Рис. 3. Результаты моделирования рассеивания облака: а – метана массой 2000 кг при скорости ветра 5 м/с (расстояние от края облака до печи 50 м); б – гексана массой 20 000 кг при скорости ветра 5 м/с (расстояние от края облака до печи 100 м)

В журнале «Химическая техника», 2014, №12, в порядке обсуждения была опубликована статья А.В. Буканина «Паровые завесы печей нефте- и газохимических предприятий. Надежность – плюс, эффективность – минус?». В ответ на эту статью свои соображения высказали авторы статьи «О вреде экономии на паровой завесе печей» (А.М. Добротворский и др., ХТ №2, 2016).
Предлагаемая вниманию читателей статья – продолжение начатой полемики.

Авторы: Э.А. Грановский (Центр изучения техногенных рисков «Ризикон»), А.С. Крюков, С.Б. Кульберг (Сибур-Холдинг, г. Москва).

Опубликовано на портале «Химическая техника», апрель 2019

В работе [1] выполнен анализ потерь при эксплуатации печей с паровой завесой, предназначенной для предотвращения контакта пламени и нагретых поверхностей печи с взрывоопасным облаком в случае аварийного выброса. Видимо, имея большой опыт эксплуатации печей с паровой завесой, автор рассмотрел множество технических проблем и опасностей, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации (ожоги паром в случае ложного срабатывания паровой завесы, гидроудары с разрушениями трубопроводов при включении пара и др.). Но предлагаемый автором отказ от применения паровых завес вызывает естественное возражение [2], так как полагается, что наличие паровой завесы существенно снижает вероятность пожара и взрыва и риск травмирования или гибели персонала, предотвращая контакт облака с нагретыми поверхностями и открытым пламенем печи.

Так какова эффективность паровых завес? Насколько они предотвращают поджигание взрывоопасных облаков при аварийных выбросах? Насколько оправданы затраты на их создание и поддержание работоспособности?

Свою защитную функцию паровая завеса будет выполнять только в том случае, когда время ее срабатывания будет меньше времени миграции пожароопасного или взрывоопасного облака от места выброса до печи или если вероятность поджигания облака другими случайными источниками поджигания будет невелика.

Время миграции определяется расстоянием от места расположения потенциальных источников выброса до печи.

В работе [3] даны рекомендации ВНИИПО по минимальным расстояниям от аппаратов с огневым нагревом до некоторых потенциально опасных объектов (табл. 1).

Таблица 1

Рекомендуемые расстояния от потенциально опасных объектов до аппаратов с огневым нагревом

Наименование объектов, до которых определяется расстояние Минимальное расстояние, м
Технологическое оборудование и эстакады с горючими продуктами, размещенные вне зданий При давлении в технологической системе до 0,6 МПа (6 кгс/см2) 10
При давлении в технологической системе выше 0,6 МПа (6 кгс/см2) 15
Производственные здания (помещения) категорий А, Б, В (А, Б, В1-В3), вспомогательные, подсобно-производственные здания и помещения При наличии оконных и дверных проемов 15
При наличии стены без проемов 8
Производственные здания (помещения) категорий Г, Д (В4, Г, Д); технологическое оборудование и эстакады с негорючими продуктами 5
Аппараты с огневым нагревом 5
Помещения компрессорных горючих газов 20
Колодцы канализации промышленных сточных вод, технологически связанные со зданиями (помещениями) категорий А, Б, В (А, Б, В1-В3) 10

Практика размещения оборудования на промышленных площадках показывает, что расстояние от печей до основного оборудования колеблется от 5 до 50 м и, как правило, не превышает 100 м.

В соответствии с полуэмпирической моделью рассеяния нейтрального газа [4] передний фронт облака вследствие турбулентной диффузии перемещается быстрее скорости ветра в ~1,4 раза. Метеоданные в различных регионах показывают, что наиболее повторяемые скорости ветра равны 2…3 м/с (рис. 1). Вероятность того, что в течение года на высоте 10 м скорость ветра будет больше 1 м/с, превышает 0,9 (табл. 2).

