Пожаробезопасность при эксплуатации резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (Нефтегазовая отрасль)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа -2005
Работа выполнена на кафедрах «Промышленная безопасность и ох рана окружающей среды» и «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» Ухтинского государственного технического университета.
Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Волков Владимир Николаевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук Хуснияров Мират Ханифович;
кандидат технических наук Минаев Алексей Васильевич.
Ведущая организация Главное управление МЧС России по Республике Коми.
Защита состоится «9» июня 2005 года в16-00 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов,1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государст венного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан «»_2005 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Закирничная М.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В России добываемая нефть и нефтепродукты подготавливаются, пере рабатываются и хранятся в резервуарных парках. В государственном реестре опасных производственных объектов содержатся сведения почти о тысяче неф тебаз и объектов хранения нефти и нефтепродуктов. В соответствии с Феде ральным Законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных произ водственных объектов» от 21.07.1997 г. резервуарные парки и нефтехранилища относятся к опасным производственным объектам.
Проблема повышения промышленной безопасности резервуаров обост рилась в связи с рядом обстоятельств, возникших в России в новых экономиче ских условиях. По данным ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, в настоящее вре мя 90% эксплуатируемых резервуарных парков превысили нормативный срок эксплуатации (20 лет). Проведенный обзор аварийных ситуаций с отрывом крыши резервуара вследствие взрыва и с последующим возгоранием нефтепро дукта в резервуаре со свободной поверхностью показал, что рассмотрение про цессов горения нефтепродуктов в резервуаре является актуальным направлени ем развития науки в настоящее время.
К наиболее разрушительным последствиям приводит горение нефтепро дуктов со свободной поверхностью резервуара. Изучение процесса горения имеет важное научное и прикладное значение в связи с проблемами пожароту шения, борьбы с нефтяными проливами при авариях на резервуарах.
В настоящее время при теоретическом анализе горения нефтепродуктов используются различные подходы, опирающиеся на некоторые модельные представления о механизме горения как сложного явления. Наиболее полная информация о закономерностях протекания процесса горения может быть по лучена при численном решении системы уравнений переноса для жидкого и га зообразного реагентов. Кроме того, при изучении турбулентного горения неф тепродуктов возникают трудности физического характера, связанные с задани ем коэффициентов турбулентного обмена в свободноконвективном потоке реа гирующего газа переменной плотности. В связи с этим большое значение при обретает развитие приближенных аналитических методов расчета горения неф тепродуктов, позволяющих определить основные характеристики процесса го рения.
Учитывая, что решение проблемы прогнозирования условий протекания и последствий пожаров в резервуарах связано с сохранением человеческих жизней и снижением материального ущерба, она является достаточно актуаль ной.
Цель работы Разработка аналитических методов расчета горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара с целью своевременной локализации по жаров на резервуарах для минимизации материального ущерба и человеческих жертв.
Основные задачи исследований 1. Оценка технического состояния резервуарных парков, а также анализ статистических данных по авариям резервуаров, их масштабам, особен ностям и последствиям.
2. Исследование основ стационарного горения нефтепродуктов со свобод ной поверхностью резервуара. Разработка аналитических методов для определения основных характеристик процесса горения нефтепродук тов.
3. Исследование основных характеристик процесса горения в зависимости от конструктивных и технологических параметров резервуара.
4. Анализ изменения скорости горения в резервуарах по мере выгорания слоя нефтепродуктов с целью прогнозирования затухания горения.
Научная новизна 1. По результатам статистического обзора резервуарный парк идентифици рован как наиболее пожаро- и взрывоопасный объект перевалочной неф тебазы (ПНБ). Установлены наиболее вероятные причины и характер происхождения аварийных ситуаций.
2. Определены значимые характеристики процесса горения, позволяющие повысить достоверность прогнозирования развития пожара. Изучена их зависимость от технологических и конструктивных параметров резервуа ра.
3. Получена зависимость изменения скорости горения в резервуарах со свободной поверхностью при выгорании слоя нефтепродуктов для оцен ки затухания процесса горения.
На защиту выносятся аналитические оценки причин аварийности при эксплуатации резервуаров, теоретические выводы и обобщения, разработанные математические модели для определения основных характеристик процесса горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара с целью по вышения пожаробезопасности при эксплуатации резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
Теоретическая ценность Разработанный аналитический метод определения характеристик процес са горения более широкого спектра по сравнению с традиционными методами позволяет повысить достоверность прогнозирования развития пожара.
