Устройства по ограничению аварийного растекания ЛВЖ и ГЖ

При повреждениях и авариях аппаратов из них происходит свободный разлив горючих жидкостей, нередко на значительной площади.

Предупреждение или уменьшение аварийного истечения жидкостей из поврежденных аппаратов и трубопроводов обеспечивается установкой в определенных точках технологической схемы необходимого количества устройств, с помощью которых можно оперативно прекратить или уменьшить выход горючих веществ наружу.

Чаще всего для этой цели используют запорные задвижки ручного действия или с дистанционным пуском, с автоматическим приводом, а также другие специальные устройства (скоростные отсекатели потока, обратные клапаны, мембранные клапаны и т. п.). Введение в действие этих устройств часто блокируют с автоматическим отключением перекачивающих насосов.

Предупреждение аварийного растекания излившейся жидкости обес-печивают устройством на пути ее движения различных преград (защитных обвалований, стенок, бортиков, порогов, лотков и т. п.).

Если производственное помещение или открытая установка имеют значительную площадь и на ней равномерно размещается технологическое оборудование с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями, разделение производственной площади бортиками на противопожарные отсеки ограничивает аварийный разлив жидкости и размер возможной площади горения.

Чтобы разлившаяся при аварии жидкость не попадала через дверные проемы из помещения наружу или в смежные помещения, устраивают пороги с пандусами.

Аварийный разлив горючих жидкостей по территории производственного предприятия может быть ограничен устройством лотков, желобов, канав, дополнительных насыпей и других сооружений, располагаемых с учетом рельефа местности и аварийной ситуации.

Отдельно стоящие резервуары и группы резервуаров с горючими жидкостями ограждаются земляным валом и несгораемой стеной, рассчитанной на гидростатическое давление разливающихся жидкостей. Однако такие преграды способны удержать поток жидкости только при локальном разрушении технологического оборудования или частично заполненного жидкостью аппарата, т. е. когда напор потока недостаточен для перелива через обвалование.

При полном разрушении крупногабаритных технологических аппаратов, например резервуаров, поток жидкости (так называемая волна прорыва) движется по законам динамики, поэтому земляные обвалования не
могут его удержать и разрушаются. Для повышения безопасности населения, объектов застройки населенных пунктов и природы, которые могут оказаться в зоне воздействия волны прорыва, образующейся при квази-мгновенном разрушении РВС, необходимо применять защитные инженерные сооружения, устойчивые к гидродинамическому воздействию.

Для решения этой задачи рассмотрим процессы возникновения и распространения волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, и ее взаимодействия с защитными преградами.

Для волны прорыва свойственны наличие резкого фронта в виде бора (вала), достигающего значительной высоты и движущегося с большой скоростью, а также большая разрушительная сила потока. При этом типе движения профиль волны имеет резко выраженную кривизну линий тока, изменение которой, как правило, столь круто, что профиль потока, по существу, разрывается, приходя в состояние высокой турбулентности. Следовательно, вертикальный компонент ускорения играет здесь значительную роль, тогда как влиянием трения в канале практически можно пренебречь по сравнению с динамическим эффектом движения потока.

Характерными особенностями этого вида движения являются:

- кривизна потока, которая выражена настолько резко, что распределение давления не может быть принято гидростатическим;

- быстрое изменение режима потока происходит на относительно коротком участке, поэтому граничное трение, как правило, ничтожно;

- при возникновении быстро изменяющегося движения в резких переходных сооружениях физические характеристики потока определяются в основном геометрией границ сооружения и состоянием потока.

Основным способом решения задачи, связанной с образованием волны прорыва при внезапном разрушении водохранилища и распространением ее в широком прямоугольном русле с постоянным уклоном, являются методы вычислительной гидравлики, использующие дифференциальные уравнения Сен-Венана [7] вида

(9.14)

где h – глубина потока; q – расход на единицу ширины; – скорость течения; I – уклон дна русла; t – время; x – пространственная переменная; – коэффициент гидравлического трения.

