Совершенствование расчетных методов оценки пожаровзрывоопасности нефтегазовых производственных объектов
УДК 622.692.4-192
На правах рукописи
ГЛУХОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ
ОЦЕНКИ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ
НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовый комплекс)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа 2011
Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью
«Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа» (ООО «ВОЛГОУРАЛНИПИГАЗ»)
| Научный руководитель | доктор технических наук, Клейменов Андрей Владимирович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Идрисов Роберт Хабибович доктор технических наук, доцент Мартынюк Василий Филиппович |
| Ведущая организация | ГУП «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан» |
Защита диссертации состоится 5 августа 2011 г. в 1100 часов на заседании
диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном
предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР») по адресу: 450055 г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».
Автореферат разослан 5 июля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук Л.П. Худякова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Результаты расследования причин и процессов развития аварий на нефтегазовых предприятиях, связанных с разгерметизацией оборудования и трубопроводов, свидетельствуют о том, что последствиями разгерметизации являются выброс в окружающее пространство газообразных взрывопожароопасных веществ, либо разлития нефтепродуктов на почву с последующим испарением легких фракций. В результате чего создаются благоприятные условия для образования топливовоздушных смесей и последующего их взрывного превращения и горения. В связи с этим, актуальной является задача адекватной оценки параметров вероятных пожаров и взрывов, зон разрушений различной степени тяжести для определения достаточности и эффективности принятых и рекомендуемых мер по снижению вероятности неблагоприятного развития и уменьшения масштабов аварий.
Исследованию воздействия пожаров и взрывов посвящено множество исследований и работ крупных ученых и специалистов, таких как: Зельдович Я.Б., Ландау Л.Д., Михельсон А.В., Гельфанд Б.E., Доломатов М.Ю., Едигаров А.С., Кац М.И., Козлитин А.М., Бард В.Л., Бесчастнов М.В., Мартынюк В. Ф., Махутов Н.А., Орленко Л.П., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Кудрявцев Е.А., Кузеев И.Р., Либрович В.Б., Иванников В.П., Клюс П.П. и др.
Большинство существующих методов оценки плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития, а также методов оценки уровней давления во фронте ударной волны, приводящих к разрушениям различной степени тяжести, в частности к опрокидыванию аппаратов колонного типа, требуют решения сложных систем уравнений, либо используют табличные данные, полученные для ограниченного числа горючих смесей, не всегда учитывающие специфику нефтегазовых производств. Поэтому совершенствование методов определения последствий взрывного воздействия на находящееся в зоне аварии оборудование также является актуальной задачей.
Цель работы – повышение уровня пожарной и промышленной безопасности нефтегазовых технологических объектов на основе доступных и достоверных расчетных методов оценки величин воздействия и рисков пожара и взрыва.
Задачи исследования:
- анализ информации о пожаро- и взрывоопасности объектов нефтегазовой отрасли и существующих методов определения плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития, оценки взрывобезопасности аппаратов колонного типа, оценки рисков аварий на трубопроводах нефти и газа;
- совершенствование расчетных методов определения плотности теплового потока от факела пламени и от пожара разлития нефтепродукта;
- разработка удобного в практическом применении метода оценки степени разрушения аппаратов колонного типа при внешнем ударно-волновом воздействии в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва;
- совершенствование метода определения риска от возможных аварий на трубопроводах, транспортирующих углеводородные смеси;
- разработка программного комплекса расчета сил и средств тушения пожаров на основе предложенных методов оценки параметров пожара и взрыва.
Методы решения поставленных задач
Для решения поставленных задач использовались современные методы сбора и обработки информации, ее анализ и синтез, выявление закономерностей и противоречий, описание и обобщение, методы математического моделирования процессов формирования опасных факторов техногенных аварий, численного решения систем математических уравнений, их практическая проверка.
