CC BY
242
© В.А. Воронов, Е.А. Любин, Е.Ю. Загороднсва, 2015
УДК 622.691.4.052
В.А. Воронов, Е.А. Любин, Е.Ю. Загороднева
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В КРИОГЕННЫХ РЕЗЕРВУАРАХ
Рассмотрены условия обеспечения безопасности при хранении и малотоннажном производстве сжиженного природного газа (СПГ), в том числе и на газораспределительных станциях магистральных газопроводов. Выполнен анализ технологии хранения сжиженного природного газа, конструктивных элементов изотермического резервуара, существенным образом влияющих на уровень его пожарной опасности. Определено, что такими элементами являются системы контроля расхода и уровня продукта в резервуаре, предохранительные устройства, теплоизоляция межстенного пространства, системы контроля утечек продукта и другие части объекта. Предлагается комплекс организационных, технических и технологических мер по организации процесса производства и хранения СПГ, выполнение которых позволит повысить безопасность эксплуатации оборудования изотермического резервуара: технологической обвязки, технологических трубопроводов, предохранительных устройств и системы защиты от повышения давления и образования вакуума, факельных систем, системы контроля и автоматизации.
Ключевые слова: сжиженный природный газ (СПГ), изотермический резервуар, криогенная жидкость, система газификации, система противопожарной и экологической защиты, жидкостно-газовый эжектор, газоуравнительная система.
В современном состоянии геополитической системы природный газ становится все более значимым энергоносителем и одним из регуляторов в мировом энергетическом балансе. Спрос на него растет и будет продолжать расти в ближайшие десятилетия в самых различных регионах мира.
Однако структура выручки основных газовых компаний согласно программе социально-экономического развития РФ в последние годы перераспределяется в значительной степени в
сторону внутреннего рынка. Еще в январе 2012 года правительство России приняло постановление «О внесении изменений в основные положения формирования и государственного регулирования цен на газ и тарифов на услуги по его транспортировке на территории РФ». Документ предусматривал, что конечный потребитель даже в самых отдаленных регионах страны, где не проложены газопроводы, гарантированно получит газ по цене, равной стоимости сетевого газа, установленной для данного субъекта РФ. Но существующая в России технология газификации с использованием сети газовых магистралей практически исключает из этого процесса целые районы с малыми населенными пунктами, фермерскими хозяйствами, коттеджными поселками, отдельными объектами промышленности, малыми предприятиями. Автономная газификация таких удаленных объектов - одна из сфер использования сжиженного природного газа (СПГ).
Использование СПГ позволяет решать проблему обеспечения различных объектов, в том числе промышленных предприятий, не имеющих централизованного газоснабжения, бытовым газом, теплом и электричеством посредством установки автономных теплоэлектростанций.
Таким образом, малотоннажное производство СПГ сконцентрировано на объектах и регионах России.
Одним из примеров актуального применения схемы автономной газификации является Ленинградская область, в которой с использованием СПГ планируется газифицировать ряд населенных пунктов Приозерского и Лужского районов. В регионе уже есть успешный опыт газификации СПГ в Приозер-ском районе на объектах курорта «Игора».
Сжиженный природный газ - самый экологически чистый и безопасный из массово используемых видов топлива, а это открывает широкие перспективы его использования в промышленности, на транспорте и в быту. Однако столь большая концентрация СПГ на относительно небольших площадях хранилищ станций обуславливает серьезную проблему обеспечения экологической и пожарной безопасности такого рода объектов, несмотря на то, что принятый по технологии изотермический способ хранения продукта снижает уровень пожаровзрывоопасности по сравнению с хранением под давлением.
При этом существующая в России нормативная база в области обеспечения безопасности таких объектов существенно отстает от опыта других стран и от потребностей практики. К примеру, при проектировании резервуаров в каждом конкретном случае проект должен согласовываться с надзорными органами в установленном порядке. Поэтому многие проблемы вызывают необходимость детальной научной проработки вопросов обеспечения пожарной и экологической безопасности изотермических хранилищ СПГ.