Решение задачи о неустановившемся движении жидкости в открытом русле сводится к интегрированию уравнений Сен-Венана или их модификаций. В результате должны быть получены две функции Q = Q(t, l) и w = w(t, l), зная которые можно найти изменение расхода во времени в любом створе потока и построить мгновенный профиль свободной поверхности в любой момент времени. Однако дифференциальные уравнения Сен-Венана являются нелинейными и их интегрирование в общем случае невозможно. Поэтому на практике применяются методы приближенного (численного) интегрирования с использованием ЭВМ, решения которых, вследствие их ограниченной точности, необходимо тестировать путем сравнения результатов численных вычислений с натурными данными или результатами лабораторных опытов.

Математическая модель возникновения и распространения волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, а также ее взаимодействия с защитной преградой разработана на основании известных теоретических положений о неустановившихся гидродинамических явлениях совместно
с кафедрой нефтегазовой гидродинамики Академии нефти и газа
им. И. М. Губкина [8].

Рассматривалось движение слоя жидкости глубиной по плоскости, наклоненной к горизонту под углом , которое характеризовалось осредненными по высоте слоя компонентами скорости , соответственно, вдоль осей 0Х и 0Y. Жидкость предполагалась несжимаемой, поэтому уравнение неразрывности, проинтегрированное по высоте слоя, приводило к уравнению, связывающему эту высоту с осредненными компонентами скорости течения:

. (9.15)

Под повторяющимся индексом подразумевали суммирование
от 1 до 2.

Поскольку основными факторами, определяющими развитие волны прорыва, являются силы тяжести и инерции жидкости, в уравнениях
движения трением пренебрегали, а в качестве движущей силы приняты
горизонтальные составляющие градиента гидростатического давления, обусловленного непостоянством глубины слоя жидкости. В этом случае имели

, (9.16)

где – ускорение силы тяжести; – углы, образованные вектором скорости и направлением силы тяжести.

В одномерной задаче, моделирующей распространение жидких лавин при разрушении стенок плоского канала или резервуара, система определяющих уравнений (9.15) и (9.16) упрощалась:

(9.17)

;

.

Входящий в нее индекс равен 0 или 1 в зависимости от того, плоская или цилиндрическая симметрия рассматривалась.

Рассматриваем плоскую задачу: между двумя створами имеется бесконечный канал, заполненный жидкостью с постоянной глубиной Н₀. В начальный момент времени створы мгновенно разрушаются и покоящаяся до того жидкость приходит в движение, растекаясь в обе стороны. На расстояниях справа и слева от створов канала, т. е. в точках , расположены защитные стенки, препятствующие проникновению жидкости в область > L. Необходимо найти высоту стенок с учетом того обстоятельства, чтобы жидкая лавина не смогла их преодолеть. Ответ на этот вопрос может быть найден из решения следующей краевой задачи:

;

; (9.18)

.

При этом высота Н_с защитных стенок находится как максимальная высота подъема жидкости в точках , т. е. .

Решение сформулированной задачи осуществлялось численно с помощью метода С. К. Годунова [9, 10] и использования результатов решения задачи о распаде произвольного разрыва в системе дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка (9.15), (9.16).

На рис. 9.4 представлены результаты расчета, полученные при решении задачи о разрушении РВС (R = 10 м; Н₀ = 10 м; L = 20 м), в виде типичных кривых, определяющих профиль жидкости в последовательные моменты времени с шагом 0,5 с. На рисунке прослеживаются основные стадии процесса: распространение потока жидкости в направлении стенки, сопровождающееся понижением уровня жидкости в резервуаре; удар лавины о защитную стенку и резкий выброс жидкости вверх, вдоль нее; образование обратного вала жидкости, отраженного от стенки и распространяющегося по направлению к центру резервуара. Максимальная высота Н_с подъема жидкости на стенке составляет в рассматриваемом случае 5,3 м. Именно при такой высоте защитной стенки должно быть исключено проникновение жидкости в область за стенку.

Рис. 9.4. Типичные кривые, определяющие профиль потока жидкости

при взаимодействии с преградой

Аналогичный вид имеет форма вала жидкости и во всех других случаях, как плоских, так и радиальных.

