автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Снижение пожаровзрывоопасности процесса вентиляции вертикальных цилиндрических резервуаров с нефтепродуктами

На правах рукописи

Кнршсв Алексей Александрович

СНИЖЕНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ С НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Специальность: 05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

005557075

005557075

На правах рукописи

Киршев Алексей Александрович

СНИЖЕНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРОВ С НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной безопасности технологических процессов

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Назаров Владимир Петрович

Хафизов Фаниль Шамильевич, доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет, заведующий кафедрой «Пожарная и промышленная безопасность»

Навценя Владимир Юрьевич, доктор технических наук, доцент, Московский государственный университет путей сообщения, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности»

Ведущая организация:

ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится «19» декабря 2014 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России и на сайте: http://academygps.ru/uploads/files/RjvlXPm6Lj4dWlerq0fU.pdf

Автореферат разослан «24» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Швырков Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Проблемам безопасности объектов нефтегазового комплекса уделяется особое внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти, при этом одним из актуальных вопросов является обеспечение защиты людей и территорий от воздействия опасных факторов, реализуемых при чрезвычайных ситуациях на складах нефти и нефтепродуктов. Одной из проблем на объектах нефтегазового комплекса является проведение безопасной предремонтной подготовки нефтяных резервуаров.

Статистика свидетельствует, что более 20 % от всех пожаров на этих объектах происходит по причине нарушений требований пожарной безопасности при проведении огневых (ремонтных) работ, при этом на резервуарах каждый второй пожар связан именно с этой операцией.

На стадии предремонтной подготовки наиболее пожаровзрывоопасной технологической операцией является вентиляция резервуаров. В настоящее время на практике широко распространены естественная, дефлекторная и принудительная вентиляции. Однако, пожары и взрывы, произошедшие при всех указанных способах вентиляции, указывают на формирование взрывоопасных (горючих) смесей как внутри, так и снаружи резервуаров. Ниже приведены некоторые характерные примеры таких пожаров:

- 13 октября 2005 г. при проведении резки, произошло воспламенение паров топлива внутри резервуара емкостью 2000 м3 на терминале ОАО «НК «Роснефть-Архангельскнефтепродукт» в пос. Талаги, в результате чего погибли двое рабочих;

- 5 декабря 2006 г. при очистке железобетонного резервуара произошел взрыв и обрушение перекрытия, после чего загорелись остатки нефтепродуктов на нефтеперекачивающей станции «Калейкино» в Татарстане. В результате взрыва погибли рабочие, находившиеся внутри резервуара и производившие его очистку от нефтешлама;

- 16 июня 2010 г. при проведении ремонтных работ произошла вспышка скопившихся газов внутри резервуара на нефтебазе ЗАО «Таймырская топливная компания» в г. Норильске. Монтажник получил травмы.

С целью сокращения длительности работ по очистке резервуаров и снижения уровня пожаровзрывоопасности процесса их вентиляции требуется изучение закономерностей турбулентного переноса паров нефтепродуктов и конвективного массообмена в газовом пространстве резервуаров при их вентилировании.

Степень разработанности темы исследования. В качестве методологической основы диссертации использованы результаты теоретических исследований пожаровзрывобезопасности технологии предремонтной подготовки нефтяных резервуаров Назарова В.П., Рубцова В.В., Сорокоумова В.П. и др. Однако, анализ этих работ показал, что закономерности, характеризующие по-

ч

жаровзрывоопасность процесса принудительной вентиляции резервуаров, изучены не достаточно полно, затрудняется их широкое использование на практике. В связи с этим, требуется проведение дальнейших исследований по изучению влияния различных способов подачи приточного воздуха на снижение уровня пожаровзрывоопасности процесса вентиляции резервуаров.

Целью диссертационной работы является снижение пожаровзрывоопасности процесса вентиляции резервуаров с помощью инновационного (вихревого) способа вентилирования, обоснование безопасных условий проведения вентиляции резервуаров с остатками нефтепродуктов и разработка рекомендаций по снижению уровня пожаровзрывоопасности процесса вентиляции.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи научного исследования:

- обосновать и разработать экспериментальные стендовые установки и методики экспериментального исследования процессов массообмена при вентиляции резервуаров;

- изучить закономерности конвективного массообмена при вихревом способе вентиляции и сравнить их с традиционными способами подачи приточного воздуха;

- исследовать принудительную вентиляцию резервуаров с остатками светлых нефтепродуктов с целью разработки методики оценки пожаровзрывоопасности парогазовоздушной среды в газовом пространстве и длительности процесса вентилирования;

- разработать рекомендации по снижению уровня пожаровзрывоопасности и повышению эффективности технологии вентиляции резервуаров с остатками светлых нефтепродуктов.

Объектом исследования является технология предремонтной подготовки вертикальных цилиндрических резервуаров из-под светлых нефтепродуктов.

