автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Экологически безопасные средства ликвидации пожаров резервуарных парков предприятий нефтехимического комплекса

/*

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МВД РОССИИ

На правах рукописи

ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЛИКВИДАЦИИ ПОЖАРОВ РЕЗЕРВУАРНЫХ ПАРКОВ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.14.16. Технические средства и методы защиты окружающей среды (химическая технология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат химических наук, профессор В.Р. Малинин

Санкт-Петербург 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................... 5

Глава 1. Литературный обзор................................................ 11

1.1. Способы защиты окружающей среды от воздействия на неё вредных факторов пожара при горении нефти и нефтепродуктов в резервуарах........................................ 12

1.1.1. Автоматические системы противопожарной защиты резервуаров .............................................................. 19

1.1.2. Тушение резервуаров передвижной пожарной техникой ... 22

1.1.3. Способ тушения нефтепродуктов установкой подачи пены через слой горючего (УППС)................................. 26

1.1.4. Особенности подслойного способа тушения .................. 30

1.1.5. Тушение пламени способом перемешивания жидкости .... 37

1.2. Пенообразователи на основе фторированных ПАВ для систем «подслойного» пожаротушения........................ 45

1.2.1. Фторсинтетические пенообразователи......................... 45

1.2.2. Фторпротеиновые пенообразователи........................... 48

1.3. Постановка задач исследований................................. 54

Глава 2. Экспериментальная часть.......................................... 57

2.1. Назначение, устройство и принцип действия лабораторной установки........................................................ 57

2.2. Метод определения кратности и устойчивости низкократной пены............................................................... 62

2.2.1. Метод определения стойкости и огнетушащей эффективности пены при заданной кратности и дисперсности....... 64

2.3. Метод определения огнетушащей эффективности низкократных высокодисперсных пен................................. 67

2.3.1. Метод определения эффективности тушения при перемешивании горючего сжатым воздухом и инертным газом ... 72

2.4. Методика исследования коррозионной активности водного раствора пенообразователя.................................... 75

2.5. Методика проведения натурных испытаний автономной установки пенотушения модульного типа (АУПТ-1 ОМ) ... 78

2.5.1. Краткое описание установки АУПТ-ЮМ...................... 79

2.5.2. Материалы и оборудование для проведения испытаний ... 88

2.5.3. Подготовка к проведению испытаний.......................... 89

2.5.4. Проведение испытаний ............................................ 89

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение........... 97

3.1. Результаты экспериментов по тушению........................ 97

3.2. Результаты испытаний коррозионной активности водного раствора фторированного пенообразователя.................. 116

3.3. Выводы по результатам натурных испытаний................ 117

Глава 4. Модель механизма прохождения паров горючего через

слой пены. Надёжность пневмогидравлической системы модульного типа..................................................... 119

4.1. Модель механизма прохождения паров нефтепродукта через пенный слой................................................... 119

4.2. Анализ надёжности существующих установок пенного пожаротушения и разработанной автономной установки модульного типа..................................................... 123

Выводы ........................................................................... 127

Список литературы ............................................................. 129

Приложения ..................................................................... 141

Приложение 1 Техническое описание и инструкция по эксплуатации системы электроподогрева гидропневматических

емкостей АУПТ-1 ОМ......................................... 141

Приложение 2 Подготовка АУПТ-ЮМ к работе и порядок выполнения технологических операций............................ 146

Приложение 3 Заключение о коррозионной агрессивности водного

раствора фторированного пенообразователя............ 166

Приложение 4 Акт о реализации научных результатов диссертационной работы при проектировании и строительстве системы пожаротушения на нефтебазе филиала ООО

СВЛ «Кавказ»................................................. 169

Приложение 5 О возможности внедрения научно-технических разработок на Чебоксарской ТЭЦ-2.......................... 170

Приложение 6 Акт о реализации результатов диссертационного исследования в учебном процессе и при выполнении курсовых и дипломных работ курсантами и слушателями СПб ИПБ МВД РФ.................................... 171

