Підвищення ефективності реагування на надзвичайні ситуації техногенного характеру унаслідок пожеж на об’єктах зберігання нафтопродуктів

Abstract

Максименко М.В. Підвищення ефективності реагування на надзвичайні ситуації техногенного характеру унаслідок пожеж на об’єктах зберігання нафтопродуктів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 263 – Цивільна безпека – Національний університет цивільного захисту України, Державна служба України з надзвичайних ситуацій, Харків, 2024. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого науковопрактичного завдання в галузі цивільної безпеки, а саме, підвищенню ефективності реагування на надзвичайні ситуації техногенного характеру унаслідок пожежі на об’єкті зберігання нафтопродуктів шляхом оптимального вибору сил та засобів для охолодження сусідніх резервуарів. У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи. Обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та основні завдання дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації. У першому розділі СТАН БЕЗПЕКИ В РЕЗЕРВУАРНИХ ПАРКАХ ТА МЕТОДИ ЗАПОБІГАННЯ ПОШИРЕННЮ НАДЗВИЧАЙНОЇ СИТУАЦІЇ проведено аналіз літературних джерел, в результаті якого визначено, що основним місцем зберігання нафти і нафтопродуктів є резервуарні парки. Для зберігання нафти і нафтопродуктів використовуються переважно наземні резервуари, а саме, вертикальні сталеві резервуари. Економічні міркування та технологічна необхідність підштовхують до укрупнення резервуарів і компактного їх розміщення. Це, в свою чергу, негативно відбивається на безпеці резервуарних парків. Надзвичайним ситуаціям в резервуарних парках притаманний ефект доміно, коли одна аварія стає підґрунтям для інших аварій. В умовах повномасштабної російської агресії проти України резервуарні парки стали однією з цілей при атаках по енергетичній інфраструктурі. Вони потрапляли під удар артилерії, крилатих та балістичних ракет, безпілотних літальних апаратів. В результаті ушкоджень резервуарів та іншого технологічного обладнання, як правило, виникала пожежа. Внаслідок цього пожежі стали основним видом надзвичайних ситуацій, що мали місце в резервуарних парках. Першочерговою задачею оперативнорятувальних підрозділів є локалізація надзвичайної ситуації, що досягається шляхом охолодження резервуара, що горить, і сусідніх з ним резервуарів. При цьому важливо визначити необхідну кількість сил та засобів для подачі води на охолодження резервуарів. Недостатня кількість сил та засобів або неефективне їх використання може призвести до вибуху або займання сусідніх резервуарів. У другому розділі МОДЕЛЬ НАГРІВУ РЕЗЕРВУАРА ПІД ТЕПЛОВИМ ВПЛИВОМ ПОЖЕЖІ СУСІДНЬОГО РЕЗЕРВУАРА досліджується тепловий вплив пожежі в вертикальному сталевому резервуарі з нафтопродуктом на аналогічний сусідній резервуар. Обґрунтовано припущення і побудовано модель нагріву стінки резервуара з нафтопродуктом під тепловим впливом пожежі в сусідньому резервуарі. Модель враховує променевий теплообмін зовнішньої поверхні стінки резервуара з факелом та навколишнім середовищем, внутрішньої поверхні стінки з внутрішнім простором; конвекційний теплообмін з навколишнім повітрям і пароповітряною сумішшю в газовому просторі резервуара. Модель може бути використана для прогнозування наслідків надзвичайної ситуації, обумовленої пожежею горючої рідини в вертикальному стальному резервуарі. Проведено оцінку коефіцієнта взаємного опромінення з факелом для довільної точки на стінці резервуара. Показано, що для вертикальних сталевих резервуарів, місткістю до 20000 м3 включно, в безрозмірних координатах коефіцієнт опромінення залежить лише від типу рідини, що горить. Для горючих рідин максимальне значення коефіцієнта опромінення сягає 0,0996, а для легкозаймистих