Анализ и оценка промышленной безопасности объекта газоснабжения АГРС-Энергия 1М

 

Поражение  человека  от  избыточного  давления  ударной  волны,  возникающей  при  взрыве  газовоздушного  облака,  характеризуется  следующими  критериями:  кровоизлияния,  сотрясения,  контузии,  разрыв  барабанных  перепонок,  переломы,  гиперемия  сосудов, летальный  исход [14, 21, 26, 27].                

На  основании данных,  приведённых в таблице 2.2,  делаются  выводы  о  степени  поражения  людей  от  избыточного  давления  ударной  волны,  возникающей  при расширении сжатого газа или взрыве  газовоздушного  облака,  при  авариях  по  сценариям № 1 и 2.

 

Таблица  2.6.  Предельно допустимые  значения  избыточного давления ударной   волны,  воздействующей  на  человека

№	Степень   поражения   человека	Избыточное давление, кПа
1.	Разрывы  барабанных  перепонок,  небольшие  кровоизлияния  в  лёгкие (поражение  1-й  степени )	20
2.	Кроме  указанного  выше,  общее  сотрясение  организма,  болезненный  удар  по  голове,  межмышечное  кровоизлияние (поражение  2-й  степени)	50
3.	Давление,  трудно  переносимое  организмом,  вызывающее  состояние  контузии (поражение  3-й  степени)	70
4.	Переломы  рёбер,  гиперемия  сосудов  мягкой  мозговой  оболочки	100
5.	Порог  смертельного  поражения	200
6.	Летальный  исход  в   50%  случаев	350
7.	Безусловное  смертельное  поражение	500

Зоны  действия  поражающих  факторов при  заражении  АХОВ отображаются  концентрическими  кругами  или  секторами, в зависимости от предполагаемых  условий аварии.  Параметры этих  зон и продолжительность  поражающего действия  АХОВ  определяются  расчётами  предложенными в методике РД 52.04.253-90 [22].

 

Сценарий № 1. Взрыв газа в технологическом  блоке АГРС

Расчёт зон действия основных поражающих факторов при аварии по сценарию № 1 выполняется  согласно физико-математическим моделям, приведённым в нормативно-методических  документах [14, 26].

При расчёте значений поражающих факторов при взрывном превращении газовоздушных смесей в помещении, в качестве расчётного следует выбирать в соответствии с  ГОСТ Р 12.3.047-98 [26] наиболее неблагоприятный вариант аварии, при котором в помещение поступает  (или постоянно находится) максимальное количество опасных веществ. Применительно к рассматриваемому сценарию самый неблагоприятный вариант – весь объём блока редуцирования и измерения расхода  заполнен  газом, при  появлении   источника зажигания – взрыв.

Место предполагаемой аварии выбирается по следующим критериям:

- блок редуцирования  и измерения расхода газа (БРИРГ)  является наибольшим по объёму  технологическим помещением, в котором  обращается сжатый газ, следовательно,  при утечке и взрыве газа, последствия будут наиболее тяжёлыми;

- согласно статистике [14], случаи разгерметизации оборудования  в блоке редуцирования и измерения  расхода газа составляют около  2/3 всех аварийных отказов. 

При взрыве газовоздушной смеси  в замкнутом объёме блок-бокса основным  поражающим  фактором  является  избыточное давление воздушной ударной волны. Расчётная схема аварии по сценарию № 1 показана на рис. 2.1.

