CC BY
42
УДК 621.6.036
А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, М.А.Усачев
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНОГО
ВЕРТИКАЛЬНОГО
РЕЗЕРВУАРА-РЕГАЗИФИКАТОРА ПУТЕМ ЗАКЛЮЧЕНИЯ В ПОЛИМЕРНЫЙ
ФУТЛЯР, ЗАПОЛНЕННЫЙ ИНЕРТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ ПО КОНТУРУ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Приведены результаты исследований по разработке модели и новых технических решений системы защиты подземных вертикальных резервуаров от коррозионных, механических воздействий и нагрева путем заключения их в защитные полимерные футляры, заполненные незамерзающей жидкостью в нижней своей части, до отметки, равной расчетному уровню жидкой фазы сжиженного углеводородного газа в резервуаре и газообразным азотом в верхней его части, с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления. Применение предлагаемой системы защиты подземных вертикальных резервуаров - регазификаторов позволяет снизить уровень индивидуального риска до 10-8 год-1.
Система защиты, вертикальный резервуар, регазификатор, полимерный футляр, инертная жидкость, испарительная поверхность, коррозионные, механические воздействия, сжиженный углеводородный газ
A.L. Shuraits, A.V. Rulev, M.A. Usachev
THE DEVELOPMENT MODEL PROTECTION OF UNDERGROUND VERTICAL TANK-EVAPORATOR CONCLUDING THE POLYMER CASE,
FILLED WITH INERT LIQUID CIRCUIT EVAPORATIVE SURFACE
The research results of development models and new technological solutions protecting of underground vertical tanks from corrosion, mechanical and heating, enclosing in protective polymeric casings filled with antifreeze liquid at the bottom of its parts, to a point equal to estimated level of liquid-phase liquefied petroleum gas in tank and nitrogen gas in its upper part, with automatic control of the upper and lower pressure limits. Application of proposed system protection ground vertical tanks-evaporator reduces level of individual risk to 8-10 year-1.
Protection system, vertical tanks, evaporator, polymer case, inert liquid, evaporative surface corrosion, mechanical effects, liquefied petroleum gas
evaporative surface corrosion, mechanical effects, liquefied petroleum
gas
В настоящее время все более широкое применение в системах снабжения промышленных потребителей сжиженным углеводородным газом (СУГ) получают резервуары подземные вертикальные (РПВ) с отбором паровой фазы непосредственно из парового пространства сосуда для хранения СУГ. В России первый вертикальный подземный резервуар объемом 0,7 м3 был разработан в 1989 году [1] и затем при участии авторов прошел государственные приемочные испытания в экспериментальном центре ОАО «Гипрониигаз». С 1999 года начато серийное производство резервуаров марки РПВ-04. Их преимуществами по сравнению с горизонтальными сосудами является снижение капитальных вложений за счет сокращения площади отчуждения и протяженности ограждения, уменьшения объема котлована, сокращения металловложений в резервуар и материалов в защитное покрытие, возможность использования СУГ с повышенным содержанием бутановых фракций [2, 3]. Последнее его преимущество достигается за счет вертикального расположения таким образом, когда вся смоченная (испарительная)
поверхность резервуара перед очередной заправкой находится в грунтовом массиве с положительной температурой [2, 3].
Наряду с преимуществами подземные вертикальные резервуары имеют ряд недостатков, связанных с низким уровнем защиты от коррозионных, механических воздействий и нагрева. Так, в системах защиты РПВ-04 отсутствует постоянный автоматический контроль герметичности их основных элементов: стенок сосудов, антикоррозионных покрытий, первых отключающих устройств, запирающих выход СУГ из сосуда, не разработаны системы локализации утечек СУГ. Установки активной
коррозионной защиты на основе катодной поляризации, получившие широкое
применение, компенсируют только электрохимическую коррозию и не обладают
защитными свойствами от других её видов.
В целях решения указанной проблемы была разработана и внедрена комплексная система защиты от коррозионных, механических воздействий и нагрева горизонтальных резервуаров [4], предназначенных для хранения СУГ на автогазозаправочных станциях (АГЗС). Согласно [4], защита подземных резервуаров решается путем заключения стального сосуда СУГ в полимерный футляр, заполненный газообразным азотом под давлением, с организацией постоянного контроля его верхней и нижней границ.
Следует отметить, что для резервуаров АГЗС, предназначенных только для хранения СУГ, не осуществляется отбор паровой фазы, а следовательно, не подводится тепловая энергия для испарения жидкой фазы из окружающего грунта. В связи с этим использование газообразного азота здесь в качестве инертной среды является экономичным решением задачи защиты подземных резервуаров от опасных внешних воздействий.
