Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 [ 158 ] 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284

нее человек, долгов время находящийся в атмосфере с высоким содержанием метана, может испытывать неприятные ощущения, вызываемые пониженным содержанием кислорода во вдыхаемой смеси.

Испарение СПГ приводит к образованию облака холодного газа (первоначально при -160° С), более

плотного, чем окружающий воздух (р = 1,39). По мере того, как этот газ растворяется в воздухе и имея в виду влажность воздуха, плотность смеси уменьшается, конденсация паров воды, то есть кристаллизация сформировавшихся капель, разогревает газ, облегчает его и делает облако газа видимым.

Вблизи источника испарения это облако тем более видимо, чем больше расход холодного газа и больше влажность воздуха. Длина облака максимальна в спокойную погоду. Она уменьшается с возрастанием силы ветра и перемешивания. Исследования изменения относительной плотности смеси метана при -160°С с воздухом в зависимости от концентрации метана, температуры воздуха, относительной влажности воздуха, показали, что при относительной влажности более 55% концентрация метана на видимой границе облака всегда меньше 5%, то есть, другими словами, горючая смесь полностью содержится в границах видимого облака, так что простое наблюдение облака позволяет оценить опасную зону.

Итак, учитывая риск возгорания и пожара облаков газа, образующихся в результате утечек СПГ, разработаны определенные меры безопасности и оборудование для предотвращения и тушения пожаров и недопущения утечек.

4.10.1.2. Предотвращение утечек СПГ

Предупреждение утечек является первой целью при разработке любого оборудования, содержащего СПГ: использование и улучшение криогенных материалов, совершенствование оборудования с целью предотвращения возможности разрывов и т.д.

Независимо и в дополнение ко всем мерам, принятым при конструировании оборудования, все аппараты, содержащие СПГ, снабжаются устройствами безопасности, способными предупредить или ограничить любые утечки:

- задвижки аварийной отсечки и системы быстрого разъединения сливных рукавов (стояков) ;

- измерители уровня, системы предохранения от перелива, изолирующие задвижки, предохранительные клапаны и т.п. в каждом резервуаре СПГ;

- сигнализаторы и системы аварийного останова в регазификаторах, вращающихся машинах (насосы СПГ и компрессоры испарений), трубопроводах СПГ и т.п.

4.10.1.3. Разлив СПГ

4.10.1.3.1. Распространение и испарение разлива СПГ

4.10.1.3.1.1. Влияние понижения давления

Имеем утечку СПГ массой М, давление насыщенного пара иПГ в емкости, его содержащей, больше, чем атмосферное давление. Из-за разно-

сти давлений ДР масса ДМ СПГ испаряется. Количество этой массы может быть оценено следующим расчетом:

Количество тепла, отдаваемого массой М флю-цда, температура которой понижается на АТ, paiaHoe С М ДТ, равно количеству тепла, необходимому для испарения массы ДМ или L ДМ, откуда:

=ДТ?, М L

L - скрытая теплота парообразования;

С - удельная теплоемкость жидкой фазы.

Для СПГ влияние температуры на величину давления насыщэнного пара определяется выражением:

0,8 кПа/К,

L = 510 кДж/кг; С = 3,55 кДж • кг • К".

Для утечки СПГ из сосуда, находящегося под давлением 1 090 кПа, и при атмосферном давлении, равном 101 кПа, доля испарившегося СПГ будет равна около 0,7%.

При более точном расчете необходимо учесть состав СПГ и ввести понятие двухфазного разложения, так же как и коэффициенты фазового равновесия различных компонентов смеси. Но полученные результаты не будут сильно отличаться от простого метода, изложенного выше.

4.10.1.3.1.2. Влияние теплообмена

Разрушение теплоизоляции и контакт флюида с горячими поверхностями приводит к массивной регазификации, более опасной, чем декомпрессия при утечке СПГ. Чтобы понять идею, запомним, что 1 кг нержавеющей стали, охлаждаясь на 1 федус при контакте с СПГ при температуре кипения, вызывает образование 0.6 м газа (приведенного к СС и 101,3 кПа). Это количество удваивается, если заменить сталь обычным бетоном.

Если значительное количество СПГ разливается по земле, земля передает ему определенное количество тепла, но и сама охлаждается: если поверхность контакта между СПГ и землей остается постоянной, разность температур между СПГ и землей уменьшается, и, следовательно, количество испарений уменьшается во времени.

