Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы развития и проблемы безопасности крупнотоннажного хранения сжиженного природного газа 9
1.1 Анализ конструктивных решений и опыта эксплуатации резервуаров для хранения сжиженного природного газа 9
1.2 Обзор исследований и анализ нормативной документации по проектированию и строительству изотермических резервуаров 22
1.3 Постановка задач исследования 31
Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2. Разработка методики оценки работоспособности изотермических резервуаров с целью обеспечения их безаварийной эксплуатации . 35
2.1 Определение воздействий тепловой изоляции на корпус резервуара 35
2.2 Методика оценки и обеспечения устойчивости резервуара при стратификации и перемещении слоев продукта 48
2.3 Методические основы предупреждения аварийных ситуаций при разгерметизации трубопроводной обвязки 53
2.4 Методика комплексной оценки работоспособности изотермического резервуара с учетом негативных факторов эксплуатации 57
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Обеспечение технологической безопасности изотермических резервуаров при сливоналивных операциях 65
3.1 Разработка математической модели расслоения продукта при наливе в резервуар сжиженного газа 65
3.2 Выбор технических решений для оптимизации схемы загрузки в резервуар сжиженного газа 74
3.3 Методика оценки безопасности сливоналивных операций при крупнотоннажном хранении сжиженного природного газа 78
Выводы по главе 3 90
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований на примере выбора конструктивных решений изотермических резервуаров для эксплуатации в условиях арктики с целью снижения риска возможного ущерба 91
4.1 Описание конструктивных решений резервуаров для хранения сжиженного газа в арктических условиях и критерии их выбора 91
4.2 Сравнительный анализ безотказности резервуаров различных конструкций 93
4.3 Анализ рисков в случае разгерметизации технологической обвязки резервуара 108
4.4. Практические рекомендации по выбору оптимальных конструктивных решений изотермического резервуара для безопасной эксплуатации в сложных условиях 116
Выводы по главе 4 125
Выводы 126
Библиографический список 128
- Обзор исследований и анализ нормативной документации по проектированию и строительству изотермических резервуаров
- Методика оценки и обеспечения устойчивости резервуара при стратификации и перемещении слоев продукта
- Выбор технических решений для оптимизации схемы загрузки в резервуар сжиженного газа
- Анализ рисков в случае разгерметизации технологической обвязки резервуара
Обзор исследований и анализ нормативной документации по проектированию и строительству изотермических резервуаров
При проектировании комплексов по подготовке и использованию сжиженного природного газа неизбежно встает вопрос о выборе способа хранения значительных объемов СПГ. Практика строительства комплексов показывает, что на долю резервуаров для хранения СПГ приходится до 50% общих капиталовложений. После получения первой крупной промышленной партии СПГ в 1937 году возникла необходимость разработки конструкции низкотемпературных хранилищ сжиженного газа. Пилотный проект низкотемпературного резервуара вместимостью 54,88 м3 был реализован в 1939 году в штате Виргиния. Резервуар был изготовлен из стали с 2%-м содержанием никеля, в качестве тепловой изоляции использовались пробковые плиты толщиной 750 мм [1]. Устанавливался резервуар горизонтально на деревянных козлах.
В современной практике использования сжиженных газов существуют различные конструктивно-технологические схемы их хранения [2].
Первый способ хранения возможен в горизонтальных или шаровых резервуарах под давлением и при температуре не выше плюс 50С.
Второй способ хранения возможен при пониженном давлении. Конструктивно данный метод реализуется путем сооружения подземных, надземных, передвижных резервуаров. Также с целью хранения СПГ используются искусственно создаваемые пустоты под землей. Температура продукта в рамках данной схемы совпадает с температурами хранения по третьей схеме, приведенной ниже.
Третья схема реализует изотермический способ хранения, сущность которого заключается в том, что природный газ сжижается и в таком состоянии хранится при небольшом избыточном давлении (до 29 кПа) и температуре, близкой к температуре насыщения при данном давлении. Температура насыщения метана – основного компонента СПГ – при таком давлении составляет -162С. Изотермический способ хранения СПГ возможно осуществить при использовании подземных льдогрунтовых хранилищ или в подземных и надземных изотермических резервуарах. Третий способ хранения является наиболее предпочтительным для хранения больших объемов СПГ. При этом в международной практике наибольшее распространение получили надземные вертикальные изотермические резервуары (ИР). Классификация ИР для сжиженного природного газа по конструктивному исполнению приведена на рисунке 1.
