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]:

• Phương trình tổng quát của quá trình dãn nở đoạn nhiệt:

${\text{pv}}^k=\text{const}$ (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:

$l_{\text{12}}=-\mathrm{\Delta u}=C_v\times (T_1-T_2)$ (3.3)

• Công kỹ thuật:

$l_{\text{12}}^k=-\mathrm{\Delta h}=C_p\times \left(T_1-T_2\right)=k\times l_{\text{12}}$ (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)

Trong công thức này, áp suất P₂ 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 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:

$Q_{\text{đl}}={\alpha }_{\text{đl}}\times \left(T_{\text{vc}}-T_{\text{mt}}\right)\times F$[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 ( $Q{}_{\text{bx}}$) được tính theo công thức 3.8:

$Q_{\text{bx}}={\sigma }_o\times \epsilon \times T_{\text{vc}}^4\times F$[W] (3.8)

• Tổng lượng nhiệt truyền từ đám cháy ra môi trường:

$Q=Q_{\text{dl}}+Q_{\text{bx}}$ (3.9)

Cơ sở lý thuyết 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:

$C=〈C〉+C\text{'}$ (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:

$\begin{array}{}〈u{\text{'}}_j〉=0\\ 〈C\text{'}〉=0\end{array}$ (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 $〈u_j〉C\text{'}$và $u{\text{'}}_j〈C〉$ bằng 0 khi lấy trung bình;
• Hệ số thông lượng rối $〈u{\text{'}}_{j}C\text{'}〉$ khác 0 và được biểu diễn thông qua hệ số khuếch tán rối K_j (m²/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)

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: $〈C〉\left(x,y,z,t\right)=0$ở 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 ( $〈u_j〉=〈u_x〉=u=\text{const}$). Phương trình vi phân giống phương trình 3.22.

Cho hệ toạ độ di chuyển theo hướng x một khoảng $\mathrm{\Delta x}=x-\text{ut}$, phương trình có nghiệm là:

(3.24)

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 ${\sigma }_x$, ${\sigma }_y$, ${\sigma }_z$(m) [40], [150]: ${\sigma }_x^2=\frac{1}{2}{〈C〉}^2{〈\text{ut}〉}^{2-n}$ (3.25)

Phương trình xác định ${\sigma }_y$ và ${\sigma }_z$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 h& #432;ớng 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 ${\sigma }_x$, ${\sigma }_y$, ${\sigma }_z$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)

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 C(x,y,z,t) (kg/m³) 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].

• .Ứ 6b3a ng 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.

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 CO₂, CO, NO_x. Khi cháy LPG trong điều kiện đủ không khí sẽ sinh ra CO₂, làm giảm lượng oxy và hạn chế tầm nhìn.

• CO₂ 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 CO₂ lên cơ thể người sẽ gây nguy hại khi nồng độ lớn hơn 3%. Nếu nồng độ CO₂ trong không khí 5% sẽ gây thở gấp và đau đầu. Người tiếp xúc với không khí có nồng độ CO₂ 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, CO₂ 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 CO₂ đối với nguời được nêu ở bảng 3.2

• Trường hợp LPG cháy không hết sẽ sinh ra CO. Tác hại của CO đối với người là ngăn cản Hemoglobin (Hb) vận chuyển O₂ lên não theo phản ứng [136]:

O₂Hb + CO → COHb + O₂ (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 O₂ 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]:

(3.31)

Trong đó :

• 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 (m³/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)
• 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 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

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.
• 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

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”.