Расчет поражающих факторов при авариях на подземных хранилищах СПГ

Расчет поражающих факторов при авариях на подземных хранилищах СПГ

Н.Г. Кириллов,

профессор Военного инженерно-технического института, д.т.н., А.Н.Лазарев,

доцент, начальник Военного инженерно-технического института, к.т.н.

В статье рассмотрены проблемы, возникающие в результате аварийных ситуаций на хранилищах СПГ. Отмечено, что в России раньше такие объекты не строились, и опыта их безопасной эксплуатации в нашей стране не существует. Обоснованы актуальность и необходимость исследований при оценке безопасности эксплуатации этих объектов, прогнозирования возможных аварийных ситуаций и определения последствий их воздействия на окружающую инфраструктуру.

Ключевые слова: сжиженный природный газ (СПГ), подземные криогенные хранилища, аварийные ситуации, поражающие факторы взрывов метановоздушных смесей.

Calculation of amazing factors at failures on underground storehouses of LNG

N.G. Kirillov, A.N. Lazarev

Problems of the analysis of emergencies on underground storehouses of SPG are considered in the article. It is marked, that such objects were not under construction in Russia earllier also experience of their safe operation in our country does not exist. The authors proves an urgency and necessity of researches on safety of operation of these objects, forecasting of possible emergencies and definitions of consequences of their consequence on surrounding infrastructure.

Keywords: liquefied natural gas (LNG), underground cryogenic storehouses, the emergencies amazing factors of explosions of methan-air mixes.

Подземные хранилища СПГ

В настоящее время сжиженный природный газ (СПГ), став неотъемлемой составляющей мировой торговли газом, переходит в разряд одного из ключевых факторов формирования мирового энергетического рынка. Так, по мнению многих

экспертов, СПГ способен оказать серьезное влияние на развитие топливной энергетики. Как и сетевой природный газ, он используется для тех же целей: получения электричества, тепловой энергии и промышленного холода, газификации населенных пунктов и промышленных объектов,

применения в качестве моторного топлива на транспорте и сырья для химической промышленности [1, 2].

В последние годы все большее распространение получает направление по созданию резерва топлива для компенсации пиковых нагрузок (пик-шейвинг) на основе криогенных технологий. Анализ мировой практики показывает, что наиболее эффективным способом является хранение природного газа в виде криогенной жидкости под давлением, близким к атмосферному, что выгодно отличается от способа его хранения в резервуарах высокого давления при температуре окружающей среды, поскольку криогенное состояние природного газа позволяет уменьшить объем хранилища практически в 3 раза по сравнению с его хранением при высоком давлении [3].

Однако столь большая концентрация СПГ, вещества с повышенной взрывопожароопасностью, на относительно небольших площадях хранилищ обусловливает серьезную проблему обеспечения пожарной безопасности наземных объектов такого рода. Так, одной из наиболее известных аварий на объектах хранения СПГ является авария в г. Кливленде (США), где в результате охрупчива-ния металла разрушились стальные оболочки изотермического двухстен-ного хранилища, и произошел внезапный пролив СПГ с температурой -156 °С. При этом погибло 128 человек и около 400 получили травмы. Были полностью уничтожены газовый завод, 10 административных зданий, 80 домов, расположенных в 400 м от места выброса. Сумма нанесенного ущерба составила 6,8 млн долл.

Все это вызывает необходимость обеспечения пожарной безопасности хранилищ СПГ при аварийных разливах и разгерметизации, вызванных внешними воздействиями (стихийные бедствия, диверсии и т.п.). В связи

т

'"ооии»«^

с этим в последнее время становится актуальным создание подземных хранилищ СПГ [4], которые исключают крупномасштабный разлив продукта при всех предусмотренных технологией режимах эксплуатации и с точки зрения безопасности являются оптимальными.

Безусловно, подземные хранилища СПГ также относятся к взрыво-пожароопасным объектам. Раньше в России такие объекты не строились, и опыта их безопасной эксплуатации в нашей стране не существует. В связи с этим возникает необходимость исследований и оценки безопасности их эксплуатации, прогнозирования возможных аварийных ситуаций и определения последствий их воздействия на окружающую инфраструктуру.

Авторами были сформулированы следующие направления исследований:

• детальный анализ технологии подземного хранения СПГ в изотермических резервуарах и выявление наиболее типичных сценариев протекания пожароопасных аварий;

• анализ физико-химических процессов, протекающих при авариях в подземном изотермическом хранилище СПГ, и выбор детерминированных параметров оценки пожарной опасности объекта;

• выбор наиболее подходящих для рассматриваемых объектов методов оценки поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами;

• расчеты поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами

Условия возникновения

для типовых сценариев протекания аварий;

• выявление технологических и конструктивных элементов подземного хранилища СПГ, определяющих уровень его пожарной опасности;

• разработка комплекса научно обоснованных мероприятий по противопожарной защите подземных хранилищ СПГ.

