Анализ индивидуального риска событий узла пиролиза этановой фракции

1. Описание анализируемого опасного производственного объекта

1.1 Характеристика процесса

Процесс пиролиза (высокотемпературного распада) этановой фракции осуществляется в четырехпоточных трубчатых радиантно-конвекционных печах и предназначен для получения пирогаза, который дальше поступает на газоразделение и из которого в конечном счете выделяется этилен – основное сырье для тяжелого органического синтеза.

Данный процесс является взрыво- и пожароопасным. Взрыво- и пожароопасность связана с применением легко воспламеняющихся и взрывоопасных газов и жидкостей, образующих с воздухом взрывоопасные смеси. Кроме того при содержании газов и паров жидкостей в воздухе выше предельно-допустимых норм они оказывают вредное воздействие на организм человека и могут вызвать отравление. Также в цехе имеются различные по назначению и конструкции аппараты, работающие под большим давлением и высокой температурой

В связи с этим все оборудование, участвующее в технологическом процессе, представляет опасность и оценивается по показателям риска.

Оценка степени риска рассматриваемого объекта включает прогноз частоты аварийных ситуаций на узле пиролиза и оценку возможных потерь газа.

По полученным показателям риска планируются мероприятия по улучшению технологического состояния, обслуживания, диагностики и ремонта проектируемых сооружений анализируемого объекта.

1.2 Классификация объектов по взрывоопасности и санитарной характеристике

Согласно НПБ 107-97 по пожарной опасности установка относится к категории Ан, поскольку в ней перерабатываются горючие газы с температурой вспышки менее 28 ^оС.

Класс взрывоопасной зоны по ПУЭ-98 – ВI-г (пространства у наружных технологических установок, содержащих горючие газы или ЛВЖ).

1.3 Основные физико-химические, токсические, взрывоопасные свойства веществ, обращающихся в технологическом процессе

Таблица 1.1 – Компонентный состав сырья – этановой фракции

Таблица 1.2 – Компонентный состав пирогаза

1.4 Технологическая схема работы узла пиролиза этановой фракции

Процесс пиролиза этановой фракции осуществляется в четырехпоточных печах, укомплектованных акустическими горелками типа АГГ с вертикальными радиантными змеевиками.

Этановая фракция с температурой окружающей среды и давлением 10-20 кгс/см² поступает по трубопроводу диаметром 200 мм в подогреватель Т-1а, где подогревается до температуры не более 80ºC водяным паром 7,0 кгс/см² конденсат пара после которого поступает в деаэраторную колонну К-3.

Этановая фракция, выходящая из аппарата Т-1а дросселируется через регулирующий клапан поз.1017 до (6,5-8,5) кгс/см² поступает в аппараты К-1, где происходит отделение механических примесей и жидких продуктов от этана.

Далее этан и этан-сырье поступает четырьмя потоками в змеевики предварительного нагрева конвекционной части, состоящие из 3-х труб каждый, где нагревается до температуры ~ 209°C. Для уменьшения коксообразования и снижения парциального давления углеводородных паров в змеевик конвекционной части, после секций предварительного нагрева этановой фракции, подается пар разбавления в количестве (30-40)% от подаваемого этана с температурой ~ 195°C и давлением 7,0 кгс/см².

Таблица 1.3 - Основные физико-химические, токсические, взрывоопасные свойства веществ, обращающихся в технологическом процессе

Газообразная смесь пара и этана с температурой ~ 203°C нагревается в (5-10)-м рядах четырехпоточного горизонтального змеевика конвекционной секции и с температурой ~ 639°C поступает в вертикальный четырехпоточный змеевик секции радиации, где происходит пиролиз этановой фракции при температуре (800-835)°C.

