Моделирование процесса взрыва судна на примере плавучей регазификационной установки «Маршал Василевский»

В научной статье были рассмотрены процессы, приводящие к чрезвычайной ситуации. Определены характеристики объекта исследования — газовоза ПРГУ «Маршал Василевский». Исследованы особенности процесса регазификации. Дана характеристика методу оценки риска «галстук-бабочка». Смоделированы события, происходящие при попадании молнии. В процессе моделирования установлено, что взрыв сопровождается феноменом BLEVE и способен привести к значительным негативным последствиям. Определены мероприятия, которые способствуют повышению пожаровзрывобезопасности объекта.

Ключевые слова: газовоз, сжиженный природный газ, регазификация, метод оценки риска, взрыв, феномен BLEVE, пожаровзрывобезопасность.

Введение

Обеспечение безопасности в области энергетики является одним из важнейших направлений государственной политики России. На сегодняшний день это одна из самых актуальных тем. Доктрина безопасности в области энергетики Российской Федерации, утверждённая Указом Президента Российской Федерации № 216 от 13 мая 2019 г. [1], оценивает важность стратегического планирования. Согласно Доктрине [1] региональные аспекты безопасности в области энергетики занимают одно из ведущих положений. Определена главная задача, как усовершенствование территориальной структуры топливно-энергетического комплекса. Также описаны меры для поддержания технологического единства разных регионов. На сегодняшний день, уделяется особое внимание развитию внутреннего рынка сжиженного природного газа. И такие регионы, как Калининградская область, представляют повышенный интерес.

«Газпром» разработал и реализовал проект по газоснабжению Калининградской области. Доставка сжиженного природного газа (СПГ) происходит по морю. Для этого был построен терминал по приему СПГ. Cамо судно ПРГУ «Маршал Василевский» является единственной плавучей регазификационной установкой в России.

Объект исследования

В качестве объекта исследования при моделировании процесса взрыва судна был выбран газовоз ПРГУ «Маршал Василевский».

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является моделирование процесса взрыва судна на плавучей регазификационной газовой установке «Маршал Василевский.

Определены задачи для осуществления поставленной цели:

1. описание технических характеристик газовоза ПРГУ «Маршал Василевский»;
2. исследование особенностей процесса регазификации;
3. обзор подходов и методов оценки риска;
4. оценка риска с помощью метода оценки рисков «галстук-бабочка»;
5. моделирование процесса взрыва судна;
6. формулирование мероприятий, направленных на повышение пожарной безопасности объекта.

Терминал по приёму газа в Калининградской области начал свою работу 8.01.2019 года. Главным элементом терминала стал причал с волноломом [2].

Газовоз «Маршал Василевский» перевозит сжиженный природный газ и после регазифицирует. Ёмкость танков для перевозки газа составляет 174 тыс. м ³ . На судне расположены три регазификационные линии. Процесс регазификации начинается после швартовки к причалу. Еще на самой установке газ переводится в газообразное состояние и затем направляется в газотранспортную систему через тринадцати километровый газопровод. После осуществляется доставка газа потребителям или закачивается в Калининградское подземное хранилище (рис. 1). Данная газотранспортная система обеспечивают регион сжиженным природным газом в объёме 3,7 млрд. куб. м в год [2].

Рис. 1. Газотранспортная система Калининградской области [3]

Судно «Маршал Василевский» класса Arc 4, тип судна 2G. Плавучая регазификационная газовая установка спроектирована для работы при низких температурах, до –30 °С. Судно оборудовано средствами защиты от обледенения. Длина судна составляет 294,83 м, а ширина 46,4 м, осадка судна до 11,5 м, скорость до 19,5 узлов, дедвейт 93 292 т, водоизмещение 133 312 т, мощность главного двигателя марки Wartsila 12V50DF составляет примерно 3130 кВт [3].

Система испарения состоит из двух регазификационных установок, мощность которых 14 млн. куб. м в сутки. Также имеется резервная установка.

Плавучая регазификационная газовая установка «Маршал Василевский» также оборудована системами обеспечения безопасности и пожаротушения, соответствующие международным стандартам [3].

Особенности процесса регазификации

Сжиженный природный газ — это в основном метан, который переведён в жидкое состояние путем конденсации при криогенных температурах. Температура конденсации природного газа при атмосферном давлении составляет около 161°С. В процессе сжижения объем газа уменьшается примерно в 600 раз. СПГ — нетоксичная жидкость с высокой массовой теплотой сгорания. Сжиженный природный газ состоит также из этана, пропана, бутана, пентана и азота.

На крупных морских терминалах, таких как, построенный в Калининградской области в г. Пионерский, процесс регазификации СПГ осуществляется в теплообменниках с морской водой [4].

На рис. 2 представлена принципиальная схема регазификатора с водяным орошением, который применяется на морском терминале СПГ. В качестве теплоносителя используется морская вода.

Рис. 2. Принципиальная схема регазификатора с водяным орошением [4]

Обзор подходов и применяемых методов оценки риска

Оценивая уровень пожарной безопасности необходимо установить количественное значение риска и сравнить его с предельно допустимым значением. Для этого проводят анализ риска [5].

Основные методы оценки рисков:

1. Расчётные:

— качественный анализ (заполнение проверочных листов, составление «матриц риска»);

— количественный анализ;

— расчетно-аналитический.

2. Общие:

— логических деревьев;

— дерево неисправностей;

— виды и последствия отказов;

— статистические.

3. Технико-экономические.

Методы анализа риска более подробно описаны в стандарте [6].