Классификация изотермических резервуаров для СПГ по конструктивному исполнению Изотермические резервуары одинарной герметизации состоят из внутренней металлической емкости, непроницаемой для жидкости, и внешней емкости, непроницаемой для пара и защищающей тепловую изоляцию от атмосферных воздействий.
Изотермические резервуары двойной герметизации также состоят из внутренней металлической емкости, непроницаемой для жидкости, и внешней емкости. Внешняя емкость открыта сверху и, соответственно, не может препятствовать утечке паров продукта. Межстенное пространство может накрываться “дождевым щитом” для защиты от осадков.
В мембранных резервуарах внутренняя емкость представляет собой изготовленную из аустенитной стали оболочку толщиной не менее 1,2 мм, гофрированную в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Система гофрирования допускает расширение и сжатие при тепловых нагрузках. Внутренняя емкость не является полностью несущей, а опирается на твердую тепловую изоляцию, плотно примыкающую к внешней стенке. Внешняя емкость состоит из железобетонной фундаментной плиты, стенки из предварительно напряженного бетона и железобетонной крыши куполообразной формы. Несущая способность емкости обеспечивается совместной работой трех слоев: внутренней стенки, теплоизоляции и внешней стенки. Резервуары мембранной конструкции в России практически не используются.
Резервуары закрытого типа (или полной герметизации, или двухоболочечные резервуары) состоят из непроницаемой для жидкости внутренней емкости и внешней емкости, непроницаемой для жидкости и пара. Внутренняя емкость может быть открытой сверху или иметь подвесное перекрытие. Внешняя емкость представляет собой стальной или железобетонный резервуар, оснащенный купольной крышей и рассчитанный на комбинированное выполнение следующих функций: - в режиме штатной эксплуатации служить в качестве первичной паровой герметизации резервуара (в случае внутренней емкости с открытым верхом) и заключать в себе теплоизоляцию внутренней емкости; - в случае разгерметизации внутренней емкости локализовать разлитие СПГ и сохранять паронепроницаемость конструкции. Допускается выброс паров в атмосферу при условии его контроля системой защиты от избыточного давления. Для восприятия давления жидкости при разгерметизации внутренней емкости внешняя железобетонная стенка выполняется с предварительным напряжением. Преднапряжение железобетонной стенки осуществляется с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличенных раствором после натяжения. Внешняя емкость, изготовленная из предварительно напряженного железобетона, должна иметь стальную облицовку по внутренней поверхности для обеспечения газонепроницаемости.
Для защиты от внешнего теплопритока, способствующего испарению хранимого СПГ, применяют теплоизоляцию. В конструкциях полной герметизации межстенное пространство заполняется тепловой изоляцией из вспученного перлитового песка. Для частичной компенсации температурных деформаций внутренней емкости дополнительно устраивается слой теплоизоляции из эластичного минерального войлока в обкладке из металлической сетки по всей наружной поверхности емкости. В конструкциях ИР одинарной герметизации применяют теплоизоляцию экранного или пористого типа. Для защиты от атмосферных воздействий изоляцию обшивают тонкостенными алюминиевыми листами.
Методика оценки и обеспечения устойчивости резервуара при стратификации и перемещении слоев продукта
Исследования конструктивных особенностей ИР СПГ и оценки опасностей изотермического хранения СПГ представлены в работах И.А. Болодьяна [4], Ю.И. Дешевых [3], В.И. Макеева [5], Б.М. Рачевского [8], В.С. Сафонова [9], Х.М. Ханухова [10 - 12], Е.И. Яковлева [14], Germeles A. [81, 82], Heestand J. [83], Kim J. [84], Fisher D. [85], N. Chaterjee [86].
