Bởi: TS. Lý Ngọc Minh CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CƠ HỌC KHI NỔ THIẾT BỊ CHỨA LPG Cơ sở nhiệt động lực học Do vụ nổ thiết bị chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn nên nhiệt lượng không kịp trao đổi với môi trường bên ngoài (q = 0), do vậy có thể coi đây là quá trình đoạn nhiệt. Dựa vào cơ sở lý thuyết của quá trình đoạn nhiệt để tính toán lượng LPG lỏng hóa hơi rồi tính toán lượng hơi LPG tạo ra trong vụ nổ, từ đó tính toán ảnh hưởng của quá trình nổ thiết bị chứa LPG, quá trình phát tán trong không khí của đám mây hơi LPG đậm đặc được tạo thành khi nổ thiết bị chứa LPG. Công thức tính công dãn nở của môi chất bất kỳ được giới thiệu trong kỹ thuật nhiệt. Đối với quá trình đoạn nhiệt ta có các đồ thị và công thức cơ bản biểu diễn quá trình dãn nở đoạn nhiệt lý thuyết sau đây [21], [79], [144], [155]: Đồ thị P-Vcủa quá trình dãn nở đoạn nhiệt 1/14
Đồ thị T-s của quá trình dãn nở đoạn nhiệt Phương trình tổng quát của quá trình dãn nở đoạn nhiệt: pv k = const (3.1) Quan hệ giữa các thông số đầu và thông số cuối quá trình đoạn nhiệt: p 1 / p 2 = (v 1 / v 2 ) k = (T 1 / T 2 ) k / (k 1) (3.2) Công thay đổi thể tích: l 12 = Δu = C v (T 1 T 2 ) (3.3) k l 12 Công kỹ thuật: = Δh = C p (T 1 T 2) = k l 12 (3.4) Với propane: k = 1,131; butane: k = 1,094. Cơ sở kỹ thuật an toàn Từ công thức 3.3, phương pháp tính công sinh ra khi xảy ra quá trình nổ thiết bị chứa môi chất bất kỳ được tính theo công thức 3.5: (N.m) (3.5) 2/14
Trong công thức này, áp suất P 2 được xác định trên cơ sở giả thiết toàn bộ lượng chất lỏng trong thiết bị hóa hơi hoàn toàn tạo ra áp suất tác động tức thời lên thiết bị [23]. Luận án tiếp tục hoàn thiện công thức này trên cơ sở xây dựng công thức tính lượng hơi LPG tạo thành từ lượng môi chất lỏng thoát ra sau vụ nổ. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA QUẢ CẦU LỬA HÌNH THÀNH SAU VỤ NỔ THIẾT BỊ CHỨA LPG cháy Trường hợp tổng quát, phản ứng cháy hợp chất hữu cơ được trình bày ở phương trình 3.6 [126]: (3.6) Năng lượng tỏa ra của phản ứng cháy được xác định bằng định luật Hess và định luật Gibbs trong nhiệt động hóa học. Cơ sở truyền nhiệt Lượng nhiệt truyền từ vùng cháy ra vùng nhiệt tác động thông qua 3 quá trình: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt. Do khói có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, nên phương thức truyền nhiêt từ vùng cháy ra môi trường không khí chỉ gồm 2 quá trình: đối lưu và bức xạ nhiệt [91]. Nhiệt lượng trao đổi do đối lưu: lượng nhiệt do đối lưu tỏa ra từ nơi có nhiệt độ cao tới môi trường xung quanh xác định theo công thức 3.7: Q đl = α đl (T vc T mt) F[W] (3.7) Lượng nhiệt trao đổi do bức xạ: lượng nhiệt do bức xạ của ngọn lửa truyền ra môi trường xung quanh theo mọi phía trong phạm vi không gian hình bán cầu ( Q bx ) được tính theo công thức 3.8: Q bx = σ ο ε T 4 vc F[W] (3.8) Tổng lượng nhiệt truyền từ đám cháy ra môi trường: Q = Q dl + Q bx (3.9) 3/14
