Оценка воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды при различных условиях функционирования

На правах рукописи

ХЛУДЕНЁВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ НА ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 03.00.16 — Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь 2007 2

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент, Рябчиков Николай Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Швецова-Шиловская Татьяна Николаевна доктор технических наук, профессор Островский Сергей Владимирович

Ведущая организация: Уральский государственный научно-иссле­ довательский институт региональных эко­ логических проблем Минприроды России (УралНИИ «Экология»), г. Пермь

Защита состоится 28 мая 2007 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.188.07 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614990, г.

Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423б главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного техни­ ческого университета.

Автореферат разослан «» _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Рудакова Л. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы Эксплуатация производственных объектов нефтехимического комплекса, концентриру­ ющихся преимущественно в крупных городах, сопряжена с опасностью их активного воздей­ ствия на экологическое состояние окружающей среды как в нормальных (штатных) режимах функционирования, так и при возможных ситуациях, не предусмотренных действующими технологическими регламентами (залповые, массированные выбросы опасных химических веществ). Обеспечение приемлемого уровня экологической безопасности объектов нефтехи­ мии может быть достигнуто путем прогнозирования опасностей и их проявлений на основе концепции риска — эффективного инструмента противодействия негативному техногенному влиянию на окружающую среду.

При прогнозировании риска эксплуатации производственных объектов в общем случае необходим одновременный учет как штатного (систематического) риска, обусловливающего эволюционный характер изменения качества окружающей среды, так и нештатного риска вследствие проявлений возможных инцидентов с кризисным характером экологических нару­ шений. Однако уровень опасности при возникновении инцидентов, как показано исследова­ ниями ряда авторов (В.М. Колодкин, В.Г. Горский, Т.Н. Швецова-Шиловская, П.Г. Белов, И.И.

Мазур, О.И. Молдаванов и др.), значительно выше уровня опасности от объекта, функциони­ рующего в нормальном режиме. Поэтому именно оценки нештатного риска представляют наибольший интерес в качестве меры экологической опасности, порождаемой техногенным объектом.

Существующие модели и методы количественной оценки риска не всегда позволяют адекватно оценить как вероятность возникновения инцидентов, так и возможные последствия для окружающей среды их проявлений на нефтехимических производствах. Так, процедура прогнозирования частотных характеристик риска не учитывает техническое состояние объек­ тов, степень их износа, обусловленную протеканием в оборудовании деградационных процес­ сов в реальных условиях его функционирования.

Для прогнозирования экологических последствий проявления инцидентов на нефтехи­ мических производствах важную роль играют модели испарения опасных веществ со свобод­ ной поверхности проливов. Они позволяют охарактеризовать интенсивность поступления в окружающую среду паров легковоспламеняющейся или токсичной жидкости, обусловливаю­ щую силу взрывного или токсического воздействия.

В известных немногочисленных и разноречивых моделях испарения не принимается во внимание специфичный для нефтехимических объектов нестационарный характер испарения опасных веществ, что дополнительно снижает достоверность прогнозных оценок риска.

В связи с этим разработка подходов и исследования по комплексной оценке воздей­ ствия нефтехимических производств на человека и окружающую среду, ориентированной на учет реального технического состояния и условий функционирования технических устройств, с применением количественных показателей риска и методов моделирования и компьютерной поддержки принятия решений, предпринятые в настоящей работе, являются актуальными.

Цель работы — разработка методов, моделей, алгоритмов и программных средств для количественной оценки негативного воздействия нефтехимических производств на объекты окружающей среды при различных условиях функционирования технологического оборудо­ вания.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в рамках диссертационной ра­ боты были сформулированы и решены задачи обоснования, разработки и исследования:

• концепции экологического риска применительно к условиям функционирования объек­ тов нефтехимии;

• метода и модели для вероятностного прогнозирования характеристик надежности тех­ нологического оборудования, необходимых для оценки риска, с учетом преобладающе­ го типа повреждающих процессов;

метода моделирования и кинетических моделей процесса износа для различных типов • оборудования в реальных условиях функционирования;

• индивидуального прогнозирования в системе «человек-машина-среда» на основе вы­ шеуказанных методов и моделей частотного фактора риска для различных типов обору­ дования;

• физического и математического моделирования процессов стационарного и нестацио­ нарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов в условиях раз­ личной подвижности воздушной среды с целью оценки воздействия на персонал, насе­ ление и окружающую среду;

• программных комплексов для моделирования и прогнозирования антропогенного воз­ действия объектов нефтехимии на окружающие экосистемы;

• комплексного моделирования и прогнозирования количественных показателей экологи­ ческого риска на групповых объектах нефтехимии с учетом изменения во времени условий функционирования оборудования вследствие износа, а также кинетики испаре­ ния опасных веществ.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использовались ме­ тоды экспериментального исследования в лабораторных и промышленных условиях, методы системного анализа, теории вероятностей и статистики, математического моделирования и вычислительной математики, теории надежности, теории тепло-массопереноса, коррозии и химического сопротивления материалов, динамической термогравиметрии. При решении за­ дач прогнозирования использованы методы компьютерного моделирования и ГИС-техноло­ гии.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

• на примере функционирования нефтехимического оборудования, подвергающегося об­ щему эрозионно-коррозионному износу, предложен и обоснован метод частотной оцен­ ки экологического риска, позволяющий расширить возможности теории риск-анализа в обеспечении устойчивого развития и экологической безопасности объектов нефтехи­ мии;

• разработан метод моделирования и кинетические модели износа различных типов неф­ техимического оборудования, необходимые для прогнозирования характеристик его на­ дежности — главного критерия оперативной оценки экологической безопасности тех­ носферных объектов;

выявлено существование трех стадий износа оборудования в за­ висимости от влияния на величину частотного фактора риска;

• разработаны модели изотермической кинетики испарения ряда опасных веществ с по­ верхности проливов в широком диапазоне скоростей обтекания воздушным потоком;

выявлено существование критической скорости обтекания;

• разработана математическая модель нестационарного испарения опасных веществ с по­ верхности горячих проливов, предназначенная для оценки воздействия токсических и/или ударно-волновых нагрузок на человека и окружающую среду.

