Взрыв паро-газо-воздушного облака в неограниченном пространстве

Паро-газо-воздушное (ПГВ) облако образуется при авариях в системах переработки, транспортировки и хранения перегретых жидкостей и сжатых газов, а также при испарении разлившейся горючей жидкости (нефть, бензин, бензол и т.п.).

При аварии агрегата, содержащего горючие жидкости или газы, принимается, что все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство и одновременно происходит утечка вещества из подводящего и отводящего трубопроводов в течение времени, необходимого для отключения трубопроводов (табл. 1.7).

Таблица 1.7 -- Расчетное время отключение трубопроводов

Характеристика системы автоматики	Расчетное время отключения, с
Вероятность отказов менее 10^-6 год^-1или обеспечено резервирование ее элементов	менее 120
Вероятность отказов более 10^-6 год^-1или не обеспечено резервирование ее элементов	120
Ручное отключение	300

 

Масса газа m _г (кг), поступившего в окружающее пространство при аварии аппарата, равна

                                                                                                            (1.18)

где – объем газа, вышедшего из аппарата, м³; Р ₁ – давление в аппарате, кПа; V ₁ – объем аппарата, м³; – объем газа, вышедшего из трубопровода, м³;   -- объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³; Q – расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газа и т.п., м³/с; - время, определяемое по табл.1.7; – объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³; Р₂ – максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r_i – внутренний радиус i –го участка трубопровода, м; L_i – длина i -го участка трубопровода от аварийного аппарата до задвижек, м, n – число поврежденных участков трубопровода; ρ_г – плотность паров газа, кг/м³.

При аварии аппарата с жидкостью часть жидкости может находиться в виде пара, вырывающегося при аварии в окружающее пространство, образуя первичное облако. Оставшаяся часть жидкости разливается либо внутри обваловки (поддона), либо на грунте с последующим испарением с зеркала разлива с образованием вторичного облака.

Масса пара в первичном облаке m _п,1 (кг) равна

,                                                                       (1.19)

где - объемная доля оборудования, заполненная газовой фазой; V₁, P₁ (Па), V_т и P₂ (Па) - то же, что и в формуле (1.18); Т_ж – температура жидкости в аппаратуре, К; М - молекулярная масса жидкости, кг/кмоль; R – универсальная газовая постоянная газа, равная 8310 Дж/(К*кмоль).

Если разлившаяся жидкость имеет температуру Т_ж выше, чем температура кипения Т_кип и температура окружающей среды Т_ос (Т_ж > Т_кип > T_ос), то она кипит за счет перегрева с образованием пара с массой m_п,пер (кг)

,                                                                    (1.20)

где L_кип – удельная теплота кипения жидкости при температуре перегрева Т_ж, Дж/кг; С_р – удельная теплоемкость жидкости при температуре перегрева Т_ж, Дж/(кг*К); m_ж – масса перегретой жидкости, кг.

Разлившаяся жидкость с температурой Т_ж < Т_кип испаряется с образованием пара массой m_п,исп (кг) во вторичном облаке

,                                                                                         (1.21)

где W – интенсивность испарения жидкости, кг/(м²*с); F_исп - площадь испарения (разлива), м², равная площади обваловки (поддона) или площади поверхности, занимаемой разлившейся жидкостью исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на 0,1 м², остальные жидкости - на 0,15 м²; _исп – время испарения разлившейся жидкости, с, равное либо времени полного испарения [ ], либо ограничиваемое временем 3600 с, в течение которых должны быть приняты меры по устранению аварии.

Интенсивность испарения разлившейся жидкости W, кг/(м²*с), определяется по справочным или экспериментальным данным. Например, согласно документу НПБ 107-97 при обосновании взрывопожарной опасности наружных установок для не нагретых легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) используется формула

,                                                                          (1.22)

где P_нас - давление насыщенного пара, кПа, определяемое по формуле

                                               (1.23)

или по формуле Антуана

                                                                                 (1.24)

Здесь М – молекулярная масса пара, кг/кмоль; L_исп – скрытая теплота испарения ЛВЖ, кДж/кг; Т_кип – температура кипения, К; Т_ос, t – температура окружающей среды, К, ^оС; R- универсальная газовая постоянная, равная 8,310 кДж/кмоль.

