Басниев К.С. Энциклопедия газовой промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

СПГ

Факторы напряжений

Внутреннее давление, масса трубы,

масса

изоляции и т. п. (все постоянные нагрузки)

Напряжения,

перечисленные выше, напряжения случайные,

не

сосредоточенные (снег, ветер, землетрясения и др.)

Напряжения,

вызванные

термической усадкой стали

Результирующее напряжение

Si (под нагрузкой СПГ)

Sj (при испытаниях)

Допустимый предел

£1,33 S

S1.5 S

Расчет

предельной

длины

сопротивления

изгибу.

4.9.3.2.4.

Потери давления

— СПГ

обладает

низкой вязкостью (1/10 от вязко-

сти

воды, см. § 4.2.1);

— диаметры трубопроводов рассчитываются из

условия, что скорость течения СПГ не должна

превышать 8 м/с;

— режим течения практически всегда турбулент-

ный и потери

давления

пропорциональны V*/D:

обычно используется формула Коленбрука;

— для определения потерь

давления

в особых

точках (задвижки, колена, тройники и т.п.) ис-

пользуется формула эквивалентных длин пря-

мых отрезков (см. §

1.4.1.);

— расчеты потерь

давления

важны для проверки

величин давлений, необходимых для работы

насосов на линиях слива и

налива

судов, за-

грузки

резервуаров (на заводах) или слива из

резервуаров (случай терминала). Например,

для сети слива СПГ из метановоза:

где

Р„ - напор насосов судна; SH - потери давле-

ния в сети перекачки с судна в резервуар; Н - мак-

симальная разность высот резервуар/судно; Р

давление в резервуаре.

4.9.3.2.5.

Опоры

(см. рис. стр. 495)

— Неподвижные опоры изготавливаются из дере-

вянных

клиньев (дерево ироко), обеспечиваю-

щих механическую прочность и теплоизоляцию;

— подвижные

опоры

обеспечивают продольное пе-

ремещение

(от 0,4 до 0,6 м) трубопроводов по

опоре с направляющими элементами или без них;

— "висячие" опоры позволяют перемещение в

двух

плоскостях подвешенного трубопровода.

4.9.3.2.6.

Компенсация напряжений, вызван-

ных низкими температурами (см.

рис.

1 стр. 496)

Для компенсации напряжений, вызванных холо-

дом,

используют:

— лиры.

Приближенная формула для расчета размеров

лиры (/>) для трубопровода длиной L и диаметром

D, работающего в интервале температур Д9:

л =

1.5EDAL

где

AL - L

•

A8,

E - модуль Юнга;

F - максимально-допустимое напряжение;

А, - коэффициент линейного расширения исполь-

зуемой нержавеющей стали;

— компенсаторы:

• аксиальный компенсатор.

Элемент, состоящий из гофрированной трубы

(сильфона), дающей возможность осевых пе-

ремещений с тягами - ограничителями напря-

жений и без них,

• шарнирный компенсатор (S).

Шарнирное соединение, имеющее возмож-

ность

колебательных

движений вокруг про-

дольной оси (около 5°), смонтированное во-

круг

гофрированной трубы.

Компенсатор с двойным шарниром имеет две

гофрированных трубы, соединенных концами

и связанных двойным шарниром,

• шарнирные системы.

Они состоят из компенсаторов, используемых

для трубопроводов между двумя неподвижны-

ми

опорами.

4.9.3.2.7.

Гидравлический удар

— Аварийная остановка насоса, быстрое закры-

тие задвижки и т.п. могут вызвать быстрое из-

менение режима течения СПГ в трубопроводах

и распространение ударной волны; амплитуда и

скорость

этой ударной

волны

уменьшаются во

времени благодаря силам трения.

— Ниже приводятся упрощенные

формулы

для

расчета максимальной величины повышения

давления, вызванного закрытием задвижки:

для*>2- ДН

•

где

- время закрытия задвижки;

L - длина трубопровода;

а - скорость ударной

волны

(-1500 м/с);

- скорость СПГ перед гидравлическим ударом;

g - ускорение силы тяжести.

4.9.3.2.8.