Аварийные ситуации на подземных хранилищах СПГ могут быть вызваны:

• нарушением наземного оборудования подземных хранилищ вследствие старения материалов и естественного снижения надежности оборудования - технологических колодцев, трубопроводов и других конструкционных узлов, обеспечивающих процесс слива-налива СПГ, и т.д.;

• разгерметизацией самих подземных резервуаров в результате чрезвычайных событий (землетрясения, направленные взрывы боеприпасов, диверсии и т.д.);

• нарушениями правил противопожарной безопасности обслуживающим персоналом.

Необходимо учитывать, что при разгерметизации наземного оборудования или резервуара СПГ в окружающей среде вследствие высокой скорости испарения могут образовываться метановоздушные облака больших размеров, зависящие от количества мгновенно вышедшего газа, скорости истечения, а также климатических условий (скорость ветра, температура воздуха и др.).

При рассмотрении поражающих факторов аварий в хранилищах СПГ

Таблица 1

пожаров и их последствия

необходимо выделить два основных случая - пожар без взрыва метано-воздушной смеси и пожар со взрывом метановоздушной смеси.

Воспламенение облака газовоздушной смеси (ГВС) происходит при наличии источника зажигания. Первоначально скорость распространения пламени относительно невелика и составляет для большинства углеводородных газов 0,32...0,40 м/с. При столь малых скоростях горения образования взрывной ударной волны (ВУВ) не происходит. Однако в реальных условиях на горение оказывает влияние множество факторов, вызывающих турбулизацию фронта пламени и ускорение его распространения.

Переходу к детонации способствуют различные препятствия на пути распространения пламени (строения, предметы, пересеченная местность). При больших объемах горючих газовых смесей, наличии источников турбулизации фронта пламени и отражении детонационной волны от препятствий давление за очень короткий промежуток времени (~1 мс) достигает высоких значений (~1,5 МПа).

Детонация ГВС может произойти и без стадии дефлаграционного горения, однако в этом случае необходим соответствующий источник энергетического воздействия (достаточный электрический разряд, взрыв детонатора и др.).

Особенности развития пожаров и взрывов хранилищ СПГ, в основном, определяются свойствами природного газа, источниками энергии и предпосылками для аварийных ситуаций (табл. 1).

Анализ методик расчета основных поражающих факторов воздушной ударной волны при взрывах ГВС

Анализ статистических данных об авариях показывает, что наиболее

Условия Последствия

Существование источника воспламенения Пожар или факельное горение

Возникновение источника воспламенения при содержании метана 8...12 % Дефлаграционный или детонационный взрывы

Отсутствие источника воспламенения Рассеяние метановоздушного облака с токсическим действием на прилегающие территории

Таблица 2

Степень разрушения зданий от избыточного давления при взрывах горючих смесей

Типы зданий Избыточное давление, кПа, при различных степенях тяжести разрушений

Слабые Средние Сильные Полные

Кирпичные и каменные малоэтажные многоэтажные 8 - 20 8 - 15 20 - 35 15 - 30 35 - 50 30 - 45 50 - 70 45 - 60

Железобетонные крупнопанельные малоэтажные многоэтажные 10 - 30 8 - 25 30 - 45 25 - 40 45 - 70 40 - 60 70 - 90 60 - 80

Железобетонные монолитные многоэтажные повышенной этажности 25 - 50 25 - 45 50 - 115 45 - 105 115 - 180 105 - 170 180 - 250 170 - 215

Железобетонные крупнопанельные, с железобетонным и металлическим каркасом и крановым оборудованием грузоподъемностью, т до 50 от 50 до 100 5 - 30 15 - 45 30 - 45 45 - 60 45 - 75 60 - 90 75 - 120 90 - 135

Здания со стенами типа «Сэндвич» и крановым оборудованием грузоподъемностью до 20 т 10 - 30 30 - 50 50 - 65 65 - 105

Складские помещения с металлическим каркасом и стенами из листового металла 5 - 10 10 - 20 20 - 35 35 - 45

опасными (тяжелые последствия) являются взрывы ГВС в открытом пространстве и замкнутом объеме (внутри оборудования, помещения). При подобных взрывах, в отличие от других видов аварии, на окружающую среду (люди, здания и оборудование) одновременно могут действовать сразу несколько поражающих факторов - ударная волна, осколки, тепловое воздействие и продукты взрыва. При этом масштабы аварийных взрывов обычно намного превосходят масштабы других видов аварий при одинаковом количестве горючего вещества, участвующего в аварии.