Пирогаз с давлением на выходе из печи 1-1,2 кгс/см² и с температурой до 835°C объединяется на печи П-1 из всех потоков в один и поступает в трубное пространство закалочно-испарительного аппарата (ЗИА) первой ступени, а потом в ЗИА второй ступени, расположенных вертикально и конструктивно связанных по межтрубному пространству с сепаратором-паросборником Е-4. В ЗИА в трубном пространстве происходит охлаждение пирогаза до температуры (295-430)ºC с помощью питательной воды подаваемой в межтрубное пространство.

Питательная вода для охлаждения пирогаза в ЗИА подается насосом Н-1 в змеевик предварительного нагрева конвекционной части печей пиролиза, где нагревается от 105ºC до 182ºC.

Далее питательная вода из печи П-1 подается через паросборник Е-4 в межтрубное пространство ЗИА.

На печах пиролиза П-1 образовавшийся насыщенный пар 30 кгс/см² из Е-4 подается в пароперегреватель конвекционной части печей, где нагревается до 240ºC, далее нагретый пар 30 кгс/см² (3,0 МПа) подается двумя потоками в коллектор пара 30 кгс/см² (3,0 МПа) цеха.

С целью удаления солей и других отложений схемой предусмотрены периодическая продувка с закалочно-испарительных аппаратов Т-2 и непрерывная продувка с паросборников Е-4.

В качестве топливного газа для печей используется метано-водородная фракция, поступающая из цехов газоразделения. При необходимости топливная сеть общества подпитывается этаном или природным газом, поступающим из ГРС-2 через ГРП.

2 Исходные данные для анализа риска

пиролиз этановая фракция риск

При анализе риска аварий на анализируемом объекте использовались:

· Краткое описание технологической схемы работы узла пиролиза этановой фракции, см. раздел 1.4;

· Перечень основного технологического оборудования и количество опасного вещества, содержащегося в нем, см. таблицу 1.4.

Основные причины разрушения технологического оборудования

Основные причины аварий на напорных нефтепроводах

Перечень основного технологического оборудования и условия содержания в нем опасного вещества

КАТЕГОРИРОВАНИЕ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Определение категорий наружных установок следует осуществлять путем последовательной проверки их принадлежности к категориям от высшей (А_н) к низшей (Д_н), таким образом наружная установка гидроочистки керосиновой фракции относится к категории А_н.

Категория наружной установки

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЗНАЧЕНИЙ КРИТЕРИЕВ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ НАРУЖНЫХ УСТАНОВОК

Выбор и обоснование расчетного варианта

В качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором в образовании горючих газопаровоздушных смесей участвует наибольшее количество газов и паров.

Количество поступивших веществ, которые могут образовывать горючие газовоздушные или паровоздушные смеси, определили, исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного из аппаратов;

Расчетное время отключения трубопроводов - 300 с при ручном отключении.

б) все содержимое аппарата поступает в окружающее пространство;

в) длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.

2.1 Расчет избыточного давления и импульса волны давления при сгорании смесей горючих газов и паров с воздухом в открытом пространстве

Масса газа m, кг, поступившего в окружающее пространство при расчетной аварии, определяется по формуле

m = (V_a+V_т)·p_г,

где Va - объем газа, вышедшего из аппарата, м³; Vт - объем газа вышедшего из трубопровода, м³; p_г - плотность газа, кг×м^-3.

где М — молярная масса, 21,8 кг/кмоль;

v₀— мольный объем, равный 22,413 м³/кмоль;

t_р — расчетная температура, 800°С.

При этом

для печи V_a= Р₁·V= 0,31∙45,8 = 14,2

для ЗИА V_a= 0,2·2,6 = 0,52

для пенного аппарата V_a= 0,1·185 = 18,5

для циклонного промывателя V_a= 0,1·64 = 6,4

где Р₁ - давление в аппарате, МПа; V -объем аппарата, м³;

V_т=V_1т+V_2т, м³

где V_1т - объем газа, вышедшего из трубопровода до его отключения, м³;

V_2т - объем газа, вышедшего из трубопровода после его отключения, м³;