Кроме того, при хранении, перекачке и транспортировке сжиженного природного газа могут иметь место утечки из резервуаров, трубопроводов, шлангов и насосов. Также, при хранении и перекачке СПГ возникает риск возгорания, а если СПГ находится под давлением - то и взрыва вследствие пожароопасности испаряющегося газа.
Сжиженный природный газ - это криогенная жидкость (-163 °С [-259°Р]), в жидком состоянии он не горюч. Однако при нагревании СПГ образуется отпарной газ (метан), и при определенных условиях в результате его утечки может образоваться облако из паров метана. Утечка сжиженного газа может, при воспламенении, привести к струйному горению или возгоранию разлитой жидкости, либо к образованию облака из паров метана, потенциально огнеопасного, как в ограниченном, так и в открытом объеме. Разлив СПГ непосредственно на теплую поверхность (например, на поверхность воды) может привести к резкому переходу из одного агрегатного состояния в другое, известному под названием «быстрого фазового перехода» (БФП). Высвобождение при этом большого количества энергии может вызвать физический взрыв, не сопровождающийся горением или химической реакцией.
Для нейтрализации этих опасных факторов следует обеспечить соответствие резервуаров для хранения СПГ и их компонентов (например, трубопроводов, клапанов и насосов) международным стандартам структурной целостности и эксплуатационных характеристик с целью предотвращения внезапных отказов, а также пожаров и взрывов при эксплуатации в нормальном режиме и во время стихийных бедствий. В частности, необходимо учитывать положения о предохране-
нии от переполнения, вторичной защитной оболочке и обваловании, измерении и регулировании расхода газа, противопожарной защите (включая гасители пламени) и заземлении (для предотвращения образования электростатических зарядов).
Для хранения и перевозки СПГ используются криогенные резервуары различных видов. Например, емкости типа «термос» из высоколегированной нержавеющей стали с двойными стенками и глубокой экранно-вакуумной изоляцией или емкости с изоляцией из пенополеуретана. Однако при проектировании объекта СПГ рекомендуется использовать однотипные криогенные резервуары равного объема.
В соответствии с нормативными документами [1, 2] ко всем типам криогенных резервуаров, транспортных и стационарных предъявляются многочисленные требования, связанные с условиями их эксплуатации. Одним из таких требований является обеспечение сброса паровСПГ из резервуаров через газосбросной трубопровод и предохранительные клапаны, которые образуются в следующих аварийных случаях:
— при нагреве стенки кожуха до 600 0С;
— при полной потере вакуума в изоляционной полости или разрушения теплоизоляции;
— при заклинивании регулятора давления в открытом положении.
Более полный перечень основных случаев сброса паров представлен в табл. 1.
Хранение СПГ в резервуарах может осуществляться как с периодическим, так и с непрерывным газосбросом. И в том и в другом случае избыточное давление в процессе хранения не должно падать ниже минимального давления, установленного в инструкции на эксплуатацию резервуара (обычно 0,05 МПа).
В связи с этим в пневмогидравлической схеме криогенного резервуара или системы хранения СПГ должны быть предусмотрены противоаварийные устройства (система ПАЗ), обеспечивающие контроль давления и уровня СПГ в резервуаре, исключение перелива резервуара при заправке.
Таблица 1
Основные сбросы паров СПГ и природного газа на объектах малотоннажного производства и потребления СПГ
Вил сброса газа Характер сброса Примечание
Сброс холодных паров при заправке резервуаров, заправщиков транспортных средств Периодический
Сброс теплого газа при отогреве и регенерации систем очистки и осушки на входе в УСПГ Постоянный
Сброс холодных паров из резервуаров, заправщиков, транспортных средств, трубопроводах через предохранительные клапаны при превышении рабочего давления при проведении технологических операций Периодический
Сброс холодных паров из резервуаров, заправщиков, транспортных средств, трубопроводах через предохранительные клапаны при превышении рабочего давления в аварийных ситуациях Аварийный
Сброс пара и жидкости из заправочных коммуникаций после окончания заправки (слив жидкости из шланга) Периодический Возможен подогрев газа и испарение жидкости
Утечки холодных паров из насосов (имеется подогрев), теплого газа из компрессорных установок Постоянно при работе насосов и компрессорных установок Утечки из насоса, как правило, подогреваются
Сброс газа при вспомогательных операциях {продувки, полоскание) Периодический -
Сброс высококипящих компонентов из УСПГ, выделившихся в процессе сжижения природного газа в сжиженном или газообразном состоянии. Постоянно при работе УСПГ Необходимо испарять жидкую фазу
Для эвакуации отдельных групп примесей, накапливающихся в криогенном резервуаре в процессе его эксплуатации (диоксид углерода, высшие углеводороды), используется операция его частичного отогрева, связанная с удалением из него СПГ и продувкой сосуда теплым природным газом до мо-
мента возгонки примесей. Периодичность частичного отогрева резервуаров систем хранения регламентируется требованиями по содержанию примесей в СПГ, выдаваемом потребителю.
