТN-С- S, автоматическое отключение питания, уравнивание потенциалов. Заземлению подлежат нейтрали трансформаторов, все металлические нетоковедущие корпуса электрооборудования, кабельные конструкции, трубы электропроводки, броня кабелей, корпуса насосов, электродвигателей и технологического оборудования. Системой уравнивания потенциалов предусматривается соединение между собой проводящих частей:

- металлических труб коммуникаций входящих в здание (сооружение);

- металлических частей каркаса здания;

- заземляющих проводников установки;

- нулевого защитного проводника питающей линии.

В соответствии с РД 34.21.122-87 предусматривается защита от прямых ударов молнии, ее вторичных проявлений и защита от статического электричества зданий и сооружений содержащих пожаро и взрывоопасные зоны. Защита от прямых ударов молнии выполняется молниеприемниками, установленными на прожекторных мачтах, отдельностоящими молниеприемниками, наложением на кровлю зданий молниеприемной сетки с последующим присоединением ее к заземляющему устройству, присоединением каркасов навесов к заземляющему устройству.

Защита от вторичных проявлений молнии, заноса высокого потенциала и от статического электричества выполняется путем присоединения корпусов технологического оборудования не менее, чем в двух местах, всех коммуникаций на вводе в здание (сооружение) к заземляющему устройству.

Заземляющие устройства выполняются из вертикальных стальных уголков 63х63х6 мм, L=3 м, заглубленных в грунт на 0,6 м до верха и соединенными стальной полосой 5х40 мм, проложенной в траншее на глубине 0,7 м. Сопротивление растеканию тока заземляющего устройства КТП не должно превышать 4 Ом.

4. Анализ пожарной опасности

4.1 Определение взрывопожарной опасности веществ и материалов, обращающихся на объектах

Нефтеперерабатывающий завод по обращающимся в его производственном процессе опасным продуктам, являющимся легковоспламеняющимися и горючими жидкостями и газами, относится к взрывопожароопасным объектам.

Основными опасными веществами являются нефть, бензин, пропан-бутановая фракция, дизельное топливо, фракции газойля, в т.ч. атмосферный газойль, легкий вакуумный газойль, тяжелый вакуумный газойль, мазут, гудрон, а также сероводород.

Основными источниками опасности, способствующими возникновению и развитию аварий, являются:

1. Наличие на объекте легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и газов (нефть, бензин, пропан-бутановая фракция, дизельное топливо, газойль, мазут, гудрон, сероводород), создающих возможность одновременной утечки большого количества опасного вещества при аварийной разгерметизации системы.

2. Коррозионная агрессивность нефтепродуктов и сероводорода.

3. Наличие высокого давления и температур в аппаратах и трубопроводах.

4. Наличие открытого огня в печах.

5. Возможность возникновения пожара или взрыва при разгерметизации фланцевых соединений трубопроводов и аппаратов, торцовых уплотнений на насосах.

6. Возможность скопления паров углеводородов и отравления персонала сероводородом, парами нефтепродуктов в случае их аварийной утечки из аппаратов, трубопроводов и запорной арматуры, при дренировании аппаратов, при работе внутри аппаратов.

7. Стихийное природное или техногенные воздействия на объект

Возможными причинами аварий могут быть:

1. Прекращение подачи энергоресурсов (электроэнергии пара, воды, воздуха КИП, выход из строя промканализации).

2. Отказы оборудования, трубопроводов, арматуры, разъемных соединений из-за коррозии, эрозии, перегрева, дефектов изготовления. Нарушение герметичности трубных змеевиков печи, переполнение аппаратов.

3. Физический износ, механические повреждения трубопроводов, оборудования, коммуникаций.

4. Отказ приборов контроля и автоматики (КИПиА) - датчиков давления и температуры, измерителей уровня, уровневых выключателей и др.

5. Причины, связанные с гидродинамическими, теплообменными и тепломассообменными процессами.

6. Механическое воздействие на составные объекты декларируемого объекта.

7. Ошибки персонала при ведении технологического процесса производства, в том числе нечеткий контроль за технологическим режимом и неудовлетворительный контроль за состоянием трубопроводов и др.

Из анализа технологических процессов, свойств обращаемых в техпроцессах опасных веществ и обзора аварий на аналогичных производствах переработки нефти и нефтепродуктов можно сделать вывод, что первопричинами для создания аварийных ситуаций с опасными жидкостями и газами на декларируемом объекте в основном являются: разгерметизация оборудования (резервуаров хранения, аппаратов, цистерн или трубопроводов). Из анализа причин видно, что аварии могут произойти в любом рабочем блоке по причинам технического плана, природного свойства или ошибок персонала.

Таблица 2 - Данные по общим количествам и распределении опасных веществ по наиболее опасным блокам предприятия

Таблица 3 - Степень опасности и характер воздействия опасных веществ

4.2 Выявление наиболее пожароопасных объектов

Насосные по перекачке нефти.

Насосные для перекачки нефти имеют повышенную пожарную опасность, так как из работающих насосов возможны утечки при нарушении герметичности уплотнений, при повреждении выкидной линии насоса или разрушении его деталей; при этом большое количество горючих веществ выходит наружу и образует газоопасную концентрацию. Имеются также условия для появления источников зажигания и для быстрого распространения пожара. Значительная пожарная опасность возникает в периоды остановки на ремонт. Причинами повреждений насосов и их обвязки являются гидравлические удары и вибрация.

Теплота трения подшипников и сальников насосов и двигателей, высокая температура перекачиваемой жидкости (выше Тсв), искры при разрядах статического электричества, неисправности вентиляторов или электрооборудования могут служить источниками зажигания в насосной.

Распространение пожара обычно происходит по поверхности разлившихся горючих жидкостей, по образовавшемуся паро-, газовоздушному облаку через дверные, оконные и технологические проемы, по воздуховодам вентиляции, продуктопроводам, освобожденным от продукта (до их продувки), трубопроводам промышленной канализации и т.д.

Меры профилактики.

Подготовку насоса к ремонту с использованием огневых работ производят в следующей последовательности:

останавливают насос;

закрывают задвижки на приемной и напорной линиях;

избыточное давление в полости насоса снижают до атмосферного;

освобождают насос от горючей жидкости;

отключают насос от действующих линий заглушками;

промывают и пропаривают насос;

вскрывают насос.

Эффективен централизованный ремонт насосного оборудования, при котором неисправные насосы заменяют новыми, заранее отремонтированными в специальных цехах. Во время работы насоса не допускается утечка жидкости через сальник. Набивка и подтягивание сальников, их крепление, а также другие виды ремонта у работающих насосов не выполняются. При использовании сальниковых насосов применяют насосы с торцевыми уплотнителями.

Резко не увеличивают и не уменьшают число оборотов центробежных насосов во избежание гидравлических ударов в линиях. Нагнетательные трубопроводы центробежных насосов защищают пружинными предохранительными клапанами, предусматривают блокировку, предотвращающую запуск насосов при закрытых задвижках. Возникновение вибрации насосов предотвращают их правильным выбором, тщательной регулировкой и устройством надежного фундамента.

В помещениях насосных осуществляют постоянный контроль за состоянием воздушной среды с помощью стационарных газоанализаторов, сблокированных с аварийной системой вентиляции и включенных в автоматические системы управления. Все приемные и напорные трубопроводы насосов имеют дополнительные запорные устройства, размещаемые снаружи насосной на расстоянии не более 50 м и не менее 3 м (от стены с проемами) или непосредственно у глухой стены здания.

Подшипники насосов своевременно смазывают; систематически контролируют температуру подшипников и сальников, не допуская их перегрева. Насосы и их обвязку заземляют. Вентиляторы подбирают искробезопасного исполнения.

Склады нефти и нефтепродуктов, резервуарные парки.

Пожарная опасность хранения нефти и нефтепродуктов определяется возможностью образования горючей концентрации внутри и снаружи емкостной аппаратуры. Опасность образования горючей среды внутри аппаратов, в том числе и мелкой тары при неподвижном уровне жидкости, можно характеризовать температурными условиями хранения. Для аппаратов наземного хранения, которые летом могут подвергаться длительному тепловому воздействию солнечной радиации, концентрация насыщения будет определяться ни температурой хранимой жидкости, а температурой поверхностного слоя (она может отличаться от Траб. жидкости на 10-15 градусов по Цельсию). Так, если жидкость хранят в аппарате с неподвижным уровнем при температуре, близкой к температуре окружающего воздуха, то:

емкости с бензином опасны зимой;

емкости с керосином опасны летом в солнечную погоду;

емкости с дизельным топливом безопасны в любое время года.

Опасность образования горючей среды вне резервуаров появляется главным образом в периоды «больших дыханий», когда проводятся операции наполнения. Периоды «малых дыханий» кратковременны. Они сведены до минимума применением на резервуарах со стационарной крышей дыхательных клапанов различной конструкции. Поэтому при малых «дыханиях» мощность выброса паров для образования горючей среды в окружающей атмосфере, как правило, недостаточна.

Опасность образования горючей паровоздушной среды у дыхательной арматуры при «выдохе» определяется состоянием среды в газовом пространстве. Так, если концентрация паров в газовом пространстве резервуара менее нижнего предела взрываемости (НПВ), то образования горючей среды у дыхательной арматуры не возникает даже в безветренную погоду.

Предупреждение образования горючей концентрации внутри резервуаров на практике обеспечивается ликвидацией паровоздушного пространства и использованием газоуравнительной обвязки.

Применение резервуаров с плавающей крышей и понтоном, а также с газоуравнительной обвязкой, кроме снижения опасности образования горючей концентрации внутри аппаратов, обеспечивает уменьшение выхода паров хранимых жидкостей наружу. Это предупреждает опасность загазования территории резервуарных парков даже в безветренную погоду.

