Проблемы пожаровзрыво-безопасности СУГ и СПГ
Ежегодно в мире в результате аварийных пожаров и катастроф на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК), особенно при транспортировке сжиженных углеводородных газов (СУГ) и сжиженных природных газов (СПГ), гибнет от нескольких сотен до нескольких тысяч человек.Число пострадавших исчисленных десятками тысяч человек. Все это происходит на фоне резкой интенсификации процесса подготовки и осуществления производства, потребления и транспортировки СУГ и СПГ, особенно в России и США, в связи с попыткой этих стран положить начало в экспорте сжиженного горючего газа среди мировых экспортеров.
На вероятность снижения людей, уничтожение материальных ценностей в будущем, приходится использовать эту технологию на основе совершенно недоброкачественной нормативно-технической базы и при полном отсутствии концепций пожаровзрывобезопасности, указанных выше процессов, а также практически при полномасштабных обоснованных методов и расчетов по ликвидации аварийных ситуаций, особенно при разливах больших объемов СУГ и СПГ (купирование процесса), и тем более при тушении пожаров, разливающих послеаварийных пожаров или простого воспламенения
Иосиф Абдурагимов
Профессор МГТУ им.
Н.Э. Баумана, академик НАНПБ, д.т.н.
Геннадий Куприн
Генеральный директор ЗАО “НПО” СОПОТ “вице-президент ВАНКБ, к.т.н.
Хранение / транспортировка энергоресурсов и пожаротушение
В конце ХХ – начале ХХI века промышленное освоение технологических достижений криогенной техники позволяет наладить крупнотоннажное (сотнями тысяч тонн в год) производство, хранение и транспортировку сжиженных углеводородных горючих газов (метана СН4, пропан / бутановой смеси С3Н8 / С4Н10 и др.). Эти огромные технологические успехи криотехнологий, в свою очередь, самым важным образом изменить пути хранения и передачи энергоресурсов, и особенно изменить изменение международного обмена энергоресурсами. Особенно в области международной торговли.
Например, только морские международные внешнеторговые перевозки сжиженного природного газа по тоннажу в последние 8–10 лет почти удваиваются каждые три года, и к концу 2012 г.
Рост производства, транспортировка и хранение СУГ и СПГ, в свою очередь, сопровождается впечатляющими качествами систем их транспортирования и масштабов их хранения. Особенно следует обратить внимание на очень значительное увеличение единичного хранения этих продуктов и единичные объемы транспортных средств (особенно морских судов для перевозки СУГ и СПГ).Для их увеличения есть две главные причины. Первая: чем больше единичный объем резервуара хранения любого вида ЛВЖ – ГЖ, тем меньше удельные расходы на их строительство и эксплуатацию. Поэтому в технически развитых странах (США, Япония, Бразилия и др.) Давно построены и успешно эксплуатируются резервуары для горючих жидкостей объемом, оптимальным по совокупности экономических соображений: порядок 100–150, 200 тыс. куб. м и более. Только в России увеличения единичных показателей хранения горючих жидкостей в течение 30–40 лет, ограничивалось по требованиям ГУПО МВД СССР.
Эти вынужденные объяснялись отсутствием эффективных систем и средств тушения пожаров ЛВЖ – ГЖ на резервуарах емкостью более 10–20 тыс. куб. м. Поэтому в России наземные резервуары емкостью более 40– 50 тыс. куб. м стали строить только в последние 15–20 лет, и то в порядке исключения. Самые массовые резервуары в нашей стране до сих пор 5 и 10 тыс. куб. м. Даже несмотря на то, что эффективных, надежных систем и способов тушения пожаров на таких крупных резервуарах в России так и не создано.И успешное тушение подобных пожаров до сих пор остается редчайшим исключением (а не нормой и правилом). Тем не менее изотермические резервуары для хранения СУГ и СПГ в России теперь тоже строятся объемом 100–150 тыс. куб. м и более (наиболее перспективными резервуары емкостью 200–260 тыс. куб. м и более).
Потери продукта и образование взрывопожароопасной смеси
По данным компании KOGAS-Tech, для типовых резервуаров промышленного изотермического хранения сжиженного метана объемом 200 тыс.
