Диссертация (1172857), страница 44
Текст из файла (страница 44)
использование водяной завесыпозволяет снизить значение одних опасных факторов при увеличении значенийдругих.Хотя эффективность водяных завес в предотвращении распространенияаварийныхвыбросовгорючихгазовипаровдостаточнохорошопродемонстрирована (см. упомянутые выше исследования), в то же времяотсутствует общепринятая расчетная методика оценки влияния водяных завес нараспространение парогазовых облаков. Методика, приведенная в работах [300,301], разработана только для паровых завес, в то время как практика требуетприменение завес других типов.
Решению этой задачи для водяных завеспосвящен настоящий раздел.Поставленная задача решалась путем использования компьютерного кодаFDS 6.1. Данный компьютерный код численно решает систему уравнений НавьеСтокса с учетом потока водяных капель, движущихся от поверхности земливертикально вверх. Расчетная область представляет собой прямоугольныйпараллелепипед с основанием шириной a=60 м и длиной b=80 м, высотарасчетной области составляет h=25 м. Расчетная область поделена на ячейкитаким образом, чтобы одна ячейка представляла собой куб со стороной 0,5 м.Таким образом, в расчетной области содержится 960000 ячеек.
Указанный размер350ячейки выбран из соображений минимизации времени расчета при сохраненииего удовлетворительной точности. Выбранный размер ячейки, вероятно,недостаточномалдлямоделированияпроцессов,протекающихвнепосредственной близости от источника поступления газа или пара. Однако внастоящем разделе работы стоит задача определения концентраций горючего газаили пара на расстояниях, которые превышают характерный размер ячейки. В этомслучае выбранный размер ячейки представляется адекватным решаемой задаче.При задании исходных данных в модели рассматривались следующиеслучаи поступления горючих газов и паров в окружающее пространство: а)испарение сжиженного пропана из пролива; б) истечение жидкой фазы пропана изотверстия в резервуаре; в) испарение сжиженного природного газа (СПГ) изпролива.
Указанные случаи моделируют аварии, которые имели место ранее напроизводственных объектах и для ограничения масштабов которых может бытьприменена водяная завеса. В первом случае принималось, что пропан поступает вокружающее пространство с зеркала пролива квадратной формы площадью 10 м 2с интенсивностью 0,05 кг/(м2∙с) [317]. Во втором случае предполагалось, чтопропан поступает в окружающее пространство через отверстие в резервуаре смассовой скоростью истечения 25 кг/c в сторону завесы. При этом сопределенным запасом надежности полагали, что весь истекающий пропанмгновенно испаряется, и образующиеся пары имеют температуру, равнуютемпературе кипения продукта при атмосферном давлении.
Отверстие врезервуаре (источник пропана) находилось на высоте 1 м от поверхности земли ина расстоянии 15 м от завесы. В третьем случае происходило испарение проливаСПГ из бетонного приямка площадью 10 м2. Данные по интенсивности испарениябыли взяты из работы [295]. Водяная завеса располагалась на различныхрасстояниях от места поступления горючего газа или пара. Завеса реализуется спомощью находящихся у поверхности земли форсунок, находящихся нарасстоянии 1,0 м одна от другой. Потоки воды через форсунки направленывертикально вверх. Расход воды через каждую форсунку составлял 1,0 л/с(удельный расход 1 л/(м∙с)). Перед линией форсунок по всей ее длине (если не351оговорено особо) был расположен вертикальный бортик высотой 2 м дляпредотвращения распространения горючего газа между струями воды.
Линиярасположения форсунок перпендикулярна направлению струи пропана длявторого варианта поступления горючего газа в атмосферу. Концентрации горючихгазов определялись (если не оговорено особо) перед завесой, сразу за завесой, нарасстояниях 3 и 10 м от завесы (все точки расположены на поверхности земли).Схема взаимного расположения источника поступления горючего газа, водянойзавесы и датчиков концентраций представлена в разделе 9.2 настоящей работы.Расчеты проводили при нулевой скорости ветра.В настоящем разделе работы вариант 1 (испарение сжиженного пропана) нерассчитывается, поскольку в разделе 9.2 в согласии с экспериментальнымиданными [320] показано, что при испарении жидкого пропана из пролива егоконцентрация даже без завесы и бортика в месте расположения завесы непревышает нижнего концентрационного передела распространения пламени(НКПР). Важная роль барьеров на пути распространения газового облака напримере испарения СПГ из пролива показана в работе [324].На рисунках 9.11, 9.12 представлены результаты расчетов концентрацийпропана на различных расстояниях от завесы при истечении пропана из отверстияс массовым расходом 25 кг/с (рисунок 9.11− при наличии вертикального бортика,рисунок 9.12 – без вертикального бортика).
Видно, что наличие бортикакардинальным образом влияет на концентрации пропана за завесой, что следуетиз сравнения результатов, представленных на рисунках 9.11 и 9.12. Например,максимальная по времени концентрация пропана на расстоянии 10 м от завесысоставляет 0,5% (об.) при наличии бортика и 12% (об.) при отсутствии бортика.Качественно аналогичный результат был получен и для азотной завесы в разделе9.2 настоящей работы. Причиной высоких концентраций горючего газа для случаяотсутствия вертикального бортика является проникновение пропана междуструями воды или азота непосредственно у поверхности земли, где указанныеструи не создают существенных вертикальных воздушных потоков, увлекающихпропан вверх для разбавления воздухом.352а)б)353в)г)Рисунок 9.11 – Зависимость концентраций пропана от времени на различныхрасстояниях от водяной завесы при наличии бортика: а) – перед завесой; б) –сразу за завесой; в) – на расстоянии 3 м от завесы; г) – на расстоянии 10 м отзавесы.
