Xây dựng kịch bản sự cố trong sử dụng LPG ở Việt Nam
Nguy cơ xảy ra SCMT nghiêm trọng trong sử dụng LPG là điều có thể xảy ra nếu chúng ta không có biện pháp phòng ngừa hữu hiệu. Muốn vậy, cần phải xây dựng các kịch bản sự cố để có thể dự báo nguy cơ và tác động, đề ra ...
Nguy cơ xảy ra SCMT nghiêm trọng trong sử dụng LPG là điều có thể xảy ra nếu chúng ta không có biện pháp phòng ngừa hữu hiệu. Muốn vậy, cần phải xây dựng các kịch bản sự cố để có thể dự báo nguy cơ và tác động, đề ra biện pháp phòng ngừa thích hợp. Kịch bản sự cố trong sử dụng LPG phụ thuộc vào các yếu tố: loại LPG và thông số làm việc của LPG trong thiết bị (áp suất, nhiệt độ), loại và thể tích thiết bị chứa LPG, nguồn gây sự cố, điều kiện khí hậu, địa hình, môi trường nơi xảy ra sự cố, nguy cơ sự cố và hậu quả sự cố như trình bày trong hình 1
Các tiêu chí xây dựng kịch bản sự cố trong sử dụng LPG
Các tiêu chí xây dựng kịch bản sự cố được đề xuất trênđây sẽ được phân tích chi tiết trong phần tiếp theo của luận án.
Loại LPG
Tùy yêu cầu sử dụng, LPG có các loại với tỷ lệ thành phần Butane: Propane như trình bày trong hình 4.2:
Phân loại LPG theo thành phần các cấu tử
Ứng với mỗi loại LPG, thông số làm việc của môi chất trong thiết bị sẽ khác nhau như đã được trình bày trên đồ thị hình 1.6 chương I của luận án. LPG càng có nhiều propane càng có áp suất làm việc cao và ngược lại. Ứng với một loại LPG có thành phần cấu tử propane và butane khác nhau và tuỳ thuộc vào nhiệt độ bão hoà của nó, LPG trong thiết bị sẽ có áp suất bão hòa khác nhau. Tỷ lệ Propane càng cao thì áp suất bão hòa của LPG càng cao. Muốn hạn chế SCMT xảy ra hoặc giảm thiểu thiệt hại nếu xảy ra SCMT khi sử dụng thiết bị chứa LPG thì cần giảm thành phần Propane hoặc/và giảm nhiệt độ làm việc của LPG trong thiết bị.
Do được tồn trữ trong thiết bị ở áp suất khá cao nên khả năng cháy, nổ dễ xảy ra, khi bị rò rỉ, LPG sẽ thoát ra ngoài môi trường mãnh liệt, tạo hỗn hợp cháy, nổ với không khí. Giới hạn cháy dưới trong không khí khá thấp, nên nếu LPG bị rò rỉ ra môi trường không khí sẽ rất dễ xảy ra sự cố cháy.
Loại thiết bị chứa LPG
Ở Việt Nam, thiết bị chứa LPG rất đa dạng về chủng loại như hình 4.3. Hình dáng, kích thước thiết bị chứa LPG ảnh hưởng rất lớn đến kịch bản sự cố. Trong sử dụng LPG có các loại thiết bị với đặc điểm cấu tạo và thông số làm việc như sau:
Phân loại thiết bị chứa LPG theo công dụng
Cấu tạo và thông số thiết bị được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
Bồn tồn trữ và phân phối LPG
Bồn LPG có dạng hình cầu (hình 4.4) hoặc hình trụ nằm ngang. Bồn chứa LPG của Petrolimex được thiết kế và chế tạo theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASME Code, Section VIII), vật liệu chế tạo là thép JIS 3115, SPV 490 hoặc tương đương [89]. Bồn chứa LPG trên xe bồn chuyên dùng cung cấp LPG cho tuyến sau và khách hàng.
Hình ảnh bồn LPG hình cầuThông số kỹ thuật của bồn LPG của Petrolimex được giới thiệu trong bảng 4.1
Thông số kỹ thuật của bồn chứa LPG kho tồn trữ và phân phối [89]
Áp suất thiết kế Nhiệt độ thiết kế Áp suất thử 17,5 kG/cm2 Max +500C 27 kG/cm2 LPG được tồn trữ bằng bồn có dung tích lớn (từ 100 đến 500 m3). Từ đó, LPG được nạp vào bình chứa hoặc xe bồn để cung cấp cho kho tuyến sau hoặc khách hàng công nghiệp. Mỗi kho có một số bể chứa có dung tích phù hợp.