Практическая ценность Полученные математические модели для определения основных характе ристик процесса горения нефтепродуктов внедрены во втором отряде ГПС МЧС России по Республике Коми для разработки мероприятий по предотвра щению и ликвидации взрывов и пожаров на резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов.
Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены:
на VIII, IX Международной научно-технической конференции «Строи тельство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение» ( г.Уфа, 2004, 2005);
IV научно-технической конференции (г. Вологда, 2004);
V Всероссийском совещании «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность» (г.Томск, 2004);
VI Международной научно-технической конференции «Севергеоэкотех» (г.Ухта, 2005).
Публикации По материалам диссертации автором опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов;
содержит 137 страницы машинописного текста, 17 таблиц, 31 рису нок, библиографический список использованной литературы из 97 наименова ний.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулированы актуальность темы диссертационной ра боты, цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна проведенных исследований, практическая ценность и сведения об апробации научных результатов.
Первая глава посвящена оценке современного состояния и анализу ста тистических данных по аварийности резервуарных парков для хранения нефти и нефтепродуктов, их масштабам, особенностям и последствиям.
В настоящее время в России и странах СНГ находится в эксплуатации бо лее 40 тысяч вертикальных и горизонтальных цилиндрических резервуаров ем костью от 100 до 50000 м3 для хранения нефти, нефтепродуктов и агрессивных химических веществ.
Практически каждый из них представляет собой объект повышенной опасности для персонала предприятий и окружающей среды. В табл. 1 приве дены данные по частоте возникновения аварий на перевалочной нефтебазе (ПНБ), полученные на основе обзора ежемесячной аварийной отчетности от расли.
Таблица Частота возникновения аварий Место аварии Частота возникновения аварий с по явлением поражающих факторов на ПНБ, год- 2,1·10- Резервуарный парк Железнодорожные цис 1,5·10- терны 1,1·10- Насосное оборудование 4,6·10- Трубопроводы 5,2·10- Всего по объекту Из таблицы видно, что именно резервуары товарных производств ПНБ характеризуются наибольшим уровнем аварийности.
При оценке масштабов возможных техногенных опасностей на нефтеба зах и нефтехранилищах были выделены основные сценарии развития аварий:
наиболее опасные – взрыв наземного резервуара с нефтью с последую щим воспламенением, пожаром и полным разрушением резервуара;
наиболее вероятные – частичное разрушение насосного агрегата;
локаль ные утечки из технологического оборудования, трубопроводов. При раз витии аварий по этим сценариям возможны воспламенение нефти (неф тепродукта) и пожар пролива.
Основными поражающими факторами перечисленных аварий являются тепловое излучение, воздействие ударной волны, попадание в открытое пламя, поражение осколками.
При авариях с наиболее тяжелыми последствиями зоны поражения (раз рушения) могут достигать нескольких сот метров;
размер опасных зон при воз никновении пожара разлития будет ограничен несколькими десятками метров от края пролива.
В случае реализации рассматриваемых аварийных ситуаций возможно разрушение смежного по промплощадке оборудования. Это обстоятельство способствует увеличению площади зоны поражения.
Установленные особенности эксплуатации резервуаров (парков) и основ ные причины возникновения пожаров потребовали разработки новых методов и уточнения существующих алгоритмов теории горения нефтепродуктов с це лью прогнозирования развития сценариев аварийной ситуации.
Исследованию закономерностей горения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара посвящено значительное количество эксперимен тальных и теоретических работ, направленных на изучение механизма процесса горения, тепломассопереноса в реагирующей жидкости и газовом факеле над свободной поверхностью резервуара, высоты пламени и др. (Ассовский И.Г., Гуджиев А.В., Сухов Г.С., Горшков В.И. и др.) В работах приводятся подробные данные по изменению размеров пламе ни в зависимости от режима горения и конструктивных характеристик резер вуара. При ламинарном горении относительная высота факела сначала увели чивается, потом уменьшается с ростом диаметра резервуара d, а в турбулентном пламени практически не зависит от диаметра резервуара d.
