МЕТОДЫ И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.642.033.004.55 DOI 10.25257/FE.2019.1.19-24

НАЗАРОВ Владимир Петрович Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: npbtp@bk.ru

МЕТОДЫ И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРУАРОВ

Статья посвящена исследованию методов и способов снижения уровня пожаровзрывобезопасности процессов дегазации. Излагаются теоретические методы и аналитические обобщения экспериментальных данных по предремонтной подготовке нефтяных резервуаров. Рассмотрены традиционные и новые современные способы снижения пожаровзрыво-опасности технологических операций процессов предремонтной подготовки (дегазации) нефтяных резервуаров.

Ключевые слова: резервуар, предремонтная подготовка, дегазация, пожаровзрывобезопасность, вентиляция, про-паривание, нефтепродукт.

П!

I роцесс подготовки оборудования к про-I ведению временных огневых работ представляет специфическую опасность, так как технологическая система выводится из нормального режима эксплуатации (она вскрывается) и создаются условия для образования взрывоопасных концентраций паров.

На стадии эксплуатации производственных объектов при предремонтной подготовке и ремонте технологических аппаратов возникновение пожаров обусловлено низким профессиональным уровнем подготовки персонала производственного объекта в области пожарной безопасности.

Подготовка оборудования к проведению временных огневых работ предусматривает составление наряда-допуска, в котором должны быть предусмотрены следующие комплексы мер пожарной безопасности:

- подготовка рабочей зоны к проведению пожароопасных работ;

- освобождение оборудования от пожароопасных веществ;

- отключение оборудования и установка заглушек;

- дегазация и очистка оборудования от остатков пожароопасных веществ.

Основы обеспечения пожарной безопасности предремонтной подготовки технологических аппаратов сформированы в работах [1, 2]. Вместе с тем процесс дегазации имеет определённую специфику и требует более детального рассмотрения.

Цель дегазации - достижение пожаровзрыво-безопасного состояния паровоздушной смеси внутри технологического оборудования.

Существуют следующие способы дегазации: вентиляция (естественная вентиляция, аэрация (деф-лекторная)), принудительная вентиляция; пропарива-ние (традиционное, импульсное).

Вентилируемый технологический аппарат может содержать газы, индивидуальные жидкости (гексан, гептан, толуол, спирты и т. п.) и многокомпонентные углеводородные жидкости (бензин, керосин, дизельное топливо, нефть и т. д.).

Существующие способы предремонтной подготовки резервуаров и танкеров нефтеналивных судов являются пожаровзрывоопасными. Одним из видов опасности является электризация технологических операций по предремонтной подготовке [3-5]. В соответствии с требованиями нормативных документов значение предельно допустимых взрывоопасных концентраций (ПДВК) ф можно определить по следующей формуле

/20,

где фпдвк - предельно допустимая взрывоопасная концентрация углеводородов, кг/м3; ср^п - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м3.

Одним из наиболее распространённых методов дегазации взрывопожароопасных паров является вентилирование.

Процесс вентиляции технологического аппарата в общем виде можно описать дифференциальным уравнением материального баланса:

^ф + дфс1т - дфвСт = МСт,

где V - объём аппарата, м3; д - расход приточного воздуха; ф и фв - концентрация паров жидкости в газовом пространстве аппарата и в приточном воздухе; М - интенсивность испарения (определяется по СП 12. 13130.2009 в зависимости от скорости воздушного потока при вентилировании); т - время, с.

© Назаров В. П., 2019

19

Процесс вентиляции в аппарате с остатком жидкости условно делится на три периода:

1-й период - концентрация паров жидкости изменяется интенсивно;

2-й период - концентрация паров жидкости остаётся постоянной;

3-й период - произошло полное испарение остатка жидкости, и концентрация паров быстро падает.

При этом временем полного вентилирования аппарата до безопасной концентрации будет являться сумма

На рисунке 7 приведены графики изменения концентрации паров в вентилируемом аппарате с остатком жидкости.

Длительность и эффективность процесса вентилирования зависят от ёмкости аппарата, его конструкции и устройства, состава и количества находящейся в нём жидкости, погодных условий и характеристик вентиляционного агрегата (температуры жидкости, расхода и температуры приточного воздуха), требуемой степени дегазации.

Продолжительность каждого из трёх периодов можно определить по формулам:

1-й период:

<7 М,-<7ф02

2-й период:

- индивидуальная жидкость:

Т, =

М2'

- многокомпонентная жидкость (нефтепро-

дукты):

1. М. т2 = 1п

а (р02(<7-аV)'

3-й период:

т, = 1п

<7 Фбез

где ф0 - начальная концентрация горючего газа (пара) в аппарате; ф02 - концентрация паров жидкости в начале второго периода; ф03 - концентрация паров жидкости в начале третьего периода; фбез - предельно допустимая концентрация газа (пара) в конце вентиляции, при которой гарантируется безопасность огневых работ.

