автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов хранения сжиженного природного газа.

1.1. Физико-химические свойства и показатели пожаровзрывоопасности сжиженного природного газа.

1.2. Характеристика изотермических резервуаров для хранения

СПГ с точки зрения их пожарной безопасности.>.

1.2.1. Общая характеристика изотермических резервуаров.

1.2.2. Двухоболочечный резервуар.

1.2.3. Резервуар мембранного типа.

1.3. Краткий обзор аварий с пожарами и взрывами на объектах с использованием сжиженных газов.

1.4. Специфика пожарной опасности хранилищ СПГ.

1.5. Анализ требований отечественных и международных нормативных документов, регламентирующих пожарную безопасность резервуаров для хранения сжиженных газов.

1.6. Выбор направлений исследования.

Глава 2. Качественный анализ типовых сценариев аварий на изотермических резервуарах хранения СПГ, приводящих к возникновению пожароопасных ситуаций и пожаров.

2.1. Общая характеристика возможных сценариев пожароопасных аварий.

2.2. Разрушение резервуара.

2.3. Локальное разрушение резервуара.

2.4. Разрушение трубопроводов жидкой фазы.

2.5. Выброс паровой фазы из предохранительных клапанов.

Глава 3. Методы оценки поражающих факторов аварий о пожарами и взрывами на изотермических хранилищах СПГ.

3.1. Общие положения.

3.2. Растекание и испарение жидкости.

3.2.1. Скорость испарения.

3.2'.2. Растекание жидкости при мгновенном проливе на неограниченную поверхность.

3.2.3. Растекание жидкости на неограниченную поверхность при длительном проливе с конечным расходом.

3.3. Формирование и рассеяние в атмосфере газовых облаков, образующихся при проливах криогенных жидкостей и выбросах газа.

3.4. Оценка поражающих факторов при горении и взрыве газопаровоздушных облаков.

Глава 4. Расчет поражающих факторов пожара и взрыва при реализации аварийных ситуаций.

4.1. Разрушение резервуара.

4.1.1. Расчет размеров взрывоопасных зон (разрушение без воспламенения).

4.1.2. Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением).

4.1.3. Расчет радиуса воздействия избыточного давления в ударной волне при взрыве паровоздушного облака (разрушение с задержкой воспламенения).

4.2. Разрушение резервуара и пролив жидкости в обвалование.

4.2.1. Расчет размеров взрывоопасных зон (разрушение без воспламенения).

4.2.2. Расчет радиуса воздействия высокотемпературных продуктов сгорания паровоздушного облака в случае "пожара-вспышки". Расчет интенсивности теплового излучения при возникновении пожара пролива СПГ (разрушение с ранним воспламенением).

4.2.3. Расчет радиуса воздействия избыточного давления в ударной волне при взрыве паровоздушного облака (разрушение с задержкой воспламенения).

4.3. Разгерметизация трубопровода подачи СПГ в резервуар.

4.4. Краткое обсуждение результатов и выводы.

4.4.1. Разрушение резервуара и пролив жидкости за пределы обвалования.

4.4.2. Разрушение резервуара и пролив жидкости в пределах обвалования.

4.4.3 Разгерметизация трубопровода подачи СПГ в резервуар.

4.4.4. Выводы.

Глава 5. Требования пожарной безопасности к изотермическому хранилищу сжиженного природного газа.

5.1. Общие положения.

5.2. Требования к генеральному плану.

5.3. Резервуарные парки изотермического хранения СПГ.

5.4. Оборудование изотермического резервуара.

5.5. Технологическая обвязка резервуаров.

5.6. Технологические трубопроводы.

5.7. Предохранительные устройства и системы защиты от повышения давления и образования вакуума. Факельные системы.

5.8. Контроль и автоматизация.

5.9. Противопожарная защита.

Выводы.'.