 

1. Расчёт избыточного давления в блок-боксе, ∆Р, кПа,  проводят по формуле:

 

∆Р = (Рм- Р0)•(m•z / Vсв•ρг)•(100 / Сст)•(1 / Кн),

( 2.1 )

где Р_м - максимальное давление, развиваемое при сгорании газовоздушной смеси в стехиометрической концентрации в замкнутом объёме, кПа, определяемое по  справочным данным [28]. При отсутствии данных допускается  принимать Р_м = 900 кПа;

Р₀ - начальное давление, кПа; Допускается [26] принимать Р₀=101,3 кПа;

m - масса горючего газа, заполнившего помещение в результате  аварии, кг;

z - коэффициент участия  горючего газа при взрыве газовоздушной  смеси; согласно [26] принимается по данным таблицы А.1, для горючих газов (метана)  z = 0,5;

V_св- свободный объём помещения, м³; определяется как разность между геометрическим объёмом помещения V_г и объёмом, занимаемым технологическим оборудованием; если свободный объём помещения определить невозможно, то допускается [5] принимать: V_св= 0,8V_г;

ρ_г   - плотность газа при расчётной температуре t_p, кг/м³;

С_ст - стехиометрическая концентрация газа, % объёма; согласно [28] для метана  С_ст= 9,8 % об.;

К_н - коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения. Допускается [26] принимать К_н= 3;

Расчёт свободного объёма помещения (рис. 2.1), V_св, м³, проводят по формуле:

Vсв= 0,8 Vг= 0,8•(L•B•H),

( 2.2)

где L   - длина блока  редуцирования и измерения расхода  газа, м; L= 3,1 м;

B  - ширина блока  редуцирования и измерения расхода  газа, м; В = 2,4 м;

H  - высота блока  редуцирования и измерения расхода  газа, м; Н = 3,5 м.

Значения L, B, и H принимаются  по таблице  исходных данных.

V_св = 0,8 • (3,1 • 2,4 • 3,5) = 20,83 м³.

 

 

Рис. 2.1. Расчётная схема  по сценарию № 1

Расчёт плотности  газа при расчётной температуре, ρ_г, кг/м³, проводят по формуле:

ρг= М / [ VM • (1+0,00367• tp)],

( 2.3)

где М  - молярная масса, кг/кмоль; согласно [28] у метана М=16,043 кг/кмоль.

V_M - мольный объём, м³/кмоль; согласно [26] равный 22,413 м³/кмоль.

t_p - расчётная температура, °С; согласно [26] за расчётную температуру следует принимать максимально возможную температуру воздуха в данном помещении в соответствии с климатической зоной [29]. При отсутствии данных  допускается принимать ее равной +61°С. В расчете принимаем значение максимальной температуры воздуха +41°С. Следовательно, t_p= +41°C;

ρ_г= 16,043 / [22,413•(1+0,00367• 41)] = 0,622 кг/м³.

Расчёт массы  газа m, кг, заполнившего помещение в результате аварии, проводят по формуле:

m = (Vг1 +Vг2)• ρг

( 2.4)

где V_г1 - объём газа, вышедшего из оборудования БРИРГ, м³;

V_г2 - объём газа, вышедшего из трубопроводов БРИРГ, м³;

ρ_г   - см. формулу ( 2.3 ).

Расчёт объёма газа, вышедшего из оборудования БРИРГ, Vг1, м³, проводят по формуле:

Vг1= 0,01 Рр• Vоб,

( 2.5)

где Р_р  - рабочее давление в оборудовании, кПа; Р_р= 5487,5 кПа;

V_об- внутренний объём оборудования, где обращается газ, м³; V_об = 0,45 м³;

V_г1= 0,01• 5487,5 • 0,45 = 24,69 м³.

Расчёт объёма  газа, вышедшего из трубопроводов БРИРГ, V_г2, м³, проводят по формуле:

Vг2= ( Gт• tот) +(0,01 π • Pр • rвн2 • Lтр ),

( 2.6)

где G_т - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом, м³/с;   G_т = 1,086 м³/с;                                                                 

t_от -  время отключения аварийного участка, с; согласно [14, 26], с учётом времени на принятие решение диспетчером и времени срабатывания крана на  полное  закрытие - 50 с;  принимаем t_от = 50 с;

π   - число  пи,  π = 3,14;

P_р   - рабочее давление в трубопроводе, кПа; Р_р= 5487,5 кПа;

r_вн  - внутренний радиус трубопровода, м; r = d_вн/ 2 = 0,05 м;

L_тр - длина отсеченного участка трубопровода, м. В данном случае это длина газопровода от блок-бокса переключений до блока редуцирования и измерения расхода газа - 11,5 м. Таким  образом L_тр= 11,5 м.