Наиболее характерной причиной повреждения резервуаров со стационарной крышей может быть образование повышенного давления или вакуума при нарушении режима работы дыхательных устройств главным образом зимой вследствие примерзания тарелок дыхательных клапанов или оледенения кассет огнепреградителя. Снижение пропускной способности дыхательных клапанов при интенсивном наполнении может вызвать резкое увеличение давления и, как следствие, - полное разрушение резервуара. Чаще все же происходят локальные повреждения резервуаров, например, подрыв крыши в стыке ее со стенками (при росте давления) или смятие верхних поясов резервуара выше уровня жидкости (при вакууме).

Для предотвращения этой опасности используют не примерзающие дыхательные клапаны, которые обеспечивают не примерзаемость тарелок. Однако опасность оледенения огнепреградителя остается. Она вызывается конденсацией паров воды, содержащихся в вытесняемой при «выдохе» из резервуара паровоздушной смеси. Конденсат интенсивнее всего образуется при контакте с наиболее охлажденными металлическими элементами поверхности дыхательной арматуры и, в частности, с кассетой огнепреградителя, которая оказывается вытесненной с помощью дыхательных патрубков сравнительно далеко от объема резервуара.

Образующийся при отрицательных температурах наружного воздуха водяной конденсат постепенно намерзает, вызывая уменьшение проходного сечения огнепреградителя. Поэтому в этих условиях нужна такая дыхательная арматура резервуаров, в которой предупреждалась бы возможность охлаждения огнепреградителей до отрицательных температур. Это может быть достигнуто их утеплением, специальным обогревом, размещением в объеме резервуара с положительной температурой хранимого продукта и т.п.

Основными источниками зажигания при хранении нефти и нефтепродуктов является теплота:

прямых ударов молнии;

разрядов статического электричества;

искр механического происхождения;

самовозгорания пирофорных отложений;

искр пусковой, регулирующей аппаратуры, электроприводов задвижек и другого электрооборудования.

Более 80% пожаров от молний со взрывом в газовом пространстве резервуаров с нефтью происходит в июне-июле на нефтебазах нефтеперерабатывающих заводов и резервуарных парках нефтепроводных управлений.

Подземные резервуары типа ЖБР (класс зоны по ПУЭ В-1г) от прямых ударов молнии защищены отдельно стоящими молниеотводами. В зону их защиты включают пространство, ограниченное параллелепипедом высотой 5м над дыхательными клапанами с основанием, отстоящим от стенок крайнего резервуара на 40 м. Профилактику разрядов статического электричества обеспечивают главным образом надежным заземлением резервуаров, других емкостей и соединенных с ними трубопроводов.

Поплавки дистанционных измерителей уровня фиксируют с помощью вертикально натянутых металлических струн так, чтобы исключить их горизонтальное перемещение. Выполняя роль направляющих, струны исключают сближение поплавка со стенкой резервуара и тем самым предупреждают опасность искрового разряда. Для исключения концентрации зарядов статического электричества поплавки выполняют округлой формы без углов и заостренных кромок.

Наполнение резервуаров является наиболее опасной операцией, при которой в результате интенсивного перемешивания поступающего в резервуар нефтепродукта потенциал образующихся зарядов статического электричества может достигать максимального значения. Поэтому наполняют резервуары под слой жидкости с применением устройств, обеспечивающих односторонне-направленное горизонтальное вращение нефтепродукта (для снижения турбулентности), ограничивают скорость закачки, для смешивания нефтепродуктов используют резервуары с плавающей крышей или понтоном. Если применяют устройства для ручного замера уровня и отбора проб жидкости, то их изготавливают из токопроводящих материалов и заземляют.

Чтобы исключить опасность разряда между зеркалом жидкости и опускающимся заземленным измерителем уровня или пробоотборником, измерение уровня и отбор проб осуществляют через определенное время после закачки, когда произойдет естественное рассеивание (релаксация) накопившихся в жидкости зарядов. Например, если удельное электрическое сопротивление поступающей в резервуар жидкости более 10 Омхм, то названные выше ручные операции проводят не менее, чем через 20 минут после закачки при неподвижном уровне жидкости в резервуаре.

Для уменьшения электризации жидкости при ее движении по наполнительному трубопроводу используют релаксационные емкости, представляющие собой расширенные участки трубопроводов, внутри которых для увеличения электропроводимости движущейся массы жидкости в продольном направлении установлены заземленные металлические пластины и натянутые струны.

Для предупреждения механических искр, образующихся при выполнении ручных операций, например, при погрузке и разгрузке жидкостей в таре, ремонте оборудования, замере уровня и отборе проб нефтепродукта из резервуара и т.п., используется искробезопасный инструмент и приспособления.

Однако более эффективным средством борьбы с механическими искрами является исключение самих ручных операций, в том числе при замере уровня и отборе проб, путем использования дистанционных устройств для замера уровня и полуавтоматических сниженных пробоотборников. Самовозгорание сернистых соединений железа чаще всего происходит в резервуарах и других емкостных аппаратах, где обращаются высокосернистые нефти. Температура при самонагревании в окисляющемся слое отложений может подняться до 600-700 градусов Цельсия, что достаточно не только для воспламенения горючей концентрации паров нефтепродукта в смеси с воздухом, но и для ее образования при бедной концентрации, например, в опорожненном резервуаре.

Для снижения опасности образования пирофорных отложений осуществляется:

предварительная очистка нефти от серы и сернистых соединений перед подачей ее на склад или перед ее переработкой на пунктах подготовки нефти;

снижение температуры хранимого нефтепродукта или предупреждение его нагрева от теплоты солнечной радиации (окраска резервуаров в светлые тона, использование подземного метода хранения нефти и нефтепродуктов и т.п.);

антикоррозионное покрытие внутренней поверхности емкостных аппаратов;

использование неметаллических емкостей, например, железобетонных резервуаров.

Для предупреждения самовозгорания пирофорных отложений необходимо:

уменьшение или полное исключение поступления в газовое пространство резервуара воздуха;

соблюдение сроков вывода емкостных аппаратов на простой и уменьшение длительности их простоя;

систематическая очистка резервуаров от отложений;

дезактивация отложений путем медленного их окисления.

Искры электрооборудования также нередко могут стать источником зажигания, так как технологические процессы насыщены электроустановками различного назначения: задвижками с электроприводом, уровнемерами и другими устройствами с дистанционным управлением. Электрооборудование располагают в помещении операторной, в блок-боксах, камерах переключения, в приямках, куда могут поступать и накапливаться горючие пары жидкостей в количестве, достаточном для образования горючих концентраций. Для предотвращения этой опасности применяют взрывозащищенное электрооборудование, блок-боксы, камеры переключения, операторные с электрооборудованием нормального исполнения обеспечивают гарантированным подпором чистого воздуха или выносят за пределы взрывоопасной зоны.

Характерными путями распространения пожара могут быть:

дыхательная арматура (патрубки);

трубопроводы газоуравнительной обвязки резервуаров;

разлившиеся нефтепродукты;

горючие паровоздушные смеси, образующиеся при загазованности территории.

Опасность распространения пожара через дыхательные патрубки внутрь резервуара и по трубопроводам газоуравнительной обвязки существует только для емкостей с ЛВЖ, а при пожаре опасность может появиться и в резервуарах с ГЖ. Поэтому дыхательные патрубки резервуаров защищаются от распространения пламени огнепреградителями с насадком, выполненным в виде кассеты со спирально свернутыми совместно гофрированной и плоской лентами. Такие огнепреградители могут быть совмещены с дыхательными клапанами. Для надежной защиты трубопроводов ГУС от избыточного давления в узле огнепреградителя устанавливают разрывные мембраны.

Растекание нефти и нефтепродуктов может происходить по разным причинам. Даже небольшие утечки через не плотности во фланцевых соединениях, через сальники задвижек и т.п., если они систематические, могут привести к постепенному пропитыванию поверхности грунта или твердого покрытия в помещениях или на территории парка. Эта опасность исключается:

своевременным устранением мест утечек;

оборудованием приемо-раздаточных патрубков хлопушками, препятствующими самопроизвольному истечению нефтепродуктов из резервуаров.

Переливы в результате переполнения резервуаров предупреждают контролем за уровнем жидкости в период их наполнения. Для этой цели резервуары с избыточным давлением в газовом пространстве выше 200 мм вод. ст. оборудуют стационарными устройствами для дистанционного измерения уровня, которые дополняются блокировкой, обеспечивающей автоматическое отключение наполнительных насосов при достижении в резервуаре предельного уровня жидкости.

Предупреждение аварийного растекания уровня жидкости обеспечивается выбором площадки для резервуарного парка с учетом рельефа местности (их размещают на более низких отметках земли), а также устройством вокруг отдельно стоящих резервуаров или группы резервуаров обвалования с отводом разлившейся жидкости в систему канализации. Обвалование может быть выполнено в виде сплошного земляного вала или стены, рассчитанными на гидростатическое давление вылившейся жидкости. Оно должно вмещать объем наибольшего резервуара, находящегося в данном обваловании. Однако такое обвалование на рассчитано на удержание нефтепродукта при динамическом воздействии волны, образующейся в результате полного повреждения резервуара. Поэтому при большом объеме резервуаров за первым обвалованием на некотором расстоянии устанавливают второе обвалование или предусматривают сбор разлитого нефтепродукта с помощью отводных канав в земляные амбары. Роль второго обвалования могут выполнять дороги с повышенным профилем проезжей части.