Значительная часть экспериментальных работ (Зельдович Я.Б., Лейпу новский О.И., Смирнов Н.Н., Баренблатт Г.И., Ярин Л.П. и др.) посвящена ис следованию скорости горения нефтепродуктов, высоты и формы факела, меха низма теплопередачи. В работах изучалась зависимость скорости горения от природы нефтепродуктов, от скорости обдува свободной поверхности резер вуара, уровня нефтепродуктов в резервуаре, от концентрации окислителя в ат мосфере. Вместе с тем до сих пор не были получены аналитические соотноше ния для оперативной оценки температуры в зоне горения, температуры свобод ной поверхности нефтепродукта в резервуаре, относительной высоты факела.
Во второй главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований горизонтальных резервуаров при хранении бензинов и предло жена методика определения концентраций углеводородов.
Для оценки потерь бензина от испарений из резервуара от «больших ды ханий» выполнялись измерения следующих параметров: температуры окру жающего воздуха в тени, газового пространства и бензина в резервуаре;
баро метрического давления;
давления в газовом пространстве резервуара;
концен трации паров бензина в паровоздушной смеси (измерение производилось перед заполнением резервуара, в процессе заполнения, в момент выдачи бензина);
время начала и конца заполнения резервуара;
уровень бензина в резервуаре в начале и конце заполнения;
плотность бензина до и после заполнения резер вуара.
По результатам обследования горизонтальных резервуаров было выявле но:
1. Фактические испарения при «дыхании» резервуаров составляют 1,06 кг/т (рис. 1), что выше установленных норм (0,3 кг/т в весенне-летний период) в 3 раза. Это приводит к повышению концентрации паров бензина в воз духе и создает пожарную опасность.
2. В среднем 32,8% (рис. 2) от объема «большого дыхания» выбрасывается через неплотности фланцев замерных смотровых люков. При этом пары бензина распространяются непосредственно по поверхности земли, что создает опасность взрыва и нанесения вреда здоровью обслуживающему персоналу.
0, 0, Относительная частота 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, "0,8...0,92" "0,92...1,04" "1,04...1,16" "1,16...1,28" "1,28...1,4" Диапазон уд. потерь, кг/т [M]= 1,06 кг/т Рис.1. Распределение испарений нефтепродуктов с «дыханием» резервуара 0, 0, Относител ьная частота 0, 0, 0, 0, 0, 0-16 16-32 32-48 48-64 64- Диапазон утечек, % [M]= 32,8% Рис.2. Распределение утечек через неплотности резервуара 3. Уровень срабатывания клапанов давления в среднем составляет 52,4 мм водяного столба вместо установленных нормативами 130 мм. Это являет ся следствием отсутствия грузов на тарелках и неплотного прилегания поверхности тарелок к седлу клапана. Имеются значительные загрязне ния в камерах клапанов (окалина, засохшая краска). Пониженный уро вень срабатывания клапана давления снижает выбросы через неплотно сти резервуара и ускоряет процесс слива нефтепродуктов из резервуара.
На основе анализа данных эксплуатации было установлено, что основны ми факторами риска аварий горизонтальных резервуаров являются выбросы паров нефтепродуктов на эстакадах налива, превышение норм испарений при «дыхании» резервуара;
негерметичность клапанов.
На основе анализа аварийности на объектах с близкими объемами хране ния и имеющих сходное оборудование были определены следующие типичные последствия аварий (в порядке убывания вероятности): пожары и взрывы в ре зервуарах;
горение паров бензина в открытом пространстве при высоких тем пературах воздуха;
«огненные шары» при пожаре на автомобильных цистернах с бензином. По величине вероятных зон действия поражающих факторов на персонал объекта и оборудование наиболее опасными сценариями являются следующие: взрыв паров бензина в воздухе;
попадание автоцистерны с бензи ном в открытое пламя и образование «огненного шара».
Во второй главе приводятся результаты обзора аварийности резервуаров товарных парков с отрывом крыши и последующим пожаром. Полученная ста тистика свидетельствует о необходимости дальнейшего развития методов тео рии горения, позволяющих повысить достоверность оценки развития сценария аварийной ситуации.
Третья глава посвящена анализу теоретических основ стационарного го рения нефтепродуктов со свободной поверхностью резервуара и разработке расчетной модели, которая может быть применена к решению задач, связанных с прогнозированием сценариев развития пожаров на аварийном резервуаре.