В монографии [8] обобщен более чем 40-летний опыт автора по проектированию и сооружению хранилищ сжиженного газа, даны рекомендации по выбору фундаментов ИР, тепловой изоляции, расчету несущих элементов на прочность.
В работах сотрудников Института противопожарной обороны [3-5] отражены системные исследования по пожарной опасности ИР для сжиженных углеводородных газов. Проведен качественный анализ типовых сценариев аварий при разгерметизации ИР, выявлены возможные последствия утечек продукта и распространения облаков газа в пространстве. Отмечено, что наиболее опасный вариант эволюции газопаровоздушной смеси во времени – мгновенное испарение большей части выброшенной в пространство жидкости (BLEVE) – характерен только для резервуаров, в которых хранится сжиженный газ под давлением. При изотермическом же хранении избыточное давление паров близко к атмосферному, поэтому количество жидкости, испаряющейся мгновенно, будет весьма незначительно. Таким образом, наиболее вероятный сценарий разлития СПГ – это постепенное испарение продукта, сопровождающееся образованием пожаровзрывоопасного облака. Масса данного облака зависит от площади разлития, интенсивности испарения, конструктивного решения защитной стенки и обвалования, а дальнейшее развитие облака во времени, как уже было отмечено выше, зависит от его габаритов и большого количества метеорологических факторов.
В работе [9] идентифицирован такой опасный фактор, как возможность образования стратифицированных слоев и ролл-овера при эксплуатации ИР. В работах зарубежных ученых [81-83, 86] представлены различные физико-математические модели инкубации ролл-овера при загрузке СПГ в резервуар или при режиме штатного хранения. Чэтерджи и Гейтс (Chaterjee, Geist) [86] впервые в 1972 году предложили математическую модель, в которой происходит разделение продукта в ИР на слои. С определенным интервалом времени (3 мин) вычисляются параметры каждых двух пограничных слоев, и если молярная концентрация метана в слоях отличается менее чем на 0,2%, а температура менее чем на 0,03С, то слои считаются перемешанными. Таким образом, итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не образуется один слой с общей высотой и усредненными характеристиками.
А. Гермелес (А. Germeles) [81, 82] предложил фактически схожую схему расчета ролловера, предполагавшую использование вместо реального СПГ бинарной смеси. Однако условием образования ролловера он считал не равенство концентрации метана и температуры двух пограничных слоев, а равенство их плотностей. Модель Гермелеса показывает лучшую сходимость с фактическими данными, т.к. расчетное время инкубации ролловера при реализации модели составляет 34 часа.
В модели Хистэнда (Heestand) [83] рассматривается уже не двухкомпонентный продукт, а пятикомпонентный: метан, этан, пропан, н-бутан и азот. Также автор отказался от использования эмпирических коэффициентов тепло- и массопереноса Тернера [87], как это было сделано в предыдущих моделях, поскольку опыты Тернера проводились для растворов соли в воде, следовательно, представляется сомнительным их использование для расчета процессов тепломассообмена между слоями СПГ. Вместо этого автор предложил использование зависимостей Глоба и Дропкина (Globe, Dropkin) [88], которые были выведены для случая теплопередачи между двумя горизонтальными пластинными, испытывающими приток тепла снизу.
В [10 - 12] рассматриваются вопросы обеспечения промышленной безопасности при проектировании и эксплуатации ИР с учетом специфики природно-климатических условий РФ.
Мировой опыт изотермического резервуаростроения насчитывает 30 лет, и обзор зарубежных научных исследований показывает, что на сегодняшний день созданы и применяются на практике проработанные методики расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) ИР. Необходимость сооружения и эксплуатации ИР в высокосейсмичных районах создала предпосылки для развития конечноэлементных методов расчета ИР на сильные сейсмические воздействия, в связи с чем отметим работы японских специалистов [84, 85].
Представленный в работах [11, 14] анализ отечественной нормативной базы в области проектирования, сооружения, эксплуатации и диагностики крупногабаритных изотермических резервуаров для сжиженного природного газа показывает, что таковая практически отсутствует.