Предметом исследования является принудительная вентиляция резервуаров с целью снижения уровня пожаровзрывоопасности предремонтной подготовки вертикальных цилиндрических резервуаров из-под светлых нефтепродуктов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Изучены закономерности конвективного массообмена при вентиляции резервуаров инновационным (вихревым) способом;

2. Разработаны методики оценки пожаровзрывоопасности парогазовоздушной среды в газовом пространстве и прогнозирования пожаровзрыво-опасной длительности процесса вентилирования резервуаров;

3. Получена формула для расчета интенсивности испарения нефтепродуктов для различных способов подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуаров;

4. Обоснованы рекомендации по снижению уровня пожаровзрывоопасности и повышению эффективности технологии вентиляции резервуаров с остатками светлых нефтепродуктов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что предложенный вихревой способ вентиляции вертикальных цилиндрических резервуаров позволяет снизить уровень пожаровзрывоопасности принудительной вентиляции, значительно повысить производительность дегазации и сократить длительность предремонтной подготовки резервуаров.

Методология и методы исследования. Основу теоретических исследований составляли уравнения материального баланса процесса массообмена при испарении остатка нефтепродукта, экспериментальные исследования закономерностей массообмена, теоретический анализ научных работ в области предремонтной подготовки резервуаров и обобщения опыта практики.

Моделирование и расчеты, связанные с решением используемых уравнений проведены с применением программного комплекса EXEL, а также подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, материалы расследования аварий и пожаров, материалы научно-исследовательских работ по тематике пожарной безопасности.

На защиту выносятся:

- экспериментальный стенд и методика исследования пожарной опасности резервуаров с остатками нефтепродуктов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса массообмена при различных способах подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара;

- рекомендации по снижению пожаровзрывоопасности процесса вентиляции и повышению эффективности технологии вентиляции резервуаров с остатками светлых нефтепродуктов.

Степень достоверности полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- использованием современных, поверенных измерительных приборов, измерительной аппаратуры, обеспечивающих высокую точность измерения времени, температуры, массы с относительной ошибкой менее 5%;

- высокой воспроизводимостью получаемых результатов;

- практическим внедрением полученных результатов;

- подтверждением результатов исследований патентом на изобретение.

Материалы диссертации реализованы:

- внедрены в производственный процесс на ФКП «Завод им. Ü.M. Свердлова» для организации работ по предремонтной подготовке резервуара толу-ольного хозяйства инновационным способом (Нижегородская область, г. Дзержинск, ФКП «Завод им. Я.М. Свердлова»);

- внедрены в производственный процесс в ООО «Нефтемаслозавод «Варя» для организации работ по предремонтной подготовке резервуара из-под керосина инновационным способом (г. Нижний Новгород, ООО «Нефтемаслозавод «Варя»);

- при предремонтной подготовке резервуаров от остатков нефтепродуктов объектов ОАО «Мостранснефтепродукта» (г. Москва ООО «НПВКФ «РИНА»);

- в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при изучении дисциплины: «Методологические и нормативные основы определения величин пожарных рисков на производственных объектах» (г. Москва, ФГБОУ ВПО «Академия ГПС МЧС России»),

Основные результаты работы были доложены на:

- XXI Научно-технической конференции «Системы безопасности-2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012);

- Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию образования Академии ГПС МЧС России (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013);

- XXII Международной научно-практической конференции «Системы безопасности-2013» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013);

- Международной научно-практической конференции на тему: «Методические основы повышения качества образовательной деятельности по направлению подготовки 280100 «Безопасность жизнедеятельности и 280700 «Техно-сферная безопасность» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Содержание работы изложено на 233 страницах текста, включает в себя 25 таблиц, 106 рисунков, список литературы из 121 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и степень ее разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показана научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость, описана методология и методы исследования, представлены положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе проанализированы статистические данные о пожарах на резервуарах нефтегазового комплекса. Представлен анализ пожарной опасности процесса подготовки резервуаров к проведению аварийных и ремонтных работ. На основании анализа пожарной опасности предремонтной подготовки резервуаров нефтегазового комплекса установлены следующие факторы повышенной пожарной опасности: аварийный резервуар, выводится из нормального технологического режима, происходит взаимодействие горючего с окислителем (кислородом воздуха). Результатом данного взаимодействия становится образование горючей паровоздушной среды внутри резервуара.

Представлен анализ существующих нормативно-технических документов по эксплуатации нефтяных резервуаров типа РВС. Рассмотрены основные

особенности вентиляции резервуаров из-под хранения нефти и нефтепродуктов перед проведением огневых (ремонтных) работ, а также способы очистки нефтяных резервуаров. Сделан вывод о необходимости исследования пожаро-взрывоопасности процесса принудительной вентиляции резервуаров, как одного из наиболее доступных, технологически легко осуществляемых методов подготовки резервуаров к ремонту.

Процесс принудительной вентиляции резервуара может быть описан дифференциальным уравнением материального баланса:

Vdcp + q(prdT — (pnqdz = M(r)dr, (1)

где V - объем резервуара, м3; <р - концентрация углеводорода в газовом пространстве, кг/м3; q - производительность вентилятора, м3/с; <рг, <р„ — концентрация газа (пара) в газовом пространстве и в приточном воздухе, кг/м3 (принимаем <рг = (р)\ т - время испарения, с; М — массовая скорость испарения, кг/с.