При нагреве и испарении нефтепродуктов со свободной поверхностью формируется конвективная струя, в которой происходит смешение и химиче ское реагирование паров нефтепродуктов с содержащимся в окружающей среде окислителем. При горении выделяется теплота, которая посредством теплопро водности, конвекции и излучения передается от пламени к нефтепродуктам, стенкам резервуара, а также затрачивается на нагрев продуктов сгорания. Теп лота, которую нефтепродукты получают от пламени, затрачивается на ее нагрев и испарение, чем обеспечивается непрерывность процесса горения.
Размеры факела зависят от интенсивности испарения и условий образова ния горючей смеси. Важнейшей характеристикой рассматриваемого процесса является скорость горения u2, под которой понимают объем нефтепродуктов, испаряющийся с единицы поверхности в единицу времени. Численно объемная скорость горения равна линейной скорости понижения уровня нефтепродуктов в резервуаре. Скорость горения нефтепродуктов зависит от диаметра резервуа ра d. При ламинарном горении увеличение диаметра приводит к уменьшению скорости горения. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра резервуара растет высота факела lф (рис.3).
lф,м 0, 0, 0, 0, 0, 0, d,м 0,05 0,06 0,01 0,03 0, Рис. 3. Зависимость высоты факела от диаметра резервуара;
опытные данные и их линейная аппроксимация:
1 – бензин;
2 дизельное топливо;
3 – расчет для гексана На рис.3 дано сопоставление расчетных и экспериментальных данных по высоте пламени. Видно, что расчетная величина относительной высоты фа кела ф примерно в 3,2 раза меньше высоты пламени, определенной по линей ной аппроксимации экспериментальных данных. Такое несоответствие объяс няется тем, что в принятой модельной постановке величина ф является коор динатой условного фронта горения, расположенного между поверхностью неф тепродуктов и вершиной реального пламени. Введение корреляционного коэф фициента К= 3,2 позволяет по расчетным значениям ф определить высоту ре ального пламени при любых значениях диаметра резервуара, отвечающих ла минарному режиму горения.
В третьей главе исследуется процесс горения нефтепродуктов, толщина слоя которых существенно больше, чем толщина зоны прогрева. Первое при ближение было ограничено решением системы, включающей уравнения диф фузии для газовой фазы и теплопроводности для нефтепродуктов, так как в этом случае распределение температуры находится из условия подобия полей.
Из условий баланса (материального и теплового) на свободной поверхно сти и фронте пламени, а также из уравнения КлайперонаКлаузиса разработана математическая модель, которая привела к решению системы трансцендентных уравнений для определения температуры горения (факела) Тф;
температуры свободной поверхности 0 ;
относительной высоты факела ф и скорости горе ния u 2 с учетом параметра = сb 0, зависящего от температуры свободной по верхности:
n + + / + n + 1 0 =, n + + 1+ = exp n n, k n + + (1) ф =, 1+ 1/ + ln (1 + ), ф = 1+ u 2 = 12, ( )( + 1) qn q, n = = где - безразмерные температуры газа и пара;
c p1 1* c p1 1* - стехиометрическое число;
= 2 / / 1* ;
2 /, 1/ - температуры жидкости и газа в невозмущенном со стоянии;
- изобарный коэффициент расширения;
12 = 1 / 2, 1, 2 - плотности жидкости и газа;
сb 0 - концентрация пара на поверхности жидкости;
k - температура кипения нефтепродуктов.
В зависимости от способа определения коэффициента поперечного пере носа с параметры и um, используемые в формулах для u 2 и ф, принимают различные значения. Отличаются и соответствующие решения системы. Срав нение расчетных зависимостей показывает, что определение коэффициента с, основанное на непосредственной оценке диффузионного переноса вещества в поперечном направлении, дает значения скорости горения жидкости и высоты факела, более близкие к экспериментальным данным, чем определяемые по су ществующим методикам. Уменьшение ошибки составило 30%.
Существенное влияние на процесс горения нефтепродуктов оказывает обдув свободной поверхности параллельным ей потоком воздуха. При этом вблизи границы раздела фаз формируется пограничный слой, внутри которого происходит нагрев и испарение нефтепродукта, смешение и горение паров неф тепродуктов и воздуха.
В случае, когда факел над свободной поверхностью подвергается одно стороннему воздействию потока воздуха, направляемого вдоль поверхности нефтепродукта, форма реального факела теряет симметрию, а структура мо дельного факела претерпевает количественные изменения, связанные с измене нием значений коэффициентов переноса теплоты. При этом поперечные тепло и массоперенос определяются совместным действием диффузионного, кондук тивного и конвективного механизма.