5. Описание программных комплексов для моделирования динамики ОФП

5.1 Описание математической модели для расчета динамики пожара

Основой для полевых моделей пожаров являются уравнения, выражающие законы сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов в рассматриваемом малом контрольном объеме. Данные уравнения приведены согласно работе [11].

Уравнение сохранения массы

Уравнение сохранения импульса

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется выражением

Уравнение энергии

где - статическая энтальпия смеси;

Нk - теплота образования k-го компонента; - теплоемкость смеси при постоянном давлении; - радиационный поток энергии в направлении xj.

Уравнение сохранения химического компонента k

Для замыкания системы уравнений (3.1)-(3.5) используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет следующий вид

где Rо - универсальная газовая постоянная; Mk - молярная масса k-гo компонента.

Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же, как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорость и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую. Например, для скорости.

где .

После разложения всех переменных аналогично уравнению (3.7) и их подстановки в уравнения сохранения получаем систему уравнений, осредненных по времени. При этом, например, уравнение сохранения массы принимает следующий вид

Это уравнение очень похоже на исходное уравнение (3.1). Отличие состоит в появившемся дополнительном члене , который представляет собой турбулентный перенос массы из-за флуктуации плотности и скорости.

Аналогичные подстановки в другие уравнения сохранения приводят к появлению новых членов, содержащих пульсационные составляющие переменных. Даже если можно пренебречь флуктуациями плотности, например, вдали от источника пожара, где горение отсутствует и турбулентный перенос массы незначителен, в уравнении сохранения импульса остаются члены вида , представляющие собой дополнительные потоки, вызванные турбулентными флуктуациями. Эти члены известны как напряжения Рейнольдса и обусловлены в большей степени случайным движением, чем молекулярной активностью. По величине они обычно значительно превосходят касательные напряжения, связанные с молекулярной вязкостью. В уравнениях сохранения энергии и масс компонентов присутствуют члены вида и , которые описывают турбулентный перенос энтальпии и масс компонентов.

Если пренебречь флуктуациями плотности, то осредненные по Рейнольдсу (по времени) уравнения сохранения можно записать в следующем виде

Однако такое осреднение имеет ряд недостатков при описании потоков с переменной плотностью, характерных для пожаров. Более приемлемое описание может быть получено при использовании осреднения, взвешенного по плотности (осреднение по Фавру). При этом все переменные, кроме плотности и давления, для которых используется обычное осреднение, представляются в виде

где .

При этом уравнения сохранения принимают вид, аналогичный системе (3.9)-(3.12), однако они учитывают флуктуации плотности, что существенно при рассмотрении областей, где происходит горение.

Эти уравнения, в отличие от исходных, не являются замкнутой системой. Поскольку члены вида () неизвестны, возникает проблема, называемая турбулентным замыканием. Хотя возможно записать 'точные' уравнения переноса для этих величин, в этом мало смысла, поскольку они будут содержать неизвестные более высокого порядка. Поэтому в большинстве случаев влиянием флуктуации либо пренебрегают, либо используют для замыкания системы 'модели турбулентности'.

Следует отметить, что при моделировании пожаров используется и другой подход [12], когда система (3.1)-(3.5) с помощью ряда допущений и без перехода к осредненным параметрам решается на самой мелкой сетке, какая возможна.

При этом удается впрямую смоделировать поведение турбулентных вихрей, масштаб которых превышает масштаб расчетной сетки. Достоинством такого подхода является то, что в нем не используется модель турбулентности, однако он требует больших затрат машинного времени и мало апробирован.

Моделирование турбулентности

Многие подходы к моделированию влияния турбулентного переноса восходят к концепции вихревой вязкости Буссинеска.

В ней кажущиеся турбулентные касательные напряжения, по аналогии с вязкостными напряжениями в ламинарном потоке (уравнение (3.3)), предполагаются пропорциональными производным от средней скорости

Коэффициент пропорциональности vt, называемый турбулентной или вихревой вязкостью, является характеристикой потока, а не жидкости, как молекулярная вязкость, и изменяется во времени и пространстве.

Данная гипотеза основывается на аналогии между турбулентным течением и кинетической теорией газов.

При рассмотрении турбулентных вихрей можно считать, что они соударяются и обмениваются импульсом при характеристической скорости и масштабе длины, аналогичном длине свободного пробега в классической кинетической теории.

Таким образом

где k1/2 - характеристическая скорость; k = /2 - турбулентная кинетическая энергия; l - характеристическая длина смешения; - константа.

По аналогии с турбулентным переносом импульса, потоки скаляров () и () часто моделируются с помощью допущения о градиентной диффузии

где ГФ - вихревой или турбулентный коэффициент переноса, соответствующий скаляру Ф. Как и вихревая вязкость, он является свойством местной степени турбулентности потока, а не свойством жидкости. При таком описании в неявной форме вводится допущение об изотропности турбулентности, то есть идентичности vt и ГФ по всем направлениям. Часто предполагается, что коэффициент переноса для скаляра равен отношению турбулентной вязкости к турбулентному числу Прандтля или Шмидта

Величина vt определяется с помощью модели турбулентности. Наибольшее распространение при моделировании пожаров получила k- модель. В ней решаются два уравнения переноса, аналогичные уравнениям (3.9)-(3.12): одно для турбулентной кинетической энергии k и второе для вязкостной диссипации этой энергии во внутреннюю энергию жидкости. Уравнение переноса для k можно вывести из осредненных по времени уравнений сохранения импульса

где .

Это уравнение выражает баланс изменения турбулентной энергии с учетом процессов конвективного и диффузионного переноса, а также механизмов ее генерации и диссипации.

Первый член справа описывает диффузионное пространственное перераспределение турбулентной кинетической энергии в поле потока за счет флуктуации скорости' флуктуации давления и молекулярной вязкости. Вклад последней при высоких числах Рейнольдса пренебрежимо мал. Второй член представляет собой генерацию турбулентной кинетической энергии за счет энергии осредненного движения. Третий источниковый член, обусловленный действием архимедовой силы, играет при пожарах очень важную роль. Он описывает обмен турбулентной кинетической энергии с потенциальной энергией системы. Последний член, который определяется с помощью второго уравнения переноса, - это стоковый член, описывающий переход турбулентной кинетической энергии во внутреннюю энергию жидкости за счет вязкостной диссипации

Используя концепцию вихревой вязкости, уравнение (3.18) можно записать в виде

Далее при моделировании вводится предположение, что масштаб длины, связанный с большими энергосодержащими вихрями, определяется выражением

и, таким образом

где СD и C = СD - эмпирические константы.

Уравнение переноса для можно записать в виде

где С1, С2, С3 и - эмпирические константы. Источниковые члены, обусловленные вязкостными напряжениями и плавучестью, определяются выражениями

Систему уравнений (3.9)-(3.12), (3.18), (3.23) часто записывают в форме обобщенного уравнения переноса

где Ф - консервативная величина (скаляр), ГФ - соответствующий ей коэффициент переноса; SФ - источникоый член.

Уравнение (3.26) описывает сохранение импульса при Ф = h, сохранение энергии при Ф = ui , сохранение массы при Ф = 1, сохранение массы компонентов при Ф = Yk , перенос кинетической энергии турбулентности при Ф = k и скорости ее диссипации при Ф = .

Модели горения

Различные исследователи по-разному моделируют процессы тепло- и массовыделения при горении. Наиболее простым способом является моделирование очага пожара с помощью теплового источника с предварительно заданной мощностью тепловыделения. При этом уравнения сохранения масс компонентов не решаются. Выражение для энтальпии принимает вид , а в уравнение энергии вводится дополнительный источниковый член. Хотя в ряде случаев такие модели дают неплохие результаты, они не позволяют учитывать зависимость величины тепловыделения от условий потока и возможного недостатка одного из реагентов.

Более строгим является подход Баума и др. [12], когда горение моделируется с помощью множества лагранжевых элементов, в пределах каждого из которых имеются источники тепловыделения и образования дыма с постоянными заранее заданными величинами. Это позволяет, например, учитывать отклонение пламени при наличии ветра.

Однако в большинстве современных программ очаг пожара моделируется с помощью непосредственно моделей горения. Это позволяет, во-первых, смоделировать процесс перемешивания горючего и воздуха и, таким образом, рассчитать (а не задать предварительно) величину тепловыделения; во-вторых, с помощью расчета образования и переноса химических компонентов оценить локальные концентрации токсичных компонентов и радиационные свойства среды.

При моделировании пожаров часто бывает достаточно представить процесс горения в виде одной одноступенчатой реакции

F + sO (1 + s)P

где F, О и Р обозначают массы горючего, окислителя и продукта соответственно.

Во многих случаях можно считать, что химическое взаимодействие протекает бесконечно быстро, и скорость реакции определяется скоростью перемешивания горючего и окислителя, а не химической кинетикой.

В общем случае задача включает в себя решение уравнений сохранения для каждого из компонентов реакции. Однако можно переписать уравнения сохранения компонентов через функцию смешения (консервативная величина)

где = Yf - (Y0/s) - консервативная переменная Шваба-Зельдовича, а индексы f и 0 относятся к горючему и окислителю соответственно. Если предположить, что коэффициенты диффузии компонентов равны, становится возможным избавиться от источникового члена при определении степени смешения топлива и окислителя. Если реакция необратима и можно предположить, что она протекает бесконечно быстро, то локальные массовые доли можно определить непосредственно через среднее по времени значение функции смешения f

[Yox,0 + (Yf, f - Yox,0)f] - Yox,0, 0 < f < fst

Ypr = [Yox,0 + (Yf, f - Yox,0)f] - Yf, f , fst < f < 1

где стехиометрическое fst значение находим:

где Yox,0 - массовая доля кислорода в потоке окислителя, a Yf, f - массовая доля топлива в потоке газообразных продуктов пиролиза.

