Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов прогнозирования процесса формирования взрывоопасных зон и примеры аварий 11
1.1. Аналитический обзор существующей литературы по проблеме формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ и их взрывы 11
1.2. Обоснование необходимости определения параметров взрывоопасных зон для оценки последствий взрывных аварий 14
1.3. Краткий анализ аварийных ситуаций 18
1.4. Выводы по первой главе 22
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета динамики формирования взрывоопасных зон 23
2.1. Теоретические основы описания процесса формирования взрывоопасных зон 23
2.2. Задачи формирования взрывоопасных зон, имеющие аналитическое решение 28
2.3. Численная модель, описывающая процесс формирования взрывоопасных зон 30
2.4. Решение задач, подтверждающих достоверность разработанной численной методики 36
2.5. Методика расчета параметров воздушных потоков и их реализация 40
2.6. Выводы по второй главе 47
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов диффузии и формирования взрывоопасных зон 48
3.1. Экспериментальные исследования процесса диффузии в жидкости 48
3.2 Экспериментальные исследования формирования метано- и пропановоздушных зон в протяжённых объёмах 52
3.3. Экспериментальные исследования диффузионных процессов в кубическом объёме и косвенное определение коэффициента турбулентной диффузии 56
3.4. Экспериментальные исследования диффузионных процессов в открытых пространствах 63
3.5. Выводы по третьей главе 68
ГЛАВА 4. Расчеты процесса формирования взрывоопасных зон применительно к реальным аварийным ситуациям и при прогнозировании последствий возможных аварий на объектах 70
4.1. Апробация разработанных методов для определения процесса формирования взрывоопасных зон на территории типового объекта 70
4.2. Анализ взрыва, происшедшего при тушении пожара в 2013 году на Тополевой аллее (г. Москва) 90
4.3. Анализ взрывной аварии, происшедшей в 2010 году на участке газопровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» (Самарская обл) 97
4.4. Выводы по четвёртой главе 106
Основные выводы и результаты 107
Список литературы 109
Приложение а. Акты внедрения результатов диссертационной работы 120
Приложение б. Сводная таблица результатов серии вычислительных экспериментов по исследованию процесса формирования взрывоопасных зон на типовом объекте
- Обоснование необходимости определения параметров взрывоопасных зон для оценки последствий взрывных аварий
- Численная модель, описывающая процесс формирования взрывоопасных зон
- Экспериментальные исследования диффузионных процессов в кубическом объёме и косвенное определение коэффициента турбулентной диффузии
- Анализ взрыва, происшедшего при тушении пожара в 2013 году на Тополевой аллее (г. Москва)
Введение к работе
Актуальность темы настоящей диссертационной работы определяется необходимостью исследования и дальнейшей разработки методов расчёта процессов формирования взрывоопасных зон, возникающих при аварийных выбро-
4 сах горючих веществ в атмосферу и внутрь помещений. Это связано с тем, что
параметры взрывного горения, в первую очередь, определяются распределением концентрации горючего вещества во взрывоопасной зоне. Учитывая, что в нормативных документах отсутствует чёткое описание и единый подход к анализу аварийных выбросов горючих веществ, в диссертационной работе рассмотрена научная задача по выработке на основе теоретических и экспериментальных исследований решений, направленных на развитие методов, позволяющих достоверно прогнозировать процесс формирования взрывоопасных зон при аварийных утечках и проливах горючих смесей и жидкостей.
Степень разработанности темы диссертационного исследования.
Изучением процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ занимались многие отечественные учёные в области обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий и сооружений (Андрианов Р.А., Бабкин B.C., Баратов А.Н., Бегишев И.Р., Болодьян И.А., Гельфанд Б.Е., Горев В.А., Зельдович Я.Б, Казённов В.В., Комаров А.А., Ко-рольченко А.Я., Макеев В.И., Мишуев А.В., Молчадский И.С., Пилюгин Л.П., Сафонов B.C., Стрельчук Н.А., Франк-Каменецкий Д.А., Хуснутдинов Д.З., Шебеко Ю.Н., Щелкин К.И. и др.), а также зарубежные ученые (Bradley D., Canu P., Crescitelli S., Fairweather M., Hirano Т., Mitcheson A., Moen I.O., Pasman H.I., Solberg D.M., Yao C., Zalosh R.G. и др.).
