Trang chủ Thông tin tham khảo Mô hình hóa quá trình phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố vỡ thiết bị chứa khí dầu mỏ hóa lỏng

Mô hình hóa quá trình phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố vỡ thiết bị chứa khí dầu mỏ hóa lỏng

 

 

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình nguồn gián đoạn mô tả quá trình phát tán của đám mây hơi môi chất trong trường hợp xảy ra sự cố vỡ thiết bị chứa môi chất nói chung được tồn trữ ở điều kiện nhiệt độ trên điểm sôi trung bình của các môi chất này để tính toán nồng độ đám mây hơi LPG hình thành sau vụ vỡ thiết bị chứa LPG trong không gian sau khoảng thời gian xảy ra sự cố...

 

Không tồn tại hình ảnh về Mô hình hóa quá trình phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố vỡ thiết bị chứa khí dầu mỏ hóa lỏng

 

 

 

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình nguồn gián đoạn mô tả quá trình phát tán của đám mây hơi môi chất trong trường hợp xảy ra sự cố vỡ thiết bị chứa môi chất nói chung được tồn trữ ở điều kiện nhiệt độ trên điểm sôi trung bình của các môi chất này để tính toán nồng độ đám mây hơi LPG hình thành sau vụ vỡ thiết bị chứa LPG trong không gian sau khoảng thời gian xảy ra sự cố, trên cơ sở khảo sát đặc điểm sử dụng LPG ở Việt Nam, đưa ra một số điều kiện đơn trị thích hợp để áp dụng mô hình.

 

 

 

Ngay sau sự cố vỡ thiết bị chứa LPG, một phần LPG lỏng trong thiết bị sẽ chảy tràn và hóa hơi, kết hợp với phần hơi có sẵn trong thiết bị giãn nở, hình thành đám mây hơi LPG. Trường hợp không xuất hiện nguồn nhiệt để tạo ra vụ cháy ngay sau sự cố, đám mây hơi sẽ lan truyền trong khí quyển. Trong quá trình   lan truyền, nếu gặp nguồn nhiệt, đám mây hơi LPG sẽ cháy và tạo quả cầu lửa (Hình 1), phát tán trong không khí, gây thiệt hại về người (nhất là khi xảy ra sự cố tại các trạm cung cấp LPG gần các khu chung cư cao tầng), phá hủy tài sản và gây ô nhiễm môi trường.

 

Như vậy, muốn dự báo, đánh giá thiệt hại của sự cố vỡ thiết bị chứa LPG, ngoài việc xác định công sinh ra do môi chất giãn nở đã được giới thiệu trong các nghiên cứu trước đây của chúng tôi , cần phải xác định nồng độ và phạm vi phát tán của đám mây hơi LPG sau khoảng thời gian xảy ra sự cố.

 

Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình toán mô tả quá trình lan truyền đám mây hơi trong trường hợp tổng quát vào trường hợp đám mây hơi LPG được tạo thành sau vụ vỡ thiết bị chứa LPG, trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu trước đây của chúng tôi và của các tác giả trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan .

 

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

 

Cơ sở lý thuyết
Mô hình toán mô tả quá trình phát tán đám mây hơi

 

Cũng như mô hình nguồn thải liên tục, mô hình đã kha quen thuộc, được giới thiệu trong nhiều tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, phát tán đám mây hơi LPG phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển. Nhưng, khác với mô hình nguồn liên tục là mô hình mà cấp ổn định của khí quyển được phân thành 6 cấp ; trong mô hình này, mô hình nguồn gián đoạn, cấp ổn định của khí quyển được phân thành 3 cấp: Ổn định, trung tính, không ổn định ,trên cơ sở phân cấp ổn định của khí quyển theo Pasqill - Gifford như trong Bảng 1, đồ thị Hình 4 và Hình 5

 

Nồng độ theo hướng gió của đám mây hơi LPG trong không gian và thời gian được biểu diễn bằng mô hình toán 1

 

 

 

Ở đây:

 

- Q*m: Lượng hơi LPG tạo thành sau sự cố

 

- C(x,y,z,t): Nồng độ đám mây hơi LPG (kg/m3) tại một vị trí trong không gian, sau khoảng thời gian t (s);

 

- x, y, z: Khoảng cách đám mây hơi LPG di chuyển theo cac hướng, tính từ nguồn phát thải LPG, tại nơi xảy ra sự cố (m);

 

- Đám mây hơi LPG së chuyển động cùng tốc độ với tốc độ gió u (m/s). Tốc độ gió trung bình của các địa phương ở Việt Nam được giới thiệu trong một số tài liệu chuyên ngành .

 

Như vậy, sau khoảng thời gian t (s), đám mây hơi LPG së di chuyển được một khoảng x (m), cách nơi xảy ra sự cố, tính theo tâm luồng khí theo công thức 2:

 

x = u.t , m

 

- t: Khoảng thời gian đám mây hơi LPG di chuyển khỏi nguồn (s); t=0 (s) là thời điểm xảy ra sự cố, bắt đầu xuất hiện đám mây hơi LPG.