Практическая ценность. Установлены основные факторы экологического риска при эксплуатации нефтехимических производств. Разработаны методики оценки экологического риска, основанные на комплексном учете специфики, индивидуальной нагруженности и ре­ ального технического состояния оборудования. Методики позволяют повысить достоверность прогнозных оценок риска и на их основе управляющих решений по снижению негативных воздействий на человека и окружающую среду, порождаемых нефтехимическими объектами.

Применение методик особенно эффективно в процедурах частотной оценки риска для обору­ дования, исчерпавшего свой проектный ресурс и являющегося поэтому источником повышен­ ной экологической опасности.

Разработаны программные комплексы «FORS» и «VAPOUR» для моделирования и прогнозирования экологического риска на объектах нефтехимии с учетом условий их функци­ онирования, специфики и технического состояния. Программные комплексы позволяют по­ полнить арсенал программных средств для решения задач управления экологической безопас­ ностью нефтехимических производств на основе современных информационных технологий.

Результаты исследований использованы при анализе, количественной оценке и выра­ ботке рекомендаций по снижению риска на ряде крупных предприятий Западного Урала (ЗАО «Сибур-Химпром», ОАО «Метафракс», ООО «Лукойл-Пермнефтеоргсинтез»), а также в учеб­ ном процессе при подготовке студентов специальности «Машины и аппараты химических производств» Пермского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсу­ ждены: на III Межрегиональном научно-практическом семинаре «Технологии управления промышленной безопасностью» (г. Пермь, 2002);

на IV Межрегиональном научно-практиче­ ском семинаре «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» (г. Пермь, 2003);

на V Межрегиональном научно-практическом семинаре «Новые технологии технического ре­ гулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда» (г.

Пермь, 2004);

на семинаре Ростехнадзора «Об опыте декларирования промышленной без­ опасности и страхования ответственности. Развитие методов оценки риска аварий на опасных производственных объектах». (ФГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», г. Москва, 2004);

на VI Межрегиональном научно-практическом семинаре «Интегрирование систем управления технологической, экологической и промышленной безопасностью» (г. Пермь, 2005);

на VIII научном семинаре «Промышленная и экологическая безопасность опасных производственных объектов» (ФГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», г. Москва, 2005);

на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006.

Часть материалов диссертации докладывалась на конкурсе научно-исследовательских работ ПермГТУ (II место, 2004 г.) Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод частотной оценки экологического риска;

2. Метод моделирования и кинетические модели износа для различных типов нефтехими­ ческого оборудования;

3. Модели изотермической кинетики испарения опасных веществ с поверхности проли­ вов при различной подвижности воздушной среды;

4. Модель нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проли­ вов;

5. Комплексное моделирование экологического риска, порождаемого объектами нефтехи­ мии.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключе­ ния, содержит список литературы из 140 наименований. Объем работы составляет 165 стра­ ниц машинописного текста, включающих 62 рисунка и 10 таблиц.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы основная цель и за­ дачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов, изложены выно­ симые на защиту основные положения, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ состояния проблемы оценки экологического риска объектов нефтехимии в двух аспектах: частотная оценка риска и оценка возможных послед­ ствий проявлений инцидентов для человека и окружающей среды.

С этой целью рассмотрены основные факторы опасности нефтехимических произ­ водств, связанные со значительным токсическим и энергетическим потенциалами, возможно­ стью их высвобождения с сочетанным воздействием различных поражающих факторов, а так­ же инцидентов с каскадным эффектом развития.

К комплексу рискообразующих факторов следует отнести и изношенность технологи­ ческого оборудования вследствие протекания в нем повреждающих (деградационных) про­ цессов и накопления предельных уровней повреждений в условиях длительной эксплуатации.

Изношенность формирует техническое состояние оборудования и обусловливает экстремаль­ ные условия его функционирования.

Применительно к условиям функционирования объектов нефтехимии рассмотрена сущность понятия «экологический риск», заключающаяся в возможности возникновения опасных событий, приводящих к реализации факторов риска для человека и окружающей среды. Это загрязнение атмосферы токсичными веществами с нанесением ущерба персоналу и населению на значительных площадях при ингаляционном воздействии (канцерогенез, му­ тагенез, подавление адаптивных систем и др.), взрывы, огненные шары, пожары проливов с риском гуманитарного и материального ущербов от воздействия ударно-волновых, тепловых и токсических нагрузок. Учитывая, что вызванная ухудшением качества окружающей среды вследствие техногенного воздействия преждевременная гибель человека — событие исклю­ чительное, для консервативной оценки экологического риска принята гибель индивидуума.

