Анализ индивидуального риска событий узла пиролиза этановой фракции

Описание анализируемого опасного производственного объекта



Характеристика процесса



Процесс пиролиза (высокотемпературного распада) этановой фракции осуществляется в четырехпоточных трубчатых радиантно-конвекционных печах и предназначен для получения пирогаза, который дальше поступает на газоразделение и из которого в конечном счете выделяется этилен – основное сырье для тяжелого органического синтеза.

Данный процесс является взрыво- и пожароопасным. Взрыво- и пожароопасность связана с применением легко воспламеняющихся и взрывоопасных газов и жидкостей, образующих с воздухом взрывоопасные смеси. Кроме того при содержании газов и паров жидкостей в воздухе выше предельно-допустимых норм они оказывают вредное воздействие на организм человека и могут вызвать отравление. Также в цехе имеются различные по назначению и конструкции аппараты, работающие под большим давлением и высокой температурой

В связи с этим все оборудование, участвующее в технологическом процессе, представляет опасность и оценивается по показателям риска.

Оценка степени риска рассматриваемого объекта включает прогноз частоты аварийных ситуаций на узле пиролиза и оценку возможных потерь газа.

По полученным показателям риска планируются мероприятия по улучшению технологического состояния, обслуживания, диагностики и ремонта проектируемых сооружений анализируемого объекта.




Классификация объектов по взрывоопасности и санитарной характеристике



Согласно НПБ 107-97 по пожарной опасности установка относится к категории Ан, поскольку в ней перерабатываются горючие газы с температурой вспышки менее 28 оС.

Класс взрывоопасной зоны по ПУЭ-98 – ВI-г (пространства у наружных технологических установок, содержащих горючие газы или ЛВЖ).



Основные физико-химические, токсические, взрывоопасные свойства веществ, обращающихся в технологическом процессе



Таблица 1.1 – Компонентный состав сырья – этановой фракции

Компонент

Формула

Концентрация массовая, %

Метан

СН4

1,978

Этан

С2Н6

95,0

Пропан

С3Н8

3,0

Сероводород

Н2S

0,02

Диоксид углерода

СО2

0,002



Таблица 1.2 – Компонентный состав пирогаза

Компонент

Формула

Концентрация массовая, %

Газ:



71,45

Водород

Н2

2,71

Метан

СН4

3,63

Этилен

С2Н4

38,02

Этан

С2Н6

24,63

Ацетилен

С2Н2

0,032

Пропилен

С3Н6

1,5

Пропан

С3Н8

0,23

Бутадиен

С4Н6

0,23

Бутилен

С4Н8

0,082

Бутан

С4Н10

0,14

Пентен

С5Н10

0,13

Бензол

С6Н6

0,04

Оксид углерода

СО

0,06

Диоксид углерода

СО2

0,014

Сероводород

Н2S

0,002

Водяной пар

Н2О

28,55

Итого



100,00



1.4 Технологическая схема работы узла пиролиза этановой фракции



Процесс пиролиза этановой фракции осуществляется в четырехпоточных печах, укомплектованных акустическими горелками типа АГГ с вертикальными радиантными змеевиками.

Этановая фракция с температурой окружающей среды и давлением 10-20 кгс/см2 поступает по трубопроводу диаметром 200 мм в подогреватель Т-1а, где подогревается до температуры не более 80ºC водяным паром 7,0 кгс/см2 конденсат пара после которого поступает в деаэраторную колонну К-3.

Этановая фракция, выходящая из аппарата Т-1а дросселируется через регулирующий клапан поз.1017 до (6,5-8,5) кгс/см2 поступает в аппараты К-1, где происходит отделение механических примесей и жидких продуктов от этана.

Далее этан и этан-сырье поступает четырьмя потоками в змеевики предварительного нагрева конвекционной части, состоящие из 3-х труб каждый, где нагревается до температуры  209C. Для уменьшения коксообразования и снижения парциального давления углеводородных паров в змеевик конвекционной части, после секций предварительного нагрева этановой фракции, подается пар разбавления в количестве (30-40)% от подаваемого этана с температурой  195C и давлением 7,0 кгс/см2.







Таблица 1.3 - Основные физико-химические, токсические, взрывоопасные свойства веществ, обращающихся в технологическом процессе

№ п/п

Наименование вещества

Агрегатное состояние

Пределы воспламенения в смеси с воздухом, % об.

Температура, ОС

ПДК мг/м3

Класс опасности

Характер воздействия на человека







Нижний

Верхний

вспышки

самовоспл.