В процессе расчетов варьировался единственный безразмерный параметр L/R, определяющий положение стенки по отношению к резервуару. На рис. 9.5 сплошной линией представлена зависимость безразмерной высоты стенки Н_с/Н₀, достаточной для перекрытия пути движущейся лавине жидкости в зону за стенку, от безразмерного расстояния L/R. Пунктирной линией обозначена зависимость безразмерной высоты нормативной стенки, рассчитанной на гидростатическое давление вылившейся из РВС жидкости.

Рис. 9.5. Зависимость безразмерной высоты стенки от безразмерного расстояния

до места ее расположения от резервуара

Из приведенных на рис. 9.5 графиков следует, что высота защитной стенки при гидродинамическом воздействии должна быть значительно выше, чем используемая на практике нормативная, что подтверждает также статистика разливов жидкостей при разрушениях РВС.

Для ограничения аварийного растекания ЛВЖ и ГЖ в этом случае предлагается обустройство специальной защитной стены с отбойным козырьком,
способной удержать поток жидкости и свести к минимуму последствия техногенной аварии. Конструкция такой преграды показана на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Общий вид защитной стены с отбойным козырьком

для РВС-30000 на нефтебазе «Шесхарис» г. Новороссийска

Отличительной особенностью защитной стены является отбойный козырек в ее верхней части, который отбрасывает (закручивает в противоположную сторону) поток надвигающейся жидкости и предотвращает ее перехлест через обвалование.

Если резервуары размещены на более высоких отметках по отношению к промышленным установкам, предприятиям и населенным пунктам и расположены от них на меньшем расстоянии, чем установлено нормами, наряду с защитной стеной применяют дополнительные защитные устройства: второй земляной вал или ограждающую стену; отводные каналы

(траншеи); открытые земляные амбары.

Контрольные вопросы

1. Какие мероприятия включает в себя защита технологического оборудования от разрушения?

2. Как определить максимальное давление взрыва?

3. От каких параметров зависит величина давления взрыва?

4. Для чего в технологическом оборудовании применяют взрывные мембраны?

5. Как классифицируются мембраны?

6. Принцип работы взрывного клапана с откидными дверцами.

7. В каких случаях в технологическом оборудовании применяют выщелкивающие мембраны?

8. Как определить максимально допустимое давление срабатывания взрывной мембраны?

9. Как определить площадь сечения сбросного отверстия мембраны?

10. Как определить толщину мембраны?

11. Периодичность замены мембран на технологическом оборудовании.

12. Какие защитные устройства ограничивают растекание горючих жидкостей при аварии?

ЛИТЕРАТУРА

1. Пожарная безопасность технологических процессов: Рабочая программа. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.

2. Шатров Н.Ф., Волков О.М., Алексеев М.В. Пожарная профилактика технологических процессов производств. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1986.

3. ССБТ Пожарная безопасность. Общие требования (ГОСТ 12.1.004–91). – М.: ИПК издательство стандартов, 1996.

4. ССБТ Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (ГОСТ Р 12.3.047–98). – М.: Госстандарт России, 1998.

5. Горячев С.А., Клубань В.С. Задачник по курсу «Пожарная профилактика технологических процессов». – М.: ВИПТШ МВД РФ, 1996.

6. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования. – М.: Изд. «Химия», 1991.

7. Школьников С.Я. Трансформация прорывной волны на суходоле / С.Я. Школьников, Н.С. Юзбеков // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. – 1999. – № 6. – С.26–30.

8. Лебедева Л.Н. Лавинные выбросы при разрушении резервуаров с жидкостями / Л.Н. Лебедева, М.В. Лурье, А.Н. Швырков // Инженерно-физический журнал. – 1991. – Т. 61. - № 5. – С. 726–731.

9. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений гидродинамики // Мат. Сб. – 1959. – Т. 47. – Вып. 3. – C. 117–143.

10. Masson B. Application of Godunov's method to bluntbody calculations / В. Masson, T. Taylor, R. Foster // AIAA J. – 1969. – Vol. 7. – № 4. – Р. 312–321.