Научная новизна:
- предложен научно обоснованный метод для расчета плотности теплового потока от цилиндрического факела пламени, применимый для факелов любой длины, пространственной ориентации, имеющих произвольную высоту расположения основания факела над поверхностью земли;
- усовершенствован метод оценки плотности теплового потока от пожара разлития, позволяющий выполнять вычисления для разлитий любой площади;
- разработан научно обоснованный метод определения зон слабых, сильных и полных разрушений аппаратов колонного типа при внешнем взрывном воздействии;
- разработан метод расчета полей потенциального риска (в том числе риска пожара и взрыва) для линейных объектов – трубопроводов, который в отличие от существующих методов позволяет получать количественные результаты, находящиеся в хорошем соответствии с данными отраслевой статистики;
- разработан в соавторстве и апробирован программный комплекс автоматизированного расчета сил и средств тушения пожаров по своим возможностям не имеющий аналогов.
На защиту выносятся:
- метод расчета плотности теплового потока от произвольно ориентированного в пространстве цилиндрического факела пламени;
- метод оценки плотности теплового потока от пожара разлития произвольной площади;
- метод определения зон характерных взрывных деформаций и зон опрокидывания аппаратов колонного типа;
- метод расчета полей потенциального риска линейных объектов;
- алгоритм расчета сил и средств тушения пожаров и программный комплекс для его реализации.
Практическая значимость результатов работы.
Разработанные методы расчета плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития позволяют определять размеры зон с характерными значениями плотности теплового потока. Данные методы имеют практическое применение при размещении оборудования в пределах промышленных площадок, определении наиболее эффективной расстановки сил и средств на месте пожара, исходя из его размеров, характеристик оборудования, машин и стволов для тушения, типов горящих смесей.
Использование при проектировании нефтегазовых производственных комплексов метода определения зон характерных взрывных деформаций и зон опрокидывания аппаратов колонного типа позволяет получить рациональную схему размещения подобных аппаратов на территории промплощадок с целью достижения приемлемых значений уровней техногенного риска.
Методы расчета плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития, определения зон характерных взрывных деформаций и зон опрокидывания аппаратов колонного типа реализованы в программном комплексе «Огнеборец», который внедрен в ООО «Оренбурггазпожсервис» для расчета сил и средств тушения пожаров на объектах ООО «Газпром добыча Оренбург».
Методы расчета рисков летального поражения при авариях на трубопроводах, вошедшие в программный комплекс «Баязет», используются в ООО «ВолгоУралНИПИгаз» для оценки риска при разработке деклараций пожарной и промышленной безопасности, составлении планов ликвидации аварийных ситуаций, при определении размещения опасных производственных объектов нефтегазовой отрасли.
Внедрения подтверждены соответствующими актами. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "ОГНЕБОРЕЦ. Расчет сил и средств для тушения пожаров".
Апробация результатов работы. Основные научные положения и практические результаты работы неоднократно доложены, обсуждены, одобрены и рекомендованы к применению на международных и российских научно-технических конференциях и симпозиумах, включая: научно-практическую конференцию «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г. Уфа, 2010 г.); 3-ю Общероссийскую научную конференцию: «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва, 2010 г.); научно-техническую конференцию с международным участием: «Основные проблемы поиска, освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (г. Оренбург, 2010 г.); 4-ю молодежную научно-техническую конференцию: «Основные проблемы поиска, освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения» (г. Оренбург, 2010 г.).
Результаты работы удостоены премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники за 2010 год (г. Оренбург, 2011 г.); серебряной медали Оренбургской областной выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2011» (г. Оренбург, 2011 г.); золотой медали X Московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, включая 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ для опубликования основных результатов диссертационных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, включающего 110 наименований, 1 приложения. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 18 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, отражена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Приводятся сведения о внедрении результатов работы и публикациях.
