Вопросы пожаровзрывобезопасности являются основополагающим фактором при внедрении как топлива в различные отрасли хозяйства страны.
Метан, при нормальных условиях химически стабильный компонент, становится опасным в смеси с воздухом. Внесение в такую смесь открытого огня или другого источника приведет к ее воспламенению, если содержание метана находится внутри концентрационных пределов распространения пламени.
Опасность воспламенения метановоздушных смесей в закрытых объемах хорошо известна по последствиям аварий на угольных шахтах. Взрывы метановых смесей в замкнутых объемах приводят к семикратному повышению давления. В свободном пространстве случаев взрывов метана не отмечалось. Экспериментально установлено, что даже сильно разогретые тела не в состоянии поджечь метановоздушную смесь.
Особенности обеспечения пожаровзрывобезопасной эксплуатации объектов, работающих на природном газе, в том числе на заводах, производящих , и объектах, его использующих, обусловлены физическими свойствами как природного газа, так и . Ниже для сравнения приводятся некоторые данные по опасности , пропана и бензина.
Как следует из данных таблицы, взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях в 4,5 раза (нижний предел) и в 1,9 раза (верхний предел) больших, чем с бензином, что снижает опасность образования гремучей смеси. У природного газа более высокая температура воспламенения, а минимальная энергия воспламенения (наименьшая величина энергии искры электрического разряда, которой достаточно для воспламенения смеси) у метановоздушных смесей выше, чем у бензина и пропана, т. е. они воспламеняются хуже. Максимальное давление взрыва (наибольшее давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси в замкнутом объеме при начальном давлении 0,1 МПа) ниже, чем у других топлив, но достаточное, чтобы разрушить оборудование или сооружение, в котором произошел взрыв. СПГ нетоксичен, что положительно сказывается на его безопасности.
Пары СПГ легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,554), поэтому при его утечках газообразная фаза поднимается вверх. При утечках жидкости пары должны нагреться до —108 °С, прежде чем их плотность станет ниже плотности воздуха (соответственно 1,26 кг/м3 у метана при —108 °С и 1,293 кг/м3 у воздуха) и они начнут подниматься.
Природный газ является хорошим диэлектриком: его объемное сопротивление достигает значения 109 Ом. Смесь метана с воздухом в открытом пространстве не детонирует.
Низкие температуры существования СПГ предъявляют повышенные требования к технике безопасности при обращении с ним.
Необходимо помнить об этом, чтобы исключить обморожения и другие негативные последствия.
Образовавшаяся в замкнутом пространстве горючая метановоздушная смесь может стать негорючей путем введения в нее дополнительно 25…30 % СО2 или 40…50 % N2. Это важно для предотвращения опасных ситуаций в начале их развития.
Следует иметь в виду, что углеводородные газы способны растворять в себе влагу, вследствие чего образование льда и кристаллогидратов на органах регуляторов давления, запорной арматуре, трубопроводах может привести к уменьшению площади проходного сечения, увеличению дроссель-эффекта и, в конечном счете, к прекращению подачи продукта и даже нарушению целостности газопроводов
Интерес представляют материалы работы, где приведены экспериментальные и аналитические данные по сравнению пожаровзрынебезопасности тепловозов, работающих на КПГ и СПГ. Эти материалы являются показательными и могут быть распространены на другие отрасли техники, например автомобильную.
С точки зрения критериев обеспечения безопасности СПГ превосходит КПГ уже по физическим первопричинам возникновения аварийных ситуаций. Действительно, рабочее давление в резервуарах СПГ может находиться на уровне, незначительно превышающем атмосферное, в то время как у КПГ оно определяет большой запас дополнительной, легко высвобождаемой потенциальной энергии. Криогенные температуры хранения СПГ препятствуют процессам реакции горения. Конструктивное решение криогенной техники — изоляция резервуаров, трубопроводов, арматуры и др. — является защитой в аварийных ситуациях, сопровождающихся возгоранием. Это является неоспоримым преимуществом СПГ перед КПГ и нефтяными топливами.
