Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Актуальность проблемы обеспечения пожаровзрывобезопасности ремонтных работ на горизонтальных резервуарах и перспектива ее решения 10
1.1. Краткий обзор статистических данных о пожарах на резервуарах 10
1.2. Востребованность и пожарная опасность ремонтных работ на РГС 13
1.3. Примеры характерных случаев пожаров и взрывов РГС 18
1.4. Анализ эффективности способов обеспечения пожаровзрывобезопасности ремонтных работ на РГС 24
1.5. Анализ работ, посвященных вопросам флегматизации резервуаров 31
1.6. Опасность статической электризации при флегматизации способом продувки углекислым газом. Альтернативный способ флегматизации 45
1.7. Выводы по первой главе 55
ГЛАВА 2. Разработка принципиальной схемы способа флегматизации твердым гранулированным диоксидом углерода, экспериментальных стендов и методики исследования 57
2.1. Разработка принципиальной схемы способа флегматизации и задачи экспериментального исследования 57
2.2. Определение критериев моделирования процесса флегматизации РГС исследуемым способом 71
2.3. Разработка экспериментальных стендов и организация экспериментов
2.3.1. Изучение основных закономерностей в ходе флегматизации РГС твердым гранулированным диоксидом углерода 76
2.3.2. Исследование процесса сублимации твердого гранулированного диоксида углерода в различных видах светлых нефтепродуктов 83
2.3.3. Исследование динамики параметров парогазовой среды и температурного режима в ходе флегматизации РГС 88
2.3.4. Исследование статической электризации в ходе флегматизации РГС твердым гранулированным диоксидом углерода 94
2.3.5. Описание полигонного стенда
2.4. Измеряемые величины и приборы измерения 106
2.5. Оценка точности результатов измерений 118
2.6. Выводы по второй главе 121
ГЛАВА 3. Анализ результатов экспериментального исследования и математическая модель процесса флегматизации горизонтальных резервуаров твердым гранулированным диоксидом углерода
3.1. Анализ результатов качественных экспериментов 122
3.2. Скорость (интенсивность) сублимации твердого гранулированного диоксида углерода в различных видах светлых нефтепродуктов 134
3.3. Анализ динамики основных компонентов парогазовой среды РГС в
ходе флегматизации твердым гранулированным диоксидом углерода 146
3.3.1. Динамика концентраций кислорода при различных режимах подачи твердого гранулированного диоксида углерода 146
3.3.2. Распределение концентраций кислорода по высоте объема РГС 160
3.3.3. Динамика концентраций углекислого газа и паров нефтепродукта на выходе из РГС
3.4. Влияние масштаба модели РГС на процесс флегматизации твердым гранулированным диоксидом углерода 166
3.5. Процесс диффузии в объеме РГС после флегматизации твердым гранулированным диоксидом углерода 168
3.6. Температурный режим в ходе флегматизации РГС твердым гранулированным диоксидом углерода 171
3.7. Результаты исследования статической электризации в ходе флегматизации РГС твердым гранулированным диоксидом углерода 178
3.8. Математическая модель процесса флегматизации РГС с нефтепродуктом твердым гранулированным диоксидом углерода 181
3.9. Выводы по третьей главе 186
ГЛАВА 4. Разработка и обоснование рекомендаций по технологии флегматизации горизонтальных резервуаров твердым гранулированным диоксидом углерода 189
4.1. Область применения рекомендаций 189
4.2. Условия обеспечения пожаровзрывобезопасности горизонтальных резервуаров с остатком нефтепродукта способом флегматизации ТГДУ 191
4.3. Рекомендации по технической оснащенности и технологии флегматизации ТГДУ 192
4.4. Выводы по четвертой главе 204
Заключение 205
Список литературы
- Анализ эффективности способов обеспечения пожаровзрывобезопасности ремонтных работ на РГС
- Определение критериев моделирования процесса флегматизации РГС исследуемым способом
- Скорость (интенсивность) сублимации твердого гранулированного диоксида углерода в различных видах светлых нефтепродуктов
- Условия обеспечения пожаровзрывобезопасности горизонтальных резервуаров с остатком нефтепродукта способом флегматизации ТГДУ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из многочисленных
емкостных аппаратов для хранения нефтепродуктов является стальной
цилиндрический резервуар горизонтального исполнения, имеющий
обозначение – РГС.
