авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение безопасности аварийно-ремонтных работ на нефтяных резервуарах способом флегматизации азотом мембранного разделения

На правах рукописи

Корнилов Алексей Александрович ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АВАРИЙНО-РЕМОНТНЫХ РАБОТ НА НЕФТЯНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ СПОСОБОМ ФЛЕГМАТИЗАЦИИ АЗОТОМ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль, технические наук

и)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2012

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Назаров Владимир Петрович

Официальные оппоненты: Хафизов Фаниль Шамилевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ «Уфимский государственный нефтяной технический университет», заведующий кафедрой «Пожарная и промышленная безопасность» Бегишев Ильдар Рафатович доктор технических наук, профессор, Академия ГПС МЧС России, профессор кафедры «Процессы горения»

Ведущая организация: ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России

Защита состоится «20» декабря 2012 г. в 16 часов 00 минут на заседа нии диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государствен ной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Моск ва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «16» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Швырков Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Вопросы обеспечения пожаровзрывобезопасности (ПВБ) нефтяных резервуаров остаются актуальными, о чем свидетельствуют регулярно происходящие в них взрывы и пожары, как при нормальной эксплуатации, так и в период проведения регламентных ремонтных работ. Данное обстоятельство указывает на то, что реализуемые в настоящее время способы обеспе чения ПВБ резервуаров на стадии проведения аварийно-ремонтных работ не лишены недостатков и требуют модернизации. К одному из перспективных направлений обеспечения ПВБ резервуаров следует отнести флегматизацию их парогазовой среды азотом мембранного разделения (ФАМР).

Необходимо отметить, что в большей степени изучены предельно допустимые концентрации инертных газов и минимально взрыво опасные концентрации кислорода, тогда как исследования распреде ления азота мембранного разделения в объеме защищаемого резер вуара не проводились, что сдерживает внедрение данного способа на практике.

Инертный газ, получаемый мембранным способом, по существу, представляет собой обогащенный азотом (или обедненный кислоро дом) воздух. Данный способ имеет ряд особенностей, который отли чает его от других известных способов флегматизации, а именно:

- получаемый с помощью мембранных установок азот имеет температуру на 10 – 15 С выше, чем температура воздуха, поступаю щего в воздухоразделительные мембраны;

- производимая мембранной установкой инертная среда имеет ос таточное количество кислорода до 5 %.

Применение способа флегматизации на основе систем мембран ного воздухоразделения предполагает подачу обогащенного азотом воздуха с небольшим расходом, вследствие чего в объеме защищаемо го резервуара из-за неравномерности распределения инертной среды возникают области с более высокой по сравнению со среднеобъемной концентрацией кислорода.

Условием безопасности проведения огневых ремонтных работ является создание минимального взрывоопасного содержания кисло рода по всему объему резервуара. В связи с этим, требуемая произво дительность установки флегматизации, продолжительность подачи инертного газа, а также способ контроля пожаровзрывобезопасного состояния могут быть определены только на основании исследований неравномерности распределения концентраций кислорода в ходе флегматизации азотом мембранного разделения.

Таким образом, целью работы является повышение пожарной безопасности процесса проведения аварийно-ремонтных работ на нефтяных резервуарах посредством ФАМР.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику и экспериментальные стенды для иссле дования процесса ФАМР;

- выявить закономерности изменения концентрации кислорода в объеме резервуара при ФАМР;

- произвести оценку неравномерности распределения концентра ций кислорода в объеме резервуара;

- установить закономерности изменения концентрации кислорода в резервуаре в процессе флегматизации с учетом неравномерности его распределения;

- разработать рекомендации для проектирования и эксплуатации систем флегматизации, основанных на применении мембранных технологий воздухоразделения.

Объектом исследования являлся процесс флегматизации резер вуаров азотом мембранного разделения.

В качестве предмета исследования рассматривалось распреде ление концентраций кислорода в объеме резервуара.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика экспериментальной оценки неравномер ности распределения концентрации кислорода в резервуарах при флегматизации азотом мембранного разделения.