Bồn LPG công nghiệp
Tùy yêu cầu sử dụng, bồn chứa LPG công nghiệp có sức chứa: 1,25 tấn; 1,5 tấn; 2,5 tấn; 10 tấn; 20 tấn; 50 tấn; 100 tấn …
Bồn chứa LPG công nghiệp hình trụ nằm ngang (hình 4.5) được sử dụng rộng rãi. LPG tồn chứa trong thiết bị ở dạng lỏng, có áp suất phụ thuộc thành phần và nhiệt độ bên ngoài.
Bồn chế tạo ở nước ngoài theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASME Code), chế tạo trong nước theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 6153 6156). Vật liệu là thép JIS SPV 335…Thông số của bồn LPG công nghiệp như bảng 4.2.
Hình ảnh bồn LPG công nghiệpThông số kỹ thuật của bồn chứa LPG công nghiệp [89]
Áp suất làm việc tối đa Áp suất thiết kế Áp suất thử Nhiệt độ thiết kế Pmax = 12 kG/cm2 PTK = 18 kG/cm2 PT = 27 kG/cm2 -30 500C Bình LPG thương mại và dân dụng
LPG dân dụng và thương mại được chứa trong bình nhỏ, (hình 4.6) theo tiêu chuẩn. Ví dụ: bình gas Petrolimex có khối lượng LPG là 9 kg, 12 kg, 13 kg và 48 kg. Bình gas dân dụng và thương mại được chế tạo bằng thép chịu áp lực có các thông số kỹ thuật nêu ở bảng 4.3
Hình ảnh chai LPG dân dụngThông số kỹ thuật của bình chứa LPG dân dụng [89]
Áp suất làm việc Áp suất thiết kế Áp suất thử 6 kG/cm2 17 kG/cm2 34 kG/cm2 Bình LPG trong GTVT:
Hiện nay, phương tiện GTVT chạy bằng LPG đang được phát triển ở nước ta (hình 4.7). Do vậy, số lượng bình LPG trong GTVT ngày càng được sử dụng nhiều. Hình 4.6 giới thiệu bình chứa LPG đặt trong xe taxi. LPG được chứa trong bình LPG dùng cho phương tiện GTVT ở áp suất cao hơn trong công nghiệp, do vậy mức độ nguy hiểm cũng cao hơn.
Hình ảnh bình chứa LPG trong taxi- Đường ống dẫn LPG
LPG được dẫn từ phương tiện chuyên chở tới nơi tồn trữ thông qua hệ thống ống dẫn (hình 4.8). Đối với trạm cấp gas trong các tòa nhà, LPG được đưa tới hộ gia đình thông qua hệ thống ống dẫn, rất tiện ích đối với các hộ dân sống trong các khu chung cư cao cấp, như khu đô thị Trung Hoà - Nhân Chính (Hà Nội). Ngoài ra, có đường ống dẫn LPG cho các hộ tiêu thụ LPG công nghiệp, như lò nung, lò sấy ...
Hình ảnh hệ thống đường ống dẫn LPG
Do có nhiệt độ tự cháy khá thấp và được tồn trữ ở áp suất khá cao nên khả năng LPG tự cháy trong thiết bị khá lớn nếu bị gia nhiệt từ bên ngoài. Nếu xảy ra cháy trong hệ thống kín, hỗn hợp khí dãn nở, áp suất trong hệ thống tăng đột ngột, dẫn đến nổ gây nguy hiểm đến con người và môi trường. Áp suất ban đầu của hỗn hợp khí càng cao, nhiệt độ tự bốc cháy càng thấp và khoảng cháy, nổ càng rộng [94]. Do LPG được chứa hoặc vận chuyển trong những thiết bị, đường ống có áp suất cao nên dễ cháy, nổ.
Tùy theo việc đặt các thiết bị này trên mặt đất hay chôn ngầm mà kịch bản sự cố sẽ khác nhau. Các thiết bị chứa trên mặt đất dễ xảy ra sự cố BLEVE, còn các thiết bị chứa LPG chôn ngầm dưới đất do được cách ly với các nguồn cơ, nhiệt nên ít xảy ra hiên tượng BLEVE. Ở Việt Nam, thiết bị chứa LPG chủ yếu được đặt nổi, ngoài trời, không có thiết bị che chắn hữu hiệu nên nguy cơ xảy ra sự cố là rất cao và thiệt hại sẽ rất lớn.