В расчётах допускается принимать М = М] = = М=М .

I нач

Способы определения продолжительности второго периода для индивидуальных и многокомпонентных жидкостей (нефтепродуктов) различны. Это обусловлено тем, что в отличие от индивидуальных жидкостей интенсивность испарения нефтепродуктов

а б

Рисунок 1. Изменение концентрации паров в вентилируемом аппарате с остатком жидкости:

а - индивидуальная жидкость; б - многокомпонентная жидкость; тво - продолжительность опасности взрыва; тпо - продолжительность опасности пожара; то6щ - общая продолжительность вентиляции; фн - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м3; ф8 - концентрация насыщенного пара паров углеводорода

уменьшается во времени по экспоненциальной зависимости

М=М

2 н;

ехр(-ат),

где Миац - интенсивность испарения исходной жидкости; а - коэффициент, зависящий от свойств жидкости.

Для индивидуальных жидкостей интенсивность испарения можно определить согласно СП 12 по формуле

М = 10"6'пРн1/ц,

где г| - коэффициент, принимаемый по таблице 7 СП 12 в зависимости от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения; Рн - давление насыщенного пара при расчётной температуре жидкости определяемое по справочным данным, кПа; д - молярная масса, кг-кмоль-1.

Теоретические параметры пожаровзрывоопас-ности П и взрывоопасности П процесса вентиля-

ПВО Г ВО Г

ции оцениваются из соотношений: = т1+т2

1 ^ВО I

^общ

п =

общ

Нестационарный период характеризуется повышением температуры и увеличением за счёт этого концентрации паров жидкости. Увеличение концентрации водяного пара и паров жидкости обусловливает уменьшение концентрации кислорода в газовом пространстве.

Концентрацию кислорода в газовом пространстве аппарата можно определить по формуле

Фк =0,21

р _ рБ _ рБ

где Р - атмосферное давление, Па; Р* - давление насыщенного водяного пара, Па; Р^ - давление насыщенных паров жидкости, хранившейся в аппарате, Па.

Рж*=133,3ехр

18,3036

3816,44 Г-46,13

Суть оценки пожаровзрывоопасности процессов дегазации состоит в прогнозировании параметров П и П и сравнении их с различными иными

г ПВО ВО Г г

способами снижения концентраций в газовом пространстве резервуаров.

Современный способ вентиляции изложен в патенте 2518970 «Способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами» (авторы А. А. Киршев, В. П. Назаров, Я. В. Ко-ротовских), суть которого состоит в подаче воздуха внутрь резервуара вихревым способом.

Результаты стендовых испытаний показали, что интенсивность испарения нефтепродуктов с локальных поверхностей повышается в 3-7 раз по сравнению с традиционными способами вентилирования резервуаров [6, 7], что приводит к повышению уровня опасности загазованности. Это обстоятельство требует разработки безопасных способов выброса горючих смесей из резервуара. Вместе с тем следует отметить, что данный способ требует тщательной проверки в натурных условиях.

Пропарка технологических аппаратов является одним из распространённых способов дегазации и производится в целях снижения концентрации паров жидкости (дегазации), размягчения (расплавления) отложений, нейтрализации пирофорных соединений.

Пропарка производится, как правило, острым водяным паром. В этом процессе можно выделить два периода: нестационарный и стационарный.

где Т- температура газового пространства аппарата, К.

Давление насыщенных паров жидкости определяется по уравнению Антуана или по справочным данным.

Изменение концентрации кислорода в зависимости от температуры газового пространства аппарата при его пропарке графически представлено на рисунке 2.

В процессе пропаривания возможно образование статического электричества. Разряды статического электричества происходят в момент падения капель сконденсировавшейся воды и при ударах струи пара о преграду.

Минимально допустимый расход водяного пара (без учёта времени прогрева корпуса аппарата и технологических остатков), подаваемого в аппарат, определяется по соотношению

Ятт ~

мвек

80 100 I °С

Рисунок 2. Изменение концентрации кислорода при пропарке: фк - концентрация кислорода, % (об.); t - температура газового пространства, °С; тво - продолжительность взрывоопасного периода; МВСК - минимальное взрывоопасное содержание кислорода

где К — коэффициент теплопередачи; Т7- поверхность аппарата; Т6ез - температура, соответствующая минимальному взрывоопасному содержанию кислорода (независимо от вида жидкости равна 80 °С); Т — температура окружающей среды; /вп, /в - энтальпия водяного пара и воды соответственно.

Многочисленными исследованиями доказано, что истечение

паровоздушной смеси из резервуара происходит только при росте температуры в резервуаре. это фундаментальное положение было положено в основу разработки импульсного способа пропарки. Целью импульсной пропарки является интенсификация

процесса испарения нефтепродуктов и снижение концентрации их паров в резервуаре.