2. Установлены значения концентраций кислорода (6,2 – 7,6 %) в зависимости от начальной концентрации паров нефтепродуктов в резервуарах, до достижения которых в процессе флегматизации не происходит перерасход инертного газа.

3. Установлены закономерности изменения концентрации кисло рода в объеме резервуаров в зависимости от кратности подачи азота.

4. Разработана математическая модель процесса флегматизации, учитывающая физические свойства азота мембранного разделения и неравномерность его распределения в объеме резервуара.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования закономерностей изменения концентрации кислорода в объеме резервуаров, включая неравномерность ее распределения, в зависимости от кратности подачи азота, для обеспечения пожаро взрывобезопасности проведения аварийно-ремонтных работ на нефтяных резервуарах и проектирования систем флегматизации на основе мембранного воздухоразделения.

Материалы диссертации реализованы при:

а) разработке «Технических решений на проектирование допол нительной системы противопожарной защиты мазутных резервуаров ТЭЦ-11 в г. Москве». М.: ЗАО «НПП Криосервис», 2006 г.;

б) разработке «Технических решений на проектирование допол нительной системы противопожарной защиты автозаправочной стан ции № 40 НК «Роснефть», расположенной по адресу: г. Москва, ул. Проспект Мира, вл. 94, в связи с переносом троллейбусной линии на 2,0 м в сторону АЗС». М.: ЗАО «НПП Криосервис», 2009 г.;

в) разработке «Проектных решений на систему противопожарной защиты площадки центрального пункта сбора Ванкорского нефтегазо вого месторождения». Екатеринбург: ООО «Екатеринбург Спец Автоматика», 2011 г.;

г) разработке «Технических решений на стадии проектирования и эксплуатации системы флегматизации на основе мембранного возду хоразделения, обеспечивающих пожарную безопасность процессов проведения ремонтных работ в резервуарном парке ЗАО «Иркутск нефтепродукт», 2012 г.;

д) разработке лекционного материала по курсу «Производствен ная и пожарная автоматика» в Уральском институте ГПС МЧС России.

Основные результаты работы были доложены на:

- ХXI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.);

- IV Всероссийской научно-практической конференции «Акту альные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации» (г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС России, 2009 г.);

- V Международной научно-практической конференции «Пожар ная и аварийная безопасность» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2010 г.).

На защиту выносятся:

- результаты теоретического исследования процесса флегматиза ции азотом мембранного разделения резервуаров для нефтепродуктов;

- результаты экспериментальных исследований неравномерности распределения концентраций кислорода в резервуарах;

- математическая модель процесса флегматизации, учитывающая физические свойства азота мембранного разделения и неравномер ность его распределения в объеме резервуара;

- рекомендации по обеспечению пожаровзрывобезопасности при подготовке и проведении огневых аварийно-ремонтных работ на неф тяных резервуарах с использованием системы флегматизации на ос нове мембранного воздухоразделения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 179 стра ницах текста, включает в себя 11 таблиц, 77 рисунков, список исполь зованной литературы из 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сфор мулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и ее практи ческая значимость.

В первой главе представлен анализ статистики пожаров в резер вуарах, произошедших с 1970 по 2010 гг. на объектах нефтепродукто обеспечения, подтверждающий актуальность вопроса о необходимо сти совершенствования способов обеспечения пожарной безопасности при проведении аварийно-ремонтных работ.

Проведенный анализ научных публикаций по вопросу обеспече ния ПВБ при подготовке и проведении аварийно-ремонтных работ на резервуарах посредством флегматизации инертными газами показал, что вопросу неравномерности их распределения в объеме резервуаров уделено недостаточно внимания. Кроме этого, в ряде работ указывается на неэффективность проведения флегматизации из-за необходимости подачи большого количества инертного газа.