рідин – 0,1095.4 При цьому максимальне значення досягається на верхньому краї стінки резервуара, оберненої в бік пожежі, монотонно спадаючи при віддаленні від неї, як по висоті, так і по куту. З використанням методів теорії подібності проведено оцінку коефіцієнта конвекційного теплообміну на зовнішній і внутрішній поверхнях стінки резервуара за умови вільної конвекції. Його значення монотонно зростає із підвищенням температури стінки, досягаючи 9 Вт/(м2·К) при температурі стінки 500 °C. Розв’язання рівняння теплового балансу для стінки резервуара, проведене чисельним методом, дозволяє визначити розподіл температур по стінці резервуара. Це дозволяє визначити область, яка потребує охолодження і граничний час його початку. Показано, що на стінці резервуара, оберненої вбік пожежі, небезпечні температури досягаються вже через 15 хвилин після виникнення пожежі. При цьому розподіл температур всередині стінки резервуара носить майже лінійний характер, температура зменшується із віддаленням від зовнішньої поверхні стінки із швидкістю 0,15 °C/мм. Нахил факела вітром в напрямку сусіднього резервуара призводить до збільшення коефіцієнта взаємного опромінення між факелом і верхнім краєм стінки сусіднього резервуара. При цьому коефіцієнт взаємного опромінення монотонно зростає із збільшенням швидкості вітру. Як і для випадку вітрового штилю, показано, що для вертикальних сталевих резервуарів, місткістю до 20000 м3 включно, в безрозмірних координатах коефіцієнт опромінення залежить лише від типу рідини, що горить. Значення коефіцієнта взаємного опромінення на верхньому краї стінки резервуара для горючих рідин досягає 0,1642 (при швидкості вітру 5 м/с), збільшуючись в 1,65 рази порівняно з випадком вітрового штилю. Для легкозаймистих рідин досягає 0,2109 (при швидкості вітру 5 м/с), збільшуючись в 1,93 рази. Оцінено коефіцієнт взаємного опромінення факела і точки на покрівлі резервуара за умови зміни форми факела під впливом вітру. Нахил факела вітром в напрямку сусіднього резервуара призводить до збільшення коефіцієнта взаємного опромінення між факелом і покрівлею сусіднього резервуара. При цьому коефіцієнт взаємного опромінення зростає із збільшенням швидкості вітру. За відсутності вітру він складає 0,0901 для точки на краю покрівлі з боку пожежі. При швидкості вітру 2 м/с цей коефіцієнт становить 0,1475, а при швидкості 4 м/с досягає величини 0,1697. Показано, що для вертикальних сталевих резервуарів, місткістю до 20000 м3 включно, в безрозмірних координатах коефіцієнт опромінення залежить лише від типу рідини, що горить. Із застосуванням методів теорії подібності побудовано оцінки коефіцієнта конвекційної тепловіддачі на зовнішній і внутрішній поверхнях покрівлі резервуара. За відсутності вітру на зовнішній поверхні має місце вільна конвекція, а при його наявності – вимушена. На внутрішній поверхні покрівлі резервуара має місці теплообмін з пароповітряною сумішшю в режимі вільної конвекції. Шляхом застосування метода скінчених різниць розв’язано рівняння теплового балансу і визначено розподіл температур по покрівлі резервуара. Показано, що нахил факелу в бік сусіднього резервуара істотно підвищує небезпеку розповсюдження пожежі. Якщо при відсутності вітру покрівля резервуара досягає температури 250 ºС через 8 хв., то при швидкості вітру 2 м/с цей час зменшується до 4,3 хв., а при 5 м/с – до 2,5 хв. У третьому розділі МОДЕЛЬ ОХОЛОДЖЕННЯ РЕЗЕРВУАРА В УМОВАХ ПОЖЕЖІ побудовано модель охолодження резервуара водою в умовах пожежі, а також проведено експериментальну перевірку моделі. Побудовано рівняння теплового балансу для стінки резервуара з нафтопродуктом при охолодженні її водою в умовах пожежі в сусідньому резервуарі. Рівняння враховує променевий теплообмін стінки з