Особенность таких взрывов заключается и в том, что скорость распространения ВУВ и осколков при их образовании настолько велика, что человек, попадающий в зону действия поражающих факторов, не успевает покинуть ее или воспользоваться какими-либо средствами защиты в отличие от аварий, связанных с пожарами или выбросом токсичных веществ. Наибольшую опасность для

людей и сооружений представляет механическое действие воздушной ударной волны детонационного взрыва облака ГВС.

Ударная волна - это область резкого сжатия среды, распространяющаяся во все стороны от места взрыва с одинаковой скоростью.Передняя граница сжатого воздуха - фронт волны. Поражающее действие взрывной ударной волны характеризуется избыточным давлением - разностью между максимальным давлением во фронте волны и нормальным атмосферным давлением.

Общую оценку разрушений, вызванных ВУВ, принято давать по их степени тяжести (табл. 2). Как правило, рассматривают четыре степени тяжести разрушений: слабое, среднее, сильное и полное.

Слабое разрушение. Объект не выходит из строя, его можно эксплуатировать немедленно или после незначительного текущего ремонта (окна, двери, легкие перегородки).

Среднее разрушение. Разрушение второстепенных элементов объекта, которые восстанавливаются при среднем или капитальном ремонтах (окна, двери, крыша, трещины в стенах, обрушение стен верхних этажей).

Сильное разрушение. Разрушение несущих конструкций и перекрытий верхних этажей,образование трещин в стенах и деформация нижних этажей. Использование помещений невозможно, а ремонт нецелесообразен.

Наиболее характерным поражающим фактором действия аварий с участием газовоздушных смесей является избыточное давление:

• при сгорании ГВС в открытом пространстве;

• при сгорании ГВС в замкнутом пространстве - в резервуаре или производственном помещении;

• при разрыве оборудования (физический взрыв), в том числе в результате воздействия очага пожара.

т

'"ооии»«^

Расчет зон действия поражающих факторов при сгорании ГВС в открытом пространстве является достаточно сложным этапом количественной оценки техногенного риска. Следует отметить, что к настоящему времени в отечественной и зарубежной литературе существует ряд методик по определению избыточного давления при сгорании газовоздушной смеси на открытом и в закрытом пространствах, существенно различающихся по точности, сложности и глубине проработки процессов формирования полей поражающих факторов объемных взрывов.

Разнообразие существующих методик показывает, что возникает необходимость их сравнения и всестороннего анализа, в том числе связанного с оценкой взрывоу-стойчивости зданий с постоянным нахождением в них людей. Решение данной задачи позволит снизить неопределенность получаемой информации и повысить эффективность применения различных методик. Особенно это необходимо на стадии проектирования новых хранилищ

СПГ, в ходе которой требуется провести:

• выбор места и общей планировки зданий в зависимости от месторасположения хранилищ СПГ;

• расчет выбранных конструкций зданий на динамические нагрузки от действия внешних и внутренних взрывов газопаровоздушных смесей;

• расчет площади поверхностей предохранительных легкосбрасывае-мых конструкций и выявление их оптимальных конструктивных решений в случае взрыва внутри здания и т.п.

В табл. 3 представлены существующие методики расчета поражающих факторов газопаровоздушных смесей на опасных производственных объектах и их недостатки.

Анализ показал, что в большинстве существующих методик в основу определения избыточного давления ВУВ заложен расчет энергии взрыва через тротиловый эквивалент, при этом принято, что взрывы газовоздушных смесей аналогичны взрывам конденсированных взрывчатых веществ (ВВ). Для оценки повреждений, вызванных взрывной волной,

используют понятие тротилового эквивалента. Воздействие ВУВ от газового взрыва в этом случае приравнивается к тому, которое вызывает взрыв некоторой эквивалентной массы тринитротолуола (ТНТ). Однако этот способ не совсем корректен. Во-первых, ослабление взрывной волны с расстоянием для этих двух процессов носит различный характер в области больших и умеренных давлений. Во-вторых, наблюдаются различия с тротиловым эквивалентом по импульсу и давлению вследствие различной длительности этих процессов. В-третьих, такой подход лишь приближенно верен при больших массах газопаровоздушных смесей и на значительных расстояниях от эпицентра взрыва, что приводит к существенным погрешностям в ближней зоне, так как в отличие от взрыва твердого ВВ, который относится к точечным взрывам, взрыв газопаровоздушной смеси является объемным.