Такой подход соответствует общей идеологии анализа риска опасных техносферных объек­ тов, а также концепции устойчивого развития и принципам экологического нормирования.

Подчеркивается, что проблему прогнозирования частотного фактора риска целесооб­ разно рассматривать в контексте с техническим состоянием, а также спецификой условий функционирования объектов нефтехимических производств.

Специфика объектов химического профиля заключается в том, что каждая единица экс­ плуатируемого технологического оборудования индивидуальна по режимным параметрам, условиям нагружения, конструктивному и материальному исполнению, а также по коррозион­ ной активности рабочих сред. Все это предопределяет конкретные виды, закономерности и глубину повреждающих процессов и, следовательно, сугубо индивидуальное техническое со­ стояние объекта.

В этой связи в качестве базовой концепции для частотной оценки экологического риска представляется целесообразным подход, основанный на максимальном учете информации о техническом состоянии оборудования.

Анализ литературных источников позволил установить, что существующие методы ча­ стотной оценки риска (статистические данные, логико-графические и имитационные модели) не учитывают реальное состояние оборудования, его изношенность, не ориентированы на ин­ дивидуальное прогнозирование вероятности его отказов.

При прогнозировании медико-экологических последствий проявлений инцидентов для человека и окружающей среды важную роль играют модели испарения ОВ с поверхности ава­ рийных проливов.

Известные модели испарения разноречивы и предназначены в основном для установив­ шихся (изотермических) процессов. В то же время вопросы, связанные с моделированием процессов нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов, ха­ рактерных для условий функционирования нефтехимических производств и наиболее опас­ ных по своим экологическим последствиям, в литературе практически не освещены.

Таким образом, перечисленные недостатки не позволяют объективно оценить экологи­ ческий риск при функционировании нефтехимического оборудования, особенно в условиях его повышенного износа, и затрудняют разработку корректирующих мероприятий по сниже­ нию негативного воздействия нефтехимических производств на окружающую среду.

На основе проведенного анализа проблемы оценки экологического риска, порождаемо­ го объектами нефтехимии, сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена моделированию и индивидуальному прогнозированию ча­ стотного фактора риска для различных типов нефтехимического оборудования: емкостного, колонного, теплообменного, технологических трубопроводов.

С этой целью выполнен анализ деградационных процессов, протекающих в техниче­ ских устройствах нефтехимических производств. Установлено, что отказы аппаратов оболоч­ кового типа обусловлены превалирующим влиянием эрозионно-коррозионного фактора, опре­ деляющего переход оборудования в предельное состояние. Критерием предельного состояния в этом случае является потеря прочности при уменьшении толщины стенки технического устройства.

В этой ситуации интенсивность износовых отказов, необходимая для дальнейшей частотной оценки риска, для нормального распределения нормированной случайной величи­ ны может быть представлена в соответствии с положениями теории надежности как u exp ( ) = (1) u u 2 + exp du 0.5 В выражении (1) величину u, являющуюся квантилем нормального распределения, можно записать в соответствии с кумулятивной моделью надежности в виде [ ] [ ] a u= =, (2) Sa S где - текущее значение степени износа стенки, дол. ед.;

a - относительная скорость износа стенки, дол. ед./год;

S, Sа - статистические оценки среднеквадратичных отклонений степени и скорости износа стенки соответственно;

Степень износа может быть определена как отношение фактического утонения стенки объекта к максимально возможному при достижении стенкой расчетной толщины.

Параметр под действием случайных и детерминированных факторов в процессе экс­ плуатации объекта изменяется и достигает со временем предельного значения []=1, после чего состояние объекта считается неработоспособным и квалифицируется как отказ.

Рост () означает, что с увеличением наработки возрастает опасность отказов из-за износа оборудования.

Расчетные значения (при известной скорости износа) использовались далее в частот­ ном анализе риска с применением метода «деревьев отказов» в качестве оценок первичных, или износовых (деградационных) отказов.

Необходимым условием реализации рассматриваемого подхода к определению интен­ сивности износовых отказов нефтехимического оборудования является информация о скоро­ сти повреждающих процессов. В этой связи нами изучены кинетические закономерности из­ носа технологического оборудования нефтехимических производств, подвергающегося эро­ зионно-коррозионным повреждениям и исчерпавшего свой проектный ресурс.

Концептуальным аспектом кинетического моделирования износа является предположе­ ние о существовании единых закономерностей износа для группы однотипных технических устройств или их элементов.

Значения величин, входящих в уравнение (2), определяются на основе диагностической информации.

В сферу кинетических интересов вошла значительная часть нефтехимических произ­ водств и установок: производства этилена и пропилена, стирола и этилбензола, 2-этилгекса­ нола, товарно-сырьевая база, товарная база сжиженных газов, установки низкотемпературной ректификации и ректификации сжиженных газов, пиролиза и газофракционирующие установ­ ки.

Предметом кинетического исследования служили группы однотипного оборудования, отличающегося масштабом и условиями функционирования: технологические трубопроводы (в т.ч. фасонные участки), колонны, емкости, теплообменники, а также элементы оборудова­ ния (нижние и верхние днища, обечайки, штуцеры).

Всего экспериментом было охвачено более двухсот единиц оборудования. Общая про­ тяженность изученных трубопроводов составляла около четырех тысяч метров.