В первой главе представлен анализ статистической информации об авариях на нефтегазовых предприятиях, результатов расследования аварий на опасных производственных объектах предприятий нефтегазовой отрасли, выявлены причины аварий, приводящих к пожару и взрыву и уровень последствий произошедших аварий. Проанализированы современные методы оценки пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой отрасли, выявлены ограничения и недостатки этих методов и определена необходимость усовершенствования этих методов и разработки новых.
Установлены пределы применимости для оценки риска техногенных аварий в нефтегазовой отрасли теоретических моделей и экспериментальных методов, а также нормативных документов и методик, в основу которых положены указанные модели и методы.
Приведены основные виды взрывных процессов и процессов, сопровождающихся горением углеводородов. Рассмотрены основные поражающие факторы и источники их возникновения при реализации аварий пожара и взрыва.
Выявлено, что объекты добычи, подготовки, транспорта и переработки нефтепродуктов являются опасными производствами, для которых пожары и взрывы рассматриваются как наиболее вероятные сценарии развития аварии.
Установлено, что аварии, сопровождающиеся пожарами и взрывами, характеризуются наиболее сильными разрушениями сооружений и потерями среди обслуживающего персонала и большим уровнем экономического ущерба. В частности, обосновано, что факел пламени, пожар разлития и взрыв топливно-воздушной смеси являются наиболее характерными и опасными сценариями развития аварии, аппарат колонного типа является наиболее характерным объектом открытых технологических установок и содержит большое количество опасных веществ, а, следовательно, значительно усиливает последствия аварии при воздействии взрыва на него.
Выявлено, что существующие методы оценки плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития либо громоздки и трудны в практическом применении, либо основаны на ограниченном наборе рекомендованных табличных данных, которые для факела пламени – ограничены факелом определенных размеров и ориентации в пространстве, а для пожаров разлития – его площадью.
Современные методы оценки внешних взрывных разрушений аппаратов колонного типа, как правило, рассматривают колонну в виде стержня, что не вполне учитывает конструктивные особенности данного аппарата. В других случаях, взрывные разрушения рассчитываются с использованием метода конечных элементов, что очень трудоемко, так как для колонн различного размера требуется выполнение специфических геометрических построений, учитывающих взаимное расположение эпицентра взрыва и оболочки колонны.
Было установлено, что существующие методы расчета полей потенциального риска возможных аварий на трубопроводах, транспортирующих углеводородные смеси, либо не реализованы на практике с получением численных результатов и практически используемых расчетных моделей, либо основаны на растягивании риска от точечного источника вдоль трубопровода, что дает заниженное значение риска.
Вторая глава посвящена разработке методов расчета параметров пожаров и сопоставлению получаемых с помощью этих методов значений с существующим набором экспериментальных данных и данными, полученными с помощью апробированных методов.
Для совершенствования методов оценки плотности теплового потока от факела пламени или при горении пожара разлития предлагается применить прямое интегрирование плотности теплового потока от элементарных участков поверхности факела пламени или поверхности горения пожара разлития, с которых излучение падает на искомую точку поверхности земли, при следующих предположениях:
- поверхность факела пламени и пожара разлития имеет форму цилиндрической оболочки (обычная рекомендация для инженерных расчетов);
- излучение факела пламени и пожара разлития подчиняется закону Стефана-Больцмана (плотность теплового потока на поверхности пламени пропорциональна ·T4, где – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67·10-8 Вт/(м2К4), T – температура поверхности пламени, град К);
- плотность излучения убывает пропорционально квадрату расстояния от источника излучения согласно закону расстояния Ламберта;
- элементарные участки факела пламени и пожара разлития являются точечными источниками излучения.
