CC BY
17
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В. П. Сучков
д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
С. А. Швырков
канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
Р. Ш.Хабибулин
старший преподаватель Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
Д. Н. Рубцов
преподаватель Академии ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
Я. И. Юрьев
инженер,
Академия ГПС МЧС РФ, г. Москва, Россия
УДК 614.841
ОГНЕСТОЙКОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Обосновывается необходимость в развитии научного направления, связанного с обеспечением противопожарной защиты технологических систем объектов нефтегазовой отрасли. Это направление базируется на изучении огнестойкости технологических систем.
Ключевые слова: огнестойкость, технологические системы, устойчивость, тепловое воздействие.
Одним из важнейших вопросов обеспечения пожарной безопасности объектов нефтегазовой отрасли является изучение поведения технологических систем в условиях пожара.
Огнестойкостью технологической системы называется ее способность сохранять свою конструктивную целостность и (или) функциональное назначение при воздействии опасных факторов пожара (пламени, теплового потока).
Описание огнестойкости технологической системы в экстремальных условиях пожара базируется на решении двух самостоятельных задач:
• внешней, связанной с изучением закономерностей распределения теплового потока при пожаре на соседние объекты;
• внутренней, связанной с изучением процессов тепло- и массообмена, происходящих в технологической системе при воздействии на нее теплового потока в условиях пожара.
Для противопожарной защиты технологической системы необходимо обеспечить требуемую огнестойкость для того или иного ее элемента. Поэтому исследование последней как необходимого условия обеспечения противопожарной защиты технологической системы в целом целесообразно рассматривать как актуальное научное направление.
В изучении внешней задачи следует подчеркнуть вклад русской научной школы в познание процесса пожара в резервуарных парках. Первые отечественные работы в области огнестойкости системы ре-
зервуар - нефтепродукт, связанные с нормированием минимально допустимых расстояний между объектами, выполнены в начале 70-х годов Б. В. Грушевским и А-Х. С. Измаиловым [1]. Натурные экспериментальные исследования на полигонах городов Ярославль и Баку позволили им установить термические и геометрические характеристики пламени пожара, а также закономерности нагрева дыхательного клапана резервуара при воздействии теплового излучения.
Следует также отметить результаты исследований Э. Д. Роева и Я. Решетара, выполненных под руководством профессора Академии МЧС России Ю. А. Кошмарова, по составлению описания теплового воздействия в условиях пожара при непосредственном омывании пламенем технологического оборудования [2].
В результате теоретических и экспериментальных исследований на кафедре пожарной безопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС РФ впервые разработан алгоритм моделирования огнестойкости системы резервуар - нефтепродукт [3].
Основные положения огнестойкости системы резервуар - нефтепродукт к воздействию теплового излучения от горящего рядом резервуара представлены на рисунке.
Устойчивое состояние системы характеризуется выполнением следующих двух условий:
а) локальная текущая температура стенки tw, ограничивающая газовое пространство, не дости-
© Сучков В. П., Швырков С. А., Хабибулин Р. Ш, Рубцов Д. Н, Юрьев Я. И., 2010
38
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №4
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОН
Устойчивое состояние
Опасность взрыва внутри резервуара
Опасность факельного горения в местах выхода ПВС из резервуара
Опасность механического разрушения вследствие
потери прочности
а
Изменение внутренних параметров системы резервуар -нефтепродукт при воздействии тепла пожара
гает опасного значения, равного температуре самовоспламенения паров нефтепродукта tсв, т. е.
tw (х, y, г, т) < tсв; (1)
б) локальные рабочие напряжения ср, возникающие в элементах оболочки резервуара под действием избыточного давления паров внутри резервуара, не достигают предела текучести ст, т. е.
Ср(х y, г,т) <стТ(т). (2)
Опасность взрыва внутри резервуара количественно характеризуется следующими двумя условиями:
а) среднеобъемная концентрация паров нефтепродукта (СКПН) фп внутри резервуара входит в область взрывоопасных значений:
фп е [фнп; фвп]; (3)
б) локальная текущая температура стенки tw достигает или превышает опасное значение, равное температуре самовоспламенения паров tсв, т. е.
tw (х, у, г, т) > tсв. (4)
Следует отметить, что процесс выравнивания концентраций протекает более быстро по сравнению с процессом перераспределения температуры в оболочки конструкции.
Опасность факельного горения паров, выходящих из дыхательного клапана резервуара, количественно характеризуется выполнением следующих двух условий:
а) до и в процессе нагрева жидкости СКПН фп внутри резервуара превышает ВКПРП (верхний концентрационный предел распространения пламени), т. е.
Фп е [фнп; ф* ]; (5)
б) локальная текущая температура стенки дыхательного клапана tw достигает или превышает опасное значение, равное температуре самовоспламенения паров т. е.
tw - св(x, У, ^ т) > t св. (6)
Опасность разрушения конструкции резервуара характеризуется выполнением следующего условия: локальные рабочие напряжения ср, возникающие в элементах оболочки резервуара под действием избыточного давления паров внутри резервуара вследствие интенсивного кипения жидкости, превышают предел текучести ст , т. е.