Фрагменты результатов исследований представлены в табл. 1 и 2 в виде полиномиаль­ ных кинетических моделей процесса износа, а также на рис. 1,2.

Таблица Кинетические модели износа нефтехимического оборудования Агрегат­ Тип обору­ Уравне­ ное со­ Область при­ ние1, дования, Среда Марка стали стояние менения элементы (N п/п) среды 1 2 3 4 5 Трубопро­ Т=45200 °С;

воды, пря­ Конвертированный газ, во­ 1 ПГФ 20 Р=1,69,5 МПа;

мые дяной пар D=0,0890,273 м участки Трубопро­ Т=21300°С;

Этилен, пропан, конверти­ воды, от­ 2 ПГФ 20 Р=0,13,7 МПа;

рованный газ, водяной пар воды D=0,0570,53 м ………………………………………….

Колонны, Т=-30200°С;

Пентан-амиленовая фрак­ верхние 13 ПГФ 09Г2С Р=1,34,0 МПа;

ция днища D=1,61,8 м Таблица Сводка кинетических уравнений Sa N Коэффи-ци­ п/ Уравнение ент в уравне­ п детерминации нии (2) 1 2 3 + 0.449 D + 9.01 10 4 P + 1.41 10 7 T 2 ± 0.011 1 1.198 0. a = 4.86 a = 1.21 10 2 + 0.221D + 8.05 10 4 P + 1.64 10 6 T 2 ± 0. 2 1.602 0. …………………………………………..

a = 1.2 10 2 + 1.25 10 3 P 1.06 10 4 T + 7.8 10 7 T 2 ± 0. 13 0.426 0. Доверительные интервалы для уравнений, приведенных в табл. 2, получены при уров­ не значимости q=0,1. Уравнения характеризуются сравнительно высокими значениями коэф­ фициентов детерминации (0.940.98).

Сопоставление экспериментальных и расчетных значений скорости износа для различ­ ных типов оборудования приведено на рис. 1.

Анализ полученных кинетических зависимостей (табл. 2) показывает, что для всех изу­ ченных типов оборудования характерно влияние на скорость износа условий его функциони­ рования: режимных параметров процесса — температуры и давления, а также материального исполнения аппаратов и агрегатного состояния технологических сред. Скорость износа тру­ бопроводов, кроме отмеченных параметров, зависит и от конструктивного фактора — диамет­ ра. Это связано с возрастанием степени турбулентности потоков при увеличении диаметра трубопровода и свидетельствует о вкладе эрозионной составляющей в механизм износа.

Кинетические уравнения, соответствующие порядковому номеру, представлены в таблице 2.

ЖФ – жидкая фаза, ПГФ – парогазовая фаза.

Размерность давления Р в уравнениях (113) — ат.

a – абсолютная скорость износа, мм/год.

Показано, что нефтехимическое оборудо­ вание является весьма индивидуальным в кине­ тическом аспекте повреждающих процессов.

Скорость износа различна как для отдельных аппаратов, так и для их элементов, следователь­ но, различно и их техническое состояние — сте­ пень износа.

На основании полученных результатов предложен и использован в дальнейших иссле­ дованиях подход к частотному анализу экологи­ ческого риска на объектах химического профи­ ля: частотный анализ целесообразно выполнять на основе принципа «слабого звена».

Рис. 1. Сопоставление экспериментальных Полученные кинетические модели износа (aэ) и теоретических (aт) значений скоростей послужили основой для прогнозирования износа для различных типов оборудования основных характеристик надежности — интенсивности износовых отказов и вероятности безотказной работы Р, а также для после­ дующей частотной оценки риска для нефтехимического оборудования, выработавшего проектный ресурс.

Рис. 2 иллюстрирует общий характер зависимости интенсивности отказов и вероят­ ности безотказной работы Р колонного оборудования от его технического состояния, опреде­ ляемого степенью износа, при различных условиях функционирования.

Дальнейший частотный анализ риска для отдельных типов нефтехимического оборудования выполнялся путем моделирования в системе «чело­ век-машина-среда» процесса возникновения проис­ шествия с применением семантических моделей причинно-следственных связей типа «дерево отка­ зов». В этих моделях в качестве оценок интенсивно­ стей первичных отказов использовались расчетные (прогнозные) значения.

На рис. 3 представлен пример «дерева отка­ зов» емкостного оборудования. При построении «де­ ревьев отказов» учитывались три группы факторов Рис. 2. Зависимости характеристик — предпосылок к возможным инцидентам:

надежности колонного оборудования от его технического состояния: • отказы систем КИП и А, АСУ и противоава­ 1 – вероятность безотказной работы, рийной защиты (ПАЗ);

дол. ед.;

2 – интенсивность отказов, • ошибки персонала;

1/год;

T = -30200 °C;

Р = 1,24 МПа;

• техническое состояние оборудования.

D = 1.62 м;

среда – пентан-амилено­ В соответствии с рассматриваемым подходом вая фракция, бутан, углеводороды;

ма­ «дерево отказов» учитывает влияние степени износа териал – 09Г2С. Обозначения: Т — тем­ емкости на интенсивность конечного события — ее пература;

Р — давление;

D — диаметр.

разгерметизации.

Расчетные оценки интенсивностей износовых (первичных) отказов емкости приведены при трех различных значениях степени износа:

= 0.5 = 1.48 10 10 1/год;

=0. 6 =2. 4910 1/год;

=0. 7 =7. 2610 1/год.