Разработанные ранее математические модели, описывающие флегматизацию или тушение замкнутого объема с помощью азота, в своей основе имеют допущение о «мгновенном» и «равномерном» пе ремешивании подаваемого инертного газа. Однако, данное условие, по всей видимости, справедливо только в случае подачи инертного га за с большим расходом. При небольшой кратности продувки возмож но возникновение локальных зон с концентрацией кислорода, отлич ной от среднеобъемной. Важно также отметить, что существующие математические модели не учитывают повышенную по сравнению со средой резервуара температуру подаваемого азота мембранного разделения, способную повлиять на интенсивность испарения оста точного количества нефтепродукта. Таким образом, был сделан вывод о необходимости проведения дополнительных исследований, направленных на изучение неравномерности распределения инертного газа и кислорода при ФАМР с целью оптимизации произ водительности мембранной воздухоразделительной установки.

Выполненный в работе анализ запатентованных технических разработок в сфере обеспечения пожарной безопасности емкостного оборудования инертными газами позволил определить наиболее эффективные способы подачи инертных газов, а также сформулиро вать рекомендации к конструктивному исполнению отдельных эле ментов системы флегматизации.

Во второй главе приведено описание разработанных лаборатор ного и полупромышленного стендов, а также методики исследования процесса флегматизации резервуаров и распределения кислорода в защищаемом объеме. Приведен анализ детекторов газового анализа.

Определена суммарная погрешность системы измерения концентра ции кислорода.

Основу лабораторного стенда (рис. 1) составляла серийно выпус каемая установка мембранного воздухоразделения. В качестве экспе риментального использовался резервуар из органического стекла объ емом 0,192 м3 (ЭР-1), являющийся геометрически подобным резер вуару типа РВС-5000 м3. На крыше ЭР-1 были установлены патрубки для ввода датчиков, подачи и удаления инертного газа. Также в лабо раторном стенде предусматривалась установка контрольной емкости, где размещались приборы контроля температуры и концентрации кислорода. Данные с датчиков поступали в контрольно-измеритель ный комплекс с выводом результатов измерений на компьютер.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного стенда:

1 – мембранный модуль;

2 – вентиль точной подстройки расхода инертного газа;

3 – контрольная емкость;

4 – датчик концентрации кислорода;

5 – термометр;

6 – ротаметр;

7 – линия подачи инертного газа;

8 – измерительный комплекс;

9 – экспериментальный резервуар (ЭР-1) Внутри ЭР-1 устанавливались датчики для измерения концентра ции кислорода в 48 точках согласно схеме (рис. 2).

Рис. 2. Схема размещения датчиков измерения концентрации кислорода в ЭР-1:

1-10 – базовые точки (стрелками обозначено направление подачи инертного газа и выхода газовой смеси) Одним из основных отличий полупромышленного стенда (рис. 3) от лабораторного являлась возможность использования для изучаемо го процесса резервуаров большего объема (1 м3 – ЭР-2;

5 м3 – ЭР-3;

10 м3 – ЭР-4).

Рис. 3. Принципиальная схема полупромышленного стенда:

1 – емкость со сжатым азотом;

2 – газовый редуктор;

3 – соединительные патрубки;

4 – вентили точной подстройки;

5 – нагревательный элемент;

6 – блок автоматической регулировки температуры;

7 – канальный воздухонагре ватель;

8 – контрольная емкость;

9 – термопара;

10 – ротаметр;

11 – эксперимен тальный резервуар;

12 – датчик концентрации кислорода;

13 – датчик концентра ции паров нефтепродукта;

14 – контрольно-измерительный комплекс;

15 – емкость с нефтепродуктом;

16 – электронные лабораторные весы Также, вместо мембранного модуля использовались баллоны со сжатым азотом. При этом газ перед попаданием в резервуар проходил дополнительный подогрев в автоматическом канальном воздухонаг ревателе до температуры 30 С, что соответствует температуре обед ненного кислородом воздуха, получаемого мембранным способом.

Схема размещения датчиков для измерения концентрации кислорода в ЭР-2 – ЭР-4 представлена на рис. 4.

Контрольно-измерительный комплекс, состоящий из электрохи мических датчиков концентраций кислорода и паров нефтепродукта, усилителей сигнала, модуля аналого-цифрового преобразователя сиг нала и компьютера с соответствующим программным обеспечением, позволял получать необходимые данные о распределении концентра ции кислорода в паровоздушном пространстве резервуара с перио дичностью 0,4 с.