Kịch bản sự cố còn phụ thuộc vào thiết bị phụ (van an toàn, hệ thống cứu hỏa …) lắp đặt trên thiết bị. Khi xảy ra cháy, nhiệt độ LPG tăng lên làm LPG lỏng bốc hơi, tăng áp suất trong thiết bị chứa LPG. Nếu van an toàn mở kịp thời, hơi LPG được xả ra ngoài rất mạnh làm sự cháy càng mãnh liệt và lan nhanh; nếu van an toàn không mở có thể dẫn đến nổ thiết bị. Mức độ sự cố còn phụ thuộc vào đường kính thoát của van an toàn cũng như sự chính xác của các thiết bị phụ khác như nhiệt kế, áp kế …
Nguồn gây sự cố
Các nguồn gây sự cố trong sử dụng LPG có thể là:
- Nguồn nóng (nguồn nhiệt): bề mặt nóng từ đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt…, ngọn lửa trần (thiết bị hàn, bật lửa, tàn lửa),;
- Nguồn lạnh: Tác động cơ học: ma sát (va chạm, vật rơi, văng bắn vào bồn LPG…); phản ứng hoá học; nguồn điện (gồm cả tĩnh điện): tia lửa điện, công tắc điện, động cơ điện …
Điều kiện thời tiết
Sự cố trong sử dụng LPG có thể xảy ra trong điều kiện khí quyển ổn định hay không ổn định, phân loại theo Pasqill – Gifford như đã được trình bày trong chương III của luận án. Môi trường không khí bên ngoài trong sử dụng LPG ở Việt Nam có nhiệt độ và tốc độ gió vào mùa hè khá cao là những yếu tố làm gia tăng tác động của sự cố tới con người và môi trường.
Môi trường nơi xảy ra sự cố
Sự cố trong sử dụng LPG có thể xảy ra trong môi trường đất, nước, không khí. Do nhẹ hơn nước (ở thể lỏng, tỷ trọng của butane bằng 0,575 và của propane bằng 0,51 ở nhiệt độ 150C và áp suất 760 mmHg) nên nếu rò rỉ ra môi trường nước, LPG sẽ nổi trên mặt nước và bay hơi rất nhanh và tạo hỗn hợp gas – không khí, nếu gặp nguồn gây cháy sẽ dẫn đến sự cố cháy, nổ và đám cháy LPG sẽ lan rộng trên mặt nước, nguy hiểm cho tàu, thuyền trên sông, biển. Do nặng hơn không khí (ở thể hơi, tỷ trọng của butane bằng 2,01 và propane bằng 1,52 ở nhiệt độ 150C và áp suất 760 mmHg) nên nếu rò rỉ ra môi trường khí, hơi LPG sẽ tích tụ trong các khu vực không được thông thoáng, kết hợp với không khí ở tỉ lệ nhất định tạo thành hỗn hợp cháy, nổ. Một lượng nhỏ LPG cũng sẽ hòa trộn với không khí tạo thành lượng lớn hỗn hợp cháy (3,785 lít butane tạo thành 46 m3 hỗn hợp cháy với không khí ở giới hạn cháy dưới). Do hơi LPG tích tụ ở chỗ thấp, dễ tiếp xúc với nguồn gây cháy. Khi có gió, hơi LPG sẽ phát tán trong không khí, phạm vi ảnh hưởng càng lớn nếu xảy ra cháy, nổ. Khi cháy, LPG tạo ra các chất gây ô nhiễm môi trường. Nếu cháy trong điều kiện thiếu oxy sẽ tạo ra oxít cacbon (CO) gây độc cho sinh vật.
Điều kiện môi trường (áp suất, nhiệt độ …) nơi xảy ra sự cố cũng ảnh hưởng đến kịch bản sự cố. Nhiệt độ bão hoà của LPG phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường bên ngoài. Nếu nhiệt độ môi trường càng cao, nhiệt độ bão hoà của LPG càng lớn.
Điều kiện địa hình
Kịch bản sự cố có thể xảy ra trong điều kiện địa hình bằng phẳng (hình 4.9) hay vùng có địa hình nhấp nhô (hình 4.10) như ở khu đô thị hay vùng đồi núi.
