Формирование взрывоопасного облака при аварийном выбросе сжиженного углеводородного газа в атмосферу

Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров ФОРМИРОВАНИЕ ВЗРЫВООПАСНОГО ОБЛАКА ПРИ АВАРИЙНОМ ВЫБРОСЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА В АТМОСФЕРУ

Ключевые слова: cжиженный газ, взрывоопасное облако, влажность воздуха, численное моделирование.

Представлен расчет количества горючего вещества в облаке на основе численной модели. Проведено исследование влияния влажности воздуха на изменение взрывоопасной массы со временем.

Keywords: liquefied gas, explosive cloud, air humidity, numerical simulation.

Calculation of amount of combustion agent in cloud based on numerical model is presented. Investigation of influence of air humidity on flammable mass change in time is carried out.

Одним из важных этапов при оценке последствий возможных аварий на объектах хранения, транспортировки и переработки сжиженных углеводородных газов является расчет количества горючего (опасного) вещества, участвующего в формировании взрывоопасного облака.

Образование и эволюция топливновоздушного облака - сложный процесс, включающий целый ряд явлений: мгновенное вскипание жидкой фазы, фазовые переходы при испарении аэрозоля и кипении пролива, смешение газа с окружающим воздухом. В данной работе предлагается комплекс моделей, позволяющих описывать

вышеперечисленные явления, и определять массу газа во взрывоопасных пределах в зависимости от времени. Предлагаемые модели базируются на численном решении трехмерных нестационарных уравнений гидродинамики и тепломассообмена и реализованы с использованием программного комплекса FLUENT.

При разгерметизации технологического оборудования со сжиженным газом в результате резкого снижения давления и нарушения термодинамического баланса происходит мгновенное вскипание определенной части жидкой фазы за счет высвобождения внутренней энергии. При этом устанавливается новое состояние равновесия, а температура оставшейся жидкой фазы понижается до температуры кипения при атмосферном давлении. При мгновенном испарении жидкости формируется первичное облако пара.

Доля мгновенно вскипающей жидкости находится из соотношения [1]:

x и =1-exp

CP,liq

ЛИ

где Оруд — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К); То — температура сжиженного газа в емкости, К; Ть — температура кипения жидкости, К; ДНд — удельная теплота парообразования при температуре кипения и атмосферном давлении, Дж/кг.

В результате мгновенного вскипания расширяющиеся пары диспергируют и увлекают часть жидкости, поэтому образующееся облако содержит смесь пара и жидкости в виде аэрозольных капель. Масса выброшенных капель жидкости принималась равной массе мгновенно образовавшейся паровой фазы

[1]. Обратное влияние дисперсной фазы на несущий поток, обусловленное межфазным обменом теплотой, импульсом и массой, учитывается включением соответствующих источниковых членов в уравнения переноса энергии, импульса, примеси и в уравнение неразрывности для сплошной фазы. Движение несущей фазы описывалось системой трехмерных нестационарных уравнений Рейнольдса, замыкаемых уравнением состояния идеального газа и Realizable k-e моделью турбулентности. Подробное описание модели распространения и испарения аэрозолей представлено в работе [2].

Для учета дополнительного нагрева воздуха вследствие конденсации водяного пара

использовали функцию источникового члена: Qv — в уравнении энергии и Sv — в уравнении переноса компонента (паров воды) [3]:

df df

Q = р • ЛИ •— S = р • —

dt dt

где Л^ — теплота парообразования воды, Дж/кг; f

— разность между концентрацией паров воды в

воздухе и концентрацией насыщения, кг/м3, pw -плотность воды, кг/м3.

В целях оценки применимости изложенной модели рассматривалась аварийная ситуация, связанная с полным разрушением емкости с сжиженным пропаном. Масса жидкости в оборудовании принималась равной 4000 кг. Скорость ветра - 1 м/с (на высоте 10 м), температура воздуха равна 308 К, тип подстилающей поверхности - бетон.

Расчет взрывоопасной массы проводился при следующих значениях относительной влажности воздуха: у = 0; 50 и 100 %, при которых массовая доля водяного пара в воздухе равна 0;

0,018 и 0,036 кг/кг соответственно.

Горючие пары, смешиваясь с воздухом, образуют взрывоопасные смеси. Взрывоопасной называется смесь, для которой значения концентрации горючего газа лежат в диапазоне, ограниченном НКПР (нижний концентрационный предел воспламенения) и ВКПР (верхний концентрационный предел воспламенения). Обозначим массу газа во взрывоопасных пределах,

как тВ. Масса тВ определяется путем интегрирования:

тв = Ш C(x,y,z,t)dxdydzdt

2 НКПР < V <Хвкпр где С(x,y,z,t) — концентрация паров пропана, кг/м3; Е НКПР и Е ВКПР — поверхности, ограничивающие

область между НКПР и ВКПР. Значения НКПР и ВКПР принимались равными 2,4% (об.) и 9,5% (об.) соответственно.

Нестационарное воздействие источника является причиной изменения тв с течением времени (рис.1). Сначала величина тв резко возрастает в результате интенсивного поступления опасных паров в атмосферу при мгновенном разрушении оборудования. При этом масса пара достигает максимума. А затем в результате смешения горючего газа с воздухом происходит разбавление взрывоопасной массы до концентраций ниже НКПР, величина тв начинает снижаться.

Данная зависимость характерна при всех рассматриваемых значениях относительной влажности воздуха.

О 200 400 600 800 1000 1, с

Рис. 1 - Изменение взрывоопасной массы тВ со временем 1

Как видно из представленного рис. 1,

изменение массы взрывоопасного вещества со временем практически не зависит от влажности воздуха. Слабое влияние конденсации водяного пара на формирование облака при выбросе сжиженного пропана связано с тем, что пропан имеет высокую молекулярную массу (М=44 кг/кмоль), он тяжелее воздуха, поэтому вклад теплового эффекта при конденсации водяного пара существенного влияния на плавучесть облака не оказывает.

Однако, в работе [4] показано, при залповом выбросе сжиженного аммиака (с молекулярной массой

17 кг/кмоль), возникающий тепловой эффект при конденсации водяного пара значительно влияет на процесс формирования паровоздушного облака. Так получено, что площади зон поражения, ограниченные пороговой и летальной токсодозами, больше при сухом воздухе, чем при влажном (см. рис. 2). Это связано с дополнительным нагревом воздуха в результате конденсации паров влаги, который способствует снижению плотности паровоздушной смеси, а это, в свою очередь, ослабляет роль гравитационного растекания холодного аммиачно-воздушного облака в первые минуты после выброса, проявляющуюся в уменьшении размеров опасных зон как в продольном, так и в поперечном направлениях.

-200-1----------------------------------------------------------------------------------

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 х,м

Рис. 2 - Размеры зон смертельного 1 и порогового 2 поражения аммиаком

Достоверное прогнозирование массы горючего газа в облаке, ограниченном концентрационными пределами воспламенения, имеет большое значение при оценке потенциала взрывоопасности технологических блоков и определения ожидаемых последствий аварий в рамках процедуры анализа риска.

Литература

1. В. Маршалл. Основные опасности химических производств. Мир, Москва, 1989. 672 с.

2. Е.В. Старовойтова, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестн. Казан. технол. ун-та, 15, 6, 207-209 (2012).

3. Под ред. Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко, Моделирование пожаров и взрывов. Пожнаука, Москва, 2000. 492 с.

4. Е.В.Старовойтова, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Безопасность труда в промышленности, 12, 45-49 (2011).

© Е. В. Старовойтова - мл. науч. сот. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, star0Y0jt0Ya@inb0x.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.