1

Метан

газ

5,28

14,1

-187,69

537

300

4

Наркотическое и токсическое вещество. Действует на слизистые оболочки

2

Этан 

газ

3,3

12,5

 - 

515

300

4



3

Пропан

газ

2,3

9,4

-96

466

300

4



4

Водород

газ

4,12

75

-40

510



4



5

Этилен

газ

2,8

36,35

-

427

100

4



6

Пропилен

газ

2,3

11,1

-

410

100

4



7

Бутан

газ

1,8

9,1

-69

405

300

4



8

Бутилен

газ

1,6

10,6

-

384

100

4



9

Ацетилен

газ

2,3

82

-

335



4









Газообразная смесь пара и этана с температурой  203C нагревается в (5-10)-м рядах четырехпоточного горизонтального змеевика конвекционной секции и с температурой  639C поступает в вертикальный четырехпоточный змеевик секции радиации, где происходит пиролиз этановой фракции при температуре (800-835)C.

Пирогаз с давлением на выходе из печи 1-1,2 кгс/см2 и с температурой до 835C объединяется на печи П-1 из всех потоков в один и поступает в трубное пространство закалочно-испарительного аппарата (ЗИА) первой ступени, а потом в ЗИА второй ступени, расположенных вертикально и конструктивно связанных по межтрубному пространству с сепаратором-паросборником Е-4. В ЗИА в трубном пространстве происходит охлаждение пирогаза до температуры (295-430)ºC с помощью питательной воды подаваемой в межтрубное пространство.

Питательная вода для охлаждения пирогаза в ЗИА подается насосом Н-1 в змеевик предварительного нагрева конвекционной части печей пиролиза, где нагревается от 105ºC до 182ºC.

Далее питательная вода из печи П-1 подается через паросборник Е-4 в межтрубное пространство ЗИА.

На печах пиролиза П-1 образовавшийся насыщенный пар 30 кгс/см2 из Е-4 подается в пароперегреватель конвекционной части печей, где нагревается до 240ºC, далее нагретый пар 30 кгс/см2 (3,0 МПа) подается двумя потоками в коллектор пара 30 кгс/см2 (3,0 МПа) цеха.

С целью удаления солей и других отложений схемой предусмотрены периодическая продувка с закалочно-испарительных аппаратов Т-2 и непрерывная продувка с паросборников Е-4.

В качестве топливного газа для печей используется метано-водородная фракция, поступающая из цехов газоразделения. При необходимости топливная сеть общества подпитывается этаном или природным газом, поступающим из ГРС-2 через ГРП.


Исходные данные для анализа риска

пиролиз этановая фракция риск

При анализе риска аварий на анализируемом объекте использовались:

Краткое описание технологической схемы работы узла пиролиза этановой фракции, см. раздел 1.4;

Перечень основного технологического оборудования и количество опасного вещества, содержащегося в нем, см. таблицу 1.4.



Основные причины разрушения технологического оборудования

Причины разрушения

Относительное количество(%)

Механические разрушения в результате гидроиспытаний, дефектов сварного шва,

Концентраций напряжений в зоне упорного уголка, при осадках основания фундамента и др.

46,2

Хрупкие разрушения при низких температурах

15,4

Воздействие взрывной волны

15,4

Коррозия

10,8

Воздействие высоких температур при пожаре

7,7

Землетрясение

3,0

Диверсионный акт

1,5



Основные причины аварий на напорных нефтепроводах

Причины разрушения

Относительное количество(%)

Механические разрушения при постороннем воздействии 

16

Разгерметизация в режиме промышленной эксплуатации

20

Несанкционированная врезка

28

Коррозионное разрушение металла

14

Разрушение вследствие некачественного проведения ремонтных работ, нарушения техники безопасности, ошибочных действий персонала 

22







Перечень основного технологического оборудования и условия содержания в нем опасного вещества

Условное

обозначение

оборудования

Наименование

технологического

оборудования

Кол-во

единиц

оборудования

Техническая характеристика

Коэффициент

заполнения

аппарата,

Ψ

Количество

опасного вещества

в оборудовании, т

Агрегатное состояние

опасного вещества,

образующегося в

оборудовании

Узел пиролиза

П – 1 

Печь пиролиза

6 шт

Четырехпоточная с акустическими горелками типа АГГ-3 по 24 шт. на каждой печи.