V_1т= q×Т=3,4∙10^-3∙300=1,02

где q - расход газа, определяемый в соответствии с технологическим регламентом в зависимости от давления в трубопроводе, его диаметра, температуры газовой среды и т.д., 3,4∙10^-3 м³×с^-1; Т - 300 с при ручном отключении;

V_2т=π∙Р₂∙r²∙L, м³

для печи V_2т = 3,14·0,5·0,14²·50 = 1,54

для ЗИА V_2т = 3,14·0,3·0,14²·50 = 0,92

для пенного аппарата V_2т = 3,14·0,2·0,14²·50 = 0,62

для циклонного промывателя V_2т = 3,14·0,2·0,14²·50 = 0,62

где Р₂ - максимальное давление в трубопроводе по технологическому регламенту, кПа; r - внутренний радиус трубопроводов, м; L - длина трубопроводов от аварийного аппарата до задвижек, м.

для печи V_т=1,02+1,54 = 2,56 м³

для ЗИА V_т=1,02+0,92 = 1,94 м³

для пенного аппарата V_т=1,02+0,62 = 1,64 м³

для циклонного промывателя V_т=1,02+0,62 = 1,64 м³

для печиm= (14,2+2,56)∙0,247 = 4,14 кг

для ЗИА т = (0,52+1,94)·0,247 = 0,61 кг

для пенного аппарата т = (18,5+1,64)·0,247 = 4,97 кг

для циклонного промывателя т = (6,4+1,64)·0,247 = 1,99 кг

2.2 Расчет избыточного давления и импульса волны давления при сгорании горючих газов и паров с воздухом в открытом пространстве

Величину избыточного давления DР, кПа, развиваемого при сгорании газопаровоздушных смесей, определяют по формуле

DР=Р₀×(0,8m_пр^0,33/r+3m_пр^0,66/r ²+5m_пр/r ³),

где Р₀ - атмосферное давление, (101) кПа ; r- расстояние от геометрического центра газопаровоздушного облака, на расстоянии 500 м; m_пр - приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле

m_пр=(Q_сг/Q₀)×m×Z, кг

для печи т_пр = (43692/4,52·10³)·4,14·0,1 = 4,0

для ЗИА т_пр = (43692/4,52·10³)·0,61·0,1 = 0,59

для пенного аппарата т_пр = (43692/4,52·10³)·4,97·0,1 = 4,8

для циклонного промывателя т_пр = (43692/4,52·10³)·1,99·0,1 = 1,92

где Q_сг - удельная теплота сгорания газа или пара, Дж×кг^-1; Z- коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который допускается принимать равным 0,1; Q₀ - константа, равная 4,52×10⁶ Дж×кг^-1; m - масса горючих газов и (или) паров, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг.

для печи DР=101×(0,8×4,0^0,33/500+3×4,0^0,66/500²+5×4,0/500³) = 0,26 кПа

для ЗИА DР = 101×(0,8×0,59^0,33/500+3×0,59^0,66/500²+5×0,59/500³) = 0,14 кПа

для пенного аппарата DР = 101×(0,8×4,8^0,33/500+3×4,8^0,66/500²+5×4,8/500³) = 0,27 кПа

для циклонного промывателя DР = 101×(0,8×1,92^0,33/500+3×1,92^0,66/500²+5×1,92/500³) = 0,20 кПа

Величину импульса волны давления i, вычисляют по формуле

i=123×m_пр^0,66/r, Па·с

для печи i = 123×4,0^0,66/500 = 0,61 Па×с

для ЗИАi = 123×0,59^0,66/500 = 0,17 Па×с

для пенного аппарата i = 123×4,8^0,66/500 = 0,69 Па×с

для циклонного промывателя i = 123×1,92^0,66/500 = 0,38 Па×с

2.3 Метод расчета интенсивности теплового излучения

Интенсивность теплового излучения рассчитывают для двух случаев пожара:

- пожар проливов ЛВЖ, ГЖ или горение твердых горючих материалов;

- “огненный шар” - крупномасштабное диффузионное горение, реализуемое при разрыве резервуара с горючей жидкостью или газом под давлением с воспламенением содержимого резервуара.