В настоящее время природный газ занимает во всем мире все более обширную область современной энергетики, газоперерабатывающей промышленности и при использовании в качестве моторного топлива. Это обусловлено, с одной стороны, его несомненными экологическими преимуществами по сравнению с твердым и жидким топливом (продукты сгорания природного газа содержат значительно меньше вредных продуктов) и, с другой стороны, существенно более крупными природными запасами этого продукта по сравнению, например, с нефтью. Однако физические свойства природного газа обуславливают определенные объективные трудности в его транспортировке от мест добычи (в нашей стране зачастую это труднодоступные северные районы Сибири или континентальный шельф северных морей) до потребителя, вызванные необходимостью строительства магистральных трубопроводов большой протяженности. Такое строительство является весьма дорогостоящим и технически не всегда возможным (например, при необходимости транспортировки природного газа по акватории морей и океанов). Для избежания указанных трудностей предлагается транспортировать не компримированный, а сжиженный природный газ (СПГ), являющийся по своим физическим свойствам криогенной жидкостью. При этом технико-экономические показатели технологического процесса перевозки существенно повышаются по сравнению с традиционным трубопроводным транспортом (особенно в случае морских перевозок). Однако в данном случае требуется создание технологических установок по сжижению природного газа и, что наиболее важно, крупномасштабных хранилищ СПГ, единичные изотермические емкости которых могут вмещать до 200000 м3 продукта.

Столь большая концентрация СПГ, являющегося веществом с повышенной пожаров-зрывоопасностью, на относительно небольших площадях хранилищ обуславливает серьезную проблему обеспечения пожарной безопасности такого рода объектов, несмотря на то, что принятый по технологии изотермический способ хранения продукта (при температуре, близкой к температуре кипения, и давлении, незначительно отличающемся от атмосферного) снижает уровень пожаровзрывоопасности по сравнению с хранением под давлением. При этом существующая в России (да и в других странах) нормативная база в области обеспечения пожарной безопасности существенно отстает от потребностей практики. Так, в России вопросы проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа регламентируются нормативным документом ВНТП 51.1-87 "Ведомственные нормы технологического проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные)". Уже в самом названии норм заложен их временный статус. Указанные нормы представляют собой результат первого опыта разработки отечественного нормативного документа по проектированию промышленных объектов, связанных с СПГ. ВНТП 51.1-87 установлен максимальный допустимый объем хранения продукта в наземных изотермических резервуарах 8000 м3 при единичной емкости резервуара не более 600 м3. При проектировании резервуаров с единичными объемами, превышающими вышеуказанные значения, предлагается руководствоваться рассматриваемыми нормами, однако в каждом конкретном случае проект должен согласовываться надзорными органами в установленном порядке. Достаточность мер пожарной безопасности, заложенных в стандартах NFPA-58, NFPA-59A и API2510 для изотермических хранилищ СПГ, применительно к условиям России также не вполне обоснована. Все это вызывает необходимость детальной научной проработки проблемы обеспечения пожарной безопасности крупномасштабных изотермических хранилищ СПГ.

Нельзя сказать, что в области пожарной безопасности объектов с наличием СПГ не проводились научные исследования. Здесь в первую очередь следует отметить работы В.И. Макеева, И.А. Болодьяна, В.П. Некрасова, B.C. Сафонова, Г.Э. Одишария. А.А. Швыряева, Г.М. Махвиладзе, А.П. Федотова, А.П. Чугуева, Дж. Путтока, X. Никодема и других ученых разных стран. Ими оценены те или иные характеристики пожаровзрывоопасности продукта, рассмотрены вопросы испарения и горения проливов СПГ, формирования и сгорания облаков газовоздушных смесей, образующихся при испарении сжиженного природного газа, вопросы оценки риска объектов газовой промышленности и некоторые другие проблемы. Однако не проведено детальной оценки пожаровзрывоопасности крупномасштабных изотермических хранилищ сжиженного природного газа, на основе которой могут быть разработаны комплексные мероприятия по их противопожарной защите. Этим и обусловлена актуальность темы диссертации.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является оценка пожарной опасности крупномасштабных изотермических хранилищ сжиженного природного газа и разработка на ее основе комплекса научно-обоснованных мероприятий по их противопожарной защите.

Для достижения поставленной цели в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

- детальный анализ технологических особенностей объектов изотермического хранения СПГ, и выявление наиболее типичных сценариев протекания пожароопасных аварий;

- выявление и анализ физико-химических процессов, протекающих при авариях на изотермическом хранилище СПГ, и на их основе выбор совокупности параметров для количественной оценки пожарной опасности объекта;

- выбор наиболее подходящих с точки зрения специфики объекта методов оценки поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами;

- расчет величин поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами для типовых сценариев аварий;

- выявление технологических и конструктивных элементов объекта, определяющих уровень его пожарной опасности;

- разработка комплекса научно-обоснованных требований к системам предотвращения пожара и противопожарной защиты объекта.

Практическая значимость диссертации заключается в создании научных основ для нормирования по пожарной безопасности объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.