Рис. 4. Схема размещения датчиков концентрации кислорода в ЭР-2 – ЭР-4:

1-6 – базовые точки, в которые устанавливались датчики для измерения концентрации кислорода, НП – датчик на суммарные концентрации углеводородов;

(стрелками обозначено направление подачи инертного газа и выхода газовой смеси) Температура среды на выходе из резервуаров фиксировалась с периодичностью в 300 секунд по показаниям жидкостных лаборатор ных термометров;

на внешней поверхности резервуара – с помощью инфракрасного термометра.

В третьей главе приведены результаты теоретического и экспе риментального исследований процесса флегматизации резервуаров азотом мембранного разделения.

В рамках теоретического исследования аналитическим спосо бом доказано, что проведение флегматизации парогазовой среды до 6,2-7,6 % по кислороду является эффективным и не требует перерас хода инертного газа.

Динамика основных компонентов парогазовой среды внутри защищаемого объема при флегматизации до настоящего времени описывалась с помощью интегральной математической модели, полученной путем решения системы дифференциальных уравнений материального баланса:

V р d ср q ср d W нп F нп d ;

нп нп исп к к к V р d ср q ср d q вх d ;

(1) ф ф ф V р d ср q ср d q вх d, Vр – объем резервуара, м3;

ср, ср, ср – среднеобъемные к нп ф где концентрации нефтепродукта, кислорода, флегматизатора, об. доли;

q – расход инертного газа, м3/ч;

– время, ч;

W нп – интенсивность испарения нефтепродуктов, кг/(м2·ч);

F нп – площадь испарения неф исп 2 к тепродукта, м ;

вх – концентрация кислорода в подаваемой инертной среде, об. доли.

Основным допущением системы уравнений (1) является условие мгновенного и равномерного распространения инертного газа, пода ваемого внутрь резервуара при флегматизации. Однако данное усло вие может выполняться только при высоких кратностях продувки резервуара (большом расходе инертного газа), тогда как флегматиза ция азотом мембранного разделения предполагает подачу инертной среды с небольшим расходом. Увеличение производительности мем бранной установки приведет к ее существенному удорожанию.

На стадии теоретического исследования было сделано предполо жение о неравномерности распределения концентрации кислорода, что, в свою очередь, оказывает влияние на массообменные процессы при флегматизации. Существование различия между среднеобъемной концентрацией кислорода внутри резервуара и концентрацией кисло рода в выталкиваемой среде может быть учтено посредством введения поправочного коэффициента, который может изменяться с течением времени. В этом случае дифференциальное уравнение материального баланса кислорода в резервуаре принимает вид:

к к к V р d ср kq ср d q вх d, (2) где k – коэффициент, характеризующий отношение концентрации кислорода в удаляемой среде к среднеобъемной концентрации кислорода внутри резервуара:

k f Кр q ;

, (3) Vр где Кр – кратность подачи инертного газа, 1/ч.

Отметим, что требуемое время флегматизации резервуара факти чески совпадает со временем достижения безопасной концентрации кислорода во всех участках резервуара. При этом динамика концен траций кислорода на данных участках связана со среднеобъемной концентрацией формулой:

к к максi срi a макс, (4) где aмакс – коэффициент, характеризующий неравномерность распре деления концентраций кислорода в объеме резервуара, имеющий аналогичную k функциональную зависимость:

a макс f Кр q ;

. (5) Vр Введение в уравнение материального баланса параметров k и aмакс позволяет моделировать динамику концентраций кислорода в процессе флегматизации с учетом неравномерности его распределе ния в объеме резервуара. Однако, уравнение (2) с учетом функцио нальных зависимостей (3) и (5), не имеет аналитического решения.

В связи с чем, для определения видов искомых зависимостей, были проведены дополнительные эксперименты.

Анализ результатов экспериментальных данных по флегматиза ции резервуаров с кратностями в диапазоне от 0,082 до 3,13 1/ч (рис. 5, 6) также подтверждает предположение о неравномерности распределения концентраций кислорода в защищаемом объеме.

