Xây dựng cơ sở khoa học đánh giá sự cố nổ thiết bị LPG

Khi đánh giá tác động của vụ nổ thiết bị chứa LPG cần phải kể đến mức độ hóa hơi của LPG lỏng sau khi thoát ra ngoài môi trường. Tuy nhiên, vấn đề này các nghiên cứu trước đây chưa được thực hiện một cách đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu hiện có đều giả sử rằng khi xảy ra sự cố nổ thiết bị chứa môi chất bất kỳ thì toàn bộ lượng lỏng thoát ra đều hoá hơi [23]. Do vậy, luận án tiến hành nghiên cứu xây dựng công thức tính lượng hơi LPG sinh ra (có kể đến tỷ lệ LPG lỏng hoá hơi sau khi thoát ra ngoài) sau vụ nổ thiết bị chứa LPG như trình bày sau đây với giả thiết:

• Quá trình thay đổi trạng thái của LPG từ trạng thái ban đầu trong thiết bị tới trạng thái sau (thoát ra môi trường) khi nổ thiết bị được coi là quá trình đoạn nhiệt;
• Lượng LPG lỏng trong thiết bị chỉ chiếm tối đa 80% thể tích [5]. Do vậy, thiết bị có thể tích tổng cộng là V₁ gồm 80% là LPG lỏng ( V1L size 12{V rSub { size 8{1} } rSup { size 8{L} } } {}) và 20% là hơi LPG ( V1V size 12{V rSub { size 8{1} } rSup { size 8{V} } } {}) theo thể tích tính theo công thức 4.1:

Luận án xây dựng công thức tính công sinh ra khi nổ thiết bị chứa LPG trên cơ sở coi quá trình nổ là quá trình đoạn nhiệt và kể đến tỷ lệ hóa hơi của LPG lỏng sau vụ nổ. Do LPG chứa trong thiết bị ở dạng khí hóa lỏng nên khi thóat ra ngoài môi trường sau vụ nổ nó sẽ thực hiện quá trình dãn nở đoạn nhiệt làm cho thể tích hơi LPG tăng lên đột ngột và tạo ra áp suất tăng tức thời gấp nhiều lần so với áp suất ban đầu tác động lên thiết bị chứa LPG [23]. Từ công thức 3.5, luận án phát triển, xây dựng công thức tính công sinh ra khi nổ thiết bị chứa LPG, với áp suất P₁ trong công thức 3.5 được điều chỉnh để phù hợp với áp suất của LPG tăng lên sau vụ nổ. Khi đó, áp suất tăng tức thời được tính theo công thức sau:

Với:  là hệ số hiệu chỉnh áp suất tăng lên do dãn ở đoạn nhiệt sau vụ nổ.

Gía trị hiệu chỉnh  phụ thuộc vào lượng LPG nạp trong thiết bị và điều kiện xảy ra sự cố. Nếu lượng LPG càng nhiều thì  càng lớn.

Với: 10⁴ là hệ số đổi đơn vị, từ kG/cm² sang kG/m². Công thức 3.5 được viết lại sau khi thế thay thế cho ta có công thức tính công sinh ra khí nổ thiết bị chứa LPG là

Nhận xét:

• Do áp suất khí quyển ít thay đổi nên công nổ chỉ còn phụ thuộc vào áp suất bão hòa của LPG trong thiết bị và thể tích của thiết bị. Áp suất hoặc/và thể tích LPG trong thiết bị càng lớn, công sinh ra do nổ càng cao, mức độ nguy hiểm càng lớn.
• Công sinh ra khi nổ thiết bị chứa LPG rất lớn, có thể gây ra sự cố theo hiệu ứng domino như làm đổ vỡ các công trình, nhà cửa ngay tại nơi xảy ra sự cố hoặc chướng ngại vật trên đường nó văng bắn, gây chấn thương cho con người. Vấn đề này cần được quan tâm hơn khi xây dựng khoảng cách an toàn trong sử dụng LPG.