Для определения плотности теплового потока от факела пламени производится его разбиение на элементы dy. Площадь элементарного участка факела ds, изображенного на рисунке 1, излучение с которого падает на искомую точку поверхности земли, определяется формулой:
(1)
где dy – элемент длины факела пламени, ось y направлена по оси симметрии факела, d – диаметр цилиндра факела пламени, м;
Рисунок 1 –Элементарный участок излучающей поверхности факела
Плотность теплового потока в точке, удаленной на расстояние х от проекции центра основания факела на поверхность земли, равна сумме плотностей теплового потока, получаемых от элементарных участков факела пламени. Исходя из законов Стефана-Больцмана и Ламберта для излучения, вычисляется суммарная плотность теплового потока в точке х путем интегрирования по у:
(2)
где q – плотность теплового потока в рассматриваемой точке поверхности земли, кВт/м2; – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67·10-8 Вт/(м2К4); T – температура поверхности пламени, град К; L – длина факела пламени, м; – коэффициент излучения, зависящий от степени черноты излучающего тела и от динамики смешения факела пламени с воздухом; r – расстояние от элемента факела до рассматриваемой точки, м; y – расстояние вдоль длины факела, отсчитываемое от основания факела, м;
Интегрирование по формуле (2) выполнено для частных случаев вертикального и наклонного факелов с основанием на поверхности земли и для общего случая произвольно ориентированного в пространстве факела пламени. Для общего случая произвольно ориентированного факела, расположенного на произвольной высоте от земной поверхности, как это представлено на схеме рисунка 2, интегрирование дает следующий результат:
(3)
где – угол наклона факела к горизонту, рад; – угол между вертикальной проекцией факела на поверхность земли и вектором Ox, рад, где O – точка вертикальной проекции центра основания факела на поверхность земли; z0 – расстояние от основания факела до поверхности земли, м.
Рисунок 2 – Произвольно ориентированный в пространстве факел
(более широкая линия) с основанием, находящимся
на высоте Zo над горизонтальной поверхностью
Подставляя в формулу (3) вместо q характерные значения плотности теплового потока с помощью математической системы можно построить изолинии с заданными плотностями теплового потока.
Предложенный метод значительно расширяет возможности существующих методов, так как удобен в применении и справедлив для факелов пламени произвольной длины и пространственной ориентации. Результаты расчетов, получаемые с помощью данного метода, хорошо согласуются с экспериментальными данными рекомендованных таблиц из справочников по тушению пожаров.
Предложен усовершенствованный метод определения плотности теплового потока при горении пожара разлития.
На рисунке 3 представлена схема, поясняющая процесс облучения цилиндрическим пламенем точки пространства, удаленной на расстояние х от центра площади разлития О; вертикальная излучающая полоса полуповерхности цилиндрического фронта пламени, выделена цветом.
Рисунок 3 – Геометрическая модель воздействия теплового потока от
цилиндрического пламени на точку поверхности земли
Площадь элементарной площадки, излучение с которой падает на рассматриваемую точку, равна:
(4)
где 
– ширина элементарной площадки; y – расстояние по вертикали от основания поверхности пламени до точки поверхности пламени, м; – угол между вертикальной плоскостью, проведенной через центр площади разлития и рассматриваемую точку поверхности земли, и вертикальной плоскостью, проведенной через центр площади разлития и точку на излучающей полосе цилиндрической поверхности фронта пламени, излучение с которой достигает рассматриваемой точки поверхности земли, рад; R – эффективный радиус площади разлития, м; r – расстояние от элемента поверхности пламени до рассматриваемой точки поверхности земли, м; 2 – угол, под которым видно основание поверхности фронта пламени из рассматриваемой точки поверхности земли, то есть угол между касательными, проведенными из рассматриваемой точки поверхности земли к окружности разлития, рад;
Плотность теплового потока в точке, удаленной на расстояние x от центра основания пламени, равна сумме плотностей теплового потока от элементарных площадок излучающей полосы фронта пламени. Поэтому, исходя из законов Стефана-Больцмана и Ламберта для излучения, после выполнения интегрирования по поверхности полосы пламени получаем величину суммарной плотности теплового потока в точке X:
(5)
где q – плотность теплового потока в рассматриваемой точке поверхности земли, кВт/м2; – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5.67
10-8 Вт/(м2К4); T – температура поверхности пламени, град К; H – высота пламени, м; – коэффициент излучения, зависящий от степени черноты излучающего тела и от динамики смешения факела пламени с воздухом.
