Научно-методические основы мониторинга взрывоопасности производственных объектов нефтегазовой отрасли

При анализе результатов расчета коэффициентов зон застоя, полученных для разных направлений атмосферных потоков и розы ветров г.Уфы и его окрестностей, установлено, что для рационального размещения наружной площадки АГФУ необходимо её переориентировать, повернув по часовой стрелке на 90 относительно предварительного размещения. Это в 15 раз уменьшит количество дней в году, при которых образуются максимальные зоны застоя для преобладающего направления атмосферных потоков.

Для подтверждения рациональной ориентации и изучения влияния формирования воспламеняющейся части облаков ТВС, образованных в результате мгновенного выброса взрывоопасных веществ, был проведен ряд численных экспериментов проектных аварий.

В ходе проведения численных экспериментов проектных аварий для преобладающей скорости атмосферных потоков (объем облаков ТВС равен 157 м3, облако состоит из 20 % пропанобутановой смеси и 80 % воздуха) получены зависимости изменения объема воспламеняющейся части облаков ТВС с момента их выброса для рационального размещения. Установлено, что процесс рассеивания облаков ТВС для доминирующего направления атмосферных потоков преобладает по сравнению с другими направлениями, это подтверждает правильность выбора рационального размещения наружной площадки АГФУ.

Применение разработанного метода оптимального размещения газоанализаторов на территории промышленного объекта позволило расчетным путем определить необходимое количество газоанализаторов и места их размещения. Первоначальная схема покрытия газоанализаторами территории наружной площадки АГФУ приведена на рисунке 11 (всего 28 газоанализаторов).

Рисунок 11 – Частота обнаружения аварийной загазованности газоанализаторами (а), первоначальная схема покрытия территории АГФУ газоанализаторами (б)

Условие размещения газоанализаторов на территории – определение минимального количества газоанализаторов для обнаружения трех проектных аварий (20 % уровня от нижнего концентрационного предела воспламеняемости пропанобутановой смеси) в независимости от направления атмосферных потоков, при этом каждый газоанализатор должен определить две из трех аварий в течение 15 секунд после их возникновения.

В ходе проведения численных экспериментов по распространению облаков ТВС (трех прогнозируемых аварий), образованных в результате мгновенных выбросов, с учетом основных направлений и преобладающей скорости (v0 =2,5 м/с) атмосферных потоков (34=12 сценариев) установлено, что для наружной площадки АГФУ, согласно условию размещения, можно снизить количество газоанализаторов с 28 до 3, это газоанализаторы под номерами 11 (или 10), 17, 20 (или 21).

Для определения эффективности первоначального размещения систем газоанализаторов получены данные по частоте обнаружения аварийной загазованности всеми газоанализаторами в течение 60 секунд, с момента мгновенного выброса (рисунок 11). Результаты расчетов показали, что для своевременного обнаружения проектных аварий нет необходимости в полном покрытии газоанализаторами территории промышленного объекта.

В ходе проведения численных экспериментов по образованию и рассеиванию облаков ТВС, образующихся в результате струйного выброса (пропанобутановой смеси с массовой скоростью 6 кг/с) из колонного аппарата (рисунок 11), при преобладающей скорости (v0 =2,5 м/с) атмосферных потоков (высота расположения источника выброса 2 метра от приземного слоя АГФУ), получены потенциальные зоны дрейфа воспламеняющейся части облаков ТВС, с учетом разных направлений ветра. Установлено, что соприкосновение воспламеняющейся части облака ТВС в результате рассматриваемого струйного выброса с поверхностью печи возможно с учетом рационального размещения наружной площадки при западном направлении ветра. Следовательно, рациональное размещение наружной площадки в 15 раз уменьшит количество дней в году, при которых возможно возникновение аварийной ситуации, а также снизит вероятные зоны разрушения, т.к. снижается значение объема воспламеняющейся части облака ТВС.

На рисунке 12 приведены результаты исследования формирования воспламеняющей части облака ТВС на территории наружной площадки АГФУ при наиболее повторяемом направлении и преобладающей скорости ветра.