Теплоизоляция

Необходимость теплоизоляции

была

описана в

§ 4.4.1.3.4., а использование для этого пенополиу-

ретана - в § 4.3.3.2.3.4.

494

СПГ

Направляющая опора | Свободная опора

(диаметром от 250 до 600 мм)

"Висячая" опора с пружиной

Неподвижная опора

(диаметром от ьо до zuu мм)

Опоры

трубопроводов

СПГ.

495

СПГ

4.9.3.3.

Особый случай гибких трубо-

проводов

Использование гибких трубопроводов необходи-

мо в случае коротких участков, где появляются зна-

чительные

температурные напряжения и сами гиб-

кие

соединения

выполняют

роль

компенсаторов, а

также

в случае временных соединений, таких как

при сливе-наливе автоцистерн.

оплетка из

нержавеющей стали

Валик из

стекловолокна

1 оплетка из -

нержавеющей стали

Кольцо

Стальная

лента

Фланец ASA-150

Гибкие

трубопроводы.

Обычно

гибкие трубопроводы изготавливаются

из

аустенитных сталей

Z2CN18-10

(304 L) или

Z2CNfl17-12

(316 L) и состоят из:

— гофрированный

трубы

(собственно гибкого тру-

бопровода);

— антиобледенительной изоляции (стекловолок-

но, вакуум, полиурентан и др.), часто отсутству-

ющей

на трубопроводах, включаемых на корот-

кое

время;

— внешнего протектора, выполненного из обмот-

ки

из аустенитной стали (см. рис. 2, стр. 496).

Для номинального диаметра 75 мм масса одного

погонного метра в зависимости от изоляции и меха-

нической прочности колеблется от 15 до 25 кг.

Применение и испытания гибких трубопроводов

выявили

трудности в создании таких трубопрово-

дов, которые не обмерзали бы и одновременно ими

легко

было

бы манипулировать, а

также

хрупкость

соединений трубопровода с фланцем. Тем не ме-

нее

удалось подобрать гибкие трубопроводы для

операции перекачки СПГ с одного метановоза на

другой (такая операция

была

реализована в

1984

г.

на рейде Фос сюр Мер между метановозом

Эдуард

Л.Д.

(125 000 м

) и метановозом

Жюль

Вврн

(25

000 м

4.9.4.

Вспомогательные

устройства

на трубопроводах

В общем случае специфичность устройств

вызвана главным образом низкой температурой

СПГ:

— использование криогенных материалов;

— расположение, исключающее дифференциаль-

ные термические напряжения, что является

причиной деформаций, заклинивания подвиж-

ных деталей и т.п.;

Лирообразный

компенсатор

Аксиальный

компенсатор

Баэанкароа

С «н

карами

Шарнирный компенсатор

С двойным шарниром

шарнирные системы

В форме Z

-Иди

С удлинением AL/2

В монтаж* В эксплуатации

Системы

компенсации.

496

СПГ

—

меры безопасности против обледенения

час-

тей,

находящихся

контакте

воздухом,

а так-

же против изменения физического состояния

газа

во

время захолаживания.

4.9.4.1.

Краны

4.9.4.1.1.

Особые характеристики

—

Оборудование кранов отсекателями (обтюра-

торами)

для

того,

чтобы

избежать скопления

порции

СПГ во

время закрытия крана

корпусе

его,

что при

разогреве вызвало

бы

повышение

давления, несовместимое

прочностью аппа-

рата;

—

удлинение

оси

привода крана

для

того,

чтобы

сальник

набивка находились при температуре

окружающего воздуха;

—

контакт седло-клапан типа

металл-металл

вместо

тефлон-металл

для

лучшей

герметич-

ности

случае

пожара;

—

устройство идеальной герметичности:

дна кра-

на,

соединенные последовательно

одном бок-

се

продувкой последнего азотом;

—

типы неисправностей, зарегистрированных

во

время испытаний

работы:

•

потеря управляемости (блокировка) штурва-

лов

т.п.,

•

потеря внутренней герметичности (неисправ-

ности

соединений),

•

потеря внешней герметичности (сальники,

со-

единения

крышках задвижек).

4.9.4.1.2.

Типы

запорных кранов

и их

приме-

нение

(см.

табл. стр. 498).