Во второй главе описаны условия моделирования процессов вентиляции, таких как:

1) геометрическое подобие;

2) Re„ в турбулентной области (Ren >2320);

3) равенство чисел подобйя в модели и натуре.

Определяющим числом подобия, позволяющим установить связь между расходом, кратностью воздухообмена и перепадами концентраций в характерных точках, может быть принят комплекс:

(2)

vL р

где: д - ускорение свободного падения, м/с2; I - характерный линейный размер, м; v — скорость воздуха, м/с; Ар — разность плотностей газовоздушной смеси между двумя точками, кг/м3; р — плотность воздуха, кг/м3.

Так как в модели и в натуре должно соблюдаться равенство чисел подобия, комплекс (2) можно записать в виде:

91

Ар

81

vl Р„ vl рн где: индексы «м» и «н» означают, соответственно, модель и натурный объект.

Если считать, что при использовании в модели и натуре одинаковой жидкости = 1, то при соблюдении равенства плотностей воздуха в модели и

натуре отношение — ■ — равно 1, а соотношение (3) примет вид равенства чи-

ДРн Рм

сел Фруда, т.е.:

ql

Fr=^-= idem, (4)

qM = <7н -m2 ■ yfrii, (5)

KpM = KpH ■ m-°'5, (6)

£nM = ^ • m0'5, (7)

где: ц - расход вентилятора, м3/ч; т - коэффициент подобия; Кр - кратность воздухообмена, 1/ч; £п - энергией приточной струи, м2/с3.

При моделировании процессов вентиляции, в которых имеет место интенсивное уменьшение концентраций и отсутствуют тепловыделения, обычно комплексом (2) пренебрегают, а в качестве определяющего явление подобия принимают число Гомохронности Н0.

Условия моделирования могут быть оценены из соотношений:

<7м = <7н ' ™3 (8)

Крм = КрН С9)

£п = £п ' т2 (10)

Таким образом, для получения достоверных данных на натуре необходимо установить связь интенсивности испарения (плотности потока массы) и значений концентрации в сходственные моменты времени при различных масштабах моделей.

Также во второй главе приведено описание разработанных экспериментального резервуара (ЭР) и экспериментального полупромышленного стенда (ЭПС), позволяющих провести исследования влияния различных способов подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара на скорость испарения и потерю массы различными жидкостями. Приведено описание методики исследования процесса конвективного массообмена при вентиляции экспериментальных резервуаров.

Для поиска и исследования новых способов очистки (дегазации) резервуаров для хранения светлых нефтепродуктов проведен ряд экспериментов по принудительной вентиляции воздухом горючих газов. Подача воздуха в резервуар осуществлялась следующими способами:

1. Схема № 1 — подача струи воздуха вихревым способом «инновационная» (рисунок 1а).

2. Схема № 2 — подача струи воздуха «навстречу» (рисунок 16).

3. Схема № 3 - подача струи воздуха «традиционная» (рисунок 1в).

4. Схема № 4 — подача воздуха «смешанная» (рисунок 1г).

Выбор таких схем обусловлен прежде всего ограниченными конструкциями промышленных резервуаров для организации воздухообмена.

Эксперименты проводились для всех способов подачи приточного воздуха при постоянной производительности вентилятора.

Основными элементами ЭР и ЭПС являются экспериментальные резервуары объемом 0,192 и 5 м3 и представляют собой модель резервуара РВС-5000 в масштабе 1:17 и 1:10 соответственно. Особенностью экспериментальных резервуаров является наличие специальных воздуховодов для исследования распространения паров нефтепродукта навстречу потоку приточного воздуха.

а) Схема № 1 - подача приточного воздуха вихревым способом «инновационная»

б) Схема № 2 - подача приточного воздуха «навстречу»

в) Схема № 3 - подача приточного воздуха г) Схема № 4 - подача приточного воздуха «традиционная» «смешанная»

Рисунок 1 - Схемы подачи струй воздуха во внутреннее пространство резервуаров:

1 - резервуар; 2 - вентилятор (воздуходувка); 3 - люк для удаления газовоздушной смеси;

1.1.-3 - точки измерения подвижности воздуха и потери массы жидкостями во внутреннем

пространстве резервуара.

Методика проведения опытов заключалась в подаче в пространство ЭР и ЭПС приточного воздуха различными способами. В качестве исследуемых жидкостей использовались: толуол, ДТ евро, бензины АИ-92 евро, АИ-95 евро. Для чистоты эксперимента исследования по потере массы жидкостями проводились также и на воде.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.

11 13

1 - резервуар (ЭР); 2 - воздуходувка (вентилятор); 3 - линии подачи воздуха; 4 - клапан сброса избыточного давления воздуха; 5 - ротаметр; 6 — тройник; 7 — штатив; 8 - электронные весы «AND EK-1200i»; 9-емкость с нефтепродуктом; 10-поливиниловые

трубки для отбора проб на газовый анализ; 11 - разбавитель (РП-1); 12 - сорбционный фильтр (ФС-1); 13 - газоанализатор универсальный «ГАНК-4»; 14- кабель для подключения к ПЭВМ; /5-ПЭВП; /6-линия удаления паров

В процессе вентиляции ЭР и ЭПС подача струй приточного воздуха осуществлялась от воздуходувок. В точках, обозначенных на рис. 1 проводились измерения подвижности воздуха. Измерения подвижности приточного воздуха проводились при помощи: чашечного анемометра «У 1-1»; крыльчатого анемометра «АСО-3»; термоанемометра «ТКА-ПКМ».