Расстояние от завесы до места поступления пропана 15 м354а)б)355в)г)Рисунок 9.12 – Зависимость концентраций пропана от времени на различныхрасстояниях от водяной завесы при отсутствии бортика: а) – перед завесой; б) –сразу за завесой; в) – на расстоянии 3 м от завесы; г) – на расстоянии 10 м отзавесы. Расстояние от завесы до места поступления пропана 15 м356На рисунке 9.13 представлены данные по концентрации паров СПГ прииспарении продукта из пролива, расположенного на расстоянии 10 м от водянойзавесы при отсутствии бортика. Видно, что если непосредственно перед завесойконцентрация метана может достигать 12 % (об.), то непосредственно за завесой сбортиком эта концентрация не превышает 0,35 % (об.), т.е.
эффективность завесывесьма высока (снижение концентраций более чем в 30 раз). Были такжепроведены расчеты для случая расположения пролива СПГ на расстоянии 20 м отзавесы. В этом случае концентрация метана непосредственно перед завесойсоставляет около 1 % (об.), что близко к 20 % от НКПР. В этом случае наличиезавесы представляется излишним.а)357б)в)358г)Рисунок 9.13 – Зависимость концентраций паров СПГ от времени на различныхрасстояниях от водяной завесы при отсутствии бортика: а) – перед завесой; б) –сразу за завесой; в) – на расстоянии 3 м от завесы; г) – на расстоянии 10 м отзавесы. Расстояние от завесы до места поступления СПГ 10 мБыл исследован также случай, когда завеса расположена на расстоянии 2 мот пролива СПГ с наличием бортика на расстоянии 1 м от пролива.
Результатыкачественно совпадают со случаем, когда завеса с бортиком расположены нарасстоянии 10 м от пролива, за исключением того, что концентрация паров СПГнепосредственно перед завесой может достигать 40–50 % (об.) в отличие отслучая на рисунке 9.9, где указанная концентрация не превышает 12 % (об.)Интересно проследить динамику концентраций паров СПГ при испарениииз пролива площадью 10 м2 при отсутствии каких-либо мер защиты отраспространения облака (отсутствие как бортика, так и завесы).
Качественновременные зависимости концентраций метана на различных расстояниях от места359пролива аналогичны приведенным в работе [51] для более крупных проливовСПГ.УказанныераспространяющихсявременныепиковзависимостиконцентрацийхарактеризуютсяпаровСПГ.наличиемЗависимостьмаксимальных значений концентраций метана в этих пиках Cmax от расстояния отместа пролива r показана на рисунке 9.14. Видно заметное падение концентрацийпаров СПГ с расстоянием, однако не видно никаких резких изменений этихконцентраций, которые наблюдаются при наличии бортика и завесы (см. рисунок9.13).Рисунок 9.14 – Зависимость максимальной по времени концентрации паров СПГСmax от расстояния до места пролива продукта r без завесы и бортикаНа рисунке 9.15 представлена динамика концентраций паров СПГ прирасположении завесы на расстоянии 2 м от пролива СПГ при отсутствии бортика.Обращает на себя внимание существенная разница в концентрациях метана до и360после завесы: до завесы максимальная концентрация метана может достигать50 % (об.) (рисунок 9.15 б)), в то время как непосредственно за завесой этаконцентрация не превышает 1 % (об.).
Этот результат существенно отличается отполученного для струи пропана (рисунок 9.12), когда завеса не оказываетзаметного влияния на распространение паров горючего газа. Причина этого, повидимому, состоит в существенной разнице плотностей паров пропана и паровСПГ (даже в холодном состоянии, поскольку происходит нагрев этих паров присмешении с воздухом). Более легкие пары смеси метана с воздухом легчеувлекаются завесой вверх с дальнейшим разбавлением теплым воздухом вотличие от тяжелых паров пропана, проникающих вблизи поверхности землимежду струями воды.а)361б)в)362г)Рисунок 9.15 – Зависимость концентраций паров СПГ от времени на различныхрасстояниях от водяной завесы при отсутствии бортика: а) – перед завесой; б) –сразу за завесой; в) – на расстоянии 3 м от завесы; г) – на расстоянии 10 м отзавесы.
Расстояние от завесы до пролива СПГ 2 мБыли выполнены расчеты динамики концентраций паров СПГ прирасположении бортика без завесы на расстоянии 2 м от пролива СПГ. При этомоказалось, что за бортиком концентрация паров не превышает 0,1 % (об.), в товремя как перед бортиком эта концентрация достигает 50 – 60 % (об.).Сравнение этих результатов с данными, представленными на рисунках 9.13,9.15, когда функционирует только завеса, показывает, что бортик оказываетсяболее эффективным по сравнению со случаем наличия только завесы.Так, концентрация паров СПГ может достигать 0,35% (об.) и 0,8% (об.)сразу же за завесой (рисунок 9.13 б)).363Для сравнения были проведены расчеты азотной завесы на распространениепаров СПГ. Методика расчетов описана в разделе 9.2. Интенсивность расходаазота через единичную форсунку составляла 0,1 кг/с. Расположение форсунокбыло таким же, как и в случае водяных завес.
Результаты расчетов представленына рисунке 9.16.Видно, что наличие завесы приводит к падению концентраций паров СПГ в2-3 раза, в то время как для водяной завесы указанная концентрация падает в 2030 раз. Это говорит о существенно более высокой эффективности водяной завесыпо сравнению с газовой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