Рис. 5. Отношение концентраций кислорода в базовых точках ЭР- к среднеобъемной концентрации при кратности продувки 0,082 1/ч Рис. 6. Отношение концентраций кислорода в базовых точках ЭР- к среднеобъемной концентрации при кратности продувки 3,13 1/ч На рис. 7 показан общий вид зависимостей коэффициента k от времени и кратности продувки, построенные по результатам экспери ментов.

Рис. 7. Зависимость коэффициента k от времени и кратности продувки В результате аппроксимации экспериментальных данных, пред ставленных на рис. 7, получена искомая зависимость:

q k i 0,04 i 1. (6) Vр Решая численным методом Эйлера уравнение (2) относительно к ср, получим формулу:

q к срi1k i q вх, к к к срi срi-1 (7) Vр к к где срi и срi 1 – среднеобъемные концентрации кислорода в резер вуаре в i-ый и i-1-ый моменты времени, об. доли;

i – текущее вре мя, ч;

– интервал времени (величина расчетного шага), ч.

Подставив эмпирическую зависимость (6) в выражение (7), полу чим формулу для определения среднеобъемной концентрации кисло рода в резервуаре:

q к 0,04 q 1 q к, к к срi срi-1 (8) срi 1 i вх Vр Vр Для формулы (8) начальными условиями будут являться:

0 = 0;

(9) к ср0 = 0,2095.

Аналогично выше описанной процедуре была получена зависи мость для определения коэффициента aмакс, позволяющая рассчиты вать максимальную концентрацию кислорода в объеме резервуара в любой момент времени:

q i 1.

a макс 0,06 (10) Vр С учетом температурного режима процесса флегматизации, а также ранее полученной зависимости для определения коэффициента неравномерности распределения концентраций паров нефтепродуктов при проведении вентилирования (В.П. Назаров, 1980), получена мате матическая модель динамики концентраций основных компонентов парогазовой среды в резервуаре при ФАМР:

q к срi1 0,04 q i 1 qвх ;

к к к срi срi- Vр Vр максi срi 0,06 q i 1;

к к Vр нп нп нп нп 1 W1 F исп q нп ;

i нп (11) срi Vр пi срi1 срi нп q 1 i ;

максi срi exp нп V р М нп М нп i1 W нп F нп ;

Жi Ж исп i ин ин см см см нп нп см нар м м см см см tсм q cвх tвх Mi1 ci1 ti1 MЖi1 cЖ ti1 kтеплt 0,5M c ti1 q i1 ti1, i q cвх Miсм ciсм MЖi1 cнп kтепл 0,5M м cм q iсм ин нп 1 1 Ж где i и i-1 – индексы, определяющие принадлежность параметра, соот ветственно, текущему и предшествующему моментам времени;

нп пi1 –плотность паров нефтепродуктов, кг/м3, определяемая по фор муле:

M нп нп пi 1, (12) 22,413 (1 0,00367 t iсм1 ) где M нп – молярная масса нефтепродукта, кг/кмоль;

tiсм1 – средне нп объемная температура среды в резервуаре, С;

максi – наибольшая концентрация паров нефтепродукта в объеме резервуара, об. доли;

– коэффициент неравномерности распределения концентраций паров нефтепродукта, определенный В.П. Назаровым, рассчитывается по формуле:

0, q 0,48, (13) V ин cвх – удельная теплоемкость М нп – масса жидкого нефтепродукта, кг;

Жi среды, подаваемой внутрь резервуара, Дж/(кгС), определяемая по формуле:

c вх c к вх c ф 1 вх, ин к к (14) к где c – удельная теплоемкость газообразного кислорода, Дж/(кгС);

c ф – удельная теплоемкость флегматизатора (азота), Дж/(кгС);

ин tвх – температура инертной среды, подаваемой внутрь резервуара, С;

M iсм1 – масса парогазовой смеси внутри резервуара, кг, определяемая по формуле:

