Повышение эффективности вентиляции резервуаров с нефтепродуктами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

В. П. НАЗАРОВ, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры пожарной безопасности технологических процессов, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4; е-таП; [email protected])

А. А. КИРШЕВ, преподаватель кафедры пожарной безопасности технологических процессов, Академия ГПС МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4; е-таИ; [email protected])

УДК 621.642.033.004.55

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИИ РЕЗЕРВУАРОВ С НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Проведен анализ статистических данных по пожарам на резервуарах нефтегазового комплекса. Дана оценка эффективности исследуемых способов вентилирования резервуаров перед проведением на них огневых и ремонтных работ. С учетом экспериментальных данных предложено математическое описание и инженерные методы расчета процесса испарения исследуемых жидкостей при подготовке резервуаров нефтегазового комплекса к ремонту путем принудительной вентиляции воздухом горючих газов в их внутреннем пространстве.

Ключевые слова: пожарная опасность; очистка; ремонтные работы; огневые работы; резервуар; вентиляция.

Техническое перевооружение и реконструкция промышленных предприятий практически всегда связаны с проведением ремонта, антикоррозийной защиты и огневых работ на резервуарах.

С каждым годом количество аварий на резервуарах возрастает. Основной причиной роста является то, что большой процент резервуаров уже выработал свой проектный ресурс. Износ эксплуатируемых вертикальных стальных резервуаров (РВС) согласно [1] составляет 60-80 %.

Основными причинами выхода из строя стальных резервуаров являются [2]:

• коррозия корпуса резервуаров;

• повышение давления или образование вакуума в газовом пространстве резервуара сверх допустимых величин;

• склонность основного материала корпуса резервуара, сваренного из "кипящей" стали, к хрупкому разрушению в условиях резкого перепада температур хранимого продукта и окружающего воздуха в районах с низкой температурой и сильными ветрами;

• неравномерная осадка резервуаров в процессе эксплуатации, особенно в районах с неустойчивыми грунтами;

• образование концентраций напряжений, особенно опасных, в нижнем поясе и его сопряжение с днищем резервуара.

Выполнен анализ пожаров, происшедших на резервуарах с 2001 по 2012 гг. За этот период на территории России зарегистрирован 61 пожар (рис. 1) на резервуарах, из них около 90 % — на резервуарах, заполненных сырой нефтью и бензином.

© Назаров В. П., Киршев А. А., 2014

Данные рис. 1 позволяют сделать вывод о сохранении достаточно напряженной обстановки с пожарами резервуаров и резервуарных парков.

Основные причины пожаров на резервуарах по данным статистики представлены на рис. 2.

Очистка резервуаров от остатков нефтепродуктов при подготовке к огневым работам является

и

(Я Он О й

Е я Я о ч Р.

О ев

«8 с

П

л

п п гт

я

■■■ ■■■

ООООООООО^^^Н ОООООООООООО

Годы

Рис. 1. Количество пожаров на резервуарах за период 20012012 гг.

Огневые и ремонтные работы (23,5 %)

Искры от электроустановок (14,7 %)

Разряды статического электричества (9,7 %)

Проявления атмосферного электричества (9,2 %)

Пожары от самовозгораний пирофорных отложений, поджогов, неосторожного обращения с огнем (42,2 %)

Рис. 2. Распределение пожаров на резервуарах по причинам их возникновения

сложной и пожаровзрывоопасной технологической измерения на применяемых в настоящее время и

операцией. В настоящее время на практике широко новых видах топлива.

распространена очистка резервуаров методом при- С этой целью проведен ряд экспериментов по

нудительной вентиляции. Результаты, посвященные принудительной вентиляции резервуаров с остат-

исследованию пожаровзрывоопасности резервуаров ками нефтепродуктов воздухом в эксперименталь-

с остатками нефтепродуктов в процессе их венти- ном резервуаре (ЭР) и на экспериментальном полу-

ляции, были представлены ранее в трудах В. П. На- промышленном стенде (ЭПС) [3, 4]. Эксперимен-

зарова, В. В. Рубцова, В. П. Сорокоумова и др. тальные исследования процессов массообмена при

Анализ способов подготовки резервуаров к огне- вентиляции внутреннего пространства ЭР и ЭПС

вым и ремонтным работам показал необходимость проводились при постоянной производительности

исследования новых способов принудительной вентилятора по следующим схемам подачи приточ-

вентиляции резервуаров и проведения научных ис- ного воздуха: № 1 — инновационным способом

следований с использованием современных средств (рис. 3,а); №2 — "навстречу" (рис. 3,6); №3 —

Рис. 3. Схемы подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара: 1 — резервуар; 2 — вентилятор; 3 — линия удаления паров; 1.1-1.8, 2.1-2.8, 3 — точки измерений подвижности воздуха и потери массы жидкостями

традиционным способом (рис. 3,в);№ 4 — смешанным способом (рис. 3,г).