 

- Hr: Chiều cao nguồn thải (m). Thông thường, thiết bị có chiều cao lắp đặt thấp, do đó, coi Hr = 0.

 

Việc đánh giá sự cố cũng thường tập trung vào các vị trí trên mặt đất và tại đường tâm của sự cố, là nơi đạt nồng độ hơi LPG lớn nhất, do đó: y=z=0;

 

- σy   và σ2 : Hệ số khuyếch tán theo phương ngang và phương đứng (m); hệ số khuyếch tán theo các phương phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển tại thời điểm tính toán của khu vực xảy ra sự cố và khoảng cách từ nguồn theo hướng gió. Hình 4 giới thiệu đồ thị xác định các hệ số khuyếch tán đám mây hơi trong không khí trong trường hợp tổng quát theo phương ngang và phương σx dọc theo chiều gió; Hình 5 giới thiệu đồ thị xác định hệ số khuyếch tán đám mây hơi trong không khí trong trường hợp tổng quát theo phương đứng. Các hệ số khuyếch tán này phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển. Theo Joseph F and B. Diane Louvar , độ ổn định của khí quyển được phân loại theo Pasqill - Gifford, chia thành 3 cấp (Bảng 1):

 

 

+ Không ổn định: Cấp A và B;

 

+ Trung tính: Cấp C và D;

 

+ Ổn định: Cấp E và F.

 

Bảng 1. Độ ổn định của khí quyển phân loại theo Pasqill - Gifford [3]

 

Ghi chú: A: Rất không bền vững; B: Không bền vững loại trung bình; C: Không bền vững loại yếu; D: Trung hòa; E: Bền vững yếu; F: Bền vững loại trung bình.

 

Đặc điểm của việc phát tán đám mây hơi LPG trong khí quyển là nó di chuyển gián đoạn với tốc độ bằng tốc độ của luồng gió tại nơi và tại thời điểm xảy ra sự cố (Hình 3). Để áp dụng mô hình, một số điều kiện đơn trị được đề xuất như sau:

 

- Điều kiện khí tượng: Tốc độ của gió u (m/s) trong thời gian khảo sát là ổn định; hướng gió không thay đổi trong thời gian khảo sát;

 

- Điều kiện hóa - lý: Trong quá trình phát tán, đám mây hơi LPG không tham gia các phản ứng khác; không có cac chất ô nhiễm khác khuyếch tán vào đám mây hơi; không xảy ra hiện tượng sa lắng.

 

- Điều kiện địa hình: Địa hình khu vực xảy ra sự cố bằng phẳng;

 

 

Hình 4. Đồ thị tính hệ số khuyếch tán theo phương ngang σy và phương dọc theo chiều gió σx

 

 

Hình 5. Đồ thị tính hệ số khuyếch tán theo phương đứng σz

 

- Thông thường, thiết bị có chiều cao thấp, do đó, coi Hr=0;

 

- Việc đánh giá sự cố thường tập trung vào các vị trí trên mặt đất và tâm hướng gió tại nơi xảy ra sự cố, là nơi có nồng độ môi chất cao nhất, do đó: y=z=0;

 

Từ các công thức 1 và 2, kết hợp với cac giả thiết, nồng độ tại tâm, theo hướng gió của đám mây hơi LPG khi coi thiết bị có chiều cao không đáng kể, được tính theo công thức 3:

 

 

Nghiên cứu trường hợp điển hình

 

Mô tả sự cố

 

Áp dụng cơ sở lý thuyết vừa đề xuất, tính toán phát tán LPG nếu xảy ra trường hợp bồn chứa 20 tấn LPG bị vỡ do sự cố lật xe bồn năm 2007 tại Hà Nội . Sự cố vỡ bồn chứa này, có thể xảy ra, do tác động cơ học từ bên ngoài (xe bồn bị lật giữa quốc lộ 18, có thể bị xe khác đâm vào; hoặc do xe bị lật, trượt và ma sát với mặt đường hoặc va vào công trình xây dựng…).

 

Mô tả dữ liệu và cơ sở tính toán

 

Thời điểm xảy ra sự cố: 13h ngày 07/05/2007 (buổi trưa, mùa hè). Tải lượng phát thải của đám mây hơi LPG là 6.978kg . Địa hình khu vực đường cao tốc là đồng ruộng, bằng phẳng. Giả sử, cần xác định là nồng độ của đám mây hơi LPG tạo thành sau sự cố bồn chứa LPG, tại đường tâm theo hướng gió (y = z = 0); trên mặt đất (H = 0); sau 1 phút (60s) kể từ lúc bắt đầu sự cố vỡ bồn chứa xảy ra.