về mô hình hóa môi trường Đặc điểm của qủa cầu lửa hình thành sau vụ nổ thiết bị chứa LPG là nó được tạo thành tức thời ngay sau vụ nổ và phát tán một cách gián đọan trong không gian và thời gian với đặc thù riêng, khác với quá trình phát tán chất ô nhiễm trong không khí tạo bởi nguồn thải liên tục, phát tán dạng làn khói. Vì vậy, không thể áp dụng các mô hình hiện có (mô hình Gauss, mô hình ISC3, mô hình Berliand, mô hình Sutton...[28], [40], [64], [75], [93], [133]) vào việc tính phát tán qủa cầu lửa tạo ra sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG mà cần phải khảo sát và ứng dụng mô hình thích hợp với đặc điểm của nó. Sau đây là mô hình toán mà luận án khảo sát áp dụng [116]: Phương trình vi phân [116] Gỉa sử nguồn tức thời phát thải một lượng vật chất cố định Q m (kg) và phát triển trong khí quyển, không có phản ứng hóa học xảy ra và không có chất ô nhiễm khác thêm vào trong quá trình vật chất lan truyền. Nồng độ C của vật chất phát tán trong không gian được xác định bởi phương trình vi phân: (3.10) Ở đây, u j là tốc độ của gió; chỉ số j là tổng hợp của hệ trục tọa độ x, y và z. Nếu xác định được chính xác tốc độ gió, kể cả sự ảnh hưởng của chuyển động hỗn loạn, phương trình 3.10 có thể dự báo chính xác nồng độ vật chất phát tán trong không gian. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có mô hình nào mô tả được đầy đủ bản chất của sự chuyển động hỗn loạn đó nên ta phải dùng kết quả gần đúng. Lấy vận tốc trung bình và xấp xỉ của những kết quả gần đúng đó, ta có: uj=? u j? + u j (3.11) Trong đó:? u j? là tốc độ gió trung bình; u j là dao động ngẫu nhiên do chuyển động hỗn loạn của gió. Nồng độ C cũng thay đổi theo trường vận tốc: C =? C? + C' (3.12) Trong đó:? C? là nồng độ trung bình; C là dao động ngẫu nhiên do chuyển động hỗn loạn của gió. Do sự dao động trong cả C và ujđềulà những giá trị trung bình nên: 4/14
? u' j? = 0? C'? = 0 (3.13) Thay phương trình 3.11, 3.12 và 3.13 vào phương trình 3.10 và lấy kết quả trung bình theo trường thời gian ta được: (3.14) Các số hạng? u j? C'và u' j? C? bằng 0 khi lấy trung bình; Hệ số thông lượng rối? u' j C'? khác 0 và được biểu diễn thông qua hệ số khuếch tán rối K j (m 2 /s) bằng phương trình 3.15: (3.15) Thế phương trình 3.15 vào phương trình 3.14 được: (3.16) Nếu coi khí quyển là môi trường không nén được thì : (3.17) Khi đó phương trình 3.16 trở thành: (3.18) Nghiệm của phương trình 3.18 cùng với các điều kiện đơn trị (điều kiện ban đầu và điều kiện biên) phù hợp là cơ sở cho các mô hình phát tán. Hệ toạ độ dùng cho mô hình phát tán là hệ toạ độ vuông góc, trục x là trục hướng gió thổi từ điểm phát thải và có thể xoay quanh theo nhiều hướng gió khác nhau, trục y là trục vuông góc với trục x theo phương ngang, trục z là trục phía trên điểm thải. Điểm gốc toạ độ (x,y,z)=0, 0, 0 là điểm phát thải tại thời điểm t=0 (s) 5/14
Hình ảnh phát thải chất ô nhiễm trong mô hình nguồn liên tục với hệ toạ độ cố định 6/14
Hình ảnh phát thải chất ô nhiễm trong mô hình nguồn gián đoạn với hệ toạ độ di động Bài toán, điều kiện đơn trị và nghiệm của bài toán 1. Bài toán 1: Xét bài toán phát thải một lượng vật chất Q(kg) gián đoạn, tức thời. Vận tốc gió = 0. Hệ số khuyếch tán rối theo các hướng là hằng số và như nhau ( K j = K). Phương trình 3.18 được biến đổi như sau: (3.19) Điều kiện ban đầu:? C? (x,y,z,t) = 0ở thời điểm t=0 (3.20) Nghiệm của bài toán biên với phương trình vi phân 3.19 và các