для каких целей печи с открытым огневым процессом должны быть оборудованы паровой завесой

Может ли паровая завеса печей выполнить свою защитную функцию?

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).

Рекомендуемые расстояния от потенциально опасных объектов до аппаратов с огневым нагревом

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

Вероятность скорости ветра 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 м 2 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 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.

где V – объем облака, м 3 ; 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.

Значения D и H для разных масс выбросов, м

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).

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

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:

В процессе миграции источниками зажигания могут быть:

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 P_t как функции времени, в соответствии с которыми вероятность зажигания облака в течение 1 мин на химическом и нефтеперерабатывающем заводе.

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]:

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: Р_оп = 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.

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.

Источник

Паровые завесы печей нефте- и газохимических предприятий. Надежность – плюс, эффективность – минус?

Автор: А.В. Буканин (ООО «Арсенал Групп»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №12/2014

О повышении эффективности работы технологических печей на предприятиях нефте- и газохимии речь шла в шестом номере журнала «Химическая техника». В данной статье автор высказывает свою точку зрения относительно эксплуатации паровых завес печей и предлагает стать участниками дискуссии руководителям и специалистамэксплуатационщикам предприятий и компаний, специалистам проектных институтов и инжиниринговых компаний, специалистам Ростехнадзора.

Типичная картина производства, цеха, установки, эксплуатирующего паровую завесу печи (печей)

Какую картину на предприятиях мы наблюдаем чаще всего в зимний период работы? Хочется ответить словами классика: «все в дыму, все в пару, ничего не видно…». Сразу же напрашивается мысль, что безопасность и эффективность – это две разные вещи, когда речь идет о работе паровой завесы печи.

Рис. 1. Работа паровой завесы на печах ООО «Тобольск- Нефтехим» в зимний период работы

На рис. 1 показана работа паровых завес на печах ООО «Тобольск-Нефтехим» в зимний период работы.

В чем, собственно, проблема, и почему автор ее поднимает на страницах журнала?

Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-540–03 [1] в пункте 4.5.8.3 предусматривают: «для изоляции печей с открытым огневым процессом от газовой среды при авариях на наружных установках или в зданиях печи должны быть оборудованы паровой завесой, включающейся автоматически или дистанционно. При включении завесы должна срабатывать сигнализация».

Если рассмотреть пункт Правил «под микроскопом», то можно сделать следующие выводы.

Большие потери тепловой энергии при эксплуатации паровой завесы. Минусы по факту:

Единственный плюс прописан в Общих правилах взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств ПБ 09-540–03 в пункте 4.5.8.3. Этот «плюс» следует считать спорным и вот почему.

Каковы реалии с эксплуатацией паровых завес печей

Учитывая тот факт, что Правила действуют уже более двух десятилетий, потери тепловой энергии в рамках РФ составили более 20 млн. Гкал. Это колоссальные потери, и мы продолжаем их увеличивать с каждым годом.

Отдельные предприятия имеют паровые завесы печей, но не эксплуатируют их надлежащим образом. Паровые завесы печей находятся в «холодном» состоянии, в случае резкой подачи пара в «холодную» трубопроводную обвязку паровой завесы печи произойдет сильный гидроудар, трубопроводная обвязка паровой завесы придет в негодность. Иногда представители госорганов в лице специалистов Ростехнадзора «не замечают» отсутствие паровых завес печей или их «холодную» консервацию и не требуют безусловного соблюдения пункта 4.5.8.3 ПравилПБ 09-540–03. Создается ситуация, когда одни предприятия «страдают» и несут значительные потери тепловой энергии (пара) при эксплуатации паровых завес печей в «горячем» состоянии, другие предприятия этих проблем не имеют и живут «счастливо».

Зарубежные компании, работающие по аналогичным технологиям производства, не имеют паровых завес печей и удивляются, когда узнают о существовании в России подобных технических решений безопасности производства.

Согласитесь, при эксплуатации старых и современных новых, отечественных и лучших зарубежных печей в России в 21 в. применяется «энергозатратный» подход к безопасности печи с применением паровых завес.

Неужели нет других способов обеспечить безопасность работы печи, не применяя паровую завесу? Оказывается, такие способы существуют и используются во всем мире.

Решение проблемы – установка сети наружных датчиков загазованности в радиусе 10…50 м от печи, которые способны определить минимальные концентрации опасных веществ (Н2, СН4, СО и т.д.) в воздухе рабочей зоны, со световой и звуковой системами оповещения персонала в случаях загазованности. Требуется актуализация

Правил ПБ 09-540–03 касательно пункта 4.5.8.4: в качестве альтернативы паровой завесы печи должна быть «умная» система – сеть из датчиков загазованности, которая не требует расхода энергоресурсов (пара) и затраты на эксплуатацию которой минимальны. Автор статьи, безусловно, за повышение общей безопасности при эксплуатации печи (печей) на предприятиях нефтеи газохимии, но эта безопасность, по его мнению, должна обеспечиваться минимальными затратами энергоресурсов или полностью их исключать.

Актуализация Правил ПБ-09-540–03

Компаниям и предприятиям, эксплуатирующим паровые завесы печей, следует высказаться по этому вопросу публично и направить в Ростехнадзор предложение актуализировать п. 4.5.8.4 Правил ПБ 09-540–03. Ростехнадзор может внести правки в данный пункт Правил или сделать его рекомендательным. Цена этого вопроса в рамках России составляет более 1 млрд. руб./год, решение проблемы будет способствовать повышению эффективности работы предприятий, цехов, установок при безусловном соблюдении Правил ПБ 09-540–03.

Список литературы

Автор данной статьи, имеющий большой опыт эксплуатации и инжиниринга печей нефте- и газохимии, высказал свою точку зрения относительно существующего положения вещей. Проблемы печей, особенно в части их эффективности, есть, и их надо решать. Надеемся, что данная тема не оставит специалистов равнодушными, ждем ваших отзывов, предложений, идей.

Источник