Для определения коэффициентов переноса выделим в цилиндрическом пространстве модельного факела слой высотой d и диаметром основания d.
Утечку паров через боковую поверхность слоя посредством диффузии и кон векции можно оценить выражением cb 1 Д d d + 1 V d d cb, (2) d / где V – скорость обдува;
= 0,1 – эмпирический коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности поперечного переноса вследствие сноса в продоль ном направлении;
Д – коэффициент диффузии;
сb - концентрация пара.
Тогда суммарная интенсивность переноса паров, отнесенная к единице объема, будет равна ( ) Gb = 8 1 Д / d 2 + 41 V / d cb = cb cb, (3) откуда коэффициент поперечного теплопереноса cb = 4 1 (2 Д / d + V / 4 ) / d. (4) Подстановка полученных коэффициентов переноса в систему уравнений (1) позволяет в аналитическом виде получить ограничения функции, опреде ляющие скорость горения, высоту факела и другие характеристики переноса.
На основе теоретических исследований и результатов эксперимента было установлено, что увеличение скорости обдува приводит к уменьшению высоты факела. Эффект увеличения скорости горения при обдуве воздухом объясняется интенсификацией испарения нефтепродуктов вследствие его дополнительного нагрева за счет прижатия пламени к свободной поверхности резервуара.
Переход от ламинарного горения к турбулентному характеризуется уве личением количества сажи, выделяющейся при горении. Соответственно уве личивается степень черноты пламени и плотность теплового потока от зоны го рения к нефтепродуктам. Это приводит к некоторому увеличению скорости го рения. Увеличение диаметра резервуара практически не влияет на величину скорости горения. Полученные формулы показывают, что при горении в турбу лентном режиме относительная высота факела не зависит от диаметра резер вуара, а скорость горения возрастает с увеличением диаметра. Подбором соот ветствующего значения эмпирической константы к0 = 1,2710-3 этот результат приводится в соответствие с опытными данными (рис. 4).
U2 104,м/с 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 d, м 0,06 0,07 0,9 0,1 0,15 0,2 0,25 0, Рис. 4. Зависимость скорости выгорания нефтепродуктов от диаметра резервуара при турбулентном горении:
точки обозначают данные эксперимента;
линия расчет Четвертая глава посвящена изучению процессов затухания горения со сво бодной поверхностью резервуара посредством введения в резервуар теплопро водной подложки, когда толщина слоя нефтепродуктов соизмерима с толщиной зоны прогрева нефтепродукта. Произведен расчет процесса в двух случаях – когда температура кипения активной жидкости меньше температуры кипения подложки и когда температура кипения жидкости больше температуры кипения подложки.
Горение слоя жидкости конечной толщины отличает ряд особенностей, обусловленных перемещением свободной поверхности к подложке и связанно го с этим изменения температурных полей в жидкой и газообразной фазах.
Оценки показывают, что в условиях, типичных для горения нефтепродук (1 1 кг/м3, 2 103 кг/м3, а1 10-5 м2/с, а 2 10-7 м2/с), характерное время тов протекания процесса в газовой фазе намного меньше характерного времени 1 а1 1. Температурное поле нефте протекания процесса в жидкости = 2 а2 продуктов существенным образом зависит от интенсивности теплоотвода в подложку, т.е. от ее теплопроводности, агрегатного состояния и др.
При горении нефтепродуктов, покоящихся на слое инертной жидкости, температура кипения которой выше температуры кипения реагирующей жид кости, характер процесса сохраняется таким же, как при горении полубеско нечного слоя. В том и другом случае непрерывность процесса обеспечивается прогревом нефтепродуктов и испарением их со свободной поверхности. Тепло отвод в подложку приводит к некоторому изменению характеристик процесса (например, уменьшению скорости горения), не изменяя общего характера явле ния.
Ситуация качественно изменяется, если подложкой является легкокипя щая жидкость. В этом случае, когда температура кипения легкокипящей жид кости больше температуры кипения подложки (Тк2 Тк3), на некотором удале нии от границы раздела реагирующей и инертной жидкости располагается изо термическая поверхность Т3 = Тк3 (температура подложки равна температуре кипения подложки), ограничивающая область перегретой жидкости. Образую щиеся здесь пузыри всплывают под действием архимедовых сил и проникают в слой реагирующей жидкости. Это обстоятельство резко интенсифицирует про цессы тепло- и массопереноса в слое, изменяет температуры свободной поверх ности резервуара и фронта пламени и, в конечном счете, скорость горения.