Резервуары типа РГС применяются на распределительных нефтебазах и в качестве расходных емкостей складов топлива, входящих в состав промышленных, транспортных, энергетических, сельскохозяйственных и других предприятий, в частности на автозаправочных станциях. Особое значение в обеспечении бесперебойного функционирования таких объектов в целом имеет техническое состояние эксплуатируемых РГС.
По данным ЦНИИПСК им. Н. П. Мельникова, 90 % резервуарных парков превысили нормативный срок эксплуатации (20 лет), а 70 % эксплуатируются уже 30 и более лет. Неизбежное старение резервуарного парка страны на фоне тенденции его роста влечет к увеличению количества ремонтных и аварийно-ремонтных работ, которые, в свою очередь, являются пожаровзрывоопасными технологическими операциями, о чем свидетельствует пожарная статистика.
Регулярно возникающие пожары и взрывы ремонтируемых РГС, которые часто сопровождаются гибелью и травмами людей, свидетельствуют о несовершенстве традиционной технологии предремонтной подготовки резервуаров, основанной на полной очистке их объема от остатков горючей среды.
Процесс зачистки РГС представляет собой многостадийный комплекс сложных организационно-технических мероприятий, связанных с проведением весьма взрывоопасных демонтажных работ, с применением энергоемкой моечной, дренажной, вентиляционной и другой техники, а также с привлечением ручного труда в среде опасной для жизни и здоровья человека.
К одному из перспективных направлений обеспечения пожаровзрыво-безопасности (ПВБ) ремонтных работ на емкостных аппаратах следует отнести флегматизацию инертными газами, основанную на снижении в защищаемом объеме содержания кислорода до безопасных значений, что не требует проведения полной очистки РГС от остатков хранимой углеводородной среды.
Существующие способы флегматизации обладают как достоинствами, так и недостатками. Применительно к РГС одним из эффективных считается способ продувки углекислым газом (СО2) благодаря его теплофизическими свойствам. Однако применять СО2 в газообразном состоянии для защиты взрывоопасных объемов не рекомендуется или вовсе запрещено большинством нормативных документов по пожарной безопасности в связи с опасностью образования в процессе продувки разрядов статического электричества.
Альтернативой в таком случае может служить способ флегматизации твердым гранулированным диоксидом углерода (ТГДУ), т. е. газом СО2 только в твердом фазовом состоянии посредством его загрузки в защищаемый объем на сублимацию.
В связи с отсутствием систематических исследований и научно обоснованных рекомендаций, являющийся весьма перспективным способ флегматизации ТГДУ не получил широкой апробации как у нас в стране, так и за рубежом, в том числе при обеспечении ПВБ ремонтных работ на РГС.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам флегматизации
различных взрывоопасных объемов в отечественной науке посвящено
значительное количество работ, авторами которых являются: Азатян В. В.,
Монахов В. Т., Розловский А. И., Стрижевский И. И., Годжелло М. Г.,
Шебеко Ю. Н., Баратов А. Н., Корольченко А. Я., Навценя В. Ю., Ильин А. Б.,
Иванов А. В., Попов А. С., Лупичев П. П., Азаев Г. А., Цап В. Н., Назаров В. П.,
Булгаков В. В., Корнилов А. А. и др. В указанных работах не встречались
какие-либо результаты систематических исследований флегматизации
посредством применения ТГДУ.
Существуют результаты исследований процесса тушения углеводородных жидкостей в вертикальных стальных резервуарах ТГДУ, однако их можно рассматривать только в качестве ориентировочных сведений при решении вопросов, связанных с обеспечением ПВБ ремонтных работ на РГС.