Очевидно, что при этом не учитывается влияние турбулентных пульсаций на химическую реакцию. Они могут быть учтены с помощью диффузионно-вихревой модели [13]. В этой модели, кроме уравнения переноса для f решается уравнение для Yf.

В ней в случае открытого пожара скорость реакции будет определяться местной концентрацией горючего, за исключением области вблизи источника продуктов пиролиза. При регулируемых вентиляцией пожарах в помещениях наблюдается дефицит воздуха, и, следовательно, потребление топлива будет определяться концентрацией кислорода. Третий член вводится для ограничения скорости реакции в холодных смесях

где С = 4, а В полагают равным 2.

Предположение для замыкания источникового члена (формула (3.31)) позволяет, помимо уравнения переноса для f, решать уравнение для массовой доли топлива и рассчитывать массовую долю каждого компонента упрощенной химической реакции. Модели этого типа успешно использовались при решении различных задач пожарной безопасности и оптимизации процесса горения в промышленных установках. Достоинством модели является ее простота. Она позволяет рассчитывать распределенное по объему выделение энергии, определяемое геометрией помещения и доступом воздуха. Можно определить концентрации CO2 и Н2O, если предположить, что они являются единственными продуктами горения.

Однако с помощью такой схемы нельзя учесть влияние конечности скорости химических реакций. Для корректного расчета концентраций продуктов неполного окисления, таких, как СО и сажа, необходима более усложненная модель.

Довольно перспективной является модель ламинарных элементов пламени [14, 16]. В ней предполагается, что горение происходит только в тонких ламинарных элементах пламени, входящих в турбулентное поле потока. Соотношения между мгновенным химическим составом и функцией смешения в таких условиях могут быть определены вычислительным путем, для простых горючих, таких, как метан и пропан, с достаточно хорошо известной кинетикой химических реакций. Однако встречающаяся на практике горючая нагрузка обычно имеет сложный химический состав, поэтому, из-за отсутствия соответствующих соотношений, в настоящее время данная модель мало применима для практических задач.

Радиационный теплоперенос

Наиболее простым способом учета радиационных тепловых потерь является так называемая R -модель. Она состоит в том, что мощность тепловыделения в очаге горения путем занижения теплоты сгорания уменьшается на долю тепла R, теряемую за счет излучения. Эта доля задается на основе экспериментальных данных в зависимости от вида топлива. Несмотря на кажущуюся примитивность, такая модель на начальной стадии пожара часто дает хорошие результаты.

Однако часто возникают задачи, требующие более точного моделирования радиационного теплопереноса.

Влияние радиационного теплопереноса выражается через источниковый член в уравнении сохранения энергии. Кроме того, радиационные потоки сильно влияют на температуры поверхностей стен помещения, а следовательно, на распространение пламени.

Основное уравнение радиационного переноса можно записать в виде

где I - интенсивность радиационного излучения в направлении ; s - расстояние в направлении ; Eg = - энергия, излучаемая абсолютно черным газом при температуре газа Tg; ka и ks - коэффициенты поглощения и рассеяния; Р(, ') - вероятность того, что излучение в направлении ' после рассеяния попадет в телесный угол d в окрестности направления . Это уравнение необходимо интегрировать по всем направлениям и длинам волн. Для большинства практических задач точное решение невозможно, вместо него разработано несколько приближенных методов, которые и используются для моделирования динамики пожаров в помещениях.

Потоковые методы

Если разделить пространственное и угловое распределение интенсивности излучения, задачу можно существенно упростить. Этот подход используется в 'потоковых методах' [15]. Если предположить, что спектральная интенсивность постоянна в пределах заданных интервалов телесного угла, то уравнение радиационного переноса сводится к нескольким связанным между собой обыкновенным линейным дифференциальным уравнениям относительно осредненных по пространству интенсивностей или потоков излучения.

Если телесные углы совпадают с поверхностями контрольного объема в декартовом пространстве и если предположить, что поток излучения через каждую поверхность однороден, то, обозначив через Fi+ тепловой поток, проходящий через контрольный объем в положительном направлении i, и через Fi- - поток в отрицательном направлении i, имеем

где ka и ks - локальные коэффициенты поглощения и рассеяния, а Еb - количество тепла, излучаемого контрольным объемом, если он является абсолютно черным.

Объединяя эти уравнения и дифференцируя их по xi получаем

где

Уравнение имеет тот же вид, что и обобщенное уравнение сохранения (3.26), и может быть решено с помощью того же численного алгоритма. Вклад излучения в источниковый член уравнения энергии для каждого контрольного объема

Эта модель очень привлекательна для использования в полевых моделях, поскольку в ней используется тот же численный метод, что и для решения уравнений гидродинамики. Однако этот метод имеет ряд недостатков, среди которых одним из главных, применительно к пожарам, является неточность метода при моделировании радиационного переноса под углом к декартовой сетке.

Потоковые методы годятся, например, при определении радиационного переноса от припотолочного слоя к полу помещения, но они неточны вблизи очага, где скорость распространения фронта пламени может зависеть от переноса тепла, направленного под углом к сетке.

Метод дискретного радиационного переноса

Эта модель, разработанная Локвудом и Шахом [17], преодолевает основной недостаток потоковых методов. Для нее характерны некоторые черты методов Монте-Карло, а именно прохождение 'лучей' электромагнитного излучения через вычислительную область между границами. Однако в отличие от методов Монте-Карло, где направления лучей генерируются случайным образом, в этой модели они выбираются предварительно, таким же образом, как выбирается расположение гидродинамической сетки. Метод включает в себя решение уравнения радиационного переноса вдоль путей этих лучей, выбираемых обычно таким образом, чтобы они приходили в центры граничных поверхностей гидродинамических контрольных объемов.

Число и направление лучей для каждой точки выбираются предварительно, чтобы обеспечить желаемый уровень точности, аналогично тому, как выбирается конечно-разностная сетка для проведения гидродинамических расчетов. Полусфера вокруг каждой точки разбивается на сегменты с равными площадями поверхностей на полусфере, в пределах которых интенсивность считается однородной.

Для каждого луча при его прохождении от одной границы до другой решается уравнение радиационного переноса (3.32). Если для краткости ввести: коэффициент ослабления ke = ka + ks, оптическую глубину элемента ds* = keds и модифицированную энергию излучения

то уравнение переноса можно переписать в виде

Для элементарного контрольного объема, в котором температуру можно считать постоянной, уравнение можно проинтегрировать и привести к виду

Если считать величину Е* постоянной внутри контрольного объема, что вполне согласуется с обычной практикой применения конечно-разностного подхода к уравнениям динамики жидкости, получается простое рекуррентное соотношение

где In и In+1 - соответственно значения интенсивности излучения, входящего и выходящего из n-го контрольного объема;

s* - оптическая длина контрольного объема.

Затем в каждом контрольном объеме, с учетом всех пересекающих его лучей, вычисляется величина чистого поглощения или выделения энергии излучения, которая, как упоминалось выше, может использоваться в уравнении сохранения энергии. Для n-го контрольного объема

где N - общее количество лучей, А - площадь поверхности ячейки.

5.2 Описание математической модели распространения взрыва и ударной волны

Анализ поведения взрывной волны начинается с рассмотрения основных законов гидродинамики и теплопереноса. Это законы сохранения массы, момента и энергии. Далее идут уравнения и предположения, описывающие процессы характерные для взрыва, такие как: импульс давления, химическое реагирование, скорость распространения волны и прочие.

Уравнение сохранения массы или уравнение неразрывности имеет вид

Уравнения сохранения количества движения

где ф _ тензор вязких напряжений, F - вектор объемных сил.

Составляющие тензора вязких напряжений фij определяются как

где µ - динамическая (молекулярная) вязкость, ui - компоненты вектора скорости.

Уравнение сохранения энергии рассматривается в следующем виде

где л - коэффициент теплопроводности, Sh - источниковый член, отвечающий за приток (отток) энергии в процессе химического реагирования, излучения, или каких-либо других процессах.

Энтальпия многокомпонентной среды определяется по правилу смеси

где энтальпия компонент hm(T) вычисляется как

Удельная теплоемкость компонент задается в виде полинома 4-ой степени от температуры

Уравнение переноса концентрации компонент

где Ym - массовая доля m-той компоненты, Dm - коэффициент диффузии компонента m, SYm - источниковый член, отвечающий за изменение компоненты в процессах химического реагирования или в каких-либо других процессах.

Коэффициент избытка горючего определяется по формуле

Модель смешения газов:

Молярная

Массовая

Закон идеального газа для смеси

Адиабатическое соотношение

Скорость звука

Число Маха

Связь давления, плотности и температуры

Детерминированные и вероятностные критерии оценки поражающего действия волны давления и теплового излучения на людей

На объектах наиболее опасными поражающими факторами пожара являются волна давления и расширяющиеся продукты сгорания при различных режимах сгорания газо-, паро- или пылевоздушного облака, а также тепловое излучение пожаров.

Детерминированные критерии показывают значения параметров опасного фактора пожара, при которых наблюдается тот или иной уровень поражения людей.

В случае использования детерминированных критериев условная вероятность поражения принимается равной 1, если значение критерия превышает предельно-допустимый уровень, и равной 0, если значение критерия не превышает предельно допустимый уровень поражения людей.

Вероятностные критерии показывают, какова условная вероятность поражения людей при заданном значении опасного фактора пожара.

Ниже приведены некоторые критерии поражения людей перечисленными выше опасными факторами пожара.

Критерии поражения волной давления

Детерминированные критерии поражения людей, в том числе находящихся в здании, избыточным давлением при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей в помещениях или на открытом пространстве приведены в таблице П4.1 Методики.