Cháy có thể là hiệu ứng tiếp theo khi đám mây hơi LPG tạo thành sau vụ nổ thiết bị chứa LPG gặp điều kiện gây cháy. Khi bị cháy, LPG sẽ tiêu thụ oxy trong không khí làm thiếu oxy trong đám cháy; tạo ra sản phẩm cháy là khói có thành phần gồm CO₂, hơi nước và NO_­x gây ô nhiễm môi trường trong phạm vi ảnh hưởng của đám cháy. Luận án tiến hành xây dựng các hệ số tiêu thụ thể tích oxy lý thuyết, hệ số tiêu thụ thể tích không khí khô (KKK) lý thuyết, hệ số phát thải khói lý thuyết, hệ số phát thải CO₂ lý thuyết khi đốt cháy hoàn toàn 1 m³ LPG ở trạng thái hơi.

Từ phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của hợp chất hữu cơ (phương trình 3.6), ta có phương trình phản ứng cháy của propane và butane là:

Đối với propane:

Đối với butane:

Do thiết bị LPG công nghiệp được đặt ngoài trời nên nếu xảy ra cháy thì LPG sẽ cháy trong điều kiện đẳng áp và lượng không khí đủ để xảy ra cháy hoàn toàn. Dựa vào phương trình phản ứng cháy của propane (phương trình 4.16a) và butane (4.16b), luận án xây dựng các hệ số tiêu thụ oxy lý thuyết, tiêu thụ không khí khô (KKK) lý thuyết; hệ số phát thải khói lý thuyết, phát thải CO₂ lý thuyết khi cháy hoàn toàn 1 m³ hơi LPG như trình bày sau đây:

• Lượng oxy cần thiết để đốt cháy LPG: Từ các phương trình 4.16a và 4.16b, ta có: lượng ôxy cần thiết để đốt cháy 1 m³ LPG ở trạng thái hơi là:

Thay số nguyên tử C và H của propane và butane vào phương trình 4.17, có:

• Lượng không khí khô (KKK) lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 m ³ hơi LPG:

Thay giá trị của VO2=5,75 size 12{V rSub { size 8{O rSub { size 6{2} } } } =5,"75"} {}m³ vừa tìm được ở trên vào phương trình (4.18), ta tính được thể tích KKK lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 m³ hơi LPG là :

• Thành phần và thể tích khói sinh ra: Thành phần khói khi cháy hoàn toàn LPG gồm có CO₂, H₂O, N₂ được giới thiệu trong bảng 4.5:

Thành phần khói khi cháy LPG

Thành phần	CO 2	H 2 O	N 2
Propane	m	n/2	0, 79 V KK size 12{0,"79"V rSub { size 8{ ital "KK"} } } {}
Butane	m	n/2	0, 79 V KK size 12{0,"79"V rSub { size 8{ ital "KK"} } } {}
Hỗn hợp 50% Propane + 50% Butane	m	n/2	0, 79 V KK size 12{0,"79"V rSub { size 8{ ital "KK"} } } {}

Vậy, công thức tính thể tích khói sinh ra khi cháy 1 m³ hơi LPG là:

Thay các giá trị của m, n, tỷ lệ từng cấu tử và giá trị của lượng oxy lý thuyết vừa tìm được ở trên, ta có thể tích khói sinh ra khi cháy hoàn toàn 1 m³ hơi LPG là:

• Thể tích khí CO₂ sinh ra khi cháy 1 m³ hơi LPG là: VCO2=3,5 size 12{V rSub { size 8{ ital "CO"2} } =3,5} {}m³.

Tổng hợp kết quả xây dựng hệ số trong bảng 4.6

Hệ số tiêu thụ oxy, tiêu thụ không khí khô (KKK) lý thuyết, hệ số phát thải CO2, phát thải khói khi cháy 1 m 3 hơi LPG

Hệ số/Trạng thái tồn tại của LPG	Hệ số tiêu thụ O 2 lý thuyết	Hệ số tiêu thụKKK	Hệ số phát thải CO2	Hệ số phát thải khói
Trạng thái hơi	5,75	27,382	3,5	29

• Thể tích oxy lý thuyết và thể tích không khí lý thuyết bị tiêu tốn, thể tích CO₂ sinh ra khi cháy sau sự cố nổ thiết bị chứa thể tích V₁ (m³) LPG:

Như phần 4.1.1 của luận án đã trình bày, hỗn hợp lỏng và hơi LPG lúc đầu có thể tích V₁ (m³) LPG (công thức 4.1), sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG xảy ra ở điều kiện tính toán sẽ sinh ra thể tích hơi LPG tức thời ngay sau sự cố (công thức 4.12). Như vậy, thể tích oxy lý thuyết và thể tích KKK lý thuyết bị tiêu tốn, thể tích CO₂ và thể tích khói sinh ra khi xảy ra cháy sau vụ nổ thiết bị chứa V₁ (m³) LPG là:

• Thể tích oxy lý thuyết bị tiêu tốn: (m³) (4.20a),

tức là:

• Thể tích không khí lý thuyết bị tiêu tốn: (m³) (4.21a)

tức là:

• Thể tích khí CO₂ sinh ra: (m³) (4.22a)

tức là:

• Thể tích khói sinh ra: (m³) (4.23a)

tức là:

Phương pháp đánh giá tác động nhiệt sinh ra khi cháy đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG được luận án đề xuất như sau:

Như đã trình bày, ngay sau sự cố nổ, LPG lỏng trong thiết bị sẽ thoát ra ngoài và một phần LPG lỏng được dãn nở sau khi ra ngoài môi trường sẽ hóa hơi ngay lập tức. Phần hơi này kết hợp với phần hơi có sẵn trong thiết bị cũng được dãn nở hình thành đám mây hơi LPG đậm đặc. Nếu gặp điều kiện thuận lợi (như xuất hiện nguồn nhiệt, tia lửa điện …), đám mây hơi LPG sẽ bị kích nổ và cháy, tạo thành quả cầu lửa, phát tán trong không khí, gây thiệt hại về người (nhất là khi xảy ra nổ bồn chứa LPG tại các trạm cung cấp LPG gần các khu chung cư), phá hủy tài sản và gây ô nhiễm môi trường. Luận án nghiên cứu ứng dụng mô hình toán để khảo sát quy luật phát tán của quả cầu lửa khi cháy đám mây hơi LPG sinh ra sau vụ nổ thiết bị chứa LPG, trên cơ sở khảo sát hình ảnh mô tả sự di chuyển của quả cầu lửa trong thực tế. Theo những nguồn tài liệu mà tác giả luận án tiếp cận được

, cho đến nay chưa có tài liệu nào đề cập đến quá trình phát tán và đánh giá phạm vi ảnh hưởng của phát tán quả cầu lửa trong trường hợp cháy đám mây hơi LPG sau sự cố nổ một cách đầy đủ. Vì vậy, sau khi hồi cứu một số trường hợp nổ thiết bị chứa LPG trên thế giới được ghi lại bằng hình ảnh mô tả quá trình hình thành và chuyển động theo chiều gió của quả cầu lửa tạo thành sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG đã xảy ra trong thực tế (hình 4.12, 4.13, 4.14), luận án cho rằng quy luật phát tán trong không khí của đám mây hơi LPG sinh ra trong các vụ nổ thiết bị chứa LPG không tuân theo quy luật như trong mô hình nguồn thải điểm, phát tán liên tục dạng làn khói thường gặp. Đám mây hơi LPG phát tán một cách gián đoạn như hình ảnh đám mây hơi nước bay trên bầu trời trong điều kiện thời tiết bình thường.

Giai đoạn quả cầu lửa xuất hiện khi cháy đám mây hơi LPG Giai đoạn qủa cầu lửa bốc lên cao Giai đoạn qủa cầu lửa phát tán trong không gian

Luận án thực hiện khảo sát ứng dụng mô hình nguồn thải gián đoạn, đưa ra một số điều kiện đơn trị để áp dụng mô hình trong tính toán phát tán đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố nổ thiết bị chứa LPG xuất phát từ đặc điểm sử dụng LPG ở Việt Nam được tŕnh bày trong h́nh 4.15 như sau:

