 |
Пожары нефтепродуктов в резервуарах
|
|
|
|
Горение над зеркалом нефтепродукта представляет собой горение струи его пара в воздухе, поддерживаемое непрерывным испарением. Причем, скорость испарения определяется мощностью теплового потока от пламени к жидкости. В связи с сильными и непрерывными турбулентными флуктуациями пламени весьма сложным оказывается вопрос о физике горения, геометрических размерах и термических характеристиках пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах.
Образование турбулентного пламени паров жидкости, горящих со свободной поверхности, происходит в условиях естественной конвекции, когда скорость воздуха и пара вблизи поверхности нефтепродукта малы и не превышают нескольких сантиметров с секунду. Турбулизация в этом случае происходит вследствие большого диаметра зеркала жидкости. Для такого пламени характерны масштабные пульсации, хорошо видимые при простом наблюдении.
В безветренную погоду наблюдаются упорядоченные колебания всего фронта пламени, при которых факел периодически увеличивается и опадает. Это своеобразное явление связано с условиями образования паровоздушной смеси при естественной конвекции.
Для оценки приближенного значения скорости выгорания нефтепродуктов при пожарах в резервуарах можно использовать эмпирическую формулу, которую легко получить из уравнения теплового баланса. Не делая предположений относительно механизма теплообмена между факелом пламени и поверхностью горящего нефтепродукта, можно считать, что доля тепла, поступающего от факела, пропорциональна тепловыделению в зоне горения.
Тогда скорость выгорания нефтепродукта может быть вычислена по формуле (1):
, (1)
|
|
|
где Vc - удельная массовая скорость выгорания нефтепродукта в резервуаре, кг/м2-с,
ρ - плотность нефтепродукта, кг/м3;
Q г - теплота сгорания жидкости, Дж/кг,
Тп - температура поверхности горящей жидкости, К,
Т0 - температура нефтепродукта в глубине резервуара, К,
Ср - удельная теплоемкость нефтепродукта, Дж/кг*К,
Q и - теплота испарения нефтепродукта, Дж/кг,
α - коэффициент пропорциональности, м/с.
Обработка многочисленных экспериментальных данных показала, что формула (1) соответствует реальным значениям скорости выгорания подавляющего большинства нефтепродуктов как индивидуальных, так и в смесях. При этом было установлено, что численное значение коэффициента α не зависит от свойств горящей жидкости и равно 1,25-6 м/с.
При горении нефтепродукта в резервуаре уровень поверхности жидкости постоянно снижается. Вследствие этого уменьшается приток тепла от пламени к поверхности жидкости, что, в свою очередь, вызывает снижение скорости выгорания нефтепродукта, пока не наступит критическое положение уровня жидкости, при котором произойдет самотушение.
Критическое расстояние h к от верхней кромки борта резервуара до поверхности горящего нефтепродукта зависит от диаметра резервуара (2):
, (2)
где d - диаметр резервуара.
Для больших резервуаров зависимость скорости сгорания от высоты свободного борта практической роли не играет, так как высота стандартных резервуаров всегда значительно меньше критической, определяемой на основании (2).
Температура на поверхности сложных по составу жидкостей всегда выше начала температуры кипения, что объясняется изменением фракционного состава жидкости во время горения. Опыт показывает, что температура неодинакова в разных точках поверхности горящей жидкости. Вблизи стенок резервуара температура выше, чем в центре. Неравномерность распределения температуры связана с влиянием стенок резервуара, температура которых всегда выше температуры горящего нефтепродукта.
|
|
|
Характер распределения температуры по глубине топлива при горении бензина и керосина резко отличается. Если температура в керосине плавно и постепенно снижается по мере удаления от поверхности (первый тип распределения), то в бензине имеется слой определенной толщины, температура которого одинакова во всех точках и резко падает за нижней границей этого слоя (второй тип распределения).
Установлено, что первый тип распределения характерен для керосина, дизельного топлива, трансформаторного масло и т.д. распределение второго типа возникает при горении нефти, бензина, мазута.