При оценке пожарной безопасности выявляют те виды опасности, которые влияют на выбор сценариев. Для анализа выбирают один сценарий и оценивают его вероятность. Эту процедуру повторяют, пока не проведут полный анализ всех отобранных сценариев.

Оценка частоты реализации событий проводят на основе моделирования. Моделирование события позволяет получить не только количественные оценки, необходимые для анализа риска, но и проследить взаимосвязь изменений в рассматриваемом объекте с изменениями полученных значений вероятности.

Более подробно рассмотрим метод оценки рисков «галстук-бабочка».

Метод оценки риска «галстук-бабочка» — это способ описания и анализа пути развития аварийной ситуации от причин до последствий с помощью схемы. Метод включает и исследование причин события с помощью дерева неисправностей, а также анализ последствий с помощью дерева событий.

Результаты исследования при моделировании процесса взрыва судна

Смоделируем процесс взрыва судна, когда произошло попадание молнии. Во время взрыва происходит мгновенный выброс паров газа, находящегося под давлением, из работы [7].

Моделирование процесса с помощью метода «галстук-бабочка» представлено на рис. 3.

Рис. 3. Схема процесса взрыва с помощью метода «галстук-бабочка»

В нашем исследовании выполним моделирование взрыва по типу BLEVE и Fire Ball. Взрывы типа BLEVE происходят тогда, когда танки, содержащие жидкость под давлением с температурой выше её нормальной точки кипения, разрушаются. Давление с быстрой скоростью достигает атмосферного, затем горячая жидкость немедленно вскипает, образуя большое количество пара. Волна давления, выделившегося расширяющегося пара вызывает разрушение. Материал жидкости является горючим и, воспламенившись, он может создать большой огненный шар Fire Ball.

Последовательность действий, предшествующих BLEVE (рис. 4):

1. разрушение ёмкости и повышение внутреннего давления;
2. авария ёмкости с разгерметизацией и резким изменением фаз;
3. взрыв ёмкости и выброс осколков;
4. распространение волн давления;
5. образование Fire Ball.

При определении параметров волны давления при взрыве ёмкости с СПГ использовали формулы из приложения Ж ГОСТа Р 12.3.047–2012 [8].

Для расчёта феномена BLEVE следующие данные — приведённая масса составляет 1217 кг; атмосферное давление 101 кПа; удельная теплоёмкость жидкой фазы составила 2000 Дж/кг·К; импульс в волне давления равен 446 Дж/кг·К. Используя рабочую формулу получили, что степень разрушения очень высокая на расстоянии 1 м. избыточное давление составляет 648368,3 кПа.

При определении параметров интенсивности теплового излучения использовали формулы из приложения Д ГОСТ Р 12.3.047–2012 [8].

Для расчёта феномена Fire Ball следующие данные: масса продукта составила 70 000 кг; среднеповерхностная интенсивность теплового излучения пламени равна 350 кВт/м ² ; угловой коэффициент облучённости 0,246; коэффициент пропускания атмосферы равен 0; эффективный диаметр огненного шара составляет 243 м. Используя рабочую формулу получили, что интенсивность теплового излучения от Fire Ball составила 0 кВт/м ² .

Учитывая полученные данные расчетов, сделаем выводы. Эффективным средством охлаждения ёмкостей с целью поддержания их механической прочности при пожаре могут быть водяные разбрызгивающие защитные системы такие, как стационарные орошающие противопожарные системы или системы слежения, оборудованные противопожарными форсунками.

Сформулируем основные положения по пожарной безопасности судна [9]:

1. своевременный контроль за техническим состоянием оборудования для СПГ;
2. качественная изоляционная защита от перегрева для ёмкостей;
3. меры безопасности в соответствии с нормативными документами.

Заключение

Проведена научно-исследовательская работа, в которой были рассмотрены процессы, приводящие к чрезвычайной ситуации на ПРГУ «Маршал Василевский». В соответствии с целью данной работы, улучшение пожаровзрывобезопасности на газовозе «Маршал Василевский», рассмотрены поставленные задачи:

1. дана характеристика газовоза;
2. описаны особенности регазификации;
3. произведён обзор подходов и применяемых методов оценки риска;
4. выполнено моделирование процесса взрыва судна с помощью метода оценки рисков «галстук-бабочка»;
5. сформулированы основные положения по пожаровзрывобезопасности судна.

Литература:

1. Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации | Министерство энергетики РФ [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://minenergo.gov.ru/node/14766 (дата обращения 27.10.23).
2. Проект поставок СПГ в Калининградскую область [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.gazprom.ru/projects/kaliningrad-terminal/ (дата обращения 27.10.23).
3. Технические характеристики ПРГУ «Маршал Василевсий» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://flot.gazprom.ru/fleet/prgu-marshal-vasilevskij/ (дата обращения 27.10.23).
4. Регазификация СПГ//GW № 63, 2018// [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://mvif.ru/regazifikaciya-spg (дата обращения 27.10.23).
5. Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/902111644?marker=64U0IK (дата обращения 27.10.23).
6. ГОСТ 58771–2019. Менеджмент риска. Технологии оценки риска.
7. Метод оценки рисков «галстук-бабочка» [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://ibicon.ru/novosti/news_post/metod-otsenki-riskov-galstuk-babochka (дата обращения 27.10.23)
8. ГОСТ Р 12.3.047–2012. Национальный стандарт Российской Федерации. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля.
9. Арамянц, Т. З. Взрывы перегретых сжиженных газов на танкерах-газовозах при разгерметизации грузовых танков. Феномен BLEVE и Fire Ball // Эксплуатация морского транспорта. — 2015. — № 4 (77). — С. 53–58.