В процессе обработки результатов экспериментов установлены закономерности изменения различных гидродинамических условий, таких как: концентрация, плотность потока массы, подвижность подаваемого воздуха внутри резервуара и мощность выброса при вентиляции резервуара.

На основании экспериментально-теоретического исследования разработаны инженерные методы расчета интенсивности испарения нефтепродуктов в пространстве резервуара.

Средняя теоретическая подвижность воздуха ю (м/с) во внутреннем пространстве резервуара определялась по формуле [5]:

ю = 0,7 б^КЮ,

где еп — энергия приточной струи, м2/с3;

е п = /п»3п/(2К);

(1)

(2)

/п — площадь приточного отверстия, м

/п = 0,785й?

пр. от'

(3)

пр.от диаметр приточного отверстия, м; &п — скорость подачи воздуха в приточное отверстие, м/с;

V — объем резервуара, м3; Го—общая площадь поверхности резервуара, м2. Результаты расчета и экспериментальные значения средней подвижности воздуха при исследуемых способах подачи приточных струй во внутреннее пространство резервуара приведены в табл. 1.

Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей изменения относительной плотности потока массы в плоскости вентилирования экспериментального резервуара, ограниченной точками измерения 1.3, 2.3, 3, 2.7 и 1.7 (плоскость вентилирования № 3), при организации схемы вентиляции инновационным способом по однокомпонентной жидкости — толуолу представлены на рис. 4, традиционным — на рис. 5.

Установлено, что изменение схемы подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара при практически одинаковой подвижности воз-

Таблица 1. Значения средних скоростей воздуха во внутреннем пространстве резервуаров

Схема подачи струи приточного воздуха ЭР ЭПС

расчет эксперимент расчет эксперимент

№ 1 0,55 2,9 0,23 0,88

№2 0,60 3,5 0,21 0,70

№ 3 0,50 2,7 0,11 0,42

№4 0,57 3,0 0,22 0,74

духа в нем, за исключением схемы № 1 (см. табл. 1), оказывает незначительное влияние на интенсивность испарения нефтепродуктов [3, 4].

В результате анализа теоретических разработок и экспериментальных опытов получена эмпирическая формула по определению интенсивности испарения при использовании исследуемых способов подачи приточного воздуха. Данная формула имеет вид:

'ри^

М = А о кр

V

Ке°,8 е2Ргдядц°,5,

(4)

где — коэффициент эффективности схемы вентиляции;

пр — число, учитывающее поперечный поток массы;

л р = Л/ (ро); (5)

] — плотность потока массы, кг/(с-м2);

2.3 3 2.7

Точки измерения (плоскость № 3)

о р & о

О

& §

2.3 3 2.7

Точки измерения (плоскость № 3)

Рис. 4. Изменение потери массы толуола (а) и скорости приточного воздуха (6) в зависимости от подвижности воздуха над поверхностью испарения в экспериментальном резервуаре при подаче приточного воздуха инновационным способом

■ Эксперимент

■ Расчет

ч 3 Я'8 в

3 н I |||

" 5

I

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

1.3 2.3 3 2.7

Точки измерения (плоскость № 3)

1.7

ЕЗ §~

й и

о

в.&

2.3 3 2.7

Точки измерения (плоскость № 3)

Рис. 5. Изменение потери массы толуола (а) и скорости приточного воздуха (6) в зависимости от подвижности воздуха над поверхностью испарения в экспериментальном резервуаре при подаче приточного воздуха традиционным способом

Тв — Яе

Рг

Дг-

/ — характерный линейный размер, м;

/ = № (6) р — плотность воздуха, кг/м3; и — коэффициент кинематической вязкости,

м2/с;

и = [14,7 + 0,09(Тв- 283)] • 10-6; (7)

температура окружающего воздуха, К; аналог числа Рейнольдса;

Яе = ю//и; (8)

температурный фактор;

— число Прандтля диффузионное;

РГд = и/Д; (9)

- коэффициент диффузии, м2/с; параметрическое число парциального давления;

ц — относительная молекулярная масса нефтепродукта.

