CC BY
23УДК 621.642.033.004.55 DOI 10.25257/FE.2018.3.39-43
НАЗАРОВ Владимир Петрович
Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ
В статье приведены расчётные формулы для прогнозирования продолжительности аэрации и горизонтальных зон загазованности. Проведены расчёты вероятности образования горючей среды. Сопоставлены результаты промышленных испытаний и расчётно-аналитических оценок. Обоснована повышенная пожарная опасность естественной вентиляции и необходимость разработки мероприятий пожарной безопасности на стадии предремонтной подготовки нефтяных резервуаров.
Ключевые слова: пожарная опасность, резервуар, нефтепродукт, вентиляция, естественная вентиляция, аэрация, газовое пространство, паровоздушная смесь.
П
редремонтная подготовка нефтяных резервуаров является пожаровзрывоопасной технологической операцией. Научные основы обеспечения пожарной безопасности частично изложены в работах [1, 2, 4]. К традиционным способам вентиляции нефтяных и нефтепродуктовых резервуаров относится естественная вентиляция. Одним из существенных преимуществ естественной вентиляции (аэрация) является использование энергии ветра: в отличие от принудительной вентиляции исключаются затраты на электроэнергию, отсутствует источник зажигания, связанный с работой вентиляционного агрегата. Вместе с тем при аэрации возможна загазованность территории с образованием взрывоопасных смесей и опасность формирования в газовом пространстве горючих концентраций паров нефти (нефтепродукты).
Естественная вентиляция осуществляется за счёт ветра и гравитационных сил. Действием ветра можно пренебречь, если Ру > 0,5 НАрд, при 0,5HApg < < Ру < 10HApg аэрация происходит за счёт совместного действия сил ветра и гравитационных сил. Если выполняется условие Ру > 10НАрд, то гравитационными силами можно пренебречь.
ПРОЦЕСС АЭРАЦИИ В ШТИЛЬ ПРИ ОТКРЫТЫХ КРЫШЕВЫХ И НИЖНИХ ЛЮКАХ-ЛАЗАХ ПЕРВОГО ПОЯСА РЕЗЕРВУАРА
где ц - коэффициент расхода; /п , /у* - площадь приточного и вытяжного отверстий, м2; АРизб - избыточное давление в резервуаре, Па. При отсутствии значительных загрязнений в окружающей среде можно принять плотность приточной смеси рп равной плотности воздуха (рп = рв).
* Индекс «у» обозначает удаление, индекс «п» - приток.
Плотность удаляемой паровоздушной смеси ру можно определить из соотношения
Ру = Рв + (Pr - Рв) Ф-
(2)
Подставив соотношение (2) в формулу (1) и раскрыв АРизб, при условии отсутствия ветра получим
Чу М'П'^П Ну/у,
ЗДэг/рв(рв + (рг-рв)ф) |^пРв+Иу/у(рв+(рг-рв)ф)'
(3)
Учитывая, что рв а рг = формулу (3)
*t К
возможно преобразовать:
<7у =
_МпМу I 2#ЯЛ7ГФЛ7В(Л7В + (П7Г-/?7В)Ф)
(4)
Расход удаляемой паровоздушной смеси из резервуара при аэрации можно определить по формуле
Я У М'п f П М*у f \
2AP„36pnpy
2 г 2 2 г2 3
[Кп/пРп+^у/уРу
(1)
где тв, тг - молекулярная масса воздуха и паров нефти (нефтепродуктов), моль; Н - расстояние по вертикали между центрами приточного и вытяжного отверстий, м.
Введём обозначения в целях упрощения преобразования:
© Назаров В. П., 2018
39
Щ,
Ш ^п
и21г
У^М-у 1 у
+ 1
т.
тг-тв М„
т-т.
Преобразуем формулу (9) с учётом обозначений (5):
(5)
т =
2Щ
1
1
(10)
Процесс аэрации можно описать уравнением материального баланса:
^ф + 9уРгФу^т - 9уРгФп^х = Moе-атdт, (6)
где V - объём резервуара, м3; рг - плотность паров (газа), кг/м3; ф - концентрация паров нефтепродуктов; q - расход паров (газа); т - время, с; М0 - первоначальная скорость испарения нефтепродукта, кг/с; а - коэффициент испарения.