куб. м (к 2010 г. было построено уже 36 шт. и в стадии строительства находилось еще 14 шт.) нормативные среднесуточные метана за счет теплопритока извне через ограждающие конструкции резервуара составляют 0,05% объема в сутки. Это примерно 100 куб. м СПГ в сутки.
Нормативная удельная массовая среднесуточная скорость испарения жидкого метана m = Mн / F * T (кг / кв. М · с), где Мн – суточная массовая норма испарения (потерь) метана, деленная на площадь зеркала свободной поверхности испаряющейся жидкости (кв.м), а Т = 24х3600 (с) – время ее испарения. После подстановки численных значений указанного величин получим m = 0,1 г / кв. м · с. То есть при изотермических условиях, когда сжиженный метан и его газовая фаза (пар) находятся при одинаковой температуре порядка 164 ° C и небольшом давлении паров метана порядка 0,1 атм, с его поверхностью испаряется всего 0,10 г метана (с 1 квадратного метра) в секунду).
Картина и вся термодинамика процесса газификации и смесеобразования газообразного метана с воздухом и образования взрывопожароопасной смеси резко изменяется при аварийном истечении жидкого метана из изотермического резервуара хранения в окружающее пространство! Скорость его испарения (газификации) возрастает в сотни и даже в тысячи раз! (И соответственно в сотни и тысячи раз возрастает скорость образования пожаровзрывоопасной смеси!) Во-первых, за счет изменения температурного режима и падения окружающего давления (при тепловом потоке более 40–50 кВт / кв.
Резервуары изотермического хранения СУГ и СПГ, стационарные (наземные и подземные), транспортные и особенно на морском транспорте – особо прочные и высоконадежные сооружения, со многими видами и степенями защиты и безопасности их эксплуатации. Безопасность безопасных сооружений, особенно грандиозных масштабов и опасного целевого назначения, человечеству еще не удавалось! И непродолжительный опыт эксплуатации криогенных систем оборудования ТЭК это тоже наглядно подтверждает.
Как отмечалось выше, у кругового цилиндрического резервуара поверхности жидкости, то есть вероятная площадь пожара, порядка 4–5 тыс. Руб. кв. м! А площадь пролива даже в обвалование резервуара такого количества горючей жидкости может быть десятки тысяч квадратных метров. И тушение пожаров таких пожарных площадей, даже при горении обычных ЛВЖ – ГЖ, современными средствамиотушения чрезвычайной сложности. А тушение пожаров СУГ и СПГ на таких площадях на сегодня проблема вообще неразрешимая.
Тем более практически никаких нормативных документов и рекомендаций по тактике и технологиям тушения подобных пожаров в российской нормативно-технической документации нет. И ждать их в ближайшее время нет оснований.
Особые сложности пожаровзрывобезопасности
Особые сложности обеспечения пожаровзобезопасности при производстве, хранении, переработке и транспортировке СУГ и СПГ можно условно разбить на 3–4 категории различных, но во многом связанных и взаимообусловленных проблем.
Сложность 1 Сложность 1 Объем резервуаров для хранения и транспортировки СУГ и СПГ в десятки раз больше обычных резервуаров ЛВЖ – ГЖ и что площади их проливов и пожаров тоже соответственно в десятки раз больше, чем при авариях с обычными ЛВЖ – ГЖ, а в самой их физической природе (термодинамических свойствах) и административно-технических (нормативных, документальных) проблемах и опыте навыков и опыта использования таких аварий, а также нормативно-технической литературы по борьбе с ними.
Сложность 2 Вообще, опыт работы со сжиженными газами насчитывает не один десяток лет. Использование сжиженных компонентов в качестве ракетного топлива, особенно жидкого кислорода, способствовало созданию в промышленности производства сжиженных газов. Но технология криогенного сжижения углеводородов, особенно в варианте крупоннажного производства, сравнительно недавно – в последние 20–30 лет.
И дело даже не в объеме и структуре этого важнейшего раздела, а в его научном, техническом и практическом уровне. Естественно, он написан по опыту работы с обычными ЛВЖ – ГЖ.