Процесс образования прогретого слоя можно представить следующим образом. Во время горения нагреваются стенки резервуара и прилегающая к ним жидкость. Если температура стенки выше температуры кипения жидкости, последняя закипает. Кипение усиливает конвективные потоки, распространяющие тепло в глубь жидкости, что приводит к прогреву части стенки резервуара, которая прилегает к нижней границе прогретого слоя. В этом месте начинается кипение, которое ведет к дальнейшему увеличению прогретого слоя и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока потери тепла через стенки резервуара в окружающую среду не станут превышать подвод тепла со стороны пламени, после чего процесс увеличения прогретого слоя нефтепродукта прекращается.
Таким образом, с увеличением диаметра резервуара следует ожидать уменьшения скорости прогревания бензина, так как уменьшается отношение площади стенки резервуара к объему находящейся в нем жидкости и, следовательно, увеличиваются затраты тепла на нагревание и образование конвективных потоков в жидкости, прилегающей к стенке.
Анализ условий горения бензина в резервуарах диаметром 5,3 м. и 8,6 м. показал, что образование прогретого слоя в бензине не наблюдается при горении в резервуарах, диаметр которых превышает 5 м. Аналогично происходит прогревание слоя при горении нефти и других жидкостей с низкой температурой кипения.
Особенностью прогревания нефти является наличие в ней влаги. Если в нефти содержится много влаги, то она может прогреваться даже в том случае, если температура кипения ее сравнительно высока. Это объясняется тем, что вода резко снижает точку кипения жидкости. Вода, находящаяся в нефти в виде капель, при определенных условиях закипает, что способствует формированию интенсивных конвективных потоков. Аналогичное явление наблюдается и при горении мазута, который кроме содержания влаги при горении выделяет на поверхностном слое коксовый остаток, разогретый до высоких температур. Этот остаток, опускаясь вниз, нагревает нижние слои мазута.
|
|
|
При длительном горении в резервуарах нефть и мазут иногда внезапно вскипают, и горящая жидкость выбрасывается на большие расстояния, что создает дополнительную угрозу распространения пожара и поражения людей. Изучению этого явления было посвящено много исследований. В частности было установлено, что вскипания и выбросы нефти и мазута связаны с наличием влаги в жидкости и на дне резервуара. Кроме того, они обусловлены особым характером прогревания сырой нефти и влагонасыщенного мазута. Например, воду, тщательно очищенную от воздуха, можно нагреть, не вызывая кипения, почти до 200°С. Жидкость при этом будет находиться в нестабильном перегретом состоянии и достаточно ввести небольшое количество какой-либо механической примеси, как произойдет бурное закипание, которое может иметь характер взрыва.
Аналогичное явление происходит при горении сырой нефти и нефтепродуктов, способных к вскипанию. Нефть при горении прогревается внутрь с образованием увеличивающегося во времени прогретого слоя. Температура в прогретом слое около 300°С. Через некоторое время прогретый слой нефти достигнет подстилающего водяного слоя. Если на границе нефть - вода, а также внутри слоя воды не окажется достаточного количества центров парообразования, вода может прогреваться до температуры, значительно превышающей температуру кипения. Прогрев воды будет продолжаться до тех пор, пока внутри слоя воды не возникнут самопроизвольно зародыши паровой фазы. В этот момент произойдет бурное вскипание воды с выделением большого количества водяного пара, который выбросит находящуюся над водой горящую нефть наружу. Вскипание происходит, как правило, гораздо раньше выброса нефти, и в настоящее время нет устойчивых методик, позволяющих определить момент вскипания, который зависит от сорта и влажности нефти.
|
|
|
Опыты показывают, что нефть, содержащая 1% влаги, вскипает через 45 - 60 мин. Если уровень нефти в резервуаре высок, вскипание с переливом периодически будет повторяться. Основным признаком начала вскипания является увеличение размеров факела пламени. В некоторых случаях перед началом вскипания возникает сильный шум. В связи с тем, что эффективных мер предупреждения вскипания пока нет, большое значение приобретает оперативность при тушении таких пожаров. Необходимо также иметь в виду, что вскипание может происходить при подаче воды или пены на поверхность горящей нефти.
Следует заметить, что третья часть аварий с разрушением резервуаров хранения нефтепродуктов сопровождается выходом (разливом) нефтепродуктов за пределы резервуарных парков.
Наиболее опасной аварией в процессе хранения и транспортировки нефтепродуктов является взрыв паровоздушной смеси, т.е. смеси паров нефтепродукта с воздухом. Взрывоопасная смесь паров нефтепродукта с воздухом может образоваться как внутри резервуара, так и в открытом пространстве около резервуара. В последнем случае сформированное облако при определенных метеоусловиях способно мигрировать и взрываться (воспламеняться) через некоторое время после образования.