Коэффициент диффузии пара или газа в воздухе при рабочей температуре определяют по формуле

Д = Д0 (Тв/213)п , (10)

где Д0 — значение коэффициента диффузии, приведенное в справочной литературе, м2/с; п — показатель степени, принимаемый по справочной литературе; п = 2.

Температурный фактор определяется по формуле

0 Тпов.исп /Токр.ср5 (11)

где Гпов исп — температура поверхности испарения нефтепродукта, К;

Гокр.ср — температура окружающей среды, К. Параметрическое число парциального давления

Лд = Р;/Р0, (12)

где — давление насыщенного пара, Па;

Р0 — абсолютное давление в газовом пространстве резервуара, Па.

Относительная молекулярная масса нефтепродукта вычисляется по выражению

ц = 1,55 +0,0207(Тн.к-293), (13)

где Гн.к—температура начала кипения жидкости, К.

Коэффициент эффективности схемы вентиляции А0 в формуле интенсивности испарения (4), как эффективность вентиляции исследуемых схем подачи приточного воздуха, характеризуется отношением экспериментальной интенсивности испарения при исследуемом способе к интенсивности испарения при традиционном способе:

А = ^э(СХем)/ Ж,(трад), (14)

где Ж3(схем) — экспериментальная интенсивность испарения исследуемой схемы подачи приточного воздуха, кг/(м2-с);

Таблица 2. Значения коэффициента эффективности А0 для исследуемых жидкостей

Способ подачи воздуха Коэффициент эффективности

Вода ДТ (евр°) АИ-92/95 (евро) Толуол

№ 1 4,00 4,00 2,52 6,36

№2 0,50 0,50 1,40 2,90

№ 3 1,00 1,00 1,00 1,00

№4 0,50 0,50 1,36 1,36

^э(трад) — экспериментальная интенсивность испарения при традиционном способе подачи приточного воздуха, кг/(м2-с). Основным критерием эффективности рассматриваемого метода подготовки резервуаров к огневым и ремонтным работам является время вентиляции. Продолжительность вентиляции зависит от подачи вентилятора, температуры приточного воздуха, площади поверхности испарения, вида нефтепродукта и схемы подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара.

Количественным критерием для сравнения различных схем подачи воздуха принят коэффициент эффективности, который для схемы подачи воздуха № 3 (традиционный способ) равен 1. При уменьшении времени испарения остатков нефтесодержащих жидкостей в исследуемых схемах вентиляции коэффициент эффективности увеличивается по сравнению со схемой № 3.

Результаты расчета коэффициента эффективности А0 для формулы интенсивности испарения (4) для каждой схемы подачи приточного воздуха представлены в табл. 2.

При вентиляции газового пространства внутри резервуара можно использовать способы подачи приточного воздуха, приведенные в данной статье. Однако их эффективность оценивается путем сравнения значений среднеобъемных потерь массы жидкостями при одинаковой подаче вентилятором приточного воздуха, а также по материальным затратам.

На основании полученных данных по оценке эффективности исследуемых способов подготовки резервуаров нефтегазового комплекса к ремонту путем принудительной вентиляции можно сделать вывод, что наиболее интенсивно процессы испарения протекают при организации воздухообмена по схеме № 1. На данный способ от 04.03.2014 г. получено решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности о выдаче патента на изобретение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Назаров В. П. Обеспечение пожаровзрывобезопасности при ликвидации аварий и ЧС на объектах транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов // Актуальные проблемы пожарной безопасности : матер. XXI Междунар. науч.-практ. конф. — М. : ВНИИПО, 2009. — Ч. 1. — С. 166-169.

2. Волков О. М., Назаров В. П., Шатров Н. Ф., Шухатович А. Д. Исследование процесса вентиляции резервуаров с остатками нефтепродукта // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья: сб. научн. тр. — М. : ЦНИИТЭнефтехим, 1980. —№2. — С. 9-12.

3. Киршев А. А. Результаты сравнительных экспериментальных исследований способов вентиляции вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. — С. 38-41.

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

5. Эльтерман В. М. Вентиляция химических производств. — М. : Химия, 1971. — 238 с.

Материал поступил в редакцию 18 апреля 2014 г.

= English

EFFICIENCY IMPROVEMENT OF VENTILATION IN TANKS WITH OIL-PRODUCTS

NAZAROV V. P., Doctor of Technical Sciences, Professor of the Fire Safety of Technological Processes Department, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation; e-mail: [email protected])

KIRSHEV A. A., Lecturer of the Fire Safety of Technological Processes Department, State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation; e-mail: [email protected])

ABSTRACT

Technical modernization and reconstruction of industrial enterprises are fast always connected with performance of repair works, anti-rusting coating and performance of hot works on tanks.