Проведенные эксперименты и расчеты показали, что:
1) при взрыве емкости с КПГ по сравнению с емкостью с СПГ при прочих равных условиях:
максимальное избыточное давление больше в 10 раз; максимальный импульс больше в 50 раз размеры зон поражения больше в 4 раза;
2) при детонации газопаровоздушной смеси:
максимальное избыточное давление одинаково; максимальный импульс больше в 2 раза; размеры зон поражения больше в 2 раза;
3) при образовании огненного шара:
мощность теплового излучения одинакова; энергия излучения больше в 2 раза; размеры зон поражения больше в 2 раза.
В результате можно сделать вывод, что с точки зрения пожаробезопасности преимущества СПГ перед КПГ неоспоримы.
При организации морских перевозок сжиженных углеводородов произведена комплексная оценка степени опасности СПГ по сравнению с другими сжиженными газами и нефтепродуктами с учетом 11 параметров опасности. По величине этих параметров по каждому из них была определена относительная опасность для 10 наименований сжиженных углеводородных газов, включая метан, а также для аммиака и бензина. Проведенный анализ показывает, что уровень комплексной безопасности метана находится между пропаном и бензином, т. е. на уровне широко используемых моторных топлив.
Специфический источник опасности, характерный для различных потребителей СПГ, — выбросы паров СПГ в атмосферу во время эксплуатации — в настоящее время ослабляется с помощью безопасных дренажных устройств и дожигателей.
О безопасной работе с СПГ свидетельствует опыт многолетней работы заводов, безаварийных перевозок его танкерным флотом, эксплуатация на СПГ карьерных самосвалов и автомобильные перевозки в США, эксплуатация магистральных и маневровых тепловозов «Берлингтон Нозерн» и «Моррисон-Кнудсен», «Санта Фе», «Юнион Пасифик» (США), тепловоза KOF360 в Германии и др. [60, 62]. Таким образом, бытующее мнение о повышенной (по сравнению с нефтяными топливами) пожаровзрывоопасности СПГ лишено оснований.
Для решения вопросов по обеспечению пожаровзрывобезопасности при проектировании оборудования для получения и использования СПГ из всей совокупности аспектов следует выделить следующие:
- комплекс средств, включающий конструктивные мероприятия по предотвращению и локализации возможных аварийных ситуаций;
- системы обнаружения и ликвидации аварийных ситуаций
- алгоритмы взаимодействия всех систем обеспечения пожаровзрывобезопасности.
Поскольку СПГ является для России новым видом топлива и его физические, физико-химические и эксплуатационные свойства существенно отличаются от свойств традиционных топлив, необходимо обобщить имеющийся небольшой опыт работы с СПГ в России и за рубежом.
Для дальнейшего повышения пожаровзрывобезопасности объектов с СПГ проработан комплекс инженерно-технических мероприятий с учетом опыта, полученного при внедрении жидкого водорода в ракетно-космическую технику. Кратко они сводятся к следующему.
Оборудование (резервуары, арматура, трубопроводы) для СПГ должно изготавливаться из конструкционных материалов, работающих при криогенных температурах: нержавеющая сталь, в том числе сталь с 9 %-ным содержанием никеля, алюминиевые сплавы, композитные материалы, качественные ЖБИ, которые Вы можете приобрести на www.betoneks.ru. Также на этом сайте Вы можете ознакомиться с подробным описанием изделий ЖБИ, применяемые в современном строительстве, в том числе и хранилищ для СПГ.
Это оборудование должно иметь теплоизоляцию и узлы компенсаций температурных деформаций. Обеспечение герметичности оборудования достигается за счет применения сварных соединений. Количество разъемных соединений должно быть сведено к минимуму.
В резервуарах, заполненных СПГ, поддерживается избыточное давление до 1,0 МПа, что исключает проникновение в них воздуха и образование пожароопасных смесей. Для предотвращения образования таких смесей при первоначальном заполнении оборудования следует проводить его продувку газообразным азотом для снижения концентрации кислорода до уровня 3 % об. Подобная операция также проводится при освобождении оборудования от природного газа. Для снижения давлений в аварийных ситуациях на оборудовании должны устанавливаться предохранительные клапаны и разрывные мембраны.