Условием возгорания (взрыва) является формирование паровоздушной смеси, концентрация которой достаточна для горения или взрыва при наличии стороннего источника энергии или при повышении температуры смеси до значений, превосходящих температуру ее самовоспламенения.
Методы оценки последствий взрывного горения газопаровоздушных смесей подробно изложены в руководящих документах, например, ГОСТ Р 12.3.047-98, НПБ 105-03, РД 03-409-01.
К основным причинам образования паровоздушных смесей можно отнести:
. Неисправность дыхательных клапанов в процессе «большого» или «малого» дыхания резервуара.
. Нарушение технологии зачистки корпуса резервуара.
. Повышение внешней температуры резервуара, например, вследствие стороннего пожара.
Таким образом, в случае формирования облака паровоздушной смеси и при наличии источника энергии, достаточной для его воспламенения, возможны следующие типичные исходы:
. Детонационный взрыв облака паровоздушной смеси в атмосфере.
|
|
|
. Дефлаграционное взрывное горение облака в атмосфере.
. Пожар разлития нефтепродуктов («горящая лужа»);.
. Взрыв типа «BLEVE», т.е взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости в резервуаре.
В результате реализации перечисленных выше событий формируются поражающие факторы, основными среди которых являются следующие:
. При взрыве облака в атмосфере наблюдается воздушная ударная волна, характеризуемая избыточным давлением во фронте, длительностью фазы сжатия, длительностью фазы разряжения и импульсом фазы сжатия и тепловое излучение.
. При дефлаграционном горении облака в атмосфере формируются те же поражающие факторы, но с более низкими показателями взрывных параметров и более высокими значениями факторов теплового воздействия.
Пожар разлития характеризуется выделением большого количества тепла, способного вызывать не только поражение людей, но и воспламенение соседних объектов, в том числе резервуаров с нефтепродуктами, что может сопровождаться взрывом.
В таблице 1 приведены значения «критической» интенсивности облучения сосудов с нефтепродуктами, температура самовоспламенения которых не превышает 235°С при степени черноты резервуара 0.35.
Таблица 1. Критические параметры теплового облучения резервуаров с нефтепродуктами, при достижении которых может произойти их взрыв.
| Время действия тепла, мин | 5 | 10 | 15 | 20 | 29 | >30 |
| «Критическая» интенсивность теплового потока, кВт/м | 34.9 | 27.6 | 24.8 | 21.4 | 19.9 | 19.5 |
Взрыв типа «BLEVE» характеризуется образованием воздушной ударной волны с перечисленными выше поражающими факторами, тепловой энергии в виде «огненного шара» и осколков разрушенной части конструкции резервуара, имеющих большую кинетическую энергию и сохраняющих поражающее действие на расстояниях до нескольких сотен метров.
Анализ данных по 130 аварийным взрывам типа «BLEVE» показывает, что в 89 случаях (68%) наблюдался и «огненный шар» и разлет осколков, в 23 случаях (18%) - только «огненный шар», а в 17 случаях (13%) - только разлет осколков. Сформировавшееся при испарении паровоздушное облако способно воспламениться при наличии стороннего источника энергии. Смесь может содержаться в виде облака в атмосфере и в замкнутом объеме сосуда. Под возгоранием паровоздушной смеси далее понимается как взрывное, так и диффузионное его горение.
Как было сказано выше, энергия, запасенная в паровоздушной смеси, состоит из двух основных компонент: энергия адиабатического расширения сосуда, если смесь находится в герметичном резервуаре, и энергия химической реакции горючего вещества с окислителем с выделением тепла (теплового превращения состава смеси).
Суммарная энергия, запасенная в паровоздушной смеси облака (в заряде) при возгорании в общем случае расходуется на: энергию воздушной ударной волны, кинетическую энергию осколков, тепловую энергию и энергию сейсмических колебаний грунта. Энергией, расходуемой на сейсмические колебания, при наземных и воздушных взрывах, как правило, пренебрегают, поскольку эта энергия составляет доли процента от общей энергии заряда. пожар нефтепродукт топливо резервуар
|
|
|