4.9.4.2.

Регуляторы дебита

4.9.4.2.1.

Основные характеристики

Одинаковые

характеристиками запорных кра-

нов

(§

4.9.4.1.1.)

Если

закрытом положении

тре-

буется полная герметичность, необходимо продуб-

лировать эти регуляторы отсечным краном.

4.9.4.2.2.

Типы

регуляторов дебита и их при-

менение

(см.

табл. 1, стр. 499).

4.9.4.3.

Предохранительные клапаны

4.9.4.3.1.

Особые характеристики

—

Предохранительные клапаны предназначены

для ограничения давления

закрытой емкости,

содержащей

СПГ или

холодный

газ,

обеспе-

чивая

автоматический сброс избыточного флю-

ида.

—

Они устанавливаются

на

всех резервуарах

и от-

резках

трубопроводов между двумя кранами,

где

СПГ или

холодный

газ

могут находиться

неподвижном состоянии.

— Они

работают

очень специфичных условиях:

открытие происходит при температуре окружа-

ющего

воздуха, клапан выпускает холодный газ

закрывается при низкой температуре.

—

Типичные неисправности, зарегистрированные

во время испытаний

работы

условиях низких

температур:

•

недостаточная герметичность при закрытии,

•

блокировка при открытии или закрытии,

•

изменение давления срабатывания

при тем-

пературе окружающей среды

т.п.

—

Сбор газа, выходящего

из

клапана,

является

той обычно используемой операцией, которая

позволяет решать вопросы блокирования

кла-

пана при открытии

закрытии при низкой тем-

пературе из-за влажности.

4.9.4.3.2.

Типы

клапанов

Принцип работы клапанов, используемых

для

СПГ,

не

обязательно отличается

от

принципа дей-

ствия клапанов, используемых для

нефти

или газа.

Однако

были

внесены значительные модификации

в конструкцию,

чтобы

удовлетворить требованиям

работы

среде

СПГ

(см. табл.

стр. 499).

4.9.4.3.3.

Область

применения

Часто безопасность требует,

чтобы

открытие

клапанов

было

надежным.

этом

случае

не

следу-

ет применять пилотируемые (управляемые) предо-

хранительные

клапаны

без

дублирования

их уст-

ройствами прямого действия (клапаны, мембра-

ны),

тарированными (настроенными)

на

давление,

несколько большее давления срабатывания пило-

тируемых клапанов. Фактически трубопроводы

СПГ

холодного газа оборудованы только клапа-

нами прямого действия,

резервуары оборудова-

ны пилотируемыми клапанами, продублированны-

ми

клапанами прямого действия

или

взрывными

диафрагмами.

4.10.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ОБЛАСТИ СПГ

4.10.1.

Утечки СПГ: физичес-

кие

явления и обору-

дование

безопасности

4.10.1.1.

Поведение СПГ в процессе

утечки

Газ,

образующийся испарением разлитого

СПГ,

образует

смеси

кислородом воздуха смесь,

го-

рящую при

любых

концентрациях газа

пределах

от

5 до

15%

по

объему.

В стехиометрических условиях минимальная

температура воспламенения достигает

540°С

(мгновенная температура самовозгорания

закры-

том объеме).

Практически горение легко начинается при кон-

такте

открытым

огнем,

более трудно при воздей-

ствии

искры

особенно

при

контакте

горячей

точкой,

которая нагревает лишь небольшой объем

смеси

гаэ-0воздух

требует более высоких

тем-

ператур

для

возгорания.

Смесь воздуха

метаном нетоксична по причине

плохой растворимости метана

крови.

Тем не ме-

497

Схема

Кран

с чашечным затвором

Кран

с затвором-бабочкой

Кран

с затвором клапанным

Кран

со сферическим затвором

Принцип действия и замечания Затвор перемещается пер-

пендикулярно направле-

нию движения флюида.

Кран

обладает большими

размерами

(из-за

хода

вверх

затвора при откры-

тии крана), время откры-

тия-закрытия весьма дли-

тельное.

Герметичность обеспечи-

вается в одном

направлении.