Измерения потери массы жидкостями фиксировалось при помощи электронных весов: «AND EK-1200i» — при вентиляции ЭР и «ВЕГА» — при вентиляции ЭПС.

При проведении опытов на ЭР проводился замер концентрации паров горючего в газовом пространстве резервуара и в удаляемой газовоздушной смеси. Для этих целей использовался прибор газового анализа «ГАНК-4».

Расчет максимальной погрешности измерения основных величин показал, что среднеквадратичное отклонение не превысило 5%.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса испарения исследуемых жидкостей при различных способах подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара.

В таблице 1 приведены результаты расчета и экспериментальные значения средней подвижности воздуха (а>) при исследуемых способах подачи приточных струй во внутреннее пространство резервуара.

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные значения средней подвижности воздуха

Схема подачи струи приточного воздуха ЭР эпс

ш расчет ш эксперимент ш расчет О) эксперимент

Схема № 1 0,55 2,9 0,23 0,88

Схема № 2 0,60 3,5 0,21 0,70

Схема № 3 0,50 2,7 0,11 0,42

Схема № 4 0,57 3 0,22 0,74

За расчетную модель плотности потока массы и интенсивности испарения нефтепродуктов принята модель процесса массообмена при принудительной вентиляции резервуара. Плотность потока массы (интенсивность испарения) в предшествующих работах определялись из следующей зависимости:

7Гр = /(Ке,Ргд,7гд,м,0), (П)

где Не ~ аналог числа Рейнольдса; Ргд - Прандтля, диффузионное; пд - параметрическое число парциального давления; ¡л — относительная молекулярная масса нефтепродукта; в - температурный фактор.

ш-1 , „ йе =-, (12)

V

где I ~ характерный линейный размер; ш - средняя подвижность воздуха в резервуаре, м/с; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с;.

о» = 0,7 • еУ3

(У\1,ъ

У • (13)

где £п - энергия приточной струи, м"/с ; V - объем резервуара, м '; - общая площадь поверхности резервуара, м2.

V = [14,7 + 0,09 • (Тв - 283)] • 10~6, (14)

где Тв - температура окружающего воздуха, К.

где Дс - коэффициент диффузии, м2/с.

Величину коэффициента диффузии пара или газа в воздухе при рабочей температуре определяют по формуле:

где До - значение коэффициента диффузии, приведенное в справочной литературе, м2/с; Тв — температура окружающего воздуха, К; п - показатель степени, принимаемый 2, по справочной литературе.

па = У> (17)

гО

где Р5 - давление насыщенного пара, Па; Р0 - абсолютное давление в газовом пространстве резервуара, Па.

где Тт

/г = 1,55 + 0,0207 • (Гнк - 293), температура начала кипения жидкости, К.

Аокр.ср.

(19)

где Тповисп - температура поверхности испарения нефтепродукта, К; Токр.ср. - температура окружающей среды, К.

На рисунке 3 представлены зависимости средних значений экспериментальных интенсивностей испарения однокомпонентной жидкости (толуол) и многокомпонентной жидкости (бензин АИ-92/95 евро) при исследуемых схемах вентиляции экспериментального стенда.

V/

№

150

0 10 20 30

а) однокомпонентная жидкость (толуол)

0 10 20 30

б) многокомпонентная жидкость (бензин АИ-92/95 евро)

Рисунок 3 - Зависимость средних экспериментальных значений интенсивности испарения

В диссертационной работе для детальной наглядности при сравнении расчетных и экспериментальных значений зависимостей изменения массы исследуемых жидкостей и скоростей приточного воздуха во внутреннем пространстве резервуара разбили внутреннее пространство резервуара на плоскости сечения. Обозначение точек измерения и плоскостей сечения резервуара представлены на рисунке 4.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений долей испарившейся жидкости в плоскости сечения экспериментального резервуара, ограниченной точками измерения 1.3., 2.З., 3., 2.7., 1.7. (плоскость сечения № 3) при организации схемы вентиляции инновационным способом по однокомпонентной жидкости толуол представлены на рисунке 5.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений долей испарившейся жидкости в плоскости сечения экспериментального резервуара, ограниченной точками измерения 1.З., 2.З., 3., 2.7., 1.7. (плоскость сечения № 3) при организации схемы вентиляции традиционным способом по однокомпонентной жидкости толуол представлены на рисунке 6.

III

• 2.1

.2.8. •2.2.

11.7. 17. 3.

2.3. 1.3*1

2.6, • 2.4.

III

I

IV

Рисунок 4 - Обозначение точек измерений и плоскостей сечения резервуара

Изменение потери массы толуола в плоскости сечения № 3

« § 0,8 I 0,6

¡3 I 0,4 0,2 0

£ э

о й

1.3. 2.3. 3. 2.7.