Сложность 3 Ни виды и параметры рекомендуемых средств и способов тушения таких пожаров, ни используются в них интенсивности их подачи в очаг пожара, ни время тушения и требуемые запасы огнетушащих средств на процесс тушения пожара, а тем более на ликвидацию аварий, аварий, связанных с истечением, разливом, или других происшествий с СУГ или СПГ не учитывают их специфических теплофизических и термодинамических функций как горючих субстанций.И почти полностью отсутствуют рекомендации по локализации или купированию взрывоопасных ситуаций при различных вариантах аварий и наиболее вероятных сценариев их развития.
В том числе в вариантах, простирающихся по масштабу проблемы от небольших утечек флюида, которые можно как-то купить или потушить с помощью ручного огнетушителя практически с любым содержимым за несколько минут, до грандиозных, катастрофических объемных взрывов, эквивалентных по нескольким десяткам и даже сотням килотонн в тротиловом эквиваленте! Чего в принципе нельзя полностью исключить, например, при тотальном аварийном разрушении крупного резервуара современного морского метановоза с вместимостью единичного резервуара в сотни тысяч кубометров сжиженного метана.
Масштабы аварий и катастроф
Как это ни покажется странным на первый взгляд, одной из первых и наиболее сложных программных систем ПВБ объектов ТЭК представляется почти полное отсутствие правдоподобных, технически обоснованных и количественно описанных проработок действий, наиболее реальных вариантов и возможных вариантов создания и динамики развития аварий.
Специфика и взаимосвязь цепных последовательных событий так обширна и разнообразна (наш опыт эксплуатации так ничтожно), который рискнул бы технически обоснованно малозначимо описать или хоть примерно спрогнозировать количественно обоснованные масштабы предстоящих аварий и катастроф.
Еще сложнее обстоит дело с описанием диффузионных процессов горения газовоздушных смесей СУГ и СПГ. Когда не только скорость распространения горения зависит от концентрационного состава и степени турбулентности горючей смеси, но и сам состав смеси и скорость ее образования зависит от скорости испарения СУГ или СПГ и скорости смесеобразования.
Скорость испарения, в свою очередь, зависит от мощности внешних тепловых потоков и состояния окружающей атмосферы. А внешний тепловой поток колеблется от 50 Дж / кв. м · с (50 Вт / кв. м) при хранении СПГ в изотермическом резервуаре до 250–450 кДж / кв. м · с внешнего лучистого теплового потока при пожаре и взрыве, плюс конвективно-кондуктивный теплоприток от твердых (или жидких) поверхностей при проливе этих жидкостей. (То есть один из основных параметров процесса горения – тепловое воздействие на горючую жидкость – меняется в тысячу раз и более, его тепловая мощность изменяется в зависимости от внешних условий и обстоятельств аварии в миллионы раз !!!) Так что, если даже отбросить редко случаются и маловероятные “крайности”, отклоняются от “академических” деталей и маловероятных событий и сокращается в первом приближении диапазон изменений всех параметров горения в 10 и даже в 100 раз, разброс основных параметров процесса горения и взрыва очень велик (примерно в 100–200 раз) в каждую сторону).
Поэтому для технического, инженерного описания параметров таких аварий требуется проведение большого объема сложнейших и подчас крупномасштабных испытаний и обстоятельных научных исследований. Ограничиваясь форматом статьи, остановимся только на совершенно специфических теплофизических проблемах пожаров проливов СУГ или СПГ относительно небольших размеров.
Тушение пожаров горючих жидкостей
Совершенно очевидно, если речь идет о тушении пожаров горючих жидкостей площадью более 200–300 кв.м, наиболее эффективными огнетушащими составами являются пены. Но уже почти 100 лет, со времен Тидемана и Сциборского, со времен написания в России первого специального учебника “Химия горения” для пожарных специалистов в 1920-х гг., Встречаются неверные толкования и продолжаются споры о механизме огнетушащего действия пен.
Эти замечательные авторы были неправильно поняты. Они объясняли процесс тушения пожаров ЛВЖ – ГЖ пенами в основном отделением, изоляцией горючих жидкостей от воздуха.