В частности, единственный документ РФ ВНТП 51-1-88 [15], регламентирующий нормы хранения СПГ, является сильно устаревшим и описывает технические решения, применявшиеся в начале 80-ых годов прошлого века. [15] не соответствует текущему уровню требований индустрии, не распространяется на проектирование парков ИР вместимостью более 60000 м3 и не освещает резервуары закрытого типа с полной герметизацией. Документ изначально вводился в действие как временный в предположении, что по мере накопления отечественного опыта проектирования, сооружения и эксплуатации ИР он будет дополняться и корректироваться. Тем не менее, [15] устанавливает требования по безопасным расстояниям от комплексов СПГ до объектов инфраструктуры и сторонних объектов, содержит указания по проектированию защитных ограждений и систем противопожарной защиты.
В сложившихся условиях при проектировании каждого конкретного резервуара необходима разработка специальных технических условий (СТУ) с количественной оценкой возможных рисков и выбором комплекса компенсирующих технических решений и организационных мероприятий для снижения риска до установленных показателей. Вместе с тем, в СТУ могут содержаться решения, напрямую заимствованные из зарубежной нормативной базы, не подтвержденные расчетами и не адаптированные под российские природно-климатические условия и материальную базу.
Выбор технических решений для оптимизации схемы загрузки в резервуар сжиженного газа
С учетом описанных выше процессов массопереноса на границе жидкость (СПГ) – отпарной газ, при вычислении M3 учтено образование тонкого пограничного слоя. По сути, данный пограничный слой, изображенный на рис.12 и более детально на рис.13, является отражением эффекта конвекции Рэлея [56].
Таким образом, к пограничному слою за некоторый период времени происходит подток массы СПГ, равной m = m3 + mR. Часть этого продукта, массой т3, испаряется. Часть mR охлаждается и, становясь тяжелее основной массы жидкости, опускается вниз. Условные обозначения энтальпии каждого слоя приведены на рисунке 13. Внешний теплоприток к пограничному слою складывается из теплового потока через покрытие к парогазовой фазе q2, умноженное на соответствующую площадь теплообмена, и теплового потока через стенку к парогазовой фазе qп также с учетом площади теплообмена. Тогда уравнения массо- и теплообмена в пограничном слое будут выглядеть следующим образом: (m3+mR)yi=mRyt+m3z., где Св - теплоемкость верхнего слоя, Дж/К; g - ускорение свободного падения, Н/кг; ApR - разница плотностей между верхним и промежуточным слоями; pR - среднее значение данных плотностей; и - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; а - коэффициент температуропроводности, м2/с. Точная плотность СПГ вычисляется следующим образом, с учетом неравномерного влияния на нее самого тяжелого компонента СПГ азота и самого легкого - метана [105]: М 1 1 где ц - мольные доли компонентов СПГ; Mri - молярная масса /-ого компонента СПГ, кг/моль; Vi - молярный объем /-ого компонента СПГ, м3/моль; К1 и К2 - коэффициенты, м3/моль, зависящие от температуры и молярной массы смеси, определяемые по эмпирическим опытам [105].
Объемные доли компонентов газовой фазы в паровом пространстве резервуара вычислены с помощью закона Рауля, который для равновесной системы «СПГ-пары СПГ» записывается следующим образом: zt=Z yl (3.1.8) P где pt - парциальное давление насыщенного пара i-ого компонента газовой фазы, p - давление паров СПГ в подкупольном пространстве ИР; у" -мольная доля i-ого компонента в верхнем слое.
Нижний слой получает внешний теплоприток через днище резервуара; через часть стенки, граничащей со слоем; за счет теплоты закачиваемого продукта. Таким образом, скорость изменения теплосодержания (энтальпии) СПГ в нижнем слое будет равна: (м,снт;)=мвхсн(гн 0)+ D\+ Ч?1н - J ЩТн -Гв),(3.1.10) где Сн - теплоемкость СПГ в нижнем слое, Дж/(кгК); Тн - температура в нижнем слое, К; Т0 - температура СПГ, закачиваемого в резервуар, К; D диаметр резервуара, м2; 8н - высота (толщина) нижнего слоя, м; h коэффициент теплопередачи между слоями, Вт/(м2К); Тв - температура в верхнем слое, К.