Применение предложенной системы защиты применительно к подземным резервуарам, предназначенным для нужд газоснабжения потребителей с отбором паровой фазы СУГ, не позволяет обеспечить их требуемую испарительную способность. Наличие прослойки из газообразного азота между стальным сосудом СУГ и футляром сильно снижает теплоприток из окружающего грунта и, как следствие, адекватно уменьшается испарительная способность резервуара.
В этой связи разработка основ эффективного и безопасного функционирования систем защиты подземных вертикальных резервуаров СУГ, предназначенных для нужд газоснабжения потребителей, с отбором паровой фазы СУГ из сосуда является актуальной научно-технической задачей.
Рассмотрим последовательность действий при разработке системы защиты РПВ, которая обеспечит заданный уровень требований промышленной безопасности.
В целях создания системы защиты РПВ СУГ с требуемыми параметрами на основе системного подхода был разработан алгоритм, включающий десять пунктов:
1 - анализ технических параметров подземных вертикальных резервуаров СУГ и систем их защиты ^ 2 - формулирование цели разработки ^ 3 - выявление, анализ и
структурирование опасных внешних воздействий на РПВ ^4 - выявление целевых функций ^
5 - выявление результатов опасных внешних воздействий и последовательности их возникновения ^ 6 - задание величин целевых функций ^ 7 - разработка предложений по исключению или уменьшению результатов каждого из опасных внешних воздействий с выполнением требований п. 6 ^ 8 - разработка модели системы защиты РПВ ^ 9 -разработка новой конструкции системы защиты РПВ на основе модели (пункт 8) ^ 10 -проверка соответствия заданному уровню требований; расчет численных значений целевых функций для разработанной конструкции системы защиты РПВ.
Согласно [5-8], на подземные резервуары СУГ и систему их защиты возможны опасные воздействия, обусловленные коррозией, нагревом, протечками в арматуре и разъемных соединениях, ошибками и несоблюдением норм при проектировании, изготовлении и эксплуатации РТ и систем их защиты, механическими воздействиями на запорную и предохранительную арматуру, антикоррозионные покрытия.
Исходя из основных положений системного подхода, система защиты РПВ есть единая совокупность подсистем, объединенных одной общей целью - обеспечение комплексной защиты резервуаров, запорно-предохранительной арматуры от опасных воздействий, обусловленных коррозией, нагревом, механическими воздействиями, протечками в разъемных соединениях, арматуре, ошибками и несоблюдением норм при проектировании, изготовлении, эксплуатации. Система защиты РПВ включает подсистемы пассивной и активной защиты.
Отличительным элементом алгоритма разработки системы защиты РПВ является выявление целевых функций, математически описывающих цель разработки. В качестве целевых функций и заранее задаваемых нормативных параметров, которым они должны удовлетворять, приняты:
1) индивидуальный риск Ринд, для которого, согласно ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов», в качестве нормативного параметра установлена следующая вероятность возникновения пожара и взрывной волны в результате опасных воздействий:
п п
Ринд = £ <2в, ■ <2«П +£0, ■ о,т £ 10-‘; (1)
2=1 2=1
2) уровень коррозионной агрессивности на наружной стальной поверхности
резервуара укор в зависимости от массовой доли воды е<1, электропроводящих солей еэ.с,
сульфатов gсyл, кислорода gк, водорода gв-д, для которого установлено нулевое значение:
Укор. =, С?в, с., gк, &ул, Е^в-д) = 0 ; (2)
3) максимальная температура грунта ^ах на глубине И = 0,5 м, наблюдаемая в
момент времени х = 8ч после возникновения нагрева со стороны его поверхности с температурой tп при начальной температуре грунта tгр.н на глубине И = 0,5 м в момент времени х = 0
^ах = t
гр гр.н
2 2л/ ах 2
1 | в~г ёе
\К 0
(гр.н ~0< 45° С ; (3)
4) суммарная величина утечек СУГ от подземного резервуара в окружающую среду Уут, в зависимости от У„.ут - величин утечек СУГ с наружной поверхности п-го элемента РПВ (сосуда для хранения, разъемных соединений, первой запорной и предохранительной арматуры и автоматики), для которой установлено нулевое значение:
N
V = ТУ = 0 . (4)
ут п. ут \ у
И
п
Проведенный анализ показывает, что механизм образования повреждений РПВ и систем их защиты от опасных воздействий складывается из пяти этапов, протекающих в строго определенной последовательности, от пункта 1.1 до пункта 1.5 (рис. 1).