Однако, до сих пор, несмотря на значительные достижения в этой области исследований, остаётся открытым вопрос взрывов локальных зон горючих веществ как в атмосфере, так и внутри помещений.
Целью работы является разработка методики расчёта и прогнозирования временного и пространственного распределения концентрации горючего вещества при его аварийном выбросе.
Основные задачи исследования:
– провести анализ существующих методов, определяющих параметры взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючего вещества, как в атмосферу, так и внутрь помещений;
5 – определить основные факторы, влияющие на процесс формирования
взрывоопасных зон;
– экспериментально исследовать процесс диффузии, определяющий формирование взрывоопасных зон;
– разработать методику расчёта динамики формирования взрывоопасных зон, учитывающую основные параметры, характеризующие развитие аварийного выброса;
– обосновать работоспособность разработанной методики экспериментальными исследованиями и результатами аналитических решений диффузионной задачи.
Объектом диссертационного исследования являются пожаровзрыво-опасные производства газовой, нефтеперерабатывающей, химической промышленности; предприятия, использующие газо- и нефтепродукты в качестве сырья или энергоносителей; предприятия хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ; взрывоопасные и энергоёмкие объекты населённых пунктов.
Предметной областью исследования являются взрывоопасные зоны, образовавшиеся при аварийных выбросах горючих веществ на пожаровзрыво-опасных объектах, а также вопросы диффузии, определяющие процесс формирования взрывоопасных зон.
Научная новизна диссертации:
– экспериментально подтверждена возможность расчёта динамики формирования взрывоопасных зон путём применения метода численного интегрирования;
– на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны методы расчёта динамики формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючего вещества на типовом взрывоопасном объекте;
– экспериментально определено минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии для различных взрывоопасных веществ, приводящее к образованию взрывоопасной смеси в объёмах кубической и вытянутой формы;
6 – предложенная методология позволяет разрабатывать рекомендации по
снижению ущерба при авариях на энергоёмких объектах и проводить реконструкцию событий по произошедшим аварийным взрывам.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что разработанная методика расчёта параметров взрывоопасных зон, учитывает все исходные характеристики, определяющие развитие аварийного выброса: подвижность атмосферы, взаимное месторасположение выброса и ограждающих конструкций, расход выброса горючего вещества, коэффициент турбулентной диффузии, зависящий от погодных условий и физических свойств горючего вещества, и т.д.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
– разработана и апробирована методика расчёта динамики формирования локальных взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ;
– представлена методика расчета параметров воздушных потоков применительно к ситуации малой подвижности атмосферы;
– экспериментально получены минимальные значения коэффициента турбулентной диффузии для пропана и метана при распространении газа по вертикальной оси;
– восстановлены события развития взрывной аварии, произошедшей на участке газопровода в Самарской области, и взрыва паров ацетона, при тушении пожара в г. Москва.
Методология и методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы математического моделирования и теория подобия. Результаты, полученные путём математического моделирования, были подтверждены экспериментально, что говорит о корректности использования разработанного метода для прогнозирования параметров взрывоопасных зон.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты анализа существующих методов, определяющих процесс формирования взрывоопасных зон;
-
Теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования взрывоопасных зон при аварийных ситуациях;
-
Результаты тестовых расчётов по разработанным математическим моделям, подтверждающих достоверность расчётов динамических параметров формирующихся взрывоопасных зон при авариях;
-
Широкомасштабная серия вычислительных экспериментов, описывающих процесс формирования взрывоопасных зон применительно к реальным аварийным ситуациям, позволяющая выявить основные факторы, влияющие на параметры взрывоопасных зон.