Each year the quantity of accidents on tanks increases. The main reason for such growth is the fact, that large percentage of the tanks is overaged. The aging of the operated upright steel tanks amounts to 60-80 %.

This article set out the main reasons for breakdown of the steel tanks. The fires, happened in tanks from 2001 to 2012, and their courses have been analyzed. Cleaning of the tanks from oil residues at preparation for hot works is a complex and explosion/fire hazardous process step. In the present time, as a matter of practice, cleaning of the tanks by means of forced ventilation is widely spread.

The article is devoted to efficiency improvement of ventilation in the tanks with oil-products. In order to find and study new ways of cleaning (degassing) of the tanks with oil residues, a number of experiments for forced ventilation with air of combustible gases in an experimental tank and experimental pilot stand. Experimental researches of the mass exchanging processes at ventilation inside the experimental tank and experimental stand were carried out under conditions of fixed capacity of the ventilator according to the following inlet-air circuits: no. 1 — air-stream feed "innovative"; no. 2 — air-stream feed "counterflowing"; no. 3 — air-stream feed "traditional"; no. 4 — air feed "mixed".

In the course of processing of the outcomes of the experiments the following common factors of changes in various hydrodynamic conditions have been recognized: concentration, mass flow density, supply-air motion inside the tank and emission rate at ventilation of the tank.

Basing on the experimental-theoretical research engineering approaches for estimation of evaporation rate of oil-products at the bottom of the ventilated tank were developed.

The main efficiency criterion of the considered approach for preparation of the tanks for hot works is ventilation time. The duration of ventilation depends on ventilator capacity, temperature of the incoming air, evaporation surface, type of oil product and method of incoming-air feed to the inside of the tank.

Efficiency ratio is taken as the quantitative value for comparison of different inlet-air circuits. On the basis of the resulting data concerning efficiency estimation of the investigated approaches for preparation of the oil-and-gas complex tanks for repair, by means of forced ventilation, it may concluded, that most intensively evaporation progresses at organization of air exchange according to circuit no. 1. For this approach on 04.03.2014 the decision on grant was obtained at the Federal Service for Intellectual Property (Rospatent).

The article presents estimation and efficiency ratio is determined in the estimation formula of the evaporation rate.

Keywords: fire danger; cleaning; repair work; hot work; tank; ventilation.

REFERENCES

1. Nazarov V. P. Obespecheniye pozharovzryvobezopasnosti pri likvidatsii avariy i ChS na obyektakh transporta i khraneniya nefti i nefteproduktov [Securing fire and explosion safety during breakdown and emergencies elimination at oil storage and oil transportation facilities]. Aktualnyye problemy po-zharnoy bezopasnosti : materialy XXI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Acute problems of fire safety: Proceedings ofXXI International Scientific Conference]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 2009, part 1, pp. 166-169.

2. VolkovO.M.,NazarovV.P., ShatrovN.F., ShukhatovichA.D.Issledovaniyeprotsessaventilyatsiire-zervuarov s ostatkami nefteprodukta [Research of the ventilation process of the tanks with oil residues]. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syrya: sb. nauchn. tr. [Transport and storage of the oil products and raw hydrocarbons. Collection of research papers]. Moscow, Central Research Institute of Information and Feasibility Studies in Oil-Refining and Petrochemical Industry Publ., 1980, no. 2, pp. 9-12.

3. Kirshev A. A. Rezultaty sravnitelnykh eksperimentalnykh issledovaniy sposobov ventilyatsii vertikal-nykh tsilindricheskikh rezervuarov pered remontnymi rabotami [Results of the comparative experimental studies of ventilation methods in the upright cylindrical tanks before repair works]. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii:predotvrashcheniye, likvidatsiya [Fires and emergencies: prevention, elimination]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2013, pp. 38-41.

4. Kirshev A. A. Razrabotka eksperimentalnogo stenda dlya otsenki intensivnosti ispareniya uglevodo-rodnykh zhidkostey [Development of an experimental stand to estimate the evaporation rate of hydrocarbon liquids summary]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 12, pp. 38-42.

5. Elterman V. M. Ventilyatsiya khimicheskikhproizvodstv [Ventilation in chemical industry]. Moscow, KhimiyaPubl., 1971. 238 p.