а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)

Рис. 1. Распределение вероятности скорости ветра на высоте 10 м в различных городах России за 2015 г.:
а – метеостанция Остафьево (аэропорт); б – метеостанция Мурманск; в – метеостанция Якутск (аэропорт); г – метеостанция Уфа (аэропорт); д – метеостанция Тюмень; е – метеостанция Ставрополь / Шпаковское (аэропорт); ж – метеостанция Краснодар/Круглик

Таблица 2

Вероятность скорости ветра <1 м/с и ≥1 м/с на высоте 10м

Город РVв ≤ 1 м/с РVв ≥ 1 м/с
Москва 0,04 0,96
Мурманск 0,02 0,98
Якутск 0,15 0,85
Уфа 0,07 0,93
Тюмень 0,06 0,94
Ставрополь 0,01 0,99
Краснодар 0,09 0,91

Таким образом, ориентировочная оценка показывает, что при скорости ветра V = 1 м/с интервал времени, через который после выброса облако начнет контактировать с печью τ ≃ 70 с, при скорости ветра V = 2м/с – τ ≃ 35 с, а при наиболее повторяемых скоростях ветра V = 3…5 м/с – τ ≃ 24…14с.

Прежде, чем оценивать время срабатывания паровой завесы, отметим, что с целью предотвращения ожогов инструкция [5], ссылку на которую делают в работе [2], предусматривала включение сигнала в зоне расположения печей не менее чем за 30 с до открытия задвижки подачи пара и включения паровой завесы. Тогда при времени от момента выброса до обнаружения загазованности 5 с, от обнаружения выброса до включения паровой завесы – 30 с., открытия запорного органа при автоматическом включении завесы – 15 с, заполнения труб и постановки завесы – 10 с суммарное время срабатывания паровой завесы составит 60 с. Это оптимистическая оценка.

Поскольку Правила [6] допускают дистанционное включение паровой завесы человеком, то в этом случае в соответствии с реакцией человека в стрессовой ситуации [7] вероятность того, что он не выполнит необходимые действия через минуту, будет > 0,98, а вероятность того, что он не включит паровую завесу даже через десять минут, составит ≃ 0,5. Таким образом, время миграции взрывоопасного облака от места выброса горючих газов и паров будет намного меньше времени срабатывания паровой завесы, т.е. ее влияние на безопасность (на снижение риска) практически равно нулю.

Такой вывод крайне ответственен, поэтому для того чтобы его подтвердить или опровергнуть выполнено численное 3D моделирование распространения взрывоопасного облака решением полной системы уравнений, описывающих нестационарное трехмерное течение двухкомпонентной смеси газов [8, 9].

Для верификации модели рассеяния примесей горючих газов и паров в атмосфере проводилось сравнение результатов расчета с экспериментальными данными [10]. Моделировалось испарение жидкого пропана с пятна пролива площадью 256 м2 при атмосферных параметрах: давление 101 325 Па, температура 291 К, скорость набегающего воздуха 5,4 м/с. Пропан испарялся с расходом 27,6 кг/с и имел температуру 230 К в газообразном состоянии. Расчетные распределения концентрации пропана на высотах 0,8; 1,4 и 2,3 м в момент времени 450 с по мере удаления от пятна пролива по сравнению с экспериментальными замерами представлены на рис. 2.