Зоны с характерными значениями плотности теплового потока находятся с помощью любой математической системы, путем подстановки этих значений в формулу (5). Данный метод не противоречит табличным экспериментальным значениям из справочников пожаротушения, но расширяет возможности существующих методов, так как применим для пожаров разлития любой площади.
Еще одним методом, представленным в работе, является метод расчета полей потенциального риска (в том числе рисков пожара и взрыва) от трубопроводов.
При построении полей рисков на трубопроводах обычно рассчитывают риск для точечного источника и растягивают это поле риска вдоль трубопровода, что неверно, так как в этом случае не учитывается воздействие от различных участков трубопровода друг на друга.
Чтобы учесть влияние различных участков трубопровода друг на друга, разработан метод предусматривающий выполнение интегрирования функции потенциального риска для точечных объектов вдоль трубопровода.
Трубопровод разбивается на малые участки равной длины и для всех точек сетки территории учитывается суммарное воздействие от точечных источников, расположенных в центре участков трубопровода. Результаты, получаемые с помощью этого метода, хорошо согласуются с данными отраслевой статистики.
В третьей главе предложен метод определения последствий внешнего воздействия взрывов на аппараты колонного типа и произведено сопоставление результатов, получаемых с помощью этого метода со значениями, полученными с помощью апробированных моделей.
Для разработки данного метода, то есть для решения задач оценки степени разрушения аппаратов колонного типа в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва, разработан метод, в котором колонна, с точки зрения ее прочности и устойчивости рассматривается как вертикально расположенная подкрепленная цилиндрическая оболочка. При взрыве эта оболочка подвергается воздействию равномерно распределенного по боковой поверхности внешнего давления.
При нагружении цилиндрической оболочки равномерно распределенным по боковой поверхности внешним давлением разрушение происходит не от достижения критического значения напряжения (предела прочности или предела текучести), а при меньших значениях напряжения из-за потери устойчивости.
Задача об устойчивости такой оболочки в пределах упругости, когда величины напряжений вплоть до потери устойчивости связаны с деформациями законом Гука, т.е. напряжения пропорциональны деформациям, была решена Р. фон Мизесом. Это случай местной потери устойчивости, когда конструкция в целом сохраняет работоспособность при внешнем давлении q, равном
где: q – внешнее давление, равномерно распределенное по боковой поверхности оболочки; R – радиус оболочки; h толщина оболочки; Е – модуль упругости; µ – коэффициент Пуассона.
Для нахождения расстояния r от места взрыва до колонны, на котором происходит упругая деформация колонны, использована формула Садовского-Гельфанда для избыточного давления взрывной волны, образующейся при взрыве горючей газовой смеси:
где: p0 – атмосферное давление; p – избыточное давление, m – приведенная масса, определяемая по формуле
где: Qg – удельная энергия взрыва газа; Qtnt – удельная энергия взрыва тринитротолуола; М – масса газа; Z = 0,1 – коэффициент участия газа во взрыве
В случае пластических деформаций колонны, потеря устойчивости цилиндрической оболочки происходит за пределами ее упругости, в этом случае возникают сильные разрушения колонны.
Предположение, что при взрыве оболочка (колонна) подвергается воздействию равномерно распределенного внешнего давления q, позволяет использовать решение уравнения теории деформаций Джерара в пластической области для цилиндрической оболочки, нагруженной внешним давлением:
где: H – высота колонны.
Так же, как и в случае упругих деформаций, для определения расстояния пластических деформаций, приравниваются выражения для давлений (9) и (7). Пластическая деформация соответствует сильному разрушению колонны, а упругая деформация – небольшим повреждениям, когда конструкция сохраняет работоспособность. На рисунке 4 показаны кривые зависимости расстояний упругих и пластических деформаций от массы взорвавшегося газа для типовой ректификационной колонны, имеющей следующие характеристики: высота– 36 м, радиус – 3м, толщина стенки – 0.01 м, плотность материала – стали 7800 кг/м3, масса колонны 53000 кг.