Производительность по сырью – 8 т/час

Давление сырья:

на входе – 3,1 кгс/см2 (0,31 МПа);

на выходе – 1,2 кгс/см2 (0,12 МПа);

Температура сырья:

на входе в печь - 45C;

Температура пирогаза

на выходе из печи - 825C;

Длина – 14370 мм;

Ширина – 4143 мм;

Высота – 16000 мм;

Поверхность теплообмена:

А) радиантной камеры – 123,52 м2

Б) конвекционной камеры – 142,86 м2;

1,0

8

Газ

Р = 0,31 МПа;

t = 800 оС

Узел закалки пирогаза

Т-2

Закалочно- испарительный аппарат

12 шт

Теплообменник кожухотрубный, наклонный

Трубное пространство:

Среда – пирогаз

Давление рабочее – 1,5 кгс/см2 (0,15 МПа)

Давление расч. – 2,5 кгс/см2 (0,25 МПа)

Рабочая температура на входе 650C

на выходе - 420C

Объем – 0,35 м3

Трубки – 38 х 3,5 мм

Длина трубок – 3500 мм

Количество – 127 шт.

Межтрубное пространство:

Среда – питательная вода

Давление рабочее – 34 кгс/см2 (3,4 МПа)

Давление расч. – 39 кгс/см2 (3,9 МПа)

На выходе рабочая температура воды - 240C

Объем – 2,6 м3

Диаметр аппарата – 800 мм

Поверхность теплообмена – 51 м2

Длина – 5920 мм

1,0

0,35

Газ

Р = 0,2 МПа;

t = 500 оС

Узел водной промывки пирогаза

К -5

Пенный аппарат

1 шт

Вертикальный цилиндрический аппарат. В нижней части смонтирована насадка из уголков. В верхней части установлены ситчатые тарелки. Количество тарелок – 6.

Давление: расчетное – 3 кгс/см2 (0,3 МПа)

рабочее – (0,8-1,0) кгс/см2 (0,08-0,1) МПа

Температура рабочая:

на входе в аппарат - 115ºC

на выходе из аппарата - 75ºC

Объем – 185 м3. Диаметр нижней части - 4536 мм,

верхней части - 2800 мм. Высота - 23925 мм.

1,0

1,85

Газ;

Р = 0,1 МПа;

t = 100 оС

К-6

Циклонный промыватель

1 шт

Вертикальный цилиндрический аппарат со смесительной трубой.

Давление: расчетное - 3 кгс/см2 (0,3 МПа)

рабочее - (0,8-1,0) кгс/см2 (0,08-0,1) МПа

Температура рабочая на входе в аппарат - 75ºC

на выходе из аппарата - 70ºC.

Объем – 64 м3. Диаметр – 2200 мм, высота – 16829 мм

1,0

0,64

Газ

Р = 0,1 МПа;

t = 75 оС







КАТЕГОРИРОВАНИЕ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Определение категорий наружных установок следует осуществлять путем последовательной проверки их принадлежности к категориям от высшей (Ан) к низшей (Дн), таким образом наружная установка гидроочистки керосиновой фракции относится к категории Ан.



Категория наружной установки

Категория наружной установки

Категории отнесения наружной установки к той или иной категории по пожарной опасности

Ан

Горючи газы ЛВЖ с tвсп < 28 оС в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные смеси при воспламенение которых развивается расчётное избыточное давление помещений превышающее 5 кПа.

Установка относится к категории Ан, если в ней присутствуют (хранятся, перерабатываются, транспортируются) горючие газы; легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28оС; вещества и/или материалы, способные гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и /или друг с другом; при условии, что величина индивидуального риска при возможном сгорании указанных веществ с образованием волн давления превышает 10-6 в год на расстоянии 30 м от наружной установки



МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ НАРУЖНЫХ УСТАНОВОК

Выбор и обоснование расчетного варианта

В качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в образовании горючих газопаровоздушных смесей участвует наибольшее количество газов и паров.

Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие газовоздушные или паровоздушные смеси, определили, исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного из аппаратов;

Расчетное время отключения трубопроводов - 300 с при ручном отключении.

б) все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство;

в) длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.



2.1 Расчет избыточного давления и импульса волны давления при сгорании смесей горючих газов и паров с воздухом в открытом пространстве



Масса газа m, кг, поступившего в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле



m = (Va +Vт)pг,



где Va - объем газа, вышедшего из аппарата, м3; Vт - объем газа вышедшего из трубопровода, м3; pг - плотность газа, кгм-3.







где М — молярная масса, 21,8 кг/кмоль;

v0 — мольный объем, равный 22,413 м3/кмоль;

tр — расчетная температура, 800 С.