Преобразуя уравнение (6), а также учитывая обозначения группы математических выражений (5) и формулы (4), получаем следующую формулу:
с/т ^ (С+ф)
(7)
При /п = /у и отсутствии в резервуаре жидкой фазы й = 0 уравнение (7) примет вид:
Расчёт длительности вентилирования и вероятности предотвращения образования горючей среды Р при К, = 1, Р = 1 - т /Дт производился
г.с Г б 1 г.с н пдк ^
при использовании электронно-вычислительной машины (компьютер). Результаты расчёта продолжительности аэрации Дт , Дт , Дт для случаев
н пдвк' пдк •>
снижения Ф до значений Ф , Ф , Ф для резер-
Тг.^ Тн Тпдв^ Тпдк Г Г
вуаров, в которых хранился нефтепродукт, различного объёма при фо = ф5 и двух открытых люках (крышевого и люк-лаза первого пояса) представлены в таблице 1.
Примечание: Дтн - время снижения концентрации паров углеводорода до нижнего концентрационного предела распространения пламени, с; Дтщк - время снижения концентрации паров углеводорода до предельно допустимой концентрации по санитарным нормам, с; Дтцдвк - время снижения концентрации паров углеводорода до предельно допустимой взрывоопасной концентрации, с; фгп - концентрация паров нефтепродуктов (газ) в пространстве, кг/м3; фн - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м3; ф - предельно допустимая взрывоопасная концентрация, кг/м3; ф^ - предельно допустимая концентрация по санитарным нормам, кг/м3.
с1х
(8)
I Фо 3 |
Решив уравнение (8): т = — |ф2с/ф = —
л/ф
Уф
получим математическое выражение следующего вида:
/ Л
(9)
2
т = — А
1
л/ф-Ц/ф^
Общая задача (7) решалась методом Рунге -Кутта. Расчёт производился при использовании электронно-вычислительной машины (компьютер). Результаты расчёта продолжительности аэрации при наличии в резервуаре жидких остатков бензина АИ-93 при t = 20 °С в штиль приведены в таблице 2.
Расчёты свидетельствуют, что с увеличением размеров резервуара продолжительность аэрации существенно возрастает. Поэтому требования нормативно-технической документации должны предусматривать дифференцированный подход
Таблица 1
Результаты расчёта продолжительности аэрации стальных вертикальных резервуаров (РВС) без жидкой фазы и значения вероятности предотвращения образования горючей среды ^ = 0)
Таблица 2
Результаты расчёта продолжительности аэрации стальных вертикальных резервуаров (РВС) с остатками бензина АИ-93 и значения вероятности предотвращения образования горючей среды
Тип и размер резервуара Дтн> ч Дт , ч пдвк Дт , ч пдк' Р г.с
РВС-100 0,19 0,48 1,42 0,866
РВС-300 0,48 1,22 3,60 0,867
РВС-1000 1,39 3,56 10,51 0,868
РВС-5000 5,48 14,05 41,52 0,868
РВС-10000 21,96 56,26 166,30 0,868
РВС-20000 44,12 113,05 334,17 0,868
Тип и размер резервуара Дтн> ч Дт , ч пдвк' Дт , ч пдк' Р г.с
РВС-100 0,25 6,93 16,65 0,985
РВС-300 0,65 9,66 21,10 0,969
РВС-1000 2,00 14,82 34,41 0,942
РВС-5000 7,62 37,83 118,96 0,936
РВС-10000 28,54 146,33 432,76 0,934
РВС-20000 57,77 294,16 869,70 0,933
Примечание. Ргс - вероятность предотвращения образования горючей среды.
Таблица 3
Максимальный радиус взрывоопасной зоны
Объём резервуара, Высота резервуара, Максимальный радиус, м Температура, °С
V, м3 Н, м3 0 10 20 30 40
100 5,96 57,0 84,2 112,1 145,7 191,4
300 7,45 61,4 90,7 120,8 157,0 206,2
1000 8,94 65,3 103,8 138,3 179,7 236,0
3000 11,92 71,8 106,1 141,2 183,6 241,2
5000 14,90 77,4 114,3 152,1 197,8 259,8
20000 17,92 82,3 121,5 161,8 210,3 276,8
в зависимости от типоразмера резервуара. Пожаро-взрывобезопасность резервуаров без жидких остатков нефтепродукта практически не изменяется для разных резервуаров. При аэрации резервуаров с остатками жидких топлив с увеличением геометрических размеров пожаровзрывобезопасность снижается.