Рис. 2. Максимальные концентрации пропана:1–3 – расчет; 4–6 – экспериментальные данные [10] на высоте соответственно 0,8; 1,4 и 2,3 м
Рис. 2. Максимальные концентрации пропана:
1–3 – расчет; 4–6 – экспериментальные данные [10] на высоте соответственно 0,8; 1,4 и 2,3 м
Печь представляла собой параллелепипед, обращенный в сторону облака наибольшей гранью. Моделировались жалюзи печи, обеспечивающие подсос воздуха для диффузионного сгорания топлива на горелках. Размеры печи: высота 10 м, ширина 15 м, длина 7 м. Печь имела жалюзи и горелки, при подаче на которые газа со скоростью 10 м/с создавалась тяга, аналогичная реальной тяге при горении печи, что обеспечивает моделирование подсоса воздуха внутрь. Отверстие в печи, моделирующее жалюзи для подсоса воздуха, располагалось на уровне земли и на уровне 4 м от земли.

В расчетах в качестве легкого, нейтрального и тяжелого газов рассматривались соответственно метан, этан и гексан. Полагалось, что облако после мгновенного выброса имеет форму цилиндра, у которого диаметр основания и высота равны:

где V – объем облака, м3; D – диаметр облака, м; H – высота облака, м.

Численные эксперименты выполнялись для следующих масс выброса M: 200; 2000 и 5000 кг для всех газов и 20 000 кг для гексана. Размеры облака для различных масс выброса приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения D и H для разных масс выбросов, м

Масса облака, кг 200 2000 5000 20 000
Метан 7 16 22
Этан 6 13 18
Гексан 4 9 12 19

Расстояние L от края облака до печи составляло 20; 50 и 100 м.

Пример моделирования рассеяния взрывоопасного облака приведен на рис. 3.

Видно, что легкий газ всплывает, а тяжелый прижимается к земле. По мере приближения к печи на ней, как на преграде, поднимается давление, заставляя облако ее обтекать, в том числе и переваливая через верх, но контакт происходит вследствие втягивания смеси горючего газа с воздухом через жалюзи.

Рис. 3. Результаты моделирования рассеивания облака:
а – метана массой 2000 кг при скорости ветра 5 м/с (расстояние от края облака до печи 50 м); б – гексана массой 20 000 кг при скорости ветра 5 м/с (расстояние от края облака до печи 100 м)

Результаты расчета времени миграции взрывоопасного облака до печи приведены в табл. 4.

Видно, что для источников, расположенных на расстоянии 20 м время от момента выброса до контакта с печью колеблется от 5 до 10 с и слабо зависит от скорости ветра и массы выброса. Очевидно, что определяющим фактором является разрежение и тяга в печи. Практически во всех случаях время миграции облака от места выброса до печи меньше времени срабатывания паровой завесы. С увеличением скорости ветра время миграции облака даже при расстояниях от места выброса до печи 100 м сокращается до 15…30 с. Таким образом, результат согласуется с выполненной качественной оценкой, и вывод об абсолютной неэффективности паровой завесы, как системы защиты, очевиден.

Рассмотрим эффективность паровой или иной завесы для предотвращения контакта взрывоопасного облака с открытым пламенем и нагретыми поверхностями печи как источниками зажигания, даже если быстродействие включения завесы в работу позволяет предотвратить такой контакт (расстояние от источника выброса до печи L ≥ 100 м).

Таблица 4

Время от момента выброса горючего газа до контакта взрывоопасного облака с печью

Вещество M, кг L, м Скорость ветра, м/с
0,5 1 3 5
Метан 200 20 5 5 5 5
50 17 17 15 12
100 Облако рассеялось Облако рассеялось 34 25
2000 20 6 6 5 4
50 21 15 8 6
100 69 40 27 23
5000 20 6 6 5 4
50 18 17 12 10
100 >60 41 26 22
Этан 200 20 6 6 6 6
50 20 20 19 15
100 53 50 43 28
2000 20 7 7 7 6
50 20 20 19 15
100 51 49 39 28
5000 20 7 7 6 3
50 20 20 19 15
100 52 50 39 27
Гексан 200 20 9 10 10 10
50 31 32 30 23
100 72 72 59 Облако рассеялось
2000 20 9 9 9 6
50 27 28 24 11
100 66 63 35 20
5000 20 9 5 3 2
50 28 28 23 17
100 60 42 19 13
20000 20 8 9 10 8
50 24 26 21 15
100 51 37 18 12

На территории опасного производственного объекта кроме печей существует множество других потенциальных источников зажигания. При разрушении оборудования и миграции облака по территории предприятия источники могут быть связаны с самим аварийным процессом:

  • соударение первичных и вторичных незакрепленных осколков с оборудованием;
  • высокая температура выбрасываемых горючих веществ;
  • наличие в выбросе пирофорных соединений и др.