В технологических схемах объекта должна предусматриваться возможность перекрытия подачи природного газа и СПГ в аварийные участки оборудования. Для ограничения площади пролива СПГ при авариях резервуаров следует устанавливать защитные ограждения, вмещающие весь объем находящегося в нем продукта.
На комплексах СПГ должен быть предусмотрен организованный сброс горючих газов от устройств аварийного сброса при срабатывании предохранительных клапанов, при предусмотренных технологическим регламентом сбросах паров, при ручном стравливании и освобождении технологических блоков от газов и паров в аварийных ситуациях. При этом сброс паров должен осуществляться через свечу (дожигание) с температурой газов и паров на выходе не выше 100 °С («теплые» газы) в атмосферу. Для предупреждения образования в свече условий распространения пламени внутри нее следует установить огнепреградители и обратные клапаны, а также обеспечить эффективное рассеивание сбрасываемых газовых паров.
Управление крупными объектами, как правило, ведется дистанционно; контроль технологических параметров проводится по датчикам, расположенным на технологическом оборудовании и выполненным во взрывозащищенном исполнении. Могут использоваться искробезопасные электрические цепи. Текущая информация, а также информация об отклонениях параметров от нормы выводятся на пульт оператора для принятия оперативных решений.
Основное оборудование объектов размещается, как правило, на открытых площадках и эстакадах, что позволяет отказаться от обязательных для закрытых сооружений систем специальной вентиляции и газового контроля довзрывоопасных концентраций. Электрооборудование, размещаемое в этих зонах, должно быть во взрывозащищенном исполнении. Вокруг оборудования устанавливаются пожаровзрывоопасные зоны.
Объекты, работающие на природном газе, должны обеспечиваться освещением, связью, средствами молниезащиты и защиты от статического электричества. Трубопроводы с природным газом и СПГ и заправочные эстакады к взрывоопасным объектам не относятся.
Должное внимание должно быть уделено созданию приборов, которые защищают объекты от возникновения аварийных ситуаций. Контроль качества подготовки систем к безопасному приему СПГ должен осуществляться с помощью хорошо зарекомендовавших себя в работе с жидким водородом автоматизированных газоанализаторов «Берилл-2» для замера объемной доли кислорода в азоте (диапазон значений замеров объемной доли кислорода в азоте 0,3…25 %) и «Вант-1» для замера объемной доли природного газа в азоте, а контроль качества СПГ должен осуществляться путем отбора проб жидкости из резервуаров систем и его контроля хроматографическим методом. Конкретные требования пожаровзрывобезопасности к технологическим процессам должны быть установлены в нормативно-технической документации и указываться в техническом задании на объект.
Для контроля воздушной среды в сооружениях и помещениях, чтобы обеспечить безопасность работ и мониторинг выбросов метана, должна быть разработана система газового контроля (метан в воздухе), которая оснащается автоматической информационно-измерительной системой и сигнализирует о появлении в контролируемых помещениях довзрывоопасных концентраций метана.
По данным работы, расстояние от обвалованного криогенного резервуара до ограждения территории объекта должно быть не менее 10 м, расстояние между открытыми технологическими блоками — не менее 4 м. Расстояние от открытых технологических блоков производственной зоны до площадок налива-слива должно быть не менее 9 м, а от площадок отстоя продукта до площадки налива — не менее 20 м. Разрыв между испарителями одного объекта должен быть не менее 1 м.
Подъезд пожарных машин при ширине здания или сооружения до 18 м должен быть обеспечен с одной стороны, и с двух сторон — при ширине более 18 м. Ширина дорог должна быть не менее 3,5 м.
Площадка для слива СПГ из транспортного заправщика должна быть оборудована отбортовкой высотой не менее 150 мм.
Для открытых и закрытых блоков объекта устанавливается взрывоопасная зона, а для пространства каждого производственного помещения — категория и класс по взрывопожарной опасности.
В целях безопасности резервуары с СПГ для уменьшения площади разлива должны устанавливаться в поддоне высотой на 0,3 м выше уровня разлива СПГ, а фундаменты должны быть не менее чем на 0,2 м выше уровня прилегающей площадки.