В результате системного анализа разработан метод, позволяющий на основе выявления и анализа опасных воздействий на подземные вертикальные резервуары СУГ, поиска целевых функций (1)-(4) и задания им минимальных нормативных значений, получить модель системы защиты РПВ СУГ с заранее заданным уровнем требований (рис. 1).
Рис. 1. Модель создания системы защиты подземных РПВ СУГ
На рис. 1 обозначены: 1.1 - сквозные повреждения защитного футляра (пассивной защиты) подземных вертикальных резервуаров СУГ; 1.2 - нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании системы пассивной защиты; 1.3 -нарушение режима работы активной защиты стенок РПВ СУГ; 1.4 - нарушение или отсутствие механизма контроля и оповещения о функционировании системы активной защиты; 1.5 - утечки СУГ в окружающую среду; 2.1 - требования к футляру: 2.1.1 -прочность футляра при ударе не менее 30 Дж/кг-см; 2.1.2 - переходное
электросопротивление после монтажа не менее 105 Ом-м2; 2.1.3 - отсутствие пробоя при напряжении 5 кВ/мм толщины футляра;
2.1.4 - предел огнестойкости крышки кожуха не менее 60 мин; 2.2 - оснащение системами постоянного контроля герметичности защитного футляра с обеспечением автоматической сигнализации о разгерметизации; 2.3 - режим работы активной защиты не должен зависеть от изменения коррозионных и механических характеристик окружающего грунта и воздуха; 2.4 - оснащение системами постоянного контроля герметичности РПВ СУГ с обеспечением автоматической сигнализации о разгерметизации; 2.5 - возможность безопасного предотвращения любой вероятной утечки СУГ с образованием локальных зон загазованности с концентрацией более 20% НКПР с вероятностью Ринд < 10-8; 3.1 - предложения по футляру: 3.1.1 - футляр, обеспечивающий герметичность оболочки вокруг наружной поверхности стального сосуда; 3.1.2 - теплоизолированные крышка и верхняя часть кожуха для защиты
разъемных соединений, запорных и предохранительных устройств РПВ от нагрева и механических воздействий; 3.2 - постоянный автоматический контроль герметичности защитного футляра с обеспечением звукового или светового сигнала; 3.3 - обеспечение зазора между резервуаром СУГ и футляром с организацией активной защиты внутри образовавшегося межстенного пространства, путем заполнения его инертной средой;
3.4 - постоянный автоматический контроль одного из параметров инертной среды: давления, содержания водяных паров, кислорода и др. с обеспечением звукового или светового сигнала обслуживающему персоналу; 3.5 - локализация утечки СУГ из РПВ путем образования наружного герметичного футляра; 4 - модель системы защиты: 4.1 -стальной сосуд СУГ заключен в герметичный полимерный футляр с наличием между ними пространства, заполненного незамерзающей инертной жидкостью в нижней его части до отметки ННЖ = НСУГ и газообразным азотом в верхней его части сверх отметки ННЖ = НСУГ, с организацией устройства постоянного контроля герметичности межстенного пространства, обеспечивающего автоматическую сигнализацию о разгерметизации как внутреннего сосуда СУГ, так и футляра; 4.2 - запорные и регулирующие устройства расположены в верхней части герметичного теплозащитного футляра, заполненного газообразным азотом с организацией постоянного контроля давления; 5 - разработка конструкции системы защиты подземных РПВ СУГ; 6 -проверка соответствия заданного уровня требований Ринд £ 10-8; укор = 0; ^ах< 45°С; Vут = 0.
3 -1
Применение модели уменьшает вероятность разгерметизации с 10 год для
-8 -1
существующих аналогов до 10 год .
На основе модели разработаны новые технические решения защиты путем заключения РПВ в защитные футляры (рис. 2), заполненные незамерзающей жидкостью в нижней своей части и газообразным азотом в верхней своей части с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления [10].
Здесь постоянный автоматический контроль возможности утечек СУГ, коррозии и нагрева осуществляется с помощью двухпозиционного прибора контроля давления 16, который настроен:
- по своей верхней позиции 17 на срабатывание при давлении в размере Рр + АРдоп больше расчетного Рр на величину его допустимого повышения АРдоп за счет утечек СУГ в пространство при разгерметизации стенок внутреннего сосуда 4, запорной и регулирующей арматуры 13, 14;
- по своей нижней позиции 18 на срабатывание при давлении в размере Рр - АРдоп меньше расчетного Рр на величину его допустимого понижения АРдоп за счет утечек инертного газа 10 или инертной незамерзающей жидкости 9 из межстенного пространства в окружающую среду при разгерметизации стенок полимерного футляра.