Целью диссертационной работы являлась разработка и обоснование рекомендаций по обеспечению ПВБ ремонтных работ на РГС с нефтепродуктами способом флегматизации ТГДУ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать и обосновать принципиальную схему способа флегматизации ТГДУ, экспериментальные стенды и методику исследования;
экспериментальным путем выявить основные закономерности, влияющие на динамику концентраций кислорода в объеме РГС при различных начальных условиях в ходе флегматизации ТГДУ;
исследовать возможность статической электризации и температурный режим в ходе флегматизации ТГДУ;
на основании результатов экспериментов разработать математическую модель процесса флегматизации РГС с нефтепродуктами ТГДУ;
разработать рекомендации по технологии флегматизации ТГДУ в целях обеспечения ПВБ ремонтных работ на РГС с нефтепродуктами.
Объектом исследования являлся процесс флегматизации РГС с нефтепродуктом твердым гранулированным диоксидом углерода.
Предметом исследования являлись закономерности снижения
концентрации кислорода в объеме РГС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны новый способ флегматизации ТГДУ резервуаров типа РГС,
методика и экспериментальные стенды для его исследования.
2. Определена скорость (интенсивность) сублимации ТГДУ в различных
видах светлых нефтепродуктов (дизельные топлива, бензин) в зависимости от
температуры нефтепродукта, количества поданного ТГДУ в нефтепродукт и
особенностей распределения гранул ТГДУ в нефтепродукте.
3. Установлены закономерности динамики концентраций кислорода в РГС
при различных начальных условиях в зависимости от режима загрузки ТГДУ.
-
Получены результаты экспериментального исследования статической электризации и температурного режима в ходе флегматизации ТГДУ.
-
Разработана математическая модель процесса флегматизации РГС с нефтепродуктами ТГДУ.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные на основании проведенного исследования рекомендации по технологии флегма-тизации ТГДУ, в том числе компьютерная программа «Расчет РГС-ТГДУ», основанная на математической модели процесса флегматизации ТГДУ, позволят эффективно обеспечить ПВБ ремонтных работ на РГС при наличии в его объеме жидкого остатка нефтепродукта, а также снизить пожарную опасность демонтажных работ в период регламентной зачистки резервуара.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы использовались методы теории подобия, экспериментального исследования и математического моделирования, наблюдения, сравнения и анализа с применением программного комплекса Microsoft Excel, индукции и обобщения.
Информационной основой исследования служили результаты
непосредственного участия автора в процессе предремонтной подготовки и проведения ремонтных работ на действующих резервуарах типа РГС, материалы расследований пожаров и взрывов ремонтируемых РГС, материалы научно-исследовательских работ, отечественные и зарубежные литературные источники по теме диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
– методика, экспериментальные стенды и результаты экспериментального исследования способа флегматизации ТГДУ;
– математическая модель процесса флегматизации РГС с нефтепродуктами ТГДУ;
– основные положения рекомендаций по технологии флегматизации ТГДУ при обеспечении ПВБ ремонтных работ на РГС с нефтепродуктами.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается:
применением современной, сертифицированной и поверенной измерительной
техники, соответствующих программных средств, обеспечивающих высокую
точность проводимых измерений (концентрации, температуры, массы, времени
и др.), значительным объемом полученных экспериментальных данных с
использованием апробированных методов их обработки, высокой
воспроизводимостью результатов экспериментов.
Материалы диссертации использованы:
– при организации безопасного проведения ремонтных работ на топливных емкостях ЗАО «Урал-Варта-ойл» (г. Полевской, Свердловская область);
– при подготовке к проведению и проведении ремонтных работ на горизонтальных резервуарах в сети АЗС ООО «КонтрактНефть» (г. Лесной, Свердловская область);
– в учебном и научно-исследовательском процессах Уральского института
ГПС МЧС России при совершенствовании дисциплины «Пожарная
безопасность технологических процессов» и написании учебно-методического
пособия «Обеспечение пожаровзрывобезопасности горизонтальных
резервуаров для нефтепродуктов перед ремонтом» (г. Екатеринбург, ФГБОУ ВО «Уральский институт ГПС МЧС России»).