В качестве вероятностного критерия поражения используется понятие пробит-функции. В общем случае пробит-функция Рr описывается формулой

где a, b - константы, зависящие от степени поражения и вида объекта;

S - интенсивность воздействующего фактора.

Соотношения между величиной Рr и условной вероятностью поражения человека приведено в таблице П 4.2 Методика.

Таблица П 4.1

Таблица П4.2

При отсутствии в таблице П4.2 необходимых данных, значения условной вероятности поражения человека Qdj(a) в зависимости от значения пробит-функции Pr определяется по формуле:

Для воздействия волны давления на человека, находящегося вне здания, формулы для пробит-функции имеют вид

где m - масса тела человека (допускается принимать равной 70 кг), кг;

P - избыточное давление волны давления, Па;

I+ - импульс волны давления, Па·с;

P0 - атмосферное давление, Па.

Пробит-функции для разрушения зданий имеют вид:

для тяжелых разрушений

для полного разрушения

При оценке условной вероятности поражения человека, находящегося в здании следует использовать пробит-функцию, определяемую по формулам (8.7) - (8.8).

6. Расчет пожарных рисков на объекте

6.1 Расчет времени блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара

Согласно Методике, время от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения опасных факторов пожара определяется путем выбора из полученных в результате расчетов значений критической продолжительности пожара минимального времени

Критическая продолжительность пожара по каждому из опасных факторов определяется как время достижения этим фактором критического значения на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.

Для описания термогазодинамических параметров пожара использовалась полевая модель (Приложение № 6 Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности).

Критическое время по каждому из опасных факторов пожара определяется как время достижения этим фактором предельно допустимого значения на путях эвакуации на высоте 1,7 м от пола.

Предельно допустимые значения по каждому из опасных факторов пожара составляют:

· по повышенной температуре - 70°С;

· по тепловому потоку - 1400 Вт/м;

· по потере видимости - 20 м (для случая, когда оба горизонтальных линейных размера помещения меньше 20 м, предельно допустимое расстояние по потере видимости следует принимать равным наибольшему горизонтальному линейному размеру);

· по пониженному содержанию кислорода - 0,226 кг/м;

· по каждому из токсичных газообразных продуктов горения (СО - 0,11 кг/м; СО - 1,16·10 кг/м; HCL - 23·10 кг/м).

Для данного объекта геометрия (рис. 2) и расчетная сетка (рис. 3) строились на основе планов помещений здания. Расчетная сетка состояла из 225 000 расчетных ячеек, характерный размер ячейки - 0,2 м.

Рис. 2 Геометрия объекта

Рис. 3 Расчетная сетка

Параметры горючей нагрузки представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры горючей нагрузки

Выбор сценариев пожара

Сценарий №1.

Потенциальный пожар возникает в кабинете. Месторасположения очага пожара определяет блокирование ближайшего эвакуационного выхода и способствует быстрому распространению ОФП. В данном сценарии моделирование пожара происходило с открытыми дверями.

Сценарий №2.

Потенциальный пожар возникает в кабинете. Месторасположения очага пожара определяет блокирование ближайшего эвакуационного выхода и способствует быстрому распространению ОФП. В данном сценарии моделирование пожара происходило с учетом того, что на двери были установлены доводчики, открытыми двери были ведущие в зону безопасности.

Очаг предполагаемого пожара был расположен таким образом, чтобы максимально быстро заблокировать эвакуационные выходы (рис. 4). При таком сценарии произойдет блокировка эвакуационных выходов скорейшим образом.

Рис. 4 Расположение очага пожара

Развитие пожара в АБК, без установки дверей с доводчиками.

При развитии пожара наиболее быстро распространяются следующие опасные факторы: дым и температура. При моделировании пожароопасной ситуации в помещениях здании были открыты двери, так как в кабинетах не предусматривалось установка дверей с доводчиками. Модель строилась для первого этажа в силу того, что при возникновении пожара на первом этаже здания, создастся наихудшая ситуация - ОФП, заблокировав первый этаж, продолжат блокировать верхние этажи.

На 54 секунде начинается задымление помещения с очагом пожара, блокирование эвакуационных выходов не происходит, опасные факторы пожара не воздействуют на персонал (рис.5).

Рис. 5 Поле распределения видимости на 54 секунде пожара

На 89 секунде пожара происходит задымление кабинета с очагом пожара, дым начинается распространяться по коридору (рис. 6).

Рис. 6 Поле распределения видимости на 89 секунде пожара

Далее происходит распространение опасных факторов пожара по площади здания. На рисунке 7 изображено поле видимости на 126 секунде пожара, из рисунка видно, что дымовая аэрозоль, охладившись о конструкцию здания, начинает опускаться на высоту рабочей зоны, и блокирует эвакуационный пути.

Рис. 7 Поле распределения видимости на 126 секунде пожара

На 214 секунде происходит блокировка всех эвакуационных путей (рис8.) безопасная эвакуация не возможна.

Рис. 8 Поле распределения видимости на 214 секунде пожара

На рисунке 9 видно, что произошло полное задымление здания.

Рис. 9 Поле распределения видимости на 292 секунде пожара

На рисунке 10 представлено температурное поле на высоте рабочей зоны. Температура в помещении с очагом пожара начинает превышать допустимое значение 70°С, но блокировка путей эвакуации и эвакуационных выходов по признаку повышенной температуры не происходит.

Рис. 10 Поле распределения температуры на 73 секунде пожара

На 254секунде пожара, происходи повышение температуры по все площади здания, и эвакуационные пути блокируются, безопасная эвакуация не возможна.

Рис. 11 Поле распределения температуры на 254 секунде пожара

На рисунке 12 представлена температура стен, из рисунка видно, что прогрев стен достигает максимальной температуры в 50°С, данные показатели являются безопасными для человека и конструкции здания.

Рис. 12 Температура стен на 600 секунде пожара

Соответственно, анализ показывает, что наиболее опасным фактором пожара является потеря видимости. Результаты расчета показали, что достижение критического значения по признаку дальности видимости наступило на 3,58 минуте пожара. Таким образом, можно сделать вывод, что время блокирования равно фбл = 3,58 минуты (214 секунды).

На рисунках 13 - 15 продемонстрирована трехмерная модель распространения дыма на объекте защиты в различные моменты времени. Данная модель очень наглядно показывает развитие пожара и основные моменты задымления.

Рис. 13 Трехмерная модель пожара на 70 секунде.

Рис. 14 Трехмерная модель пожара на 220 секунде.

Рис. 15 Трехмерная модель пожара на 560 секунде

Развитие пожара в АБК, двери с доводчиками.

При моделировании пожароопасной ситуации в помещениях здании были установлены двери с доводчиками, так же учитывалось вариант, что двери не газодымозащитные, а имеет пропускаемую способность опасных факторов пожара.

На 83 секунде пожара дым заполняет помещение с очагом, блокирование эвакуационных путей не происходит (рис.16).

Рис. 16 Поле распределения видимости на 83 секунде пожара

На 210 секунде пожара дым медленно проходит через не уплотнённые двери, содержащие щели и медленно распространяется по коридору. Помещение с очагом полностью оказывается в дыму.

Рис. 17 Поле распределения видимости на 210 секунде пожара.

На 316 секунде происходит блокирование эвакуационных путей и выходов, дым распространяется по все площади помещения.

Рис. 18 Поле распределения видимости на 316 секунде пожара.

На рисунке №19 секунде происходит полное задымление остальных помещений.

Рис.19 Поле распределения видимости на 654 секунде пожара

На рисунке 20 представлено температурное поле на высоте рабочей зоны. Температура в помещении с очагом пожара начинает превышать допустимое значение 70°С, но блокировка путей эвакуации и эвакуационных выходов по признаку повышенной температуры не происходит.

Рис. 20 Поле распределения температуры на 68 секунде пожара

На 394 секунде пожара, происходи повышение температуры по всей площади здания, эвакуационные пути блокируются, безопасная эвакуация людей не возможна.

Рис. 21 Поле распределения температуры на 394 секунде пожара

Соответственно, анализ показывает, что наиболее опасным фактором пожара является потеря видимости. Результаты расчета показали, что достижение критического значения по признаку дальности видимости наступило на 5,26 минуте пожара. Таким образом, можно сделать вывод, что время блокирования равно фбл = 5,26 минуты (316 секунды).

6.2 Определение расчетного времени эвакуации людей из административно бытового комплекса

Расчетное время эвакуации людей tР из помещений и зданий устанавливают по расчету времени движения одного или нескольких людских потоков через эвакуационные выходы от наиболее удаленных мест размещения людей непосредственно наружу или в безопасную зону.

При расчете весь путь движения людского потока подразделяют на участки (проход, коридор, дверной проем, лестничный марш, тамбур) длиной li и шириной дi. Начальными участками являются проходы между рабочими местами, оборудованием, рядами кресел и т.п.

При определении расчетного времени длину и ширину каждого участка пути эвакуации для проектируемых зданий и сооружений принимают по проекту, а для существующих - по факту. Длину пути по лестничным маршам, а также по пандусам измеряют по длине марша. Длину пути в дверном проеме принимают равной нулю. Проем, расположенный в стене толщиной более 0,7 м, а также тамбур следует считать самостоятельными участками горизонтального пути, имеющими конечную длину li.

Расчетное время эвакуации людей tР следует определять как сумму времени движения людского потока по отдельным участкам пути ti по формуле

tP = t1 + t2 + t3 +... + ti

где t1 - время движения людского потока на первом (начальном) участке, мин;

t2, t3,..., ti - время движения людского потока на каждом из следующих после первого участка пути, мин.