Степень достоверности основных результатов, выводов и рекомендаций диссертации обусловлены применением современных методов и средств исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с применением измерительного оборудования, прошедшего поверку и откалиброванного для соответствующих условий. Для апробации численного метода решалась тестовая задача, и проводилось сравнение экспериментальных и расчетных данных.
Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в обобщении, систематизации и развитии теоретических составляющих исследуемых вопросов, а также разработке и апробации методики, определяющей процесс формирования взрывоопасных зон. Соискателем самостоятельно получены, интерпретированы и апробированы результаты исследования. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на: Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2012; II Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации». – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2013; III Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации». – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2014; III Международной научно-практической конференции молодых учёных
8 и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2014». – г. Москва:
Академия ГПС МЧС России, 2014; XVII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности». – г. Москва: ФГБОУ ВПО МГСУ, 2014; V Международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований». – г. Москва: Евразийский Союз Учёных (ЕСУ), 2014; IV Международной научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации». – г. Москва: Академия ГПС МЧС России, 2015.
Результаты исследований внедрены:
– при выполнении НИР: «Анализ влияния взрывов топливно-воздушных смесей, образующихся при падении воздушных судов, на безопасность ЛАЭС-2 по адресу: Ленинградская обл., г. Сосновый Бор, а/я 349/5, Промзона»;
– в учебный процесс Института гидротехнического и энергетического строительства при ФГБОУ ВПО «МГСУ» при подготовке бакалавров по направлению «Техносферная безопасность» профиль «Инженерная защита окружающей среды», и используются при чтении лекций по курсу «Теория горения и взрыва».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 опубликованных научных работах, из которых 3 статьи – в рецензируемых научных изданиях перечня ВАК РФ, 1 статья – в журнале, включённом в базу данных РИНЦ, а также статьи и тезисы докладов на международных конференциях.
Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Содержание работы изложено на 124 страницах машинописного текста, включает в себя 2 таблицы, 76 рисунков, список литературы из 104 наименований, 2 приложения.
Обоснование необходимости определения параметров взрывоопасных зон для оценки последствий взрывных аварий
Для определения последствий аварий, а также для проектирования и обеспечения взрывобезопасности на объектах, в технологических процессах производства и переработки которых используются горючие вещества, необходимо знать количество вещества, которое перешло во взрывоопасное состояние. Также необходимо знать в какой момент времени, и в какой точке пространства достигаются характерные концентрации газопаровоздушных смесей.
Как было сказано ранее, что проблеме формирования взрывоопасных зон и определения динамических параметров уделяется большое внимание [3, 7, 8, 11, 12, 13, 20, 21, 22, 27, 28, 32, 39, 40, 41, 44, 45, 61, 64, 65, 67, 69, 70, 71, 82 83, 84, 102].
На основании работ [8, 12, 27, 32, 39, 44, 61, 75, 84] приходим к выводу, что существует три основных подхода для количественного описания процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ: - гауссовская модель, законы нормального распределения концентрации; - модели формирования, основанные на интегральных законах сохранения веществ либо в облаке в целом, либо в поперечном режиме; - модели, построенные на численном решении системы уравнений сохранения веществ оригинальном виде (методы численного моделирования). Проведём аналитический обзор существующих методик по определению процесса формирования взрывоопасных зон горючих веществ.
Гауссовская модель реализована – в ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля», а методы, основанные на интегральных законах сохранения (краевые задачи, аналитические), в программных продуктах CFD. Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определение приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является ОНД-86.