5 Анализ «дерева отказов» емкости позволил установить (рис. 4) существование трех об­ ластей (стадий) износа в зависимости от их влияния на интенсивность отказов (разгерметиза­ ции) емкости:

• I — область незначимого влияния степени износа (0,6);

факторами, определяющими интенсивность отказов емкости, являются отказы систем КИПиА и ошибки персонала;

II — область преобладающего влияния степени износа (=0,60,675);

характеризуется • совместным влиянием на интенсивность отказов всех трех групп факторов с преобла­ данием износовой составляющей (технического состояния оборудования).

Разгерметизация емкости (2,65Е-4;

степень износа 0, 2,90Е-4;

степень износа 0, 7,52Е-3;

степень износа 0,7) ИЛИ Эрозионно-коррозионный Переполнение износ Эрозия/ емкости (1,48Е-10;

степень износа 0,5 коррозия (1Е-5) 2,49E-5;

степень износа 0,6 металла 7,26Е-3;

степень износа 0,7) (2,55Е-4) И И Ошибка обслуживающего (2,55Е-2) Ошибка персонала Отказ СС уровня персонала (контроля) в емкости (1Е-3) ИЛИ (1Е-2) Рис. 4. К анализу «дерева отказов» Емкостное оборудование;

днища;

ВСт3;

Потеря герметичности Потеря герметичности фланцевых соединений уплотнений запорной 1 - интенсивность отказов (разгерметизации) (1,05Е-2) арматуры (1,5Е-2) емкости, 1/год;

2 - интенсивность износовых отказов, 1/год;

ИЛИ ИЛИ T = 2097 °C;

P = 0.070.16 МПа;

D = 1.41.6 м.

Износ Ослабление Износ Повреждение Ослабление Повреждение крепежных крепления крепежных уплотнений крепления сальниковых изделий (1Е-2) соединений (3Е-4) (1Е-2) уплотнений (1,7Е-4) (4Е-3) III— область определяющего влияния (1Е-3) • Неравномерная Неравномерная степени износа (0,675);

интенсивность или неполная или неполная Износ затяжка болтов затяжка болтов уплотнения (1Е-2) (1Е-2) отказов емкости практически совпадает с интенсивностью износовых отказов, Ошибка Ошибка при ремонте при ремонте определяется уже ее собственным техни­ Рис. 3. «Дерево отказов» для емкостного ческим состоянием и перестает зависеть оборудования от отказов систем КИПиА и ошибок пер­ сонала.

Выявленная в результате частотного анализа риска стадийность износа позволяет реко­ мендовать индивидуальные мероприятия по снижению вероятности воздействия нефтехими­ ческих производств на объекты окружающей среды с учетом непрерывно меняющихся во времени условий функционирования технологического оборудования.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования кинетиче­ ских закономерностей испарения опасных веществ (ОВ) с поверхности горячих проливов.

Объектом исследования служили крупнотоннажные продукты нефтехимии: бензол, метил трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и этилбензол, являющиеся легковоспламеняющимися жидко­ стями и опасными химическими веществами II и III классов опасности. Кинетические иссле­ дования проводили на специальной лабораторной установке методом динамической термо­ гравиметрии в политермических условиях при различной подвижности воздушной среды.

Скорость обтекания пролива воздушным потоком варьировали от 0.5 до 3.5 м/с.

Анализ результатов эксперимента показывает, что процесс нестационарного испарения складывается из двух стадий (рис. 5): стадии падающей интенсивности испарения (I) и ста­ дии стабилизации (II). Длительность каждой из них определяется свойствами конкретного ве­ щества и подвижностью воздушной среды. В условиях подвижной воздушной среды длитель­ ность обеих стадий резко сокращается.

Экспериментальные данные обрабатывались в соответствии с молекулярно-кинетиче­ ской теорией испарения по уравнению E J =Kexp, (3) RT где J — интенсивность испарения, кг/см2;

Е — наблюдаемая энергия активации, кДж/моль;

R — универсальная газовая постоянная, кДж/мольК;

К — коэффициент, зависящий от химического состава вещества;

Т — абсолютная температура, К Обработка опытных данных в «аррениусовых координатах» (рис.6) позволила опреде­ лить кинетические параметры процесса изотермического испарения ОВ для широкого интер­ вала температур как в неподвижной, так и подвижной воздушных средах (табл. 3, 4).

4.10E-02 1/T 0 м/с 0.5 м/с 1.5 м/с 3.60E- Интнсивность испарения J, 2.5 м/с 0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035 0. 3.0 м/с 3.5 м/с - 3.10E- - 2.60E- кг/с*м - 2.10E- - ln(J) 1.60E- - I 1.10E- II - 6.00E- - 1.00E-03 0 м/с 0.5 м/с 1.5 м/с - 0 50 100 150 200 2.5 м/с 3.0 м/с 3.5 м/с - Время испарения,с Рис. 5. Зависимость интенсивности испарения Рис. 6. Зависимость логарифма интенсивности МТБЭ от времени при различных скоростях испарения МТБЭ от обратной температуры при обтекания. различной подвижности воздуха Установлено, что испарение исследованных ОВ в условиях неподвижной воздушной среды лимитируется диффузионным переносом вещества в газовой фазе. Эта область условно названа нами диффузионной. В диффузионной области наблюдаемая энергия активации Е превышает истинную Еи для всех исследованных веществ (табл.3, 5).