Для проведения подобного рода мероприятий без операций частичного подогрева, а также сброса паров в отдельных случаях предлагается рассмотреть применение различных систем улавливания легких фракций углеводородов (УЛФ). В на-сосно-эжекторных установках (НЭУ) могут быть использованы жидкостно-газовые эжекторы (ЖГЭ) с аэродинамическими схемами различных типов.
Для выбора одного из типов и упрощения всей процедуры удобно пользоваться характеристиками ЖГЭ, которые построены на основе теории фазовых равновесий, данные о которой применительно к работе жидкостно-газовых эжекторов в литературе отсутствуют. Вместе с тем, для ее использования необходимо уметь прогнозировать степень давления паров в зависимости от определяющих параметров. Для этого получены новые критериальные уравнения прогнозирования динамики испарения газа, проведены экспериментальные исследования для подтверждения теоретических основ теории фазовых равновесий применительно к жидкостно-газовым эжекторам [3].
Также предлагается использовать конструкцию и обвязку криогенного резервуара как газоуравнительную систему, отличающуюся наличием специального газосборника (рис. 2).
» 5 г \ «Г 5 I -________ 77Л 5 1 ? *///! ///г////»/. //г/////////г/?Л 8 е 1
3 ушж ш ш Г" ' ш (»// У//'У/ У/Л 'У//////////,'// Ц щи Г^У'Ггг,^ и 1 ц| Им
-'.У;
Рис. 1. Сборочный чертеж жидкостно-газового эжектора.
Рис. 2. Схема способа эжектор-ной системы улавливания: 1 — резервуар СПГ; 2 - газопровод СПГ; 3 - эжектор жидкостно-газовый; 4 — газосборник; 5 - линия регулирования давления; 6 - линия сбро-
са паров; 8,9,10 - задвижки
Наддув резервуара до рабочего давления производится испаренным газом и подачей его в свободный объем резервуара.
Компрессоры испарившегося СПГ должны обеспечивать сжатие паров, образующихся в изотермических резервуарах, с последующей их подачей в газопровод в систему топливного газа на собственные нужды или на обратную конденсацию с возвратом в изотермическое хранилище. При необходимости, подача паров на прием компрессоров может осуществляться газодувками через теплообменные аппараты.
На линии газосброса криогенных резервуаров должно быть установлено регулирующее устройство, препятствующего падению давления в резервуаре ниже заданного оператором. При этом необходимо предусматривать функцию нерегулируемого сброса давления с помощью устройства, оснащенного ручным приводом [1, 2].
Использование такого оборудования значительно увеличивает срок эксплуатации всей системы хранения и газификации СПГ, а применение комплекса научно-обоснованных требований к системам противопожарной и экологической защиты изотермических хранилищ гарантирует длительное, качественное и безопасное снабжение природным газом потребителей как промышленных, так и коммунальных объектов.
1. ГОСТ Р 55892-2013. Объекты малотоннажного производства и потребления сжиженного природного газа. Общие технические требования.
2. Ведомственные нормы на проектирование установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций(временные). ВНТП 51-1-88. МИНГАЗПРОМ СССР. Москва — 1987 г.
3. Любин Е.А. Обоснование технологии улавливания паров нефти из резервуаров типа РВС с использованием насосно-эжекторной установки. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПГГИ (ТУ). Санкт-Петербург — 2010 г. — 197 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Дешевых Ю.И. Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва — 2001 г. — 211 с.