Bồn chứa LPG ở địa hình bằng phẳng
Bồn chứa LPG ở địa hình nhấp nhô
Hậu quả của sự cố
Khi xảy ra rò rỉ LPG, nếu lỗ rò rỉ nhỏ và lượng khí thoát ra ngoài ít, quá trình phát tán sẽ làm giảm nhanh chóng nồng độ của đám mây khí xuống dưới giới hạn cháy, trước khi gặp nguồn cháy; hoặc xảy ra rò rỉ LPG nhưng không có tác nhân gây cháy, nổ thì sẽ không dẫn đến sự cố cháy nổ. Khi đó lượng khí rò rỉ ra ngoài sẽ chỉ ảnh hưởng tới môi trường và con người xung quanh.
Cùng với sự cố rò rỉ LPG, cháy là nguy cơ có thể phát sinh do rò rỉ hoặc nổ thiết bị chứa LPG. Hậu quả trực tiếp của sự cố cháy, nổ là tạo ra các chất ô nhiễm không khí như NOX, CO, CO2; tạo ra bức xạ nhiệt quá giới hạn chịu đựng của sinh vật và môi trường; làm tổn thương nghiêm trọng hoặc gây tử vong cho người và sinh vật trong phạm vi quầng lửa. Nếu không kiểm soát kịp thời, đám cháy có thể sẽ lan rộng. Cháy có thể dẫn đến các ảnh hưởng thứ cấp, như tràn đổ hóa chất, nhiên liệu … làm cho đám cháy lan rộng.
Nguy hiểm hơn, tác động nhiệt của đám cháy có thể làm tăng nhiệt độ của LPG trong thiết bị nên làm tăng áp suất của LPG trong thiết bị dẫn đến nổ thiết bị chứa LPG làm gia tăng thiệt hại và gây tổn hại cho môi trường. Ngược lại, nổ thiết bị cũng có thể dẫn tới cháy đám mây hơi LPG hình thành sau vụ nổ.
Tổng hợp các khả năng xảy ra sự cố trong sử dụng LPG được nêu ở bảng 4.4
| Yếu tố ảnh hưởng | Kịch bản sự cố | ||||
| Thành phần | Butane 100% | 30%Butane70%Propane | 50%Butane50%Propane | 70%Butane30%Propane | Propane 100% |
| Thiết bị chứa | Bồn tồn trữ LPG | Bồn LPG công nghiệp | Bồn LPG trong GTVT | Bồn LPG thương mại và dân dụng | Đường ống dẫn LPG |
| Nguồn gây sự cố | Nguồn nhiệt(nguồn nóng) | Tác động cơ học (nguồn lạnh) | Phản ứng hoá học(nguồn lạnh) | Nguồn điện (nguồn lạnh) | |
| Thời tiết | Khí quyển ổn định | Khí quyển trung tính | Khí quyển không ổn định | ||
| Địa hình | Địa hình bằng phẳng | Địa hình nhấp nhô | |||
| Môi trường | Đất | Nước | Không khí | ||
| Nguy cơ | |||||
| Rò rỉ LPG từ thiết bị | Nổ thiết bị chứa LPG | ||||
| Rò rỉ từ phần lỏng | Rò rỉ từ phần hơi | Nổ hoàn toàn(đứt mối hàn ngang) | Nổ lỗ nhỏ | Nổ đường hàn dọc | |
| Hậu quả | Phát tán đám mây hơi gây ô nhiễm | Cháy đám mây hơi (cháy bùng, cháy tia, tạo quả cầu lửa) | Tác động cơ học (mảnh vỡ văng bắn) | Nổ đám mây hơi tạo sóng xung kích | Hiệu ứng dây chuyền |
Khi xảy ra sự cố trong sử dụng LPG thì hậu quả nhiều khi là sự tích hợp các sự cố liên hoàn theo hiệu ứng domino. Sau đây là một số khả năng thường gặp gây SCMT trong sử dụng LPG:
- Cháy → nổ thiết bị chứa LPG ;
- Cháy → nổ thiết bị chứa LPG → rò rỉ LPG
- Rò rỉ LPG → cháy
- Rò rỉ LPG → cháy → nổ thiết bị chứa LPG;
- Nổ thiết bị chứa LPG → thoát LPG → cháy.