Затвор перемещается

вращением

вокруг оси,

перпендикулярной оси

течения флюида, сме-

щенной

по отношению к

плоскости клапана-

бабочки и эксцентричной

по отношению к

трубопроводу.

Небольшие размеры, на-

именьший вес,

небольшое время

срабатывния, приспо-

соблен к регулированию.

Затвор перемещается параллельно

оси течения флюида.

типа затворов: неподвижный и пла-

вающий относительно приводного

штока.

Утечки почти

нулевые

в направлении

преимущественного прохода.

Возможность варианта

угловых

кра-

нов.

Тип «плавающий шар»:

сферический запорный

элемент

с проходом,

создавленым разностью

давления, с отверстием на

входе, позволяющим де-

компрессию

СПГ, оста-

ющегося

во время закры-

тия (следовательно,

герметичность в одном

направлении).

Проход

Да

Нет Нет

Да

Низкое

давление

A. S. А. 150

Р£1,6МПа

S 50 мм

Да

Нет

Да Да

50мм£Д£800мм

Да Да

Нет

Редко

употребляемый

Среднее

давление

ASA 300

S 50 мм

Да

Нет

Да Да

50мм5Д£400мм

Да

Нет

Редко

употребляемый

Да

Высокое давление

ASA 600 и 900

Р£11,2МПа

5 50 мм

Да

Нет

Да

мм £Д

£400

мм

Да

Нет

Нет Нет

Типы

затворных

кранов и их

применение.

СПГ

Обычная

регулирующая

задвижка

прямого действия

Задвижка

с клеточным

затвором

Задвижка

с вращающимся затвором

Схема

- ручное управление

! - механизм управлен

Закон

регулирования

расхода

Переменный в зависимости

от

профиля

запорного ус-

тройства и седла.

Переменный в зависи-

мости от

профиля

окон

клеточного затвора.

Линейный (проход почти

полный

при пол-

ном открытии).

Использование В

любых

не

очень

сложных

условиях.

Преимущественно для

использования в тяже-

лых эксплуатационных

условиях

(большая раз-

ность

давлений при от-

крытой или закрытой за-

движке).

Применяется в случае, если хотят полу-

чить

повышенный

коэффициент расхода

Типы

регулирующих

задвижек и их

использование.

Предохранительный клапан

прямого действия с

пропорциональным

перемещени!

Предохранительный клапан

прямого действия с мгновенным

открытием

Управляемый предохранительный клапан

Замечания

по конструкции

— Необмерзаемая пружина.

— Давление

газа

передается не

на запорный клапан, а на мем-

брану, соединенную с клапа-

ном и помещенную в обогрева-

емую зону.

Гилы

предохранительных

клапанов.

Необмерзаемая

пружина за

счет удлинителя.

Особые конструктивные

реше-

ния: достаточные зазоры для

компенсации дифференциаль-

ных напряжений во время сра-

батывания;

замена

материалов

для пружины и т. д.

— Возможность срабатывания при небольшой раз-

ности давлении благодаря усиливающему дейст-

вию пилота.

499

СПГ

нее

человек, долгое время находящийся в атмо-

сфере

с высоким содержанием метана, может ис-

пытывать

неприятные ощущения,

вызываемые

по-

ниженным 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 ме-

ре

того, как этот газ растворяется в воздухе и имея

виду

влажность

воздуха,

плотность

смеси умень-

шается,

конденсация паров

воды,

то есть кристал-

лизация сформировавшихся капель, разогревает

газ,

облегчает его и делает облако

газа

видимым.

Вблизи источника испарения это облако тем бо-

лее

видимо, чем больше расход холодного

газа

больше

влажность

воздуха. Длина облака

макси-

мальна в спокойную погоду. Она уменьшается с

возрастанием

силы

ветра и перемешивания. Ис-

следования изменения относительной плотности

смеси

метана при -160°С с воздухом в зависимос-

ти

от концентрации метана, температуры воздуха,

относительной влажности воздуха, показали, что

при относительной влажности более 55% концент-

рация 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 поз-

воляет

оценить опасную зону.

Итак,

учитывая

риск возгорания и пожара обла-

ков

газа,

образующихся в результате утечек СПГ,

разработаны определенные меры безопасности и

оборудование для предотвращения и тушения по-

жаров и недопущения утечек.