Miсм к срi1 пi1 срi1 ф 1 срi1 срi1, к нп нп к нп (15) ф где к, – плотности кислорода и флегматизатора, определяемые нп аналогично п по формуле (13), кг/м3;

ciсм1 – теплоемкость парогазо вой смеси внутри резервуара, Дж/(кгС), определяемая по формуле:

сiсм с к к 1 сп срi1 с ф 1 срi1 срi1, нп нп к нп (16) 1 срi где спнп – удельная теплоемкость паров нефтепродукта, Дж/(кгС);

c нп – удельная теплоемкость жидкой фазы нефтепродукта, Дж/(кгС);

Ж k тепл – коэффициент, характеризующий теплоотдачу в ограждающие конструкции, Вт/(м2С), определяется формулой:

k тепл k кр Fкр k ст Fст k дн i-1 Fдн, (17) где Fкр, Fст, Fдн – площади поверхностей, соответственно, крыши, стенок и дна резервуара, м2;

kкр – коэффициент теплопередачи для крыши резервуара, Вт/(м2С), определяемый формулой:

k кр, (18) ст 1 1 ст где 1 – коэффициенты теплоотдачи между парогазовой средой резервуара и его стенкой, Вт/(м2С);

ст – толщина стенки резервуа ра, м;

ст – коэффициент теплопроводности материала стенки резер вуара, Вт/(мС);

2 – коэффициенты теплоотдачи между стенкой ре зервуара и наружным воздухом, Вт/(м2С);

kст – коэффициент тепло передачи для стенок резервуара, Вт/(м2С), определяемый формулой:

k ст, (19) d вн ст 1 1 ln d вн1 2ст (d вн ст ) d вн где dвн – внутренний диаметр резервуара, м;

k днi 1 – коэффициент теплопередачи для дна резервуара, Вт/(м2С), определяемый форму лой:

, (20) k днi М нп i 1 1 ст Ж 3 ст ст Ж Fдн нп где Fдн – площадь дна резервуара, м ;

3 – коэффициент теплоотдачи между парогазовой средой и жидким нефтепродуктом, Вт/(м2С);

4 – коэффициент теплоотдачи между жидким нефтепродуктом и дном резервуара, Вт/(м2С);

t нар – температура наружного воздуха, С;

Мм – масса металла, из которого изготовлен резервуар, кг;

см – удель ная теплоемкость металла, Дж/(кгС);

iсм1 - плотность парогазовой смеси в резервуаре, кг/м, определяемая по формуле:

iсм1 к к 1 п нп 1 ф 1 срi 1 нп 1, нп к (21) срi срi срi Важно также отметить, что экспериментально было установлено, что турбулентность струи также влияет на время ФАМР. На рис. 8 для кратности продувки 3,13 1/ч изображена зависимость отношения экспериментального и расчетного (без учета неравномерности) време ни достижения безопасной концентрации кислорода от числа Re.

Рис. 8. Время флегматизации при различных значениях Re Из полученных данных можно сделать вывод о том, что увеличе ние турбулентности способствует уменьшению времени флегматиза ции резервуара, поскольку улучшается перемешивание инертного газа с парогазовой средой резервуара. Вследствие этого, во-первых, уда ляемая среда содержит меньшее количество подаваемого инертного газа, а во-вторых, уменьшается неравномерность распределения кон центраций кислорода.

Также была проведена оценка интенсивности увеличения кон центрации кислорода внутри резервуара после окончания флегмати зации. Вследствие диффузии воздуха через имеющееся в крыше резервуара открытое отверстие, отношение площади которого к площади дна резервуара составляло около 2,27·10-4 м2, средне объемная концентрация кислорода за 2,5 ч увеличилась примерно на 1,5 %. Полученные сведения позволяют оценить требуемую перио дичность подачи инертного газа для поддержания пожаровзрыво безопасного состояния резервуара.

Общая закономерность изменений температурного поля в объеме экспериментального резервуара и на его поверхности представлена на рис. 9.