Точки измерения (плоскость № 3)

■Эксперимент ■Расчет

т о

е г

к

5 Я

о о о, «

о *

О

Изменение скорости приточного воздуха в плоскости сечения № 3

2.3. 3. 2.7. 1.7.

Точки измерения (плоскость № 3)

Рисунок 5 - Изменение долей испарившегося толуола в зависимости от подвижности воздуха над поверхностью испарения в экспериментальном резервуаре при подаче приточного воздуха инновационным способом

Изменение потери массы толуола в плоскости сечения № 3

•Эксперимент -Расчет

Точки измерения (плоскость № 3)

Изменение скорости приточного воздуха в плоскости сечения № 3

5 т—

о ♦--- * --

1.3. 2.3. 3. 2.7. 1.7.

Точки измерения (плоскость № 3)

Рисунок 6 - Изменение долей испарившегося толуола в зависимости от подвижности воздуха над поверхностью испарения в экспериментальном резервуаре при подаче приточного воздуха традиционным способом

Общая зависимость потери массы жидкостями при исследуемых способах подачи приточного воздуха за 1 час вентиляции представлена на рисунке 7.

В таблице 2 приведены результаты экспериментальных исследований эффективности схем относительно скоростей подачи приточного воздуха во внутреннем пространстве резервуара и долей испарившихся жидкостей при одинаковых расходах воздуха.

Количественной величиной для сравнения различных схем подачи воздуха принят коэффициент эффективности, который для «традиционной» схемы подачи воздуха (схема № 3) равен 1. При уменьшении времени испарения остатков жидкостей для исследуемых схем увеличивается коэффициент эффективности по сравнению со схемой № 3. Результаты эффективности схем относительно скоростей подачи приточного воздуха приведены в таблице 2.

Для изучения влияния способа подачи приточного воздуха в резервуар на массообменные процессы проведены экспериментальные опыты по вентиляции ЭР и ЭПС с различными жидкостями (в том числе и с водой) при схемах подачи приточного воздуха (рисунок 1).

Схема № 1 "инновационная"

Схема № 2 "навстречу"

Схема N9 3 "традиционная"

Схема № 4 "смешанная"

124,6

■ Вода

□ ДТ евро 0АИ-92 евро

□ АИ-95 евро

□ Толуол

140

Рисунок 7-Общая зависимость потери массы жидкостями за 1 час при вентиляции экспериментального резервуара

Таблица 2 - Экспериментальные значения относительных скоростей приточного воздуха и долей испарившейся жидкости

Схема подачи воздуха Относительная скорость воздуха Доля испарившейся жидкости

Вода ДТ евро АИ-92/95 евро Толуол

Схема № 1 2,4 0,08 0,08 0,63 0,7

Схема № 2 1,8 0,01 0,01 0,35 0,32

Схема № 3 1 0,02 0,02 0,25 0,11

Схема № 4 1,9 0,01 0,01 0,34 0,15

На рисунке 8 представлены зависимости потери массы однокомпонент-ной жидкостью толуол и многокомпонентной жидкостью бензин при вентиляции экспериментального резервуара за единицу времени.

В диссертационной работе экспериментально исследованы причины повышения или снижения эффективности вентиляции при изменении способа подачи воздуха. Из опытов следует, что на процесс массообмена при вентиляции резервуара скорость и подвижность воздуха влияет не значительно. При практически одинаковой подвижности воздуха в резервуаре на массообмен значительное влияние оказывает способ подачи воздуха и степень его перемешивания с жидкостями.

тсР. т,

а) однокомпонентная жидкость б) многокомпонентная жидкость

(толуол) (бензин АИ-92/95 евро)

Рисунок 8 - Потеря массы жидкостями при исследуемых схемах подачи приточного воздуха

Установлено, что изменение схемы подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара при практически одинаковой средней подвижности воздуха в нем, за исключением схемы № 1 (рисунок 1 а, таблица 1), оказывает незначительное влияние на интенсивность испарения. Результаты опытов графически изображены на рисунке 4 и в таблице 2.

На рисунке 9 представлены зависимости изменения среднего значения текущей относительной концентрации углеводородов при вентилировании внутреннего пространства резервуара с остатком однокомпонентной жидкости ксилол и многокомпонентной жидкости бензин и за единицу времени при организации вентилирования по схеме № 1 в сравнении со схемой № 3.

г с

^тек.ср. '"гек.ср.

а) однокомпонентная жидкость б) многокомпонентная жидкость

(ксилол) (бензин АИ-92/95 евро)

Рисунок 9 - Изменение концентрации углеводородов при вентиляции экспериментального резервуара

Из полученных зависимостей видно, что на интенсивность испарения нефтепродукта оказывает влияние не только средняя подвижность подаваемого в резервуар воздуха, но и схема его подачи. «Инновационная» схема подачи приточного воздуха позволяет максимально перемешивать подаваемый воздух с газом в резервуаре.

Процесс дегазации можно существенно ускорить не только за счет увеличения количества подаваемого воздуха, но и за счет совершенствования способа подачи воздуха.

Применение вихревого способа перемешивания воздуха позволяет сократить время дегазации, а, следовательно, и время подготовки резервуара к ремонту. Одновременно сокращаются энергетические затраты, так как для получения эквивалентного эффекта по сравнению с прототипами требуется нагнетать меньше воздуха. Повышается коэффициент полезного действия (КПД) вентиляции.