4.10.1.2.

Предотвращение утечек СПГ

Предупреждение

утечек

является

первой це-

лью при разработке любого оборудования, содер-

жащего

СПГ: использование и улучшение криоген-

ных материалов, совершенствование оборудова-

ния с

целью

предотвращения возможности

разрывов

и т.д.

Независимо

и в дополнение ко всем

мерам,

при-

нятым

при конструировании оборудования, все ап-

параты, содержащие СПГ, снабжаются устройст-

вами безопасности, способными предупредить или

ограничить

любые

утечки:

— задвижки аварийной отсечки и системы

быст-

рого разъединения

сливных

рукавов

(стояков);

— измерители уровня, системы предохранения от

перелива, изолирующие задвижки, предохра-

нительные

клапаны и т.п. в каждом резервуаре

СПГ;

— сигнализаторы и системы аварийного останова

в регазификаторах, вращающихся машинах (на-

сосы

СПГ и компрессоры испарений), трубопро-

водах 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 насы-

щенного

пара СПГ в емкости, его содержащей,

больше, чем атмосферное давление.

Из-за

разно-

сти

давлений АР масса ДМ СПГ испаряется. Коли-

чество этой массы может

быть

оценено следую-

щим

расчетом:

Количество тепла, отдаваемого массой М флю-

ида,

температура которой понижается на AT,

равное С

•

ДТ, равно количеству тепла, необхо-

димому

для испарения массы AM или L

•

AM, от-

куда:

AM с

где

L - скрытая теплота парообразования;

удельная

теплоемкость жидкой фазы.

Для СПГ влияние температуры на

величину

дав-

ления насыщенного пара определяется выражением:

^= =

дт

где

L = 510 кДж/кг; С = 3,55 кДж

•

кг

•

Кг

Для утечки СПГ из сосуда, находящегося под

давлением 1 090 кПа, и при атмосферном давле-

нии,

равном 101 кПа, доля испарившегося СПГ бу-

дет

равна около 0,7%.

При более точном расчете необходимо

учесть

состав СПГ и ввести понятие двухфазного разло-

жения,

так же как и коэффициенты фазового

равновесия

различных

компонентов

смеси.

Но по-

лученные

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 ре-

газификации,

более опасной, чем декомпрессия

при утечке СПГ.

Чтобы

понять

идею,

запомним,

что

1 кг нержавеющей стали, охлаждаясь на 1 градус

при контакте с СПГ при температуре кипения,

вызывает

образование 0.6 м

газа

(приведенного к

0°С и 101,3 кПа). Это количество удваивается, ес-

ли заменить

сталь

обычным

бетоном.

Если значительное количество СПГ разливает-

ся по

земле,

земля передает ему определенное ко-

личество тепла, но и сама охлаждается: если по-

верхность

контакта между СПГ и землей остается

постоянной, разность температур между СПГ и

землей

уменьшается, и, следовательно, количест-

во испарений уменьшается во времени.

Запись уравнений теплопередачи для нестацио-

нарного СПГ и грунтом позволяет

получить,

вводя

некоторые допущения (постоянная смоченная СПГ

поверхность, нет

влияния

граничных

эффектов,

нет

теплообмена СПГ с воздухом, нет термическо-

го

сопротивления грунта, моделируемого полубес-

конечной стенкой), следующее соотношение для

расхода испаряющегося СПГ в контакте с фунтом

V в зависимости от времени г:

500

СПГ

где:

L - скрытая теплота парообразования,

дж/кг;

- плотность СПГ,

кг/м

X - коэффициент теплопроводности

фунта,

Втм-'К"

;

а - коэффициент термодиффузии

фунта,

м/с;

AT -

начальная

разность температур

фунта

и СПГ,

К.

Важным результатом

является

то, что расход

испарений СПГ с земли уменьшается пропорцио-

нально

1/2

Во избежание всякой неопределенности относи-

тельно

мгновенного максимального расхода испа-

рений в первые секунды после розлива (при

- О,

-»«>),

необходимо провести эксперименты.