При вскрытии люков-лазов первого пояса за счёт сил гравитации из резервуара будут вытесняться пары углеводородов. Для определения размеров зон загазованности можно воспользоваться расчётной формулой О. М. Волкова [2], полученной применительно к подземным резервуарам:
X =10 (1,5 qи фн /Фо)-2/3. (11)
Применительно к естественной вентиляции наземных РВС при открытых крышевом и люке-лазе первого пояса формула (11) с учётом формулы (4) может быть преобразована:
I Я(1,29+2,21ф5) у (0,0506 + 0,558ф,.)ф|; (12)
Расчёты размеров зон загазованности для резервуаров, в которых хранился автомобильный бензин, приведены в таблице 3.
Расчёты свидетельствуют, что для условий штиля радиус загазованности зависит от расстояния между центрами приточного и вытяжного отверстий, а также концентрации в газовом пространстве. Эксперименты по исследованию аэрации проводились на РВС-200, которые использовались для хранения бензина марок А-76 и АИ-93, а также на нефтяных резервуарах РВС-20000 и РВС-5000. Опыты на нефтяном резервуаре РВС-20000 свидетельствуют о низкой эффективности естественной вентиляции. Так, естественная вентиляция (или аэрация) в течение 25 дней (5 дней - естественная вентиляция и 20 дней - аэрация с помощью 6 дефлекторов, установленных на крышевых люках) позволила снизить концентрацию с 350 до 4 г/м3.
Для оценки опасности загазованности при аэрации на РВС-20000 были вскрыты световые люки и люки-лазы первого пояса после специального гидромониторного насыщения газового пространства парами нефти нефтяной мойки резервуара. При вскрытии люков первого пояса наблюдался выброс паров нефти в виде струи длиной до 5 м. Концентрация паров нефти через 3-5 мин с подветренной стороны у основания обвалования составляла 42-80 г/м3, с наветренной стороны, соответственно, 30-95 г/м3 и 10-30 г/м3. Указанные экспериментальные данные и результаты расчётов, приведенные в таблице 3, свидетельствуют об опасности процесса аэрации.
Опыты на РВС-200, в которых хранился автомобильный бензин марок А-76 и АИ-93, свидетельствуют об удовлетворительном совпадении с данными расчёта. Так, за 9 ч естественной вентиляции концентрация снизилась с 210 до 12 г/м3. После герметизации люков концентрация в газовом пространстве снова возрастает. За 12 ч концентрация паров бензина А-76 возросла с 12 до 42 г/м3, т. е. в газовом пространстве образовалась горючая смесь паров бензина и воздуха.
Повышение эффективности естественной вентиляции и снижение уровня загазованности может быть обеспечено за счёт установки дефлекторов на крышевых люках-лазах. В опытах на РВС-200 при наличии в газовом пространстве паров бензина А-76 с концентрацией 360-340 г/м3 в процессе аэрации резервуара с помощью дефлектора концентрация паров бензина непосредственно у люка-лаза составляла 106 г/м3, а на расстояниях 1 и 3 м не превышала 12 и 2,6 г/м3 соответственно. Следует отметить, что предельно допустимая взрывоопасная концентрация (ПДВК) для паров бензинов составляет 2,0-2,2 г/м3.
Таким образом, естественная вентиляция является пожаровзрывоопасной стадией технологии предремонтной подготовки. Обеспечение пожаро-взрывобезопасности требует разработки пожарно-профилактических мероприятий в соответствии со ст. 93 Федерального закона от 22 июля 2008 года №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Формирование требований пожарной безопасности возможно осуществлять на основе анализа пожарного риска, например, пользуясь методикой определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах (приказ МЧС России от 10 июля 2009 года № 404 с изменениями и дополнениями), или на основе публикаций [3, 5-7]. В случае превышения величин пожарного риска нормативных значений необходимо использовать принудительную вентиляцию, например, на основе патента 2518970 «Способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами» (авторы А. А. Киршев, В. П. Назаров, Я. В. Ко-ротовских).
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. Горячев С. А, Молчанов С. В., Назаров В. П., Панасе-вич Л. Т., Петров А. П., Рубцов В. В., Швырков С. А. Пожарная безопасность технологических процессов. Ч. 2. Анализ пожарной опасности и защиты технологического оборудования. Учебник / под общ. ред. В. П. Назарова и В. В. Рубцова. М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. 221 с.
