Σχεδιασμός και ανάπτυξη συστημάτων εκτίμησης βιομηχανικού κινδύνου σε εγκαταστάσεις διϋλιστηρίων

Abstract

The main objectives of the PhD Thesis are the examination of the credibility of currently used models which have been proposed by the main research teams of the Process Safety area, the recognition of critical parameters that are used in these models and the development of new models in areas where the existing ones are not sufficient to describe the accidents. The implementation of the models is being performed in case studies of an existing refinery. The credibility of the mathematical models that are being used by the most important research units concerning industrial safety is being performed mainly through their mutual comparison. In any case, the connection of the existing models with the main, basic and undoubtable equations of Chemical Engineering (such as the Bernoulli equation, heat and mass balances, etc.) is being investigated. The various types of models (source and consequence models) are being presented based on the industrial accident category. For the estimation of the critical parameters that are introduced in the models described above, the sensitivity analysis method is being used. During the analysis of existing models, the lack of a deterministic model aiming at the description and precognition of domino effects has been identified. This kind of events can take place in various cases, while the more often ones regard the exposure of a storage tank in the radiation of an external heat source (usually fire) of the same area. The model being developed in the PhD thesis describes this specific case, combining known theories (heat transport mechanisms, interchange of boiling and evaporation regimes) in an original way, based on the fact that it is important that the analysis is being performed separately for each different part, according to the special characteristics and conditions that dominate it. For the implementation of the existing mathematical models that have been described in the first part (credibility testing), of the sensitivity analysis, and of the new domino model that has been developed in the context of the present PhD thesis, a new software has been created. The CIADEM software (Computations of Industrial Accidents - Domino Effect Modeling) has been created using the Microsoft Excel program. Its results are usable, practical, and highly in line with the empiric knowledge acquired by a variety of - by case- similar accidents. In the same time, the results are following the principles of fluid mechanics and thermodynamics.

Στόχοι της διατριβής είναι ο έλεγχος της αξιοπιστίας των μοντέλων περιγραφής ατυχημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα από τις μεγαλύτερες ερευνητικές ομάδες στον χώρο, η αναγνώριση των κρίσιμων παραμέτρων που υπεισέρχονται στα μοντέλα αυτά κι η ανάπτυξη νέων μοντέλων σε σημεία όπου τα υπάρχοντα δεν επαρκούν για την περιγραφή των ατυχημάτων. Η εφαρμογή των εν λόγω μοντέλων γίνεται σε περιπτώσεις ατυχημάτων που μπορούν να συμβούν σε ένα συγκεκριμένο, υπάρχον διυλιστήριο. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας των μοντέλων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την περιγραφή ατυχημάτων στη βιομηχανία, πραγματοποιείται κυρίως μετά από την μεταξύ τους σύγκριση, ενώ σε κάθε περίπτωση αναζητούνται οι αρχικές, βασικές κι αποδεκτές εξισώσεις που διέπουν τα φαινόμενα. Τα είδη των μοντέλων (μοντέλα πηγής και μοντέλα επιπτώσεων) παρουσιάζονται ανά κατηγορία βιομηχανικού ατυχήματος. Για την εκτίμηση των κρίσιμων παραμέτρων των μοντέλων που περιγράφηκαν κατά το πρώτο στάδιο της διατριβής, χρησιμοποιείται η ανάλυση ευαισθησίας. Κατά την ανάλυση διαπιστώθηκε η έλλειψη ενός ντετερμινιστικού μοντέλου για την περιγραφή και πρόρρηση ατυχημάτων domino. Τέτοια ατυχήματα μπορούν να συμβούν σε πολλές περιπτώσεις, είναι όμως περισσότερο συχνά κατά την έκθεση δεξαμενής αποθήκευσης σε ακτινοβολία από εξωτερική πηγή θερμότητας (συνήθως φωτιά) στον ίδιο χώρο. Στη διατριβή αναπτύσσεται ένα μοντέλο που περιγράφει αυτή την περίπτωση, συνδυάζοντας γνωστές θεωρίες (μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας, εναλλαγή φαινομένων ζέσης και εξάτμισης) με έναν πρωτότυπο τρόπο, αναγνωρίζοντας ότι είναι σημαντικό η ανάλυση να γίνεται για κάθε ξεχωριστό τμήμα του συστήματος, προσαρμοσμένη στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και τις συνθήκες που επικρατούν σε αυτό. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται η ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων. Για την εφαρμογή της επίλυσης των υπαρχόντων μαθηματικών μοντέλων που περιγράφηκαν στο πρώτο στάδιο (έλεγχος αξιοπιστίας), της ανάλυσης ευαισθησίας αλλά και του νέου μοντέλου domino που αναπτύχθηκε στη παρούσα διατριβής, δημιουργήθηκε ένα νέο εργαλείο. Το λογισμικό αυτό ονομάζεται CIADEM (Computations of Industrial Accidents - Domino Effect Modeling) και δημιουργήθηκε στην εφαρμογή Excel της Microsoft. Η επίλυση με το λογισμικό δίνει αξιοποιήσιμα και πρακτικά αποτελέσματα, τα οποία συμφωνούν σε μεγάλο βαθμό με τις εμπειρικές γνώσεις που έχουν αποκομισθεί από πληθώρα παρόμοιων κατά περίπτωση ατυχημάτων, ενώ παράλληλα συμφωνούν με τη θεωρία της μηχανικής των ρευστών και της θερμοδυναμικής.