Основные результаты работы доложены: на ХXI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в РФ», посвященной 20-летию образования МЧС России (г. Екатеринбург, УрИ ГПС МЧС России, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы пожарной безопасности: пути их решения и совершенствование противопожарной защиты» (г. Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе в 4-х рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Содержание работы изложено на 243 страницах текста, включает в себя 115 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 239 наименований, приложения на 12 страницах.
Анализ эффективности способов обеспечения пожаровзрывобезопасности ремонтных работ на РГС
Пожары и взрывы на емкостях для горючих и легковоспламеняющихся жидкостей часто происходят при их очистке и подготовке к ремонту, а также при непосредственном выполнении ремонтных работ [2, 16, 17].
Проблема пожаров резервуаров, находящихся в стадии ремонта, известна достаточно давно. Согласно анализу данных статистики пожаров на резервуарах за 25-летний период (1953–1978 гг.) [18] в системе нефтепродуктообеспечения порядка 50 % от всех зарегистрированных пожаров на резервуарах происходит при подготовке и проведении ремонтных работ.
По результатам анализа [19] установлено, что на территории бывшего СССР за период с 1970 по 1994 год было зарегистрировано 243 пожара, произошедших на резервуарах, причиной которых в 55 % случаев являлось несоблюдение правил пожарной безопасности при выполнении сварочных ремонтных работ.
В соответствии с более современными данными [20], доля пожаров при предремонтной подготовке и ремонтных работах на резервуарах составляет 60 %, а согласно источнику [21] их число достигает 70 %.
Причиной возникновения пожара (взрыва) на практике нередко считают непосредственное возникновение огня, т. е. источника зажигания. Именно по источникам зажигания анализируют основную массу статистической информации о причинах пожаров. Такое традиционное понятие причины пожара имеет довольно прочную практическую основу и во многих случаях вполне справедливо [22].
Согласно данным [2, 23] основными причинами пожаров резервуаров следует считать: 23,8 % – огневые и ремонтные работы; 14,4 % – искры электроустановок; 9,5 % – разряды статического электричества; 9,0 % – проявление атмосферного электричества. Треть всех пожаров происходит от самовозгорания пирофорных отложений, неосторожного обращения с огнем, искр механического происхождения, поджогов. Пожары резервуаров, находящихся в стадии ремонта, условно можно разделить [23, 24]: а) возникшие в момент проведения ремонта на предварительно очищенных резервуарах – 50 %. Это, видимо, указывает на необходимость уточнения критериев готовности резервуара к проведению ремонта, а также на отсутствие надежной технологии предремонтной подготовки; б) происшедшие в процессе проведения технологических операций по очистке резервуара перед осмотром и ремонтом – 29,2 %, что свидетельствует о повышенной пожарной опасности традиционных способов подготовки резервуаров к ремонту; в) связанные с проведением работ по ремонту и обслуживанию резервуаров без их предварительной очистки – 20,8 %, что свидетельствует о низкой квалификации обслуживающего персонала и целесообразности разработки способов обеспечения ПВБ при проведении ремонтных работ на резервуарах без их предварительной очистки.
Таким образом, одной из самых сложных и пожаровзрывоопасных технологических операций в процессе эксплуатации резервуаров является предремонтная подготовка и проведение ремонтных работ. Авторы работ [16, 25, 26] имеют аналогичную точку зрения.
К сожалению, имеющиеся статистические данные не отражают, на каком конкретно типе резервуара зарегистрирован пожар. В свою очередь, наиболее многочисленными аппаратами для хранения нефтепродуктов считаются резервуары типа РГС [27-30], различные по номинальному объему и конструкции [31-33].