Верхний слой получает внешний теплоприток через часть стенки, граничащей со слоем; через часть стенки и через всю площадь покрытия, граничащие с газовой фазой. Также теплообмен происходит с нижним слоем и через отдачу теплоты за счет парообразования. Таким образом, —(M2CвTв) = D2Sвq1в--D2h(Tв н) + q2F2+qпFп -М3Яп, (3.1.11) где Св - теплоемкость СПГ в нижнем слое, Дж/(кгК); Sв - высота (толщина) нижнего слоя, м; F2 - площадь поверхности теплообмена через покрытие резервуара, м2; Fп - площадь поверхности теплообмена с газовой фазой, м2; Яп - теплосодержание газовой фазы, Дж/кг.
Для вычисления коэффициента теплопередачи между слоями использованы результаты исследования [88], где установлены зависимости теплопередачи между двумя горизонтальными пластинами, испытывающими теплоприток извне (со стороны нижней пластины):
Скорость закачки продукта составляла 0,72 м3/сек, время заполнения около 13 часов. Диаметр резервуара 49 м, высота 26,77 м. Начальная высота нижнего слоя 1,37 м, верхнего 5,03 м до начала закачки. Приведенные в таблице 2.3.2 мольные доли будем использовать как граничные условия для решения дифференциальных уравнений тепло- и массообмена, т.е. xt (t = 0),yt (t = 0), а также Гн(ґ = 0) и Гв(ґ = 0). Таким образом, имеем 12 дифференциальных уравнений с 12 неизвестными хі,і = \..5;уі,і = \..5; Тн; Тв и 12 граничными условиями.
Решение системы уравнений осуществлялось в программном комплексе MathCad 14 с помощью встроенной функции Odesolve. Для построения зависимости p{t) в диссертации использовались материалы исследования [106], где на основании сопоставления уравнений Редлиха-Квонга и Бенедикта-Вебба-Рубина предложена следующая зависимость:
Изменение избыточного давления в паровом пространстве резервуара с течением времени Таким образом, проведенное моделирование показывает, что при закачке продукта в резервуар через систему нижнего налива, даже при незначительных отличиях в физико-химических свойствах закачиваемого продукта и СПГ, уже находящегося в емкости, возникает расслоение. Следовательно, необходимо при реализации проектов изотермического хранения разрабатывать комплекс компенсирующих мероприятий, сводящих к минимуму возможность стратификации слоев.
В основу оптимальной схемы загрузки с точки зрения безопасности эксплуатации резервуара как динамической системы, подвергающейся внешнему воздействию в виде технологических операций, положен принцип, не допускающий развития ролл-овера, или же принцип сведения к минимуму негативных последствий данного явления в том случае, если разделение слоев все же произошло.
Анализ рисков в случае разгерметизации технологической обвязки резервуара
В разделе 4.2 диссертации доказана гипотеза, что при определенных технических решениях одинарная концепция хранения СПГ способна удовлетворять требованиям приемлемости риска и ущерба, законодательно установленным в РФ. Разработке комплекса компенсирующих мероприятиях и рекомендаций по проектированию изотермических резервуаров посвящен настоящий раздел.
Процесс проектирования ИР в России затруднен отсутствием нормативной базы. В таком случае в соответствии со статьей 6 Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [76] при недостаточности нормативной базы подготовка проектной документации и строительство здания или сооружения осуществляются в соответствии со специальными техническими условиями.