Рисунок 4 – Зависимости расстояний упругих и пластических
деформаций от массы газа, участвующего во взрыве
Следствием опрокидывания колонны является ее полное разрушение. Оценка расстояния r от эпицентра взрыва до колонны, на котором произойдет ее опрокидывании, проведена впервые. Эта задача решена исходя из закона сохранения энергии, а именно: опрокидывание колонны произойдет, когда кинетическая энергия, получаемая колонной от удара детонационной волны, превзойдет потенциальную энергию максимального подъема центра масс колонны.
Расстояния от эпицентра взрыва до колонны, при которых происходят ее разрушения различной степени тяжести, согласуются с расстояниями, вычисляемыми по широко применяемой формуле Джеррета для разрушения зданий различной степени тяжести, а также верифицируются применением численных расчетов методом конечных элементов в системе Nastran.
Метод определения расстояний от эпицентра взрыва, при которых происходит разрушение колонны различной величины, отличается удобством в использовании и тем, что учитывает конструктивные особенности аппаратов колонного топа.
В четвертой главе представлено практическое применение и внедрение предложенных расчетных методов.
Для оптимального распределения сил и средств на тушение пожара и выработки мер по недопущению его распространения необходим способ оперативного построения зон с характерными значениями плотности теплового потока. Решить данную задачу позволяет разработанный автором диссертационной работы в соавторстве программный комплекс (ПК) «Огнеборец». Основное назначение ПК – оперативный расчет сил и средств, необходимых для тушения пожара, составления карточек тушения пожара, определения наиболее эффективной расстановки сил и средств, исходя из размеров зон с заданными значениями плотностей теплового потока, характеристик оборудования, машин и стволов для тушения, типов горящих смесей. Особенностью программы является возможность автоматизированного составления планов тушения пожаров на картографической основе.
Размеры зон теплового излучения на масштабируемом плане предприятия определяются с помощью разработанных методов оценки плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития. Результаты расчета зон с характерными значениями теплового потока в графическом виде представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Зоны с характерными значениями плотности теплового
потока, рассчитанные программой «Огнеборец».
Флажком обозначено местоположение факела пламени.
За пределами красного круга плотность теплового потока не более 12,5 кВт/м2, на внешней границе синего кольца плотность теплового потока не более 4,2 кВт/м2.
С практической точки зрения, наиболее важным результатом расчетов является определение зон, в которых плотность теплового потока достигает 12,5 кВт/м2 – оборудование, попадающее в эту зону требует охлаждения, и зон с плотностью теплового потока в 4,2 кВт/м2 – в пределах которых могут работать пожарные подразделения в защитных костюмах. Автоматически определяется оборудование, находящееся в пределах зоны 12,5 кВт/м2, силы и средства, необходимые для охлаждения этого оборудования, силы и средства для локализации пожара, тушения факела пламени, тушения площади пролива при его наличии.
В ПК «Огнеборец» также реализован предложенный метод расчета расстояний от эпицентра взрыва, при которых происходят характерные повреждения аппаратов колонного типа, что важно для продуманного расположения объектов на производственной площадке нефтегазового предприятия с целью предотвращения эскалации аварии.
Рисунок 6 демонстрирует графическое представление результатов расчета размеров зоны характерных разрушений ректификационной колонны при взрыве 3000 кг пропана.
Рисунок 6 – Зоны характерных разрушений ректификационной колонны относительно центра взрывоопасного объекта. Параметры ректификационной колонны: высота – 36 м, радиус – 3м, толщина стенки – 0.01 м, плотность материала – стали 7800 кг/м3, масса колонны 53000 кг
Метод расчета полей риска от трубопровода (в том числе рисков пожара и взрыва) позволил усовершенствовать программный комплекс «Баязет», разработанный в ООО «ВолгоУралНИПИгаз» г. Оренбург и предназначенный для автоматизации процесса разработки деклараций промышленной безопасности объектов нефтегазовой отрасли, оценки рисков аварий и инцидентов и построения полей рисков на картографической основе.