4.10.1.3.1.3. Моделирование распространения

слоя и испарения СПГ

Распространение цилиндрического жидкого

слоя может

быть

рассчитано численным путем ис-

ходя

из следующей системы

дифференциальных

уравнений:

dR(0

dM(0

~dT

где:

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

n(Q - высота фронта слоя на момент времени t, м;

0.(1) - массовый расход выброса СПГ, кг/с;

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

- ускорение силы тяжести, м/с

;

f -

доля

СПГ, мгновенно испарившегося при рас-

ширении;

(l) - массовый расход испарений (приход тепла),

кг/с;

min

- высота минимальная, которую может

иметь слой СПГ. Она зависит или от капиллярных

сил или от шероховатости

фунта

и может

быть

оп-

ределена экспериментальным путем.

а - дополнительный коэффициент, который

учитывает

случаи

распространения слоя на по-

верхности воды и

фунта.

На поверхности грунта расход испарений цилин-

дрического

слоя определяется выражением:

u-R(l)

Q.(0

u»0

2nudu

где

и и х связаны соотношением и

••

ность СПГ,

кг/м

••

R(T)

ир-

плот-

Коэффициент /гзависит от природы грунта и оп-

ределяется экспериментально для различных по-

верхностей.

На поверхности воды явление конвекции обес-

печивает относительно постоянную температуру

воды на контакте с СПГ, поток

тепла

Q постоянен

и может

быть

определен экспериментально. Тогда

массовый расход испарений определится из

выражения:

4.10.1.3.2.

Обнаружение

разливов СПГ

предупреждение

Установки СПГ могут

быть

оборудованы

многи-

ми

системами обнаружения розлива СПГ:

— детекторы

холода

типа термопар, терморезис-

торов,

термостатов или, наконец, детекторы на

оптических волокнах (в процессе разработки);

эти детекторы распределены на всей поверхно-

сти,

где возможны утечки СПГ (противопожар-

ные рвы и т.д.);

— детекторы газа на основе каталитического

горе-

ния,

полупроводников, теплопроводности; такие

детекторы могут

быть

использованы в зонах рас-

положения оборудования, из которого возмож-

ны утечки СПГ, так как они сопровождаются

значительным испарением разлитого СПГ.

Кроме

того,

простым способом обнаружения

розлива

является

визуальное наблюдение образо-

вавшегося облака атмосферной конденсации. Об-

ходы

мест расположения установок СПГ и наблю-

дение через телекамеры позволяют операторам

обеспечить обнаружение разливов визуальным на-

блюдением.

случаях,

когда места потенциальных утечек

СПГ, могущих воздействовать на некриогенные

части оборудования или

тело

человека, могут

быть

заранее известны, защита от криогенных тем-

ператур может

быть

обеспечена с помощью:

— экранов или

частичных

алюминиевых

покры-

тий;

— деревянных щитов;

— бетонных перегородок и т.д.

Пример: защита корпуса судна в месте соедине-

ний с наливными стояками.

4.10.1.4.

Рассеяние облаков

паров СПГ

4.10.1.4.1.

Оценка газовой дисперсии

Учитывая

основные

СПГ, а именно:

характеристики выброса

— тип источника (мгновенный или постоянный),

— атмосферные условия,

—

рельеф

местности и препятствия,

необходимо определить расстояние безопаснос-

ти,

за пределами которого концентрация метана

никогда

не достигнет более 5%.

Для оценки этого расстояния возможны различ-

ные подходы:

— численное моделирование,

— физическое моделирование в аэродинамичес-

кой

трубе или струе,

— опыты в малом или большом масштабе, кото-

рые к тому же позволяют оценивать точность

двух

первых подходов.

501

СПГ

Опыты

по рассеиванию (дисперсия) сложны и

дороги

(приборы, расходуемый газ). Поэтому воз-

можно

провести лишь ограниченное их число, чем

объясняется интрес к первым двум подходам.

Опыты

в аэродинамической трубе или струе поз-

воляют 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 теплопе-

редаче, что

является

существенным приближени-

ем.

Что касается численного моделирования,

были

созданы следующие три основные категории моде-

лей (в порядке возрастания сложности):

— гауссовы модели,

— модели интегрального типа (или боксовые мо-

дели),

— трехмерные модели.