Sự cố nổ thiết bị chứa LPG cũng có rất nhiều khả năng xảy ra như nổ hóa học, nổ vật lý. Nổ vật lý lại có thể là nổ thủng lỗ nhỏ ở vị trí xung yếu hoặc bật nắp đậy, mặt bích …
Tổ hợp các yếu tố tạo thành sự cố sẽ có các kịch bản sự cố khác nhau. Việc phân tích và đánh giá tất cả các kịch bản sự cố trên đây là công việc rất phức tạp, cần nhiều thời gian, với sự tham gia của các chuyên gia trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong phạm vi nghiên cứu đã được trình bày trong phần mở đầu, luận án sẽ xây dựng phương pháp đánh giá cho kịch bản sự cố là:
- Sự cố nổ hoàn toàn bồn chứa LPG công nghiệp đặt nổi, ngoài trời;
- Thành phần LPG: 50%Butane : 50%Propane
- Sự cố xảy ra do tác động cơ học (trạng thái lạnh);
- Sự cố xảy ra ở địa hình bằng phẳng;
- Sự cố xảy ra trong điều kiện khí quyển ổn định.
- Sự cố gây thiệt hại về người, tài sản, môi trường do mảnh vỡ của bồn chứa LPG văng bắn, hình thành quả cầu lửa …
Do tính phức tạp của các sự cố có thể xẩy ra trong sử dụng LPG nên để có thể hoàn thành các kịch bản sự cố này cần nhiều thời gian với sự tham gia của các chuyên gia trong các lĩnh vực khác nhau nghiên cứu hoàn thiện. Do vậy, luận án, như đã trình bày trong trong phạm vi nghiên cứu, tập trung giải quyết bài toán nổ hoàn toàn bồn chứa LPG là trường hợp nguy hiểm nhất như sơ đồ hình 4.11:
Kịch bản sự cố nổ hoàn toàn thiết bị chứa LPG
Phần lỏng LPG còn lại tiếp tục bay hơi, gây ô nhiễm môi trường đã được các nghiên cứu trước đây đề cập. Trong giới hạn của phạm vi nghiên cứu, đánh giá tác động cơ học do mảnh vỡ văng bắn và tác động do sóng âm và tác động nhiệt khi cháy đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố nổ hoàn toàn thiết bị chứa LPG tới môi trường và con người là hướng nghiên cứu chính của luận án.
Đối với hiệu ứng quá áp suất của sóng âm do nổ đám mây hơi LPG tại vị trí cách nơi xảy ra vụ nổ khoảng R (m) thường sử dụng phương pháp so sánh với lượng chất nổ TNT tương đương [116] để đánh giá tác động như sau:
- Bước 1: tính lượng chất nổ TNT tương đương:
Đối với Propane: khối lượng chất nổ TNT tương đương khi nổ đám mây hơi LPG có khối lượng m (kg) Propane) là: mTNTp≈0,3m(kg) size 12{m rSub { size 8{ ital "TNT"} } rSup { size 8{p} } approx 0,3m ( ital "kg" ) } {}
Đối với Butane: mTNTB≈0,4m(kg) size 12{m rSub { size 8{ ital "TNT"} } rSup { size 8{B} } approx 0,4m ( ital "kg" ) } {}
- Bước 2: Tính khoảng cách theo tỷ lệ Z bằng công thức 1.9:
- Bước 3: Xác định áp suất quá áp theo tỷ lệ ps (sử dụng đồ thị hình 1.12);
- Bước 4: Tính áp suất đỉnh sau vụ nổ:
po=ps×pa size 12{p rSub { size 8{o} } =p rSub { size 8{s} } times p rSub { size 8{a} } } {} (kPa)
- Bước 5: So sánh với mức áp suất quá áp (bảng 1.13) sẽ đánh giá được mức tác động của quá áp do nổ đám mây hơi đối với con người hoặc kết cấu công trình...
Các tác động cơ học do mảnh vỡ văng bắn và tác động nhiệt khi cháy đám mây hơi LPG hình thành sau sự cố nổ hoàn toàn thiết bị chứa LPG trong kịch bản sự cố này do cơ sở lý thuyết để đánh giá chưa được các nghiên cứu trước đây đề cập đầy đủ nên luận án sẽ xây dựng bổ sung cơ sở lý thuyết để có thể tiến hành đánh giá rủi ro định lượng (QRA) cho kịch bản sự cố này. Kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học bổ sung được trình bày trong phần 4.2 tiếp theo.