Полученные в четвертой главе зависимости представлены на рис. 5. Вид но, что увеличение коэффициента теплопроводности подложки 3 ведет к паде нию скорости горения и уменьшению высоты факела. Это объясняется тем, что более высокому значению коэффициента теплопроводности 3 соответствует больший теплоотвод от слоя горящей жидкости в подложку, что приводит к ох лаждению жидкости, уменьшению температуры поверхности Т0 и скорости го рения u2.
Ф102,М;
U2105, м/с 3, Вт/м°С 0 0,1 0, Рис. 5. Зависимость характеристик процесса от коэффициента теплопроводности подложки:
1 – скорость горения;
2 – координата фронта пламени На рис. 6 представлена расчетная зависимость скорости горения от тол щины слоя активной жидкости. Видно, что характер зависимости определяется соотношением коэффициентов теплопроводности активной жидкости к под ложке. При 3 2 (подложка более теплопроводна, чем активная жидкость) меньшим значениям толщины слоя соответствуют меньшие значения скоро сти горения. И в случае 3 2 с уменьшением скорость горения увеличива ется. Наконец, случай 3 = 2 отвечает горению полубесконечного слоя жидко сти. Здесь скорость горения u2 не зависит от толщины слоя жидкости.
В случае рассмотрения слоя нефтепродукта, покоящегося на поверхности воды (горение на кипящей подложке), наибольший интерес представляет выяс нение зависимости характеристик процесса, и в первую очередь, скорости го рения u 2 от температуры кипения подложки К 3 и толщины слоя горящей жид кости. Полученные результаты расчета зависимости и 2 (К 3 ) представляют собой монотонно убывающую функцию. Такой характер зависимости объясня ется тем, что чем меньше температура кипения подложки К 3, тем сильнее про текает процесс кипения, выше объемное паросодержание m и концентрация па ра у свободной поверхности жидкости, что в конечном счете интенсифицирует процесс горения.
U2105. v/c 4 U2СТ *102, м 1 2 Рис. 6. Зависимость скорости горения от толщины слоя нефтепродуктов:
1 - 3 = 0,13 Вт/мград. 2 - 3 = 0,135 Вт/мград 3 - 3 = 2 =0,14 Вт/мград 4 - 3 = 0,16 Вт/мград 5 - 3 = 0,2 Вт/мград U2СТ – скорость горения полубесконечного слоя.
Что касается зависимости u 2 ( ), то здесь характерным является следую щее обстоятельство: меньшим значениям (толщине слоя жидкости) соответ ствуют большие значения скорости горения. В случае горения на некипящей теплопроводной подложке показано, что уменьшение толщины слоя жидкости приводит к падению скорости горения. Это связано с тем, что кипение подлож ки играет роль компенсирующего фактора;
с одной стороны, с уменьшением увеличивается теплоотвод в подложку, что уменьшает скорость горения, но с другой стороны, кипение интенсифицирует процесс горения, что, очевидно, связано с увеличением скорости горения.
Эффекты, обусловленные нестационарностью процесса горения конечно го слоя жидкости, проявляются тем заметнее, чем меньше величина отношения толщины слоя жидкости к толщине зоны прогрева. Это обстоятельство опре деляет необходимость учета нестационарных явлений при рассмотрении за ключительной стадии выгорания толстых слоев жидкости, а также горении жидких пленок.
При горении слоя конечной толщины температура фронта пламени, а также температура свободной поверхности и концентрация пара на ней моно тонно уменьшаются. Наиболее сильное изменение температуры горения, тем пературы свободной поверхности резервуара и параметра, зависящего от тем пературы свободной поверхности, наблюдается на заключительной стадии про цесса, когда происходит выгорание тонкого слоя жидкости. Это объясняется значительным ростом теплопотерь при приближении свободной поверхности к поверхности подложки. Существенно, что из-за экспонентциональной зависи мости = f (0 ) незначительное снижение температуры свободной поверхности ведет к заметному уменьшению концентрации пара и скорости горения.