Таблица Кинетические параметры испарения ОВ в условиях неподвижной воздушной среды E, кДж/моль К, кг/см МТБЭ 56.39 1. Бензол 47.22 1. Этилбензол 40.99 5. Таблица Кинетические параметры испарения ОВ в условиях обтекания пролива воздухом К=(U), кг/см E=(U), Дж/моль 27928. 281702.6U 1575. 11U 2 34. 04U 3 exp 6.340. 58U 0. 21U 2 0. 05U МТБЭ 29261. 674881. 32U 1583. 29U 2 720. 02U 3 5. 833. 78U 1. 33U 2 0. 39U Бензол exp 2 exp 1. 413. 48U 0. 02U 2 0. 05U Этилбензол 224364947. 5U 953. 43U 1. 11U Подвижность воздушной среды способствует снижению диффузионного торможения процесса, и уже при скорости обтекания Uкр =0.5 м/c, названной нами критической, процесс ис­ парения переходит из диффузионной области в кинетическую, т.е. лимитируется кинетикой перехода вещества из жидкой в газовую фазу. Переход сопровождается резким (кризисным) снижением для всех веществ наблюдаемой энергии активации до ее истинных значений (табл.

5) и значительным возрастанием интенсивности испарения.

Таблица Сравнение энергий активации процесса испарения ОВ в кинетической области Истинная энергия Наблюдаемая энер­ активации Еи (эн­ Скорость обтекания Вещество гия активации Е, тальпия испарения), пролива U, м/с кДж/моль кДж/моль МТБЭ 27.466 27.758 0. Бензол 31.397 30.794 0. Этилбензол 35.62 35.606 0. Четвертая глава посвящена разработке математического описания процесса нестаци­ онарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов.

Для определения поля температуры в слое жидкости и ее окружении рассматривается двумерная задача переноса тепла за счет теплопроводности и конвекции.

Из теории теплопередачи известно:

d d =k 2 или c k 2 =0, c (4) dt dt 2 2 где 2 = 2 2 — оператор Лапласа.

x2 y z Нестационарная задача теплообмена в теле объемом и поверхностью S заключается в решении дифференциального уравнения (4) для температуры во времени при граничных условия IIII рода на частях поверхности и начальных условиях в нулевой момент времени.

Уравнение (4) решалось с применением численного метода конечных элементов. Вари­ ационная формулировка задачи заключается в следующем: используя уравнение (4), составим тождество (выбираем контакт двух тел r=1,2, k — постоянно для каждой области) [ ] U d r k 2 d r =0, c (5) t r=1 r r в котором = 1, 2 — вещественная скалярная функция.

Второй интеграл в левой части (5) преобразуем к виду:

k 2 d r = k dS r k d r, n (6) Sr r r где Sr — точки поверхности.

Тогда функционал (5) перепишется в виде [ ] c U d r k d r k n dS r =0. (7) t r=1 S r r r Принимая во внимание граничные условия, получим окончательный функционал, ми­ нимум которого соответствует дифференциальной задаче и всем граничным условиям:

[ ] c U d r k d r q dS qr dS r 1 2 dS =0. r t r=1 S S r S qr r r r Для решения вариационной задачи расчетная область разбивается на конечные тре­ угольные элементы с помощью множества узловых точек с глобальными координатами x i, y i, которым соответствует вектор узловых значений температуры. Для каждого элемента записывается функционал (8), а функционал для всей расчетной области получается суммиро­ ванием всех элементарных функционалов.

Из необходимого условия экстремума (8) формируется разрешающая система алгебраи­ ческих уравнений, решение которой позволяет определить поле температур в слое жидкости, элементах подстилающей поверхности и близлежащем слое воздушной среды. Зная темпера­ туру в слое жидкости в любой момент времени, можно определить текущую интенсивность испарения. Моделирование массообмена в процессе испарения осуществляется при помощи уравнений изотермической кинетики (3), полученных нами в предыдущей главе.

На основании математического описания разработан программный комплекс «VAPOUR» для моделирования нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов. Комплекс позволяет адекватно оценить массу вещества во взрывоопасном или токсичном облаке, а также время и интенсивность его образования в различных условиях обтекания пролива воздушным потоком.

Рис. 7 иллюстрирует полученные с помощью программного комплекса «VAPOUR» ре­ зультаты моделирования распределения температур в системе жидкость — подстилающая по­ верхность — воздух при испарении пролива МТБЭ для различных скоростей обтекания.

а) б) Рис. 7. Поле температур при нестационарном испарении МТБЭ для различных скоростей обтекания (момент времени =10 с): а) U=0.05 м/с;

г) U=0.5 м/с Из рисунка следует, что увеличение скорости обтекания сопровождается деформацией температурных полей с уменьшением доли паров над поверхностью испарения. Характер де­ формации температурного поля коррелируется со сделанным нами в предыдущей главе выво­ дом: в подвижной воздушной среде процесс испарения ЛВЖ переходит из диффузионной об­ ласти в кинетическую при достижении скорости обтекания 0.5 м/с, совпадающей с экспери­ ментальным значением Uкр.

В пятой главе приведены результаты комплексного моделирования и прогнозирования экологического риска с целью оценки воздействия на окружающую среду объектов нефтехи­ мии на примере производства стирола. Цель моделирования — изучение совместного влия­ ния текущего технического состояния оборудования, формируемого условиями функциониро­ вания, а также кинетики испарения на показатели экологического риска для группы террито­ риально рассредоточенных источников опасности (аппаратов), каждый из которых формирует свои зоны риска. Моделирование осуществлялось с использованием разработанного нами программного комплекса «FORS».