Эти модели предполагают знание величин, опи-

сывающих слой и его испарение с помощью изло-

женного

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 эмис-

сии,

— выражают, что пространственное распределе-

ние 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

случае

мгновенного розлива СПГ или в виде

последовательности прямоугольных слоев,

испускаемых через равные промежутки вре-

мени в

случае

постоянного розлива СПГ).

• распластание под действием сил тяжести и

нагрева облака захватом воздуха и конвекци-

ей с фунтом (явления, описываемые форму-

лами с эмпирическими коэффициентами, бо-

лее или менее сложными в зависимости от

моделей),

• рассеивание по закону Гаусса в зависимости

от атмосферных условий, когда достигаются

критерии

перехода между фазами распласты-

вания и дисперсии (рассеивания)

(пример:

плотность облака близка к плотности окружа-

ющего

воздуха или скорость распластывания

мала

по сравнению со скоростью

ветра),

(от-

сутствие ветра, сильный

застой),

не

учитывают

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 интегрированием семи

следующих уравнений:

• три уравнения Навье-Стокса, которые описы-

вают атмосферное течение;

• уравнение сохранения массы,

• уравнение

энергии,

• уравнение концентрации по закону

Фика,

• уравнение состояния

газа,

например идеаль-

ного;

— могут учесть препятствия и

рельеф

дать

де-

тальное

описание эволюции облака;

— требуют большого времени расчетов на боль-

ших ЭВМ.

4.10.1.4.2.

Контроль рассеивания

газового

облака СПГ

случае

разлива СПГ могут

быть

приняты мно-

гие

меры для ограничения влияния рассеивания

облака паров:

— для ограничения объема испарившегося и рас-

сеянного

в атмосфере газа разработаны раз-

личные

устройства, служащие для ограничения

смоченной СПГ поверхности в зонах возможно-

го

разлива:

• противопожарные рвы,

• дренажные канавы,

• сливные уклоны и т.п.

Для ограничения теплообмена между СПГ и ок-

ружающей средой:

• покрытие смачиваемых поверхностей изоли-

рующим бетоном, смолами или полиуретаном,

• нанесение физических пен на разлитый СПГ,

которые изолируют его термически от атмо-

сферы (см. § 4.10.1.6.2.);

— атмосферная турбулентность может

быть

уси-

лена

в зоне розлива путем создания препятст-

вий для облегчения растворения образовавше-

гося

газа:

• постоянных (пример:

изгороди,

посадки дере-

вьев),

• разворачиваемых в

случае

утечки (пример:

водяная завеса);

— для уменьшения возможности возгорания

газо-

вого

облака определяются зоны газовой безо-

пасности,

в которых применяется электрообо-

рудование соответствующего класса и исполь-

зование открытого огня и источников

тепла

строго

регламентированы.

4.10.1.5.

Возгорание

ликвидация пожара

4.10.1.5.1.

Общие сведения о пламени СПГ

В свободной атмосфере горение внутри смеси

метана с воздухом распространяется теплопро-

водностью и диффузией свободных радикалов со

скоростями,

в пределах 5 -15 м/с в зависимости от

состава

смеси.

Это явление медленной дефлагра-

502

СПГ

ции (горения без взрыва) не вызывает существен-

ного

повышения давления: другими словами,

взрыва не происходит, что произошло бы в закры-

том объеме. Некоторые авторы все же считают,

что теоретически внутри газового облака больших

размеров,

распространяющегося в свободном про-

странстве, в определенных условиях могла бы про-

исходить детонация, то есть распространение пла-

мени ударной волной, сжимающей адиабатически

последовательные слои газа.Это мог бы

быть

слу-

чай, когда возгорание

было

бы инициировано ис-

точником ударной

волы

большой мощности.

До

настоящего времени эта гипотеза не под-

тверждена фактами. Попытки спровоцировать это

явление в стехиометрических смесях объемом не-

сколько сот кубометров с помощью тринитротолу-

ола

были

сделаны, но результата не дали.

Таким образом, так как взрыв в свободном про-

странстве исключен, остается пожар, который на-

до хорошо знать,

чтобы

эффективно его тушить.