Время движения людского потока по первому участку пути ti, мин, определяется по формуле

где l1 - длина первого участка пути, м;

v1 - скорость движения людского потока по горизонтальному пути на первом участке, м/мин (определяют по таблице 5 в зависимости от плотности D).

Плотность однородного людского потока на первом участке пути D1 определяется по формуле

где N1 - число людей на первом участке, чел;

f - средняя площадь горизонтальной проекции человека, м2, принимаемая равной 0,125;

д1 - ширина первого участка пути, м.

Скорость v1 движения людского потока на участках пути, следующих после первого, принимают по таблице 2 в зависимости от интенсивности движения людского потока по каждому из этих участков пути, которая определяется для всех участков пути, в том числе и для дверных проемов, по формуле

где дi, дi-1 - ширина рассматриваемого i-го и предшествующего ему участка пути, м;

qi, qi-1 - интенсивности движения людского потока по рассматриваемому i-му и предшествующему участкам пути, м/мин.

Интенсивность движения людского потока на первом участке пути q =qi-1 определяют по таблице 5 по значению D1.

Таблица 5. Интенсивность и скорость движения людского потока при различной на разных участках путей эвакуации в зависимости от плотности

Если значение qi меньше или равно qmax, то время движения по участку пути ti, мин, равно

при этом значения qmax, м/мин, следует принимать равными:

16,5 - для горизонтальных путей;

19,6 - для дверных проемов;

16,0 - для лестницы вниз;

11,0 - для лестницы вверх.

Если значение qi больше qmax то ширину дi данного участка пути следует увеличивать на такое значение, при котором соблюдается условие:

qi ? qmax.

При невозможности выполнения условия интенсивность и скорость движения людского потока по участку i определяют по таблице 2 при значении D = 0,9 и более. При этом следует учитывать время задержки движения людей из-за образовавшегося скопления.

Время задержки tзад движения на участке i из-за образовавшегося скопления людей на границе с последующим участком (i+1) определяется по формуле

где N - количество людей, чел;

f - площадь горизонтальной проекции, м2;

qD - интенсивность движения через участок (i+1) при плотности 0,9 и более, м/мин;

i+1 - ширина участка, м, при вхождении на который образовалось скопление людей;

qi - интенсивность движения на участке i, м/мин;

i - ширина предшествующего участка i, м.

Время существования скопления tСК на участке i определяется по формуле

Расчётное время эвакуации по участку i, в конце которого на границе с участком (i+1) образовалось скопление людей равно времени существования скопления tСК. Расчётное время эвакуации по участку i допускается определять по формуле

При слиянии в начале участка i двух и более людских потоков (рис. 22) интенсивность движения qi, м/мин, определяется по формуле

где qi-1 - интенсивность движения людских потоков, сливающихся в начале участка i, м/мин;

i-1 - ширина участков пути слияния, м;

i - ширина рассматриваемого участка пути, м.

Если значение qi больше qmax то ширину дi, данного участка пути следует увеличивать на такое значение, чтобы соблюдалось условие.

Рис. 22 Слияние людских потоков

Если значение qi больше qmax, то ширину di данного участка пути следует увеличивать на такую величину, чтобы соблюдалось условие qi.qmax.

В этом случае время движения по участку i определяется по формуле

Эвакуация из здания АБК

Время эвакуации определяется без учета времени задержки на оповещение людей о пожаре, т.е. все люди, находящиеся в здании, после получения сигнала о пожаре начинают движение к эвакуационным выходам одновременно.

Количество людей в здании задавалось в соответствии с технологическим заданием на проектирование объекта (22 человека на этаже).

Рисунок 22. Схема эвакуации людей из здания.

Ниже представлены таблицы с результатами расчета времени эвакуации на участках.

Общее расчетное время эвакуации из здания составляет 1,18 минуты.

1) Здание оборудовано системой оповещения и управления эвакуацией людей II типа.

Так как объект защиты оборудован системой оповещения и управления эвакуацией людей, то время начала эвакуации принимается tнэ равным 3 минуты, согласно Приложения № 5 (Таблица П5.1) Методики.

2) Здание оборудовано системой оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа

Так как объект защиты оборудован системой оповещения и управления эвакуацией людей, то время начала эвакуации принимается tнэ равным 1,5 минуты, согласно Приложения № 5 (Таблица П5.1) Методики.

Вероятность эвакуации Рэ рассчитывают по формуле

.

В таблице приведены значения параметров, необходимых для расчета Рэ для помещения. Во 2-ом столбце указанной таблицы приведено время блокирования людей в случае пожара, в 3-ем столбце - расчетное время эвакуации людей из соответствующей зоны. В 4-м столбце - время начала эвакуации, в 5-м столбце приведено рассчитанное значение вероятности эвакуации людей из помещения (Рэ).

Сводная таблица

При анализе полученных данных видно, что в первом варианте наступления блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара происходит быстрее, чем люди успевают эвакуироваться. Следовательно, условие обеспеченности безопасной эвакуации людей при пожаре не выполняется и данные мероприятия по обеспечению пожарной безопасности не обеспечиваются. Для обеспечения пожарной безопасности объекта необходима установка дверей с доводчиками или установка системы оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа.

6.3 Определение величин индивидуального пожарного риска в административно бытовом комплексе

Расчетная величина индивидуального пожарного риска QВ для людей, находящихся в рассматриваемом здании определяется по формуле (2) Методики.

Согласно Методике, при отсутствии статистической информации допускается принимать частоту возникновения пожара в здании Qп = 4·10-2.

Вероятность присутствия людей в помещении определяется на основе времени нахождения людей в здании в течение суток и составляет 8 часов. Следовательно, Рпр= 0,33.

Значение вероятность эвакуации людей Рэ = 0,999 и Рэ = 0 (из табл.).

Так как в здании оборудование системой АУП не требуется в соответствии с требованиями нормативных документов по пожарной безопасности, то вероятность эффективного срабатывания установок автоматического пожаротушения принимается равной: Rап = 0,9.

Вероятность эффективной работы системы противопожарной защиты Рп.з, направленной на обеспечение безопасной эвакуации людей при пожаре определяется по формуле (4) Методики. При этом, Rобн = 0,8; RСОУЭ = 0,8; RПДЗ = 0,8.

Следовательно, Рпз = 0,8704.

Подставляя полученные значения в формулу:

При Рэ = 0,999

Qв=Qп(1-Rап)Pпp(1-Рэ)(1-Pп.з),

получаем QВ = 1,5510-7.

При Рэ = 0

Qв=Qп(1-Rап)Pпp(1-Рэ)(1-Pп.з),

получаем QВ = 1,5510-4.

Таким образом при Рэ = 0,999, QВ = 1,5510-7 <= 10-6 и соотношение (1) Методики выполняется, а при Рэ = 0, QВ = 1,5510-4 >= 10-6 и соотношение не выполняется.

6.4 Моделирование взрывной волны

Наиболее опасным объектом по масштабам действия поражающего фактора взрывной ударной волной (ВУВ) и величине избыточного давления ВУВ является ректификационная колонна. В таком случае, опасный сценарий представляет следующее: полное разрушение рефлюксной емкости ректификационной колонны, выброс опасного вещества > испарение жидкости при соприкосновении с подстилающей поверхностью и образование из пролива ПГФ > интенсивное смешение паров с воздухом и образование облака ТВС > воспламенение при наличии источника зажигания облака ТВС > горение облака ТВС с возникновением воздушной ударной волны (ВУВ) > воздействие ВУВ на людей и близлежащие объекты.

Для объекта строилась математическая модель с учетом геометрии и расположения основных зданий и сооружений и теплофизических параметров веществ и материалов (рис. 23).

Колонна К-4 с рефлюксной емкостью Е-6 расположена в осях 6Б-6Б+50/7А+50-8А+50 на генеральном плане. Исследуемый объект - объект № 26 «Гараж» _ находится в осях 9Б+50-10Б/4А-5А. Расстояние между этими объектами составляет 430 метров.

Расчетная сетка состояла из 320355 ячеек (рис. 24). Для более корректного расчета была введена детальная сетка детализацией узлов на местах с потенциальным взрывом и возле исследуемого объекта.

Рис. 23 - Геометрия объекта

Рис. 24 - Расчетная сетка

С целью определения локальных параметров ударной волны (давление, температура, скорость) были введены контрольно-измерительные точки по периметру объекта № 26 «Гараж» (рис. 25а).

Также были дополнительно размещены три контрольно-измерительные точки на разных расстояниях от рефлюксной емкости: первая точка (Р65) - 30 м, вторая точка (Р66) - 110 м и третья точка (Р67) _ 130 м (рис 25б).

а) б)

Рис. 25 - Расположение измерительных точек: а) на объекте №26; б) возле источника взрыва

Результаты расчета

Рассматриваемая ситуация - избыточное давление и импульс волны давления при сгорании газопаровоздушной смеси в открытом пространстве. Оценка последствий воздействия опасных факторов взрыва на людей для различных сценариев их развития осуществляется на основе сопоставления информации о моделировании динамики опасных факторов пожара на территории объекта и прилегающей к нему территории и информации о критических для жизни и здоровья людей значениях опасных факторов пожара, взрыва. Для этого используются критерии поражения людей опасными факторами пожара.

Избыточное давление ДP и импульс I+ в волне давления, образующиеся при взрыве резервуара с перегретой ЛВЖ, ГЖ или сжиженным углеводородным газом в очаге пожара, определяются по формулам

;

;

,

где r _ расстояние от центра резервуара, м;

Eeff _ эффективная энергия взрыва, рассчитываемая по формуле:

k _ доля энергии волны давления (допускается принимать равной 0,5);

Cp _ удельная теплоемкость жидкости (допускается принимать равной 2000 Дж/(кг К);

m _ масса ЛВЖ, ГЖ или СУГ, содержащаяся в резервуаре, кг;

Т _ температура жидкой фазы, К;

Тb _ нормальная температура кипения, К.