В связи с этим целесообразно рассмотреть востребованность и пожарную опасность ремонтных работ именно на РГС, а также произошедшие на них характерные случаи пожаров и взрывов.
Известно, что отказы и аварии любого оборудования происходят в начальный период эксплуатации (дефекты монтажа), далее следует этап безаварийной работы, а после 15-20 лет количество отказов, аварийных ситуаций резко возрастает вследствие накопления повреждений, возникших за весь срок эксплуатации [34].
Опыт эксплуатации РГС в научно-технических источниках информации освещен довольно слабо, основное внимание по вопросу наличия дефектов и повреждений, требующих их устранения методом ремонта, уделено стальным вертикальным резервуарам [35]. Тем не менее существует ряд авторов, труды которых позволяют оценить востребованность и пожарную опасность ремонтных работ именно на РГС.
Одной из распространенных причин снижения эксплуатационной надежности, уменьшения срока службы и выхода из строя РГС является коррозия корпуса резервуара и отдельных его элементов – резервуарного оборудования [36].
Определение критериев моделирования процесса флегматизации РГС исследуемым способом
В настоящее время имеется значительное количество научных трудов, посвященных вопросам обеспечения ПВБ ремонтных работ на резервуарах для нефти и нефтепродуктов. Из числа авторов таких работ, выполненных на уровне диссертаций, следует отметить: Назарова В.П., Рубцова В.В., Науменко А.В., Пешкова Ф.И., Ратайчака Д., Домничева В.А., Попова В.И., Удянского Н.Н., Филипчика М.В., Булгакова В.В., Сорокоумова В.П., Рожкова А.В, Байбурина Р.А., Корнилова А.А. и других исследователей, которые в совокупности послужили развитию научной школы в данном направлении. Значительную роль в становлении научной школы обеспечения ПВБ резервуарных парков сыграли доцент Волков О.М. и профессор Шатров Н.Ф.
Анализ результатов исследований, проведенных в научной школе, позволяет классифицировать способы по группам (методам) [25, 86]: 1) предварительная очистка и дегазация резервуаров; 2) изоляция источника зажигания от парообразной и жидкой фаз нефтепродуктов или их отложений; 3) флегматизация (ингибирование) парогазового пространства резервуара. Представленные методы основаны на общем принципе разрыва связей мнемонического треугольника горения, тремя сторонами которого являются: горючее, окислитель и источник зажигания [87].
Рассмотрим каждую группу способов отдельно, с точки зрения эффективности их применения на резервуарах типа РГС.
Предварительная очистка и дегазация резервуара Обозначенная группа способов легла в основу традиционной технологии подготовки резервуаров к ремонтным работам, которая основана на снижении концентрации горючего в газовом пространстве резервуара и очистке полости резервуара от отложений и жидкой фазы нефтепродукта до невоспламеняемых количественных значений. Данная технология реализуется с помощью следующих технологических операций: аэрация, принудительная вентиляция, сорбция паров и газов, компримирование парогазовых смесей (далее – ПГС), механическая и ручная чистка. В зависимости от экономической целесообразности и свойств остатков нефтепродукта указанные способы могут применяться отдельно или в комбинации. Сорбция и компримирование на практике не используется из-за технической сложности [25, 88].
Наиболее часто для подготовки резервуаров к ремонту применяют вентиляцию и очистку от углеводородных отложений. Технология проведения указанных операций имеет повышенную пожарную опасность, о чем свидетельствуют результаты исследования [25].
В случае реализации традиционных способов на РГС возникает ряд технических трудностей, связанных с конструктивными особенностями резервуара. Конструктивные особенности РГС достаточно подробно рассмотрены и обобщены в работе [89].
Подлежащий ремонту резервуар предварительно освобождается от жидкого нефтепродукта, далее удаляют так называемый «мертвый остаток», что весьма сложно при наличии донных отложений. После отключают и отглушают резервуар от технологических линий, производят удаление паров нефтепродукта в основном путем естественной или искусственной вентиляции, а также пропаркой водяным паром.