На основании полученных данных разработана аналитическая модель и получены соотношения для определения интенсивности испарения при вентиляции резервуара. При разработке расчетной аналитической зависимости исходили из следующих предпосылок: масса испарившегося нефтепродукта и интенсивности испарения автомодельны относительно температурных, аэродинамических и геометрических условий процесса массообмена. Использовались критериальные зависимости, влияющие на процесс массообмена полученные ранее В.П. Назаровым.

В результате анализа теоретических разработок и экспериментальных опытов получена эмпирическая формула по определению скорости испарения при использовании исследуемых способов подачи приточного воздуха. Данная формула имеет вид:

М = А0 • 0,065 • 7Гр • (Р ' Уу • Яе0» • Ргд • в2 ■ тгд ■ м0'5, (20)

где р — плотность воздуха, кг/м3; - общая площадь поверхности, м2.

Коэффициент эффективности схемы вентиляции А0 в формуле скорости испарения (20), как эффективность вентиляции исследуемых схем подачи приточного воздуха характеризуется отношением экспериментальной интенсивности испарения при исследуемом способе к интенсивности испарения «традиционного» способа:

_ Щ (схемы) „ -

уТ ? 1 ;

*'э (традиц.)

где Из(схеМы) - экспериментальная интенсивность испарения исследуемой схемы подачи приточного воздуха, кг/м2-с; (традиц.) — экспериментальная интенсивность испарения «традиционной» схемы подачи приточного воздуха, кг/м2-с.

В таблице 3 представлен расчет коэффициента эффективности А0 в формулу интенсивности испарения М, для каждой схемы подачи приточного воздуха.

Таблица 3 - Значения коэффициента А0 в формулах для расчета интенсивности испарения

Способ подачи Коэффициент эффективности Ап

воздуха Вода ДТ евро АИ-92/95 евро Толуол

Схема № 1 4 4 2,52 6,36

Схема № 2 0,5 0,5 1,4 2,9

Схема № 3 1 1 1 1

Схема № 4 0,5 0,5 1,36 1,36

Опыты показали, что наиболее интенсивно процессы испарения протекают при организации воздухообмена по схеме № 1. Для решения поставленной задачи достаточным является изучение количественной характеристики способа подачи воздуха, который характеризуется коэффициентом эффективности. Создавая «инновационную» подачу потоков, увеличивают турбулизацию движения воздуха. При данном способе подачи воздуха от двух осесимметричных потоков результатом становится наибольшее перемешивание жидкости с воздухом. Перемешивание воздуха с газом в резервуаре при «инновационной» схеме подачи воздуха происходит во всех зонах резервуара, что ускоряет процесс вентиляции при равной кратности воздухообмена.

В четвертой главе даны рекомендации по обеспечению пожаровзрыво-безопасности процесса вентиляции резервуаров при подготовке и проведении аварийно-ремонтных работ. Рекомендации разработаны на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Рекомендации включают в себя:

- разработку условий, обеспечивающих безопасное проведение предре-монтной подготовки резервуаров перед началом вентиляции;

- технические решения при подготовке и проведении предремонтной подготовки на резервуарах;

- алгоритм расчета безопасной производительности вентилятора;

- алгоритм оценки параметров опасности процессов при вентиляции резервуаров;

- оценку уровня пожаровзрывоопасности и меры профилактики.

Обоснована пожарная опасность процесса вентиляции резервуаров

при предремонтной подготовке. Пожарная опасность характеризуется образованием взрывоопасных концентраций в газовом пространстве резервуара.

Определены значения безопасности для допустимых условий проведения аварийно-ремонтных работ, а именно: значения концентраций в удаляемой паровоздушной смеси.

Разработанные рекомендации соответствуют технологическим, экологическим требованиям, а также требованиям пожаровзрывобезопасности.

Безопасная концентрация в газовом пространстве резервуара рассчитывается по формуле:

<Рн

<Рбез =77н < С22)

У з

где (рн — нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м ;

К" - коэффициент безопасности, принимаемый равным 20 (К^=20). Нижний предел воспламенения для большинства углеводородов, нефтей и нефтепродуктов колеблется в пределах 30-50 г/м3 (0,8-2% об.). С учетом коэффициента безопасности предельно-допустимая взрывобезопасная концентрация составит примерно 2 г/м3 (0,05% об.).

Подбор безопасной подачи вентилятора также влияет на экономичность и эффективность процесса вентиляции. Для снижения уровня пожаровзрыво-опасности целесообразно правильно подбирать вентилятор из расчета:

Ябез — ' (23)

<Рн

где М0 — начальная (максимальная) скорость испарения, кг/с; срн - нижний концентрационный предел распространения пламени, кг/м3; К" - коэффициент безопасности.

Начальная (максимальная) скорость испарения рассчитывается по формуле:

М0 = 1У- % (24)

где IV - интенсивность испарения, кг/м2 с; - площадь испарения, м2.