Поступающий в окружающее пространство горючий газ или пар ЛВЖ массой m_г или m_п (кг) образует взрывоопасное облако, горизонтальные размеры которого ограничены линией, соответствующей нижнему концентрационному пределу распространения пламени С_нкпр (кг/м³) (табл.1.8). При этом радиус облака R_нкпр (м) определяется по формулам:

для горючих газов

,                                                                    (1.25)

для паров не нагретых ЛВЖ

.                                       (1.26)

Плотность газа (пара) _г(п) (кг/м³) определяется по формуле:

,                                                                      (1.27)

где V ₀ - мольный объем, равный 22,4 м³/кмоль; t_р - расчетная температура, ^оС, принимаемая равной максимально возможно температуре воздуха в соответствующей климатической зоне. При отсутствии соответствующих данных, допускается принимать равной 61^оС.

Внутренние границы ПГВ облака определяются внешними габаритными размерами аппаратов, резервуаров, установок и т.п. Во всех случаях R_нкпр принимается не менее 0,3 м.

При расчете избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве ПГВ облака принимают, что внутри облака имеется зона детонационного взрыва, радиусом R₀:

,                                                                                (1.28)

где k - коэффициент, зависящий от способа хранения горючего вещества (1 - для газа; 0,6 - для сжиженного газа под давлением; 0,1 - для сжиженного газа при пониженной температуре (изотермическое хранение); 0,06 - аварийный разлив ЛВЖ); С_стх - стехиометрическая концентрация газа в смеси, объемные % (табл. 1.7).

В пределах зоны детонационного взрыва ΔР_ф = 1750 кПа.

Избыточное давление Δ P_ф (кПа) на фронте ударной волны, образующейся при взрыве ПГВ облака, равно:

;                                                    (1.29)

,                                                                                   (1.30)

где m_пр - приведенная масса пара или газа, участвующих во взрыве, кг; R – расстояние от эпицентра взрыва, м; Q_v,г и Q_v,тнт -- соответственно, энергии взрыва газа (пара) и тротила (тринитротолуола), кДж/кг (значение Q_v,тнт приведено в табл.1.6, а значения энергий взрыва некоторых газов (паров) – в табл.1.8); Z – коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который допускается принимать равным 0,1.

Величина импульса волны давления I ₊ (кПа*с) вычисляется по формуле:

.                                                                                      (1.31)

Таблица 1.8 -- Характеристики взрываемости некоторых газов (паров)

Вещество	М, кг/кмоль	Qv ,г, кДж/кг газа	Qv ,стх, кДж/кг газо-воздушной смеси	Пределы взрываемости С (НКПР/ВКПР)*		стх, кг/м^3	Сстх, об.,%
				%	кг/м^3
Аммиак NH3	15	16600	2370	15/18	0,11/0,28	1,18	19,72
Ацетон C3H6O	58	28600	3112	2,2/13	0,052/0,31	1,21	4,99
Ацетилен C2H2	26	48300	3387	2/81	0,021/0,86	1,278	7,75
Бутан C4H10	58	45800	2776	1,9/9,1	0,045/0,22	1,328	3,13
Бутадиен C4H8	56	47000	2892	2/11,5	0,044/0,26	1,329	3,38
Бензол C6H6	78	40600	2973	1,4/7,1	0,045/0,23	1,350	2,84
Бензин	94	46200	2973	1,2/7	0,04/0,22	1,350	2,10
Водород H2	2	120000	3425	4/75	0,0033/0,06	0,933	29,59
Метан CH4	16	50000	2763	5/15	0,033/0,1	1,232	9,45
Монооксид углерода СО	28	13000	2930	12,5/74	0,14/0,85	1280	29,59
Пропан C3H8	44	46000	2801	2,1/9,5	0,038/0,18	1,315	4,03
Этилен C2H4	28	47200	2922	3/32	0,034/0,37	1280	4,46

Примечание: * - НКПР - нижний концентрационный предел распространения пламени; ВКПР - верхний концентрационный предел распространения пламени.