ВВЕДЕНИЕ

Любой крупный пожар чреват опасностью неблагоприятных экологических последствий. Нормативное время тушения для автоматических систем пенного пожаротушения нефтепродуктов в нефтехранилищах составляет

о

10 мин [1]. Даже если горение в резервуаре с бензином объемом 5000 м и

ликвидировано за 10 мин., то при скорости выгорания 0,005 м/мин в атмо-

•2

сферу выбрасывается более 100.000 м различных продуктов горения, включающих экологически опасные вещества. Используемые огнетушащие вещества также серьезно влияют на загрязнение окружающей среды. До настоящего времени для тушения нефтепродуктов применяются биологически «жесткие» пенообразователи (ПО), которые при термическом воздействии, к тому же, выделяют большое количество токсичных продуктов разложения.

Прекращение горения нефтепродуктов в резервуарах связано с особыми трудностями. Одной из основных причин этого является образование труднодоступных для тушения зон - «карманов». Статистика показывает, что тушение более 60 % всех пожаров на резервуарах осложнялось образованием таких зон. Из них 19,5 % пожаров, на которых прекращение горения достигается только после полного выгорания нефтепродукта. В связи с этим, расходы огнетушащих составов вынужденно увеличиваются. Около половины всех пожаров ликвидируется при превышении в 2,5- 4 раза нормативного расхода огнетушащего вещества. Так, например, 13.03.86 г. на Киришском НПЗ, резервуар типа РВС-10000 с бензином был потушен через 85 часов. На тушение было затрачено 900 тонн концентрата биологически «жесткого» пенообразователя [2].

Наряду с этим технологическое оборудование огромного количества резервуарных парков, технологические линии и системы многих нефтеперерабатывающих заводов эксплуатируются на протяжении длительного времени. Кризис в промышленности, в экономике, дороговизна появившихся на

Российском рынке импортных средств пожаротушения чаще всего вынуждают руководителей объектов отказываться от приобретения и установки новых технологий и систем противопожарной защиты. При этом системы пожаротушения резервуарных парков, установленные еще в 60-ые, 70-ые годы, как показывает опыт, «создают лишь иллюзию пожарозащищенности».

Особенно бедственную картину представляет собой техническое состояние резервуарных парков хранения нефтепродуктов. Сверхнормативные сроки эксплуатации резервуаров, непродуманные решения при строительстве нефтебаз и при монтаже автоматических систем пожаротушения, нарушения правил эксплуатации этих систем привели к тому, что резервуары стали представлять значительную и с каждым годом возрастающую угрозу для окружающей среды [3].

Более 12 крупных пожаров в год - таков средний показатель по резер-вуарным паркам нефтяной и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности страны. Пожары на таких объектах не только приводят к потерям важнейшего стратегического сырья, они всегда представляют огромную экологическую опасность [2].

Наиболее перспективным направлением в обеспечении противопожарной защиты резервуаров в настоящее время является способ подслойного тушения, при котором низкократная пена подается под слой горящего нефтепродукта в основание резервуара. Способ, несомненно, имеет существенные преимущества, например, практически исключается возможность образования «карманов». Пена, подаваемая в нижнюю часть резервуара, преодолевает затонувшие конструкции и растекается по всей поверхности горения. Однако и этот способ не лишен недостатков, один из которых - сложность управления процессом получения пены. Способ требует еще более глубокой технической проработки и проведения исследований как по дальнейшему повышению эффективности тушения, так и по изучению особенностей связан-

ных, например, с технологией хранения водного раствора фторированных пенообразователей.

В то же время остаётся открытым вопрос возможности использования энергии сжатых газов для защиты резервуаров, для получения пены и её доставки к очагу горения. При этом существует ряд пожароопасных объектов, на которых нет достаточного количества электроэнергии, и по этой причине нет возможности создания системы противопожарной защиты с традиционным использованием пожарных насосов.