điều kiện biên và điều kiện ban đầu trong hệ tọa độ vuông góc là [15], [75], [116]: (3.21) 1. Bài toán 2: Dữ liệu như bài toán 1, nhưng hệ số khuyếch tán rối theo các hướng là khác nhau. Phương trình vi phân: (3.22) Nghiệm của phương trình 3.22 với các điều kiện đã cho trong hệ tọa độ vuông góc là: (3.23) 1. Bài toán 3: Như bài toán 2 nhưng gió thổi theo hướng x với vận tốc không đổi (? u j? =? u x? = u = const). Phương trình vi phân giống phương trình 3.22. Cho hệ toạ độ di chuyển theo hướng x một khoảng Δx = x ut, phương trình có nghiệm là: (3.24) 7/14
Các công thức tính nồng độ phát tán trên đây khá phức tạp, phụ thuộc vào hệ số các khuyếch tán rối K j. Các hệ số này lại là hàm số phụ thuộc vào vị trí, thời gian, tốc độ gió, điều kiện thời tiết Để thuận tiện trong tính toán, Sutton đề xuất khái niệm hệ số phát thải theo phương dọc, phương ngang và phương đứng σ x, σ y, σ z (m) [40], [150]: σ x 2 = 1 2? C? 2? ut? 2 n (3.25) Phương trình xác định σ y và σ z được lập tương tự. Hệ số phát thải chất ô nhiễm phát thải dạng đám mây theo các phương phụ thuộc vào điều kiện khí tượng, điều kiện địa hình, độ ổn định của khí quyển ở thời điểm tính toán của khu vực sự cố và khoảng cách từ nguồn theo hướng gió. Bảng 3.1 giới thiệu cách phân cấp ổn định của khí quyển của Pasqill - Giffordtheo 3 cấp: không ổn định (cấp A, B), trung tính (cấp C, D), ổn định (cấp E, F) trên cơ sở 6 mức ổn định của khí quyển [116]. Độ ổn định của khí quyển phân loại theo Pasqill - Gifford [114] Tốc độ gió Bức xạ ban ngày Độ che phủ ban đêm Mạnh Trung bình Yếu Nhiều mây Ít mây <2 A A-B B - - 2-3 A-B B C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D D D D > 6 C D D D D Ghi chú: A: rất không ổn định; B: không ổn định loại trung bình; C: không ổn định loại yếu; D: trung hòa; E: ổn định yếu; F: ổn định loại trung bình. Có thể xác định các hệ số σ x, σ y, σ z bằng giải tích hoặc đồ thị. Đồ thị xác định hệ số phát thải theo các phương được cho trong hình 3.5 và 3.6 [116]. Sử dụng kết quả của quá trình chuyển đổi từ hệ số khuyếch tán rối K j sang hệ số phát thải σ j với hệ toạ độ cố định tại điểm phát thải, ta có: 3.26) 8/14
Đồ thị xác định hệ số khuếch tán theo phương ngang và phương dọc theo chiều gió Đồ thị xác định hệ số khuyếch tán theo phương đứng 1. Bài toán 4: Sử dụng kết quả của mô hình 3.26 với nguồn phát thải có độ cao H r và hệ toạ độ di chuyển cùng với đám mây ta có công thức tính nồng độ 9/14
C(x,y,z,t) (kg/m 3 ) theo hướng gió của đám mây hơi LPG trong không gian và thời gian t (s): (3.27) Khoảng cách x (m) mà đám mây hơi di chuyển sau khoảng thời gian t (s) ở cùng tốc độ với tốc độ gió u (m/s) là: x=u.t (3.28) Hình 3.7 mô tả qúa trình phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau vụ nổ thiết bị chứa môi chất tồn trữ ở nhiệt độ trên điểm sôi bình thường của nó [116]. Sự cố nổ thiết bị tạo đám mây hơi phát thải gián đoạn.ứng dụng: Luận án khảo sát và đề xuất ứng dụng nghiệm của bài toán biên trên đây để dự báo quá trình di chuyển của quả cầu lửa hình thành sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG. Khảo sát quá trình di chuyển của đám mây hơi nước ta thấy tại thời điểm hình thành quả cầu lửa ở thời điểm t o =0, đám mây này di chuyển cùng tốc độ với tốc độ gió tại thời điểm và nơi khảo sát. Trên cơ sở đó vận dụng vào nghiên cứu qúa trình phát tán của quả cầu lửa sau khi hình thành, bốc lên cao và di chuyển ổn định trong khí quyển với tốc độ bằng tốc độ gió tại nơi và thời điểm xảy ra sự cố. 10/14