Естественная вентиляция, по-другому аэрация, основанная на силах гравитации и ветра, не применяется на подземных резервуарах [18], к числу которых следует отнести большинство РГС, часто используемых на АЗС. При аэрации существует опасность образования горючей (взрывоопасной) смеси внутри и снаружи резервуара [90].
Для эффективной аэрации РГС надземного исполнения необходим технологический люк в нижней части резервуара, который в большинстве случаев не предусмотрен проектом.
Принудительная вентиляция осуществляется с помощью подвижного вентиляционного оборудования во взрывозащищенном исполнении, которое устанавливается на фланце открытых технологических люков [35].
Результаты исследований способов принудительной вентиляции резервуаров [2, 25, 86], в том числе резервуаров типа РГС, свидетельствуют о том, что для создания интенсивной движущей силы воздушного потока с целью испарения и последующего удаления остатков нефтепродукта из резервуара необходимо наличие второго открытого люка [62].
На РГС объемом от 3 до 100 м3, как правило, предусмотрена только одна горловина, на крышке которой смонтировано резервуарное оборудование, создающее технические сложности при установке вентиляционной или моечной техники [33]. В связи с этим на практике сначала производят демонтаж резервуарного оборудования и вскрытие горловины РГС (рисунок 1.10), а потом операции по очистке и дегазации резервуара. Подобные демонтажные работы являются весьма взрывопожароопасными, о чем свидетельствуют пожарная статистика и характерные случаи взрывов РГС, представленные в подразделе 1.3.
Скорость (интенсивность) сублимации твердого гранулированного диоксида углерода в различных видах светлых нефтепродуктов
Разработка принципиальной схемы способа является подготовительным этапом к предстоящему экспериментальному исследованию, необходимым для постановки задач исследования, разработки экспериментальных стендов и методики проведения экспериментов.
В работах [181, 190, 191] для флегматизации резервуаров предлагается использовать кусковой (сблокированный) «сухой лед» (см. рисунок 1.21).
Например, в работе [181] при инертизации железнодорожной цистерны из-под нефтепродукта блок «сухого льда» укладывался на деревянный щит, располагаемый на дне цистерны. Основным недостатком такого решения, в случае его применения на РГС, является необходимость вскрытия горловины резервуара для установки деревянной подложки и последующей загрузки блоков «сухого льда». В противном случае, доставка «сухого льда» в форме блоков без вмешательства в конструкцию резервуара невозможна.
Вскрытие горловины РГС, как показали анализ методов предремонтной подготовки резервуаров и обзор характерных случаев взрывов РГС, является весьма пожаровзрывоопасной операцией.
Для исключения подготовительных демонтажных работ, в целях флегматизации РГС можно использовать гранулированный «сухой лед» (рисунок 2.1) способом загрузки гранул через технологическое отверстие в верхней части резервуара, например, замерный люк, что ранее нигде не предлагалось. Гранулированный «сухой лед» не отличается по свойствам от обычного «сухого льда». Основные параметрические величины и их зависимости, характеризующие физико-химические свойства СО2, представлены в [157, 189]. Гранулы «сухого льда» имеют форму цилиндра. Наиболее распространенными в производстве являются гранулы диаметром от 3 и 16 мм [192]. Для флегматизации РГС твердый гранулированный диоксид углерода (далее ТГДУ) целесообразно использовать с диаметром гранул равным 3 мм.
Во-первых, гранулы такой величины можно свободно загрузить россыпью через отверстие ( 80-150 мм [193]) замерного люка РГС. В случае отсутствия замерного люка в конструкции РГС могут быть использованы любые другие технологические отверстия в верхней части обечайки резервуара.
Во-вторых, чем меньше размер гранул, тем быстрее протекает процесс их сублимации [194], что, в свою очередь, может повысить эффективность рассматриваемого способа флегматизации.