Для технологического комплекса производства стирола характерно участие в техноло­ гическом процессе значительных количеств горючих паров и жидкостей, а также опасных хи­ мических веществ (бензол, этилбензол, стирол, толуол, диэтилбензол, полиалкилбензолы).

Технологическое оборудование, определяющее наибольший вклад в формирование ко­ личественных показателей риска, представлено следующими типами аппаратов: ректифика­ ционные колонны для выделения бензол-толуольной фракции, возвратного этилбензола и сти­ рола-ректификата;

емкости для приема и хранения осушенного бензола, углеводородного кон­ денсата и дренажных продуктов установки этилбензола;

теплообменник для подогрева этил­ бензольной шихты;

сепаратор для отделения капель жидкости из контактного газа после аппа­ ратов воздушного охлаждения.

Рассмотрены три варианта моделирования:

• без учета изученной кинетики испарения и степени износа основного технологическо­ го оборудования;

• с учетом кинетики испарения;

• с учетом кинетики испарения и степени износа в соответствии с рассматриваемым под­ ходом.

Прогнозирование экологического риска осуществлялось для оборудования, исчерпав­ шего проектный ресурс, на временных этапах эксплуатации, равных 27, 32 и 37 лет. Значе­ ния вероятности нанесения ущерба реципиенту при воздействии различных поражающих факторов (воздушной ударной волны, токсических нагрузок и теплового воздействия пламе­ ни) определялись с использованием моделей «доза — эффект» и соответствующих Probit функций.

Результаты моделирования представлены на рис. 8а-д в виде интегральных полей риска R как в объемном изображении, так и на плоскости с привязкой к производственной площад­ ке. Из рисунка следует, что учет при моделировании изменения во времени условий функцио­ нирования оборудования, его реального технического состояния, а также кинетики испарения опасных веществ для группового источника опасности приводит к существенной деформации полей риска. Она сопровождается как возрастанием значений экологического риска вслед­ ствие увеличения интенсивности отказов оборудования, так и расширением его полей и сви­ детельствует о существенном увеличении потенциального воздействия на окружающую среду (полей вероятностного поражения при ингаляционном воздействии ОВ, зон распреде­ ления токсодоз и концентраций на производственной площадке объекта и селитебной терри­ тории).

Основные результаты и выводы 1. Разработана концепция экологического риска применительно к условиям функциониро­ вания объектов нефтехимии;

выявлены основные рискообразующие факторы нефтехи­ мических производств.

2. С применением кумулятивной модели надежности на примере эрозионно-коррозионного износа разработан метод вероятностного прогнозирования интенсивности износовых отказов технологического оборудования, предназначенный для частотной оценки эколо­ гического риска.

3. Разработан метод моделирования и кинетические модели износа для различных типов нефтехимического оборудования, необходимые для прогнозирования его характеристик надежности в широком диапазоне условий функционирования. В качестве эксперимен­ тального материала для разработки кинетических моделей использована обширная ин­ формация, полученная при диагностировании оборудования, исчерпавшего проектный ресурс. Показано, что частотный анализ экологического риска целесообразно выполнять на основе принципа «слабого звена».

4. Выполнен частотный анализ риска для различных типов нефтехимического оборудова­ ния в системе «человек-машина-среда» с применением семантических моделей причин­ но-следственных связей типа «дерево отказов». Выявлено существование трех стадий из­ носа в зависимости от их влияния на величину частотного фактора экологического рис­ ка. Отмечено, что учет стадийности износа может способствовать разработке управлен­ ческих решений по минимизации негативного воздействия нефтехимических произ­ водств на объекты окружающей среды.

5. Получены модели изотермической кинетики испарения для ряда крупнотоннажных про­ дуктов нефтехимии с поверхности проливов в широком диапазоне скоростей обтекания.

Для всех исследованных веществ выявлено существование критической скорости об­ текания, характеризующейся равенством наблюдаемой и истинной энергий активации.

Рис. 8. Интегральные поля риска при различных условиях функционирования производства стирола:

а) без учета степени износа оборудования и кинетики испарения;

б) с учетом кинетики испарения;

вд) с учетом степени износа и кинетики испарения: в – = 27 лет;

г – = 32 года;

г – д = 37 лет.

Расположение оборудования: 13 – колонны;

4 – сепаратор;

5 – теплообменник;

68 – емкости 6. С использованием метода конечных элементов и результатов экспериментального иссле­ дования разработано математическое описание процесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих проливов в условиях различной подвижности воздушной среды. Смоделированы температурные поля при испарении ОВ для различных скоростей обтекания. Получено теоретическое доказательство существования критической скорости обтекания, значение которой соответствует экспериментальному. Разработано программное обеспечение для моделирования процесса нестационарного испарения ОВ и прогнозирования экологических последствий проявлений инцидентов (программный комплекс «VAPOUR»). Выявлены области протекания процесса испарения опасных ве­ ществ.

7. Разработан программный комплекс «FORS» для моделирования и прогнозирования коли­ чественных показателей экологического риска, порождаемого объектами нефтехимии, с учетом условий их функционирования и технического состояния.

