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 о
С.
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
| Компонент | Формула | Концентрация массовая, % |
| Метан | СН4
|
1,978 |
| Этан | С2
Н6 |
95,0 |
| Пропан | С3
Н8 |
3,0 |
| Сероводород | Н2
S |
0,02 |
| Диоксид углерода | СО2
|
0,002 |
Таблица 1.2 – Компонентный состав пирогаза
| Компонент | Формула | Концентрация массовая, % |
| Газ: | 71,45 | |
| Водород | Н2
|
2,71 |
| Метан | СН4
|
3,63 |
| Этилен | С2
Н4 |
38,02 |
| Этан | С2
Н6 |
24,63 |
| Ацетилен | С2
Н2 |
0,032 |
| Пропилен | С3
Н6 |
1,5 |
| Пропан | С3
Н8 |
0,23 |
| Бутадиен | С4
Н6 |
0,23 |
| Бутилен | С4
Н8 |
0,082 |
| Бутан | С4
Н10 |
0,14 |
| Пентен | С5
Н10 |
0,13 |
| Бензол | С6
Н6 |
0,04 |
| Оксид углерода | СО | 0,06 |
| Диоксид углерода | СО2
|
0,014 |
| Сероводород | Н2
S |
0,002 |
| Водяной пар | Н2
О |
28,55 |
| Итого | 100,00 |
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
| № п/п | Наименование вещества | Агрегатное состояние | Пределы воспламенения в смеси с воздухом, % об. | Температура, О
С |
ПДК мг/м3
|
Класс опасности | Характер воздействия на человека | ||
| Нижний | Верхний | вспышки | самовоспл. | ||||||
| 1 | Метан | газ | 5,28 | 14,1 | -187,69 | 537 | 300 | 4 | Наркотическое и токсическое вещество. Действует на слизистые оболочки |
| 2 | Этан | газ | 3,3 | 12,5 | - | 515 | 300 | 4 | |
| 3 | Пропан | газ | 2,3 | 9,4 | -96 | 466 | 300 | 4 | |
| 4 | Водород | газ | 4,12 | 75 | -40 | 510 | 4 | ||
| 5 | Этилен | газ | 2,8 | 36,35 | - | 427 | 100 | 4 | |
| 6 | Пропилен | газ | 2,3 | 11,1 | - | 410 | 100 | 4 | |
| 7 | Бутан | газ | 1,8 | 9,1 | -69 | 405 | 300 | 4 | |
| 8 | Бутилен | газ | 1,6 | 10,6 | - | 384 | 100 | 4 | |
| 9 | Ацетилен | газ | 2,3 | 82 | - | 335 | 4 | ||
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
| Причины разрушения | Относительное количество(%) |
Механические разрушения в результате гидроиспытаний, дефектов сварного шва, Концентраций напряжений в зоне упорного уголка, при осадках основания фундамента и др. |
46,2 |
| Хрупкие разрушения при низких температурах | 15,4 |
| Воздействие взрывной волны | 15,4 |
| Коррозия | 10,8 |
| Воздействие высоких температур при пожаре | 7,7 |
| Землетрясение | 3,0 |
| Диверсионный акт | 1,5 |
Основные причины аварий на напорных нефтепроводах
| Причины разрушения | Относительное количество(%) |
| Механические разрушения при постороннем воздействии | 16 |
| Разгерметизация в режиме промышленной эксплуатации | 20 |
| Несанкционированная врезка | 28 |
| Коррозионное разрушение металла | 14 |
| Разрушение вследствие некачественного проведения ремонтных работ, нарушения техники безопасности, ошибочных действий персонала | 22 |
Перечень основного технологического оборудования и условия содержания в нем опасного вещества
Условное обозначение оборудования |
Наименование технологического оборудования |
Кол-во единиц оборудования |
Техническая характеристика | Коэффициент заполнения аппарата, Ψ |