Перечислим наиболее известные и широко применяемые нормативы и отечественные методик расчета последствий аварийных выбросов опасных веществ: - Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Серия 09. Выпуск 37; - Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 5 июня 2003 г. N 56); - ГОСТ Р 12.3.047-2012 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» ПРИЛОЖЕНИЕ Б. «Метод расчёта размеров зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР) газов и паров». ПРИЛОЖЕНИЕ Г. «Метод расчёта размеров зон распространения облака горючих газов и паров при аварии». - РБ Г-05-039-96 «Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического воздействия»; - ПБ 12-368-00 «Правила безопасности в газовом хозяйстве»; - РД 03-409-01 «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей». Серия 27. Выпуск 2. Сборник документов. 3-е издание исправленное и дополненное; - Экспресс-методика прогнозирования последствий взрывных явлений на промышленных объектах. ВНИИ ГОЧС; - Методические рекомендации ВНИИПО «Определение площади разгерметизации технологического оборудования с газопаровоздушными смесями»; Данные методики позволяют оценивать и определять: выброс горючих веществ в окружающую среду (залповое или мгновенное и продолжительное истечение газа); перемещение горючих веществ в атмосфере (растекание по поверхности, рассеивание в атмосфере); воздействие поражающих факторов на человека и объекты (токсическое воздействие, воздействие волн давления, удар пламенем, осколки, термическое излучение от пожаров пролива, горящих облаков, огненных шаров). Зачастую при выполнении рекомендаций по снижению взрывоопасности уникальных объектов и при расследовании крупных аварий две первые методики не позволяют решить поставленную задачу
Использование методов численного моделирования позволяет учесть особенности местности и наличие преград, чего не учитывают две первые методики. Основанный на процессах массо-, энерго- и теплообмена метод численного моделирования позволяет учесть практически все существенные факторы, а потому данный метод является наиболее точным. Но стоит отметить, что в полной мере, учитывающая все факторы, единая методика оценки последствий взрывных аварий, вызванных формированием газопаровоздушных смесей, отсутствует
Именно определение параметров взрывоопасных зон необходимо для оценки последствий взрывных аварий. Для подтверждения данной выкладки необходимо разобраться в основных понятиях аварийного взрыва. Дадим основные термины и определения [88]: Взрывная авария - авария, причиной которой является взрыв. Взрыв - быстропротекающее физико-химическое явление, связанное с быстрым освобождением потенциальной энергии и переходом её в энергию движущихся сжатых газов, которые создают волну сжатия или одну из его форм -ударную волну. Взрывное горение - распространение пламени в заранее образовавшейся (подготовленной) горючей смеси. Скорость распространения пламени зависит от вида взрывного горения: детонационного либо дефлаграционного. Горючая смесь - смесь горючего газа (газов) с воздухом (кислородом). Детонационное взрывное горение (детонационный взрыв) - характеризуется сверхзвуковой скоростью распространения пламени (1600… 3000 м/с) и совместным движением ударной волны и химической зоны горения во взрывчатой смеси. Дефлаграционный взрыв - характеризуется дозвуковой скоростью распространения пламени. Из вышеперечисленных определений вытекает, что для того чтобы произошло взрывное горение необходимо смешение горючего вещества с достаточным количеством кислорода (окислителя реакции), а также достаточный источник воспламенения смеси. Так называемый «Треугольник горения».
Численная модель, описывающая процесс формирования взрывоопасных зон
Ранее было сказано, что для расчёта динамических параметров взрывоопасных зон при аварийных выбросах горючих веществ необходимо предварительно определить параметры воздушных потоков. Для этого в работе представлена методика расчёта параметров стационарных и нестационарных воздушных потоков. Данную методику можно разделить на две группы.
Методика расчета стационарных потоков (условно аналитическая), основана на том факте, что произвольное движение среды можно заменить суммой произвольных элементарных составляющих (монополей, диполей, вихрей) с определенной интенсивностью. Интенсивность элементарных составляющих определяется из условия не протекания жидкости на твердых поверхностях (нормальная составляющая скорости потока на твердой поверхности должна быть равна нулю). Для этого на твердых границах задаются контрольные точки, в которых должно быть удовлетворено условие не протекания. Если количество элементарных составляющих равно N, то количество контрольных точек принимается равно N-1 (рисунок 2.5.1). Например, контрольные точки располагаются на твердой поверхности между соседними вихрями (см. рисунок 2.5.1).