 

Phương pháp và kết quả tính toán

 

Bước 1: Xác định loại bài toán: Đây là bài toán tính phát tán ô nhiễm có nguồn phát thải gián đọan, dạng phát tán đám mây hơi LPG. Mức độ ô nhiễm đạt cực đại ở trên mặt đất (z = 0), tại đường tâm theo hướng gió (y = 0); xe bồn bị đổ ngay trên mặt đất (H = 0).

 

Bước 2: Xác định được cấp ổn định của khí quyển: Từ dữ liệu tại thời điểm xảy ra sự cố vào buổi trưa, mùa hè, tra Bảng [2], ta có tốc độ gió tại Hà Nội là 2,6 m/s. Từ Bảng 1, xac định được cấp ổn định của khí quyển tại thời điểm tính kiểm tra là cấp B.

 

Bước 3: Xac định hệ số khuyếch tán phương ngang và phương đứng

 

Sau thời gian 60s, đám mây hơi LPG di chuyển được quãng đường:

 

x = u x t = 2,6m / s x 60s = 156m

 

 
 

 

Tra đồ thị Hình 4 và Hình 5, ta có cấp ổn định khí quyển là cấp B (trung tính), với khoảng cách theo hướng gió là 156 m, ta có: Hệ số khuyếch tán theo phương ngang và theo hướng gió là: 
theo phương đứng là : 
Bước 4: Tính nồng độ hơi LPG:
Thay cac gia trị tìm được vào công thức 3, ta có nồng độ theo hướng gió sau thời gian 60s, ngay sát trên mặt đất của đám mây hơi LPG
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Kết luận
- Đám mây hơi LPG, sau khi được hình thành trong sự cố vỡ thiết bị chứa LPG, së phát tán trong khí quyển một cách gián đoạn, theo cả 3 hướng. Quá trình phát tán này phụ thuộc vào thời gian mà đám mây hơi di chuyển trong không gian. Nồng độ đám mây hơi trong không và thời gian phụ thuộc vào lượng phát thải, điều kiện khí tượng, thời tiết, địa hình. Sự phụ thuộc này được đặc trưng bằng độ ổn định của khí quyển.
- Độ ổn định của khí quyển trong trường hợp nguồn thải gián đoạn được phân thành 3 cấp: Trung tính, ổn định và không ổn định, xác định bằng cách sử dụng đồ thị cho sẵn.
Đề xuất
- Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của sự cố, hoặc dự báo ảnh hưởng của sự cố khi xây dựng các công trình chế biến và sử dụng LPG. Cùng với tác động cơ học do môi chất giãn nở sinh công đã được giới thiệu trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi , tác động do môi chất phát tán sau sự cố vỡ là vấn đề cần quan tâm, đặc biệt là khi xay dựng cac trạm cung cấp LPG trong khu chung cư, trạm cung cấp LPG trong giao thông vận tải gần khu đông dân cư, nhà cao tầng…, bởi lẽ, nếu đám mây hơi này, trong qua trình phát tán, gặp điều kiện thuận lợi (nguồn nhiệt, tia lửa điện…) së bốc cháy, tạo thành quả cầu lửa. Tính toán lượng nhiệt và phạm vi ảnh hưởng của bức xạ nhiệt khi cháy đám mây hơi LPG së được chúng tôi giới thiệu trong các nghiên cứu tiếp theo.
- Nghiên cứu ứng dụng kết quả nghiên cứu đối với các môi chất khac có đặc tính tương tự. Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình trong đanh gia sự cố vỡ thiết bị chứa khí hóa lỏng đã được chúng tôi trình bày trong một số Hội nghị khoa học trong nước và quốc tế .
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Daniel A. Crowl and Josep F.Louvar (2001), Chemical Process Safety, Fundamentals with applications. Prentice Hall PTR.
[2]. Phạm Ngọc Đăng (2002), Nhiệt và khí hậu kiến trúc. NXB Xây dựng.
[3]. Joseph F and B. Diane Louvar (1998), Health and environmental risk analysis. Prentice Hall, Inc.
[4]. Lý Ngọc Minh (2006), “Khảo sát và ứng dụng mô hình toán học để xác định khả năng phát tán khí nguy hại do sự cố môi trường gây ra trong chế biến và sử dụng khí thiên nhiên”. Trang 43-46. Tuyển tập các báo cáo khoa học tại Hội nghị Khoa học công nghệ và Đào tạo lần thứ I. Trường ĐH Công nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.
[5]. Lý Ngọc Minh (2006), “Phương pháp xác định khả năng phát tán môi chất lạnh trong đánh giá sự cố môi trường do thiết bị lạnh gây ra”. Tuyển tập báo cáo Khoa học tại Hội nghị Khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập trường ĐH Bách Khoa Hà Nội. [6]-[10]. Các bài báo và báo cáo của Lý Ngọc Minh đã được công bố.