С другой стороны, в соответствии со статьей 6 ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [70] пожарная безопасность объекта защиты считается обеспеченной, если: 1) в полном объеме выполнены обязательные требования пожарной безопасности, установленные федеральными законами о технических регламентах; 2) пожарный риск не превышает допустимых значений, установленных настоящим Федеральным законом. Таким образом, в РФ на законодательном уровне установлены критерии приемлемого индивидуального пожарного риска. Под индивидуальным пожарным риском понимается частота поражения определенного работника объекта опасными факторами пожара или взрыва в течение года. ФЗ-123 устанавливает следующие критерии индивидуального пожарного риска: в зданиях, сооружениях, строениях и на территориях производственных объектов не должна превышать 10-6 поражений в год; для людей, находящихся в селитебной зоне, 10-8 поражений в год. При невозможности обеспечения величины риска, равной 10-6, допускается увеличивать ее до 10-4 при соответствующих мерах по обучению персонала действиям при пожаре и по социальной защите работников, компенсирующих их работу в условиях повышенного риска. Для ИР предлагается увязать процедуру оценки риска и разработки СТУ следующим образом. При наличии в СТУ некоторого начального комплекса мероприятий, определяемых на данном этапе методами экспертной оценки, производится оценка риска эксплуатации объекта с учетом реализации предложенных мероприятий. На основе количественного анализа риска доказывается, что уровень опасности объекта не превышает законодательно приемлемых значений риска. В противном случае разрабатывается комплекс дополнительных (компенсирующих) мероприятий, направленных на уменьшение рисков до установленных показателей.
Настоящий раздел посвящен разработке комплекса компенсирующих мероприятий для их дальнейшего использования в процедурах оценки риска, при проектировании ИР, разработки деклараций промышленной безопасности и СТУ. Так как конструкция резервуара с защитной стенкой делает событие утечки продукта в атмосферу практически нереальным, то компенсирующие мероприятия имеют особую актуальность при реализации проекта одинарной герметизации, когда необходимо данным решением обеспечить надежную и безаварийную работу.
Компенсирующие мероприятия, направленные на снижение вероятности (частоты) реализации аварийных ситуаций, могут быть включать в себя (для одинарной герметизации): - изменение коэффициентов запаса прочности при расчетах толщин стенок; - изменения коэффициентов запаса по нагрузкам; - проектирование трубопроводной обвязки по методике, исключающей появление разрывов на полное сечение; - проектирования резервуара без врезок во внутренний резервуар; - оборудование ИР системой верхнего налива, минимизирующей вероятность образования стратифицированных слоев и ролловера; - использование хладостойких и прочных сталей; - применение предохранительных клапанов с более узким диапазоном срабатывания; - применение средств и технологий, исключающих образование пожара на сбросных клапанах и вблизи ИР; - оснащение ИР системой комплексного мониторинга технического состояния; - ужесточение требований по неразрушающему контролю сварных соединений; применение способов сооружения, исключающих образование хрупкой структуры сварных соединений металла при сооружении ИР в условиях экстремальных температур; - внедрение системы сигнализация уровня и расслоения; - подготовка грунтового основания для создания однородности и равной несущей способности грунта основания под всей площадью фундаментной плиты резервуара и не менее 3 м за его пределами; - обогрев фундаментной плиты для предотвращения промерзания грунта под резервуаром; - часть крыши резервуара, расположенная под основной площадкой обслуживания насосов, должна содержать отбортованный лист 9% никелевой стали, обеспечивающий защиту от возможных утечек СПГ с площадки обслуживания; - рентгенографический, дублирующий ультразвуковой контроль, капиллярная дефектоскопия, контроль с использованием вакуум-камеры всех сварных соединений внутреннего и внешнего корпусов, днища внутреннего и днища внешнего резервуара, покрытия.
Компенсирующие мероприятия (дополнительно) для системы полной герметизации: - железобетонная стенка должна быть предварительно напряжена после бетонирования с помощью пучков высокопрочных стальных канатов, проложенных в специальных внутренних желобах и замоноличенных раствором после натяжения; - обязательное преднапряжение в горизонтальном направлении; - бетонирование купольной крыши слоями для уменьшения нагрузки на облицовку или поддержка облицовки поддувкой воздухом; - железобетонная фундаментная плита, крыша и стенка должна проектироваться по методу предельных состояний (с учетом второго предельного состояния) для следующих сочетаний нагрузок: нагрузок относящихся к условиям строительства и эксплуатации, землетрясения, аварийной утечки продукта из внутреннего резервуара, аварийной утечки с последующим землетрясением и пожара на предохранительных клапанах. Ширина раскрытия трещин должна определяться по методам, указанным в СП 63.13330.2012 [77];