Последнее основано на том, что у гранул ТГДУ меньшего размера суммарная площадь теплообмена с окружающей средой будет больше, чем у гранул той же массы, но большего размера. Чем больше площадь взаимодействия (теплообмена) ТГДУ со средой сублимации, тем интенсивнее будет протекать ПВБ состояние процесс флегматизации. Время приведения резервуара в соответственно тоже будет сокращено.
Загрузка ТГДУ в объем РГС, полностью опорожненного от нефтепродукта (рисунок 2.2), с точки зрения упрощения способа, может осуществляться с помощью примитивных технических средств таких, как устанавливаемая на замерный люк направляющая воронка и мерная тара для ТГДУ, выполненных из искробезопасного материала. 3 Рисунок 2.2 – Схема загрузки ТГДУ в РГС: 1 – РГС; 2 – горловина РГС; 3 – люк замерный; 4 – ТГДУ; 5 – направляющая воронка; 6 – мерная тара; 7 – крышка горловины РГС; 8 – трубопровод раздачи нефтепродукта; 9 – трубопровод зачистной; 10 – насыпь сублимирующегося ТГДУ По мере сублимации ТГДУ углекислый газ будет накапливаться в РГС, тем самым флегматизировать его объем, что по аналогии происходит в способе [181]. Помимо того, как загружать ТГДУ в объем РГС, необходимо учитывать особенность процесса получения флегматизирующего газа СО2 за счет сублимации его твердой фазы. Данная особенность является основным отличием предлагаемого для исследования способа флегматизации от других, достаточно хорошо изученных. Процесс сублимации ТГДУ является ключевым звеном при флегматизации резервуара, так как от его скорости зависит расход флегматизирующего газа СО2, о чем ранее было упомянуто.
Исследованию процесса сублимации «сухого льда» в среде атмосферного воздуха посвящены работы [195-200]. Изучив данные работы, рассмотрим процесс сублимации ТГДУ более подробно.
Абстрагировано процесс сублимации происходит в результате разности парциальных давлений пара СО2 у поверхности ТГДУ и в окружающей среде, по-другому в результате разности концентраций. Эндотермический процесс сублимации приводит к образованию над поверхностью твердой фазы пограничного слоя насыщенного пара СО2, парциальное давление которого соответствует температуре поверхности сублимирующегося ТГДУ [197].
Температура поверхности ТГДУ зависит от условий процесса сублимации и только в частном случае равна 78,47 С ниже нуля, что при нормальном (атмосферном) давлении соответствует 100%-й концентрации СО2 в окружающей среде. При таком же давлении, но меньшей концентрации газа СО2 температура будет ниже [157]. Например, при концентрации СО2 в воздухе равной 20 %, температура ТГДУ составит примерно минус 94 С, а при концентрации 10 % около минус 101 С [189]. То есть, чем меньше концентрация газа СО2 над поверхностью сублимирующегося ТГДУ, тем процесс сублимации протекает более быстро [196].
При сублимации ТГДУ в парогазовой среде РГС (см. рисунок 2.2) давление насыщенного пара СО2 в пограничном слое не будет превышать давление среды в резервуаре на стадии ремонта, т. е. атмосферное давление [197]. Температура сублимации будет увеличиваться за счет увеличения концентрации СО2 в придонном слое резервуара согласно [181]. Поэтому скорость сублимации должна тоже снижаться и соответственно уменьшаться расход газообразного СО2.
Пользуясь приведенными дифференциальными уравнениями в работах [195, 197, 198], рассмотрим процесс сублимации ТГДУ в среде резервуара, полностью опорожненного от жидкого нефтепродукта.
Условия обеспечения пожаровзрывобезопасности горизонтальных резервуаров с остатком нефтепродукта способом флегматизации ТГДУ
Экспериментальное исследование было начато с проведения качественных экспериментов на ЛС-1, целью которых было ознакомление с протекающими закономерностями в ходе флегматизации ТГДУ при различных начальных условиях.