Интенсивность испарения определяется по формуле:

IУ = А0-10"6 -ч-^-Р*, (25)

где А0 — коэффициент эффективности вентиляции, характеризующийся отношением экспериментальной интенсивности испарения при исследуемом способе к интенсивности испарения традиционного способа, принимаемый по таблице 3; т] — коэффициент, зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения (принимается по нормативным документам); ц - молярная масса жидкости, м3/кмоль; Р5 — давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости Ср, кПа.

Давление насыщенного пара определяется по следующей формуле:

]^ = А~сТГр- (26)

где А, В, С - константы уравнения Антуана, определяемые по справочным данным, кПа; Ьр — расчетная температура воздуха, °С.

Для нефтепродуктов, находящихся вне температурного интервала значений констант уравнения Антуана, давление насыщенных паров, кПа, можно определить по формуле:

_ ехр[б,908 + 0,0443 • (tp - 0,924 • tBCn + 2,055)]

Ps ~ 1047 + 7,48 • tBcn ' (27)

где tp - расчетная температура воздуха, °C; tBCn - температура вспышки, °C.

При соблюдении условий (22) параметр (вероятность) пожаровзрыво-опасности можно определить по формуле:

_ Т1 + т2

ПпВо — —I < (28)

Тоб

где тг - время вентиляции - неустановившегося периода, с; т2 - время вентиляции основного (стационарного) периода, с; то6 - общее время вентиляции, с. Параметр (вероятность) взрывоопасное™ из соотношения:

т1

Пво = —, при q > q6e3 (29)

'об

Вентиляция резервуаров с индивидуальными жидкостями Общее время вентиляции первого (неустановившегося) периода определяется по формуле:

V M1-q-(pQ q M1-q-<p20

где V - объем резервуара, м3; q — производительность вентилятора, м3/с; М1 -скорость испарения в первом периоде, кг/с; <р0 - начальная концентрация в газовом пространстве резервуара, кг/м3; <р2о ~ концентрация паров жидкости в начале второго периода, кг/м3.

Скорость испарения в течение первого периода определяется по формуле:

Мг = 0,84 • М0 , (31)

где М0 - начальная скорость испарения, кг/с.

Время вентиляции второго — основного (стационарного) периода определяется по формуле: d<p = 0

Со Gq

Т2 = —^— = TT' (32)

q-<p2 М2

где С0 — количество горючей жидкости в технологическом аппарате, кг; q - производительность вентилятора, м3/с; <р2 — концентрация паров жидкости во втором периоде, кг/м3; М2 - скорость испарения во втором периоде, кг/с.

Время вентиляции третьего — завершающего периода (дегазации) определяется по формуле:

V <р2

т3= — In—, (33)

Я <Рбез

где V - объем резервуара, м3; q - производительность вентилятора, м3/с; <р2 - концентрация паров жидкости во втором периоде, кг/м3; <рбез - безопасная концентрация в газовом пространстве кг/м3.

Общая продолжительность вентиляции рассчитывается по формуле:

то6 =т1+т2+ т3, (34)

где тг - время вентиляции первого - неустановившегося периода, с; т2 - время вентиляции второго — основного (стационарного) периода, с; т3 — время вентиляции третьего - завершающего периода (дегазации), с.

Вентиляция резервуаров с многокомпонентными жидкостями

Отличительной особенностью процесса вентиляции аппаратов с многокомпонентными жидкостями (бензин, керосин, нефть) является нестационарность второго периода из-за непрерывного изменения свойств испаряющейся жидкости.

Время вентиляции первого (неустановившегося) периода определяется по формуле:

V <Ро- —

т1=7Ту1п^-С35)

2-ч-аС ц

где V - объем резервуара, м3; q — производительность вентилятора, м /с; <р0 - начальная концентрация в газовом пространстве резервуара, кг/м3; М0 - начальная (максимальная) скорость испарения, кг/с; а - коэффициент, учитывающий свойства нефтепродукта, 1/с.

Время вентиляции второго — основного (стационарного) периода определяется по формуле:

м0-д

1

= --1п а

а(д-а-У)

ма-я п ■ ~ "л

(36)

- Гг„

где V - объем резервуара, м3; ц — производительность вентилятора, м7с; М0 - начальная (максимальная) скорость испарения, кг/с; а - коэффициент, учитывающий свойства нефтепродукта, 1/с; С0 - количество жидких остатков в технологическом аппарате, кг.

Время вентиляции третьего — завершающего периода (дегазации) определяется по формуле:

М0-д _ а-Со

V ц-а-У Я /-0-7Л Т, =— • 1п-, (37)

Ч <Рбез

где V - объем резервуара, м3; ц - производительность вентилятора, м /с; М0 - начальная (максимальная) скорость испарения, кг/с; а — коэффициент, учитывающий свойства нефтепродукта, 1/с; С0 - количество жидких остатков в технологическом аппарате, кг; <р6ез - безопасная концентрация в газовом пространстве, кг/м3.

Общая продолжительность вентиляции рассчитывается по формуле (34).

Заключение содержит констатацию основных научных и практических результатов работы.