Также в данных методиках не учитываются свойства горючих паров, содержащихся в облаке, агрегатное

Таблица 3

Методики оценки последствий взрывов газопаровоздушных смесей на опасных производственных объектах

Исходящий документ Дата принятия Недостатки

ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» Утверждены Постановлением Госгортехнадзора России от 5.05.2003 г. № 29 Определение поражающих факторов основано на параметрах взрывов концентрированных взрывчатых веществ; завышают результаты расчетов в эпицентре взрыва облака ГВС

ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» Введен Постановлением Госстандарта России от 3.08.1998 г. № 304 Определение поражающих факторов основано на параметрах детонации газовых облаков водорода; низкая точность расчетов

СП 12.13130.2009. Свод правил. Определение категорий зданий, сооружений и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности Утвержден Приказом МЧС России от 25.03.2009 г. № 182 Определение поражающих факторов основано на параметрах детонации газовых облаков водорода; завышает результаты расчетов в эпицентре взрыва облака ГВС

РБ Г-05-039-96 Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия Утверждено Постановлением Госатомнадзора России от 31.12.1996 г. № 100 Определение поражающих факторов основано на применении графоаналитических зависимостей; низкая точность

РД 03-409-01 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей» Введена в действие Постановлением Госгортехнадзора России от 26.06. 2001 г. № 25 Определение поражающих факторов основано на параметрах взрывов пропановоздушных смесей; завышает результаты расчетов на малых расстояниях от облака

Таблица 4

Математический аппарат расчета параметров ВУВ

Документ Режим Применяемый методологический аппарат

ПБ 09-540-03 Детонация Ар~К/{тт033/ [1+(3180/ тт)2]0166} тт = 0,1 (0,4/0,9) т (д/дт)т

ГОСТ Р 12.3.047-98 СП 12.13130.2009 Детонация Ар = р0

РД 03-409-01 РБ Г-05-039-96 Детонация Ар = ехр[-1,124-1,66 1п Ях+0,26 (1п Я)2] Я = Я/(Е/р0)1/3

Методика ВНИИГОЧС Детонация Дефлаграция Номограммы: масса - расстояние - режим - степень разрушения

Методика TNO (Голландия) Дефлаграция Номограмма для углеводородовоздушных смесей: масса - расстояние - давление

Примечание. Ар - избыточное давление взрыва в окружающей среде, кПа; р0 - атмосферное давление, кПа; К - константа соответствующей степени тяжести разрушения; тт, тпр - общая приведенная масса горючего вещества во взрывоопасной парогазовой смеси (масса взрыва парогазовоздушных смесей, выраженная в тротиловом эквиваленте), кг; т - масса горючего вещества во взрывоопасной парогазовой смеси (масса взрыва парогазовоздушных смесей), кг; ц, цт - удельная теплота сгорания паровоздушной среды и взрыва тротила соответственно, кДж/кг; Я - расстояние от места взрыва (источник) до объекта, м; Ях- условный радиус полного разрушения, м; Е- полная энергия взрыва, кДж.

состояние ГВС, режим взрывного превращения, вид окружающей территории, скорость распространения пламени. В некоторых методиках отсутствуют расчеты импульса волны давления, из-за отсутствия аналитических зависимостей имеет низкую точность определение параметров ударной воздушной волны и др.

В целом, существующие методики не учитывают различия схем формирования и эволюции ударных волн при детонации конденсированных ВВ и горючих газопаровоздушных смесей. К этим различиям относятся:

• продолжительность положительной фазы сжатия газовых взрывов в 8 раз больше фазы сжатия продуктов взрыва конденсированных ВВ;

• ударная волна при взрыве конденсированного ВВ распространяется в воздушной среде с резким падением избыточного давления по мере удаления от точечного заряда, а при взрыве газовоздушных смесей -внутри облака с определенной (постоянной) скоростью и избыточным давлением во фронте; на больших

расстояниях от центра взрыва различие параметров ВУВ конденсированных взрывчатых веществ и газопаровоздушных смесей нивелируется.

Параметры волн давления в зависимости от центра облака рассчитываются исходя из ожидаемого режима сгорания (детонация, дефлаграция) облака по различным методикам,упрощенный математический аппарат которых представлены в табл. 4.

Так как в существующих источниках отсутствуют данные о значениях давления внутри детонирующего ме-

тановоздушного облака и законе убывания давления от края облака, возникает необходимость в разработке нового методологического аппарата применительно к СПГ. Предполагается определять избыточное давление на фронте ВУВ при взрыве газопаровоздушных облаков не за счет использования эквивалентного заряда ТНТ, а за счет эквивалентной массы метана в стехиометрической смеси с воздухом в ограниченном объеме при режиме взрывного превращения - детонации.

Литература

1. Кириллов Н.Г. Рынок сжиженного газа: российские перспективы // Энергетика и промышленность России. - 2009. - № 1. - С. 31.

2. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Сжиженный природный газ: анализ мирового рынка и перспективы отечественного производства // Газохимия. - 2011. - № 6. - С. 23-29.

3. Lundh P.E., Dixon S.B. ExxonMobil - Technology innovations extending LNG'S commercial reach. VNIIGAZ LNG and GTL Conference, LNG-D9, 26 - 27 May 2004.

4. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Патентные исследования в области создания стационарных хранилищ СПГ для транспортных средств России // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22). - С. 74-79