Рис. 9. Графики изменения температуры в экспериментальном резервуаре и не его поверхности Температура азота мембранного разделения в ходе продувки составляла не более 32 °С при начальной температуре окружающей среды и среды в резервуаре 22 °С. Экспериментальные данные свиде тельствуют о том, что к моменту окончания продувки температура среды в резервуаре повысилась на 8 °С.

Повышение температуры парогазовой среды резервуара приво дит к увеличению интенсивности испарения жидкого нефтепродукта, поэтому в период проведения ФАМР происходит рост среднеобъем ной концентрации паров нефтепродуктов, что является одной из спе цифических черт процесса флегматизации азотом мембранного разде ления в отличие от процесса вентилирования и флегматизации инерт ными газами в изотермическом режиме.

В четвертой главе разработаны рекомендации по проектирова нию и эксплуатации систем флегматизации на основе азота мембран ного разделения.

На основании анализа результатов лабораторных и полупромыш ленных экспериментов был сделан вывод о том, что при флегматиза ции азотом мембранного разделения в целях обеспечения ПВБ не обя зателен контроль концентраций кислорода в нескольких точках одно временно. Достаточно обеспечить автоматический контроль концен трации кислорода непосредственно под крышей резервуара, напри мер, у дыхательной арматуры, с учетом поправки на неравномерность распределения концентраций. В этом случае требуемое безопасное значение концентрации кислорода будет определяться по формуле:

к к ф ф к тр 2, (22) 2 к max 1,25 к min к где ф – флегматизирующая концентрация кислорода для вида к max нефтепродукта, % об.;

к – отношение концентраций в областях с min максимальным и минимальным содержанием кислорода внутри защищаемого резервуара к моменту окончания флегматизации;

– погрешность применяемого газоанализатора, %.

ВЫВОДЫ 1. В результате проведенных лабораторных и полупромышлен ных экспериментов по флегматизации паровоздушного пространства резервуара азотом мембранного разделения выявлено существование неравномерности распределения кислорода в защищаемом объеме, в отличие от широко используемого допущения о «мгновенном» и «равномерном» распределении флегматизатора.

2. На основании обработки экспериментальных данных получены зависимости, характеризующие неравномерность распределения кон центраций кислорода в защищаемом объеме в процессе флегматиза ции азотом мембранного разделения.

3. По результатам экспериментов установлено, что схема подачи азота мембранного разделения влияет на эффективность флегма тизации. Так, при подаче инертной среды в верхнюю часть резервуара, время достижения безопасной концентрации увеличи вается на 25 % по сравнению с подачей инертной среды в нижнюю часть резервуара.

4. Экспериментально установлено, что при подаче азота мембранного разделения в резервуар с остатком жидкого нефтепро дукта происходит рост среднеобъемной концентрации паров нефтепродукта в отличие от процесса вентилирования или флегмати зации инертными газами в изотермическом состоянии.

5. Теоретически установлено, что флегматизация резервуаров до концентраций 6,2 – 7,6 % по кислороду является эффективной (не происходит перерасхода инертного газа).

6. Разработаны математическая модель и программный продукт для определения времени флегматизации резервуара с учетом неравномерности распределения инертного газа при различных кратностях продувки, а также максимальной и среднеобъемной концентрации кислорода в любой момент времени.

7. Разработаны рекомендации для проектирования и эксплуата ции систем флегматизации, основанных на применении мембранных технологий воздухоразделения.

Основные положения диссертации опубликованы в следую щих работах:

1. Корнилов А.А. Экспериментальное исследование неравномер ности распределения азота в процессе флегматизации резервуаров для нефтепродуктов [Электронный ресурс] /А.А. Корнилов // Технологии техносферной безопасности. – М., 2012. – № 1. – Режим доступа:

http://ipb.mos.ru/ttb/2012-1/2012-1.html.

2. Назаров В.П. Аналитическое исследование эффективности флегматизации при обеспечении пожаровзрывобезопасности емкостного оборудования [Электронный ресурс] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов// Технологии техносферной безопасности. – М., 2010.

– № 4. – Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/2010-4/2010-4.html.