С нашей точки зрения, автономная энергонезависимая гидропневматическая установка, позволяющая управлять газовым и жидкостным потоками и дающая возможность получать инертную пену является оптимальной для защиты резервуаров.

Кроме того, применение энергии сжатых газов для целей пожаротушения раскрывает новые возможности в плане совершенствования подслойного способа и традиционных способов пожаротушения как для защиты резервуаров, так и для противопожарной защиты других объектов, производств и технологий.

В связи с этим, необходимость создания нового подхода к проблемам противопожарной защиты резервуарных парков достаточно актуальна и имеет практическую значимость.

Поэтому целью настоящей работы является разработка высокоэффективного модульного устройства, позволяющего реализовать экологически безопасные способы пожаротушения, научное обоснование элементов конструкции и способов снижения испаряемости нефтепродуктов в окружающую среду при пожаре и аварийном разливе.

Достижение указанной цели потребовало решить ряд конкретных научных задач:

- теоретически и экспериментально определить основные факторы, влияющие на эффективность тушения и изолирующие характеристики пен, полученных с помощью гидропневматики;

- найти оптимальные значения основных параметров пены, влияющих на эффективность тушения и изолирующую способность пенного слоя;

- разработать математическую модель механизма изоляции паров нефтепродукта с помощью воздушно-механической пены;

- сконструировать основные элементы гидропневматического модуля пожаротушения и разработать макет модуля для проведения экспериментов;

- определить область применения гидропневматического устройства и экспериментально подтвердить возможность реализации различных способов пожаротушения с помощью данного устройства;

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложен модульный принцип защиты нефтебаз и создана гидропневматическая установка пожаротушения для его реализации;

- исследовано влияние кратности и дисперсности пен на их изолирующую и огнетушащую эффективность, определены оптимальные параметров кратности и дисперсности;

- впервые проведено исследование эффективности тушения нефтепродуктов инертными высокодисперсными пенами подслойным способом;

- предложена математическая модель, позволяющая рассчитывать оптимальную толщину пенного слоя необходимого для надежной изоляции паров нефтепродукта при тушении и аварийном разливе.

На основе результатов исследований:

- разработана и внедрена конструкция огнетушащего модуля для защиты резервуаров типа РВС -5000, РВС-10 ООО;

- создан и реализован на реальном объекте технический и рабочий проект модульного устройства;

- проведена сравнительная оценка надежности существующих традиционных систем пожаротушения и предложенной системы на основе гидропневматического модуля.

Апробация материалов диссертации проведена на:

- Российской научно-технической конференции «Опыт и перспективы обеспечения комплексных мероприятий пожарной безопасности на предприятиях» (УПО-50 МВД РФ, Санкт-Петербург), 1995 г.;

- на 1-ой городской научно-практической конференции военных учебных и научных учреждений Санкт-Петербурга "Военная наука и образование - городу", 1997 г.;

- на 1-ой Сибирской научно-практической конференции (ВосточноСибирский институт МВД РФ, г. Иркутск), 1998 г.

- на конференции научно-технического общества курсантов (слушателей) «200 лет МВД России». (СПбИПБ МВД РФ), 1998 г.

Результаты диссертационного исследования использованы при проектировании и строительстве системы пожаротушения нефтебазы филиала ООО CBJI «Кавказ», а также в учебном процессе, при выполнении курсовых и дипломных работ слушателей Санкт-Петербургского института пожарной безопасности МВД РФ (факультета подготовки специалистов государственной противопожарной службы Санкт-Петербургского университета МВД РФ.)

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Малинин В.Р., Москвин C.B., Трифонов М.Г. Новая технология защиты потенциально опасных технологических объектов // Опыт и перспективы обеспечения комплексных мероприятий пожарной безопасности на предприятиях: Методические материалы докладов Российской научно-технической конференции. - Санкт-Петербург.: Управление №50 ГПС МВД РФ, 1995. - С. 22-23.