Переменно наступающих циклов повышения и понижения температуры в резервуаре можно достичь путём изменения значений расхода или энтальпии подаваемого водяного пара. Наиболее простым оказался способ кратковременного прекращения подачи пара, когда температура в резервуаре достигает верхнего заданного предела, и последующего включения подачи после достижения нижнего значения.

Сравнение температуры резервуара при пропарке импульсным и традиционным способами представлено на рисунке 3. В традиционном способе расход водяного пара имеет постоянное значение. Поэтому после нагрева резервуара изменение его температуры происходит вследствие изменений атмосферных условий и, прежде всего, суточных колебаний температуры.

Временные понижения температуры при импульсном способе (см. рис. 3) связаны с кратковременным прекращением подачи водяного пара. Суммарный расход водяного пара в импульсном способе меньше, чем в традиционном, при равных максимальных значениях расходов. Для сравнения различных способов пропарки принят коэффициент производительности пропарки к, который представляет отношение массы водяного пара, удаляемого из резервуара, к энергии водяного пара, подводимой в рассматриваемом периоде х.

Результаты расчётов свидетельствуют о том, что импульсная пропарка в 2-10 раз эффективнее традиционной, причём увеличение числа импульсов повышает эффективность процесса [8]. С течением времени эффективность пропарки традиционным способом уменьшается, а импульсным - увеличивается (см. рис. 3).

Выбор предельных температур резервуара во время импульсной пропарки необходимо производить с учётом пожаровзрывоопасности, экономической эффективности и ограничений в параметрах водяного пара.

Контроль процесса пропарки проводят путём измерения температуры паровоздушной смеси,

Т, к

353

333

313

293

0 1 2 х, сут

Рисунок 3. Изменение температуры Т резервуара во времени т при пропарке традиционным и импульсным способами:

--традиционный способ;

--импульсный способ;

--суточные колебания температуры

состава и количества конденсируемых паров. Подачу водяного пара выключают, когда температура паровоздушной смеси вблизи выходного отверстия резервуара достигает предполагаемого значения, и включают, когда температура паровоздушной смеси в резервуаре понижается до заданного значения. Периодически проверяют (определяют) количество конденсата нефтепродукта и водяного пара. При достижении концентрации паров нефтепродукта ниже безопасного значения подачу пара прекращают, и резервуар остывает. При фр < фпдвк процесс пропарки считают законченным (ф - рабочая концентрация в газовом пространстве).

ОСНОВНЫЕ МЕРЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЕНТИЛИРОВАНИИ РЕЗЕРВУАРОВ

1. Запрещение вскрытия люков-лазов первого пояса резервуаров при концентрации паров нефтепродукта в газовом пространстве резервуаров выше значения ПДВК.

2. Выброс паровоздушной смеси через газоотводные трубы.

МЕРЫ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОП ACH ОСТИ ПРИ ПРОПАРИВАНИИ РЕЗЕРВУАРОВ

1. Заземление паровой трубы и корпуса аппарата.

2. Подача водяного пара в аппарат при электростатической опасности при отсутствии в газовом пространстве взрывоопасной смеси.

3. Герметизация места ввода паровой трубы.

4. Выброс пара через холодильник в целях его конденсации и улавливания паров жидкости, что согласуется с требованиями экологической безопасности.

5. Поддержание температуры в газовом пространстве не менее 78 °С.

6. Разгерметизация аппарата после прекращения подачи водяного пара из-за опасности разрушения аппарата вследствие образования вакуума.

ЛИТЕРАТУРА

1. Назаров В. П., Коротовских Я. В., Швырков С. А., Петров А. П. Основы обеспечения пожаровзрывобезопасности современных инновационных способов предремонтной подготовки технологического оборудования // Пожаровзрывобезопасность. 2016. Т. 25, № 10. С. 41-47. 001: 10.18322/РУБ.2016.25.10.41-47

2. Швырков С. А, Горячев С. А, Сучков В. П., Клубань В. С., Петров А. П., Назаров В. П., Рубцов В. В., Сонечкин В. М, Воробьёв В. В., Панасевич Л. Т., Молчанов С. В., Рубцов Д. Н. Пожарная безопасность технологических процессов. Учебник / под общ. ред. С. А. Швыркова. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. 388 с.

3. Баширов М. Г., Юмагузин У. Ф., Талаев В. Л. Оценка технического состояния оборудования предприятий нефтегазовой отрасли на основе применения техноценологического метода // Нефтегазовое дело. 2012. № 5. С. 293-302. Режим доступа: Шрэ:// еМЬгагу.ги/Кет.азр?1а=20725665 (дата обращения 12.03.2019).