Полученные данные по изменению скорости горения показывают, что во всех случаях уменьшение теплоотвода в подложку ведет к затуханию горения по мере выгорания слоя и к сокращению времени горения. Следует отметить, что при допущении бесконечно большой скорости реакции уменьшение 0, и 2, не приводит к срыву горения. В действительности при определенных критиче ских значениях температуры свободной поверхности и температуры факела скорость реакции снижается столь значительно, что существование стационар ного режима становится невозможным.
ВЫВОДЫ 1. По результатам анализа аварийности на резервуарных парках установле но, что наиболее опасным сценарием развития аварийной ситуации явля ется взрыв резервуара с отрывом крыши и последующим воспламенением нефтепродукта (12,3% от общего количества аварии на резервуарах). По теря основных фондов от аварий на резервуарах составляют 6,6 млн р/год.
2. Проведен анализ теоретических основ стационарного горения нефтепро дуктов со свободной поверхностью резервуаров и разработан аналитиче ский метод определения характеристик процесса горения нефтепродук тов, позволяющий повысить достоверность прогнозирования развития пожара на 30%.
3. Получена зависимость основных характеристик процесса горения от кон структивных и технологических параметров резервуаров. Установлено, что увеличение диаметра резервуара на 0,2 м приводит к уменьшению скорости горения в 2,5 раза и к увеличению высоты факела в 1,2 раза.
4. Разработана математическая модель выгорания нефтепродукта на тепло проводной подложке. Показано, что при известной теплопроводности подложки и определенных критических значениях температур свободной поверхности и факела существование стационарного режима горения становится невозможным, что приводит к затуханию процесса горения.
Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:
1. Кузнецова С.А., Попова Н.В. Механизм горения жидкостей со свободной поверхностью резервуара для хранения легковоспламеняющихся неф тепродуктов // Проблемы строительного комплекса России: Материалы VIII Международной научно-технической конференции. –Уфа:Изд-во УГНТУ,2004.- С.15-16.
2. Кузнецова С.А. Параметрический анализ тепло- и массопереноса в газо образной и жидкой фазах // Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Материалы IV Международной научно-технической конференции. – Вологда: Изд-во ВГТУ,2004.- С.123-126.
3. Кузнецова С.А. Защита атмосферы от выбросов углеводородов из резер вуаров для хранения нефти и нефтепродуктов // Повышение эффективно сти теплообменных процессов и систем: Материалы IV Международной научно-технической конференции.–Вологда:Изд-во ВГТУ,2004.- С.235 238.
4. Кузнецова С.А. Улавливание паров углеводородов из резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, влияющих на экологическую и по жарную опасность // Проблемы строительного комплекса России: Ма Уфа:
териалы IX Международной научно-технической конференции.
Изд-во УГНТУ,2005.- С.183-185.
5. Кузнецова С.А. Горение слоя легкокипящей жидкости (нефтепродуктов) // Проблемы строительного комплекса России: Материалы IX Междуна родной научно-технической конференции. –Уфа: Изд-во УГНТУ,2005. С.185-187.
6. Кузнецова С.А., Волков В.Н. Оценка аварийности резервуаров (парков) для хранения нефти и нефтепродуктов // Энергосбережение и энергоэф фективность: Материалы VII Международной выставки-конгресса. – Томск,2004.- С.25-27.
7. Кузнецова С.А., Волков В.Н. Горение нефтепродуктов при обдуве сво бодной поверхности резервуара // Энергосбережение и энергоэффектив ность: Материалы VII Международной выставки-конгресса.
Томск,2004.- С.28-29.
8. Кузнецова С.А. Турбулентное горение нефтепродуктов в резервуарах // Севергеоэкотех 2005: Материалы VI Международной молодежной науч но-технической конференции. –Ухта: Изд-во УГТУ, 2005.- С.145-147.
9. Кузнецова С.А. Расчет процесса горения с учетом переноса теплоты из лучением // Севергеоэкотех 2005: Материалы VI Международной моло дежной научно-технической конференции. –Ухта: Изд-во УГТУ, 2005. С.148-151.
10. Кузнецова С.А. Расчет горения слоя нефтепродуктов, температура кипе ния которой превышает температуру кипения подложки на поверхности нефтепродуктов // Севергеоэкотех 2005: Материалы VI Международной молодежной научно-технической конференции. –Ухта: Изд-во УГТУ, 2005.- С.152-155.
11. Кузнецова С.А. Горение слоя легкокипящей жидкости (нефтепродук тов)// Проблемы строительного комплекса России: Материалы IX Меж дународной научно-технической конференции. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. – С. 185-187.