CC BY
137
УДК 614.83
Е. В. Старовойтова, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА
Ключевые слова: численное моделирование, сжиженный аммиак, кипение, распространение.
Представлен комплекс моделей, описывающих процессы образования и распространения токсичного облака в результате аварийного выброса сжиженного аммиака. Приведены результаты численного анализа влияния промышленной застройки на характеристики зон токсического поражения аммиаком.
The complex of models describing formation and spread processes of toxic clouds due to accident emission of liquefied ammonia is presented. The results of the numerical analysis of the influence of industrial environment on characteristics of zones of ammonia poisonous action are given.
Анализ риска аварий является центральным звеном в обеспечении промышленной безопасности.
Предлагаемый в данной работе комплекс моделей позволяет с помощью численных экспериментов спрогнозировать различные аварийные ситуации, сопровождающиеся выбросом токсичного сжиженного газа, исследовать развитие аварии и, таким образом, оценить возможный ущерб и разработать методы локализации аварии.
При разгерметизации технологического оборудования со сжиженным газом термодинамическое состояние жидкости резко переходит от начальных (исходных) условий к конечным, при этом происходит как падение давления до атмосферного, так и охлаждение жидкости до температуры кипения. При мгновенном испарении жидкости формируется первичное облако пара.
Доля мгновенно вскипающей жидкости фмгн находится из соотношения [1]:
где Ср| — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К); Т — температура окружающей среды, К; Тк — температура кипения жидкости, К; АН— удельная теплота парообразования при температуре кипения и атмосферном давлении, Дж/кг.
В результате мгновенного вскипания расширяющиеся пары диспергируют и увлекают часть жидкости, поэтому образующееся облако содержит смесь пара и жидкости в виде аэрозольных капель. Масса выброшенных капель жидкости принималась равной массе мгновенно образовавшейся паровой фазы [1].
Для описания движения аэрозольных капель используется лагранжев подход, согласно которому вся дисперсная фаза разбивается на большое число групп капель, в пределах каждой из которых параметры всех физических капель считаются одинаковыми и, следовательно, эволюция каждой группы может быть прослежена путем расчета движения лишь одной представительной капли.
Для прогнозирования перемещения аэрозольных частиц использовалось уравнение [2]:
где Ц - проекция скорости движения капли; и - проекция скорости несущей фазы; рр-
СЖИЖЕННОГО АММИАКА
Keywords: numerical simulation, liquefied ammonia, boiling, spread.
Фмгн
(1)
AH
p
(2)
3 3
плотность капли, кг/м ; р - плотность несущей фазы, кг/м ; ёт-шаг по времени; Рр(и-ц) - сила
сопротивления на единицу массы частицы.
Уравнение, определяющее интенсивность кипения аэрозольных частиц, имеет вид [2]:
- ^дн = аДр(т - Тр), (3)
dt
где Др - площадь поверхности капли, м ; Тр - температура капли, К; Т -температура окружающей среды, К.
Коэффициент теплоотдачи а определяется из уравнения Ранца-Маршалла:
Nu = ^1^. = 2 + 0.6 Rep2 Pr1/3, (4)
X р
где dp - диаметр капли, м.
Температура капель остается постоянной и равной температуре кипения.
Обратное влияние дисперсной фазы на несущий поток, обусловленное межфазным обменом теплотой, импульсом и массой, учитывается включением соответствующих источниковых членов в уравнения переноса энергии, импульса, примеси и в уравнение неразрывности для сплошной фазы.
Движение несущей фазы описывалось системой трехмерных нестационарных уравнений Рейнольдса, замыкаемых уравнением состояния идеального газа и RNG k-s моделью турбулентности.
Оставшаяся после мгновенного вскипания часть сжиженного газа, образуя пролив, испаряется вследствие интенсивного теплообмена с подстилающей поверхностью и атмосферой.
При расчете интенсивности парообразования W (кг/(м2-с)) учитывался переход от режима кипения к диффузионному испарению, исходя из следующих условий:
Яа + Яп
W =
дн при Яп + Ча ^ JWK ДН (5)
JW при Чп + Ча < JWK ДН
2
где Ча — тепловой поток из атмосферы, Вт/м ; qn —тепловой поток от подстилающей поверхности к жидкости, Вт/м2; - диффузионный поток, определяемый с помощью
пристеночных функций [3] из условия, что мольная доля пара на межфазной границе Yw ~ 1 (в модели принималось Yw = 0,98), кг/(м2-с); Jw— массовый поток пара при диффузионном испарении, кг/(м2-с).
Уравнения для определения тепловых потоков к жидкой фазе от твердой поверхности и из атмосферы представлены в работе [4]. Массовый поток пара с поверхности пролива определялся на основе стандартных функций стенки с учетом поправки на стефановский поток. Описание данной модели дано в работе [5].
В качестве иллюстрации использования данного комплекса моделей представлены результаты численного моделирования распространения образовавшегося газовоздушного токсичного облака аммиака под действием ветра над ровной поверхностью и с учетом промышленной застройки при различных направлениях ветра.