Ошибочно повторяется тезис, что пены “изолируют ЛВЖ – ГЖ от воздуха и тем самым тушат пожар”.И несмотря на прекрасные работы пятидесятилетней давности В.И. Блинова и Г.Н. Худякова, работы И.И. Петрова, В.Ч. Реута и очень оригинальные работы И.Ф. Безродного, а также десятки других убедительных исследований, споры механизма огнетушащего действия пен продолжаются по сей день. Особенно если речь заходит о главном, доминирующем механизме тушения пен. (Тем более, когда дело касается пенообразователей различных видов природы и видов.) охлаждающего действия пен любого вида на прогретый поверхностный слой горящей жидкости.
(Хотя эта фраза по своей природе в принципе неверна!) Потому что горящих жидкостей, строго говоря, не существует! Жидкости не горят! Горят их пары в смеси с воздухом! Поэтому, чтобы поджечь горючие жидкости, их надо подогреть! Легковоспламенимые подогревать не надо, паров над зеркалом их поверхности и так хватает для воспламенения, нужен только внешний источник поджигания. Почему и существуют понятия “температура вспышки” и “температура воспламенения”. Это чтобы поджечь.А вот чтобы потушить, да еще пенами, поверхностный слой горючих и легковоспламенимых жидкостей всегда надо охладить с помощью пены. Потому что при пожаре (уже через 5–6 мин. Свободного горения) поверхностный слой этих жидкостей, ответственный за поставку паров горючего в зоне горения, в пламя, уже, как правило, прогрет до температуры кипения! А значит давление паров горючей жидкости над ее атмосферным атмосферным! В этом случае прекратить поступление паров в зону пламени невозможно почти! Никакой толщины слоя пены.Для тушения пожара пеной всегда надо охладить поверхностный слой горючего ниже температуры кипения! Лучше, до температуры вспышки (или даже чуть ниже).
А потом покрыть поверхность горючей жидкости и окончательно ограничить проход паров горючего в зоне пламени и потушить пожар!
Тушение пожаров сжиженных газов
При попадании пены на поверхность СУГ или СПГ возникает совершенно новое явление! Сильно усложняющее и без сложной картины на границе раздела фаз жидкость / пена – возникает третья фаза, которая окончательно усложняет и запутывает физическую картину тушения пожара.
Как показывают результаты исследований, проведенных в ЗАО “НПО” СОПОТ “(г.Санкт-Петербург) в 2013 г., на границе раздела фаз жидкость / пена из стекающего пенообразователя на нижней кромке пены, контактирующей с СПГ (или с СУГ), образует твердая фаза пористого льда.
Так как стекание пенообразователя вниз по мере старения или разрушения пены продолжается непрерывно, непрерывно растет и толщина ледяной подложки под пенным слоем. Постепенно тепловая картина в трехслойной системе пена / лед / СПГ усложняется еще больше. В ледяной подложке под слоем устанавливаются градиент температуры от 0–1 ° C сверху (температура кипения СПГ) до – 160 ° C на нижней кромке льда (температура кипения СПГ).По закону теплопроводности в слое льда тепловой поток сверху вниз, от пены к жидкой фазе поверхностного слоя СПГ:
q = – λ · dt / dx,
где q – тепловой поток от “горячей” пены с температурой 10–15 ° C к ледяной подложке; λ – удельная теплопроводность рыхлого, пористого ледяного раствора пенообразователя; t – перепад температуры на поверхностях ледяной подложки (от 0 до – 160 ° C) на поверхности контакта с СПГ; dx – переменная толщина ледяной положки пористости (толщиной от 2–3 до 6–8 мм в зависимости от времени тушения, кратности и дисперсности пены, природы и состава пенообразователя, силы подачи пены на тушение и других параметров процесса тушения) (см.
На самом деле, физическая картина теплообмена в трехслойной системе реагентов значительно сложнее. Математическое описание процесса теплообмена и массопереноса стекающей жидкости пенообразователя вниз, а массы горючего газа через слой льда и слой пены вверх сложно.
