Прогнозирование опасности поражения человека тепловым излучением огненного шара при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях

• Автор: Хайруллин, Ирек Равилевич
• Шифр специальности: 05.26.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 96 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ГОРЕНИЯ ОГНЕННЫХ ШАРОВ

ЕЕ Физические модели

ЕЕЕ Образование, зажигание и горение огненного шара

1Л.2. Нормальное распространение пламени

Е1.3. Турбулентный режим горения

1.2. Математические модели

1.2.1. Экспериментальные формулы

1.2.2. Полуэмпирические модели

1.2.3. Теоретические модели
1.3. Экспериментальные и теоретические модели сферического пламени
ГЛАВА 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
КРУПНОМАСШТАБНОГО ГОРЕНИЯ
УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ
2.1. Обоснование двухзонной физико-химической модели
горения газов в структуре огненного шара
2.2. Динамическая вычислительная модель
2.2.1. Система уравнений химической кинетики
2.2.2. Уравнения переноса энергии, неразрывности
движения и излучения
2.3. Алгоритм решения модели
2.4. Результаты вычислительного эксперимента и их анализ
ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОРАЖЕНИЯ
3.1. Критерии опасности теплового поражения человека
3.2. Пробит-функции
3.3. Автоматизированный метод прогнозирования
опасных зон поражения
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
На современных химических и нефтехимических предприятиях хранятся и обращаются огромные количества энергонасыщенных веществ (мономерный винилхлорид, сжиженные газы - СУГ, широкие фракции легких углеводородов - 1ПФЛУ и т.д.). Так на нефтехимических предприятиях, связанных с производством этилена, суммарный объем парков хранения СУГов достигает десятков тысяч тонн, при емкости отдельного резервуара 600 м . В этих условиях аварии, связанные с возникновением пожаров, могут иметь наиболее катастрофические последствия для окружающей среды (ОС), обслуживающего персонала и рядом расположенных объектов.
Опасными факторами, характерными для аварий с пожарами на данных объектах, является тепловое воздействие и тепловое излучение при возникновении пожаров — вспышек (горение стехиометрических газопаровоздушных смесей), пожаров пролива горючих жидкостей (ГЖ), факельном горении истекающих из оборудования газов и паров, огненных шарах. Последний вариант развития аварии достаточно специфичен и относительно мало изучен. Это объясняется невозможностью крупномасштабного исследования данного явления, сложностью фиксации физических закономерностей непосредственно в процессе аварии из-за его случайной природы и относительно кратковременности самого события (10ч40 сек.).
Эволюция огненного шара (ОШ) может происходить по двум сценариям. По первому сценарию зажигание топлива частично перемешанного с воздухом происходит на начальной стадии аварийного выброса, при этом богатая смесь будет гореть в диффузионном режиме. По второму — зажигание происходит с задержкой, при этом значительная часть топлива перемешивается с воздухом, продукты горения и вовлекаемого воздуха интенсивно расширяются и объем горящего облака значительно превосходит начальный объем горючего газа. Поэтому последний сценарий является наи-
более опасным по интенсивности теплового воздействия на окружающие объекты.
Разработка мероприятий по обеспечению пожарной безопасности таких объектов в соответствии с действующим законодательством должна базироваться на детальной оценке их пожарной опасности. Методы оценки риска поражения по современным представлениям должны основываться на количественной оценке, как самих поражающих факторов, так и степени их воздействия на поражаемые объекты, в том числе и биологические в динамике эволюции ОШ. В данном плане большой научный и практический интерес представляет имитационное моделирование (количественное) воздействия излучения ОШ на окружающую среду. Следует отметить, что оценка рисков, сопутствующим возможным гипотетическим авариям, предполагает проведение анализа достаточно большого количества сценариев развития аварий. Их число может измеряться десятками и сотнями (например, в случае перевозки СУГов железнодорожным или автомобильным транспортом).
Поэтому к математической модели, описывающей процесс развития аварии (в том числе и при возникновении ОШ), помимо требования точности и адекватности должно предъявляться и требование по быстродействию.
Решение поставленной задачи позволяет прогнозировать опасные зоны поражения и обосновывать управленческие решения по ликвидации последствий аварии. В настоящее время для оценки и прогнозирования теплового поражения в ГОСТированных методах применяется эмпирические формулы для оценки интегральных характеристик горения ОШ, а в качестве критерия поражения принята вероятность только летального исхода. Однако в реальных аварийных ситуациях объем ОШ и, соответственно, интенсивность излучения изменяются в несколько раз, кроме того, по мнению медиков для организации помощи нужна информация не только о ко-

литературные данные по интегральным характеристикам излучения продуктов горения. Как в углеводородных, так и в ракетных топливах основным излучающим продуктом горения являются пары воды. В [35] рассмотрена упрощенная полуэмпирическая модель динамики крупномасштабных излучающих ОШ, которые образуются при взрывах ракет на стартовой позиции или в полете. Модель предназначена для оценки плотностей интегральных радиационных тепловых потоков на небольших удалениях от места взрыва с целью разработки систем аварийного спасения космонавтов и средств тепловой защиты стартовых установок.
Для расчета температуры продуктов горения в центральной части ОШ используется уравнение теплового баланса, учитывающее объемные источники излучения и теплоты экзотермической реакции горения
где рр, Ср - плотность и удельная теплоемкость продуктов реакции при постоянном давлении, £ - полусферическая степень черноты ОШ, а — постоянная Стефана-Больцмана, д - теплота реакции горения, ТРВ - температура ОШ.
где ТУ — плотность интегрального радиационного потока на границе ОШ при г=Я, определяемая экспериментально.
Для кислородно-водородных ОШ £ примерно равна 0,8 [10].
Для углеводородных топлив, в продуктах горения которых присутствует углекислота, £ ~ 0,6 [36].
В результате обобщения экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследований установлено: основная доля излучения ОШ приходится на приповерхностную область распределение температуры в
-жТрВ + (
Зрсэт К ’
(1.16)
£ = IУСоТ&У1,
(1.17)