Нормальная составляющая скорости потока в любой контрольной точке (Vn) должна быть в точности противоположна скорости, генерируемой системой вихрей. Поле скоростей, генерируемых элементарной составляющей с единичной производительностью, известно заранее из общих законов механики жидкости [26, 38, 54, 56-59]. Тогда задача определения интенсивности моно полей, диполей или вихрей сводится к системе линейных уравнений. Особенностью указанного способа решения гидродинамической задачи является то, что необходимо дополнительное уравнение, замыкающее систему линейных уравнений. Только тогда система линейных уравнений имеет единственное решение.
В интересующей с практической точки зрения задаче, которая описывает развитие и распространение взрывоопасных облаков, скорости потока очень малы (имеют порядок 1см/c). Связано это с тем, что при больших скоростях воздушного потока формирование значительных облаков невозможно, т.к. они быстро сносятся ветром и рассеиваются [12, 19, 24, 61, 67, 75, 93]. Поэтому в качестве условия, замыкающего систему уравнений, наиболее целесообразно принять суммарное значение завихренности потока, равной нулю, т.е. сумма интенсивности элементарных источников должна быть равна нулю. Физически это означает отсутствие подъемной силы у препятствия, обтекаемого воздушным потоком. Другими словами, срыва потока на кромках обтекаемого препятствия нет, а линии тока строятся с условием удовлетворения парадоксу Даламбера.
Методика расчета нестационарных потоков представляет собой чисто разностный аналог законов движения среды. При этом вся расчетная область заранее разбивается на определенное количество расчетных ячеек, в которых осуществляется расчет параметров среды. В основе этого метода расчета параметров воздушных потоков положена численная схема расчета. Суть ее сводится к прямому численному интегрированию законов сохранения в дифференциальной форме с привлечением интегральных законов сохранения. Этот метод известен как метод Годунова [6, 25, 89] и используется для решения широкого круга нестационарных задач гидрогазодинамики [4, 39, 44, 52, 63, 68].
В данной численной схеме предполагается, что на границе расчетной ячейки протяженностью Ах происходит распад произвольного разрыва, а давление и скорость среды в месте распада разрыва (на границе расчетной ячейки) определяются из решения задачи о распаде произвольного разрыва. Задача о распаде произвольного разрыва сводится к системе нелинейных уравнений относительно давления (рр) и скорости (ир) среды в точке распада разрыва. Данные величины определяют потоки массы Ми+1и импульса /._.+;, которыми обмениваются соседние расчетные ячейки / и / +1.
Для одномерного случая (двух и трехмерные разностные схемы строятся аналогичным образом) расчет плотности и скорости среды в і-ой ячейке в момент времени t + т -»(p"+1 ,и"+1) производится через значения плотности и скорости для предыдущего момента времени t (p",u") по следующей явной разностной схеме:
Особенностью применения данной численной схемы для расчета воздушных потоков является выполнение условия не протекания жидкости на границе. В этом случае принимается, что скорость потока, используемая при расчете параметров распада произвольного разрыва, в точности противоположна нормальной составляющей скорости потока на границе. Для свободного прохода жидкости на границе расчетной области принимается, что скорость потока, используемая при расчете параметров распада разрыва, в точности равна нормальной составляющей скорости потока на границе. Использование данного метода при решении стационарных задач газодинамики подразумевает, что проводятся вычисления временной зависимости параметров потока для исходных стационарных начальных и граничных условий. В результате вычислений решение «выходит» на определенное стационарное значение. Этот метод носит название – метод установления. Здесь следует отметить, что полученное таким образом стационарное решение предполагает, что происходит полный отрыв потока от кромок препятствий, находящихся на пути потока.