2. Малинин В.Р.,Трифонов М.Г. Область применения высокодисперги-рованных водяных струй // Военная наука и образование — городу: Тезисы докладов первой городской научно-практической конференции. Санкт-Петербург. :ВАС, 1997. ч.2. - С. 293.

3. Малинин В.Р., Маловечко В.А., Трифонов М.Г. Модуль пожаротушения для защиты нефтебаз // Проблемы деятельности государственной противопожарной службы регионов Сибири и Дальнего Востока: Материалы 1-ой Сибирской научно-практической конференции. - Иркутск.: ВСИ МВД РФ, 1998, - С.102-103.

4. Трифонов М.Г., Крутолапов A.C. Разработка модели пневмогидрав-лической установки для изучения рабочих характеристик пен для подслойно-го способа тушения // 200 лет МВД России: Тезисы докладов конференции общества курсантов (слушателей). - Санкт-Петербург.: СПбИПБ МВД России, 1998.-С. 37-39.

Получено положительное решение о выдаче свидетельства на изобретение.

На защиту выносятся:

- результаты сравнительных экспериментальных исследований, позволяющих обосновать выбор способов пожаротушения с минимальным воздействием на окружающую среду;

- вероятностный подход к теоретическому определению величины пенного слоя, необходимого для изоляции паров нефтепродукта при тушении и аварийном разливе.

- конструкция огнетушащего модульного устройства;

- схема противопожарной защиты резервуарных парков на основе модульного принципа.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.

ГЛАВА 1.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Загрязнение атмосферы, воды и почвы продуктами антропогенной деятельности человека приобрело глобальный характер. Ежегодно на земном шаре 6 млн.га плодородных земель превращаются в пустыню; 11 млн.га лесов вырубаются, гибнут от пожаров и загрязнения атмосферного воздуха; около миллиона видов растений и животных исчезает с лица Земли; 14 тысяч человек погибают от отравления пестицидами и 700 тысяч человек заболевают из-за употребления зараженной воды и проживания в местах интенсивного загрязнения воздуха [4].

На Земле ежегодно происходят миллионы пожаров, в дымовых газах которых содержатся токсичные продукты горения и разложения различных материалов и веществ. В частности, в дыме любого пожара содержится оксид углерода. Его концентрация, равная 0,5 %, является опасной для жизни человека, а на пожарах она бывает значительно выше допустимой. В ряде случаев дымовые газы содержат сернистый газ, окислы азота, синильную кислоту и другие сильно токсичные вещества, кратковременное воздействие которых на организм человека даже в небольших концентрациях (сернистый газ -0,05 %; окислы азота - 0,025 %; синильная кислота - 0,02%) приводит к летальному исходу.

Процесс горения любого вещества сопровождается не только потреблением воздуха, необходимого для сгорания вещества, выбросом в атмосферу раскаленных продуктов сгорания, но и тепловым излучением. Так, при сгорании 1 кг нефти расходуется 11,4 м воздуха, в то же время объем про-

•э

дуктов сгорания составляет более 12,1 м [5].

Попадание вредных веществ в воздух в результате естественных обменных процессов и кругооборота веществ приводит к загрязнению воды и почвы. Для пожаров на нефтебазах, складах нефтепродуктов наибольший

урон связан с загрязнением воды и почвы самими углеводородными жидкостями. Это во многом объясняется тем, что в настоящее время около 95% всех пожаров ликвидируется с использованием воды и водных растворов пенообразователей, большинство из которых наносят экологический вред.

Исследования ряда учёных позволяют спрогнозировать воздействие массовых пожаров на состав земной атмосферы, способствующее созданию парникового эффекта [6].

Стратегический подход к снижению или предотвращению отрицательного влияния пожаров на окружающую среду состоит в усилении противопожарной защиты объектов и совершенствовании способов и средств тушения.

1.1. Способы защиты окруж