Количество опасного вещества в оборудовании, т |
Агрегатное состояние опасного вещества, образующегося в оборудовании |
| Узел пиролиза | ||||||
| П – 1 | Печь пиролиза | 6 шт | Четырехпоточная с акустическими горелками типа АГГ-3 по 24 шт. на каждой печи. Производительность по сырью – 8 т/час Давление сырья: на входе – 3,1 кгс/см2
на выходе – 1,2 кгс/см2
Температура сырья: на входе в печь - 45°C; Температура пирогаза на выходе из печи - 825°C; Длина – 14370 мм; Ширина – 4143 мм; Высота – 16000 мм; Поверхность теплообмена: А) радиантной камеры – 123,52 м2
Б) конвекционной камеры – 142,86 м2
|
1,0 | 8 | Газ Р = 0,31 МПа; t = 800 о
|
| Узел закалки пирогаза | ||||||
| Т-2 | Закалочно- испарительный аппарат | 12 шт | Теплообменник кожухотрубный, наклонный Трубное пространство: Среда – пирогаз Давление рабочее – 1,5 кгс/см2
Давление расч. – 2,5 кгс/см2
Рабочая температура на входе 650°C на выходе - 420°C Объем – 0,35 м3
Трубки – 38 х 3,5 мм Длина трубок – 3500 мм Количество – 127 шт. Межтрубное пространство: Среда – питательная вода Давление рабочее – 34 кгс/см2
Давление расч. – 39 кгс/см2
На выходе рабочая температура воды - 240°C Объем – 2,6 м3
Диаметр аппарата – 800 мм Поверхность теплообмена – 51 м2
Длина – 5920 мм |
1,0 | 0,35 | Газ Р = 0,2 МПа; t = 500 о
|
| Узел водной промывки пирогаза | ||||||
| К -5 | Пенный аппарат | 1 шт | Вертикальный цилиндрический аппарат. В нижней части смонтирована насадка из уголков. В верхней части установлены ситчатые тарелки. Количество тарелок – 6. Давление: расчетное – 3 кгс/см2
рабочее – (0,8-1,0) кгс/см2
Температура рабочая: на входе в аппарат - 115ºC на выходе из аппарата - 75ºC Объем – 185 м3
верхней части - 2800 мм. Высота - 23925 мм. |
1,0 | 1,85 | Газ; Р = 0,1 МПа; t = 100 о
|
| К-6 |
>Циклонный промыватель |
1 шт | Вертикальный цилиндрический аппарат со смесительной трубой. Давление: расчетное - 3 кгс/см2
рабочее - (0,8-1,0) кгс/см2
Температура рабочая на входе в аппарат - 75ºC на выходе из аппарата - 70ºC. Объем – 64 м3
|
1,0 | 0,64 | Газ Р = 0,1 МПа; t = 75 о
|
КАТЕГОРИРОВАНИЕ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
Определение категорий наружных установок следует осуществлять путем последовательной проверки их принадлежности к категориям от высшей (Ан
) к низшей (Дн
), таким образом наружная установка гидроочистки керосиновой фракции относится к категории Ан
.
Категория наружной установки
| Категория наружной установки | Категории отнесения наружной установки к той или иной категории по пожарной опасности |
| А
н |
Горючи газы ЛВЖ с tвсп
Установка относится к категории А
|
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
= (
Va
+
V
т
)·
p
г
,
где Va - объем газа, вышедшего из аппарата, м3
; Vт - объем газа вышедшего из трубопровода, м3
; pг
- плотность газа, кг×м-3
.
где М —
молярная масса, 21,8
кг/кмоль;
v
0
—
мольный объем, равный 22,413
м3
/кмоль;
t
р
— расчетная температура, 800
°С.