Ср(х, у, г, t) <ст(t). (7)
Аналитически решить сложную задачу нестационарного тепло- и массообмена, происходящего в резервуаре при воздействии на него теплового потока от пульсирующего факела горящего нефтепродукта, практически не представляется возможным. Основным методом решения задачи является экспериментальное исследование и разработка методик численного расчета.
При этом принята следующая концепция решения внутренней задачи:
• разработка в общем виде модели, описывающей критерии огнестойкости системы резервуар -нефтепродукт;
• проведение активного эксперимента в целях установления входных параметров модели.
На основе экспериментальных данных и теоретического анализа процессов тепломассообмена при пожаре разработана методика расчета воздействия на объекты защиты лучистых тепловых потоков при пожаре розлива нефтепродуктов, которая базируется на использовании современных средств конечно-элементного моделирования [4].
Применяется такая последовательность численного моделирования:
• построение трехмерной конечно-элементной модели корпуса резервуара в виде горизонтальной цилиндрической оболочки;
• задание параметров модели в виде констант и расчетных зависимостей;
• задание начальных и граничных условий теплообмена;
• задание временных параметров расчета;
• решение полученной модели;
• визуализация и оценка результатов моделирования.
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №4
39
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Для определения внутренних граничных условий теплообмена в системе внутренняя оболочка резервуара - нефтепродукт (паровоздушная смесь) разработана математическая модель и компьютерная программа [5], основанные на численном решении системы дифференциальных уравнений. Система включает в себя уравнения энергетического баланса в жидкой и паровоздушной фазе, баланса массы жидкости и паровоздушной смеси в резервуаре. При постановке граничных условий теплообмена на внутренней стенке корпуса резервуара при контакте с паровоздушной фазой также учитывается лучистый теплообмен между внутренними поверхностями.
Расчеты на основе разработанной методики позволяют прогнозировать время достижения предельно допустимых температур оболочки горизонтального резервуара в зависимости от времени теплового воздействия и интенсивности падающего теплового потока от очага пожара.
Таким образом, полученные при численном моделировании данные могут использоваться для определения противопожарных расстояний на объектах нефтепродуктообеспечения, принятия обоснованных мер к снижению интенсивности воздействия теплового потока на резервуары с использованием средств противопожарной защиты.
В настоящее время на кафедре пожарной безопасности технологических процессов Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ проводится работа по оценке огнестойкости фланцевых соединений технологических систем с нефтью и нефтепродуктами [6]. Результаты исследований, проведенных ранее сотрудниками кафедры
пожарной безопасности технологических процессов АГПС МЧС России канд. техн. наук О. М. Волковым и инж. В. А. Березиным, показали, что поведение фланцевых соединений в условиях пожара является наиболее "слабым элементом технологической системы".
В результате теоретических и экспериментальных исследований разработан метод оценки огнестойкости фланцевых соединений. Проведен численный эксперимент по определению нестационарного температурного поля во фланцевом соединении в условиях пожара. Из результатов эксперимента видно, что фланцевое соединение в условиях пожара ведет себя как единая термодинамическая система.
Выводы
В настоящее время в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России сформировалось новое научное направление "Огнестойкость технологических систем в условиях пожара". В рамках данного научного направления в настоящее время проводится комплекс исследований, в которых принимают участие ряд соискателей по подготовке кандидатских диссертаций. Основная цель научного направления — создание научных основ противопожарного нормирования огнестойкости технологических систем, основанных на совокупности приемов и операций практического и теоретического моделирования устойчивости их к пожару, с целью установить требования пожарной безопасности для обеспечения эшелонированной защиты с учетом разработки ситуационных вариантов в пределах допустимого риска.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грушевский Б. В., Измаилов А-Х. С. Термические и геометрические характеристики пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья : НТИС. — М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1976.
2. Решетар Я. Исследование граничных условий для расчета огнестойкости строительных и технологических конструкций, омываемых пламенем при пожаре : автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М. : ВИПТШ МВД СССР, 1980. — 27 с.
3. Сучков В. П. Актуальные проблемы обеспечения устойчивости к возникновению и развитию пожаратехнологий хранения нефти и нефтепродуктов. — М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1995.
4. Хабибулин Р. Ш. Расчет тепломассообмена в горизонтальном резервуаре с ЛВЖ (ГЖ) при воздействии тепловых потоков пожара : свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008610213 от 9.01.08. — М. : Роспатент, 2008.
5. Шебеко Ю. Н., Корольченко А. Я. Моделирование пожаров технологических объектов // Моделирование пожаров и взрывов. — М. : Пожнаука, 2000. - С. 198-219.
6. Рубцов Д. Н., Сучков В. П. Модель пожара при разгерметизации фланцевых соединений // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — № 2. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2008.
Материал поступил в редакцию 24 февраля 2010 г.
Электронный адрес авторов: [email protected].
40| ЮМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №4