V_г2= (1,086• 50) + (0,01• 3,14 • 5487,5 • 0,05² • 11,5) = 59,25 м³.

Следовательно: m = (24,69 + 59,25)• 0,622 = 52,21 кг.

 Расчёт  максимального давления, развиваемого  при сгорании газовоздушной смеси в стехиометрической концентрации в замкнутом объёме, Р_м, кПа, проводят по формуле:

Рм= Р0• (1+ β• tk)•(m/n),

( 2.7)

где Р₀ - см. формулу ( 2.1 );

β - коэффициент объёмного расширения газов, численно равный коэффициенту давления. Согласно [28], β= 0,003663;

t_k  - калориметрическая температура горения, °С. Согласно [28], для природного газа t_k= 1610 °С ( при 20 °С и коэффициенте избытка воздуха α= 1,4);

m  - число молей продуктов  сгорания после взрыва, определяемое  по реакции горения метана  в воздухе. Согласно [28], m = 10,52;

n  - число молей реагирующих  веществ до взрыва, участвующих  в реакции горения. Согласно [28],  n = 14,33.

Р_м= 101,3• (1+ 0,003663 • 1610)•(10,52/14,33) = 512,85  кПа.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

 

Таким образом, ∆Р=(512,85-101,3)•[(52,21•0,5)/(25,09•0,622)]•(100/9,8)•(1/3)= 2340,78 кПа.

 

Выводы. Сравнивая расчётное значение  ∆Р со значениями избыточного давления, соответствующими различным степеням разрушения зданий, сооружений,  техники, приведёнными в таблицах  2.7 и  2.8,  можно сделать однозначный вывод, что при взрыве газовоздушной смеси в блоке редуцирования и измерения расхода газа,  технологический блок будет полностью разрушен.

При оценке последствий  взрыва в блоке редуцирования и измерения расхода газа необходимо учитывать внешнюю воздушную ударную волну, которая образуется при разрушении наиболее слабого конструктивного элемента (двери).

 

2. Расчёт избыточного давления внешней воздушной ударной волны, ∆Рв, кПа, в точке, расположенной на расстоянии x, м, от разрушенного элемента (двери), проводят по формуле:

∆Рв= ∆Р/ x0m,

( 2.8)

где ∆Р - см. формулу ( 2.1 );

x₀  - приведённое расстояние, м;

m  - показатель степени,  зависящий от амплитуды воздушной  ударной волны. Согласно [14] при малых амплитудах, что соответствует рассматриваемому случаю,  m = 1.

Расчёт приведённого расстояния  x₀  проводят по формуле:

x0 = x / xэm,

( 2.9)

где x  - расстояние от разрушенного элемента  до поражаемого  объекта, м;

x_э - характерный линейный размер разрушенного элемента, м; x_э= 1,2 м;                   

m - см. формулу ( 2.8 ).

Выбор  значений  x, м,  проводится  на  основании  следующих  критериев:

- для определения степеней  возможного поражения персонала  необходимо рассчитать значения избыточного давления в наиболее вероятных местах нахождения людей на территории АГРС;

- для оценки возможных  повреждений необходимо рассчитать  значения избыточного давления  в местах расположения сооружений, оборудования и надземных трубопроводов  на территории АГРС;

- для оценки возможных  последствий для населения и  промышленных, социальных и жилых  зданий, необходимо рассчитать значения  избыточного давления в ближайших  точках расположения указанных  объектов.

 

Исходя из названных  критериев, выбираются следующие значения  x:

- 5,0 м - расстояние от  разрушенной двери до возможного  места нахождения  персонала;