На рисунке 7 представлено поле потенциального риска гибели людей на нефтегазовом объекте, состоящем из емкости и соединительного трубопровода в случае а) при использовании традиционного метода "растягивания" риска от точечного источника по длине трубопровода; и в случае б) при использовании разработанного метода.
а)
б)
Рисунок 7 – Поле потенциального риска гибели людей на участке установки комплексной подготовки газа, состоящей из емкости и трубопровода: а) при использовании традиционного метода "растягивания" риска от точечного источника по длине трубопровода; б) при использовании разработанного метода
При использовании разработанного метода (рис. 7 б)) поле риска от трубопровода и емкости имеет один порядок. Если же «растягивать» поле риска трубопровода (рис. 7 а)), посчитанное для одной его точки по всей его длине, то трубопровод практически не видно на общем поле потенциального риска, что не соответствует данным отраслевой статистики, согласно которым риск от трубопровода близок риску от емкости.
ПК «Баязет» используется в ООО «ВолгоУралНИПИгаз» при разработке деклараций промышленной безопасности для объектов различных нефтегазовых предприятий.
Метод расчета плотности теплового потока от факела пламени был использован при оценке опасных воздействий при фонтанном истечении газа на Совхозном подземном хранилище газа (ПХГ), созданном на базе выработанного Совхозного газоконденсатного месторождения, расположенного в Оренбургской области, в 85 км севернее г. Оренбурга. Максимальное пластовое давление в хранилище доведено до 16,78 МПа, устьевые давления на скважинах – до 15,0 МПа. Эксплуатационный фонд скважин составляет 110 скважин. Суточные объемы закачки газа на ПХГ - 50 млн. м3, суточные отборы газа 70 млн. м3.
Самый большой газовый фонтан (наиболее опасный сценарий развития аварии) образуется при истечении газа на полное сечение устья скважины. Диаметр устья эксплуатационной скважины Совхозного ПХГ составляет 200 мм. Высота фонтана при таких условиях будет составлять около 26 метров. Расстояние от центра факела пламени (фонтанирующей эксплуатационной скважины), на котором плотность теплового потока равна 12,5 кВт/м2, посчитанное с помощью предложенного метода, составляет около 20 метров. На кусте скважины располагают на относительно небольшом расстоянии друг от друга, поэтому в указанную зону теплового потока попадают несколько скважин куста, устьевое оборудование которых требует охлаждения для предотвращения его разрушения, образования факелов пламени и значительной эскалации аварии.
Основные выводы
- Установлено, что существующие методы определения плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития, методы оценки зон характерных взрывных деформаций аппаратов колонного типа при внешнем ударном воздействии, либо громоздки и трудны в практическом применении, либо основаны на ограниченном наборе рекомендованных табличных данных. Методы оценки риска от возможных аварий на трубопроводах транспортирующих углеводородные смеси либо не реализованы на практике, либо дают значения, не соответствующие данным отраслевой статистики.
- Разработаны методы расчета плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития, которые значительно расширяют возможности оценки зон действия негативных факторов, так как применимы для факела пламени произвольных размеров и ориентации в пространстве и пожара разлития любой площади.
- Разработан метод, позволяющий определять размеры зон характерных взрывных деформаций аппаратов колонного типа, который учитывает конструктивные особенности колонны, не требует построения сложных геометрических моделей и использования метода конечных элементов.
- Разработан метод расчета полей потенциального риска (в том числе риска пожара и взрыва) для линейных объектов – трубопроводов, который в отличие от существующих методов позволяет получать количественные результаты, находящиеся в хорошем соответствии с данными отраслевой статистики.