Согласно РД 03-409-01 или ПБ 09-540-03 и на основании значений объема воспламеняющейся части выполнены расчеты приближенной оценки различных параметров воздушных ударных волн и вероятной степени повреждения зданий на АГФУ при авариях, сопровождающихся взрывами облаков ТВС.

На рисунке 13 приведены скорректированные вероятные зоны воздействия поражающих факторов при взрыве облака ТВС при максимальном значении воспламеняемого объема при предварительной и рациональной ориентациях наружной площадки АГФУ.

В результате определения рационального расположения площадки АГФУ минимизированы последствия от взрывов дрейфующего облака ТВС при наиболее повторяемом направлении и преобладающей скорости атмосферных потоков, а также выполнена корректировка расчета площади вероятных зон разрушения, изложенного в ПБ 09-540-03.

Рисунок 12 – Формирование воспламеняющейся части облака ТВС на территории наружной

площадки АГФУ, при наиболее повторяемом направлении атмосферных

потоков и преобладающей скорости ветра (массовая скорость выброса 6 кг/с,

mвыбр = 418 кг)

Рисунок 13 – Максимальные области полных разрушений в результате

воспламенения облака ТВС, образованного при наиболее повторяемом

направлении и преобладающей скорости атмосферных потоков (направление

выброса северное, массовая скорость выброса 6 кг/с, mвыбр = 418 кг)

В пятой главе на примере установки ЭЛОУ-АВТ была проведена апробация метода оптимизации безопасного расположения оборудования технологических установок с учетом устойчивости оборудования к действию ударной волны и монтажных расстояний. Стандартный план данной установки с радиусами зон полных разрушений (избыточное давление более 100 кПа) для основного оборудования приведен на рисунке 14.

Рисунок 14 – Стандартный план расположения оборудования установки ЭЛОУ-АВТ

На рисунке 15, а приведен возможный план расположения оборудования рассматриваемой установки ЭЛОУ-АВТ с учетом весов связей между аппаратами. Оптимизация расположения будет произведена таким образом, что все аппараты будут находиться вне зоны полных разрушений друг от друга.

Неблагоприятной была принята ориентация наибольшей стены по нормали к направлению распространения ударной волны (К1 1,1 – коэффициент ориентации объекта на центр возможного взрыва), благоприятной – при расположении стен под углом 45о, (К1 0,8); для промежуточных положений объекта (нейтральных) принимают К1 = 1.

Для уменьшения коэффициента К1 при проектировании или реконструкции установок нефтеперерабатывающих заводов необходимо определить ориентацию объекта к источнику наибольшей опасности взрыва для зданий и сооружений, а также оборудования, имеющего различные коэффициенты аэродинамического сопротивления по различным направлениям. Для этого введем понятие «центр энергопотенциалов». Координаты «центра энергопотенциалов» хцэ, уцэ определяются по:

(7)

где Ei – энергопотенциал i-ого аппарата, кДж;

xi, yi – координаты i-ого аппарата, м.

«Центр энергопотенциалов» установки ЭЛОУ-АВТ с радиусами полных разрушений всех аппаратов показан на рисунке 15, а.

Направления векторов, равных сумме векторов избыточного давления во фронте ударной волны Рф от всех аппаратов, в различных точках пространства показаны на рисунке 15, б.

а	б

Рисунок 15 – Направления суммарных векторов Рф от всех аппаратов (а);
возможный план расположения оборудования и операторной с учетом весов связей между аппаратами при К0 = 3,8 (б)

Из рисунка 15 видно, что для точек пространства, не лежащих в зонах полных разрушений, линия, соединяющая данную точку пространства с «центром энергопотенциалов», практически совпадает с направлением суммарного вектора Рф.

Таким образом, можно определить наиболее безопасную ориентацию объекта, находящегося вне зоны полных разрушений. Такой ориентацией буден расположение стен объекта под углом 45о к «центру энергопотенциалов».

На рисунке 15 приведен возможный план расположения оборудования рассматриваемой установки ЭЛОУ-АВТ с учетом веса связей между аппаратами и «центра энергопотенциалов» при определении ориентации операторной. Коэффициент К0 принят равным 3,8 для каждого аппарата, т.е. оптимизация расположения произведена таким образом, что все аппараты будут находиться вне зоны полных разрушений друг от друга.