На первом этапе качественных экспериментов проверялось предположение о том, что при наличии в резервуаре жидкого остатка нефтепродукта процесс сублимации ТГДУ протекает значительно быстрее, тем самым существенно сокращается время приведения резервуара в ПВБ состояние. Эксперименты проводились по плану (см. рисунок 2.14). Флегматизация ЭР-1 осуществлялась по схеме-1 (см. таблицу 2.2).
В ходе экспериментов, помимо визуального наблюдения за происходящим, контролировалось изменение массы сублимирующегося ТГДУ и концентрации кислорода посредством КИК ЛС-1 (см. рисунок 2.11).
Из общего массива экспериментальных данных, для наглядного представления зависимости изменения содержания кислорода в объеме ЭР-1 от процесса сублимации ТГДУ в различных средах, достаточно данных, полученных с кислородных датчиков, размещенных в наиболее удаленных точках экспериментального объема относительно места загрузки ТГДУ, т. е. возле днищ ЭР-1. Схема размещения датчиков представлена на рисунке 3.1 (а).
На рисунке 3.1 (б) представлены результаты опыта, в котором загрузка ТГДУ осуществлялась в отсутствие жидкого остатка нефтепродукта в объеме ЭР-1. Подача ТГДУ производилась одинаковыми порциями по 0,25 кг каждая. Количество загружаемых порций определялось в ходе эксперимента и составило равным трем, после чего эксперимент был остановлен. Масса порций ТГДУ не изменялась при проведении последующих экспериментов данной серии.
Эксперимент без нефтепродукта можно характеризовать снижением скорости процесса сублимации первой же поданной порции ТГДУ, согласно показаниям весов и датчиков концентрации кислорода в экспериментальном объеме (см. рисунок 3.1 (б). Данное обусловлено скоплением газа СО2 в нижней части ЭР-1 и явным образованием слоя рыхлого инея на поверхности ТГДУ, который способствовал ограниченному подводу тепла на сублимацию. Снижение скорости сублимации можно проследить по показаниям кислородного датчика № 1 при сопоставлении периодов незавершенной сублимации каждой из трех поданных порций. В конце эксперимента массовый остаток ТГДУ составил около 2/3 суммы начальных масс трех поданных порций. Остановке эксперимента способствовали почти неизменяющиеся показания весов.
В начале следующего эксперимента в ЭР-1 загружался нефтепродукт (ДТ-Л) в объемном количестве равном 0,006 м3, которого было достаточно для полного погружения всех гранул одной порции ТГДУ (0,25 кг). Подача порций ТГДУ осуществлялась поочередно, т. е. после полной сублимации предыдущей поданной порции. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.2.
Согласно кривым (см. рисунок 3.1 (б) и 3.2), при сублимации ТГДУ в среде нефтепродукта скорость снижения концентрации кислорода увеличилась. Периоды полной сублимации каждой из трех поданных порций имеют разные временные интервалы, что связано с понижением температуры ДТ-Л в результате отвода тепла на сублимацию. Начальная температура ДТ-Л опустилась на 30 С и в конце эксперимента составила минус 5 С. После загрузки, гранулы ТГДУ концентрировались в ДТ-Л непосредственно в месте подачи, образуя насыпь, близкую по форме к сегменту шара. Данная особенность приводит к ограничению площади контакта ТГДУ с ДТ-Л, тем самым уменьшается подвод тепла и дополнительно снижается скорость сублимации. Столь существенное влияние теплового баланса позволило сделать предположение о влиянии начальной температуры нефтепродукта на скорость сублимации ТГДУ. В результате других опытов серии качественных экспериментов данное предположение подтвердилось. Более того, при определенном соотношении объема ДТ-Л и ТГДУ возникло явление так называемого «температурного шока» ДТ-Л в месте концентрации поданных гранул, когда сублимация практически полностью прекращалась (рисунок 3.3).