8. В результате комплексного моделирования и прогнозирования показателей экологического риска для группового источника опасностей с использованием программных комплексов «FORS» и «VAPOUR» установлено, что учет степени износа оборудования, исчерпавшего проектный ресурс, а также применение адекватных моделей испарения опасных веществ приводит к деформации интегральных полей риска с резким возрастанием его значений и масштабов потенциального воздействия нефтехимических производств на объекты окру­ жающей среды.

Публикация результатов. Основные положения диссертации изложены в 20 публикаци­ ях.

1. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Мошев Е.Р. Методика прогнозирования ин­ тенсивности отказов оборудования потенциально опасных промышленных объектов // Сб.

науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической промышленности на Западном Урале» Пермь, 2003. – C. 11-17.

2. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н. М., Хлуденёв С.А. Прогнозирование надежности потенциаль­ но опасных объектов нефтехимии. // Материалы 4-го Межрегионального научно-практиче­ ского семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» Пермь, 2003. – С. 41-50.

3. Хлуденёв С. А., Хлуденёв А. Г., Рябчиков Н. М. Построение и анализ полей потенциально­ го риска опасных производственных объектов. // Материалы 4-го Межрегионального науч­ но-практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда на корпоративном уровне» Пермь, 2003. – С. 51-58.

4. Хлуденёв С.А., Рябчиков Н.М. Программное обеспечение анализа аварийного риска хими­ ко-технологических объектов. // Материалы 5-го Межрегионального научно-практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления про­ мышленной безопасностью и охраной труда» Пермь, 2004. – С. 64-66.

5. Хлуденёв С.А., Стрелков А.С. Применение кумулятивной модели отказов в количествен­ ном анализе риска химико-технологических объектов. // Материалы 5-го Межрегиональ­ ного научно-практического семинара «Новые технологии технического регулирования и системного управления промышленной безопасностью и охраной труда» Пермь, 2004. – С.

67-72.

6. Хлуденёв С.А., Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М. Об одном методическом подходе к анализу риска объектов химического профиля// Материалы семинара Ростехнадзора «Об опыте де­ кларирования промышленной безопасности и страхования ответственности. Развитие ме­ тодов оценки риска аварий на опасных производственных объектах». – М.: ФГУП «Науч­ но-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. – С. 76-85.

7. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Южанин С.Н., Гриценко В.Б. Некоторые ас­ пекты частотного анализа риска химико-технологических объектов // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 7. – С. 57–60.

8. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Южанин С.Н., Гриценко В.Б. Моделирова­ ние кинетики износа технологического оборудования нефтехимических производств // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 9. – С. 50–54.

9. Хлуденев А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденев С.А., Кутьин Н.Г., Селезнев Г.М. Анализ риска объектов химического профиля на основе информации о техническом состоянии обору­ дования // Безопасность труда в промышленности. – 2006. – №3. – С. 28-33.

10. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н. М., Хлуденёв С.А. О кинетике износа нефтехимического обо­ рудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической промыш­ ленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С. 315-323.

11. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Моделирование и прогнозирование интен­ сивности отказов нефтехимического оборудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и перспективы развития химической промышленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С. 232-330.

12. Хлуденёв С.А, Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М. Оценка опасности химико-технологических объектов с учетом степени износа оборудования // Сб. науч. тр. ПГТУ «Проблемы и пер­ спективы развития химической промышленности на Западном Урале», Пермь, 2005. – С.

310-315.

13. Хлуденёв А.Г., Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Некоторые аспекты исследования промышленной и экологической безопасности объектов химического профиля // Безопасность труда в промышленности. – 2005. – № 6. – С. 55-56, 14. Хлуденев С.А., Лисков Р.А. Экспертный программный комплекс для оценки аварийного риска опасных производственных объектов химического профиля («FORS»). Свидетель­ ство об официальной регистрации № 2005612347. М.: Роспатент РФ, 2005.

15. Хлуденев С.А., Лисков Р.А. Экспертный программный комплекс для моделирования про­ цесса нестационарного испарения опасных веществ с поверхности горячих аварийных проливов («VAPOUR»). Свидетельство об официальной регистрации № 2006612255. М.:

Роспатент РФ, 2006.

16. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М., Шумихин А.Г., Гриценко В.Б. Моделирование источника опасности при аварийных проливах в задачах оценки риска и управления безопасностью нефтехимических производств // Промышленная безопасность и экология. – 2006 – № 7. – С. 45-47.

17. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М. Моделирование и индивидуальное прогнозирование ава­ рийного риска потенциально опасных объектов нефтехимии. // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и под­ готовки кадров», Стерлитамак, 2006. – С. 274-275.

18. Рябчиков Н.М., Хлуденёв С.А. Моделирование процесса испарения опасных веществ с по­ верхности аварийных проливов для оценки и управления риском нефтехимических произ­ водств. // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006. – С. 273-274.

19. Хлуденев С.А., Шумихин А.Г., Рябчиков Н.М. Некоторые аспекты оценки экологического риска, порождаемого объектами нефтехимии // Промышленная и экологическая безопас­ ность. – 2007 – № 4. – С. 60-61.

20. Хлуденев С.А., Рябчиков Н.М., Шумихин А.Г. К вопросу о кинетике испарения опасных веществ с поверхности аварийных проливов на объектах нефтехимического профиля // Промышленная и экологическая безопасность. – 2007 – № 4. – С. 61-62.