Điều kiện dơn trị trong mô hình phát tán quả cầu lửa

• 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; cấp ổn định khí quyển không thay đổi; Tốc độ gió trung bình của các địa phương ở Việt Nam có thể xác định bằng cách tra bảng theo TLTK [24]. Nếu đánh giá sự cố tại vị trí thiết bị chứa LPG đặt trên mặt đất và tại đường tâm của sự cố, ta có: y=z=0. Chiều gió chuyển động là trục x và lấy cấp ổn định là trung tính.
• Điều kiện thời gian: điều kiện ban đầu: t=0 (s) là thời điểm xảy ra sự cố, bắt đầu xuất hiện đám mây hơi LPG. Sau thời gian Δt quả cầu đó ít thay đổi và chỉ chuyển động do sức đẩy của gió với tốc độ chuyển động bằng tốc độ của gió u (m/s). Như vậy, sau khoảng thời gian t (s) tính từ lúc bắt đầu di chuyển khỏi nguồn, quả cầu lửa sẽ di chuyển được một khoảng x (m), cách nơi xảy ra sự cố, tính theo tâm luồng khí : x=u.t (m).

• Điều kiện hóa - lý: Trong quá trình phát tán, các chất ô nhiễm trong quả cầu lửa ít trao đổi vật chất với môi trường, không tham gia các phản ứng khác; không có các chất ô nhiễm khác khuyếch tán vào quả cầu lửa. Các thông số nhiệt vật lý như nhiệt dung riêng, khối lượng riêng của đám mây hơi là hằng số.
• Điều kiện địa hình: quá trình phát tán của đám mây hơi xảy ra tại nơi có địa hình bằng phẳng, không có chướng ngại vật, độ nhám mặt đất nhỏ.

Nồng độ chất ô nhiễm theo hướng gió của qủa cầu lửa trong không gian và thời gian được biểu diễn bằng mô hình toán 3.27 được viết lại dưới đây:

Ở đây: H_r: chiều cao hữu dụng của nguồn thải (m):

• h_r: chiều cao hình học của thiết bị. Do các bồn chứa LPG thường có chiều cao thấp, được đặt nằm ngang ngay trên mặt đất, do đó hr≈0 size 12{h rSub { size 8{r} } approx 0} {};
• Δh: chiều cao nâng của đám mây hơi:

Đối với nguồn thải điểm, chiều cao nâng của luồng khói được kể đến khi nguồn phát thải là nguồn nóng và chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất với môi trường không khí có giá trị khá lớn; vận tốc của khối khí trước khi thoát ra ngoài là ϖ≠0 size 12{ϖ <> 0} {}

. Trường hợp nguồn thải lạnh, chiều cao nâng cũng được kể đến khi vận tốc của luồng khí trước khí thoát ra ống khói ϖ≠0 size 12{ϖ <> 0} {} [93].

Đối với bài toán đang xét, từ nguồn tài liệu tham khảo mà tác giả luận án tiếp cận được thì cho tới điểm hiện nay chưa có công thức nào đề cập tới chiều cao nâng trong trường hợp này

... Hơn nữa, khi quan sát hình ảnh các sự cố nổ thiết bị chứa LPG đã xảy ra được ghi lại bằng hình ảnh thì đám mây hơi LPG hình thành ngay sát bề mặt thiết bị rồi mới bốc lên cao. Hình 4.16 và 4.17 cho thấy hình ảnh của quả cầu lửa được hình thành ngay sát bề mặt bồn chứa LPG trên tàu chở LPG.

Chính vì vậy và để đơn giản trong tính toán xét trong phạm vi sai số cho phép của bài toán, kết hợp với việc chuyển gốc tọa độ lên theo tâm của đám mây hơi trong quá trình di chuyển như đã trình bày trong phần 3.2.2, luận án giả thiết rằng độ nâng của đám mây hơi coi như không đáng kể, .

Hình ảnh quả cầu lửa hình thành sát bề mặt bồn chứa LPG trong sự cố tại Mehico năm 1984 Hình ảnh quả cầu lửa trong sự cố nổ thiết bị chứa LPG trên tàu biển

Từ công thức 3.27 và kết hợp với các giả thiết và điều kiện đơn trị, nồng độ của chất ô nhiễm lửa tại tâm trong quả cầu theo hướng gió theo công thức sau đây:

Như vậy, quả cầu lửa di chuyển trong khí quyển cùng với tốc gió và phát triển theo cả 3 hướng, phụ thuộc vào khối lượng đám mây hơi LPG ban đầu và chất ô nhiễm được tạo thành trong quá trình cháy, vào thời gian di chuyển ...