факелом, навколишнім середовищем і внутрішнім простором резервуара; конвекційний теплообмін з водною плівкою і пароповітряною сумішшю в газовому просторі резервуара. Показано, що стікаюча по стінці вода є основним чинником її охолодження. При інтенсивності подачі води 0,5÷2,0 л/(м·с) коефіцієнт конвекційного теплообміну між стінкою і водною плівкою складає 3,7÷5,2 кВт/(м2·К), що на 3 порядки перевищує коефіцієнт теплообміну з6 пароповітряною сумішшю або навколишнім повітрям. Побудовано модель нагріву водної плівки, що стікає по стінці резервуара, що нагрівається під тепловим впливом пожежі в сусідньому резервуарі. Модель спирається на припущення про сталу швидкість стікання води по стінці резервуара, яка при інтенсивності зрошення 0,5÷2,0 л/(м·с) складає 0,87÷1,5 м/с. Модель враховує конвекційний теплообмін зі стінкою резервуара і навколишнім повітрям, а також променевий теплообмін з навколишнім середовищем. Для визначення коефіцієнтів конвекційного теплообміну використано методи теорії подібності. Показано, що в усталеному режимі у вертикальному напрямку виникає градієнт температур у стінці і водній плівці. Побудовано алгоритм визначення розподілу температур в стінці резервуара і водній плівці, що стікає по ній. Алгоритм спирається на рівняння теплового балансу стінки резервуара і модель нагріву водної плівки. Для розв’язання рівняння теплового балансу стінки використовується метод скінчених різниць. Суть алгоритму полягає в послідовному обчисленні усталеного значення температури стінки і приросту температури водної плівки в точках, розташованих вздовж вертикалі на стінці резервуара з певним кроком. Алгоритм починає роботу з точки на верхньому краї стінки резервуара і закінчує у точці на рівні нафтопродукту. Проведено експериментальну перевірку моделі нагріву і охолодження стінки резервуара в умовах пожежі за допомогою зменшеної моделі. З’ясовано, що як під час нагрівання, так і під час охолодження розраховані значення температури стінки потрапляють в довірчій інтервал на, що відповідає довірчій ймовірності 0,95. У четвертому розділі РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ПОЖЕЖІ В РЕЗЕРВУАРІ З НАФТОПРОДУКТОМ розглянуто варіанти впровадження розроблених в роботі моделей і алгоритмів. Побудовано алгоритм визначення оптимальної інтенсивності подачі води на охолодження стінки резервуара. В основі наведеного алгоритму лежить метод дихотомії. За кожну ітерацію алгоритму ширина діапазону, в якому міститься оптимальне значення інтенсивності подачі води, зменшується в 2 рази. Це означає, для визначення оптимальної інтенсивності з похибкою не більше 0,001 л/(м·с), достатньо виконати 11 ітерацій, якщо ширина початкового діапазону не перевищує 2 л/(м·с). Побудовано залежності оптимальної інтенсивності подачі води на охолодження резервуара від напряму і швидкості вітру. Нахил факела вітром в бік сусіднього резервуара збільшує щільність теплового потоку до нього, що потребує більшої інтенсивності охолодження. Навпаки, коли напрям вітру є протилежним напряму на сусідній резервуар, то щільність теплового потоку зменшується. При цьому для значень швидкості вітру більше певної величини (5,5 м/с для нафти, 7,5 м/с для бензину, 6 м/с для дизельного палива) щільність теплового потоку зменшується настільки, що зникає необхідність охолодження стінок сусіднього резервуара. При перпендикулярному напрямку вітру для значень швидкості більше 8 м/с для нафти і 8,5 м/с для дизельного палива необхідності в охолодженні стінок сусіднього резервуара також немає. Обґрунтовано використання пожежного гідромонітора для охолодження резервуарів в умовах пожежі. Особливістю гідромонітора є зняття азимутальних обмежень при використанні пожежного монітора в резервуарних парках з нафтопродуктами.