В процессе миграции источниками зажигания могут быть:

  • автотранспорт без искрогасителя или с неисправным искрогасителем;
  • искра при включении двигателя автомобиля;
  • искры токов размыкания;
  • короткое замыкание;
  • неискрозащищенное электрооборудование или электрооборудование с неисправной искрозащитой;
  • проведение ремонтных работ неомедненным инструментом;
  • проведение сварочных работ;
  • курение в неположенных местах;
  • искры удара и трения движущихся частей оборудования (вентиляторов);
  • нагретые до высоких температур поверхности оборудования с нарушенной теплоизоляцией и др.

Определим вероятность зажигания топливовоздушной смеси до ее прихода к печи и сравним ее с суммарной вероятностью поджигания при наличии и отсутствии паровой завесы для расстояний от места выброса до печи равном 50; 100 и 200 м.

Как пример, рассмотрим ситуацию, когда на площадке расположено три печи общей длиной 50 м. При расстоянии от места выброса L угол направлений ветра, при котором облако встретится с печами,

При условии, что все направления ветра равновероятны, вероятность того, что ветер будет дуть в сторону печей

В работе [11] приведены данные о вероятности зажигания облака Pt как функции времени, в соответствии с которыми вероятность зажигания облака в течение 1 мин на химическом и нефтеперерабатывающем заводе.

Pt = 1 мин = 0,9.

Найдена одна авария с упоминанием паровой завесы [12]. В ОАО «Новокуйбышевский нефтеперерабатывающий завод» 26.01.06 на установке АВТ-11 в 3 ч 37 мин работники, находившиеся в аппаратном дворе и в здании операторной, услышали громкий шум и увидели облако газовоздушной смеси, которое, увеличиваясь, двигалось от холодной насосной №1 в сторону блока печей с захватом ближайшего к насосной входа в операторную. Срочно были потушены горелки печей и открыта паровая завеса. В 3 ч 41 мин произошел взрыв газовоздушной смеси в помещении операторной. В описанной аварии взрывоопасное облако встретило источник зажигания и взорвалось раньше, чем дошло до печи.

Если паровая завеса имеется и может быть включена до подхода взрывоопасного облака, то печь послужит источником зажигания, если она будет неисправна. Паровая завеса не сможет выполнить свою функцию при следующих отказах, вероятность которых в течение года получена обработкой статистических данных в процессе эксплуатации [19]:

  • заклинило в закрытом положении или ошибочно не открыта персоналом задвижка на коллекторе подачи пара к печам — Рзд = 0,128;
  • не открылся отсечной клапан — Рок = 0,02;
  • не поступает сигнал на открытие клапана Рпс = 0,015.

Кроме невыполнения своих функций элементами системы необходимо рассмотреть возможные ошибки персонала. После поступления информации о возникшей аварии и выбросе горючих газов и паров персонал должен принять решение о включении подачи пара и выполнить это действие. Вероятность ошибки человека в экстремальной (стрессовой) ситуации зависит от времени, прошедшего после поступления сигнала [7], и с его увеличением снижается: Роп = F(t).