3. Назаров В.П. Экспериментальное исследование процесса флегматизации резервуаров для нефтепродуктов азотом мембранного разделения [Электронный ресурс] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов // Технологии техносферной безопасности. – М., 2010. – № 4. – Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/2010-4/2010-4.html.

4. Назаров В.П. Разработка экспериментальной установки по изучению процессов флегматизации инертными газами резервуаров для нефти и нефтепродуктов [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2009. – № 4. – С. 50-55.

5. Назаров В.П. Расчетное обоснование методики и конструктив ных особенностей экспериментальной установки по изучению процессов флегматизации резервуаров для нефти и нефтепродуктов [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Защита ок ружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2009. – № 4. – С.

55-60.

6. Назаров В.П. Применение мембранных технологий в целях обеспечения пожарной безопасности резервуаров и резервуарных парков [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов // Деятельность право охранительных органов и федеральной противопожарной службы в современных условиях: проблемы и перспективы развития: тезисы докладов Международной научн.-практ. конф. 29-30 мая 2008 г. – Иркутск: ФГОУ ВПО «Восточно-Сибирский институт МВД России», 2008. – С. 257-259.

7. Корнилов А.А. Системы флегматизации резервуаров на авто заправочных станциях на основе применения мембранных технологий [Текст] / А.А. Корнилов // Пожарная и аварийная безопасность: тезисы докладов IV Международной научн.-практ. конф. 18 декабря 2009 г. – Иваново: ИПК «ПресСто», 2009. – С. 200-203.

8. Назаров В.П. Методика планирования эксперимента по изуче нию процессов флегматизации резервуаров для нефти и нефтепродук тов [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Актуальные проблемы пожарной безопасности: тезисы докладов XXI Междуна родной научн.-практ. конф. 19-20 мая 2009 г. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009, Ч. 1. – С. 269-270.

9. Назаров В.П. Экспериментальная установка по изучению про цессов флегматизации инертными газами резервуаров для нефти и нефтепродуктов [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Актуальные проблемы пожарной безопасности: тезисы докладов XXI Международной научн.-практ. конф. 19-20 мая 2009 г. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009, Ч. 1. – С. 271-273.

10. Назаров В.П. Преимущества использования мембранных тех нологий при обеспечении пожарной безопасности резервуаров и ре зервуарных парков [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов // Актуаль ные проблемы пожарной безопасности: тезисы докладов XXI Между народной научн.-практ. конф. 19-20 мая 2009 г. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009, Ч. 1. – С. 111-114.

11. Назаров В.П. Контрольно-измерительный комплекс для исследования процессов флегматизации твердым диоксидом углерода гранулированным и азотом, полученным мембранным разделением воздуха [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: тезисы докладов III Межведомственной научн.-практ.

конф. 17 апреля 2009 г. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009.

– С. 45-47.

12. Назаров В.П. Современные технологии получения газообраз ного азота для обеспечения пожарной безопасности емкостного оборудования [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов, П.И. Зыков // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации: тезисы докладов III Межведомственной научн.-практ.

конф. 17 апреля 2009 г. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009.

– С. 48-51.

13. Назаров В.П. Оценка влияния температуры инертного газа на процесс флегматизации резервуаров для нефтепродуктов [Текст] / В.П. Назаров, А.А. Корнилов // Безопасность критичных инфраструк тур и территорий: материалы III Всероссийской научн.-техн. конф.

2009 г. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 9-14 ноября 2009. – С. 283-284.

14. Корнилов А.А. Исследование процесса флегматизации резервуаров для нефтепродуктов азотом мембранного разделения [Текст] / А.А. Корнилов // Пожарная и аварийная безопасность: тезисы докладов IV Международной научн.-практ. конф. 24 ноября 2010 г. – Иваново: ИПК «ПресСто», 2010, Ч. 1. – С. 181-186.

15. Корнилов А.А. Программный комплекс по определению времени флегматизации вертикальных стальных резервуаров азотом мембранного разделения с учетом неравномерности его распределе ния. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615828 от 26.06.2012 г. Роспатент, 2012 г.

Подписано в печать 09.11.2012. Формат 6084/1/16.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.