Для уменьшения площади территории технологической установки с обеспечением прежнего уровня безопасности необходимы мероприятия по снижению взрывоопасности оборудования либо снижению воздействия ударной волны на соседнее оборудование и повышению его устойчивости к воздействию поражающих факторов.

После проведения этих мероприятий возможно изменить местоположение крайних аппаратов (на рисунке 16 измененное местоположение показано пунктирной линией), результатом будет снижение площади территории в 3,47 раза, после этого площадь установки при оптимизированном безопасном расположении превышает в 1,2 раза площадь установки ЭЛОУ-АВТ при стандартном плане расположения.

Далее был проведен анализ последствий аварийных ситуаций на установках нефтегазового комплекса с применением метода оценки зон опасностей оборудования установки с использованием ГИС-технологий и вейвлет-анализа.

Рисунок 16 – Оптимизированный план расположения оборудования
и операторной установки ЭЛОУ-АВТ

Были рассчитаны радиусы зон полных разрушений этих аппаратов и внесены в виде семантической информации объектов в ГИС. Подсистема ГИС «ИнГЕО» визуализации зон опасностей опасных производственных объектов отобразила зоны полных разрушений оборудования установки (рисунок 17). Далее при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО», вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей опасных производственных объектов были выделены и проанализированы зоны полных разрушений оборудования установки. Результаты вейвлет-анализа были наложены на карту в виде растровой подложки.

Вейвлет-анализ зон потенциальных опасностей оборудования установки ЭЛОУ-АВТ показал, что практически вся территория установки покрывается зонами полных разрушений аппаратов, содержащих опасные вещества.

Это представляет большую угрозу для функционирования установки в целом, так как авария на одном аппарате приведет к неизбежному разрушению других, находящихся в его зоне полных разрушений; дальше – эффект «домино». Кроме того, по результатам анализа можно однозначно определить наиболее опасное место на территории установки – критическую область потенциальной опасности: местоположение печей П-1 и П-2 (наиболее тёмная область на рисунке 17).

Итак, анализ произвольно взятых технологических установок предприятий нефтегазовой отрасли показывает, что типовое расположение оборудования установок не удовлетворяет требованиям безопасности. В связи с этим необходимо скорректировать расположение аппаратов на территории установки, так как, согласно п.1 статьи 9 ФЗ №116 от 20.06.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», организация, эксплуатирующая опасные производственные объекты, должна принимать меры по защите жизни и здоровья сотрудников.

Исходя из этого в четвертой главе рассматривается еще одно типовое расположение установки ЭЛОУ-АВТ и производится расстановка оборудования с использованием предложенного в работе метода оптимизации безопасного расположения оборудования.

а	б

Рисунок 17 – Зоны полных разрушений в окне ГИС «ИнГЕО» (а)

и результат вейвлет-анализа зон потенциальных опасностей аппаратов (б)

На примере типовой установки ЭЛОУ-АВТ в ГИС «ИнГЕО» была построена электронная модель пространственного расположения элементов установки (рисунок 18)

а	б

Рисунок 18 – Расположение зон полных разрушений оборудования установки ЭЛОУ-АВТ на электронной карте ГИС «ИнГЕО» (М1:95) (а), критические области потенциальной опасности при типовом расположении оборудования установки ЭЛОУ-АВТ (М1:95) (б)

Анализ этих зон при помощи подсистемы ГИС «ИнГЕО», вейвлет-анализа показывает, что территория установки практически представляет собой одну очень большую область потенциальной опасности – выделены наиболее насыщенными градациями цвета. Это означает, что такое расположение элементов установки не является безопасным для ее функционирования.

На основе предложенного в работе метода была проведена оптимизация безопасного расположения оборудования установки, а также произведена соответствующая расстановка оборудования рассматриваемой установки на электронной карте (рисунок 19).

Вейвлет-анализ зон опасностей оптимизированного расположения оборудования показал, что в этом случае число критических областей стремится к минимуму, то есть повышается уровень безопасности установки.

При такой оптимизации линейные размеры самой установки остались на прежнем уровне.

а	б