5. Вовк B.C., Никитин Б.А. и др. Крупномасштабное производство сжиженного природного газа: Учебное пособие для вузов. — М.: ООО «Издательский дом Недра», 2011. — 243 с.
6. Бармин И.В., Кунис И.Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра/ Под ред. А.М. Архарова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, -2009. - 256 с.
7. Рачевский Б. С. Сжиженные углеводородные газы. - М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ», 2009. - 640 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Воронов Владимир Александрович — кандидат технических наук, voronov83@mail.ru,
Любин Евгений Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, lyubin.evgeniy@gmail.com
Загороднева Екатерина Юрьевна — студент, zacati@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.691.4.052
ENSURE ENVIRONMENTAL AND FIRE SAFETY LIQUEFIED NATURAL GAS STORAGE IN CRYOGENIC TANKS
Voronov V.A., PhD. tech., associate professor, voronov83@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Lubin E.A., PhD. tech., associate professor, lyubin.evgeniy@gmail.com, National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Zagorodneva E.Y., student,zacati@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia.
The paper deals with the conditions safety during storage and small-scale production of liquefied natural gas (LNG), including at gas distribution stations of main gas pipelines. The analysis of technology LNG storage, structural elements of the isothermal tank, significantly affecting the level of fire danger.Determined that such elements are control flow and level product in the tank, safety devices, insulation interwall space, control product leak sand other parts of the object. Proposed a set of organizational, technical and technological measures to organize the production and storage of LNG, the implementation of which will improve the safe operation of the equipment in sulated tank (process piping, process piping, safety devices and protection from increased pressure and vacuum generation, flare systems, control systems and automation). For the evacuation of certain groups impurities that accu-mulatein the cryogenic tankduring its operation, as well as to reset the gas vapors in the
planning and emergency cases are encouraged to useliquid-gas ejector (LGE) with aerodynamic design of various types.
Key words: liquefied natural gas (LNG), cryogenic tanks, cryogenic liquid gasification system, system of fireand environmental protection, liquid-gas ejector, gas equalizing system.
REFERENCES
1. GOST R 55892-2013. Ob#ekty malotonnazhnogo proizvodstva i potreblenija szhizhennogo prirodnogo gaza. Obshhie tehnicheskie trebovanija.
2. Vedomstvennye normy na proektirovanie ustanovok po proizvodstvu i hraneniju szhizhennogo prirodnogo gaza, izotermicheskih hranilishh i gazozapravochnyh stancij(vremennye). VNTP 51-1-88. MINGAZPROM SSSR. Moscow, 1987.
3. Ljubin E.A. Obosnovanie tehnologii ulavlivanija parov nefti iz rezervuarov tipa RVS s ispol'zovaniem nasosno-jezhektornoj ustanovki (Substantiation of technology vapor recovery of oil from reservoirs RVS type using pump-ejector unit. Thesis for the degree of candidate of technical sciences). Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. SPGGI (TU). Sankt-Peterburg, 2010. 197 p.
4. Deshevyh Ju.I. Pozharnaja bezopasnost' ob#ektov izotermicheskogo hranenija szhizhennogo prirodnogo gaza (Fire safety of isothermal storage of liquefied natural gas). Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Moscow, 2001. 211 p.
5. Vovk B.C., Nikitin B.A. i dr. Krupnomasshtabnoe proizvodstvo szhizhennogo prirodnogo gaza (Large-scale liquefied natural gas): Uchebnoe posobie dlja vuzov. Moscow: OOO «Izdatel'skij dom Nedra», 2011. 243 p.
6. Barmin I.V., Kunis I.D. Szhizhennyj prirodnyj gaz vchera, segodnja, zavtra (Liquefied natural gas yesterday, today and tomorrow) / Pod red. A.M. Arharova. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.Je. Baumana, 2009. 256 p.
7. Rachevskij B.S. Szhizhennye uglevodorodnye gazy (Liquefied petroleum gas). Moscow.: Izd-vo «NEFT'' i GAZ», 2009. 640 p.