При этом
для печи V
a
= Р
1
·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 Р
1
- 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;
V2т
=π∙Р2
∙r2
∙L, м3
для печи V2т
= 3,14·0,5·0,142
·50 = 1,54
для ЗИА V2т
= 3,14·0,3·0,142
·50 = 0,92
для пенного аппарата V2т
= 3,14·0,2·0,142
·50 = 0,62
для циклонного промывателя V2т
= 3,14·0,2·0,142
·50 = 0,62
где Р
2
- 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
; mпр
- приведенная масса газа или пара, кг, вычисляется по формуле
m
пр
=(Q
сг
/Q
0
)×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 Qсг
- 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×(0,8×4,00,33
/500+3×4,00,66
/5002
+5×4,0/5003
) = 0,26 кПа
для ЗИА DР = 101×(0,8×0,590,33
/500+3×0,590,66
/5002
+5×0,59/5003
) = 0,14 кПа
для пенного аппарата DР = 101×(0,8×4,80,33
/500+3×4,80,66
/5002
+5×4,8/5003
) = 0,27 кПа
для циклонного промывателя DР = 101×(0,8×1,920,33
/500+3×1,920,66
/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
=
123×4,00,66
/500 = 0,61 Па×с
для ЗИАi
=
123×0,590,66
/500 = 0,17 Па×с
для пенного аппарата i
=
123×4,80,66
/500 = 0,69 Па×с
для циклонного промывателя i
=
123×1,920,66
/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
·
Fq
×t,
Допускается принимать Еf
равным 40 кВт×м-2
.
Значение Fq
вычисляют по формуле
где Н - высота центра “огненного шара”, м; Ds
- 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” Ds
определяют по формуле
D
s
=5,33m
0,327
, м
где m - масса горючего вещества, кг
для печи D
s
=5,33∙4,00,327
= 8,39 м
для ЗИА D
s
=5,33∙0,590,327
= 4,49 м
для пенного аппарата D
s
=5,33∙4,80,327
= 8,90 м
для циклонного промывателя D
s
=5,33∙1,920,327
= 6,60 м
Допускается принимать величину Н равной Ds
/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” ts
, с, определяют по формуле
t
s
=0,92m
0,303
=0,92∙4,00,303
=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
| Условная вероятность поражения, % | Величина | |||||||||
0 |
1 1 | 2 2 | 3 3 | 4 4 | 55 | 6 6 | 7 7 | 8 8 | 9 9 | |
0 |
- | 22,67 | 22,95 | 33,12 | 33,25 | 33,36 | 33,45 | 33,52 | 33,59 | 33,66 |
10 |
33,72 | 33,77 | 33,82 | 33,90 | 33,92 | 33,96 | 44,01 | 44,05 | 44,08 | 44,12 |
20 |
44,16 | 44,19 | 44,23 | 44,26 | 44,29 | 44,33 | 44,36 | 44,39 | 44,42 | 44,45 |
30 |
44,48 | 44,50 | 44,53 | 44,56 | 44,59 | 44,61 | 44,64 | 44,67 | 44,69 | 44,72 |
40 |
44,75 | 44,77 | 44,80 | 44,82 | 44,85 | 44,87 | 44,90 | 44,92 | 44,95 | 44,97 |
50 |
55,00 | 55,03 | 55,05 | 55,08 | 55,10 | 55,13 | 55,15 | 55,18 | 55,20 | 55,23 |
60 |
55,25 | 55,28 | 55,31 | 55,33 | 55,36 | 55,39 | 55,41 | 55,44 | 55,47 | 55,50 |
70 |
55,52 | 55,55 | 55,58 | 55,61 | 55,64 | 55,67 | 55,71 | 55,74 | 55,77 | 55,81 |
80 |
55,84 | 55,88 | 55,92 | 55,95 | 55,99 | 66,04 | 66,08 | 66,13 | 66,18 | 66,23 |
90 |
66,28 | 66,34 | 66,41 | 66,48 | 66,55 | 66,64 | 66,75 | 66,88 | 77,05 | 77,33 |
- |
00,00 | 00,10 | 00,20 | 00,30 | 00,40 | 00,50 | 00,60 | 00,70 | 00,80 | 00,90 |
99 |
77,33 | 77,37 | 77,41 | 77,46 | 77,51 | 77,58 | 77,65 | 77,75 | 77,88 | 88,09 |
Индивидуальный риск = 0