В классификации пламени, принятой во многих

странах,

включая

англо-саксонские и Францию,

СПГ относится к классу В "воспламеняющихся

жидкостей или газов под давлением, горение ко-

торых сопровождается пламенем" (в отсутствие

электрического разряда).

Опыты, проведенные на пленках СПГ меньше

200 м

, позволили установить их излучение:

были

зарегистрированы величины в среднем 150

кВт/м

на поверхности горения и до 250

кВт/м

локально.

Эти значения по всей вероятности постоянны для

больших пожаров СПГ: возможно, что,

начиная

определенного размера, пламя над слоем СПГ не

стелется по земле из-за недостатка воздуха. К то-

му же первые опыты, реализованные на поверхно-

сти

1000 м

летом 1987 г. обществом Газ де Франс

в кооперации с другими газовыми обществами, по-

казали,

что образуется большое количество

сажи,

что

является

признаком неполного горения. Тепло,

выделяемое пожаром СПГ, рассеивается тепло-

вым излучением пожара и конвекцией; интенсив-

ность теплового излучения пожара на данном рас-

стоянии определяется этим рассеиванием и атмо-

сферным поглощением.

Оценка этого теплового излучения в зависимос-

ти от расстояния позволяет оценить опасные зоны

для различных приемников (материалы, люди и

т.п.) в соответствии с их стойкостью к облучению.

4.10.1.5.2.

Моделирование излучения пожара

СПГ

Современные способы моделирования основа-

ны на следующей формуле:

Q =

Г-тЕе,

где:

Q - поток излучения, вт/м

;

F - коэффициент формы пламени;

т - коэффициент переноса окружающим возду-

хом;

Е - эмиссия пламени, вт/м

;

- коэффициент эмиссии пламени;

т - коэффициент, учитывающий атмосферное

поглощение (вызванные, главным образом, водя-

ным паром в окружающем воздухе) на расстоянии

пламя-приемник.

е выражает ослабление эмитированного излуче-

ния из-за непрозрачности как пламени, так и

сажи.

учитывает

форму пламени, расстояние и вза-

имную ориентацию между пламенем и приемни-

ком,

для которого рассчитано излучение Q.

Метод упрощенного расчета излучения Q от

пламени СПГ состоит в следующем:

— представить пламя как цилиндр более или ме-

нее наклоненный в соответствии с принятыми

для расчетов направлением и силой ветра;

— оценить высоту и угол наклона пламени по по-

луэмпирическим формулам, предложенным

AGA: соответственно по формулам Томаса и

Виклера и Слипцевича;

— произвести двойное интегрирование элемен-

тарного энергетического потока, излученного

элементом поверхности пламени (прямо свя-

занного

с эмиттивностью: Е « ел) на элементе

поверхности приемника;

— пренебречь коэффициентамитие.

4.10.1.5.3.

Обнаружение пожара СПГ

Средства, употребляемые для обнаружения по-

жара СПГ, не отличаются от тех, которые применя-

ются на газовых установках в общем случае.

На установке, расположенной на открытом воз-

духе, вокруг всех ее частей, содержащих СПГ, ус-

танавливаются детекторы пламени, имеющие чув-

ствительный фотоэлектрический элемент или ин-

фракрасный,

ультрафиолетовый

элемент.

4.10.1.6.

Противопожарная

защита

Противопожарная защита установок СПГ имеет

три цели:

— защитить близлежащие объекты от действия

теплового излучения,

— ограничить интенсивность пламени,

— потушить пожар, если позволяют условия.

4.10.1.6.1.

Защита

от излучения

Чаще

всего используются устройства орошения

объектов, считающихся наиболее уязвимыми для

обеспечения адекватного сопротивления

огню.

Расчет

этих устройств состоит в следующем:

— оценить тепловое излучение, получаемое объ-

ектами по методам, изложенным в § 4.10.1.5.2.

для определенного сценария пожара;

— определить конфигурацию рамп орошения;

— рассчитать теоретически необходимый расход

воды для поглощения испарением полученного

излучения;

— принять коэффициенты безопасности для этого

расхода воды, принять меры, гарантирующие

доступность источника воды, определить сред-

ства перекачки воды (морская вода

чаще

всего

для заводов и терминалов).

503