1. Необходимо решить поток тепла через слой пены вниз, к ледяной подложке.
2. Теплопередачу от слоя пены к ледяной подложке.
3. Передачу тепла по слою ледяной подложки вниз к нижней поверхности ледяной подложки (по приведенному выше уравнению теплопроводности).
4. И наконец, передача тепла от нижнего слоя ледяной подложки в жидкую фазу СПГ по закону теплопередачи через поверхность раздела фаз лед / СПГ.
. Но в системе с тремя субстанциями, двумя поверхностями раздела фаз и тремя изменениями агрегатного состояния этой сложной термодинамической системы слишком много неизвестных.Тем более что для написания условий тушения пламени в такой ситуации нам, строго говоря, более необходимого описания тепловых потоков от пламени, или от пены к горючей жидкости, уменьшения потока паров горючего газа с изотермической поверхности СПГ через двухслойную преграду (корки льда) и слоя пены) вверх, в зоне пламени.
Вот в этом случае доминирующим механизмом тушения пожара может оказаться как раз газоизолирующая способность двухслойного препятствия на пути прохождения паров газа в зоне горения (к пламени).Частично просочившись через пористую ледяную подложку, поток холодного горючего газа по законам молекулярной диффузии продолжает путь наверх, в зоне горения. В пенном слое (как и в слое ледяной подложки) устанавливается концентент концентраций газа (по толщине слоя пены). Под этим потоком этого градиента (и возможно, напора парциального давления паров газа) этот поток прорывается в поверхностные слои пены. Пена сама становится горючей за счет насыщения ее ячеек парами горючего газа (см. Рис. 1).
Возможны и другие механизмы и каналы проникновения паров горючего газа вверх, в пену и за пределы пенного слоя.Но постепенно по мере роста толщины слоя пены (более 0,4–0,8 м), уровень паров горючего газа над ее поверхностью снижается до уровня НКПВ метана (5% объемных) или НКПВ пропан / бутановой смеси (2% объемных), и пламя над слоем пены становится локальным (не сплошным), прерывистым, неустойчивым, менее интенсивным.
Вскоре, по мере наращивания толщины слоя огнетушащей пены, горение прекращается. Пожар потушен! Правда, при этом определенными способами и усилиями можно организовать управляемое, управляемое (выжигание) огнетушащей пены.Но это предмет отдельного рассмотрения (см. Рис. 1).
Результаты исследований и натурных огневых испытаний, проведенных в ЗАО “НПО” СОПОТ “в 2013 г., показали, что при всех сценариях развития аварийной ситуации, вызванной проливом или истечением СПГ или СУГ (кроме варианта внезапного взрыва газовоздушной смеси в момент истечения флюида) Наиболее перспективными и подходящими представляются попытки управления потоком на поверхности СПГ (СУГ) с большой интенсивностью и из пеногенераторов с большим секундным расходом пенообразующего раствора (и соответственно с большим применением управляемой пенной среды струй в зоне аварии).
Если соответствующие системы и устройства будут заранее смонтированы на каждом пожаровзрывоопасном объекте и содержаться в состоянии технической готовности к применению в автоматическом, постоянном ручном или дистанционном режиме управления.
Сегодня это вполне возможно в любом из вариантов и во всех трех вариантах одновременно (см. Рис. 2–4).
Натурные испытания показали, что ситуацию можно взять под контроль за порядком от 1–2 с и удерживать ее под контролем до 15–20 мин.и даже более 24 ч (в зависимости от масштаба и сложности аварии, количества пролитого горючего, площади его растекания, сложности объекта и других обстоятельств).
. Сокращение площади послеаварийного пожара или вообще предотвращения его возникновения, сведя аварию к безопасному, пожаровзрывобезопасному испарению пролитого СПГ или СУГ, либо организованное контролируемое, управляемое, медленное выжигание горючим газом. пены (см.рис. 5–6).
(В принципе, такая возможность может быть установлена и проверена экспериментально.)
Вероятно, возможны и другие оригинальные технологические инновационные решения, приемы и способы купирования, локализации и ликвидации аварий такого рода.
Но об этом уже в следующей публикации по результатам наших испытаний.