- На основе научно обоснованных методов расчета плотности теплового потока от факела пламени и пожара разлития разработан программный комплекс «Огнеборец», позволяющий проводить оперативный автоматизированный расчет сил и средств тушения пожаров и определять наиболее эффективную их расстановку с учетом предотвращения опасного воздействия пожаров и взрывов на персонал, задействованный в тушении пожара.
Основные результаты работы опубликованы в следующих
научных трудах:
- Клейменов А.В., Глухов А.В. Вывод формулы оценки плотности теплового потока для произвольно направленного цилиндрического факела пламени // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа: Материалы научно-практических конференций 26 мая 2010 г. – Уфа: ГУП ИПТЭР, 2010. – 395 с. – С.354-356.
- Глухов С.В., Рахман Г.С., Гендель Г.Л., Клейменов А.В., Киселев С.Ю., Глухов А.В. Программный комплекс «Баязет» - системный подход к подготовке деклараций промышленной безопасности // Нефть. Газ. Новации. – 2010 – № 4. – С.76-78.
- Глухов А.В., Клейменов А.В. Расчет плотности теплового потока для произвольно направленного цилиндрического факела пламени // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2010 – № 8. – С.22-24.
- Глухов А.В., Глухов С.В., Клейменов А.В. Построение полей потенциального риска от возможных аварий на точечных и линейных объектах нефтегазовой отрасли с помощью программного комплекса «Баязет» // Тезисы докладов четвертой научно-технической конференции с международным участием «Основные проблемы освоения и обустройства нефтегазовых месторождений и пути их решения», Оренбург, 19-20 августа 2010 г. – Оренбург: ООО ВУНИПИГАЗ, 2010. – 76 с. – С. 57-59.
- Клейменов А.В., Глухов А.В. Моделирование характерных зон пожаротушения для произвольно направленного факела пламени // Успехи современного естествознания. – 2010 – № 9. – С.211-212.
- Глухов А.В., Клейменов А.В. Метод определения зон характерных взрывных деформаций аппаратов колонного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2010 – № 9. – С.6-8.
- Glukhov A.V., Kleimenov A.V. Method of Determining Zones of Characteristic Blast-induced Deformations of Tower Equipment // Chemical and Petroleum Engineering. – 2010. – Vol. 46. – No. 9-10. – P. 499-503.
- Глухов С.В., Клейменов А.В., Глухов А.В. Расчет сил и средств для тушения пожаров с помощью программного комплекса «Огнеборец» // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2010 – № 12. – С.85-88.
- Глухов С.В., Клейменов А.В., Глухов А.В. Построение полей потенциального риска от возможных аварий на точечных и линейных объектах нефтегазовой отрасли с помощью программного комплекса «Баязет» // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2010 – № 12. – С.94-97.
- Глухов А.В., Клейменов А.В. Определение условия опрокидывания колонных аппаратов ударной волной // Нефтепромысловое дело. – 2010 – № 12. – С.80-82.
- Глухов А.В., Клейменов А.В. Оценка плотности теплового потока при горении нефтепродукта // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. – 2010. – Вып. 4(82). – С. 128-132.
- Глухов С.В., Гендель Г.Л., Клейменов А.В., Глухов А.В. Повышение эффективности использования сил и средств для тушения пожаров нефтегазовых объектов // Газовая промышленность. – 2011 – № 1. – С. 76-77.
- Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011612803 РФ. Программный комплекс «Огнеборец. Расчет сил и средств для тушения пожаров» / Гендель Г.Л., Клейменов А.В., Рахман Г.С., Глухов С.В., Глухов А.В., Глухов В.Г., Кондря С.Н., Овчинников П.А., Наймушин С.В. (РФ). – 2011612803; Заявлено 17.02.2011; Опубл. 07.04.2011.
Фонд содействия развитию научных исследований.
Подписано к печати 16.06.2011 г. Бумага писчая.
Заказ № 139. Тираж 100 экз.
Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