Зоны поражения в случае такой аварии составят:

· полное разрушение зданий, ДP=100 кПа - 4,4 м;

· граница области сильных разрушений: 50% стен разрушено или находятся на стадии разрушения, ДP=53 кПа - 6,2 м;

· граница области значительных повреждений: повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку, ДP=28 кПа - 9,0 м;

· умеренные повреждения зданий (повреждение внутренних перегородок, рам, дверей и т.п.), ДP=12 кПа - 16,0 м;

· нижний порог повреждения человека волной давления, ДP=5 кПа-32,0 м;

· малые повреждения (разбита часть остекления), ДP=3 кПа - 49,0 м;

· без опасных последствий, ДP< 2 кПа - >50,0 м.

С целью получения более достоверных и точных данных необходимых для уточнения зон поражения, было проведено моделирование на основе полевой модели.

При моделировании взрыва ТВС принималось, что ударная волна взрыва, действующая на здание, может быть определена независимо от реакции самого объекта на это воздействие, и что само здание является жестким твердым телом, на котором происходят процессы отражения и дифракции взрывных волн, приводящие к изменению первоначальной картины течения среды за фронтом ударной волны взрыва. Это связанно, прежде всего, с большим различием между плотностями среды, по которой распространяется ударная волна взрыва (т.е. воздухом) и большинства твердых тел, испытывающих воздействие ударной волны взрыва. Поэтому данные предположения вполне могут быть использованы при решении задачи по расчету устойчивости строительных конструкций здания от воздействия ударной волны взрыва.

На рисунках ниже представлены поля давления и температуры в различные моменты времени аварии.

Рис. 26 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,005 с). Масштаб 10:1.

1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1.

На 0,01 секунде взрыва ТВС волна достигает конструкции, расположенной выше рефлюксной емкости (аппараты К-1, К-2,3, К-4, теплообменники Т-15-1, Т-15-2 (рис. 27).

Рис. 27 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,01 с). Масштаб 10:1. 1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1.

Рис. 28 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,015 с). Масштаб 10:1 1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1

На 0,025 секунде взрыва ударная волна взаимодействует с конструкциями колонны К-4 (рис. 29). Происходит отражение-переотражение - это приводит к частичному уменьшению давления в локальных точках.

Рис. 29 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,025 с). Масштаб 10:1.

1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1

Рис. 30 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,04 с). Масштаб 10:1.

1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1.

На 0,075 секунде волна достигает здания, расположенного непосредственно напротив рефлюксной емкости (сепаратор С-1) (рис. 31). Величина взрыва соответствует давлению в 3 кПа. Происходит локальное взаимодействие с конструкциями здания.

Через 0,04 секунды волна подавляется конструкциями здания и затухает (рис. 32). Далее происходит постепенно угасание основных параметров волны давления. Значение давления не представляет угрозы жизни и здоровью человека. Такие величины давления не оказывают структурного действия на здания, конструкции и сооружения.

На рисунках 33-34 представлены поля давления в различные моменты времени в масштабе исследуемого объекта.

Рис. 31 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,075 с). Масштаб 10:1.

1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1

Рис. 32- Поле давления на высоте 6,3 м (0,115 с). Масштаб 10:1.

1 - рефлюксная емкость; 2 - сепаратор С-1

Рис. 34 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,065 с). Масштаб 1:1.

1 - рефлюксная емкость (колонна К-4); 2 - сепаратор С-1; 3 - гараж; 4 - склад хранения материалов

Рис. 35 - Поле давления на высоте 6,3 м (0,155 с). Масштаб 1:1.

1 - рефлюксная емкость (колонна К-4); 2 - сепаратор С-1; 3 - гараж; 4 - склад хранения материалов

На рисунках 36-43 представлены поля температуры в различные временные интервалы.

Индексом «1» обозначена рефлюксная емкость, индексом «2» - объект № 26 «Гараж».

Рис. 36 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,02 с). Масштаб 10:1

Рис. 37 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,04 с). Масштаб 10:1

Рис. 38 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,07 с). Масштаб 10:1

Рис. 39 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,11 с). Масштаб 10:1

Рис. 40 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,2 с). Масштаб 10:1

Рис. 41 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,27 с). Масштаб 10:1

Рис. 42 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,4 с). Масштаб 10:1

Рис. 43 - Поле температуры на высоте 6,3 м (0,46 с). Масштаб 10:1.

На рисунках 44-46 представлены изоповерхности волны давления и ее взаимодействие с объектами. Распространение волны от блока с колонной К-4 и рефлюксной емкости к сепаратору С-1.

Рис. 44 - Изоповерхность волны давления на 0,05 сек.

Рис. 45 - Изоповерхность волны давления на 0,12 сек

Рис. 46 - Изоповерхность волны давления на 0,325 сек

На рисунке 47 представлен график зависимости изменения давления от расстояния.

Рис. 47 _ График распределения избыточного давления в зависимости от расстояния при взрыве рефлюксной емкости ректификационной колонны

Из графика видно, что волна от взрыва перестает быть опасной для людей и зданий и сооружений в радиусе 30 метров от очага взрыва.

В зону поражения попадают здания и сооружения, находящиеся в непосредственной близости от рефлюксной емкости. При расчетном сценарии объект исследования не попал под воздействие ударной волны. Это демонстрируют графики изменения давления в контрольно-измерительных точках (рис. 48).

Графики изменения давления в точках Р65-Р67 представлены на рисунке 49. Из графиков видно, что в этих точках не создается опасного давления и в зону поражения ударной волной не попадают объекты второй очереди строительства.

Рис. 48 _ Графики изменения давления в контрольно-измерительных точках на объекте «Гараж»

Рис. 49 _ Графики изменения давления в контрольных точках, расположенных вблизи опасного объекта

Также, в силу того, что объекты второй очереди строительства (комбинированная установка гидроочистки дизельного топлива с установкой производства водорода, установка сероочистки газов и установка замедленного коксования) находятся на достаточно удаленном расстоянии от эпицентра взрыва (рис. 50-51), они также не попадают в зону поражения.

В процессе моделирования был выполнен расчет по Методике определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах.

В таблице представлены сравнительные расчеты по степени поражения.

В результате расчета были уточнены зоны разрушения (рис. 50-51).

Рис. 50 - Радиусы волн давления

Рис. 51 - Воздействие от взрыва на вторую очередь строительства

Определение величин пожарных рисков на производственном объекте.

По результатам расчета по методике получаем, что при взрыве будут следующие параметры волны давления и результаты:

На расстоянии 4,4 метра, волновое давление ДP = 100,00 кПа, «пробит» -- функции Рr = 12,7

На расстоянии 6,2 метра, волновое давление ДP = 53,00 кПа, «пробит» -- функции Рr = 7,6

На расстоянии 9 метров, волновое давление ДP = 28 кПа, «пробит» -- функции Рr = 6,3

На расстоянии 16 метров, волновое давление ДP=12 кПа, «пробит» -- функции Рr = 4,9

На расстоянии 32 метров, волновое давление ДP = 5 кПа, «пробит» -- функции Рr = 3,6

На расстоянии 49 метров, волновое давление ДP= 3 кПа, «пробит» -- функции Рr = 2,23

По результатам расчета в программе FLACS получаем, что при взрыве будут следующие параметры:

На расстоянии 4,2 метра, волновое давление ДP = 100,00 кПа, «пробит» -- функции Рr = 12,7

На расстоянии 5,7 метра, волновое давление ДP = 53,00 кПа, «пробит» -- функции Рr = 7,6

На расстоянии 8 метров, волновое давление ДP = 28 кПа, «пробит» -- функции Рr = 6,3

На расстоянии 12 метров, волновое давление ДP=12 кПа, «пробит» -- функции Рr = 4,9

На расстоянии 18 метров, волновое давление ДP = 5 кПа, «пробит» -- функции Рr = 3,6

На расстоянии 30 метров, волновое давление ДP= 3 кПа, «пробит» -- функции Рr = 2,23

Для указанных значений «пробит» -- функции условная вероятность поражения человека поражающими факторами равна:

Рr = 12,7 = 100%

Рr = 7,6 = 99%

Рr = 6,3 = 90%

Рr = 4,9 = 46 %

Рr = 3,6 = 9 %

Рr = 2,23 = 0%

Потенциальный риск

По формуле (1) Методики (приказ № 404) определяем потенциальный риск для персонала находящегося на территории базы:

Вероятность сгорания паровоздушной смеси в открытом пространстве с образованием волны избыточного давления.

Qс.д = 1 10-7 0,0119 = 1,19 10-5 год-1.

Индивидуальный риск R, год-1, определяют по формуле

По формуле (Э.26) определяем индивидуальный риск на различных расстояниях по расчетным данным по методике:

На расстоянии 4,4 метра: R = 1 1,19 10-5 = 1,19 10-5

На расстоянии 6,2 метра: R = 0,99 1,19 10-5 = 1,17 10-5

На расстоянии 9 метра: R = 0,9 1,19 10-5 = 1,1 10-5

На расстоянии 16 метра: R = 0,46 1,19 10-5 = 5,47 10-5

На расстоянии 32 метра: R = 0,09 1,19 10-5 = 1,07 10-6

На расстоянии 49 метра: R = ~0,000001 1,19 10-5 = 1,19 10-10

По формуле определяем индивидуальный риск на различных расстояниях по расчетным данным в программе FLACS:

На расстоянии 4,2 метра: R = 1 1,19 10-5 = 1,19 10-5

На расстоянии 5,7 метра: R = 0,99 1,19 10-5 = 1,17 10-5

На расстоянии 8 метра: R = 0,9 1,19 10-5 = 1,1 10-5

На расстоянии 12 метра: R = 0,46 1,19 10-5 = 5,47 10-5

На расстоянии 18 метра: R = 0,09 1,19 10-5 = 1,07 10-6

На расстоянии 30 метра: R = ~0,000001 1,19 10-5 = 1,19 10-10

В результате проведенного расчета были уточнены зоны поражения ударной волной при взрыве ТВС при полном разрушении рефлюксной емкости ректификационной колонны. Также были определенны зоны риска по Методике и при расчете в программе.