Тогда при дистанционном включении паровой завесы вероятность ее отказа

Если предусмотрено не дистанционное включение паровой завесы персоналом, а автоматическое, то если пренебречь отказами элементов системы ПАЗ, вероятность ее отказа

Вероятности зажигания облака рассчитывается по следующим формулам:

при отсутствии паровой завесы

при дистанционном включения паровой завесы

при автоматическом включении паровой завесы

Результаты расчетов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Влияние паровой завесы печи на вероятность зажигания взрывоопасного облака

Как видно, при расстояниях от источника выброса до печи более 100 м вероятность зажигания взрывоопасного облака при отсутствии паровой завесы практически не отличается от вероятности его зажигания в случае ее применения даже при автоматическом включении подачи пара.

Таким образом, паровая завеса, требуя значительных затрат на создание и эксплуатацию, не может выполнить свою защитную функцию вследствие инерционности и невозможности предотвратить контакт нагретых поверхностей печи и открытого пламени горелок с взрывоопасным облаком к моменту его подхода к ней.

Кроме того, даже если возможно обеспечить необходимое быстродействие, вероятность поджигания взрывоопасного облака другими источниками, распределенными по территории опасного производственного объекта, намного больше, чем поджигание нагретыми поверхностями и открытым пламенем горелок печи с учетом вероятности направления ветра в ее сторону.

Таким образом, паровая завеса практически не влияет на вероятность поджигания взрывоопасного облака и безопасность объекта!

Экономить на безопасности, как об этом говорят в работе [2], нельзя, но понесенные затраты, не влияющие на безопасность, оказывают отрицательное воздействие на экономику страны.

Список литературы

  1. Буканин А.В. Паровые завесы печей нефте- и газохимических предприятий. Надежность – плюс, эффективность – минус? //Химическая техника. 2014. №12.
  2. Добротворский А.М., Балутов А.В., Денисенко Е.П., Легостаев Д.А., Шувалов А.Е., Васецкий А.Ф. //Химическая техника. 2016. №2.
  3. Обеспечение пожарной безопасности предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России. 24.05.2004.
  4. РД 52.04.253–90. Руководящий документ. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. М.: Госгидромет СССР, 1990.
  5. Инструкция по проектированию паровой защиты технологических печей на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР. 21.09.1976. Согласовано с ГУПО МВД СССР 16.04.1976, 7/6/1827.
  6. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств» Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11 марта 2013 г. № 96 в ред. приказа Ростехнадзора от 26.11.2015. №480.
  7. Carolin D. Heising. Risk Assesment: Controlling Hazardous Materials//Journal of Hazardous Materials,15 (1987) 123-135. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam.
  8. Skob Yu.A., Ugryumov M.L., Granovskiy E.A., Lyfar V.A. Effectiveness Evaluation of Facilities Protecting from Hydrogen-air Explosion Overpressure. Book of Abstracts and CD–ROM Proceedings of the 4-rd International Conference on Hydrogen Safety. San Francisco (CA USA). 2011. 11 p. (ICHS Paper No. ID 179).
  9. Скоб Ю.А., Вамболь С.А., Угрюмов М.Л., Грановский Э.А., Лыфарь В.А. Моделирование рассеяния газа в вентилируемом помещении//Проблемы чрезвычайных ситуаций/ Сб. научн. тр. Харьков: НУГЗУ, 2013. Вып. 17. С. 184–197.
  10. Puttock G.S., Colenbrander G.W. and Blackmore D.R. Marlin. Sands experiments 1980: Dispersion results from continuous releases of refrigerated liquid propane, S. Hartwig (ed), Heavy Gas and Risk Assessment. No. 11. Р. 147–161.
  11. P.A.M. Uijt de Haag, dr. B.J.M. Ale. Guideline for quantitative risk assessments. //Purple book». Publication series on dangerous substances (CPR 18E).
  12. Информация об авариях и несчастных случаях, происшедших на нефтехимических и нефтеперарабатывающих объектах за 10 мес. 2006 г.//Информационный бюллетень Федеральной службы Управления по надзору за объектами нефтегазодобычи, переработки и магистрального трубопроводного транспорта отдела по надзору за нефтехимическими и нефтеперерабатывающими объектами.