Запись уравнений теплопередачи для нестационарного СПГ и грунтом позволяет получить, ввош некоторые допущения (постоянная смоченная СПГ поверхность, нет влияния фвничных эффектов, нет теплообмена СПГ с воздухом, нет термического сопротивления грунта, моделируемого полубес-конечной стенкой), следующее соотношение для расхода испаряющегося СПГ в контакте с фунтом V в зависимости от времени f:

X AT

где:

L - скрытая теплота парообразования, дж/кг; р - плотность СПГ, кг/м

X - коэффициент теплопроводности фунта, Вт игК-;

а - коэффициент термодиффузии фунта, м/с;

АТ - начальная разность температур фунта и СПГ, К.

Важным результатом является то, что расход испарений СПГ с земли уменьшается пропорционально Г.

Во избежание всякой неопределенности относительно мгновенного максимального расхода испарений в первые секунды после розлива (при t = О, V -»ов), необходимо провести эксперименты.

4.10.1.3.1.3. Моделирование распространения слоя и испарения СПГ

Распространение цилиндрического жидкого слоя может быть рассчитано численным путем исходя из следующей системы дифференциальных уравнений:

dm dt

dM(0

= Jag{tKf)-h).

= (1-/)Q(0-Q.(0.

где:

R(0 - радиус слоя на момент времени t, м;

/7(0 - высота фронта слоя на момент времени t, м;

Q(0 - массовый расход выброса СПГ, кг/с;

M(Q - масса вышедшего газа (СПГ + испарения), кг;

д - ускорение силы тяжести, м/с;

f - доля СПГ, мгновенно испарившегося при расширении;

Q,(0 - массовый расход испарений (приход тепла), кг/с;

- высота минимальная, которую может иметь слой СПГ. Она зависит или от капиллярных сил или от шероховатости фунта и может быть определена экспериментальным путем.

а - дополнительный коэффициент, который учитывает случаи распространения слоя на поверхности воды и фунта

На поверхности фунта расход испарений цилиндрического слоя определяется выражением:

u.R(0

Q.(0 = Рк

2%udu

и«0

где и И т связаны соотношением и = Р(т) и р - плотность СПГ, кг/м.

Коэффициент /(зависит от природы фунта и определяется экспериментально для различных поверхностей.

На поверхности воды явление конвекции обеспечивает относительно постоянную температуру воды на контакте с СПГ, поток тепла О постоянен и может быть определен экспериментально. Тогда

массовый расход испарений определится из выражения:

4.10.1.3.2. Обнаружение и разливов СПГ

предупреждение

Установки СПГ могут быть оборудованы многими системами обнаружения розлива СПГ:

- детекторы холода типа термопар, терморезисторов, термостатов или, наконец, детекторы на оптических волокнах (в процессе разработки); эти детекторы распределены на всей поверхности, где возможны утечки СПГ (противопожарные рвы и т.д.);

- детекторы газа на основе каталитического горения, полупроводников, теплопроводности; такие детекторы могут быть использованы в зонах расположения оборудования, из которого возможны утечки СПГ, так как они сопровождаются значительным испарением разлитого СПГ.

Кроме того, простым способом обнаружения розлива является визуальное наблюдение образовавшегося облака атмосферной конденсгщии. Обходы мест расположения установок СПГ и наблюдение через телекамеры позволяют операторам обеспечить обнаружение разливов визуальным наблюдением.

В случаях, когда места потенциальных утечек СПГ, могущих воздействовать на некриогенные части оборудования или тело человека, могут быть заранее известны, защита от криогенных температур может быть обеспечена с помощью:

- экранов или частичных алюминиевых покрытий;

- деревянных щитов;

- бетонных перегородок и т.д.

Пример: защита корпуса судна в месте соединений с наливными стояками.

4.10.1.4. Рассеяние облаков паров СПГ

4.10.1.4.1. Оценка газовой дисперсии

Учитывая основные характеристики выброса СПГ, а именно:

- тип источника (мтовенный или постоянный),

- атмосфернью условия,

- рельеф местности и препятствия,

необходимо определить расстояние безопасности, за пределами которого концентрация метана никогда не достигнет более 5%.

Для оценки этого расстояния возможны различные подходы:

- численное моделирование,

- физическое моделирование в аэродинамической трубе или струе,

- опыты в малом или большом масштабе, которые к тому же позволяют оценивать точность двух первых подходов.