Рассмотрим реализацию первого метода расчета параметров воздушного потока для двухмерного случая. В качестве примера на рисунке 2.5.2 приведены вектора скорости потока, полученные описанным способом. Движение среды (ветра) происходит справа налево. На пути перпендикулярно потоку находится две преграды.
Экспериментальные исследования диффузионных процессов в кубическом объёме и косвенное определение коэффициента турбулентной диффузии
Ввиду того, что провести натурные исследования процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах в атмосфере практически не представляется возможным. Были выполнены экспериментальные исследования в лабораторных условиях, направленные на выявление закономерностей формирования взрывоопасных зон в открытых пространствах (атмосфере) [52]. Используя результаты численного решения уравнения турбулентной диффузии, можно по экспериментальным данным изменения концентрации вещества в точке определить значение коэффициента турбулентной диффузии. Метод определения физических параметров по данным измерений других физических величин и последующие вычисления искомой физической константы носит название косвенного метода экспериментального определения физической величины.
Эксперименты проводились в трубе диаметром 0,1 м, высотой 4,5 м, установленной вертикально. Метан подавался в нижний торец. Внутри модели в трёх точках вдоль центральной оси проводилась регистрация концентрации метана с помощью оптических датчиков концентрации углеводородов с порогом измерения до 100%(объёма). Датчики располагались на высотах от нижнего торца: нижний №1 – 1,5м, средний №2 – 3,0м, верхний №3 – 4,5м. Сбор данных производился через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с выводом данных на компьютер для регистрации и последующей обработки.
По разработанной математической модели были сделаны расчёты динамических параметров концентраций для условий проведённого эксперимента. На рисунка 3.4.1 приведены результаты расчета динамических характеристик концентрации газа в трех точках протяженного объема. Результаты расчета приведены в безразмерном виде. Из рисунка 3.4.1 следует, что максимальная концентрация в нижней точке реализуется в момент времени t=6.2 Т0.
Расчетные и экспериментальные временные зависимости концентрации метана в трёх точках Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей говорит о том, что полученное значение коэффициента турбулентной диффузии (для данного состояния газовой среды) соответствует реальности. На рисунке 3.4.4 приведены данные аналогичных опытов, но проведенные для пропана. Эксперименты, проведенные для пропана, показали, что в нижней точке (датчик №1) максимальное значение концентрации реализуется через 1755 секунд L2 6.2-0 = 1755 D после начала процесса диффузии. Тогда из соотношения D с получаем, что коэффициент турбулентной диффузии в этом случае в 10 раз меньше и составляет D=0.00063м2/с (L0=0.405м). Рисунок 3.4.4 – Экспериментальная зависимость от времени концентрации пропана в трех точках протяженного объема
Расчетная зависимость от времени концентрации пропана в трех точках протяженного объема На рисунке 3.4.5 приведены результаты расчета изменения концентрации пропана в рассматриваемых точках. Расчеты приведены в размерном виде и для полученного значения коэффициента турбулентной диффузии. Удовлетворительное совпадение расчетных (рисунок 3.4.5) и экспериментальных (рисунок 3.4.4) зависимостей говорит о том, что полученное значение коэффициента турбулентной диффузии (для данного состояния газовой среды) соответствует реальности.
Таким образом, эксперименты и расчеты показали, что в вертикальном направлении (вверх) коэффициент турбулентной диффузии для «тяжелого» газа – пропана (атомарный вес ПРОПАН=44) составляет около DПРОПАН=0.00063м2/с, что в 10 раз меньше, чем коэффициент турбулентной диффузии для «легкого» газа – метана (атомарный вес МЕТАН=16), который равен DМЕТАН=0.0058м2/с (для данного состояния газовой среды). Связано это с тем, что при турбулентной диффузии смешение газов происходит не на молекулярном уровне, а на уровне макроскопических корреляционных областей, которые, как указывалось ранее, характеризуются определенными размерами, скоростью и временем существования. При этом указанные корреляционные области двигаются как единое целое. Одной из характеристик движения макроскопических образований в жидкости является скорость их равномерного движения в среде под действием сил тяжести.
Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей концентрации веществ от времени говорит о том, что разработанная методика позволяет с достаточной точностью описывать динамические параметры концентрации вещества. 3.5. Выводы по третьей главе
Визуализация процесса диффузии в жидкости позволили определить и описать процесс формирования взрывоопасной смеси в помещении при аварийной утечке «тяжёлого газа». Представлены и проанализированы экспериментальные исследования распространения тяжёлых примесей в воде. Определены общие закономерности гидродинамического формирования смесей и диффузионного. Результаты были использованы при разработке численной методики расчёта данного процесса.
Выполнены экспериментальные исследования взрывного горения пропано воздушной смеси на модели вытянутого объёма. На основании экспериментальных данных и результатов расчёта, установлено, что при аварийных утечках горючих газов (например, пропана), плотность которых существенно отличается от плотности воздуха, даже при отсутствии подвижности выброса возникают значительные, по отношению к диффузионным процессам, гидродинамические потоки, которые на начальном этапе аварии определяют процесс формирования взрывоопасных зон. После затухания (остановки) гидродинамических течений начинается процесс формирования взрывоопасных зон, в основе которого лежат законы турбулентной диффузии.
Выполнены экспериментальные исследования взрывного горения метано-воздушной смеси на модели кубической формы. Описаны и обоснованы процессы формирования взрывоопасной смеси в помещении при утечке метана. Используемая математическая модель и расчетная схема адекватно описывают ход и подтверждают результаты проведённых экспериментов. Косвенно определён порядок коэффициента турбулентной диффузии при заданных условиях. Установлено, что коэффициент турбулентной диффузии является основным параметром, с помощью которого возможно достаточно точно спрогнозировать процесс развития аварийной ситуации, связанной с утечками горючих веществ. Представлены и проанализированы экспериментальные исследования, направленные на выявление закономерностей формирования взрывоопасных зон в открытых пространствах (атмосфере).
Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей говорит о том, что разработанная методика позволяет с достаточной точностью описывать динамические параметры концентрации вещества. Проведенные эксперименты и расчёты показали, что минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии для метана в вертикальном направлении составляет DZ=0.0058м2/с.
Аналогичные измерения и расчёты были проведены для пропана. Также было получено удовлетворительное совпадение результатов расчёта и эксперимента. При этом минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии в вертикальном направлении составило DZ=0.00063м2/с.
Анализ взрыва, происшедшего при тушении пожара в 2013 году на Тополевой аллее (г. Москва)
Из приведенных расчетов и анализа работ [9, 11, 13, 28, 39,44, 46, 47, 49]следует, что для формирования необходимого взрывоопасного облака достаточно иметь пролив ацетона шириной 1.0-1.5 метра и время на его испарение, которое должно составлять не менее 20 минут (значительный подвод тепла к предполагаемому месту пролива следует исключить, т.к. в этой части гаража не было зафиксировано на момент взрыва очагов пожара).
Следовательно, наиболее вероятным источником формирования взрывоопасного облака в боксе №12 может быть пролив ацетона, происшедший в примыкающем к нему боксе №13. В пользу такого предположения говорит наличие достаточного количества тары из-под ацетона, которые были обнаружены на месте аварии. Источником воспламенения паровоздушного облака мог быть открытый огонь у стены бокса №9 или искра, переносимая конвективными потоками из бокса №9 к воротам №12.
В результате проведенных расчетов и анализа представленных материалов был восстановлен сценарий аварийной ситуации. Определён источник воспламенения и горючее вещество. Действия сотрудников ФПС оправданы. 4.3. Анализ взрывной аварии, происшедшей в 2010 года на участке газопровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» (Самарская обл.)