При этом

для печи Va= Р1V = 0,31∙45,8 = 14,2

для ЗИА Va= 0,2·2,6 = 0,52

для пенного аппарата Va = 0,1·185 = 18,5

	для циклонного промывателя Va = 0,1·64 = 6,4

где Р1 - давление в аппарате, МПа; V -объем аппарата, м3;

Vт=V1т+V2т, м3



где V1т - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м3;

V2т - объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м3;

V1т = q Т=3,4∙10-3∙300=1,02

где q - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды и т.д., 3,4∙10-3 м3с-1; Т - 300 с при ручном отключении;



V2т=π∙Р2∙r2∙L, м3



для печи V2т = 3,14·0,5·0,142·50 = 1,54

для ЗИА V2т = 3,14·0,3·0,142·50 = 0,92

для пенного аппарата V2т = 3,14·0,2·0,142·50 = 0,62

для циклонного промывателя V2т = 3,14·0,2·0,142·50 = 0,62

где Р2 - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r - внутренний радиус трубопроводов, м; L - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

для печи Vт= 1,02+1,54 = 2,56 м3

для ЗИА Vт= 1,02+0,92 = 1,94 м3

для пенного аппарата Vт= 1,02+0,62 = 1,64 м3

для циклонного промывателя Vт= 1,02+0,62 = 1,64 м3

		для печи m = (14,2+2,56)∙0,247 = 4,14 кг

		для ЗИА т = (0,52+1,94)·0,247 = 0,61 кг

		для пенного аппарата т = (18,5+1,64)·0,247 = 4,97 кг

		для циклонного промывателя т = (6,4+1,64)·0,247 = 1,99 кг

		

		
2.2 Расчет избыточного давления и импульса волны давления при сгорании горючих газов и паров с воздухом в открытом пространстве



Величину избыточного давления Р, кПа, развиваемого при сгорании газопаровоздушных смесей, определяют по формуле



Р=Р0 (0,8mпр0,33/r+3mпр0,66/r 2+5mпр/r 3),



где Р0 - атмосферное давление, (101) кПа ; r- расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, на расстоянии 500 м; mпр - приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле



mпр=(Qсг/Q0)mZ, кг



для печи тпр = (43692/4,52·103)·4,14·0,1 = 4,0

для ЗИА тпр = (43692/4,52·103)·0,61·0,1 = 0,59

для пенного аппарата тпр = (43692/4,52·103)·4,97·0,1 = 4,8

для циклонного промывателя тпр = (43692/4,52·103)·1,99·0,1 = 1,92

где Qсг - удельная теплота сгорания газа или пара, Джкг-1; Z- коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который допускается принимать равным 0,1; Q0 - константа, равная 4,52106 Джкг-1; m - масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг.

для печи Р=101(0,84,00,33/500+3 4,00,66/5002+54,0/5003) = 0,26 кПа

для ЗИА Р = 101 (0,8 0,590,33/500+3 0,590,66/5002+50,59/5003) = 0,14 кПа

для пенного аппарата Р = 101 (0,8 4,80,33/500+3 4,80,66/5002+54,8/5003) = 0,27 кПа

для циклонного промывателя Р = 101 (0,8 1,920,33/500+31,920,66/5002+51,92/5003) = 0,20 кПа

Величину импульса волны давления i, вычисляют по формуле



i =123mпр0,66/r, Па·с



для печи i = 1234,00,66/500 = 0,61 Пас

для ЗИА i = 1230,590,66/500 = 0,17 Пас

для пенного аппарата i = 1234,80,66/500 = 0,69 Пас

для циклонного промывателя i = 1231,920,66/500 = 0,38 Пас

	

	2.3 Метод расчета интенсивности теплового излучения

	

Интенсивность теплового излучения рассчитывают для двух случаев пожара:

- пожар проливов ЛВЖ, ГЖ или горение твердых горючих материалов;

- “огненный шар” - крупномасштабное диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара.

Так как, в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии, рассчитаем “огненный шар”.

Интенсивность теплового излучения q, кВтм-2, для пожара пролива жидкости или при горении твердых материалов вычисляют по формуле



q = Еf ·Fq,

	

	Допускается принимать Еf равным 40 кВтм-2.

	Значение Fq вычисляют 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”, 500 м.

	Эффективный диаметр “огненного шара” Ds определяют по формуле

Ds=5,33m0,327, м

	где m - масса горючего вещества, кг

	для печи Ds =5,33∙4,00,327 = 8,39 м

	для ЗИА Ds =5,33∙0,590,327 = 4,49 м

	для пенного аппарата Ds =5,33∙4,80,327 = 8,90 м

	для циклонного промывателя Ds =5,33∙1,920,327 = 6,60 м

	Допускается принимать величину Н равной Ds/2, м.