Температура окружающей среды принималась равной 30°С, скорость ветра на высоте 10 м - 1 м/с. Состояние атмосферы - изотермия. Материал подстилающей поверхности -бетон.
Время экспозиции принималось равным 1800 с. Предполагалось, что в течение этого времени будет осуществлен вывод технического персонала из опасной зоны, либо будут осуществлены мероприятия, направленные на снижение интенсивности источника паров. Источник залпового выброса представлялся в виде цилиндра с радиусом равной высоте.
Результаты численного исследования влияния застройки на процесс образования и распространения токсичного аммиачного облака представлены на рисунках 1^4.
Изменение количества аэрозоля в аммиачно-воздушном облаке приведено на рисунке 1. Как показали расчеты, масса испарившегося аэрозоля со временем не зависит от наличия
строений, от направления ветра, при этом время полного испарения капель аэрозоля во всех случаях составляет примерно 40с.
1200-
1000-
800 -
600 -
400 -
200 -
0
0
10
20
30
т, с
Рис. 1 — Масса испарившегося аэрозоля таэр со временем: 1 - ровная поверхность; 2 - в условиях застройки при западном направлении ветра; 3 - в условиях застройки при восточном направлении ветра
Для оценки размеров зон токсического поражения пользовались показателем токсодозы, учитывающим изменение концентрации в точке пространства в зависимости от времени и определяемой как:
где D - токсодоза; ^ксп - время экспозиции; C - концентрация примеси; At - шаг по времени.
Для аммиака значения летальной и пороговой токсодоз равны соответственно S|_ct = 150 и Spct =15 мг-мин/л [6].
Функция вычисления токсодозы была реализована на языке программирования Си и интегрирована в пакет FLUENT.
Результаты расчета полей токсодоз в виде изолиний, соответствующих пороговому и летальному значениям, приведены на рисунке 2. Зона поражения несколько смещена от источника выброса не только в направлении ветра, как иногда ошибочно полагается, но и в направлении против ветра. Такая форма поражения обусловлена, прежде всего, гравитационным растеканием аммиачно-воздушного облака в первые минуты после выброса, что характерно для «тяжелого» газа, а, как известно, аммиачно-воздушная смесь в
присутствии капель имеет плотность больше, чем плотность воздуха. Общая зона поражения складывается за счет прохождения двух облаков: первичного и вторичного, последнее образуется при испарении пролива. От первичного облака формируется основной круг поражения, а при вторичном - выступ в направлении ветра. При наличии застройки расчетные поля токсодоз имеют сложную форму, что необходимо учитывать при разработке
мероприятий по обеспечению безопасности персонала.
Полученные значения площадей зон токсического поражения S|_ct и Spct,
соответствующие летальной и пороговой токсодозам, представлены в таблице 1.
Наибольшая опасность летального поражения возникает в условиях застройки.
Наличие зданий способствует ухудшению рассеяния газа вследствие образования застойных зон. Высокие концентрации в области источника сохраняются в течение более длительного
0
(6)
времени. Однако площадь зоны токсического поражения, ограниченной значением пороговой токсодозы, будет максимальна при распространении токсичного облака над ровной поверхностью, что связано с более равномерным распределением газа в атмосфере.
Рис. 2 - Профили летального и порогового значений токсодоз паров аммиака: а) ровная поверхность; б) в условиях застройки при западном направлении ветра; в) в условиях застройки при восточном направлении ветра
Анализ полученных результатов показал, что наличие препятствий в виде зданий может оказывать существенное влияние на конфигурацию и протяженность зон распространения опасных веществ. Также выявлено, что не только наличие зданий оказывает заметное влияние на распространение токсичного газа, но и их расположение относительно источника выброса.
Таблица 1 - Площади зон токсического поражения аммиаком (время экспозиции 1800с)
Параметр Ровная В условиях В условиях
поверхность застройки при застройки при
западном восточном
направлении ветра направлении ветра
О 2 0|_СЬ м 11747 14910 12996
Эра, м2 117974 98547 100078
Литература
1. Маршалл, В. Основные опасности химических производств: Пер. с англ. / В. Маршалл. - М.: Мир, 1989. - 672 с.
2. Fluent Inc. Fluent 6.1. User’s Guide, Lebanon, 2003.
3. Белов, И.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости / И.А. Белов, С. А.Исаев, В. А. Коробков - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.
4. Галеев, А.Д. Динамика формирования взрывоопасного облака при аварийном выбросе смеси сжиженных углеводородных газов в атмосферу / Галеев А.Д., Старовойтова Е.В., Поникаров С.И. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, № 3. - С. 130-135.
5. Старовойтова, Е.В. Численный анализ процесса парообразования при кипении аварийного пролива сжиженного газа / Старовойтова Е.В., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Пожаровзрывобезопасность. -2011. - № 2. -- С. 24-28.
6. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ (утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 14 декабря 2007 г. №859).
© Е. В. Старовойтова - асп. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.