 

Пример 2. На производственном объекте бензин хранится в наружном резервуаре емкостью V₁ = 500 м³ на бетонном поддоне площадью F_под = 400 м². На расстоянии 50 м от резервуара находится диспетчерская, располагающаяся в здании с легким каркасом. Температура окружающей среды 27^оС (Т_ос =300 К).

Определить возможную степень разрушения здания диспетчерской в случае аварии с разрушением резервуара. При расчете принять, что плотность жидкого бензина _ж =740 кг/м³, молекулярная масса М =94 кг/кмоль, скрытая теплота испарения L_кип =287,3 кДж/кг, температура кипения Т_кип =413 К.

 Р е ш е н и е

1. Принимаем, что резервуар заполнен жидким бензином на 80%, а 20% объема занимают пары бензина (  = 0,2). Поскольку бензин в резервуаре находится при атмосферном давлении (Р₁ = 101,3·10³ Па), то по формуле (1.19) найдем массу паров бензина в первичном облаке m_п,1

 кг.

2. Интенсивность испарения разлившегося бензина W определяем по формуле (1.22). Для этого по формуле (1.23) находим давление насыщенного пара бензина при температуре окружающей среды

Р_нас = 101,3 exp [ 287,3·94 [(413)^-1 - (300)^-1] / 8,31] = 5,22 кПа.

Тогда по формуле (1.22) найдем

W = 1·10 ^-6·5,22·(94) ^1/2 = 5,1·10^-5 кг/ (м²*с).

3. Масса паров во вторичном облаке, образующемся при испарении разлившегося бензина в соответствии с формулой (1.21)

m_п,исп = 5,1·10^-5·400·3600 = 73 кг.

Здесь время испарения _исп принято равным 3600 с, в течение которого должны быть приняты меры по устранению аварии.

4. Суммарная масса паров бензина в облаке равна

m_п = 382 + 73 = 455 кг.

5. Радиус взрывоопасного облака R_нкпр для паров ЛВЖ определяет по формуле (1.26)

м.

Плотность паров бензина находим по формуле (1.27), принимая t_р = 61^оС

кг/м³.

6. Радиус зоны детонационного взрыва R₀ по формуле (1.28) равен

м.

В пределах этой зоны избыточное давление на фронте ударной волны будет равно ΔР_ф =1750 кПа.

7. Избыточное давление на фронте ударной волны за пределами зоны детонационного взрыва найдем по формуле (1.29), предварительно определив приведенную массу паров m_пр по формуле (1.30)

кг.

Тогда на границе облака R_нкпр = 480 м избыточное давление на фронте ударной волны составит:

кПа.

8. Избыточное давление на фронте ударной волны у здания диспетчерской (R = 50 м) равно по формуле (1.29)

кПа

9.  Согласно табл. 1.3 при избыточном давлении на фронте ударной волны ΔР_ф =22 кПа промышленное здание с легким металлическим каркасом может получить среднюю степень разрушения (разрушение крыши, окон, перегородок, ущерб - (30…40)%).

10. Вероятность получения зданием диспетчерской средней степени разрушения можно найти, определив значение пробит - функции Pr по формуле 5, табл.1.3.

Для этого по формуле (1.31) найдем величину импульса фазы сжатия ударной волны I ₊

кПа*с.

Тогда

.

В соответствии с табл.П.1.1 вероятность среднего разрушения здания диспетчерской составит всего 4%.

Определим вероятность того, что здание диспетчерской получит слабую степень разрушения, найдя сначала по формуле 4 табл.1.3 значение пробит-функции Pr

В соответствии с табл.П.1.1 вероятность слабого разрушения здания диспетчерской составит 62%.

Варианты заданий по оценке последствий взрыва ПГВ облака в неограниченном пространстве представлены в таблице П.2.2.