4. Волков О. М. Пожарная безопасность резервуаров с нефтепродуктами. М.: Недра, 1984. 150 с.

5. Блинов А. А., Харламов О. В. Защита от статического электричества объектов НПЗ, нефтебаз и трубопроводов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1985. 37 с.

6. Киршев А. А. Результаты сравнительных экспериментальных исследований способов вентиляции вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2013. № 2. С. 38-41.

7. Киршев А. А. Разработка экспериментального стенда для оценки интенсивности испарения углеводородных жидкостей// Пожаровзрывобезопасность. 2013. Т. 22. № 12. С. 38-42.

8. Назаров В. П., Ратайчак Д. Теоретические основы расчёта пропарки резервуаров с остатками нефтепродуктов / Сборник трудов «Исследование некоторых опасных факторов пожара» М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985. С. 22-32.

Материал поступил в редакцию 15 февраля 2019 года.

Vladimir NAZAROV

Grand Doctor in Engineering, Professor

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

E-mail: npbtp@bk.ru

METHODS AND WAYS OF REDUCING FIRE AND EXPLOSION HAZARD AT OIL TANKS DEGASSING

ABSTRACT

Purpose. The article considers methods and ways of reducing fire and explosion hazard when performing degassing processes.

Methods. Theoretical methods and analytical summarizing of preliminary preparation for maintenance of oil tanks are set out in the article. The traditional and new modern ways of reducing fire and explosion hazard of technological operations when preparing for (degassing) oil tanks maintenance are considered.

Findings. Computational and analytical approaches to estimating the level of hazard reduction when preparing oil tanks for maintenance are offered. A set of requirements for providing fire and explosion safety of degassing processes is developed and the ways of their practical implementation are presented.

Research application field. The proposed measures for providing fire safety can be taken into account when developing regulatory documents in the field of fire safety.

Conclusions. Fire and explosion safety provision requires the development of fire prevention measures. It is possible to develop fire safety requirements on the basis of fire risk data analysis and the research findings presented in this article.

Key words: oil tank, preparation for maintenance, degassing, fire and explosion safety, ventilation, steaming, oil product.

REFERENCES

1. Nazarov V.P., Korotovskikh Ya.V., Shvyrkov S.A., Petrov A.P. Basis for ensuring fire and explosion safety by modern innovative methods of pre-preparation process equipment. Pozharovzryvobezopasnost, 2016, vol. 25, no. 10, pp. 41-47. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.10.41-47 (in Russ.).

2. Shvyrkov S.A. , Goryachev S.A, Suchkov. V.P., Kluban V.S., Petrov A.P., Nazarov V.P., Rubtsov V.V., Sonechkin V.M., Vorobev V.V., Panasevich L.T., Molchanov S.V., Rubtsov D.N. Pozharnaya bezopasnost tekhnologicheskikh protsessov [Fire safety of technological processes. Ed. by S.A. Shvyrkov]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2012. 388 p.

3. Bashirov M.G., Yumaguzin U.F., Talaev V.L. Assessment of the technical condition of the equipment in oil and gas industry through the technocenosis method application. Neftegazovoe delo: internet-zhurnal, 2012, no. 5, pp. 293-302, available at: https://elibrary.ru/ item.asp?id=20725665 (accessed March 13, 2019). (in Russ.).

4. Volkov O.M. Pozharnaya opasnost rezervuarov s nefteproduktami [Fire safety of tanks with oil products]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 150 p.

5. Blinov A.A., Kharlamov O.V. Zashchita ot staticheskogo elektrichestva ob»ektov NPZ, neftebaz i truboprovodov [Protection of objects of oil refineries, tank farms and pipelines against static electricity]. Moscow, TsNIIITneftekhim Publ., 1985. 37 p.

6. Kirshev A. A. Results of comparative experimental research modes of ventilation vertical cylindrical tanks before rehabilitation. Pozhary i chrezvychaynye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2013, no. 2, pp. 38-41. (in Russ.).

7. Kirshev A.A. Development of an experimental stand to estimate the evaporation rate of hydrocarbon liquids summary. Pozharovzryvobezopasnost, 2013, vol. 22, no.12, pp. 38-42. (in Russ.).

8. Nazarov V.P., Ratajchak D. Teoreticheskie osnovy rascheta proparki rezervuarov s ostatkami nefteproduktov. Sbornik trudov "Issledovanie nekotorykh opasnykh faktorov pozhara" [Theoretical bases of calculation of steam tanks with remnants of oil products. Proceedings of the materials "A study of some of the dangerous factors of fire"]. Moscow, Higher engineering fire-technical school of the Ministry of Internal Affairs of the Soviet Union Publ., 1985. pp. 22-32. (in Russ.).

24

© Nazarov V., 2019