Результаты работы использованы при подготовке технических решений по обеспечению пожарной безопасности на стадии проектирования и строительства завода сжиженного природного газа (проект «Сахалин-2», компания «Сахалинская энергия»), при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объектов добычи и транспортировки газа на континентальном шельфе России (компания «Газфлот»), при разработке ГОСТ 12.3.047-98 "Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля" и НПБ «Пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей» (ВНИИПО МВД России), в учебном процессе (Академия государственной противопожарной службы МВД России, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Типовые сценарии аварий с пожарами и взрывами, определяющие пожаровзрыво-опасность изотермического хранилища сжиженного природного газа.

2. Перечень параметров для количественной оценки пожарной опасности изотермического хранилища СПГ.

3. Результаты количественной оценки величин поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами для типовых сценариев протекания аварий.

4. Результаты анализа технологических и конструктивных элементов крупномасштабного хранилища СПГ, определяющих уровень его пожарной опасности.

5. Комплекс научно-обоснованных мероприятий по предотвращению пожара и противопожарной защите изотермического хранилища сжиженного природного газа.

Материалы диссертации доложены на VI Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность в нефтегазовом комплексе" (г. Санкт-Петербург, 2000), Международной конференции INTERFLAM 2001 «Fire Science and Engineering Conference» и XVI научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» (г. Балашиха, ВНИИПО МВД России, 2001).

Основные результаты диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ состояния проблемы.// Пожарная безопасность.-2000.-№2. - с. 86-96.

2. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Анализ возможных аварий.// Пожарная безопасность. - 2000. - №3. - с. 43-50.'

3. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывобезопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Процессы испарения и формирование по-жаровзрывоопасных облаков при проливе жидкого метана. Методика оценки параметров.// Пожарная безопасность. - 2000. - №4. - с. 108-121.

4. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Результаты расчета поражающих факторов аварий с пожарами и взрывами.// Пожарная безопасность. - 2001. - №1. - с. 59-66.

5. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожаровзрывоопасность объектов хранения сжиженного природного газа. Основные требования пожарной безопасности к изотермическому хранилищу СПГ.// Пожарная безопасность. - 2001. - №2.- с.68-83.

6. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.// В кн.: Пожарная безопасность и охрана труда в газовой и химической промышленности. Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2000, с. 31-42.

7. Bolodian I.A., Shebeko Yu.N., Molchanov V.P., Deshevih Yu.I. et al. An estimation of fire and explosion hazard of large tanks for liquefied natural gas.//Proceedings of the 9-th International Conference on Fire Science and Engineering. Edinburgh, 2001, vol.2, p. 1309-1314.

8. Болодьян И.А., Молчанов В.П., Дешевых Ю.И. и др. Пожарная опасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа.// в кн.: Крупные пожары: предупреждение и тушение. Материалы XVI научно-практической конференции. Часть 1. М.: ВНИИПО, 20011, с. 172-173.

9. Дешевых Ю.И. Принципы обеспечения пожарной безопасности изотермических хранилищ сжиженного природного газа.// В кн.: Пожарная безопасность объектов защиты. М.: ВНИИПО, 2001, с. 3-39.

выводы

На основании выполненных в настоящей диссертации исследований могут быть сделаны следующие выводы.

1. Выполнен детальный анализ технологии хранения сжиженного природного газа в изотермических резервуарах и выявлены типовые сценарии протекания пожароопасных аварий, определяющих уровень пожаровзрывоопасности рассматриваемого объекта хранения СПГ. Разработаны соответствующие деревья событий. Показано, что в качестве основных типовых сценариев следует наиболее детально рассмотреть: разрушение резервуара и пролив жидкости за пределы обвалования, разрушение резервуара и пролив жидкости в пределах обвалования, разгерметизация трубопровода подачи СПГ в резервуар. При этом необходимо различать случаи мгновенного воспламенения и воспламенения с различными задержками относительно момента разгерметизации.

2. Дан пробный анализ физико-химических процессов, протекающих при авариях на изотермическом хранилище СПГ, на основе которого произведен выбор совокупности параметров для количественной оценки пожарной опасности объекта. Среди этих параметров в качестве основных следует отметить радиус и высоту паровоздушного облака в спокойной атмосфере, время рассеяния этого облака до безопасных концентраций, размер паровоздушного облака по направлению ветра, максимальный радиус разлития жидкости, горизонтальный размер взрывоопасной зоны, радиусы для различных степеней поражения тепловым излучением для пожара -вспышки, пожара пролива и огненного шара, радиусы для различных степеней поражения ударной волной при сгорании паровоздушного облака.