3. Гудин С. В., Хабибулин Р. Ш., Рубцов Д. Н. Проблемы управления пожарными рисками на территории объектов нефтепереработки с использованием программных продуктов // Пожаро-взрывобезопасность. 2015. Т. 24, № 12. С. 40-45. 001:10/18322/ РУБ/2015.24.12.40-45
4. Назаров В. П., Гилетич А. Н., Коротовских Я. В. Оценка исходных данных для прогнозирования опасности воспламенения и горения углеводородной плёнки на поверхности воды [Электронный ресурс] // Технология техносферной безопасности. 2012. Вып. 4 (44). Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=20356678 (дата обращения 20.06.2018).
5. Брушлинский Н. Н, Соколов С. В., Клепко Е. А, Белов В. А, Иванова О. В., Попков С. Ю. Основы теории пожарных рисков и её приложения. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. 192 с.
6. Vianello C, Maschio G. Quantitative risk assessment of the Italian gas distribution network Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2014. Vol. 32. P. 5-17. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.07.004
7. Tanaka T., Yamada S. BRI2002: Two layer zone smoke transport model. Chapter 1. Outline of the model. Fire Science and Technology. 2004. Vol. 23, no. 1. P. 1-44. DOI: 10.3210/fst23.1
Материал поступил в редакцию 26 июня 2018 года.
Vladimir NAZAROV
Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
ASSESSMENT OF FIRE HAZARD OF TANKS VENTILATION
ABSTRACT
Purpose. The article reveals some features related to assessing fire hazard of tank ventilation. Rre-maintenance setting of oil tanks was considered as the research object, the research subject was fire hazard of natural ventilation during pre-maintenance setting of technological equipment. The aim of the research was to increase fire safety level of tanks maintenance, the research objective was to forecast gas contamination zones during natural ventilation.
Methods. In the article the theoretical model of fire hazard calculation of natural ventilation of tanks was developed for the first time, experimental data on industrial tanks of various sizes were given.
Findings. The article contains calculation formulas for predicting duration of aeration and horizontal zones of gas contamination as well as probability calculation of combustible environment formation. The results of industrial tests and computational analytical values were
compared. The article proves major fire hazard of natural ventilation and the need to develop fire safety measures during pre-maintenance setting of oil tanks.
Research application field. The obtained results can be used in practice when carrying out fire maintenance operations in tank farms.
Conclusions. Natural ventilation is a fire and explosion hazard stage of pre-maintenance technology. Providing fire and explosion safety requires development of fire prevention measures. Fire safety requirements formation can be carried out on the basis of fire risk values analyses and the study results outlined in this research.
Key words: fire danger, tank, oil product, ventilation, natural ventilation, aeration, gas space, vapour-air mixture.
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. Goryachev SA., Molchanov S.V., Nazarov V.P., Panasevich L.T., Petrov A.P., Rubtsov V.V., Shvyrkov S.A. Pozharnaya bezopasnost' tekhnologicheskikh protsessov. CH. 2. Analiz pozharnoy opasnosti i zashchity tekhnologicheskogo oborudovaniya [Fire safety of technological processes. Part 2. Fire hazard analysis and protection of technological equipment. Ed. by V.P. Nazarov, V.V. Rubtsov]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2007. 221 p.
3. Gudin S.V., Khabibulin R.Sh., Rubtsov D.N. Problems of decision making in the fire risks management at the territories of oil processing facilities using modern software products. Pozharovzryvobezopasnost, 2015, vol. 24, no. 12, pp. 40-45. D0I:10/18322/PVB/2015.24.12.40-45 (in Russ.).
4. Nazarov V.P., Giletich A.N., Korotovskih Ja.V. Estimation of the source data for forecasting risk of ignition and combustion of hydrocarbon films on the surface waters. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2012, no. 4 (44), available at: https:// elibrary.ru/item.asp?id=20356678 (accessed June 6, 2018). (in Russ.).
5. Brushlinskiy N.N., Sokolov S.V., Klepko Ye.A., Belov V.A., Ivanova O.V., Popkov S.Yu. Osnovy teorii pozharnykh riskov i ee prilozheniya [Fundamentals of the theory of fire risk and its application]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2012. 192 p.
6. Vianello C., Maschio G. Quantitative risk assessment of the Italian gas distribution network. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, vol. 32, pp. 5-17. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.07.004
7. Tanaka T., Yamada S. BRI2002: Two Iayer zone smoke transport model. Chapter 1. Outline of the model. Fire Science and Technology, 2004, vol. 23, no. 1, pp. 1-44. DOI: 10.3210/fst23.1
© Nazarov V., 2018
43