На рисунках ниже предоставлены расчеты риска по Методике и в программе.

Рис. 52 - Поле рисков(расчет по Методике)

Рис. 53 - Поле рисков (расчет в программе)

Проведенные расчеты показывают, что при расчете в программе мы получаем более достоверные данные, которые позволяют нам в полном объеме оценить пожаровзрывоопасность объекта. На рисунке выше можно наблюдать, что в соседние объекты не попадают в зону риска, а так же под воздействия ударной волны, это позволяет при строительстве выполнить облегчение конструкции объекта.

Таким образом, необходимо перепроектирование объекта для облегчения связующих конструкций.

7. Оценка экономической эффективности мероприятий по снижению пожарного риска

В данной работе я буду рассматривать несколько вариантов различных противопожарных мероприятий и их экономическую выгоду.

Варианты, которые не обеспечивают пожаровзрыва безопасность в нужной степени, не рассматривались.

Варианты мероприятий связанных с изменением несущих конструкций. На примере АБК площадью 430 м2.

Базовый:

В качестве конструкций в зданиях применены сборные железобетонные балки БДР и металлические фермы из спаренных уголков прокатных профилей и кирпичную кладку.

Стоимость 1 м2 ~ 25 000 рублей.

Общая стоимость здания ~ 10 750 000 рублей.

Предлагаемый:

В качестве конструкций применены облегченные конструкции сборные бетонные панели.

Стоимость 1 м2 ~ 16 000 рублей.

Общая стоимость здания ~ 6 880 000 рублей.

Итого, экономическая эффективность по приведенным затратам:

Э = 10 750 000 руб. - 6 880 000 руб. = + 3 870 000 руб.

Варианты мероприятий связанных с установкой систем оповещения и эвакуации людей, и установкой дверей с доводчиками.

Базовый:

Все помещения объекта защиты, не оборудуются системой оповещения и управления эвакуацией людей.

В проходах между помещениями устанавливаются двери без доводчиков.

Для данного варианта экономическая эффективность не просчитывалась, так как объект не обеспечивает необходимую безопасность (см. пункт 6.2), допустимое значение риска превышает установленную норму Федеральным законом, необходимы дополнительные мероприятия по обеспечению пожарной безопасности объекта.

Предлагаемый:

1) По СП 3.13130.2009 из таблицы №2 следует, что для объекта требуется установка системы оповещения и эвакуации людей II типа.

2) Все помещения объекта защиты оборудуются дверьми с доводчиками и системой оповещения и управления эвакуацией людей II типа

3) Все помещения объекта защиты оборудуются системой оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа

4) Все помещения объекта защиты оборудуются дверьми с доводчиками и системой оповещения и управления эвакуацией людей III-V типа.

Административно-бытовой корпус представляет собой 1-этажное здание с подвалом.

Площадь административно-бытовой части 460м2.

Планировочное решение здания представляет собой набор административно-бытовых помещений, имеющих выходы в общий коридор.

В расчете принята стоимость 1 м2 здания вместе с оборудованием:

в 1-м варианте -- 3740 руб.;

во 2-м варианте -- 3760 руб.;

в 3-м варианте -- 3900 руб. ;

в 4-ом варианте -- 3920 руб.

Плюс стоимость оборудования в здании -- 3720 руб/м2.

Рассчитываем ожидаемые годовые потери для различных сценариев развития пожаров.

Для 1-го варианта:

= 1068,2 руб

= 20 394 руб.

= 55 340руб.

Для 2-го варианта:

= 1068 руб.

= 6272 руб.

= 55118 руб.

Для 3-го варианта:

= 1068,2 руб.

= 20 831 руб.

= 56527 руб.

Для 4-го варианта:

= 1068,2 руб

= 6406 руб.

= 56675руб.

Таким образом, общие ожидаемые годовые потери составят:

- в рабочем состоянии система автоматической пожарной сигнализации II типа и дверей без доводчиков, а так же соблюдении на объекте мер пожарной безопасности:

М(П) = М1(П) + М2(П) + М3(П) = 76802 руб.

-в рабочем состоянии система автоматической пожарной сигнализации II типа и дверей с доводчиками, а так же соблюдении на объекте мер пожарной безопасности:

М(П) = М1(П) + М2(П) + М3(П) = 62458 руб.

-в рабочем состоянии система автоматической пожарной сигнализации III -V типа и дверей без доводчиков, а так же соблюдении на объекте мер пожарной безопасности:

М(П) = М1(П) + М2(П) + М3(П) = 78426 руб.

-в рабочем состоянии система автоматической пожарной сигнализации III -V типа и дверей с доводчиками, а так же соблюдении на объекте мер пожарной безопасности:

М(П) = М1(П) + М2(П) + М3(П) = 64149 руб.

Рассчитываем интегральный экономический эффект И при норме дисконта 10%.

1-й вариант:

К - капитальные вложения на противопожарные мероприятия, руб; Капитальные затраты, связанные с оборудованием здания системой автоматической пожарной сигнализации II типа, составят К = 140 000 рублей.

Р - эксплуатационные расходы, руб; Р = 1800 рублей.

И = -85 200 руб. при расчете за период в 20 лет. Вариант убыточный.

2-й вариант:

К - капитальные вложения на противопожарные мероприятия, руб; Капитальные затраты, связанные с оборудованием здания системой автоматической пожарной сигнализации II типа и установкой доводчиков, составят К = 160 000 рублей.

Р - эксплуатационные расходы, руб; Р = 1850 рублей.

И = 13 380 руб. при расчете за период в 20 лет.

3-й вариант:

К - капитальные вложения на противопожарные мероприятия, руб; Капитальные затраты, связанные с оборудованием здания системой автоматической пожарной сигнализации III -V типа, составят К = 270 000 рублей.

Р - эксплуатационные расходы, руб; Р = 2150 рублей.

И = - 231 690 руб. при расчете за период в 20 лет. Вариант убыточный.

4-й вариант:

К - капитальные вложения на противопожарные мероприятия, руб; Капитальные затраты, связанные с оборудованием здания системой автоматической пожарной сигнализации III -V типа и установкой доводчиков, составят К = 290 000 рублей.

Р - эксплуатационные расходы, руб; Р = 2200 рублей.

И = - 110 148 руб. при расчете за период в 20 лет. Вариант убыточный.

Таким образом, экономически целесообразным является решение, в котором предусматривается оборудование системой оповещения и эвакуации II типа с дополнительной установкой дверей с доводчиками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате дипломной работы были получены следующие результаты:

1. Обработаны статистические данные о пожарах на объектах нефтепродуктообеспечения, в результате чего можно сделать вывод. Чаще всего причиной становится: самовозгорание пирофорных отложений, огневые работы, неосторожное обращение с огнём, поджог. Можно сказать, что человеческий фактор играет главную роль в появлении источников зажигания.

2. Результатом выполненных исследований является развитие теории и методов количественной оценки риска последствий возможных аварий на примере объектов нефтегазового комплекса. Предложенные методы количественного анализа риска позволяют получить информацию о степени опасности объекта, ранжировать прилегающую территорию по уровню индивидуального, потенциального и коллективного риска, выявить зоны и территории, где уровни риска достигают или превышают установленные значения.

3. Предложена и используется на практике методика, позволяющая на основе моделирования возможной аварийной ситуации оценить уровень опасности технической системы и последовательности развития аварии.

4. Проведена оценка уровня опасности технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий с учетом места расположения, технологических особенностей, схемных решений, специфики возникновения и развития аварийных ситуаций. Разработаны рекомендации и мероприятия по минимизации риска.

5. Были уточнены зоны поражения ударной волной при взрыве ТВС при полном разрушении рефлюксной емкости и выявлено, что часть объектов не попадает под воздействие ударной волны.

6. Были рассчитаны затраты на устройство системы оповещения и управления эвакуацией людей различных, которые позволяют снизить индивидуальный пожарный риск. Рассчитана экономическая эффективность мероприятий по снижению пожарного риска и проведена оценка их ожидаемой эффективности.

Расчеты показали, что исполнение рекомендаций по снижению пожарного риска экономически выгодно и составляют более 4 000 000 руб.

Литература

1. ГОСТ 12.1.004-91* Пожарная безопасность. Общие требования.

2. СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений.

3. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещений при пожаре: Рекомендации. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989. - 22 с.

4. Рыжов A.M. Моделирование пожаров в помещениях с учетом горения в условиях естественной конвекции // Физика горения и взрыва. - 1991. - Т. 27, № 3. - С. 40-47.

5. Computer modelling of aerodynamics and movement of aerosol in volumes of complex geometry / L.P. Kamenshchikov, V.I. Bykov, S.P. Amel'chugov, A.A. Dekterev // Proc. of the 2nd Int. Seminar on Fire and Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations. Moscow, 1997. - P. 512-521.

6. Cox G., Kumar S. Field Modelling of Fire in Forced Ventilated Enclosures // Comb. Science and Tech. - 1987. - Vol. 52. - P. 7-23.