Cơ sở độc học môi trường Tác động do khói sinh ra từ vụ cháy sau vụ nổ thiết bị chứa LPG tới con người và môi trường được đánh giá trên cơ sở độc học của từng chất ô nhiễm trong khói là CO 2, CO, NO x. Khi cháy LPG trong điều kiện đủ không khí sẽ sinh ra CO 2, làm giảm lượng oxy và hạn chế tầm nhìn. Hình ảnh vụ cháy LPG tỏa khói gây ô nhiễm môi trường. Vụ chay LPG tại Pasadena, USA, 1989. Nguồn: Internet CO 2 là khí không màu, không mùi, tồn tại trong không khí trong khoảng nồng độ từ 0,03% đến 0,06%. CO2 trong không khí tăng cao dẫn tới tăng cường độ hô hấp, kích thích não, có thể dẫn tới hôn mê và gây tử vong. CO2 cũng làm tăng dự trữ kiềm và giảm ph trong máu. CO2 ở nồng độ thấp kích thích trung tâm hô hấp, làm tăng nhịp hô hấp. Các tác động của CO 2 lên cơ thể người sẽ gây nguy hại khi nồng độ lớn hơn 3%. Nếu nồng độ CO 2 trong không khí 5% sẽ gây thở gấp và đau đầu. Người tiếp xúc với không khí có nồng độ CO 2 tới 10% có thể bị bất tỉnh và chết do thiếu ôxy. Lượng khói chiếm 15% thể tích không khí, sẽ gây khó khăn cho việc thoát hiểm của nguời. Sau khi đã được hấp thụ vào trong máu, CO 2 sẽ tác động nhanh chóng lên não, làm tăng nhịp thở, được máu đem đến phổi và được thải ra theo hơi thở theo phản ứng 3.12 [136] CO2 + O2Hb CO2Hb + O2 (3.29) Hb: Hemoglobin. Ảnh hưởng của CO 2 đối với nguời được nêu ở bảng 3.2 Bảng 3. 2 : Hàm lượng CO 2 trong không khí và các hậu quả [136] Nồng độ CO 2 trong không khí (%) Ảnh hưởng tới con người 0,15 Có thể gây thở gấp 11/14
0,3 0,6 Không thể làm việc 3 6 Có thể nguy hiểm đến tính mạng 8-10 Nhức đầu, rối loạn thị giác, ngạt thở 10-30 Ngạt thở ngay, tim đập yếu 35 Chết người Trường hợp LPG cháy không hết sẽ sinh ra CO. Tác hại của CO đối với người là ngăn cản Hemoglobin (Hb) vận chuyển O 2 lên não theo phản ứng [136]: O 2 Hb + CO COHb + O 2 (3.30) CO có thể gây nhiễm độc cấp tính (làm cho nguời bị buồn nôn, nhức đầu, mệt mỏi) hoặc mãn tính (con nguời có triệu chứng nhức đầu, chóng mặt, suy nhược, khó thở). Khi cơ thể bị nhiễm CO, nó sẽ tác dụng trên hệ thống thần kinh và dẫn tới các rối loạn trương lực cơ và các rối loạn tim mạch nghiêm trọng [136] NO x sinh ra khi cháy LPG kết hợp với Hb tạo thành Methemoglobin làm cho Hb không vận chuyển được O 2 để hô hấp cho cơ thể, gây ngạt; tác dụng với hơi ẩm trong các vùng trên và dưới của bộ máy hô hấp, tác hại trên bề mặt phổi và gây ra các tổn thương ở phổi. Khi nhiễm độc NO x con người sẽ bị kích thích mắt, rối loạn tiêu hoá, viêm phế quản, có thể gây tử vong [136]. Phương trình đánh giá định lượng chất ô nhiễm đi vào cơ thể mỗi ngày được xác định bằng phương trình 3.31 [95]: Trong đó : (3.31) CDI: Lượng chất nguy hại vào cơ thể hàng ngày (mg/kg.ngày); C: Nồng độ chất nguy hại trong môi trường (mg/lít) IR: Tốc độ hô hấp (m 3 /h) RR: Tỷ lệ không khí được lưu giữ trong cơ thể khi hô hấp (%) ABS: Phần trăm lượng chất nguy hại được hấp thụ vào phổi (%) ET: Thời gian phơi nhiễm (giờ/ngày) EF: Tần số phơi nhiễm (ngày/năm) ED: Thời gian phơi nhiễm (năm) 12/14