Рис. 2. Конструкция системы защиты РПВ: 1 - верхняя часть полимерного футляра (ПФ);
2 - стягивающий хомут; 3 - герметизирующая прокладка; 4 - стальной сосуд СУГ;
5 - нижняя часть полимерного футляра; 6 - дополнительный балластирующий фундамент;
7 - основная балластирующая фундаментная плита; 8 - разъемное соединение плиты 7 и нижней части полимерного футляра 5; 9 - незамерзающая инертная жидкость;
10 - газообразный азот; 11 - подземный газопровод; 12 - герметизирующая втулка;
13 - регулятор давления; 14 - запорный кран; 15 - теплоогнезащитная крышка футляра;
16 - двухпозиционный прибор контроля давления газообразного азота; 17, 18 - верхняя и нижняя границы давления инертного газа; 19 - блок управления;
20 - звуковой сигнализатор; 21 - сигнальные провода
Таким образом, в результате проведенных исследований разработаны модель и новые технические решения по защите подземных вертикальных резервуаров от коррозионных, механических воздействий и нагрева путем заключения их в защитные герметичные футляры, заполненные незамерзающей жидкостью в нижней своей части и газообразным азотом в верхней своей части с автоматическим контролем верхней и нижней границ давления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технические условия РПВ-04-00 ТУ. Резервуар подземный вертикальный / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, Н.В. Егоров. Саратов: СПИ, Саратовэнергомаш, 1989. 29 с.
2. Установка двух резервуаров подземных вертикальных РПВ: Технические решения ТР-4-94. Утв. ОАО Росгазификация 08.09.94. Саратов, 1994. 86 с.
3. Курицын Б.Н. Обоснование оптимального типоряда вертикальных подземных резервуаров сжиженного газа / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев, О.Б. Шамин // Актуальные проблемы развития систем теплогазоснабжения и вентиляции: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1998. С. 19-24.
4. Свидетельство на полезную модель № 18564. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, М.А. Усачев, Г. А. Гордеев, В. А. Щербаков (Россия). М., 2001. 8 с.
5. Усачев А.П. Защита от коррозии систем снабжения сжиженным углеводородным газом / А.П. Усачев, А.В. Фролов, М. А. Усачев // Полимергаз. 20000. № 1. С. 20-22.
6. Феоктистов А.А. Системный анализ влияния опасных воздействий сжиженного углеводородного газа на риски, возникающие при эксплуатации систем подготовки и регазификации резервуарных установок с искусственным испарением / А.А. Феоктистов // Безопасность труда в промышленности. 2009. С. 58-61.
7. Усачев А.П. Повышение пожаро-, взрыво- и экологической безопасности установок сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, А. Л. Шурайц, М. А. Усачев // Полимергаз. 2001. № 1. С. 17-22.
8. Анализ влияния внешних опасных воздействий на риски, возникающие при эксплуатации системы подготовки и регазификации резервуарных установок сжиженного углеводородного газа / А.Л. Шурайц, А.А. Феоктистов, Т. А. Усачева, А.А. Боц // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. Уфа, 2009. Вып. 2 (76). С. 101-110.
9. Установка для хранения и распределения сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев, М.А. Усачев, Т.А. Усачева // Б.И. № 22 от 10.08.2002. Пат. на изобретение № 2187037. 28 с.
Шурайц Александр Лазеревич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Т еплогазоснабжение и вентиляция»
Саратовского государственного технического университета, генеральный директор ОАО «Г ипрониигаз»
Рулев Александр Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Саратовского государственного технического университета
Усачев Максим Александрович -
аспирант кафедры
«Теплогазоснабжение и вентиляция»
Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 24.06.10, принята к опубликованию 23.11.10
Shuraits Aleksandr Lazerevich -
Doctor of Technical Sciences,
Professor of the Department of «Heat and Gas Supply and Ventilation» of Saratov State Technical University, General Director of «Giproniigaz»
Rulev Aleksandr Vladimirovich -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Heat and Gas Supply and Ventilation» of Saratov State Technical University
Usachev Maksim Aleksandrovich -
Post-graduate Student of the Department of «Heat and Gas Supply and Ventilation» of Saratov State Technical University