Опыты по рассеиванию (дисперсия) сложны и дороги (приборы, расходуемый газ). Поэтому возможно провести лишь ограниченное их число, чем и объясняется интрес к первым двум подходам.

Опыты в аэродинамической трубе или струе позволяют иметь в уменьшенном масштабе реальное явление рассеивания с учетом законов подобия механики флюидов и легко учесть сопротивление препятствий различной геометрии, которые могут встретиться на пути облака паров СПГ.

С другой стороны, эти опыты, в общем случае, не дают представления (не моделируют) о теплопередаче, что является существенным приближением.

Что касается численного моделирования, были созданы следующие три основные категории моделей (в порядке возрастания сложности):

-• гауссовы модели,

- модели интегрального типа (или боксовые модели),

- трехмерные модели.

Эти модели предполагают знание величин, описывающих слой и его испарение с помощью изложенного выше моделирования.

Гауссовы модели:

- разлагают выброс газа в элементарные клубы таким образом, что концентрация газа в любой точке есть сумма вклада элементарных клубов, образовавшихся с начального момента эмиссии,

-• выражают, что пространственное распределение этой концентрации является гауссовым,

-• используют классы стабильности Паскилля для характеристики атмосферных условий и, следовательно, типовые отклонения от гауссо-вого распределения концентрации,

-• не учитывают наличие препятствий течению и передачу энергии окружающей среде.

Модели интегрального типа:

- описывают следующие три фазы:

• образование начального облака (источник представляется в виде газового цилиндра в случав мгновенного розлива СПГ или в виде последовательности прямоугольных слоев, испускаемых через равные промежутки времени в случае постоянного розлива СПГ),

• распластание под действием сил тяжести и нагрева облака захватом воздуха и конвекцией с фунтом (явления, описываемые формулами с эмпирическими коэффициентами, более или менее сложными в зависимости от моделей),

• рассеивание по закону Гаусса в зависимости от атмосферных условий, когда достигаются критерии перехода между фазами распластывания и дисперсии (рассеивания) (пример: плотность облака близка к плотности окружающего воздуха или скорость распластывания мала по сравнению со скоростью ветра), (отсутствие ветра, сильный застой), не учишвают наличия препятствий и, что особенно важно, требуют уточнения опытных коэффициентов.

Трехмерные модели:

-• рассчитывают в точках сетки, представляющей область течения, семь физических параметров.

характеризующих выброс в данный момент:

• три компоненты скорости,

• давление,

• температуру,

• плотность,

• концентрацию,

получаемых численным интефированием семи следующих уравнений:

• три уравнения Навье-Стокса, которые описывают атмосферное течение;

• уравнение сохргмения массы,

• уравнение энергии,

• уравнение концентрации по закону Фика,

• уравнение состояния гаэа, например идеального;

- могут учесть препятствия и рельеф и дать детальное описание эволюции облака;

- требуют большого времени расчетов на больших ЭВМ.

4.10.1.4.2. Контроль рассеивания газового облака СПГ

В случае разлива СПГ могут быть приняты многие меры для ограничения влияния рассеивания облака паров:

- для ограничения объема испарившегося и рассеянного в атмосфере газа разработаны различные устройства, служащие для ограничения смоченной СПГ поверхности в зонах возможного разлива:

• противопожарные рвы, дренажные канавы,

• сливные уклоны и т.п.

Для ограничения теплообмена между СПГ и окружающей средой:

• покрытие смачиваемых поверхностей изолирующим бетоном, смолами или полиуретаном,

• нанесение физических пен на разлитый СПГ, которые изолируют его термически от атмосферы (см. §4.10.1.6.2.);

-• атмосферная турбулентность может быть усилена в зоне розлива путем создания препятствий для облегчения растворения обргшвавше-гося газа:

• постоянных (пример: изгороди, посадки деревьев),

• разворачиваемых в случае утечки (пример: водяная завеса);

- для уменьшения возможности возгорания газового облака определяются зоны газовой безопасности, в которых применяется электрооборудование соответствующего класса и использование открытого огня и источников тепла строго регламентированы.

4.10.1.5. Возгорание

и ликвидация пожара

4.10.1.5.1. Общие сведения о пламени СПГ

В свободной атмосфере горение внутри смеси метана с воздухом распространяется теплопроводностью и диффузией свободных радикалов со скоростями, в пределах 5 -15 м/с в зависимости от состава смеси. Это явление медленной дефлагра-