С помощью разработанной методики (см. главу 2) был восстановлен сценарий развития взрывной аварии, произошедшей в ночь на 16 сентября 2010 года в районе 2169 км участка газопровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» вблизи с.Черновка Кинель-Черкасского района Самарской области.
В районе 2169 км участка газопровода «Нижневартовск-Курган-Куйбышев» вблизи села Черновка в 0230 произошло взрывное горение газопаровоздушного облака. В результате взрыва и пожара автомобиль, находящийся вблизи аварийных отверстий, полностью выгорел, а люди, находившиеся в нем, погибли. Пожаром была охвачена значительная территория.
Общий вид послеаварийной обстановки приведен на рисунке 4.3.1, где приведена фотография, на которой видны три области горения над аварийными свищами в газопроводах. После локализации пожара были зафиксированы три очага возгорания, которые можно классифицировать, как горение газопаровоздушной смеси, сформировавшейся при истечении в атмосферу из трубопроводов взрывоопасных веществ в результате их фильтрации через грунт.
Общая схема места аварийного взрыва и последующего приземного горения тяжелых углеводородных фракций приведена на рисунке 4.3.2, где приняты обозначения, которые будут использоваться в дальнейших вычислительных расчётах. Примем обозначение Ф1 – над этанопроводом (ЗАО «Нефтехимия»), Ф2 и Ф3 – над трубопроводом (ОАО «Самаранефтегаз»).
Перед проведением вычислительных расчетов вероятного сценария развития взрывной аварии необходимо сделать следующие замечания. Учитывая, что достоверных данных по аварийным расходам над областями горения Ф1, Ф2 и Ф3, которые послужили причиной формирования взрывопожароопасного облака, нет, поэтому были проведены расчеты по имеющимся косвенным данным, на основании работ [4, 7, 15, 32, 43, 44, 48, 62, 64, 67, 79, 88, 92]. Для оценки аварийных расходов можно использовать два способа. Первый способ основан на газодинамических соотношениях, описывающих процесс истечения газа из резервуара (трубы). Данный метод обладает тем недостатком, что не учитывает заглубление в грунт газопроводов и, соответственно, не учитывает фильтрационные потери давления и снижение расхода газа при его фильтрации через грунт на поверхность земли. Второй способ основан на взаимосвязи площади фронта горения с расходом газа. Другими словами, только определенный расход газа способен сформировать фронт горения заданной площади. Данный способ обладает тем недостатком, что достаточно сложно точно определить площадь фронта горения на момент аварии и нормальную скорость горения смеси. Однако он позволяет с определенной точностью говорить о минимальных и максимальных расходах газа, необходимых для поддержания области горения с определенными размерами [44, 91].
На рисунке 4.3.5 приведены уровни равных концентраций, которые создались бы при утечке газа только от источника Ф1. Расход газа был принят равным Q1=10л/с (при Q1=10л/с эквивалентный диаметр свища равен d1=2.6мм). 100 Это значение соответствует размеру факела Ф1, возникшему при аварии, и соответствует имевшим место при аварии параметрам свища (площади свища) и параметрам продукта в этанопроводе (давление, плотность и состав газовой смеси). Следовательно, принятое в расчетах значение расхода с источника Ф1 Q1=10л/с можно считать достаточно обоснованным, т.к. оно было определено двумя независимыми способами (через соотношения для истечения газа из отверстия и через размеры области горения). Вытянутость области горения, которая наблюдалась на месте аварии, указывает на наличие незначительного движения атмосферы (W=0.7см/с=25м/час) во время формирования газовоздушного облака. Из рисунка 4.3.5 видно, что даже незначительное движение атмосферы приводит к некоторому «размыванию» газовоздушного облака при столь незначительных расходах газа из источника Ф1.
Под областью возможного воспламенения (обозначенной на рисунке 4.3.5 индексом I) понимается область с концентрацией газа выше 1% объёма. Тяжелые углеводородные фракции способны воспламеняться (горение неустойчивое) при подобных концентрациях. У легких углеводородов нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) несколько больше.