	

	

	

	для печи Fq=1.81*10-6

	для ЗИА Fq=1.81*10-7

	для пенного аппарата Fq=1.41*10-6

	для циклонного промывателя Fq=5.75*10-7

	Время существования “огненного шара” ts , с, определяют по формуле

ts=0,92m0,303=0,92∙4,00,303=1,4

	Коэффициент пропускания атмосферы  рассчитывают по формуле



для печи =0.707

для ЗИА =0.706

для пенного аппарата =0.707

для циклонного промывателя =0.706

Интенсивность теплового излучения q, кВтм-2

для печи q = 40∙1.81*10-60,707 = 5.12*10-5 кВтм-2

для ЗИА q = 40∙1.81*10-70,706 = 5.11*10-6 кВтм-2

для пенного аппарата q = 40∙1.41*10-70,707 = 3.99*10-6 кВтм-2

для циклонного промывателя q=40∙5.75*10-70.706=1.62*10-5 кВтм-2



2.4 Оценка индивидуального риска



Настоящий метод предназначен для расчета величины индивидуального риска (далее по тексту - риска) на наружных установках при возникновении таких поражающих факторов, как избыточное давление, развиваемое при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей, и тепловое излучение при сгорании веществ и материалов.

Величину индивидуального риска  при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей рассчитывают по формуле



,



В формуле допускается учитывать только одну наиболее неблагоприятную аварию, величина  для которой принимается равной годовой частоте возникновения пожара на наружной установке по нормативным документам, утвержденным в установленном порядке, 1/год, а значение  - условная вероятность поражения человека, находящегося на заданном расстоянии от наружной установки, избыточным давлением при реализации.

1 Условную вероятность  поражения человека избыточным давлением при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей на расстоянии  от эпицентра определяют следующим образом:

Исходя из значений  и , вычисляют величину "пробит"-функции  по формуле









для печиV=3,595*1040

для ЗИА V=6,517*1042

для пенного аппаратаV=2,619*1040

для циклонного промывателяV=3,257*1041

где  - избыточное давление, Па;  - импульс волны давления, Па·с.

для реактора = 5 – 0,26*ln(3,595*1040) = -19,28

для сепаратора = 5 – 0,26*ln(6,517*1042) = -20,632

для печи = 5 – 0,26*ln(2,619*1040) = -19,197

для колонны = 5 – 0,26*ln(3,257*1041) = -19,853

С помощью таблицы 3 определяют условную вероятность поражения человека. Например, при значении =3,45 значение = 6%=0,06, а при =8,09 значение =99,9% =0,999.



Таблица 3 - Значения условной вероятности поражения человека в зависимости от величины  

Условная вероятность поражения, %

Величина 



0



1 1

2 2

3 3

4 4

55 

6 6

7 7

8 8

9 9

0



-

22,67 

22,95 

33,12 

33,25 

33,36 

33,45 

33,52 

33,59 

33,66 

10



33,72 

33,77 

33,82 

33,90 

33,92 

33,96 

44,01 

44,05 

44,08 

44,12 

20



44,16 

44,19 

44,23 

44,26 

44,29 

44,33 

44,36 

44,39 

44,42 

44,45 

30



44,48 

44,50 

44,53 

44,56 

44,59 

44,61 

44,64 

44,67 

44,69 

44,72 

40



44,75 

44,77 

44,80 

44,82 

44,85 

44,87 

44,90 

44,92 

44,95 

44,97 

50



55,00 

55,03 

55,05 

55,08 

55,10 

55,13 

55,15 

55,18 

55,20 

55,23 

60



55,25 

55,28 

55,31 

55,33 

55,36 

55,39 

55,41 

55,44 

55,47 

55,50 

70



55,52 

55,55 

55,58 

55,61 

55,64 

55,67 

55,71 

55,74 

55,77 

55,81 

80



55,84 

55,88 

55,92 

55,95 

55,99 

66,04 

66,08 

66,13 

66,18 

66,23 

90



66,28 

66,34 

66,41 

66,48 

66,55 

66,64 

66,75 

66,88 

77,05 

77,33 

-



00,00 

00,10 

00,20 

00,30 

00,40 

00,50 

00,60 

00,70 

00,80 

00,90 

99



77,33 

77,37 

77,41 

77,46 

77,51 

77,58 

77,65 

77,75 

77,88 

88,09 



Индивидуальный риск  = 0