BW: Trọng lượng trung bình của đối tượng bị phơi nhiễm (kg) AT: Thời gian phơi nhiễm trung bình (ngày) CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT XẢY RA SỰ CỐ MÔI TRƯỜNG TRONG SỬ DỤNG LPG Xác suất xảy ra sự cố phụ thuộc vào sự xuất hiện các yếu tố xác định sự cố, vì vậy, đối với các quá trình sản xuất khác nhau và ở các điều kiện môi trường khác nhau thì xác suất xảy ra sự cố sẽ khác nhau. Xác suất của sự cố được xác định trên cơ sở thống kê, phân tích các sự cố đã xảy ra. Kết quả đánh giá cuối cùng đối với một sự cố R là tích của xác suất xảy ra sự cố và hậu quả do sự cố gây ra. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUẢN TRỊ RỦI RO đánh giá rủi ro Trên cơ sở các phương pháp đánh giá rủi ro đang sử dụng rộng rãi trên thế giới và đang được áp dụng tại Việt Nam Các tài liệu tham khảo [14], [26], [46], [94], [100], [118], [130], [132], [134], [138], [151] ; phương pháp đánh giá SCMT trong chế biến và sử dụng LPG trên thế giới và đang áp dụng tại Việt Nam Các tài liệu tham khảo [37], [48], [80] [87], [106], [118], [119], [147], [148] như đã trình bày trong chương I; các giải pháp phòng ngừa SCMT trong sử dụng TBAL Các tài liệu tham khảo [42], [61] để phát hiện và phân tích vấn đề còn chưa được đề cập hoặc đã được đề cập nhưng chưa phù hợp trong sử dụng LPG ở Việt Nam do những đặc thù trong sử dụng LPG ở nước ta như đã nêu. Cơ sở kỹ thuật an toàn2các tài liệu tham khảo [130], [132], [134], [151] Lý thuyết Domino của Heinrich: sự tương tác làm đổ dây chuyền trong một dãy quân domino. Lý thuyết Mô hình sai sót do lỗi của con người của Ferrel: tai nạn là kết quả của một loạt các nguyên nhân của sự cố ban đầu và sai sót là do con người. Lý thuyết năng lượng của Wiliam Haddon: liều lượng năng lượng, tốc độ chuyển hoá năng lượng liên quan đến múc độ nghiêm trọng của sự cố. Lý thuyết Mô hình hệ thống của Ferenzen: phân chia hệ thống thành các bộ phận của nó rồi kiểm tra các bộ phận này trong các mối quan hệ của chúng để phát hiện rủi ro và phòng ngừa sự cố. 13/14
Lý thuyết đa yếu tố của Gross: sự cố xảy ra do 4 yếu tố: con người (Man), máy móc (Machine), truyền thông (Media) và quản lý (Management). Hệ thống văn bản quy phạm pháp luật Việt Nam về an toàn, môi trường và sức khoẻ Các quy định về AT-VSLĐ, PCCN, BVMT trong bộ luật lao động [43], luật hoá chất [42], luật PCCC [44], luật BVMT [41] và văn bản hướng dẫn thi hành Các tài liệu tham khảo [5], [6], [8], [9], [11], [12], [34], [68] [74], [84] [87], [157], [160]. Quy luật lượng đổi thì chất đổi của chủ nghĩa duy vật biện chứng Trên cơ sởquy luật lượng đổi thì chất đổi của chủ nghĩa duy vật biện chứng, Eric Janch đã đề xuất quy luật ứng dụng cường độ tiến bộ KH-KT vào sản xuất. Ở Việt Nam, quy luật này đã được nghiên cứu áp dụng trong lĩnh vực BHLĐ [65]. Luận án nghiên cứu ứng dụng quy luật này để dự báo xu hướng phát triển về lượng và chất của thiết bị chứa LPG trên cơ sở phân loại thiết bị theo 3 cấp an toàn. Cơ sở logic học Vận dụng cơ sở lý thuyết về khái niệm của logichọc [16] để đề xuất khái niệm an toàn môi trường thiết bị. 14/14