3. На основе анализа известных методов расчета указанных выше поражающих факторов пожароопасных аварий на хранилище сжиженного природного газа проведен выбор наиболее надежных и в наибольшей степени учитывающих специфику рассматриваемого объекта методов.

4. На основе расчета указанных выше поражающих факторов аварий выполнена детальная количественная оценка пожарной опасности изотермического хранилища СПГ. Найдено, что авария с разрушением резервуара и разлитием жидкости за пределы обвалования может привести к следующим последствиям: образование огненного шара диаметром 500-600 м с радиусом поражения тепловым излучением до 1500 м, возникновение паровоздушного облака с размерами 6-12 км, сгоранием указанного облака в режиме дефлаграции с давлением в ударной волне 8-20 кПа и повреждением зданий и сооружений на расстояниях 2,5-4 км. При аварии с разрушением резервуара и проливом жидкости в обвалование, а также при разрушении трубопровода с СГ1Г основное поражающее действие оказывает тепловое излучение пожара разлития с радиусом поражения до 500-700 м.

5. Проведен подробный анализ технологических и конструктивных элементов изотермического резервуара, существенным образом влияющих на уровень его пожарной опасности. Найдено, что такими элементами являются системы контроля расхода и уровня продукта в резервуаре, предохранительные устройства, теплоизоляция межстенного пространства, системы контроля утечек продукта, включая сигнализаторы довзрывоопасных концентраций, обвалование и другие части объекта.

6. Разработан комплекс научно-обоснованных требований к системам предотвращения пожара и противопожарной защиты изотермических хранилищ сжиженного природного газа. Эти требования распространяются на генеральные планы хранилищ, резервуарные парки изотермического хранения СПГ, оборудование изотермического резервуара, технологическую обвязку, технологические трубопроводы, предохранительные устройства и системы защиты от повышения давления и образования вакуума, факельные системы, системы контроля и автоматизации, систему противопожарной защиты (противопожарный водопровод, водяное орошение, порошковое пожаротушение, устройства для ограничения распространения паров СПГ и т.п.). Тем самым заложены научные основы нормирования изотермических хранилищ СПГ по пожарной безопасности.

7. Результаты диссертационной работы использованы при подготовке технических решений по обеспечению пожарной безопасности завода сжиженного природного газа компании «Сахалинская энергия», при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объектов добычи и транспортировки газа на континентальном шельфе России компании «Газ-флот». во ВНИИПО МВД России при разработке ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля» и НПБ «Пожарная опасность технологических сред. Номенклатура показателей», в учебном процессе Академии государственной противопожарной службы МВД России и Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина.

1. Пожароврывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ. Изд.: в 2 книгах. // А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др. - М.: Химия, 1990.

2. Теплофизические свойства веществ. Справочник под ред. Варгафтика Н.Б., 1956.

3. Термодинамические свойства метана. М.: Изд. стандартов, 1979. - 348 с.

4. Термодинамические свойства пропана. М.: Изд. стандартов, 1979. - 268 с.

5. Маршалл В. Основные опасности химических производств. М.: Мир,1989.-671 с.

6. Бесчастнов В.М. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение.- М.: Химия, 1991. -432 с.

7. Разработка рекомендаций по противопожарной защите ледогрунтовых хранилищ сжиженных углеводородных газов: Отчет. // ВНИИПО МВД СССР; П-81-70, инв. 1790/2, 1971.

8. Nash J.R. Darkest hours.-Chicago:Nelson Hall, 1976.

9. Davis L.N. Frozen fire.-San Francisco:Friends of the earth, 1979.

10. Brand einer Erdgasleitung in Erlangen Eltersdorf Hopp. // "Mag. Feuerwehr".- 1984, т.9, N 9. -P. 390-396.

11. Measuring Mexicos LPG catastrophe. // Fire. 1985, N956.

12. Рябов В.А. Авария на изотермическом хранилище сжиженного аммиака (Ионавское ПО "Азот"). // Безопасность труда в промышленности.-1990,№ 2. С.42-46.

13. Шевчук А.П., Симонов О.А., Шебеко Ю.Н. Анализ аварий в транспортных резервуарах со сжиженным .углеводородным газом с образованием "огненного шара". // Пожарная15