Так как, в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии, рассчитаем “огненный шар”.

Интенсивность теплового излучения q, кВт×м^-2, для пожара пролива жидкости или при горении твердых материалов вычисляют по формуле

q= Е_f·F_q×t,

Допускается принимать Е_f равным 40 кВт×м^-2.

Значение F_q вычисляют по формуле

где Н - высота центра “огненного шара”, м; D_s - эффективный диаметр “огненного шара”, м; r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром “огненного шара”, 500 м.

Эффективный диаметр “огненного шара” D_s определяют по формуле

D_s=5,33m^0,327, м

где m - масса горючего вещества, кг

для печи D_s =5,33∙4,0^0,327 = 8,39 м

для ЗИА D_s =5,33∙0,59^0,327 = 4,49 м

для пенного аппарата D_s =5,33∙4,8^0,327 = 8,90 м

для циклонного промывателя D_s =5,33∙1,92^0,327 = 6,60 м

Допускается принимать величину Н равной D_s/2, м.

для печи Fq=1.81*10^-6

для ЗИА Fq=1.81*10^-7

для пенного аппарата Fq=1.41*10^-6

для циклонного промывателя Fq=5.75*10^-7

Время существования “огненного шара” t_s , с, определяют по формуле

t_s=0,92m^0,303=0,92∙4,0^0,303=1,4

Коэффициент пропускания атмосферы t рассчитывают по формуле

для печи =0.707

для ЗИА =0.706

для пенного аппарата =0.707

для циклонного промывателя =0.706

Интенсивность теплового излучения q, кВт×м^-2

для печи q= 40∙1.81*10^-6×0,707 = 5.12*10^-5 кВт×м^-2

для ЗИА q= 40∙1.81*10^-7×0,706 = 5.11*10^-6 кВт×м^-2

для пенного аппарата q= 40∙1.41*10^-7×0,707 = 3.99*10^-6 кВт×м^-2

для циклонного промывателя q=40∙5.75*10^-7×0.706=1.62*10^-5 кВт×м^-2

2.4 Оценка индивидуального риска

Настоящий метод предназначен для расчета величины индивидуального риска (далее по тексту - риска) на наружных установках при возникновении таких поражающих факторов, как избыточное давление, развиваемое при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей, и тепловое излучение при сгорании веществ и материалов.

Величину индивидуального риска при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей рассчитывают по формуле

,

В формуле допускается учитывать только одну наиболее неблагоприятную аварию, величина для которой принимается равной годовой частоте возникновения пожара на наружной установке по нормативным документам, утвержденным в установленном порядке, 1/год, а значение - условная вероятность поражения человека, находящегося на заданном расстоянии от наружной установки, избыточным давлением при реализации.

1 Условную вероятность поражения человека избыточным давлением при сгорании газо-, паро- или пылевоздушных смесей на расстоянии от эпицентра определяют следующим образом:

Исходя из значений и , вычисляют величину "пробит"-функции по формуле

для печиV=3,595*10⁴⁰

для ЗИА V=6,517*10⁴²

для пенного аппаратаV=2,619*10⁴⁰

для циклонного промывателяV=3,257*10⁴¹

где - избыточное давление, Па; - импульс волны давления, Па·с.

для реактора = 5 – 0,26*ln(3,595*10⁴⁰) = -19,28

для сепаратора = 5 – 0,26*ln(6,517*10⁴²) = -20,632

для печи = 5 – 0,26*ln(2,619*10⁴⁰) = -19,197

для колонны = 5 – 0,26*ln(3,257*10⁴¹) = -19,853

С помощью таблицы 3 определяют условную вероятность поражения человека. Например, при значении =3,45 значение = 6%=0,06, а при =8,09 значение =99,9% =0,999.

Таблица 3 - Значения условной вероятности поражения человека в зависимости от величины

Индивидуальный риск = 0