В приложениях приведены: результаты измерений подвижности приточного воздуха и потери массы жидкостей при вентиляции экспериментального полупромышленного стенда (ЭПС) и экспериментального резервуара (ЭР); значения абсолютных и относительных ошибок при наиболее неблагоприятных условиях измерения; результаты сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей изменения относительной интенсивности испарения в плоскостях сечения экспериментального резервуара в зависимости от способов подачи приточного воздуха; акты внедрения результатов диссертационной работы; патент на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Изучено состояние вопроса по литературным данным. Показано, что существующие методы подготовки резервуаров к огневым (ремонтным) работам с применением вентилирования внутреннего пространства резервуаров являются пожаровзрывоопасными технологическими операциями. Обоснована необходимость научных исследований пожарной опасности процесса вентиляции резервуаров с остатками нефтепродуктов для разработки научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию методов подготовки резервуаров к огневым (ремонтным) работам.

2. Проведенный анализ способов принудительной вентиляции воздухом горючих газов во внутреннем пространстве резервуаров и закономерностей конвективного массообмена в газовом пространстве резервуаров при вентиляции показал необходимость разработки и создания специального стенда для экспериментального исследования новых способов принудительной вентиляции резервуаров.

3. Разработан экспериментальный полупромышленный стенд геометрически подобный промышленному резервуару РВС-5000, который позволил исследовать пожарную опасность и изучить закономерности процесса вентиляции резервуаров с остатками нефтепродуктов при традиционных и новых способах подачи приточного воздуха.

4. Проведены исследования процесса вентиляции и потери массы жидкостями при различных способах подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара. Экспериментально установлено, что «инновационная» схема подачи приточного воздуха во внутреннее пространство резервуара является более эффективной. Получены экспериментальные значения коэффициентов эффективности.

5. Получены инженерные формулы для расчета интенсивности испарения при различных способах подачи приточного воздуха при вентилировании резервуаров.

6. Обоснованы рекомендации по снижению уровня пожаровзрыво-опасности и повышению эффективности технологии вентиляции резервуаров с остатками светлых нефтепродуктов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:

1. Назаров В.П., Киршев A.A. Пожарная опасность гидравлической очистки резервуаров из-под нефтепродуктов [Электронный ресурс] / В.П. Назаров, A.A. Киршев // Технологии техносферной безопасности. - М., 2012. № 3. -Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/2012-3.html.

2. Назаров В.П., Киршев A.A. Вентиляция резервуаров перед ремонтными работами [Электронный ресурс] / В.П. Назаров, A.A. Киршев // Технологии техносферной безопасности. - М., 2012. № 4. - Режим доступа: http://ipb. mos.ru/ttb/2012-4. html.

3. Киршев A.A. Результаты сравнительных экспериментальных исследований способов вентиляции вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами [Текст] / A.A. Киршев // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — М.: Академия ГПС МЧС России. 2013.-№2.-С. 38-41.

4. Киршев A.A. Разработка экспериментального стенда для оценки интенсивности испарения углеводородных жидкостей [Текст] / A.A. Киршев // Пожаровзрывобезопасность. — М., 2013. - № 12. — С. 38-42.

5. Пат. 2518970<|3)С1 Российская Федерация, МПК В08В, 9/08, (2006.01). Способ дегазации вертикальных цилиндрических резервуаров перед ремонтными работами [Текст] / Киршев A.A., Назаров В.П., Коротовских Я.В.; заявитель и патентообладатель Киршев A.A. - № 2518970; заявл. 29.10.2012; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16. - 15 с. илл.

6. Назаров В.П., Киршев A.A. Повышение эффективности вентиляции резервуаров с нефтепродуктами [Текст] / В.П. Назаров, A.A. Киршев // Пожаровзрывобезопасность. — М., 2014. - № 7. - С. 52-57.

Остальные публикации по теме диссертации:

7. Киршев A.A. Анализ способов подготовки резервуаров нефтегазового комплекса к ремонтным работам [Текст] / A.A. Киршев // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности: тезисы докладов XXI Международной научн.-практ. конф. «Системы безопасности» СБ-2012. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С. 156-158.

8. Киршев A.A. Оценка эффективности испарения углеводородных жидкостей при подготовке резервуаров нефтегазового комплекса ремонтным работам [Текст] / A.A. Киршев // Исторический опыт, современные проблемы и перспективы образовательной и научной деятельности в области обеспечения пожарной безопасности: тезисы докладов Международной научн.-практ. конф., посвященной 80-летию образования Академии ГПС МЧС России. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. - С. 149-153.

9. Назаров В.П., Киршев A.A. Эффективность способов вентиляции резервуаров с нефтепродуктами [Текст] / В.П. Назаров, A.A. Киршев // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности: тезисы докладов XXII Международной научн.-практ. конф. «Системы безопасности» СБ-2013. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. - С. 120-123.

10. Киршев A.A. Совершенствование способов подготовки резервуаров нефтегазового комплекса к огневым, ремонтным работам [Текст] / A.A. Киршев // Методические основы повышения качества образовательной деятельности по направлению подготовки «Техносферная безопасность» и «Пожарная безопасность». Материалы международной научн.-практ. конф. - М. Академия ГПС МЧС России, 2014. - С. 234-237.

Подписано в печать 14.10.2014. Формат 60x84/1/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 114

Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4